DE3046897C2

DE3046897C2 -

Info

Publication number: DE3046897C2
Application number: DE3046897A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hiratsuka Jp Kikuchi; Koichi Yokohama Jp Sugimoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-12-14
Filing date: 1980-12-12
Publication date: 1988-10-27
Also published as: JPS5685106A; DE3046897A1; US4408286A

Description

Die Erfindung betrifft eine Programmiereinrichtung zur unmittelbaren Programmierung eines Roboters nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekannte Programmierverfahren, die auch als Unterrichtungsverfahren bezeichnet werden, können in zwei unterschiedliche Verfahren eingeteilt werden. Bei einem der Programmierverfahren bedient eine Bedienungsperson zur Unterrichtung des Roboters über dessen Betrieb eine mit einer Robotersteuereinheit verbundene Fernbedienungsvorrichtung zur Führung eines Roboters längs einer Arbeitsstrecke des Roboterbetriebs und zur Speicherung der Roboterführungsdaten in einer Robotersteuereinheit. Bei einem weiteren Verfahren ist ein angetriebener Abschnitt des Roboters von einem Antriebsabschnitt für den Antrieb des getriebenen Abschnitts getrennt. Die Bedienungsperson hält unmittelbar ein Handgelenkglied des Roboters zur Führung des Roboters gemäß seiner Betätigungsstrecke und danach zur Speicherung der Roboterführungsdaten in der Robotersteuereinheit. Das erstere Verfahren hat eine geringe Bedienbarkeit bei der Führung des Roboters in gewünschten Richtungen und erfordert einen hohen Grad an Geschick zur Ausführung eines derartigen Handbetriebs.

Beim letzteren Verfahren trägt die Bedienungsperson beim Führen des Roboters für die Roboterführung-Datenspeicherung das Totgewicht des Roboters und benötigt eine Kraft, die die Reibung am gleitenden oder rotierenden Teil des Roboters übersteigt. In dieser Hinsicht muß die Bedienungsperson eine überflüssige Arbeitsbelastung auf sich nehmen, Insbesondere bei dem eine elektrisch angetriebene Betätigungseinrichtung verwendenden Roboter muß der angetriebene Abschnitt vom antreibenden Abschnitt getrennt werden. Dies macht das Robotersystem kompliziert.

Durch die DE-OS 24 35 156 ist eine Einrichtung der eingangs genannten Art zum Programmieren eines Roboters mittels eines von Hand geführten Griffs bekannt geworden. Bei dieser Einrichtung werden bei der Relativbewegung des geführten Griffs gegenüber einem sogenannten Lehrgerüst Schalter betätigt, die zugehörige Antriebsvorrichtungen ein- und ausschalten und damit eine maschinelle Folgebewegung herbeiführen. Die Bedienungsperson wird deshalb bei der Programmierung des Roboters, auch Handhabungsgerät genannt, beim Durchfahren einer zu programmierenden Bewegungsbahn maschinell unterstützt. Die Antriebsmotore brauchen beim Durchfahren der Bahn nicht mehr mechanisch abgekoppelt zu werden um dem Bedienenden den Arbeitsaufwand der zusätzlichen Drehung dieser Motore zu ersparen; sie werden im Gegenteil im Sinne von Servomotoren benutzt, die das Handgelenk des Roboters in die Richtung antreiben, in die es manuell vom Programmierer geführt wird.

Durch die DE-OS 26 28 701 ist weiterhin eine Fühleranordnung für Manipulatoren bekannt geworden, bei der die auf das Handgelenk einwirkenden Kräfte durch Kraftsensoren ermittelt werden, die mit diesen fest verbunden sind.

Meist ist jedoch schwierig mit den bekannten Einrichtungen die Antriebsmotoren so zu steuern, daß die gewünschte Bahnkurve sich ergibt. Die Kurve wird oft durch Vibrationen überlagert, es zeigen sich Einschwingvorgänge und das Handgelenk pendelt um den Zielort hin und her.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Die Genauigkeit der Programmierung eines Roboters der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu verbessern.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Schrägansicht eines Mehrgelenkroboters nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Vorderansicht des Roboters von Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Handgelenkglied-Antriebsmechanismus des in Fig. 2 gezeigten Roboters;

Fig. 4 einen Querschnitt eines Gelenkteils eines Hebels und eines zweiten oberen Arms des in Fig. 3 gezeigten Handgelenkglied-Antriebsmechanismus;

Fig. 5A einen Querschnitt eines ersten in Fig. 1 gezeigten Handgelenkgliedmechanismus;

Fig. 5B eine Schrägansicht des in Fig. 5A gezeigten ersten Handgelenkgliedmechanismus;

Fig. 6A einen Querschnitt eines am vorderen Ende des in Fig. 1 gezeigten vorderen Arms befestigten zweiten Handgelenkglied-Antriebsmechanismus;

Fig. 6B eine Schrägansicht des in Fig. 6A gezeigten zweiten Handgelenkglied-Antriebsmechanismus;

Fig. 7 eine Schrägansicht eines Kraftsensors zur Durchführung des Roboterbetrieb-Unterrichtungsverfahrens nach der Erfindung;

Fig. 8 ein Blockdiagramm eines Steuersystems mit Verwendung von Signalen, die die Kraft oder das Moment darstellen, die vom in Fig. 7 gezeigten Kraftsensor abgeleitet werden;

Fig. 9 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer unmittelbaren Unterrichtungsvorrichtung für einen Roboter der Bauart mit rechtwinkeligen Koordinaten;

Fig. 10 ein Diagramm der Grundstruktur des Roboters mit rechtwinkeligen Koordinaten und mit Bewegungen in fünf Richtungen;

Fig. 11 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer unmittelbaren Unterrichtungsvorrichtung für einen Roboter der Gelenkbauweise;

Fig. 12 ein Diagramm der Grundstruktur des Roboters der Gelenkbauweise mit Bewegungen in fünf Richtungen.

