DE3201852C2 - Robotersteuerung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Sicherung eines Industrieroboters und Industrieroboter zur Durchführung des Verfahrens, wobei das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß man mindestens einen im Bereich eines Greifers des Industrieroboters angebrachten, als Körperschallwandler dienenden akustischen Sensor als Eingangselement eines Schallsignal-Analysatorkreises zur Erfassung von speziellen Störfällen, insbesondere von Kollisionen zwischen beweglichen Teilen des Industrieroboters und gegebenenfalls eines davon erfaßten Werkzeugs oder Werkstücks und unerwartet in den Arbeitsbereich des Industrieroboters gelangten Hindernissen, verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren und der Industrieroboter zu seiner Durchführung zeichnen sich dabei dadurch aus, daß durch die Schallsignal-Analyse eine Vielzahl von Stör- bzw. Sonderfällen erfaßt werden kann, so daß sich eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Steuerung ist bekannt aus: C. Blume, R. Dillmann: »Frei programmierbare Manipulatoren«, 1981, Vogel-Verlag, Würzburg, Seiten 80-82, 213. Bei der bekannten Steuerung werden akustische Sensoren in Form von Ultraschall-Sensoren verwendet, die keinen Kontakt mit den vom Roboter zu handhabenden Werkstücken haben und folglich lediglich als Luftschallmikrofone arbeiten, die beispielsweise der Sicherung des Arbeitsbereichs dienen können. Weiterhin ist auch aus: H.-J. Warnecke, R.D.Schraft: »Industrieroboter«, 1979, Krausskopf-Verlag, Mainz, Seiten 276 — 278, eine Robotersteuerung mit akustischen Sensoren bekannt, mit denen Schallinformationen in Signalmuster umgewandelt werden, wobei darauf hingewiesen wird, daß ein bestimmter »Klang« als Qualitätsmerkmal herangezogen werden kann, wenn ein qualitätsspezifisches Klangbild vorliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Steuerung der eingangs genannten Art durch Analyse der Ausgangssignale des akustischen Sensors einerseits eine hohe Betriebssicherheit des Industrieroboters und andererseits eine große Flexibilität der Einsatzruöglichkeiten zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Steuerung, daß in den Speichereinrichtungen des Rechr»rs eine Vielzahl von charakteristischen Geräuschspektren für spezielle Störfälle und typische Arbeitsvorgänge in digitaler Form gespeichert bzw. einprogrammiert werden kann, so daß auch relativ ähnliche ^Klangereignisse« mit hoher Genauigkeit unterschieden und mit großer Geschwindigkeit zur Auslösung entsprechender Steuervorgänge verwendet werden können. Dabei gelingt es mit einem einzigen akustischen Sensor, zahlreiche Funktionen und spezielle Störfälle zu überwachen.

Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Steuerung besteht ferner darin, daß beispielsweise bei einer Kollision bereits ein erster schwacher Kontakt zwischen dem bewegten Teil des Roboters und dem in dessen Bewegungsbahn gelangten Körper zu einem charakteristischen, als Störung des normalen Arbeitsablaufs erkennbaren Körperschallsignal bzw. zu einer charakteristischen Erschütterung führt, welche von dem Körperschallsensor sofort aufgenommen und in dem Rechner praktisch verzögerungsfrei erkannt wird, so daß umgehend eine Abschaltung des Roboters über dessen Steuereinheit bewirkt werden kann, ehe durch größere auftretende Kräfte Schaden am Roboter und/ oder an dem getroffenen Körper auftreten können.

Die Möglichkeiten der Erfindung sind dabei jedoch keineswegs auf einen derart massiven Störfall beschränkt, wie ihn eine Kollision darstellt; vielmehr können mit denkbar geringem zusätzlichem Aufwand auch andere spezielle Störfälle erfaßt werden, wie z. B. das Schließen eines Greifers des Roboters, ohne daß — wie beabsichtigt — ein Werkstück erfaßt wird, da in diesem Fall ein typisches, von dem Geräusch beim Erfassen eines Werkstücks deutlich verschiedenes Geräusch erzeugt wird, dessen charakteristische Eigenschaften problemlos erkannt werden können, so daß an die zentrale Steuereinheit des Roboters die Rückmeldung geliefert werden kann, daß abweichend vom Programm kein Werkstück erfaßt wurde. In ähnlicher Weise können auch andere spezielle Störfälle, wie z. B. der Verschleiß eines Werkzeugs, Fehler im Werkstück, falsches Ansetzen eines Werkzeugs an einem zu bearbeitenden Werkstück, falsches Ablegen eines Werkstücks durch den Greifer usw., anhand der damit verbundenen charakteristischen Abweichungen des auftretenden Körperschalls von den normalerweise erwarteten Geräuschen erkannt und an die zentrale Steuereinheit zurückgemeldet werden.

