DE602004003129T2

DE602004003129T2 - Mehrachsenroboter mit einem steuersystem

Info

Publication number: DE602004003129T2
Application number: DE602004003129T
Authority: DE
Inventors: Vincent Gerat; Pierre Perillat; Jean-Michel Bonnet Des Tuves
Original assignee: Staubli Faverges SCA
Current assignee: Staubli Faverges SCA
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: CN100480920C; DE602004003129D1; US7693604B2; WO2004079464A1; CN1745349A; FR2850600B1; FR2850600A1; JP2006519116A; EP1590713A1; EP1590713B1; US20060106492A1; ATE344940T1

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrachsenroboter, der mit einem Steuersystem ausgerüstet ist.
Es ist bekannt, dass die Mehrachsenroboter dadurch gesteuert werden können, dass an ihre Elektromotoren Steuersignale geliefert werden, die von einer Berechnungs- und Bearbeitungseinheit erzeugt werden, in der die Bahn des Roboters bestimmt wird. Damit die Berechnung der Bahnen bzw. Wege effizient ist, ist es beispielsweise aus der US-A 4786847 bekannt, die zuvor erwähnte Einheit in einer geschlossenen Schleife arbeiten zu lassen, indem Signale der Gegenreaktion bzw. Rückkopplung verwendet werden, die von von dem Arm des Roboters getragenen Positionsweggebern stammen. Bei den bekannten Robotern muss eine große Anzahl von Kabeln zwischen dem Arm und seiner Steuereinheit installiert werden, was große Anschluss- und Verkabelungszeiten und nicht zu vernachlässigenden Gefahren für Fehler mit sich bringt, wodurch komplexe und kostenintensive Testoperationen induziert werden.
Es ist aus der EP-A-0777167 bekannt, einen Bus aus optischen Fasern zu verwenden, um einen digitalen Controller mit Verstärkern zu verbinden, die jeweils über eine klassische Leitung an einen Kodierer angeschlossen sind. Diese Verbindungen zwischen den Verstärkern und den Kodierern macht die Installation dieser Materialien lang und komplex.
Außerdem sieht die JP-A-10178437 vor, Kodierer an einen externen Rechner über einen Bus anzuschließen und dies unabhängig von dem Leistungsteil der Installation.
Es sind diese Nachteile, die insbesondere die Erfindung vermeiden will, indem eine neue Architektur für einen mit einem Steuersystem ausgerüsteten Roboter vorgeschlagen wird, die die Herstellung des Kontrollers bzw. der Steuervorrichtung einerseits und des Arms andererseits und die Installation dieses Roboters an seinem Anwendungsstandort vereinfacht. Die Erfindung beabsichtigt auch, die Qualität und die Geschwindigkeit der Übertragung der Steuers- und Rückkopplungssignale zu verbessern.
In diesem Sinne betrifft die Erfindung einen Mehrachsenroboter, der einen für eine Bewegung eines Werkzeugs in einem Raum geeigneten Arm, der durch elektrische Motoren betätigt wird, sowie ein Steuersystem enthält, das umfasst:

– eine Steuereinrichtung, die mindestens einen Leistungsmodul, der die Stromversorgung der Motoren ermöglicht, und min destens eine Berechnungs- und Bearbeitungseinheit einschließt, die insbesondere die Berechnung der Bahnen des Arms und die Erzeugung von Signalen zur Steuerung des oder der zuvor erwähnten Module ermöglicht;
– Verbindungsmittel zwischen dem Arm, dem oder der Leistungsmodule und der zuvor erwähnten Einheit, wobei diese Verbindungsmittel mindestens die Versorgung der Motoren aus dem oder den Leistungsmodulen und die Steuerung dieses oder dieser Module durch die Berechnungs- und Bearbeitungseinheit sowie die Übertragung der Rückkopplungssignale des Arms zu dieser Einheit und/oder diesem oder diesen Modulen ermöglicht.

