DE2637686A1

DE2637686A1 - Verfahren und vorrichtung zur automatischen uebertragung von teilen

Info

Publication number: DE2637686A1
Application number: DE19762637686
Authority: DE
Inventors: Carl F Ruoff
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1975-08-20
Filing date: 1976-08-20
Publication date: 1977-02-24
Also published as: GB1534167A; JPS5253360A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Übertragung von Teilen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Übertragung von Teilen zwischen einer Aufnahme- und einer Ablagestelle unter Verwendung einer programmierbaren mechanischen Übertragungsmaschine (MÜM). Insbesondere geht es darum, die Übertragung der Teile unter solchen Bedingungen auszuführen, bei denen die Teilorientierung und/oder Position an einer oder an beiden Stellen statistisch variiert.

Bekanntlich führen mechanische Übertragungsmaschinen (MÜM) in der Industrie bestimmte Operationen aus; z.B. überführen sie Teile von einer Stelle zur anderen, man pulieren Schweißpistolen, Nietpistolen usw. In vielen Fällen wiederholen sich die Operationen, die von der MÜM ausgeführt werden, im wesentlichen vollständig. D.h., weder der Bewegungsweg noch die Koordinaten der Endpunkte der Be-

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wegung variieren beträchtlich. Es ist daher möglich, die Bewegung entweder durch mechanische Führungen oder durch ein festes Programm vorzuprogrammieren und diese Bewegungen einfach wiederholt auszuführen. Es entstehen jedoch dann Probleme, wenn die Endpunkte des Übertragungsweges statistischen Variationen entweder in der absoluten Position oder der Orientierung an einer Position unterliegen, und/oder wenn der Überführungsweg selbst aufgrund zufällig auftretender Faktoren Variatonen unterliegt. Unter diesen Umständen ist es ganz allgemein notwendig, einen geübten Operator zur Steuerung der Bewegungen des MÜM einzusetzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen in vollständig programmierbarer Weise erreichbar ist, daß die Position und die Orientierung des Greifers der MÜM konstant bezüglich zum Teil ist, unabhängig von der Position und Orientierung des Teils.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines MÜM-Systems

mit einem sechsachsigen Manipulator, einem Teilezuführer, einem Visionssystem für senso-709808/0934

rische Dateneingaben und einer Aufnahmestation, wo die Teile vom Roboter abgelegt werden;

Fig. 2 eine detaillierte perspektivische Ansicht des

Manipulators, wie er bei einer bestimmten Position und Orientierung des Teils dieses aufnimmt;

Fig. 3 eine detaillierte perspektivische Ansicht des

Manipulators, wie er bei einer zweiten Position und Orientierung des Teils dieses aufnimmt;

Fig. 4 A - C Flußdiagramme, die in vereinfachter Form einen

repräsentativen Teil eines Kontrol!programmes zeigen, welches eine Rufroutine und eine gerufene ünterroutine enthält und unter Verwendung aufgefrischter Daten aus dem sensorischen Eingangsgerät nach Fig. 1 die Aufnahme des Teils durchführt;

Fig. 5-8 globale Koordinatendiagramme, welche verschiedene Vektorgrößen, Achsen und Winkel zeigen, die zur Erläuterung der jeweiligen Operation des Systems verwendet werden.

Fig 1 zeigt ein System.zur automatischen Überführung und zum Zusammenbau von Teilen. Es umfaßt eine sechsachsige, auf dem Boden montierte MÜM Io mit einem beweglichen Manipulator in Form einer Greifhand 12. Diese ergreift Teile 14 auf einer Bühne 16 und über-

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führt diese Teile 14 jeweils einzeln zu einer Aufnahme 18, die sich auf einem Ständer 2o befindet. Im System nach Fig. 1 kommen die Teile 14, wie hiernach ausführlicher beschrieben wird, einzeln und in zufällig variierender Position und Orientierung an der Bühne an. Die einzige Konstante ist in diesem Beispiel die Höhe der Teile 14, die von der feststehenden vertikalen Koordinate der Fläche 16 bestimmt wird. Die Aufnahme 18 wird bei diesem Beispiel mit fester Position angenommen; es versteht sich jedoch, daß sowohl die Koordinaten der Position auf der Bühne als auch der Position der Aufnahme statistischen Variationen unterliegen können. Z.B. kann die Aufnahme 18 auf einem beweglichen Förderer angeordnet sein, dessen jeweilige Stellung nur lose mit den Ankunftszeiten der Teile am Ort 16 synchronisiert ist.

Die MÜM Io ist auf dem Boden montiert; auf diese Weise wird eine relativ feststehende Basisposition für die größeren Systemkomponenten gebildet. Die MÜM Io umfaßt einen senkrechten Ständer 22, der ein (nicht gezeigtes) Getriebe enthält, welches eine Drehung um die senkrechte Symmetrieachse des Ständers (22) ermöglicht. Dies bildet den ersten Freiheitsgrad, wie in der Zeichnung angedeutet. Der Ständer 22 trägt ein großes, halbzylindrisches Gehäuse 24, durch welches ein horizontaler Ausleger geführt ist. Dieser trägt die Greifhand 12 an dem Ende, das in Fig. 1 vorne ist. Der Ausleger 12 ist zwar nicht gezeigt; es ist jedoch klar, daß er durch das Auslegergehäuse 28 und die ziehharmonikaartige Abdek-

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kung 3o verläuft. Ein erster Kugelschraubenantrieb befindet sich vertikal innerhalb der ziehhanuonikaartig gefalteten Abdeckung des Gehäuses 24. Auf diese Weise wird eine vertikale Verschiebung des gesamten Auslegers möglich. Dies bildet den zweiten Freiheitsgrad, wie in der Zeichnung angedeutet. Ein zweiter Kugelschraubenantrieb innerhalb des Auslegergehäuses 28 ermöglicht das Ausfahren und Rückziehen der Hand 12 entlang der Achse des Auslegers. Dies bildet den dritten Freiheitsgrad, wie in der Zeichnung angedeutet. Die großen mechanischen Komponenten des MÜM Io liefern also drei Freiheitsgrade, einen Rotationsfreiheitsgrad (θ) und zwei lineare Verschiebungsfreiheitsgrade (R und Z). Drei zusätzliche Freiheitsgrade besitzt die Greiferhand selbst, wie hiernach genau beschrieben wird.

