DE3689038T2

DE3689038T2 - Roboterregelungssystem.

Info

Publication number: DE3689038T2
Application number: DE86903614T
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Fanuc Utsukiry Karakama; Hajimu Hinohirayamadai-J Kishi; Shinsuke Mezonizumi Sakakibara
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1985-06-25
Filing date: 1986-06-24
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2006-06-25
Also published as: JPS61296409A; KR880700329A; EP0228471B1; US4899095A; WO1987000310A1; EP0228471A1; EP0228471A4; DE3689038D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Robotersteuerungsanordnung, die eine gestellte Aufgabe löst durch Programmieren der Position (nachstehend "TCP" bezeichnet) des entfernten Endes eines auf einem Roboter-Handgelenk befindlichen Werkzeugteils (Werkzeugs).

Stand der Technik

Sollen Teile von einem Industrieroboter zusammengebaut werden, so muß ein Teilelieferautomat wiederholt bestimmte Teile zu gegebener Zeit an einen bestimmten Ort anbringen. Die im Fluß auf einem Transportband o. dgl. ankommenden Teile befinden sich aber nicht stets in akkurat gleicher Stellung. Die bereits programmierte TCP der Hand muß somit um den Versatz korrigiert werden. Dies erfolgt von einer TV-Kamera o. dgl., die von dem jeweils zu manipulierenden Teil die Ortsdaten bestimmt und sie an den Roboter weitergibt.
Wie der Stand der Technik bestimmt auch vorliegend ein Sensor, bspw. eine Kamera, in solchen Fällen den Betrag der Drehkorrektur, und es werden die Drehwinkel-Versatzwerte für die drei Hauptachsen des Handvektors berechnet. Die Werkzeugfehlstellung am Programmort wird hierbei zum Ausgangspunkt für die Korrektur. Sie erfolgt durch einen G45- Vorbereitungsbefehl zur Drehstellungsberichtigung.
Der Roboter erhält von Sensorseite als Ortsinformation die Daten zum Winkel des Werkstück-Greifrichtungsvektors - er wird von Sensorseite durch Prozessieren der Daten bestimmt
- sowie zur vorab ermittelten Achse, bspw. der Xs-Achse, des Sensorkoordinatensystems. Inzwischen speichert die Roboter-Rechensteuereinheit die Sensorkoordinaten und zwar bei deren Umwandlung in Daten für das Roboterkoordinatensystem. Erfolgt eine Drehkorrektur, um den Einheitsvektor (Referenzvektor) einer vorab bestimmten Achse des Werkzeugkoordinatensystems, bspw. der Yt-Achse, in Deckung mit dem Greifrichtungsvektor des Werkstücks zu bringen, so wird folglich bei jedem angebrachten Werkstück neu entschieden, um welche X-, Y- oder Z-Achse des Werkzeugkoordinatensystems die Drehkorrektur erfolgt. Ferner werden sowohl die im Roboter gespeicherten Steuerdaten zum Sensorkoordinatensystem als auch die Steuerdaten des Werkzeug-Koordinatensystems, welche die Feedback-Daten der Roboterantriebssteuereinheit festlegen, beidemal bei ihrer Umwandlung prozessiert in Daten des Roboter-Hauptkoordinatensystems. Die Berechnung des Drehkorrekturbetrags, der den Referenzvektor wieder in Deckung mit dem Greifrichtungsvektor bringt, ist daher sehr kompliziert.
Die FR-A-2 321 373 offenbart ein Teiletransfersystem, wobei ein beweglicher Manipulator in Form einer Greifhand die zu transferierenden Teile ergreift. Die Positionen der Teile werden durch ein Sichtsystem bestimmt. Das Sichtsystem umfaßt einen Videoscanner, der - über einen Spiegel - auf die Oberfläche gerichtet ist, auf der sich die Greifteile für den Greifer befinden. Die Daten vom Videoscanner dienen zur Berechnung des Schwerpunkts und der Orientierung des Greifteils. Entsprechend wird dann die Position der Greiferhand eingestellt, und sie kann das Teil erfassen.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die vorstehend genannten Punkte. Sie hat die Aufgabe, ein Robotersteuersystem zur Verfügung zu stellen, wobei die Werkzeugpositionskorrektur durch einfaches Prozessieren der Positionswerte vom Sensor erfolgt.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Robotersteuerungssystem zur Verfügung gestellt zur Durchführung einer Aufgabe an einer vorgegebenen Position, wobei ein Roboterwerkzeug ein Werkstück ergreift, durch Berichtigen der Werkzeugfehlstellung auf Grundlage der Information zum Greifrichtungsvektor des Werkstücks und auf Basis eines Werkzeugreferenzvektors; das System beinhaltet:
einen Sensor zum Detektieren der Position des Werkstücks und zum Erstellen der Information zum Greifrichtungsvektor des Werkstücks;
eine Rechensteuereinheit zum Berechnen des notwendigen Drehkorrekturbetrags für das Werkzeug aus der Information zum Greifrichtungsvektor des Werkstücks sowie dem Werkzeugreferenzvektor;
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor angeordnet ist auf einer Achse, die gleich ist mit oder parallel ist zur Z-Achse des feststehenden Sensorkoordinatensystems, die X- und Y-Achsen dieses Koordinatensystems definieren eine X/Y- Ebene, die zusammenfällt mit oder parallel ist zur Fläche, auf der das Werkstück liegt, der Sensor besitzt eine Sensoreinrichtungsachse, die gleich ist mit oder parallel ist zur Z-Achse des Sensorkoordinatensystems, wodurch die Information zum Greifrichtungsvektor des Werkstücks bereitgestellt wird als Projektion auf die X/Y-Ebene, und
daß die Rechensteuereinheit so betreibbar ist, daß sie den Werkzeug-Drehkorrekturbetrag um eine Achse, die gleich ist mit oder parallel ist zur Z-Achse (Zs) des Sensorkoordinatensystems, berechnet aus der Projektion des Werkstück- Greifrichtungsvektors auf die X/Y-Ebene, wobei auch die Projektion des Werkzeugreferenzvektors auf die X/Y-Ebene verwandt wird.
Das erfindungsgemäße Robotersteuersystem ist so ausgelegt, daß es eine Aufgabe an vorbestimmter Position ausführen kann. Dabei wird die Werkzeugfehlstellung beim Roboters auf Grundlage der Kenntnisse zur Position des Werkstücks korrigiert. Das Robotersteuersystem besitzt einen Sensor, der angeordnet ist - im Sensorkoordinatensystem - auf einer Achse, die parallel ist zur Z-Achse des Sensorkoordinatensystems (die parallele Achse kann mit der Z-Achse selbst zusammenfallen), die senkrecht steht zu einer Koordinatenebene (X/Y-Ebene) und die parallel ist zu (oder die zusammenfällt mit) der Fläche, auf der das Werkstück liegt. Die Koordinatenachsen des Sensors liegen fest. Das Robotersteuersystem besitzt ferner eine Rechensteuereinheit zum Berechnen des Drehkorrekturbetrags eines Werkzeugs hinsichtlich der Sensorkoordinatenachsen und zwar aus den Positionskenntnissen zu dem Vektor, der die Greifrichtung des Werkstücks, das der Sensor ertastet hat, beschreibt.
Wird der Drehwinkel aus einer Projektion des Greifrichtungsvektors bestimmt und wird das Werkzeug einer Drehkorrektur um eine Achse unterworfen, die parallel ist zur Z-Achse des Sensorkoordinatensystems und die senkrecht ist zur Achse, auf der das Werkstück liegt, dann läßt sich die Werkzeugfehlstellung korrigieren, auch wenn der Greifrichtungsvektor des Werkstücks nicht parallel ist zur Oberfläche, auf der das Werkstück liegt.

