DE3786860T2 - Regelvorrichtung für einen roboter. - Google Patents

Regelvorrichtung für einen roboter.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Roboter, die mit einem speziellen Prozessor zur Berechnung der äquivalenten Trägheit einer Roboterarmlast versehen ist, um die Schleifenverstärkung eines Servomotors einzustellen.
  • Horizontal-Gelenkroboter, deren jeder Arm sich in zwei Dimensionen bewegt, sind in letzter Zeit zur Halbleiterfertigung und zu einfachen Palettenoperationen benutzt worden.
  • Fig. 3 ist eine vereinfachte Außenansicht eines Beispiels eines Horizontal-Gelenkroboters. Wie in dieser Figur gezeigt, ist ein Manipulator an einem Handgelenk (Hand) 4 am distalen Ende eines zweiten Arms angebracht. Der zweite Arm 3 ist am distalen Ende des ersten Arms 2 so angebracht, daß er in horizontaler Richtung frei drehbar ist. Der erste Arm 2 ist fest mit einem distalen Ende des Pfostens 1 so verbunden, daß er horizontal wegragt. Der Pfosten 1 ist mit einem Fuß 11 verbunden, der auf den Boden montiert ist, und kann von einem Servomotor frei gedreht werden. Ein zur Vor- und Rückwärtsdrehung vorgesehener Servomotor ist im ersten Arm 2 untergebracht, und ein zum Antrieb des Handgelenks 4 dienender Servomotor ist im zweiten Arm 3 untergebracht.
  • Die Bezugsziffer 6 bezeichnet eine Vielzahl von Kabel, wie bspw. Energieversorgungskabel zur Energieversorgung der Servomotoren und Signalkabel zur Übertragung von Signalen verschiedener Sensoren. Die Bezugsziffern 22, 32 bezeichnen Abdeckungen für den ersten Arm 2 bzw. den zweiten Arm 3. Falls das jeweilige Arm-Antriebssystem instandgesetzt oder überprüft wird, werden diese Abdeckungen durch Entfernen von Befestigungsschrauben abgenommen.
  • Wie in Fig. 4 gezeigt, bildet das Geschwindigkeits-Regelsystem des Servomotors zum Antrieb der Roboterarme 2, 3 oder des Handgelenks 4 ein rückgekoppeltes Regelsystem, welches eine Positions- und Geschwindigkeits-Regelschleife und eine Stromschleife umfaßt, und welches auf ein Eingangssignal eines vorbestimmten Positionsbefehls reagiert.
  • In der Figur wird ein Positions-Befehlssignal, das von einer nicht dargestellten CPU gebildet wird, mittels eines Servo-Regelschaltkreises in ein vorbestimmtes Positions-Regelsignal geändert, bevor es an einen Servomotor zusammen mit einem Ausgangssignal einer Stromregelschleife, die von einer kleineren Schleife gebildet wird, übertragen wird. Eine Steuerung ist mit jedem Servo-Regelschaltkreis verbunden. Ein dem Gewicht der an das Handgelenk angebrachten Hand entsprechender Wert und Werte, die den Gewichten verschiedener gegriffener Werkstücke entsprechen, werden zusammen mit der Bewegung des Manipulators jeder Steuerung der Haupt-CPU zugeführt. Der Servomotor regelt den Manipulator auf der Basis des zugeführten Regelsignals. Gleichzeitig wird die Drehwinkelposition der Last mittels eines Drehwinkelkodierers aufgenommen und über eine Frequenz-Spannungs-Umsetzung (F/V) dem Servo-Regelschaltkreises zurückgeführt. K&sub1; stellt die Integrationsverstärkung und K&sub2; die Proportionalverstärkung dar. Der Servomotor ist für jede Achse, bspw. für die R&sub1; und R&sub2; Achse, vorgesehen, und das Ausgangssignal des Drehwinkelcodierers für jede Achse wird der zuvor genannten Steuerung zugeführt. Das für die Servomotor-Regelung benötigte Antriebsmoment wird berechnet, und ein nicht-linearer Momententerm wird durch Vorwärtskoppelung zu dem Servo-Regelschaltkreis kompensiert.