Nun werden die Details der Verschiebungseinrichtung betrachtet, die unmittelbar in Nähe der Greiferhand 12 ist. Ein vierter Freiheitsgrad wird durch einen Drehmotor 34 geliefert. Dessen Ausgangsteil ist mit den herabhängenden Greiferarm-Klammern 32 verbunden und dreht die Klammer 32 um die Längsachse des Motors 34. Diese ist bei der Handorientierung von Fig. 1 parallel zur vertikalen Achse dargestellt. Die Achse des Motors 34 ist immer parallel zur Z-Achse. Die Klammern 32 tragen den Drehmotor 36, dessen Längssymmetrieachse senkrecht zur vertikalen Achse bzw. longitudinalen Symmetrieachse des Drehmotors 34 ist. Er ergibt einen fünften Rotationsfreiheitsgrad; d.h., der Drehraotor 36 variiert auf Kommando den Winkel der Greifarmwelle 38 über einen weiten Winkelbereich. Der

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sechste und letzte Freiheitsgrad wird vom Drehmotor 4o geliefert, der mit der Ausgangswelle 38 verbunden ist und diese um ihre eigene Achse dreht. Dabei werden die Greifbacken der Hand 12 je nach Wunsch in verschiedene Orientierung gedreht.

Insgesamt ist zu erkennen, daß sechs Freiheitsgrade vorgesehen sind; dabei handelt es sich um zwei lineare Bewegungsachsen und vier Rotationsachsen. Drei Freiheitsgrade sind direkt mit der Roboterbasis selbst verknüpft; die anderen drei betreffen offensichtlich die Koordinaten und die Orientierung der Hand 12.

Die Teile 14 werden jeweils einzeln auf die Bühne 16 durch einen Teilezuführer 44 aufgebracht. Der Teilezuführer 44 umfaßt einen elektromagnetisch aufnehmenden und ablegenden Kopf 46, der in den Transportbehälter 48 gebracht werden kann. Dort nimmt er ein metallisches Teil 14' auf, bewegt dieses in eine Stellung direkt über der geneigten Gleitfläche 5o. Auf Kommando gibt der elektromagnetische Aufnahmekopf 46 das Teil 14' auf die Gleitfläche 5o frei; es fällt auf eine Fläche 64 innerhalb der Grenzen einer rechteckigen Schiebeeinrichtung 66. Der Schieber wird dann betätigt, wodurch das Teil von der Fläche 64 auf die Fläche 16 gebracht wird. Dort wird es besichtigt; die Position und die Orientierung werden bestimmt. Dann wird das Teil durch die MÜM Io auf die Aufnahme 18 überführt.

Die Teilezuführeinrichtung 44 umfaßt außerdem einen bidirektionalen

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Luftzylinder 52. Dieser fährt einen Arm 54 im wesentlichen in senkrechter Richtung ein und aus. Der Arm 54 trägt einen Nockenfolgerzapfen 56, der in einem Nockenschlitz 58 in den Platten 6o und 62 geführt ist. Dadurch wird der Aufnahmekopf 46 in den Behälter 48 und danach in eine Stellung oberhalb der Gleitfläche 5o gebracht. Der elektromagnetische Aufnahmekopf 46 kann durch anders geartete Köpfe bei nichtmetallischen Teilen ersetzt werden. Z.B. kann ein Vakuum-Aufnahmegerät verwendet werden. Da jedes Teil 14 in besonderer Art auf die Gleitfläche 5o herabfällt, bringt die Zuführeinrichtung 44 notwendigerweise die Teile 14 auf die Bühne 16 in statistisch variierender Position und Orientierung, Es ist daher nicht möglich, zur Steuerung der MÜM ein festes Programm herzustellen, unter dem die Hand 12 wiederholt für jedes Teil an dieselbe Aufnahmeposition gebracht wird. Sensorische Eingangsdaten sind notwendig," welche die handadressierte Orientierung und Aufnahmestellung für jedes Teil modifizieren und danach die überführung und den Zusammenbau in der Aufnahme 18 entsprechend dem festen Programm durchführen. Wie zuvor erläutert, geschieht dies entsprechend der vorliegenden Erfindung, indem die Manöver zur Teilaufnahme als Subroutine definiert werden, die von dem Gesamtkontrollprogramm aufgerufen wird, und indem die Positions- und Orientierungsdaten, die während der Aufnahme-Subroutine verwendet werden, durch ein nachfolgend beschriebenes Sichtsystem aufgefrischt werden.

Das sensorische Eingangssystem, das einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung bildet, umfaßt den Beleuchtungsstand 68.