Fig. 1 bis 7 zeigen die Beziehung zwischen einem industriellen Roboter der Mehrfachgelenkbauweise und einem Kraftsensor nach der Erfindung. Gemäß Fig. 1 ist ein auf einem Unterteil 35 angebrachter Drehtisch 24 a um eine Achse des Unterteils 35 drehbar. Der Drehtisch ist über eine Untersetzung mit einer Ausgangswelle eines Drehtischantriebsmotors 24 verbunden, der koaxial zur Achse im Unterteil 35 befestigt ist. Ein erster oberer Arm 19 ist durch einen U-förmigen Rahmen 24 b gehalten, der an der Oberseite des Drehtischs 24 a befestigt und um die Mitte O schwenkbar ist. Dieser obere Arm 19 ist über eine nicht gezeigte Untersetzung an der Ausgangswelle eines ersten oberen Antriebsmotors 21 befestigt, dessen Welle sich auf der Mitte O einer der Seitenwände des Rahmens 24 b befindet. Ein Hebel 25 wird durch den U-förmigen Rahmen 24 b getragen, ist um die Mitte O des Rahmens 24 b schwenkbar und ist an der Ausgangswelle des Vorderarmantriebsmotors befestigt, dessen Welle sich auf der Mitte O der anderen Seitenwand des Rahmens 24 b befindet. Ein zweiter Arm 20 ist mit einem Ende am Schwenkende des Hebels 25 mittels eines Lagers 44 drehbar gelagert (vgl. Fig. 4). Ein Vorderarm 22 ist am vorderen Ende mit einem Handgelenkglied 33 versehen, das ein Spannfutter 9 zum Halten eines Teils oder von Teilen und einen Kraftsensor 1 aufweist. Das hintere Ende des Vorderarms 22 ist mit dem anderen Ende des Oberarms 22 über eine Welle 42 drehbar verbunden. Ein dem hinteren Ende des Vorderarms 22 näher gelegener Teil ist ebenfalls mit dem Schwenkende des ersten Oberarms 19 über eine Welle 43 drehbar verbunden. Der erste Oberarm 19 und der zweite Oberarm 20 sind parallel. Der Hebel 25 und der Vorderarm 22 sind auch parallel zueinander. Der erste und der zweite Oberarm 19 bzw. 20, der Hebel 25 und der Vorderarm 22 arbeiten zur Bildung eines Viergelenk-Parallelogrammgestänges zusammen.

Die Antriebsdrehbewegung des ersten Oberarm-Antriebsmotors 21 ist durch die Übersetzung in ihrer Drehzahl verringert und schwenkt den ersten Oberarm 19 unmittelbar. Die Antriebsdrehbewegung des Hebelantriebsmotors 23 ist durch die Übersetzung in ihrer Drehzahl verringert und schwenkt den Hebel 25 unmittelbar. Die Schwenkung des Hebels 25 wird über den Oberarm 20 auf den Vorderarm 22 übertragen und schwenkt den Vorderarm 22 um denselben Winkel wie ihr eigener Schwenkwinkel.

Fig. 3 und 4 zeigen einen Mechanismus für den Antrieb des Handgelenkglieds 33. Handgelenkglied-Antriebsmotoren 26 a und 26 b sind an Gliedern 27 a bzw. 27 b befestigt, die von Lagern 38 a bzw. 38 b am Schwenkende des Hebels 25 und am Verbindungspunkt drehbar gelagert, wo der Hebel 25 mit dem zweiten Oberarm 20 drehbar verbunden ist. Verbindungsglieder 28 sind drehbar verbunden an einem Ende mit den Punkten A des Drehtischs 24 a und am anderen Ende mit den Schwenkenden B (ein Stab 40 verbindet das Glied 27 a mit dem Glied 27 b) der Glieder 27 a bzw. 27 b. Durch parallele Anordnung des Hebels 25 mit dem Verbindungsglied 28 und durch ähnliche parallele Anordnung von des Drehtisches 24 a und der Glieder 27 a und 27 b wird ein Parallelogrammgestänge gebildet. Zwei Scheiben 29 a und 29 b sind über eine Untersetzung 36 a bzw. 36 b mit den Handgelenkglied-Antriebsmotoren 26 a bzw. 26 b verbunden und sind über Lager 39 a bzw. 39 b mit dem Schwenkende des Hebels 25 drehbar verbunden. Scheiben 30 a und 30 b sind mit einem zur Welle 42 koaxialen Teil drehbar verbunden, an dem der zweite Oberarm 20 mit dem Vorderarm 22 drehbar verbunden ist. Verbindungsglieder 31 a und 31 b verbinden die Scheiben 29 a bzw. 29 b mit den Scheiben 30 a bzw. 30 b durch das Parallelogrammgestänge, während Verbindungsglieder 32 a und 32 b die Scheiben 30 a bzw. 30 b mit den Scheiben 41 a bzw. 41 b durch das Parallelogrammgestänge verbinden.