  • Der Momenten-Befehl u jedes Servomotors wird allgemein durch folgende Gleichung ausgedrückt:
  • mit J(R) : Äquivalente Trägheit der Last
  • c(R, ): Zentrifugalkraft, Coriolis-Kraft
  • f(R): Reibungskraft
  • g(R): Gravitationskraft
  • T(R, ): gesamtes nicht-lineares Moment
  • In Übereinstimmung mit den herkömmlichen Servomotor-Regelungen ist der lastantreibende Servomotor für jede Achse, dessen Servomotor mit der Haupt-CPU verbunden ist und von dieser geregelt wird, mit einem Servo-Regelschaltkreis versehen. Eine zusätzliche CPU ist zur Entscheidung des nicht linearen Moments, das abhängig von einem Versatz des Manipulators variiert, vorgesehen. Die zusätzliche CPU führt die für die vorwärtsgekoppelte Kompensation notwendigen Berechnungen durch und bildet Regelsignale. Da diese zusätzliche CPU zur Berechnung des Antriebsmoments getrennt von den Recheneinheiten für jeden Servo-Regelschaltkreis zur Berechnung des Positionsbefehls benötigt wird, sind die Kosten der Regelvorrichtung hoch und ist die Datensteuerung zwischen den CPUs kompliziert.
  • Jede Servo-CPU berechnet die äquivalente Trägheit der Last und das nicht-lineare zur Regelung des Servomotors erforderliche Moment entsprechend der Gleichung (a). Zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig, daß die CPU solche Informationen als Drehwinkel über die anderen Achsen akzeptiert. Als Konsequenz wird die von jeder Servo-CPU ausgeführte Stromschleifenverarbeitung erschwert und kann die Servomotor-Stromregelung nicht länger genau durchgeführt werden.
  • Darüber hinaus werden die Hand- und Werkstück-Gewichtswerte, die der Steuerung zur Berechnung des Antriebsmoments für den Servo-Regelschaltkreis jedes Servomotors eingegeben werden, in das Regelprogramm der Haupt-CPU eingeschrieben. Deshalb muß der Operator das Programm modifizieren, falls das Verfahren bzgl. eines Werkstücks ausgeführt wird, das ein vom verlangten Gewicht abweichendes Gewicht besitzt. Dies erfordert ein großes Maß an Arbeit.
  • Die vorliegende Erfindung soll dazu dienen, die zuvor genannten Probleme des Stands der Technik zu lösen. Ihre Aufgabe besteht darin, eine Roboter-Regelvorrichtung anzugeben, worin eine Servo-CPU zur Regelung jedes Servomotors vorgesehen ist und diese Servo-CPUs das Antriebsmoment berechnen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Aufgabe besteht darin, eine Roboter-Regelvorrichtung anzugeben, wobei ein Operator die Hand- (falls benötigt) und Werkstück-Gewichtswerte an eine Busleitung gibt, welche die die jeweiligen Servomotoren regelnden Servo-CPUs verbindet, wodurch das Antriebsmoment berechnet wird.
  • Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Roboter-Regelvorrichtung zu schaffen, in der Informationen für jede Achse in einem gemeinsamen Schreib-/Lesespeicher (RAM) oder dgl. gespeichert werden und in der auf jede Servo-CPU gemeinsam zugegriffen werden kann.
  • In der folgenden Veröffentlichung wurde ein Versuch unternommen, zumindest einige dieser Probleme zu lösen. Dabei handelt es sich um "19th Asimolar Conference on circuits, Systems & Computers, November 68 1985, Pacific Grove, California, US, Seiten 149-153; D.O. Levan: "Multiple Processor Architecture for high performance Control of robotic Structures"". Tatsächlich offenbart dieses Papier ein Roboter-Regelsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • EP-A-0 062 076 offenbart ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Industrieroboters, das jedoch die Kompensation der Biegung in einem Roboterarm betrifft und nicht die wechselseitige Regelung der Roboterachsen wie in der vorliegenden Erfindung.