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Dieser besitzt eine durchscheinende Plexiglasfläche 16 und innerhalb des Standes zur Beleuchtung des Teils 14 eine rückwärtige Beleuchtungseinrichtung. Das in Fig. 1 gezeigte Teil 14 ist Teil eines Bremsschuhes; es hat einen charakteristischen Umriß, was die Bestimmung des Flächenschwerpunktes des Teiles und dessen spezifische Orientierung auf der Fläche 16 ermöglicht. Das Sichtsystem enthält außerdem das Sichtgerät 7o, das so orientiert ist, daß die Fläche 16 und das Teil 14 über den Spiegel 72 betrachtet wird. Die Sichtlinie ist in Fig. 1 durch die unterbrochene Linie angedeutet. Die Daten, die vom Sichtgerät 7o geliefert werden, werden über eine Datenschiene 75 dem programmierbaren Computer zugeführt. Der Computer errechnet den Flächenschwerpunkt und die Orientierung des Teils 14 auf der Fläche 16. Mit diesen neuen Daten wird die Aufnahme-Subroutine räumlich umgestellt ausgeführt. Die Details des Sichtsystems sind in der deutschen Patentanmeldung P 25 18 o77.2 beschrieben.

Am Ende der Aufnahme-Subroutine überführt das Gesamtkontrollprogramm das Teil 14 auf die Aufnahme 18, wie zuvor beschrieben. Der Computer 74 ist außerdem über die Datenschiene 76 mit der Zuführeinrichtung 44 verbunden und befiehlt das Auslösen des Teiles 14 auf die Gleitfläche 5o und die Betätigung des Schiebemechanismus 66, so daß das Teil horizontal von der Fläche 64 auf die Fläche 16 gebracht wird. Es ist also klar, daß alle Hauptbestandteile des Systems, das in Fig. 1 gezeigt ist, so zusammenwirken, daß eine kontinuierliche, einzelne sequentielle Übertragung der Teile von dem Transportbehälter 48 zur Aufnahme 18 erfolgt. Eine gewisse Über-

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lappung der Einzeloperatxonen ist offensichtlich möglich, wodurch zeitliche Verzögerungen zwischen den einzelnen Überführungen verringert werden.

Die Vorrichtung von Fig. 1 wurde anhand einer einfachen Überführung von Teilen aus einer zufällig variierenden Position und Orientierung auf eine feste Position und Orientierung beschrieben. Es versteht sich, daß die MÜM Io auch dazu verwendet werden kann, andere Geräte, z.B. Nietpistolen oder Schweißpistolen usw. aufzrnehmen und zu bedienen. Der jeweilige Mechanismus der Hand 12 kann leicht ausgetauscht oder ersetzt werden, so daß die verschiedenen zusätzlichen Funktionen, die erforderlich sind, ausgeführt werden können.

In Fig. 2 ist das Teil 14 auf der Fläche 16 in einer ersten, zufällig variierenden Position und Orientierung dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die scherenartigen Greifbacken 42 der Hand 12 sich dem Teil notwendigerweise so nähern müssen, daß die herabhängenden Finger 78 die Seiten des Teils an verschiedenen, in Abstand befindlichen «Punkten ergreifen. So kann das Teil aufgenommen und auf die Aufnahme 18 übertragen werden. Es versteht sich, daß auch andere Greiferarten verwendet werden können, z.B. mit parallel verschiebbaren Greifelementen. In Fig. 3 ist das Teil 14 in einer weiteren Orientierung und Position gezeigt, was eine Umorientierung des lokalen Ursprungs für die Aufnahme-Subroutine erfordert; das Teil muß aus einer anderen Orientierung in der neuen Position angenähert werden, so daß wiederum die herabhängenden

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- Io -

Finger 78 das Teil exakt in derselben Weise ergreifen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Es ist also klar, daß die Aufnahme-Subroutine mit dem Teil 14 verknüpft ist und nicht mit Umgebungselementen in fester Position, wie z.B. mit dem Ständer 68 oder der Zuführeinrichtung 44. Bei jeder neuen Teile-Position und-orientierung wird vom Computer 74 ein neu definierter lokaler Ursprung für die Hand 12 errechnet. Die Daten, welche diese Orientierung und Position betreffen, werden im Speicher abgelegt und bei der Ausführung der Aufnahme-Subroutine verwendet. Die ursprüngliche Organisierung und das Format des Programms werden von einem Operator-Programmierer bei einem LernVorgang bestimmt. Dabei kann, wie hiernach ausführlich erläutert wird, der Roboter Io von Hand über den gewünschten Weg bewegt werden; an bestimmten Stellungen werden die Daten gespeichert, wodurch die Bewegungen und die Koordinaten der Hand 12 bei diesen Bewegungen definiert werden. Auf diese Weise können diese leicht wieder aufgefunden werden.

In Fig. 4 ist eine vereinfachte Darstellung des bevorzugten Programms gezeigt. Das Gesamtkontrollsystem ist in dem Flußdiagramm von Fig. 4a dargestellt; es enthält eine Reihe von Funktionen, welche im Groben die Basisoperationen und Bewegungen des Systems definieren. In Fig. 4A stellt der Block 8o die Eingangs funktionen dar. Dies beinhaltet das Einschalten des Stromes, das Laden des Systems durch Zufuhr von Teilen, Aufnahmen usw., das Nullstellen des Manipulators, so daß eine zuverlässige Referenzlage erzielt wird, das Bewegen des Manipulatorarms in eine Stellung, in der

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ein Eingangssignal des Operators abgewartet werden kann.