Zwei mit denselben Ziffern mit Indices a und b bezeichnete Systeme der Antriebsmechanismen bewegen das Handgelenkglied 33 gemäß Fig. 5 in Pfeilrichtung oder vor und zurück (von der Rückseite zur Vorderseite des Papiers und umgekehrt) oder zur Drehung des Handgelenkglieds um seine Achse.

Die Drehungen der Ausgangswellen 34 a und 34 b der Handgelenkglied-Antriebsmotoren 26 a und 26 b werden über die Untersetzung 36 a bzw. 36 b in die Drehungen der Scheiben 29 a bzw. 29 b umgeformt, die ihrerseits die Verbindungsglieder 31 a bzw. 31 b antreiben. Durch den Antrieb der Verbindungsglieder 31 a und 31 b wird das Handgelenkglied 33 senkrecht (in Pfeilrichtung) oder vor und zurück geschwenkt oder um die Achse gedreht. Die statorseitigen Glieder 27 a und 27 b der Handgelenkglied-Antriebsmotoren 26 a bzw. 26 b sind am Schwenkende C des Hebels 25 über die Lager 38 a bzw. 38 b drehbar gelagert. Die Schwenkenden B der Glieder 27 a und 27 b sind am Oberteil A des Drehtischs 24 a über den Stab 40 und das Verbindungsglied 28 schwenkbar gelagert. Der Punkt O am Drehtisch 24 a und die Punkte A, B und C sind in Parallelogrammform angeordnet. Die Linien , , und bilden ein Viergelenk-Parallelogrammgestänge mit einem stationären Glied . Zwei Teile der Scheiben 29 a und 29 b sowie 30 a und 30 b und zwei der Verbindungsglieder 31 a und 31 b arbeiten unter Bildung eines Viergelenk-Parallelogrammgestänges zusammen. Zwei Paare der Scheiben 30 a und 30 b sowie 41 a und 41 b und zwei Paare der Verbindungsglieder 32 a und 32 b bilden ein Viergelenk-Parallelogrammgestänge. Wenn bei einer derartigen Anordnung der Oberarm 20 bewegt wird und die Handgelenkglied-Antriebsmotoren 26 a und 26 b in ihren Stellungen bewegt werden, werden die Drehstellungen der Scheiben 29 a, 29 b, 30 a, 30 b, 41 a und 41 b gegenüber dem stationären Glied konstant gehalten zur Aufrechterhaltung einer Ausrichtung des Handgelenkglieds 33 trotz des Antriebs der Antriebsmotoren 26 a und 26 b zur Drehung der Scheiben 29 a und 29 b.

Bezüglich des Handgelenkglieds 33 gibt es zwei Fälle derart, daß ein in Fig. 5 gezeigter Mechanismus am vorderen Ende des Vorderarms 22 befestigt ist und daß ein in Fig. 6 gezeigter Mechanismus am selben befestigt ist. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Mechanismus besteht das Handgelenkglied 33: aus einem Hebel 45, der um eine Achse drehbar ist, um die sich die Scheiben 41 a und 41 b drehen, und aus einem Hebel 46, der mit dem Schwenkende des Hebels 45 verbunden ist und senkrecht zu dessen Schwenkrichtung schwenkt. Die oberen Enden der Hebel 46 und der Scheibe 41 a sind durch einen Hebel 47 miteinander verbunden. Wenn bei dieser Konstruktion die Scheiben 41 a und 41 b um denselben Winkel gedreht werden durch Antreiben der Antriebsmotoren 26 a und 26 b mit demselben Drehwinkel wird das Handgelenkglied 33 in einer Richtung α um den Drehwinkel gedreht, vgl. Fig. 5B. Wenn die Antriebsmotoren 26 a und 26 b um denselben Winkel entgegengesetzt gedreht werden zur Drehung der Scheiben 41 a und 41 b um denselben Drehwinkel in den entgegengesetzten Richtungen, wird das Handgelenkglied 33 in einer Richtung γ geschwenkt, vgl. Fig. 5B.

Bei dem in Fig. 6 gezeigten Mechanismus besteht das Handgelenkglied 33: aus einem Zylinder 49, der mit der Scheibe 41 a einstückig ausgebildet und durch ein Lager 51 drehbar gelagert ist, und aus einem Glied 50 mit einem daran befestigten Kegelzahnrad, das mit einem an der Rückseite der Scheibe 41 b befestigten Kegelzahnrad in Eingriff steht. Wenn nur der Antriebsmotor 26 a zum Drehen angetrieben wird, dreht sich die Scheibe 41 a (Zylinder 49) um denselben Drehwinkel, mit dem der Antriebsmotor 26 a gedreht wird, wobei das Handgelenkglied 33 in der Richtung a in Fig. 6B ausgerichtet wird. Wenn nur der Antriebsmotor 26 b gedreht wird, dreht sich die Scheibe 41 b um denselben Betrag zur Ausrichtung des Handgelenkglieds in einer Richtung β in Fig. 6B durch dei Kegelzahnräder.

Das in der oben angegebenen Weise aufgebaute Handgelenkglied 33 ist mit einem Kraftsensor 1 versehen, der mit einem Handgriff 1 f zur manuellen und unmittelbaren Betätigung gemäß der noch zu beschreibenden Fig. 7 versehen ist.