  • Erfindungsgemäß wird eine Roboter-Regelvorrichtung zur Regelung der Höhe eines Manipulators (5) durch das Zwischenstück eines Roboterarms (2, 3) mit mehreren Achsen (R&sub1;, R&sub2;) angegeben, umfassend:
  • Servomotoren (1, 2) der jeweiligen Achsen (R&sub1;, R&sub2;) zum Antrieb des Roboterarms (2, 3); mehrere Recheneinrichtungen (C1, C2) zur Berechnung von Antriebsmomenten der jeweiligen Servomotor-Steuerungssysteme;
  • eine die Recheneinrichtungen (C1, C2) untereinander verbindende Busleitung (f), um den Zugriff auf die anderen Achsen betreffende Informationen, die zur Antriebsmomentenberechnung notwendig sind, zu ermöglichen; und eine Speichereinrichtung (b), die Informationen bezüglich der anderen Achsen (R&sub1;, R&sub2;), die zur Berechnung einer Bewegungsgleichung des Manipulators (5) notwendig sind, speichert, wobei die Speichereinrichtung (b) von jeder der Recheneinheiten (C1, C2) erreichbar ist; dadurch gekennzeichnet, daß eine manuell bedienbare Daten-Eingabeeinrichtung (9) zur Eingabe vorgesehen ist, um bestimmten der Recheneinrichtungen (C1, C2) das Gewicht des vom Manipulator (5) gegriffenen Werkstücks einzugeben, und daß jede Recheneinrichtung (C1, C2) ein Regelprozessor ist, der die äquivalente Trägheit der Roboterarmlast berechnen kann, um die Schleifenverstärkung des Servomotors (1, 2) einzustellen.
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und zur Veranschaulichung der Wirkung wird Bezug genommen auf ein Beispiel und begleitende Figuren, wobei
  • Fig. 1 ein die vorliegende Erfindung darstellendes Blockdiagramm zeigt,
  • Fig. 2 eine Ansicht zeigt, die beispielhaft den Mechanismus des Horizontal-Gelenkroboters darstellt,
  • Fig. 3 eine äußere Ansicht desselben Roboters ist, und
  • Fig. 4 ein Blockdiagramm ist, das den Aufbau einer herkömmlichen Vorrichtung zeigt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun detailliert mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
  • Fig. 2 ist eine Ansicht, die den Mechanismus eines Horizontal-Gelenkroboters zeigt, der eine Verbindung L&sub1; der Lage l&sub1;, eine Verbindung L&sub2; der Länge l&sub2; und eine Hand H der Länge l&sub3; aufweist. Die Verbindung L&sub1; ist um die Achse R&sub1;, die Verbindung L&sub2; ist um die Achse R&sub2; und die Hand H ist um die Achse R&sub3; drehbar.
  • Falls das Gesamtgewicht der Verbindung L&sub1; M&sub1; ist (M&sub1; = m&sub1;&sub1; + m&sub1;&sub2; + m&sub1;&sub3;), das Gesamtgewicht der Verbindung L&sub2; M&sub2; ist (M&sub2; = m&sub2;&sub1; + m&sub2;&sub2; + m&sub2;&sub3;, das Gewicht der Hand H und des Werkstücks W M&sub3; ist (M&sub3; = mh + Mw) und die Positionen der Schwerpunkte der Verbindungen L&sub1;, L&sub2; und der Hand H W&sub1;, W&sub2; bzw. W&sub3; sind, werden dann die Momente T&sub1;, T&sub2;, T&sub3; längs der verschiedenen Achsen des Manipulators wie weiter unten gezeigt erhalten, worin mij die Gewichte der Verbindungen L&sub1;, L&sub2; und die Gewichte der Servomotoren als ein Tellsystem angeben.