Sobald die Eingangsprozeduren abgeschlossen sind, prüft das Programm die Eingangsschalter oder die anderen Eingangsgeräte des Operators. Dabei wird bestimmt, ob ein "Lern"-Lauf oder ein echter Lauf gewählt ist. Diese Funktion ist im Block 82 angegeben. Es sei nun angegeben, daß ein "Lern"-Lauf gewählt ist; in diesem Fall schreitet das Programm zum Funktionsblock 84 fort. Wenn andererseits ein echter Lauf gewählt ist, schreitet das Programm zum Funktionsblock 86 fort. Das Lehren bzw. Lernen ist ein allgemeiner Vorgang, mit dem die MÜM die Fähigkeiten erlangt, die zur Ausführung der Aufgaben erforderlich sind. Das Lehren besteht darin, Kommandoblocks für die MÜM zu schaffen, Computerprogramme in der Maschinensprache des Computers zu schaffen und eine Wechselwirkung der Software-Struktur zu erreichen, mit der das System seine Ziele erreichen kann. Die Kommandoblocks für die MÜM sind für das betriebene System verständlich. Sie lassen das System bestimmte Funktionen ausführen, z.B. "bewege eine Achse" oder "rufe eine Subroutine auf". Die Programme in der Maschinensprache des Computers besorgen die Buchhaltung, liefern Daten und verarbeiten die sensorischen Eingaben. Das den Lauf bedienende System führt die Kommandoblocks aus, ruft die Programme in der Maschinensprache des Computers ab, fragt die Sensoren ab, und zwar im Kontext der Wechselwirkung der Software-Struktur, so daß die Ziele erreicht werden.

Der Funktionsblock 84 stellt eine Mehrzahl von Kommandoblocks im Gesamtsystem dar. Dazu gehören das Lehren der gewünschten Bewegun-

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gen, wie zuvor beschrieben; das Lehren,wie das Sichtsystem ein Teil identifiziert, den Flächenschwerpunkt des Teils ortet und die Orientierung bestimmt; das Lehren, wie die Daten zu behandeln sind und wie die Subroutinen auszuführen sind, einschließlich derjenigen, die räumlich umordenbar sind, die hiernach ausführlicher erläutert werden.

Der Funktionsblock 86 enthält die Kommandos zur Ausführung der im Block 84 gelehrten Operationen. Diese werden wiederholt ausgeführt, wobei das Wiederholungssignal in einem Entscheidungsblock 88 erzeugt wird. Block 84 und Block 88 werden mit ihrem Ausgang zum Block 82 zurückgeführt.

In Fig. 4B ist eine typische Programmfolge dargestellt. Sie umfaßt die allgemeinen Funktionsblocks 9o, 92, 94 und 96. Im Block 9o werden vom Computer 84 zur Zuführeinrichtung 44 Kommandos gegeben, ein Teil auf die Bühne 16 zu bringen. Im Block 92 erfolgen an die Sichteinrichtung 68, 7o Kommandos, die Teileposition und -orientierung zu bestimmen. Wenn diese Daten erzeugt sind, geht es zum Block 94, wo unter Verwendung des Greifers 12 das Teil aufgegriffen wird. Bei diesem Beispiel wird die Aufnahme-Routine "part get" genannt. Es ist eine Routine, die unter Verwendung der Daten ausgeführt wird, die im vorhergehenden Block 92 erzeugt worden sind. Es ist also eine Routine, die räumlich in dem Sinne umordenbar ist, daß sie im wesentlichen an das Teil geknüpft ist, aber in der räumlichen Position und Orientierung variabel ist. Zum Aufrufen von "part get" führt der Computer zunächst die Rechnungen aus, die notwendig

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sind, a) den Schwerpunkt des Teils, b) die X, Y und Z-Koordinaten des Teiles auf der Fläche 16 und, c) die Winkelorientierung des Teiles zu bestimmen. Die Aufnahmekoordinaten werden dann automatisch so eingestellt, wie dies zur Bestimmung der verschiedenen Winkel und linearen Verschiebungen notwendig ist, die zur Positionierung des Manipulators relativ zum Teil erforderlich sind, wenn "part get" ausgeführt werden soll.

Wenn "part get" ausgeführt ist, wird, wie vom Block 96 angedeutet, das Teil auf die Aufnahme 18 überführt. Diese überführung verwendet die gelernten überführungsdaten, welche die Koordinaten der Aufnahmeposition enthalten. Dabei handelt es sich im wesentlichen um eine Positionierungsoperation mit geschlossener Schleife, wie sie bei bekannten numerischen Steuersystemen verwendet wird.

Die Kommandoblocks 98, loo, Io2, Io4, Io6, Io8 in Fig. 4C definieren die Routine "part get". Diese kann räumlich entsprechend den vom Sichtgerät erhaltenen Daten umgeordnet werden. Nachdem der "Header" der Subroutine im Block 98 erkannt ist, wird der Kommandoblock loo ausgeführt. Dabei wird der räumlich erfaßte Teil 14 bewegt, so daß alle Koordinaten und Winkel außer Z richtig sind. Der Block Io2 läßt den Greifer zur Z-Koordinate des Teils herabsinken; der Block Io4 läßt den Greifer am Teil schließen; der Block Io6 läßt den Greifer ansteigen, so daß er sich auf die Aufnahme zu bewegen kann. Dies ist das Ende der umordenbaren Subroutine; ein Ausgangssignal wird erzeugt, wodurch zum Hauptprogramm zurückgekehrt wird. Dies ist bei Io8 angedeutet.

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Bezüglich Fig. 4B ist anzumerken, daß die Sichtdaten in seltenen Fällen eine Teileposition oder, was wahrscheinlicher ist, -orientierung anzeigen können, die für die MÜM Io nicht geeignet ist. D.h., es handelt sich um ein mechanisch unmögliches Manöver, oder eine unmögliche Position für den Greifer 12. Unter diesen Umständen weicht die Programmfolge von Fig. 4B insofern ab, als eine weitere räumlich umordenbare Routine aufgerufen wird. Dabei wird das Teil nur angestoßen oder geschoben, wobei es in eine brauchbare Stellung oder Höhe gebracht wird. Dabei können sowohl greifende als auch nicht greifende Routinen verwendet werden. Die greifenden Routinen werden dadurch ausgeführt, daß die Greiffinger 42 vertikal ausgerichtet werden und das Teil zwischen sich fassen. Das Teil wird in diesem Fall nicht überführt, sondern nur auf der Fläche 16 bewegt. Danach wird wiederum das Sichtgerät angerufen. Es versteht sich, daß die Subroutine "reorient" anders programmiert werden kann als als Teil des in Fig. 4B gezeigten Programms. Z.B. kann sie ein Teil der Routine "part get" sein.