Der Sensor 1 besteht: aus einem x-Achsenbalken 11, an dem Dehnungsmesser S₅ und S₆ kleben, der an am vorderen Ende des Vorderarms 22 befindlichen Montagebasen 46 und 50 befestigt ist und der sich in der x-Achse erstreckt, jedoch eine Verformung in der y-Richtung zuläßt. Aus einem z-Achsenbalken 12, an dem Dehnungsmesser S₃ und S₄ befestigt sind und der sich vom vorderen Ende des x-Achsenbalkens 11 in der z-Achsenrichtung erstreckt, jedoch eine Verformung in der x-Richtung zuläßt, und aus einem y-Achsenbalken 13, der sich vom oberen Ende des z-Achsenbalkens 12 zu beiden Seiten in der y-Richtung erstreckt, jedoch eine Verformung in der z-Richtung zuläßt, und der an beiden Enden mit Betätigungspunkten 1 a versehen ist, an denen ein Handgriff 1 f (in Fig. 2 durch die strichpunktierte Linie dargestellt) zur Handbetätigung befestigt ist.

Diese Dehnungsmesser S₁ bis S₆ erzeugen Ausgangssignale mit den folgenden Beziehungen:

S ₁ = (M _x/2) · k - F _z · a · k (1)
S ₂ = -(M _x/2) · k - F _z · a · k (2)
S ₃ = -M _y · k - F _x · b · k (3)
S ₄ = M _y · k + F _x · 2b · k (4)
S ₅ = M _z · k + F _y · ck (5)
S ₆ = -M _z · k - F _y · 2ck (6)

In den obigen Gleichungen ist: F _x eine in der x-Richtung wirkende Kraft, F _y eine in der y-Richtung wirkende Kraft, F _z eine in der z-Richtung wirkende Kraft, M _x ein um die x-Achse wirkendes Moment, M _y ein um die y-Achse wirkendes Moment, M _z ein um die z-Achse wirkendes Moment, a ein Abstand von einem Wirkungspunkt 1 a zu einem Dehnungsmesser S₁ oder S₂, b ein Abstand von einem Wirkungspunkt 1 b zum Dehnungsmesser S₃, 2 b ein Abstand von einem Wirkungspunkt 1 b zum Dehnungsmesser S₄, c ein Abstand von einem Wirkungspunkt 1 c zum Dehnungsmesser S₅ und 2 c ein Abstand von einem Wirkungspunkt 1 c zum Dehnungsmesser S₆.

Aus den Gleichungen (1) bis (6) werden die Kräfte F _x, F _y und F _z sowie die Momente M _x, M _y und M _z durch die folgenden Gleichungen (7) bis (12) erhalten:

F _x = (S₃ + S₄)/k · b (7)
F _y = -(S₅ + S₆)/k · c (8)
F _z = -(S₁ + S₂)/k · a (9)
M _x = (S₁ - S₂)/k (10)
M _y = -(2S₃ + S₄)/k (11)
M _z = (2S₅ + S₆)/k (12)

In einem in Fig. 9 oder 11 dargestellten Schaltschema zur Lösung der obigen Gleichungen werden die Ausgangssignale aus den Dehnungsmessern S₁ bis S₆ durch Verstärker A₁ bis A₆ verstärkt und in gegebenen Zeitintervallen in Abtastkreisen B₁ bis B₆ unter Verwendung eines Abtastsignals 16 abgetastet. Die abgetasteten Signale werden in Digitalsignale durch A-D-Wandler C₁ bis C₆ umgewandelt, die ihrerseits entsprechend den Gleichungen (7) bis (12) durch einen Operationskreis 62 eines Mikrorechners 4 a oder 4 b durch einen Kopplungskreis 61 berechnet werden zur Erzeugung der x-Richtungskomponente der Kraft F _x, der y-Richtungskomponente der Kraft F _y, der z-Richtungskomponente der Kraft F _z, der Momentenkomponente M _x um die x-Achse, der Momentenkomponente M _y um die y-Achse und der Momentkomponente M _z um die z-Achse. Im Betrieb übt eine Bedienungsperson zur Unterrichtung des eigentlichen Roboters über seinen Betrieb durch Ergreifen des Betätigungshandgriffs 1 f eine Kraft und ein Moment in einer gewünschten Richtung aus, in der der Roboter bewegt werden soll. Es werden hier Kraftkomponenten F _x, F _y und _z den Bewegungsgrößen in den x-, y- und z-Richtungen zugeordnet. Drei Momentenkomponenten M _x, M _y und M _z werden einem Drehbetrag um die x-Achse, einem Schwenkbetrag um die y-Achse und einem Schwenkbetrag um die z-Achse zugeordnet. Diese Zuordnungen sind sehr gut an das Gefühl eines Menschen angepaßt.

Die jeweiligen Antriebseinrichtungen werden so angetrieben, daß das vordere Ende des Arms des Roboters in Richtung der Kraft bewegt und die Ausrichtung des Handgelenkglieds in Richtung des Moments geändert wird.

Es gibt folgende Art zur Erzeugung eines Befehls für den Antrieb des Motors, vgl. Fig. 8. Diese Figur stellt ein Blockdiagramm dar zum Antrieb eines Motors 3 durch die vom Kraftsensor 1 abgefühlte Kraft F _x und zur Bewegung des vorderen Endes des Arms in der x-Richtung. Hier bezeichnet R _x einen Drehwinkel des Motors 3.

Bei einem in Fig. 8 gezeigten Beispiel wird die Winkelgeschwindigkeit _x des Drehwinkels R _x vom Produkt der Kraft F _x und der Konstanten K₁ subtrahiert und das Ergebnis integriert. Das integrierte Ergebnis wird als Befehl vom Motorantriebsverstärker 2 verstärkt und auf den Motor 3 gegeben. Der Dämpfungseffekt wird dadurch erhöht und der Arm hält allmählich mit dem Motor an.