Kurzbeschreibunq der Zeichnungen

Es zeigt:
Fig. 1 eine beschreibende Darstellung einer Drehkorrektur eines Werkzeugvektors gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 2 eine beschreibende Strukturansicht von einem Robotersystem gemäß der o.g. Ausführungsform.

Beste Ausführungsform gemäß der Erfindung

Es wird nunmehr eine Ausführungsform gemäß der Erfindung beschrieben.
Zunächst wird die Darstellung des Werkzeugvektors nach einer Werkzeug-Drehkorrektur zur Zs-Achse des Sensorkoordinatensystems Xs-Ys-Zs (siehe Fig. 1) diskutiert:
t, u, v in Fig. 1 bezeichnen die Einheitsvektoren der drei Achsen für ein Werkzeug am Teach-in-Punkt P des Roboters. ls, ms, ns sind die Einheitsvektoren der drei Sensorkoordinatenachsen, und Os ist der Ursprung dieses Koordinatensystems.
Die Komponenten der o.g. Vektoren lassen sich im Grundkoordinatensystem (X-Y-Z) des Roboters (nicht gezeigt) wie folgt beschreiben:
ls = (Lsx, Lsy, Lsz)T
ms = (Msx, Msy, Msz)T
ns = (Nsx, Nsy, Nsz)Tx . . . (1)
Der Vektor u unter den Einheitsvektoren, die das Werkzeugkoordinatensystem am Teach-in-Punkt P festlegen, wird als Referenzvektor genommen. Seine Komponenten lassen sich im Sensorkoordinatensystem wie folgt beschreiben:
wobei (Usx, Usy, Usz) = us ist und Ux, Uy, Uz sind die Komponenten des Referenzvektors u, dargestellt im Grund- Koordinatensystem. Sie lassen sich aus der Information des bei der Programmierung eingegebenen Teach-in-Punkts P berechnen. Werden auch die Einheitsvektoren l, m, n vom Sensorkoordinatensystem transformiert, bspw. in das Grund- Koordinatensystem, und werden sie vorab im Speicher der Robotersteuerungssystems niedergelegt, dann läßt sich der Referenzvektor us, der im Sensorkoordinatensystem dargestellt wird, aus der Gleichung 2 erhalten.
Als nächstes wird der vom X-Achsen-Vektor ls definierte Winkel Rtch und der Vektor u' bestimmt. Der Vektor u' ist durch Projizierung des Referenzvektors us auf die Koordinatenebene Xs-Ys erhältlich. Dies erfolgt mit:
Rtch = tan&supmin;¹(Usy/Usx) . . . (3)
Der Korrekturumfangvorschub Oi bei der Drehkorrektur des Werkzeugs läßt sich aus der nachstehenden Gleichung bestimmen. Die Gleichung beruht auf Otch und dem Absolutwert Oabs für den Drehkorrekturumfang, erfaßt auf der Sensorseite.
Ri == Rabs-Rtch . . . (4)
Der Werkzeugfehlstellungsbetrag läßt sich genauer gesagt berichtigen durch Drehen des Werkzeugs mit dem Drehwinkel Oi um die Zs-Achse des Sensorkoordinatensystems. Die korrigierten Werkzeugvektoren lassen sich erhalten aus:
worin ist: Si = sin Oi, Ci = cos Oi.
Setzt man die Gleichung (2) in die Gleichung (5) ein und ordnet um, so erhält man:
Dies ist dann der Werkzeugvektor nach der Berichtigung, der dann mit einem Vektor erhältlich durch Projizierung des Werkstück-Greifrichtungsvektors auf die X/Y-Ebene zusammenfällt. Es wird angemerkt, daß S = (ls ms ns) ist.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm mit einem Beispiel für einen Roboter vom Teach-in/Rückspiel-Typ. Der Roboter 10 besitzt eine Hand 11, an der ein Werkzeug 13 befestigt ist, mit dem ein ankommendes Werkstück an einem vorbestimmten Ort ergriffen werden kann. Das Werkstück 12 ist bspw. eine Rohrverbindung, die automatisch zum Roboter 10 transportiert wird. Der Greifrichtungsvektor w des Werkstücks steht zur Oberfläche, auf der das Werkstück liegt, in einem vorgegebenen Winkel.