Die Möglichkeiten, die die erfindungsgemäße Steuerung bietet, können dabei noch dadurch erweitert werden, daß mindestens ein weiterer, als Luftschallmikrofon ausgebildeter akustischer Sensor vorgesehen ist, der im Abstand von dem als Körperschallwandler dienenden Sensor angeordnet werden kann und dann beispielsweise Laufzeitmessungen ermöglicht bzw. ergänzend zu

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der von dem Körperschaläwandler erfaßten Körperschallinformation eine zusätzliche Information über die charakteristischen Einzelheiten des gleichzeitig aufgetretenen Luftschalls liefert, so daß die für bestimmte Ereignisse typische Kombination von Luftschall- und Körperschallsignalen eine weitere Verfeinerung der Signalauswertung ermöglicht. Ein solches Luftschallmikrofon kann dann auch frei in der Umgebung des Maschinenteils d?£ Industrieroboters aufgestellt werden und nur elektrisch mit dessen Steuerteil verbunden sein, so daß der von einem Punkt im Arbeitsbereich des Roboters ausgehende Schall ohne die Oberlagerung durch störende Maschinenschwingungen erfaßt werden kann, insbesondere wenn man die normalen Arbeitsgeräusche, beispielsweise durch den Einsatz eines Richtmikrofons mit geeigneter Charakteristik, weitgehend ausblendet

Insgesamt läßt sich zusammenfassend sagen, daß die Einsatzmöglichkeiten von Industrierobotern durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines oder mehrerer akustischer Sensoren erheblich erweitert werden, während gleichzeitig die Sicherheitsrisiken für Bedienungspersonal, welches in den Arbeitsbereich des Roboters gelangt, erheblich verringert werden, da bereits vor dem Auftreten gefährlicher Kräfte eine sofortige Abschaltung des Roboters und gegebenenfalls auch ein Zurückführen des in die Kollision verwickelten Maschinenelements aus dem Kollisionsbereich bewirkt werden kann.

Der Analysatorkreis der erfindungsgemäßen Steuerung kann eine Analyse des Amplitudenverlaufs der erfaßten Schallereignisse durchführen; günstiger ist es jedoch, wenn der Analysatorkreis als Frequenz-Analysatorkreis ausgebildet ist, da die verschiedenen Frequenzspektren der Schallereignisse besonders feine Unterscheidungsmöglichkeiten bieten.

Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn auf der Eingangsseite des Analysatorkreises der als Körperschallwandler dienende Sensor und das Luftschallmikrofon über eine gemeinsame Anschlußleitung angeschlossen sind, da in diesem Fall die überlagerten Schallspektren gleichzeitig mit hoher Auflösung ausgewertet werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine stark schematische Darstellung eines gerade em Werkstück bearbeitenden Industrieroboters mit seiner zugehörigen Steuerung, deren Elememe im wesentlichen als Blockschaltbild dargestellt sind.

Im einzelnen zeigt die Zeichnung einen Industrieroboter 10 bzw., genauer gesagt, den Maschinenteil eines solchen Industrieroboters, der einen Gelenkarrr. mit zwei Armteilen 12a und 12b aufweist, die im Bereich eines Gelenks 12c gelenkig miteinander verbunden sind. An dem freien Ende des Armteils i2b ist dabei mit Hilfe eines Gelenks 12</ein Greifer 14 angelenkt, welcher ein Werkzeug 16, beispielsweise einen Schleifkopf, trägt, mit dessen Hilfe ein Werkstück 18 bearbeitet, beispielsweise entgratet wird.

Die Steuerung des Roboters 10 erfolgt in üblicher Weise über eine zugehörige zentrale Steuereinheit 20, die mit dem Roboter 10 bzw. mit dessen Maschinenteil über ein mehradriges Kabel 22 verbunden ist, über das den einzelnen Stellmotoren und dergleichen des Roboters 10 von der zentralen Steuereinheit 20 die erforderlichen Befehle für die auszuführenden Manipulationssequenzen zugeführt werden. Außerdem werden über das Kabel 22 von den verschiedenen Sensoren des Roboters 10, wie z. B. von Drucksensoren am Greifer, von Drehmeldern im Bereich der Gelenke 12c und 12d usw. die erforderlichen Rückmeldesignale an die zentrale Steuereinheit 20 geliefert.