Anhand von Fig. 5 wird nun eine genaue Beschreibung einer bestimmten Ausführungsform bzw. Betriebsweise der Erfindung gegeben.

Wie zuvor beschrieben, benötigt eine räumlich umordenbare Subroutine einen Bezugsachsensatz: einen Ursprung sowie einen Satz Achsenorientierungen , die jeweils auf einen bestimmten festen Satz von Globalkoordinaten bezogen sind. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Cartesisches Rechtskoordinatensystem oder zylindrische

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Koordinaten für die MÜM Io angenommen; zur Orientierung von Achsensätzen bezüglich zu anderen Achsen werden Eulersche Winkel verwendet.

Bei einer Organisationsform werden die Bewegungssätze, die eine räumliche Subroutine umfassen, in einer Form gespeichert, die sich auf die Definitionsachsen bezieht. D.h, die gespeicherten Werte sind einfach die Abweichungen bezogen auf die Achsen. Ein anderer Organisationsweg besteht darin, die Globalbewegungen zu speichern, d.h. die Bewegungen bezogen auf dfe Globalkoordinaten, wie sie der MÜM Io gelehrt wurden. Dazu muß Information gespeichert werden, welche die Definitionsachsen der Subroutine lokalisiert. Diese Achsen fallen nicht notwendigerweise mit den Globalachsen zusammen. Z.B.: Bewege den Greifer zu einem Zapfen; gib an, daß der Ursprung der Subroutine und deren Orientierung diejenigen der Greifhand sind; Befehle dem Gerät, den Zapfen aufzunehmen. In beiden Fällen kann der Zapfen später an einer anderen Stellung aufgenommen werden, indem einfach die neue Position eingegeben wird und das Operationssystem die Daten transformiert. Beide Lösungswege sind geeignet. Beim zweiten Lösungsweg ist mehr "on-line"-Rechnerzeit erforderlich; die Modifikation der Subroutinen ist jedoch leichter möglich. In beiden Fällen ist die ins Spiel kommende Mathematik im wesentlichen identisch, da in beiden Fällen die Abweichungen von den Definitionsachsen aufgefunden werden müssen, um sie zu relokalisieren. Der Hauptunterschied besteht darin, daß im einen Fall die Konversion auf die Definitionsachsen während der Ausführung des Programms, und im anderen Fall während des Lernlaufes geschieht.

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In der nachfolgenden mathematischen Behandlung wird die folgende Bezeichnungsweise verwendet:

1. Der Koordinatenrahmen, auf den eine Größe bezogen wird, erscheint als obere linke Hochzahl; z.B. V.

2. Drehungen von Koordinatenachsen aus einem Rahmen zum anderen werden geschrieben als R; dabei wird der "m" - Rahmen zum "n"-Rahmen verdreht.

3. Vektoren werden mit einem einzigen Querstrich geschrieben;

Z . ß · Λ .

η— 4. Drehungen werden manchmal geschrieben als R (A, B, C); dadurch wird ihre funktionale Abhängigkeit von den Winkeln A, B, C betont.

5. ^Rv^) bedeutet eine Roation um die Achse k um einen Winkel

6. Einheitsvektoren besitzen ein Dach, X.

7. Die Reihenfolge der Drehungen wird von rechts nach links gelesen. 1*2 R-i V bedeutet: wende zuerst S, auf V, dann R- auf das Produkt R, V an.

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Die Drehung R vom Koordinatenrahmen "m" zum Koordinatenrahmen ''n¹ kann als Produkt dreier planarer Drehungen geschrieben werden (s. Fig. 6).

¹¹K (^In ₍; , ^mfl , ^ηγ ) - Rr (^mY )R (ⁿⁱ(i )R, (^m4> )

mit.

ι ο ο

ο Co-'i ψ Si η ψ
o-SimJi

Cos ψ 5>άηψ ο -Βΐηψ Cor.i/i o

Die umgekehrte Drehung kann geschrieben werden als

Die obigen Formen der Rdationsmatrizen folgen aus der Spaltenvektor form, die so aussieht:

Es sei nun eine räumlich umordenbare Subroutine betrachtet, z.B. "part get". Der Definitionsursprung und die Definitionsachsen

9-9 9 9 werden in Globalkoordinaten durch P,, φ,, ß^, Y, ausgedrückt. Ein Abweichungsendpunkt in dieser Subroutine wird in globalen Koordinaten folgendermaßen ausgedrückt:

9 ν *^l. 'X

7098Q8/09U

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Die Subroutine soll so umgeordnet werden, daß der Manipulator die Abweichungen relativ zum umgeordneten Ursprung und zu den umorientierten Achsen ausführt; diese werden in Globalkoordinaten folgendermaßen ausgedrückt:

⁹P" "⁹A ⁹R jr' ^φτ' ^ßr'

⁹ (Siehe Fig. 8)

Hierzu müssen die Koordinaten des Endpunkts der Abweichung bezogen auf die Definitionsachsen aufgefunden werden. Diese Koordinaten sind dieselben wie die Koordinaten des Endpunktes der Abweichung

2 bezogen auf die umgeordneten Achsen. * Schließlich werden die Koordinaten des umgeordneten Endpunkts der Abweichung bezogen auf die Globalachsen gefunden.