Der Roboter 10 besitzt ein Grund-Koordinatensystem X-Y-Z und ist verbunden mit einer Robotersteuereinheit 15, die einen Sichtsensor 14 aufweist, bspw. einen Industriemonitor. Die Robotersteuereinheit enthält einen Speicher 15a zum Speichern der Roboterbefehlsdaten, ein Steuerprogrammspeicher (ROM) 15b, einen Prozessor 15c und einen Datenspeicher 15d. Der Prozessor 15c führt die vorgenannte Drehkorrekturprozessierung aus sowie auch das weitere Prozessieren unter der Kontrolle des Steuerprogramms. Der Speicher 15a speichert die Roboterbefehlsdaten für ein Steuern der Roboter-Handbewegungen in einem vorgegebenen Weg und für den Vorgang, daß die Hand am programmierten Punkt P das Werkstück 12 ergreift.
Der mit dem Prozessor 15c verbundene Sehsensor 14 ist feststehend in das Koordinatensystem eingebunden, dessen X/Y- Koordinatenebene parallel ist zur Oberfläche, auf der das Werkstück 12 liegt. Weisen die Roboterbefehlsdaten einen G45-Vorbereitungsbefehl für eine Positionskorrektur auf, so führt der Sehsensor ein vorgegebenes Bildprozessieren durch und gibt an den Speicher 15d die Eingabe-Daten für den Vektor w. Diese sind erhältlich durch Projizieren des Werkstück-(12)-Greifrichtungsvektors w auf die X/Y-Ebene. Der Datenspeicher 15 speichert die Einheitsvektoren auf den entsprechenden Achsen des Werkzeugkoordinatensystems für das Werkzeug 13. Diese Einheitsvektoren werden als Daten im Grund-Koordinatensystem des Roboters 10 gespeichert.
In dem so konstruierten Robotersystem werden die Daten für den Greifrichtungsvektor w des Werkstücks 12 vom Sehsensor 14 der Robotersteuereinheit 15 geliefert und zwar als Winkeldaten zu einer vorgegebenen Koordinatensystemachse des Sensors. Der berichtigte Werkzeugvektor der Gleichung 6 ist erhältlich durch Verwenden der Winkeldaten, so daß die Befehlsdaten für den Roboter, d. h. die Befehlswerte für jede Antriebsachse der Hand, bereitgestellt werden.
Bei dem Werkstück 12 in der o.g. Ausführungsform ist der Greifrichtungsvektor w nicht notwendig parallel zur Ebene des Sensorkoordinatensystems. Ist jedoch das Werkstück ein rechtwinkliges Parallelflach, so ist der Greifrichtungsvektor stets parallel zu der Oberfläche, auf der das Werkstück liegt. In jedem Fall wird aber die in die X/Y- Ebene gelegte Positionsabweichung des Werkstücks dadurch beseitigt, daß man die optische Achse des Sehsensors 14 parallel zur Z-Achse des Sensorkoordinatensystems legt.
Wie oben genauer beschrieben, läßt sich der Umfang der Werkzeugfehlstellung in der o.g. Ausführungsform leicht so korrigieren, daß man beim Programmieren der Position nur das Werkzeugkoordinatensystem um eine Achse parallel zur Zs-Achse des Sensorkoordinatensystems dreht. Die Robotersteuereinheit kann dadurch das Prozessieren leicht und mit hoher Geschwindigkeit bewältigen.
In der vorgenannten Ausführungsform wurde das Steuersystem mit Bezug auf das Ergreifen eines Werkstücks beschrieben. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diese Ausführungsform, sondern ist auf alle Roboter anwendbar, wo das Arbeitsteil (das Werkzeug) an einer Roboterhand befestigt ist. Das Werkzeug kann für vielerlei Aufgabenstellungen ausgelegt sein, bspw. auch zum Bogenschweißen.
Die Erfindung ist auch anwendbar bei Robotern, die ausgerichtet werden - in Zusammenhang mit dem Programmierung der Werkzeugendposition (TCP) - auf eine Anzahl von Werkzeugkoordinatensystemen mit fester Beziehung zum Grund-Koordinatensystem.