Obwohl das genannte Blockdiagramm für die Kraft F _x gedacht ist, ist es auch für die übrigen Kräfte und Momente entsprechend anwendbar.

Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm zur Durchführung der Vorgänge in Fig. 8 durch Verwendung eines Rechners 4. Das verwendete Steuersystem ist von der diskreten Steuerart. Die folgenden Gleichungen (13) bis (18) sind die vom Rechner 4 verwendeten Arbeitsformeln, wenn das Steuersystem ein solches nach Fig. 8 ist und ein Roboter der Bauart mit rechwinkeligen Koordinaten verwendet wird, dessen Arm auf den rechtwinkeligen Koordinaten bewegt wird. T ist eine Abtastzeit.

Hierbei ist P _x ein Ausgangssignal zum Motor für den Antrieb des Arms in der x-Achse, P _y ein Ausgangssignal zum Motor für den Antrieb des Arms in der y-Richtung, P _z ein Ausgangssignal zum Motor für den Antrieb des Arms in der z-Richtung, P _α ein Ausgangssignal zum Motor zur Drehung des Handgelenkglieds um die x-Achse, P _b ein Ausgangssignal zum Motor zur Drehung des Handgelenkglieds um die y-Achse, P _γ ein Ausgangssignal zur Drehung des Handgelenkglieds um die z-Achse, K _1j, K _2j, K _3j (j = x, a, z, α, β, γ) jeweils eine Konstante, _j (j = x, y, z, α, β, γ) eine Motordrehzahl des Motors.

Ein schematisches Schaltdiagramm eines Roboters der Bauart mit rechtwinkligen Koordinaten ist in Fig. 10 gezeigt. Bei diesem Roboter ist ein Y-Achsenarm 52 durch eine auf einem Unterteil 50 angebrachte Achse verschiebbar gelagert und wird in der Y-Richtung längs der Achse 51 über eine Verstellschraubenspindel oder dgl. durch einen Motor 3 Y angetrieben. Ein Z-Achsenarm 53 ist vom Y-Achsenarm 52 verschiebbar gelagert und wird längs diesem in der Z-Richtung über eine Verstellschraubenspindel oder dgl. durch einen Motor 3 X angetrieben. Ein oberes Handgelenkgliedteil 55 ist mit dem äußeren Ende des X-Achsenarms 54 drehbar verbunden und wird durch einen Motor 3 γ um eine in der y-Richtung verlaufende Achse 58 gedreht. Ein unteres Handgelenkgliedteil 56 ist mit dem oberen Handgelenkgliedteil 55 drehbar verbunden und wird durch einen Motor 3 β um eine in Längsrichtung verlaufende x-Achse des Handgelenkglieds gedreht. Somit hat der Roboter der Bauart mit rechtwinkligen Koordinaten Bewegungen in fünf Richtungen. Das untere Handgelenkgliedteil 56 mit dem Kraftsensor 1 bildet einen Fingerteil 9 zur Befestigung von Werkzeugen oder eines Spannfutters. Das Fingerteil 9 hat eine beliebige Ausrichtung. Bei dem am Fingerteil 9 angewendeten Koordinatensystem ist die Längsrichtung des Handgelenkglieds eine x-Achse, wobei eine y-Achse rechtwinklig zur x-Achse in der x-y-Ebene verläuft, während eine z-Achse senkrecht zu den x- und y-Achsen verläuft. Ein Roboter der Bauart mit rechtwinkeligen Koordinaten mit Bewegungen in sechs Richtungen ist ausführbar durch Anwenden einer zusätzlichen Bewegung des Handgelenkglieds als dessen Drehung um eine zur Achse 58 senkrechten Achse durch den Motor 3 y.

Die unmittelbare Unterrichtung des Roboters der Bauart mit rechtwinkeligen Koordinaten ist im einzelnen in Verbindung mit Fig. 11 beschrieben. Die Motoren 3 X, 3 Y, 3 Z, 3 α, 3 β und 3 γ sind zur Messung der Motordrehzahlen mit Tachogeneratoren 58 X, 58 Y, 58 Z, 58 α, 58 β bzw. 58 γ und zur Messung der Größe der Winkelverstellungen mit Drehcodierern 59 X, 59 Y, 59 Z, 59 α, 59 β und 59 γ verbunden. Abtastkreise 72 X, 72 Y, 72 Z, 72 α, 72 β und 72 γ tasten jeweils durch ein Abtastsignal 16 Analogsignale ab, die die von den genannten Tachogeneratoren abgeleiteten Motordrehzahlen darstellen. A-D-Wandlerkreise 73 X, 73 Y, 73 Z, 73 α, 73 β und 73 γ wandeln die von den Abtastkreisen 72 X bis 72 γ stammenden Ausgangssignale in Digitalsignale um. Von den Motoren 3 X, 3 Y, 3 Z, 3 a, 3 β und 3 γ stammende Drehzahlsignale