Um den Endpunkt der Abweichung bezogen auf die Definitionsachsen zu erhalten, muß Δ P , die lineare Verschiebung des Endpunkts

vom DefxnitxonsUrsprung und jz5 , ß , γ aufgefunden werden, die

X X λ.

relativen Eulerschen Winkel zwischen den Definitionsachsen und den

3 9 9 9

Endpunktachsen.* Die Eulerschen Winkel g$_d, ß_d, T_d definieren eine Drehung aus den globalen in die Definitionskoordinaten, so

pi <v >e_a, ν [·ρ_χ - «F_di»:}

R (»Φ,,. ⁹e.„ ⁹γ_Λ) Ι'ι\. - ⁵F₁] « „R ('Φ_Λ. 'ß_a. ^sY_d> «'_x

Dies gibt die lineare Abweichung bezogen auf den Definitionsursprung. * Dies sind die globalen Koordinaten, welche die Abweichung und die Orientierung im globalen Raum lokalisieren, wie ge-

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lehrt wurde. Die Bewegungs verschiebung aus den Definitionsachsen wird angegeben durch ΔΡ_ν = P_m - P, und φ , ß , y , was die

X XR Cl λ X X

Eulerschen Winkel sind, welche die Bewegungsorientierung bezogen auf die Definitionsachse lokalisieren. * Eine Abweichung kann als Translation und Neuorientierung eines Koordinatenrahmens bezogen auf den Definitionsrahmen betrachtet werden.

0 . ß.

X X

zu erhalten, müssen zuerst die Einheitsbasisvektoren des Abweichungsrahmens bezogen auf den Definitionsrahmen aufgefunden werden. Hierzu werden die Einheitsbasisvektoren vom Abweichungsrahmen zurück zum globalen Rahmen gedreht, danach vom globalen Rahmen zum Definitionsrahmen. Mathematisch soll gefunden werden:

^dU = ^dR ^R ^Xü , wobei ^XU ein Einheitsbasisvektor im Abwei■ x er in χ χ

chungsrahmen ist

f3⁼ d⁼ 9 9 9

R ist gegeben durch R ( φ-,, ß,, y,)

9 χ 9 9 9

R ist gegeben durch R-I ( jzS , ß , Y) dem Inversen von

X CJ X X X

Bei gegebenem X und Z können die Mittelwinkel φ , β , γ

X X X X X

konstruiert werden. In Fig. 6 sei X2 gleich X und Z2- Z gesetzt.

X X

Es ist zu erkennen, daß

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- 2o -

- 2ο -

j j^A —ι

tan 0 =L X Iy-Komponente

X X

Dx-Komponente

Nun werden die Koordinaten um die Z-Achse um den Winkel &_χ gedreht. Dies bringt Z in die neue X-Z-Ebene, so daß

tan ß =Cr ( f6 ) Z H x-Komponente

X Z X X

Cl ( φ ) Z H ζ-Komponente

ZXX

Schließlich werden die Koordinaten um die y-Achse um den Winkel ß gedreht. Dies bringt X_v in die neue x-y-Ebene, so daß

X X

tan (^d γ_χ) --= [R (P_x) \ (° Φ_χ) ^X>J Y-Koordinato

ζ x X ] x "Koorilinatc

Wie oben erwähnt, sind ^dAR , jrf„, ^dß_v, ^άΥ identisch mit der Ab-

2ί. λ X X

weichung bezogen auf die umorientierten Achsen. Nun müssen die Globalkoordinaten der umorientierten Abweichung ermittelt werden. Zur Ermittlung der Globalwinkel wird eine Prozedur benutzt, die vollständig analog derjenigen ist, die soeben zur Bestimmung der Abweichungswinkel in Definitionskoordinaten benutzt wurde: die umorientierten Abweichungseinheitsvektoren in globalen Koordinaten werden aufgefunden; die Koordinaten-werte werden zur Bestimmung

9 9 9
von fz5 / &y._vr Ϋ-,,/ der globalen, umgeordneten Abweichungswinkel benutzt.Das Ergebnis ist (der Index rx bedeutet umgeordnete Abweichung):

709808/0934 -21-

tan ⁹<ί> = [⁹X _VJ Υ" Komponente

[⁹X ] χ-Komponente

ΓΧ

^{tan 9}ßrx - [R (⁹<j> )⁹ Z] x-Komponente

Z XT-JC . jL Λ

[R_n, (⁹φ^_ν) ⁹Z^J »-Komponente

tan ⁹·γΓΧ = [R (⁹B ) R* (^')⁹ *J x-Komponcnte

Jf. . X Λ X .Λ. . X Ji

[R (⁹P ) R (⁹φ )⁹ X ] ^-Komponente y r χ r χ rx ^J

Um ⁹ΔΡ aufzufinden, werden die Koordinaten einfach gedreht. Dadurch wird ^RÄP in Globalkoordinaten aufgefunden. Um den umgeord-

Ji,

η Q_

neten Endpunkt zu erhalten, wird 4P_rx zu P_r hinzugezählt.

Mathematisch bedeutet dies:

⁹P _β ⁹A

Nun sind die Globalkoordinaten des umgeordneten Abweichungs-Endpunkts bekannt:

Um diese umgeordnete Abweichung durchzuführen, muß der Roboter so bewegt werden, daß ein in der Roboterhand in willkürlicher aber bekannter Weise verankertes Koordinatensystem in Deckung mit dem umgeordneten Abweichungs-Endpunkt gebracht wird. (Das

- 22 -

709808/09 3 4

verankerte Koordinatensystem kann in der Hand in einer Weise umgeordnet werden, die der Umordnung von Subroutinen entspricht, wie später noch deutlich wird.) Dieser verankerte Koordinatenrahmen wird Arbeitsrahmen genannt. Er wird durch W, φ , ß , γ im Handrahmen angegeben und bewegt sich natürlich zusammen mit der Hand im Raum. * Dies beruht darauf, daß eine umordenbare Routine als Satz von Bewegungen betrachtet wird, die im Subroutinenrahmen eingebettet sind. Wenn der Rahmen umherbewegt wird, z.B. von der Definitionsposition zur umgeordneten Position, werden auch die Bewegungen umherbewegt.