Ergänzend zu diesen Einrichtungen ist erfindungsgemäß am Greifer 14 ein als Körperschallwandler dienender akustischer Sensor, nämlich ein Körperschallmikrofon 24 angebracht, welches über eine Leitung 26 mit einem Vorverstärker 28 verbunden ist, dessen Ausgang

ίο an einen Analysator 30 angeschlossen ist. Der Ausgang des Analysators ist mit dem Eingang eines Rechners 32 verbunden, dessen Ausgang wiederum über eine Leitung 34 mit einem Eingang der zentralen Steuereinheit 20 verbunden ist.

Schließlich ist bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel ein zweiter akustischer Sensor, nämlich ein Luftschallmikrofon 36 vorgesehen, welches an dem Armteil 126 befestigt und ebenfalls mit der Leitung 26 verbunden ist.

Der in der Zeichnung gezeigte Roboter 10 wirkt mit dem Werkstück 18 und seiner zugeordneten zentralen Steuereinheit 20 zunächst einmal in der für derartige Industrieroboter üblichen, hier nicht näher zu beschreibenden Weise zusammen. Nähere Einzelheiten über »Struktur und Programmierung von Industrierobotern« finden sich jedoch in einem Aufsatz mit diesem Titel, der von C. Blume und R. Dillmann in der Zeitschrift VDI -Z 122; 1980, Nr. 5, Seite 159 ff. veröffentlicht wurde.

Die Ausgangssignale der Wandler 24,36 werden über einen Vorverstärker 28 einem Analysator 30 zugeführt und von dessen Ausgang einem Rechner 32, wo ein Vergleich der charakteristischen Schallsignalfolge, die bei einem bestimmten Ereignis aufgenommen wird, mit gespeicherten Schallsignalkurven durchgeführt wird, wobei die als Vergleichskurven zu speichernden Schallsignalkurven in den Rechner 32 einprogrammiert werden können, der gleichzeitig dazu dient, das im Einzelfall erhaltene Vergleichsergebnis in eine für die Steuereinheit 20 geeignete Signalfolge umzusetzen. Der Verstärker 28, der Analysator 30 und der Rechner 32 sind dabei handelsübliche Einheiten, beispielsweise ein Vorverstärker des Typs 2635 der Firma Brüel & Kjaer, Dänemark, ein Analysator des Typs 2031/33 derselben Firma, der als Frequenzanalysator arbeitet — es wäre auch die Verwendung eines Amplitudenanalysators möglich — und ein Rechner des Typs HP 9845 der Firma Hewlett Packard, Deutschland, wobei diese Geräte gegebenenfalls auch durch einen Digital-Kassettenrecorder des Typs 7400 und durch ein Mess-Magnetbandgerät des Typs 7003 der Firma Brüel & Kjaer ergänzt werden können.

Aufgrund der beschriebenen Ausstattung der Steuerung kennen die hohe Empfindlichkeit der akustischen Sensoren und die schnelle Signalverarbeitung in den nachgeschalteten Einrichtungen voll genutzt werden. Damit wird es aber möglich, zahlreiche Aufgaben zu lösen, die bisher nicht oder nur unbefriedigend mit Industrierobotern gelöst werden können. Beispielsweise zählt das Entgraten von Werkstücken zu den Tätigkeiten, die einen Arbeiter besonders belasten, da schwere Werkstücke zu bewegen sind und da das Entgraten mit einer starken Lärm- und Schmutzentwicidung verbunden ist und das Tragen von Schutzkleidung erforderlich macht. Bisher konnte das Entgraten mit lndustrierobotern praktisch nicht durchgeführt werden, was auf die nicht exakt vorherbestimmbare Einflußparameter bei der Bearbeitung, wie z. B. auf die uneinheitliche Gratgeometrie, zurückzuführen war. Diese Schwierigkeiten