werden über einen Kopplungskreis 74 in eine Steuer-Operationseinrichtung 64 eines Mikrocomputers 4 a eingegeben. Zähler 75 X, 75 Y, 75 Z, 75 α, 75 β und 75 γ zählen Impulssignale aufwärts und abwärts, die von Drehcodierern 59 X, 59 Y, 59 Z, 59 α, 59 β und 59 γ entsprechend der Richtung der Motordrehung ausgegeben werden, und speichern die Beträge der Drehungen der Motoren 3 X, 3 Y, 3 Z, 3 α, 3 β und 3 γ, d. h. die Koordinaten (X, Y, Z, α, β, γ) der vorliegenden Stellung des Fingerteils des Roboters in Form des digitalen Signals. Die Bezugszeichen 76 a und 76 b sind Kopplungskreise mit dem Mikrocomputerkreis 4 a. 78 X, 78 Y, 78 Z, 78 α, 78 β und 78 γ sind D-A-Wandlerkreise. 2 X, 2 Y, 2 Z, 2 α, 2 β und 2 γ sind Antriebsverstärker für den Antrieb der Motoren 3 X bis 3 γ entsprechend den Ausgangssignalen aus den D-A-Wandlerkreisen 78 X bis 78 q und speisen bei einem Antrieb die von den Tachogeneratoren 58 X bis 58 γ ausgegebenen Ausgangssignale zurück zur Durchführung der Antriebssteuerung der Motoren. Bei einer derartigen Schaltungsanordnung verwendet die Operationseinrichtung 62 des Mikrocomputers 4 a die Formeln (7) bis (12) zur Erzielung von F _x, F _y, F _z, M _x, M _y und M _z. Eine Koordinatenumwandlungseinrichtung (1) 63 wandelt F _x, F _y und F _z in ein absolutes Koordinatensystem um mit den Koordinaten α, β und γ einer Ausrichtung des Fingerteils, die ausgelesen wird aus einem Verriegelungsglied 68 durch das aus einem Signalgenerator 71 abgeleitete Abtastsignal unter Verwendung von beispielsweise der folgenden Gleichung (19)

wobei γ = 0. Die Steuer-Operationseinrichtung 64 führt die folgenden Gleichungen (20) bis (25) unter Verwendung: von M _x, M _y und M _z, abgeleitet von der Operationseinrichtung 62, von F _X, F _Y und F _Z von der Koordinatenumwandlungseinrichtung (1) 63 und von den vorliegenden Motordrehzahlsignalen

von einem Kopplungskreis 74, und liefert Antriebsdrehzahlsbefehle zu den jeweiligen Motoren.

In Abhängigkeit von der Betätigung eines Schalters 57 positioniert ein aus einer Antriebserzeugungseinrichtung 65 abgeleiteter Befehl den Roboter der Bauart mit rechtwinkeligen Koordinaten an einem gegebenen Ort. Dann schaltet der Schalter 57 eine Schalteinrichtung 66 auf eine unmittelbar unterrichtende Betriebsart, um bereit zu sein zur Aufnahme des Signals von der Steuer-Operationseinrichtung 64. Unter dieser Bedingung werden die Motoren 3 X bis 3 γ entsprechend den Antriebsdrehzahlsteuerung-Befehlssignalen P _X, P _Y, P _Z, P _α, P _β und P _q angetrieben, die entsprechend der auf den von Hand oder unmittelbar betätigten Handgriff 1 f des Kraftsensors 1 aufgebrachten Kraft erzeugt werden. Die Koordinaten des Fingerteils werden durch die Zähler 75 X bis 75 γ ermittelt, wobei die die Koordinaten darstellenden Daten aufeinanderfolgend über das Verriegelungsglied 68 und einen Prozessor 69 in einen Speicher 70 eingegeben werden in Abhängigkeit vom durch den Signalgenerator 71 erzeugten Abtastsignal. Als Ergebnis wird der Roboter über einen Ort der Bewegung des Fingerteils 9 unterrichtet.

Es wird nun der Fall des dem Arm eines Menschen analogen mehrgelenkigen Roboters beschrieben. In diesem Beispiel wird eine Stellung der Finger durch die Motoren 21, 24 und 23 bewegt. Eine Stellung X, Y und Z der Finger wird nicht-linear auf die Drehwinkel Φ, ψ, und η der Motoren 21, 24 und 23 in Beziehung gebracht. Der vorliegende Fall ist komplizierter als der Fall mit rechtwinkeligen Koordinaten. Es sei angenommen, daß eine Ausrichtung des Handgelenkglieds wie im Fall des Roboters mit rechtwinkeligen Koordinaten durch einen einzigen Motor geändert werden kann. Demnach kann sie durch Verwendung des in Fig. 9 gezeigten Rechners gesteuert werden.

Als erstes wird ein Ziel, zu dem das Handgelenkglied (die Finger) bewegt wird, in Richtung einer durch den Kraftsensor 1 abgefühlten Kraft aufgestellt. Der der Stellung entsprechende Drehwinkel des Motors wird berechnet. Nun sei angenommen, daß die Drehwinkel der Motoren 21, 24 und 23 in einem Zeitpunkt Φ (nT), ψ (nT) und η (nT) betragen. Die Drehwinkel der Motoren 21, 24 und 23, entsprechend den Kräften in diesem Zeitpunkt, die Zielwerte der Drehwinkel der Motoren 21, 24 und 23, seien angenommen als

Mit diesen Annahmen sind die von Rechner 4 verwendeten Operationsformeln die folgenden:

Hierbei sind: P _Φ, P _ψ und P _η die Ausgangswerte zu den Motoren 21, 24 und 23, R _Φ, R _ψ und R _η Motordrehzahlen der Motoren 21, 24 und 23, K _1j, K _2j und K _3j (j = Φ, ψ, η) jeweils Konstanten, P _α ein Ausgangssignal zum Motor (26 a im Fall von z. B. Fig. 6B) zur Drehung des Handgelenkglieds um die y-Achse, P _β ein Ausgang zum Motor (eine relative Winkelversetzung zwischen den Motoren 26 a und 26 b im Fall von z. B. Fig. 5B) zur Drehung des Handgelenkglieds um die x-Achse, P _γ ein Ausgangssignal zum Motor (dieselbe Drehung für die Motoren 26 a und 26 b im Fall von z. B. Fig. 5B, und 26 b im Fall von Fig. 6B) zur Drehung des Handgelenkglieds um die z-Achse, K _1j, K _2j und K _3j (j = α, β, γ) jeweils eine Konstante, R _j (j = α, β, γ) jeweils eine Motordrehzahl. Ein Schema des oben erwähnten Roboters der Gelenkbauweise ist in Fig. 12 dargestellt. Zur Ausführung dieses Roboters mit Bewegungen in sechs Richtungen muß der Konstrukteur dafür sorgen, daß das Handgelenkglied sich durch den Motor 26 c um eine zur Achse eines Zylinders 49 senkrechte Welle dreht.

Die unmittelbare Unterrichtung des Roboters der Gelenkbauweise wird im einzelnen in Verbindung mit Fig. 11 beschrieben. Die Motoren 24, 21, 23, 26 a, 26 b und 26 c sind verbunden mit Tachogeneratoren 80 Φ, 80 ψ, 80 η, 80 α, 80 β und 80 γ zur Ermittlung der Motordrehzahlen und 81 Φ, 81 ψ, 81 η, 81 α, 81 β und 81 γ zur Ermittlung der Beträge der Winkelversetzungen. Abtastkreise 82 Φ, 82 ψ, 82 η, 82 α, 82 β und 82 γ tasten durch das Abtastsignal 16 Analogsignale ab, die die von den Tachogeneratoren 80 Φ bis 80 γ ausgegebenen Motordrehzahlen darstellen. Die A-D-Wandlerkreise 83 Φ, 83 ψ, 83 η, 83 α, 83 β, 83 γ geben über einen Kopplungskreis 84 Winkelgeschwindigkeitssignale

der Abtastkreise 82 Φ bis 82 γ auf die Steuer-Operationseinrichtung 85. Zähler 86 Φ, 86 ψ, 86 η, 86 α, 86 β, 86 γ zählen Impulssignale aufwärts und abwärts, die von den Drehcodierern 81 Φ bis 81 γ in Richtung der Motoren ausgegeben werden zur Speicherung der Drehbeträge der Motoren 24, 21, 23, 26 a, 26 b und 26 c, d. h. die Koordinaten (Φ, ψ, η, α, β, γ) des vorliegenden Gelenks des Fingerteils des Roboters. Die Bezugszeichen 87 a und 87 b sind Kopplungskreise mit dem Mikrocomputer 4 b und D-A-Wandlerkreisen. 88 Φ, 88 c, 88 η, 88 α, 88 β, 88 γ sind Antriebsverstärker für den Antrieb der Motoren 24, 21, 23, 26 a, 26 b und 26 c entsprechend den Ausgängen aus den D-A-Wandlerkreisen 88 Φ bis 88 γ. Beim Antriebsbetrieb machen diese Verstärker eine Rückkopplungssteuerung der von den Tachogeneratoren 80 Φ bis 80 γ ausgegebenen Drehzahlsignale.

Bei einer derartigen Anordnung rechnet die Operationseinrichtung 62 des Mikrocomputers 4 b mit den Gleichungen (7) bis (12) zur Erzielung von F _x, F _y, F _z, M _x, M _y und M _z. Eine Koordinatenumwandlungseinrichtung (2) 89 koordiniert/verwandelt die Größen F _x, F _y und F _z in ein absolutes Koordinatensystem mit den Ausrichtungskoordinaten α, β, γ des Fingerteils, ausgelesen durch den Verriegelungskreis 94 in Abhängigkeit vom aus dem Signalgenerator 71 ausgegebenen Abtastsignal und vom Drehwinkel des Drehtischs 24, und zwar unter Verwendung der folgenden Gleichung (22).

wobei γ = R. Ein Koordinatenumwandlungssystem (3) 93 koordiniert/verwandelt die vorliegenden vom Verriegelungsglied 94 ausgegebenen Ausrichtungskoordinaten jedes Arms unter Verwendung der folgenden Gleichung (33) in ein absolutes Koordinatensystem:

Hierbei ist l₂ die Länge des ersten oberen Arms 19, l₃ die Länge des Vorderarms 22 und l₄ die sich vom Handgelenkglied zum Fingerteil 9 erstreckenden Länge. Eine Zielpositions-Entnahmevorrichtung 90 führt die Vorgänge der folgenden Gleichung (34) aus:

Die Koordinatenumwandlungseinrichtung (3) 91 führt den Vorgang der folgenden Gleichung (35) aus:

Die Steuer-Operationseinrichtung 85 führt die Vorgänge der folgenden Gleichungen (30) bis (35) aus zur Erzeugung von Antriebsdrehzahlsignalen der Antriebsmotoren 24, 21, 23, 26 a, 26 b und 26 c.