Bei gegebenem Abweichungsendpunkt und Arbeitsrahmen besteht das Problem darin, die Lagekoordinaten des Roboterarms selbst aufzufinden. Auf diese Weise werden der Arbeitsrahmen und der Abweichungsendpunkt zur Deckung gebracht. D.h., die Roboterhand soll so positioniert und orientiert werden, daß die Deckung erzielt wird.

Wenn der Arbeitsrahmen und die Abweichung in Deckung sind, gilt:

^rxi = ys ^hi

g hg

so daß man durch Multiplikation der linken Seite mit dem Inversen von ,R erhält:

^hi = ir* ^rxR

g h g

709808/093^

- 23 -

Dies ist die Rotationsmatrix, welche die Rotation von den globalen auf die Handkoordinaten beschreibt. Aus dieser Rotation können die Eulerschen Winkel entnommen werden, welche die Handorientierung beschrieben. Die Globalkoordinaten der Hand-Einheitsvektoren und die Eulerschen Winkel werden ebenso aufgefunden, wie dies oben für jz5 . ß . y_v geschah (vgl. Fig. 5).

Man erhält:

⁹ Φ ⁹R ⁹Y
Vx' 'hrx' ^Yhrx

Beachte, daß ⁹P -- ⁹If₁ -l ⁹W

rx lirx

(vgl. Fig. 7)

und daß ⁹W - J¹R" ^hW

so daß ^tJ}i *, ⁹Ji _ ¹¹R-¹¹¹W hrx rx cj

9 9 9 9
Die Größen H_hrx, &_hrx, ^ß _hrx' \_rK geben die Position und die Orientierung der Roboterhand an. Zur tatsächlichen Positionierung der Hand ist erforderlich, daß die Koitimandostellungen für die jeweils verwendete Robotetarmart bestimmt werden. Bei der vorliegenden Erfindung sind aufgrund der Verwendung kartesischer Koordinaten und Eulerschen Winkeln a, ß,Y ^Zhrx' ^ßh ' ^h χ ^^ereits bestimmt. Dabei gilt:

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9 . ί⁹ 2 ⁹ 2 1 1/2

I ^{X + Y}hxj

^Rhrx ⁼ I ^Xhrx ^{+ Y}hrxj

θ = tan ^yhrx ^Ahrx hrx

wobei ⁹ η,

hrx

(vgl. Fig. 5)

ein Spaltenvektor ist.

Es ist wichtig festzuhalten, daß die Koordinaten des umgeordneten globalen Abweichungs-Endpunkts, die oben bestimmt wurden,

9- 9,»:, 9 9y
^Prx' ^rx' ^ßrx' rx

nicht eng als umgeordnete Abweichung interpretiert zu werden brauchen. Sie können auch als die globale Position eines Subroutine-Ausführungsrahmens interpretiert zu werden. Bei dieser Interpretation können die Aufrufe für die Subroutine innerhalb der Subroutinen untergebracht werden. Wenn die aufrufende Subroutine umgeordnet wird, wird automatisch die aufgerufene Subroutine korrekt bezüglich der aufrufenden Subroutine umgeordnet. Die Ausführungsposition der aufgeführten Subroutine besitzt nämlich dieselben Transformationseigenschaften wie die Abweichung.

* Es gibt einen Unterschied zwischen der Umordnung einer Subroutine und der Umordnung eines Aufrufes für eine Subroutine. Eine

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Subroutine umzuordnen bedeutet, eine Subroutine in einem Raum auszuführen, der sich von dem unterscheidet, in dem sie eingegeben wurde. Einen Subroutinen-Aufruf umzuordnen bedeutet: es sei ein Gebiet A gegeben, auf welches eine Subroutine umgeordnet werden soll; das Gebiet A selbst ist, sagen wir , auf A umgeordnet, so daß die Subroutine tatsächlich auf A umgeordnet ist.

Wie zuvor erwähnt, kann der Benutzer den Arbeitsrahmen innerhalb der Hand selbst willkürlich positionieren und orientieren. Da der Arbeitsrahmen in der Hand eingebettet ist und von dieser mitgeführt wird, trifft das, was im letzten Paragraph über den Aufruf umgeordneter Subroutinen gesagt wurde, logisch auch für den Arbeitsrahmen zu, wenn einfach die Koordinaten des vorhergehenden Abschnitts folgendermaßen neu bezeichnet werden:

ι, h
rx' rx' rx'

D.h., bei einer gegebenen ümdefinition des Arbeitsrahmens bezogen auf einen Definitionsrahmen kann die Ümdefinition bezogen auf einen umgeordneten Rahmen in einer Weise ausgeführt werden, die analog zur ümordnung von Aufrufen einer Subroutine geschieht. Dies hat den folgenden Nutzen:

Subroutinen können im Arbeitsrahmen ausgeführt werden, der willkürlich in der Hand orientiert ist, da das System den Arbeitsrahmen, wo immer dieser auch ist, in Deckung mit dem Abweichungs-