  • Das Moment T&sub3; der Hand H um die Achse R&sub3; berechnet sich wie folgt:
  • Der Koeffizient A ergibt sich zu:
  • A = l&sub3; - S&sub3;
  • Der Abstand S&sub3; vom distalen Ende der Hand H zur Position des Schwerpunkts der Hand H, wenn die Hand ein Werkstück greift, berechnet sich zu:
  • S&sub3; = (l&sub3;-l&sub3;&sub1;)mh/(mh + Mw) (2)
  • J3yy, das durch die Angabe der Trägheit der Hand H um ihren Schwerpunkt in einem bzgl. der Hand H fixierten Koordinatensystem erhalten wird, schreibt sich wie folgt
  • J3yy = mh (l&sub3;-l&sub3;&sub1;-S&sub3;)² + MwS&sub3; (3)
  • Falls die Hand H jedoch kein Werkstück greift, wird Mw in jeder Gleichung null gesetzt.
  • Das Moment T&sub2; der Verbindung L&sub1; um die Achse R&sub2; ergibt sich wie folgt:
  • Das Moment T&sub1; der Verbindung L&sub1; um die Achse R&sub1; ergibt sich wie folgt
  • In diesen Gleichungen (1), (4) und (5) stellen die Terme mit i die äquivalente Trägheit der Last dar. Diese Terme variieren abhängig von einem Wechsel im Rotationswinkel Ri um jede Achse.
  • Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Regelsystems für einen Roboterarm zeigt, der durch Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geregelt wird.
  • Regelschleifen für einen Servomotor 1 zum Antrieb der Last um eine Achse Ri, für einen Servomotor 2 zum Antrieb einer Last um eine Achse R&sub2; und so weiter sind mit jeweiligen CPUs c&sub1;, c&sub2; versehen, die ein nicht-lineares Moment Ti(R, ) (i= 1, 2, . . .) um die jeweiligen Achsen berechnen. Jede Servo-CPU ist mit einer Haupt-CPU über eine Busleitung verbunden und ist in der Lage, die Bewegungsgleichungen, die zur Regelung längs jeder Achse in Verbindung mit einem Regelsignal von der Haupt-CPU, während der Verbindung (online) auszuführen. Die Invertierer d&sub1;, d&sub2; regeln den Strom der Servomotoren e&sub1;, e&sub2;.
  • In der vorliegenden Erfindung wird ein gemeinsamer (shared) RAM-Speicher b zwischen die Haupt-CPU a und jeder der Servo-CPUs c&sub1;, c&sub2; geschaltet. Die mehreren Servo-CPUs c&sub1;, c&sub2; . . . zur Regelung der um die Achsen R&sub1;, R&sub2; . . . des Roboterarms angetriebenen Last bei Empfang eines Manipulator-Regelbefehls von der Haupt-CPU a sind über eine Busleitung f so verbunden, daß sie auf den RAM-Speicher zugreifen können. Die Servomotoren e&sub1;, e&sub2; werden einer bestimmten Positionsregelung und einer Stromregelung durch die Servo-CPUs c&sub1;, c&sub2; bzw. die Inverter d&sub1;, d&sub2; ausgesetzt. Die Servo-CPUs c&sub1;, c&sub2; . . .. berechnen Antriebsmomente, die mit den Positions-Befehlssignalen basierend auf den zuvor erwähnten Regelbefehlen übereinstimmen. Informationen entsprechend der Drehwinkel um die anderen Achsen werden jeder der Servo-CPUs c&sub1;, c&sub2;... zur Regelung des Antriebs der jeweiligen Achse zugeführt. Diese CPUs führen eine während der Verbindung stattfindende (online) Verarbeitung zur Entscheidung der Momentenbefehle entsprechend der Gleichungen (1), (4) und (5) aus und kompensieren die nicht-linearen Momententerme durch Vorwärtskopplung.
