DE3812316A1 - Verfahren zur erfassung der achsposition eines roboters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung der Achspositionen eines Roboters, bei dem Achsantriebe über Ge­ triebe auf zugehörige Achsen einwirken, wobei diese Getriebe mechanisch nicht vollständig von den Achsbewegungen zwischenge­ schalteter Achsen entkoppelt sind und wobei die Achs-Positionen über mit den Antrieben gekoppelte Lagegeber ermittelt werden.

Bei handelsüblichen Robotern sind die Antriebe für die einzel­ nen Achsen, insbesondere dann, wenn es sich dabei um die in der Nähe der Spitze des Roboters befindlichen Achsen handelt, nicht unmittelbar am Ort des jeweiligen Gelenkes angeordnet, sondern diese Antriebe wirken über Getriebe auf die dann entfernt lie­ genden anzutreibenden Achsen ein. Diese Getriebe sind durch den Arm des jeweiligen Roboters geführt. Dadurch kann es geschehen, daß der Getriebestrang von einem ersten Antrieb zu einer ersten Achse durch die Bewegung einer zweiten dazwischenliegenden Achse so beeinflußt wird, daß ohne eine Bewegung des ersten Antriebes die erste Achse ihre Stellung geringfügig verändert. Dadurch, daß üblicherweise die Erfassung der Achspositionen durch direkt an den Antrieben angeordnete Lagegeber erfolgt, wird dieser durch den Koppeleinfluß bewirkte Lageerfassungsfehler von der Steue­ rung nicht erkannt. Bei Verwendung von hochwertigen Getrieben mit sehr geringen Koppelfaktoren kann die Lageverfälschung zwar bis zu einem vernachlässigbaren Wert reduziert werden, jedoch ist der dazu erforderliche mechanische Aufwand relativ hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genann­ ten Art so auszubilden, daß die Auswirkungen der mechanischen Ver­ kopplungen zwischen den Roboterachsen steuerungsseitig eliminier­ bar sind.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die gemäß Eingabewerten von den Achsen einzunehmenden Soll-Achswin­ kel idell entkoppelt über einen das mechanische Kopplungsverhal­ ten elektrisch nachbildenden Koppelbaustein in Soll-Achsantriebs­ winkel umgesetzt werden, die den Antrieben zugeführt werden, und daß die Ist-Achsantriebswinkel über einen zweiten Koppelbaustein mit zum ersten Koppelbaustein inversem Übertragungsverhalten in Ausgabewerte umgesetzt werden, die den idell entkoppelten Ist-Achswinkeln zugeordnet sind.

Wenn die Eingabe und Ausgabe jeweils in kartesischen Koordinaten erfolgt, ist eine besonders übersichtliche Programmierung des jeweiligen Roboters möglich.

Dadurch, daß die aus den Ist-Achsantriebswinkeln ermittelten idell entkoppelten Ist-Achswinkel auf das Einhalten vorgege­ bener Grenzwerte überwacht werden, ist es möglich, daß Ver­ fahrbereichsgrenzen, die sich letztendlich auf die Bewegung der Achse und nicht auf die Bewegung des Antriebs beziehen, mit Sicherheit eingehalten werden.

Dadurch, daß die Funktion der Koppelbausteine von einer Daten­ verarbeitungsanlage wahrgenommen wird, ergibt sich ein ausge­ sprochen geringer schaltungstechnischer Aufwand.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Roboter,

Fig. 2 ein Diagramm zum Verfahrbereich,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Erfindung und

Fig. 4 einen Koppelbaustein.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein mehrgelenkiger Roboter R gezeigt, bei dem Antriebe A 1, A 2 und A 3 dafür vorgesehen sind, Achsen im Spitzenbereich des Roboters zu verfahren. Die eigent­ liche Betätigung der jeweiligen Achsen wird dabei über im Robo­ terarm angeordnete Getriebeelemente bewirkt, die jedoch durch ein Bewegen von zwischengeschalteten Achsen jeweils proportional zu deren Auslenkung störend mitbewegt werden. Diese Bewegung würde von einer Steuerung für den Roboter R erkannt werden, wenn die Lageerfassung der Achsen unmittelbar am Ort ihrer Bewegung erfolgen würde. Aus konstruktiven Gründen wird diese Lageerfas­ sung jedoch durch Lagegeber vorgenommen, die direkt an den An­ trieben A 1, A 2 und A 3 angeordnet sind.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist in Form eines Diagrammes der zulässige Schwenkbereich von einer Grenze G 1 zu einer Grenze G 2 für eine Achse eines Roboters gezeigt. Die Grenzen G 1 und G 2 sind dabei so gewählt, daß sie um einen vorgegebenen Toleranz­ winkel einem mechanischen Endanschlag ME vorgeordnet sind. Die Lageerfassung der Achse erfolgt, wie eingangs erwähnt, durch mit den Antrieben verkoppelte Lagegeber. Wenn diese Lagegeber die Kriterien für die Grenzwerte G 1 und G 2 liefern, kann es jedoch sein, daß aufgrund von Verkopplungen der Achsen die tatsächliche Lage der Achse zu Grenzwerten G 3 und G 4 auswandert, die in der Darstellung durch gestrichelte Linien angedeutet sind. Dies führt zu einer Verfahrbereichseinschränkung im von links nach rechts steigend schraffierten Feld des Diagramms und zu einer Außerkraftsetzung der Schutzfunktion im von links nach rechts fallend schraffiert gezeigten Feld des Diagrammes. Im letzteren Fall könnte dadurch die Achse gegen den mechanischen Endanschlag ME fahren.