Somit positioniert in Abhängigkeit von der Betätigung des Schalters 67 ein von der Antriebsbetriebsart-Erzeugungseinrichtung 65 abgeleiteter Befehl den Roboter der Gelenkbauweise an einem gegebenen Ort. Danach schaltet der Schalter 67 die Schalteinrichtung 66 auf die unmittelbare Unterrichtungsbetriebsart und ist bereit zur Annahme der Signale von der Steuer-Operationseinrichtung 85. Unter dieser Bedingung werden die Motoren 24, 21, 23, 26 a, 26 b und 26 c entsprechend den Antriebsgeschwindigkeitssteuerung-Befehlssignalen P _Φ, P _ψ, P _η, P _α, P _β und P _γ angetrieben, die entsprechend einer auf den von Hand und unmittelbar betätigten Handgriff 1 f des Kraftsensors 1 ausgeübten Kraft erzeugt werden. Die Koordinaten des Fingerteils werden durch die Zähler 86 Φ bis 86 γ ermittelt, während die die Koordinaten darstellenden Daten aufeinanderfolgend durch das Verriegelungsglied 94 und den Prozessor 95 in den Speicher 96 gegeben werden. Auf diese Weise wird der Roboter der Gelenkbauweise über einen Ort der Bewegung des Fingerteils 9 unterrichtet.

Die auf den Roboter der Bauart mit rechtwinkeligen Koordinaten und den Roboter der Mehrgelenkbauart bezogenen Steuersysteme können, wie oben erwähnt, auch auf andere Steuersysteme eines Roboters oder dgl. mit Polarkoordinaten angewendet werden. Bei einigen Robotern können selbstverständlich einige der drei Kraft- und Momentenkomponenten verwendet werden. Es ist selbstverständlich bei einigen Roboterkonstruktionen gestattet, eine Komponente dieser Kraftkomponenten mit einer Ausrichtung der Finger zuzuordnen und eine Komponente dieser Momentkomponente einer Stellung der Finger zuzuordnen.

Wie oben beschrieben, ist die von der Bedienungsperson zur Unterrichtung des Roboters hierbei aufzubringende Mühe nur die auf den Kraftsensor ausgeübte Kraft (unmittelbare Unterrichtung). Diese Kraft kann elektrisch verstärkt werden und ist merklich kleiner als das Totgewicht des Roboters. In dieser Hinsicht kann der Arbeitsaufwand der Bedienungsperson beträchtlich entlastet werden. Zusätzlich erleichtert die manuelle und direkte Betätigung des Handgelenkglieds des Roboters die Positionierung der Roboterfinger.

Claims

1. Programmiereinrichtung zur unmittelbaren Programmierung eines Roboters mit

- einem Handgelenksglied, das beweglich mit dem äußeren Ende des Roboterarms verbunden ist,
- Kraftsensoren, die am Handgelenksglied des Roboters befestigt sind und die bei einer manuellen Bewegung des Handgelenksgliedes Signale erzeugen,
- Einrichtungen zur Berechnung einer ersten Gruppe von Antriebs-Steuersignalen aufgrund der von den Kraftsensoren erzeugten Signale zur Ingangsetzung der Antriebseinrichtungen des Roboterarms zur Erleichterung der manuellen Bewegung des Handgelenksgliedes, und
- Einrichtungen zur Speicherung von Bahndaten als Programminformationen, die von einem Lagedetektor bei der manuellen Bewegung des Handgelenks ermittelt werden,

dadurch gekennzeichnet,
daß bei der manuellen Bewegung des Handgelenksgliedes (33) durch Recheneinrichtungen die Werte der mit einer Abtastperiode T abgetasteten Signale des Kraftsensoren (1) in Kraftkomponentenwerte (F _X, F _Y, F _Z) umgewandelt werden,
daß von diesen Kraftkomponentenwerten Beträge subtrahiert werden, die den mit einer Abtastperiode T abgetasteten Geschwindigkeitswerten ( _X, _Y, _Z) des manuell bewegten Handgelenksgliedes (33) bei der Führung längs einer vorbestimmten Bahn entsprechen,
daß die so erhaltenen Differenzen komponentenweise und
daß das Resultat der Integration die erste Gruppe der Antriebs-Steuersignale bildet.

2. Programmiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Signalen der Kraftsensoren (1) die Drehmomente (M _x, M_y, M _z) berechnet werden in Bezug auf die Drehachsen des Handgelenks, das frei drehbar ist, und daß von den Werten der Drehmomente Beträge subtrahiert werden, die den Drehgeschwindigkeitskomponenten des Handgelenks entsprechen, und daß diese Differenzen (P _α = K _1α M _x - K _2α _α, P _b = K _1β M _y - K _2β _β, P _γ = K _1γ M _z - K _2γ _q)eine zweite Gruppe von Antriebs-Steuersignalen bilden und wobei Antriebseinrichtungen vorgesehen sind um das Handgelenk des Roboters entsprechend diesen Signalen zu führen, und daß die Bahndaten des Handgelenks bezüglich der Drehungen durch einen Drehdetektor erfaßt und als Programminformationen gespeichert werden.

3. Programmiereinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Roboterarm mehrgelenkig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Berechnung der ersten Gruppe von Antriebs-Steuersignalen (Fig. 11) umfaßt:

- eine erste Koordinatenumwandlungseinrichtung (89) zur Umwandlung der auf ein kartesisches Koordinatensystem (x, y, z) des Handgelenks bezogenen Kraftkomponenten (F _x, F _y, F _z) auf ein kartesisches Koordinatensystem (X, Y, Z) des Roboters;
- eine Einrichtung (90), die aus diesen transformierten Kraftkomponenten (F _x, F _y, F _z) und der augenblicklichen Lage (X, Y, Z) des Roboterarms Zielortsgrößen (, , ) für die Bewegung des Roboterarms berechnet, und
- eine zweite Koordinatenumwandlungseinrichtung (91) zur Bestimmung der Winkelgrößen (Φ, ψ und η) des mehrgelenkigen Roboterarms (Fig. 12) aus den Zielortsgrößen (, , ).