  • Der zuvor genannte gemeinsame RAM-Speicher b speichert Informationen über jede Achse. Falls eine Servo-CPU keine Stromschleifen-Regelung ausführt, kann der RAM-Speicher auch von der Servo-CPU c&sub1;, c&sub2; . . . erreicht werden, so daß die Informationen zur Ausführung der Momentenberechnungen ausgelesen werden können. Der gemeinsame RAM-Speicher hat folgende Funktion:
  • Falls bspw. das Moment T&sub1; um die Achse R&sub1; von der Servo-CPU c&sub1; entsprechend der Gleichung (5) berechnet wird, werden die die anderen Achsen R&sub2;, R&sub3; betreffenden Informationen im gemeinsamen RAM-Speicher b gespeicherte Falls die Stromschleifen-Verarbeitung von der Servo-CPU c&sub1; nicht durchgeführt wird, wird auf den gemeinsamen RAM-Speicher zugegriffen, die Information über die anderen Achsen geholt und die vorbestimmte Verarbeitung ausgeführt. Demzufolge wird die Stromschleifen- Verarbeitung selbst bei einem Einleseverlust aufgrund von Buskonflikten nicht verhindert und die Berechnung des für die Servomotor-Regelung notwendigen nicht-linearen Moments sicher ausgeführt.
  • Mit dem gemeinsamen RAM-Speicher b ist auch ein vom Operator geregeltes CRT/MDI (Bildröhre) g verbunden, so daß der Operator Manipulatoroperationen in Form von Bilddaten bestätigen kann. Hand- und Werkstückgewicht können durch das CRT/MDI g im voraus gesetzt werden.
  • Die Bedienung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im folgenden beschrieben.
  • Nachdem die Haupt-CPU arbeitet und das System gestartet wurde, gibt der Operator das Gewicht der Roboterhand und das Gewicht des Werkstücks über das CRT/MDI g und die Haupt-CPU an den gemeinsamen RAM-Speicher b ein. Falls die Haupt-CPU a einen Positionsbefehl für die Servomotoren e&sub1;, e&sub2; . . . ausgibt, beginnt der Roboterarm sich zu bewegen und Informationen bezüglich der Last um jede Achse werden in den gemeinsamen RAM-Speicher b eingespeichert. Als nächstes lesen die Servo-CPUs c&sub1;, c&sub2; . . . die Informationen für die anderen Achsen aus dem gemeinsamen RAM-Speicher b zu einem Zeitpunkt aus, an dem die Stromschleifen-Regelung nicht geregelt wird, berechnen das nicht-lineare Moment T(R, ) online gemäß den Gleichungen (1), (4) und (5) und führen eine vorwärts-gekoppelte Kompensation bezüglich des Servo-Regelsystems aus.
  • Es soll darauf aufmerksam gemacht werden, daß es gewöhnlich genügt, nur den Gewichtswert des Werkstücks einzugeben, da sich der Gewichtswert der Hand selbst nicht ändert.
  • Desweiteren kann der Operator den Gewichtswert des Werkstücks ändern, falls es die Lage erfordert, während durch das CRT (Bildröhre) oder ähnlichem bestätigt wird, daß sich die Roboterhand zu der vorbestimmten Position bewegt hat.
  • Demnach wird erfindungsgemäß die Berechnung des für die Servomotor-Regelung notwendigen Antriebsmoment von jeder der Servo-CPUs in einem System ausgeführt, in dem Lasten, welche um mehrere Antriebswellen von Roboterarmen rotieren, durch Manipulator Antriebs-Servomotoren in Koordination mit der Manipulatorbewegung angetrieben und geregelt werden. Als Resultat ist es nicht notwendig, zusätzliche CPUs zur getrennten Antriebs-Momentenberechnung für jede Servo-Regelschleife vorzusehen. Dies ermöglicht eine Herabsetzung der Kosten für Regelschleifen.