In der Darstellung gemäß Fig. 3 ist ein Blockschaltbild gezeigt, aus dem das erfindungsgemäße Verfahren besonders übersichtlich entnehmbar ist.

Von einer Eingabe für kartesische Koordinatenwerte E _kart werden für drei Achsen, denen jeweils ein Achsantrieb A 1, A 2 bzw. A 3 zugeordnet ist, kartesische Koordinatenwerte ausgegeben, wie dies durch drei Bezugspfeile angedeutet ist. Diese kartesischen Koordinatenwerte werden in einem Transformationsbaustein T ^-1 für eine inverse Transformation in idell entkoppelte Achswinkel umgesetzt. Sofern keine Verkopplung der einzelnen Achsen des Ro­ boters vorliegen würde, könnten diese idell entkoppelten Achs­ winkel unmittelbar Servosteuerungen S 1, S 2 und S 3 für die Achs­ antriebe A 1, A 2 und A 3 zugeleitet werden. Da dies jedoch nicht der Fall ist, erfolgt diese Zuführung über einen ersten Koppel­ baustein K ^-1, der nach Art einer Matrix alle Verkopplungen zwi­ schen den einzelnen Achsen berücksichtigt. Wenn also die dem Achsantrieb A 1 zugeordnete Achse beispielsweise um 30° in ihrer Lage geändert werden soll und vom Koppelbaustein K ^-1 entsprechend den mechanischen Gegebenheiten bestimmt wird, daß dadurch auch die dem Achsantrieb A 2 zugeordnete Achse um 1° beeinflußt wird, wird über den Koppelbaustein K ^-1 die dem Antrieb A 2 zugeordnete Achse um -1° bewegt, so daß im Endeffekt die angestrebte Achs­ stellung erreicht wird. Die Servorsteuerungen S 1, S 2 und S 3 re­ geln dementsprechend die Lage des jeweiligen Achsantriebs A 1, A 2 bzw. A 3 auf die vom ersten Koppelbaustein K ^-1 vorgegebene Lage. Der Wirkpfeil vom Servobaustein S 1, S 2 bzw. S 3 zum jeweiligen Achsantrieb A 1, A 2 bzw. A 3 weist auf das Ansteuern der Bewegung des jeweiligen Achsantriebes A 1, A 2 bzw. A 3 hin, der Wirkpfeil in umgekehrter Richtung weist auf die Lagerückmeldung seitens der der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Lagegeber an den Achsantrieben A 1, A 2, A 3 hin.

Die rückgemeldete Lage der jeweiligen Achsantriebe A 1, A 2 bzw. A 3 wird einem zweiten Koppelbaustein K zugeleitet, der aus den tatsächlichen Achsantriebswinkeln die idell entkoppelten Achs­ winkel bildet, aus denen über einen Transformationsbaustein T die kartesischen Koordinatenwerte ermittelt werden, die dann in einer Anzeige A _kart angezeigt werden können.

Als Eingriffsort für eine Grenzwertüberwachung ist dabei jeweils die Schnittstelle zwischen Transformationsbaustein T ^-1 bzw. T und zugeordnetem Koppelbaustein K ^-1 bzw. K geeignet, da dort die tatsächlichen idell entkoppelten Achswinkel vorliegen.

Als Beispiel für die Struktur eines Koppelbausteines ist die Struktur des zweiten Koppelbausteines K in der Darstellung gemäß Fig. 4 gezeigt. Die Eingangsgrößen dieses Koppelbausteines K mö­ gen dabei als a ₄₀, a ₅₀ und a ₆₀ (a=alpha) bezeichnet sein, die Ausgangsgrößen als a ₄, a ₅ und a ₆. Innerhalb des Koppelbausteines K sind die verschiedenen Verkopplungen als k _ÿ durch Wirklinien angedeutet.

Es ergeben sich dabei folgende durch eine Matrix anschaulich darstellbar Beziehungen

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß sich für den ersten Koppelbaustein K ^-1, d. h. für die inverse Achskopplung, die folgenden Beziehungen ergeben würden:

Claims (4)

1. Verfahren zur Erfassung der Achspositionen eines Roboters, bei dem Achsantriebe über Getriebe auf zugehörige Achsen ein­ wirken, wobei diese Getriebe mechanisch nicht vollständig von den Achsbewegungen zwischengeschalteter Achsen entkoppelt sind und wobei die Achs-Positionen über mit den Antrieben gekoppelte Lagegeber ermittelt werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gemäß Eingabewerten (E _kart) von den Achsen einzunehmenden Soll-Achswinkel idell entkoppelt über einen das mechanische Kopplungsverhalten elektrisch nachbilden­ den Koppelbaustein (K ^-1) in Soll-Achsantriebswinkel umgesetzt werden, die den Antrieben (A 1, A 2, A 3) zugeführt werden, und daß die Ist-Achsantriebswinkel über einen zweiten Koppelbaustein (K) mit zum ersten Koppelbaustein (K ^-1) inversem Übertragungsver­ halten in Ausgabewerte (A _kart) umgesetzt werden, die den idell entkoppelten Ist-Achswinkeln zugeordnet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Eingabe und Ausgabe jeweils in kartesischen Koordinaten erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die aus den Ist-Achsantriebs­ winkeln ermittelten idell entkoppelten Ist-Achswinkel auf das Einhalten vorgegebener Grenzwerte (G 1, G 2) überwacht werden.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Funktion der Koppelbausteine (K , K ^-1) von einer Datenverarbeitungsanlage wahrgenommen wird.