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können mit der erfindungsgemäßen Steuerung überwunden werden, da sich das Schleifgeräusch mit dem Anpreßdruck eines Schleifwerkzeugs an dem Grat ändert. Dieser Zusammenhang ermöglicht eine kraftabhängige Steuerung des Schleifgeräts in Abhängigkeit von einer Analyse des mit einem Körperschallwandler und gegebenenfalls einem Luftschallmikrofon aufgenommenen Schleifgeräuschs. Außerdem kann mit Hilfe der akustischen Sensoren auch festgestellt werden, wann das Schleifwerkzeug so weit abgenutzt ist, daß es ausgewechselt werden muß.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, beim Bahnschweißen das von dem Lichtbogen erzeugte Schallsignal zu analysieren und entsprechende Steuervorgänge auszulösen. Wenn beispielsweise die Elektrode am Werkstück kleben bleibt, so erlischt der Lichtbogen.und das Ausbleiben des Schallsignals wird von dem Sensorsystem als Störfall erkannt. Auch dann, wenn sich die Elektrode zu weit vom Werkstück entfernt, änueri sich das νυίι dem Lichtbogen erzeugte Geräusch. Es kann also eine Bahnsteuerung in Abhängigkeit von den durch die akustischen Sensoren erfaßten Schallsignale durchgeführt werden. In entsprechender Weise läßt sich auch beim automatischen Lackieren mit einem Industrieroboter der Lackiervorgang durch Überwachung des Düsengeräusches mit einem Luftschallmikrofon überwachen bzw. steuern.

Beim Erfassen eines Werkstücks oder Werkzeugs durch den Greifer des Roboters entsteht ebenfalls ein Schallsignal, welches mit einem in der Umgebung des Greifers angebrachten Körperschallwandler erfaßt und anschließend ausgewertet werden kann. Auf diese Weise läßt sich z. B. feststellen, ob ein Werkzeug- oder Werkstückwechsel planmäßig durchgeführt wurde.

Jedes Werkstück bzw. Werkzeug besitzt ferner ein 35 von seiner Form und seinem Material abhängiges charakteristisches Klangspektrum. Wenn man das Werkzeug oder Werkstück mit einem im Greifer eingebauten Hammer anschlägt, so kann das dabei entstehende Luft- und Körperschallsignal wieder mit den gespeicherten 40 bzw. einprogrammierten Schallsignaimustern verglichen werden, wodurch ebenfalls einj erhöhte Flexibilität hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten und eine erhöhte Sicherheit bei der automatischen Bearbeitung erreicht wird. 45

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

32 Ol Patentansprüche:

1. Steuerung zum Steuern und Oberwachen von Manipulationssequenzen eines Industrieroboters und zur Sicherung desselben bei Störfällen mit Sensoren und mit einer zentralen Steuereinheit zur Modifikation des Steuerprogramms in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Sensoren, wobei mindestens einer der Sensoren ein akustischer Sensor ist, dessen Ausgangssignale der zentralen Steuereinheit über einen A^alysatorkreis zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Sensor (24) als im Bereich eines Greifers (14) des Industrieroboters (10) angebrachter, als Körperschallwandler dienender Sensor ausgebildet ist, der als Eingangselement des Analysatorkreises (30) der Erfassung von speziellen Störfällen, insbesondere von Kollisionen zwischen beweglichen Teilen (32a, 126, 14) de» Industrieroboters (10) und gegebenenfaiis eines davor, erfaßten Werkzeugs (15) oder Werkstücks und unerwartet in den Arbeitsbereich des Industrieroboters (10) gelangten Hindernissen dient, daß dem Analysatorlcreis (30) ein Rechner (32) mit Speichereinrichtungen nachgeschaltet ist, in denen einprogrammierte charakteristische Geräuschspektren für spezielle Störfälle und typische Arbeitsvorgänge der Manipulationssequenzen in digitaler Form gespeichert sind, und daß Vergleichseinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Ausgangssignale oe$ Analysatorkreises (30) mit den gespeicherten Daten vergleichbar sind, um aus der Übereinstimmung der zu vergleichenden Daten miteinander bzw. aus der Ad« eiclwng der zu vergleichenden Daten voneinander entsprechende Steuerbefehle für die zentrale Steuereinheit (20) des Industrieroboters (10) abzuleiten.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysatorkreis (30) als Frequenz-Analysatorkreis ausgebildet ist.

3. Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer, als Luftschallmikrofon (36) ausgebildeter akustischer Sensor vorgesehen ist.

4. Steuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Eingangsseite des Anaiysatorkreises (30) der als Körperschallwandler dienende Sensor (24) und das Luftschallmikrofon (36) über eine gemeinsame Anschlußleitung (26) angeschlossen sind.