  • Darüber hinaus ist ein RAM-Speicher vorgesehen, auf den die Servo-CPUs, die die jeweiligen Servomotoren regeln, gemeinsam zugreifen können. Informationen über die anderen Achsen werden aus dem RAM-Speicher geholt und das nicht-lineare Moment wird berechnet, falls eine Servo-CPU die Stromschleifen-Verarbeitung nicht durchführt. Als Resultat wird die Stromschleifen-Verarbeitung nicht behindert und die Servomotoren können genau geregelt werden.
  • Zusätzlich wird der Gewichtswert eines vom Roboterarm gegriffenen Werkstücks modifiziert, gesetzt und den Servo-CPUs zum bestimmten Zeitpunkt eingegeben. Die für die Servomotor-Regelung notwendige Antriebsmomenten-Berechnung wird dann ausgeführt. Demgemäß kann der Operator eine Änderung des Werkstückgewichts leicht handhaben. Das System kann hinsichtlich der Verarbeitung verschiedener Werkstücke einfach modifiziert werden. Falls die erfindungsgemäße Roboter-Regelvorrichtung bei einem Horizontal-Gelenkroboter eingesetzt wird, wird als Resultat eine noch genauere Positionsregelung möglich und der Roboter kann bei hohen Geschwindigkeiten und auf präzise Weise geregelt werden.

Claims (4)

1. Roboter-Regelvorrichtung zur Regelung der Höhe eines Manipulators (5) durch das Zwischenstück eines Roboterarms (2, 3) mit mehreren Achsen (R&sub1;, R&sub2;) umfassend:
Servomotoren (1, 2) der jeweiligen Achsen (R&sub1;, R&sub2;) zum Antrieb des Roboterarms (2, 3);
mehrere Recheneinrichtungen (C1, C2) zur Berechnung von Antriebsmomenten der jeweiligen Servomotor-Regelsysteme;
eine die Recheneinrichtungen (C1, C2) untereinander verbindende Busleitung (f), um den Zugriff auf die anderen Achsen betreffende Informationen, die zur Antriebsmomentenberechnung notwendig sind, zu ermöglichen; und
eine Speichereinrichtung (b), die Informationen bezüglich der anderen Achsen (R&sub1;, R&sub2;), die zur Berechnung einer Bewegungsgleichung des Manipulators (5) notwendig sind, speichert, wobei die Speichereinrichtung (b) von jeder der Recheneinrichtungen (C1, C2) erreichbar ist;
dadurch gekennzeichnet, daß eine manuell bedienbare Daten-Eingabeeinrichtung (9) zur Eingabe vorgesehen ist, um bestimmten der Recheneinrichtungen (C1, C2) das Gewicht des vom Manipulator (5) gegriffenen Werkstücks einzugeben, und
daß jede Recheneinrichtung (C1, C2) ein Regelprozessor ist, der die äquivalente Trägheit der Roboterarmlast berechnen kann, um die Schleifenverstärkung des Servomotors (1, 2) einzustellen.
2. Roboter-Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtungen (C1, C2) für jede Achse (R&sub1;, R&sub2;) des Roboterarms (2, 3) einen Servo-Mikroprozessor umfassen, um eine Vorwärtskompensation der Servo-Regelsysteme der Servomotoren (1, 2) auszuführen.
3. Roboter-Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrere Achsen (R&sub1;, R&sub2;) umfassende Roboterarm (2, 3) ein Arm eines Horizontal-Gelenkroboters mit mehreren Armteilen (2, 3), deren jedes in einer horizontalen Ebene rotiert, ist.
4. Roboter-Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die manuell bedienbare Daten-Eingabeeinrichtung (9) das Werkstückgewicht als auch das Gewicht einer Hand (4) an einem distalen Ende des Roboterarms (2, 3) eingeben kann.
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