Gewerbliche Anwendung

Erfindungsgemäß ist ein Befehl für die Korrektur der Drehstellung eines Werkzeugkoordinatensystems zu erhalten durch ein einfaches Prozessieren der Stellungsinformation eines Sensors. Hierbei wird die Endposition (TCP) eines Arbeitsteils (Werkzeugs), das auf einem Roboter-Handgelenk angeordnet ist, programmiert und die vorgegebene Aufgabe ausgeführt. Im Ergebnis läßt sich so die Position des Werkzeugs drehkorrigieren und steuern.

Claims

1. Robotersteuersystem zur Durchführung einer Aufgabe an einem vorgegebenen Ort, wobei ein Werkzeug (11) des Roboters (10) ein Werkstück (12) ergreift, durch Korrigieren der Werkzeugfehlstellung auf Grundlage der Kenntnisse zum Greifrichtungsvektor (w) des Werkstücks (12) und auf Grundlage des Werkzeugreferenzvektors (u); das System umfaßt:

einen Sensor (14) zum Erfassen der Position des Werkstücks (12) und zum Bereitstellen der Information zum Greifrichtungsvektor (w) des Werkstücks (12),

eine Rechensteuereinheit (15) zum Berechnen der für das Werkzeug (11) notwendigen Drehkorrektur und zwar aus der Information zum Greifrichtungsvektor (w) des Werkstücks (12) sowie aus dem Werkzeugreferenzvektor (u), dadurch gekennzeichnet, daß

der Sensor (14) auf einer Achse angeordnet ist, die gleich ist mit oder parallel ist zur Z-Achse (Zs) eines feststehenden Sensorkoordinatensystems, die X- und Y-Achsen (Xs, Ys) dieses Koordinatensystems definieren eine X/Y-Ebene, die zusammenfällt mit oder parallel ist zur Oberfläche, auf der das Werkstück (12) liegt, der Sensor besitzt eine Sensorrichtungsachse, die gleich ist mit oder parallel ist zur Z- Achse (Zs) des Sensorkoordinatensystems, so daß Kenntnisse zum Werkstück-Greifrichtungsvektor als Projektion auf die X/Y-Ebene zur Verfügung gestellt werden und

daß die Rechensteuereinheit (15) so betreibbar ist, daß sie den Betrag der Drehkorrektur des Werkzeugs (11) um eine Achse, die gleich ist mit oder parallel ist zur Z-Achse (Zs) des Sensorkoordinaten- Systems, berechnet aus der Projektion des Greifrichtungsvektor des Werkstücks (12) auf die X/Y-Ebene, wobei auch die Projektion des Werkzeugreferenzvektors auf die X/Y-Ebene zum Einsatz kommt.