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Endpunkt zu bringen sucht, wie zuvor erwähnt wurde. Wenn z.B. der Arbeitsrahmen als fest in einem zusammenzubauenden Teil angesehen wird (das natürlich von der Hand ergriffen wird und daher in ihr eingebettet ist), kann das System den Zusammenbau ausführen, obwohl das Teil in einer anderen Orientierung gehalten wird, als es gelehrt wurde. Das System muß nur über die Position des tatsächlichen Arbeitsrahmens (des Teils) und die Orientierung innerhalb der Hand informiert werden. Wenn beim Zusammenbauprogramm eine relative Umdefinition des Arbeitsrahmens in der Hand im Spiel ist, erfolgt dies relativ zum tatsächlichen Arbeitsrahmen - unter Verwendung der Logik für den Aufruf umgeordneter Subroutinen, angewandt auf Arbeitsrahmen - und zwar so, daß die geometrische Konsistenz zwischen dem Teil und dem Zusammenbau aufrecht erhalten wird, unabhängig davon, wie das Teil tatsächlich ergriffen wird. Dabei ist es natürlich bestimmten Bedingungen hinsichtlich des Abstands/gegenseitigen Störens unterworfen.

Dies bedeutet, daß standardisierte Routinen, z.B. zum Anbringen von Stiften in Löchern oder Unterlagsscheiben auf Stiften geschaffen werden können. Diese kann der Benutzer einsetzen, unabhängig davon, welche Handkonfiguration zu seinem jeweiligen Verwendungszweck geeignet ist.

Die Gesamtorganisation und der Lösungsweg der oben geschilderten Erfindung kann natürlich in einer Vielzahl von Computersprachen und Programmiertechniken ausgedrückt werden. Eine bevorzugte

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Organisation, die sich in der Praxis als brauchbar herausgestellt hat, verwendet einen kleinen Allzweck-Digital-Computer, der unterbrochen arbeitet. Die unterbrechenden Quellen sind die äußeren Geräte und ein Taktunterbrecher. Die Bedienungsroutinen für diese Geräte sind nach einer Hierarchie- oder Prioritätenliste organisiert. Andere Organisationsformen und Verwirklichungen können natürlich verwendet werden. Außerdem können andere Matrixdarstellungen verwendet werden, die für Maschinen mit anderen physikalischen Konfigurationen besser entsprechen.

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Claims

Patentansprüche

f Iy Verfahren zur Übertragung einzelner, aufeinanderfolgender Teile von einer ersten Übertragungsmaschine, welche ein das Teil tragendes Zusatzgerät besitzt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Anfertigung eines Kontrollprogramms, welches die Bewegungen der mechanischen Übertragungsmaschine definiert und nominale Teilkoordinaten benutzt, welche die entsprechenden Positionen ausdrücken ;

Schaffung sensorischer Eingangsdaten,- welche für mindestens eine dieser Positionen aufgefrischte Teilkoordinaten bilden; automatisches Ausführen des Kontrollprogramms unter Verwendung der aufgefrischten Daten zur Steuerung der Bewegungen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß bei der Herstellung des Kontrollprogramms eine Subroutine definiert wird, welche die Position und die Orientierung des Zusatzgeräts der Maschine für ein bestimmtes Überführungsmanöver des Teils angibt;

Herstellen eines Statements im Kontrollprogramm, welches die Subroutine abruft, wobei bei der Ausführung des Kontrollprogramms die aufgefrischten Daten für die Position und Orientierung zur Kontrolle des Subroutinen-Manövers verwendet werden.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein bestimmter Datensatz der Positions- und Orientierungskoordinaten des Zusatzgerätes geschaffen wird, so daß bei der Ausführung des Aufnehme-Manövers des Teiles das Zusatzgerät eine konstante Position und Orientierung bezüglich dieses Teils besitzt, un abhängig von der Position und Orientierung des Teils selbst.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung der sensorischen Eingangsdaten das Teil betrachtet wird, und elektronische Signale erzeugt werden, welche dem Schwerpunkt des Teiles und der Orientierung des Teiles auf der Bühne entsprechen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ausführung des Steuerprogramms die mathematische Bestimmung der lokalen Koordinaten des Zusatzgerätes und die Translation der Positions- und Orientierungsdaten zwischen den lokalen Koordinaten und den Hauptkoordinaten des Roboters stattfindet.
6. Vorrichtung zum einzelnen, aufeinanderfolgenden überführen von Teilen von einer ersten Stellung zu einer zweiten Stellung, mit einer programmierbaren mechanischen Übertragungsmaschine, die ein Greifzusatzgerät besitzt, welches der Stellung und Orientierung nach in.einer bestimmten Arbeitszone bewegt werden kann,mit Mitteln, welche nacheinander Kommandos von einem Kontrollprogramm ablesen, welches die mechanische Bewegung des

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GreifZusatzgerätes definiert, die zum Ergreifen des Teils am ersten Ort und zum übertragen des Teils auf den zweiten Ort erforderlich sind, mit einem Sichtgerät zum Betrachten des Teils am ersten Ort und Erzeugen aufgefrischter Daten, welche die tatsächliche Position und Orientierung des Teils am ersten Ort definieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontrollprogramm zur Angabe der Position und Orientierung des Zusatzgerätes (12) an den Orten nominale Teilkoordinaten verwendet und außerdem eine Subroutine enthält, welche die aufgefrischten Daten zur Ausführung der Teile-Aufnahmefunktion wiederverwendet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Übertragungsmaschine (lo) eine Mehrzahl von Trägern für das Zusatzgerät (12) umfaßt, sowie Übertragungsmechanismen (32-4o), welche die Träger so miteinander verbinden, daß sie sich bezüglich bestimmter Achsen unabhängig voneinander bewegen können »
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzgerät (12) einander gegenüberliegende Backen (42) zum Ergreifen der Teile (14) umfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sichtgerät einen Video-Scanner (7o) umfaßt.

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