Dieses System ist dadurch gekennzeichnet, dass die zuvor erwähnten Verbindungsmittel einen einzigen Funktionsbus, der eine der Berechnungs- und Bearbeitungseinheit zugeordnete Steuereinheit einerseits an das oder die Leistungsmodule und andererseits an mindestens eine numerische bzw. digitale Schnittstelle mit mindestens einem Positionsgeber, der auf dem Arm mitgeführt wird, anschließt, wobei diese Schnittstelle in den Arm integriert oder in seiner unmittelbaren Nähe angeordnet ist.
Dank der Erfindung sind die Informationen der Rückkopplung bezüglich der Position und der Geschwindigkeit der beweglichen Elemente des Roboters sowie des von den unterschiedlichen Motoren verbrauchten Stroms für die Berechnungs- und Bearbeitungseinheit in der Frequenz des Bus verfügbar. Darüber hinaus sind die über den Bus in digitaler Form übertragenen digitalen Signale wenig durch das Umgebungsrauschen gestört, im Unterschied zu den analogen Signalen. Eine Optimierung der Steuerung der Bahnen wird durch die zentralisierte Behandlung der Regelkreise erhalten. Die Verwendung der Schnittstelle(n) ermöglicht, dass die von den digitalen Gebern gelieferten Informationen seriell gemacht oder "serialisiert" werden oder dass die von analogen Gebern gelieferten Informationen digitalisiert und "serialisiert" werden, wobei sie dann zu dem seriellen Bus übertragen werden. Die Erfindung erlaubt, die Vorteile eines Systems beizubehalten, das funktionsmäßig die Erzeugung der Bahnen und die Regelungen zentralisiert. Die Schnittstelle(n) gestattet (gestatten) gleichfalls, dass die Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen der beweglichen Teile in einer mehrfachen Frequenz zu der des Bus so nah wie möglich an den Gebern oder Kodierern berechnet werden, was die Verzögerung zwischen der Information der Position, der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung hinsichtlich einer besseren Regelung reduzieren kann. Die Tatsache, dass ein Funktionsbus verwendet wird, minimiert die Anzahl von leitenden Kabeln in der Installation, insbesondere im Inneren des Arms und ermöglicht somit ein besseres Layout des oder der Verbindungskabel, erleichterte Abmessungserfordernisse für die Elemente des Armes, eine bessere Zugänglichkeit zu den in diesem Arm eingeschlossenen Elemente und eine Erleichterung des Erhaltens der Beweglichkeit dieses Arms, da der minimale Krümmungsradius des Bus relativ gering sein kann. Der Roboter entsprechend der Erfindung ist wirtschaftlicher zu planen und herzustellen und kann aus Algorithmen Nutzen ziehen, die ihn schneller und genauer machen als die des Standes der Technik.
Nach einem besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung teilt sich der einzige Funktionsbus in mindestens zwei Strukturbusse auf, die, was den ersten betrifft, die Steuereinheit mit dem (den) Leistungsmodul(en) und, was den zweiten oder die zweiten und folgende betrifft, die Steuereinheit mit der oder den Schnittstelle(n) verbinden. Die Tatsache, dass mindestens zwei getrennte Strukturbusse vorhanden sind, ermöglicht eine Anpassung jedes dieser Busse an den Ort, an dem er installiert ist: der erste Bus kann aus Metall, insbesondere aus Kupfer sein, während ein anderer Bus beispielsweise aus optischen Fasern bestehen kann, wobei dieser Art von Bus besonders unempfindlich gegen elektromagnetische Umgebungsstörungen ist und von einer großen Länge sein kann, wobei die große Geschwindigkeit beibehalten wird. Die Tatsache, dass mehrere Strukturbusse verwendet werden, ermöglicht die Umgehung des den Grenzen ihrer Bandbreite geschuldeten Problems, um, wenn notwendig mehr Elemente oder mehr pro Element behandelte Informationen hinzuzufügen.
In vorteilhafter Weise ist die Steuereinheit an die Berechnungs- und Bearbeitungseinheit über einen PCI Bus (Periphere Component Interconect) angeschlossen. Als Variante ist die Steuereinheit in der Berechnungs- und Bearbeitungseinheit integriert.
Eine Identifikations- und Kalibrierkarte kann auf den Arm mitgeführt oder in seiner unmittelbaren Nähe angeordnet werden, wobei diese Karte in den Bus integriert ist. Dies ermöglicht ein leichtes Laden der der Roboter zugehörigen Parameter zu der Berechnungs- und Behandlungseinheit. Man kann so von einer "plug and play" Verbindung sprechen.
Der oder jeder strukturelle Bus kann geeignet sein, durch komplementäre Verbindungsmittel auf mindestens ein externes Organ, wie eine siebente Achse, insbesondere eine Förderachse oder jedes beliebige Organ erstreckt zu werden, das Informationen behandelt, wie eine Sicherheitsvorrichtung.
Die Verbindungsmittel können darüber hinaus einen Leistungsleiter umfassen, der den oder die zuvor erwähnten Module mit dem Roboter unabhängig vom Funktionsbus verbindet.
Der erste Strukturbus ist vorteilhafterweise direkt oder indirekt an Leistungsmodule angeschlossen, die jeweils einem Motor des Roboters zugeordnet sind. Man kann darüber hinaus vorsehen, dass die zuvor erwähnte Schnittstelle eine Schnittstellenkarte ist, die geeignet ist, die Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der von dem oder jedem zugeordneten Geber gemessenen Bewegung zu berechnen, sein Ausgangssignal zu serialisieren und ggf. zuvor die Ausgangssignale des oder der Geber zu digitalisieren, wenn sie analog sind. Als Variante ist die betrachtete Schnittstelle in den zugeordneten Geber integriert, mit den gleichen Funktionen wie oben.
Die Erfindung wird besser verstanden und andere Vorteile derselben werden klarer im Lichte der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines Mehrachsenroboters und seines Steuersystems entsprechend der Erfindung erscheinen, wobei die Beschreibung lediglich beispielhaft angegeben ist und Bezug nimmt auf die beigefügte Zeichnung, in der die einzige Figur eine schematische Prinzipdarstellung eines Steuersystems und eines zugeordneten Mehrachsenroboters ist.
Der Arm A des Roboters R, der in der Figur dargestellt ist, ist entlang einer Förderbahn angeordnet, die durch eine Richtung X-X' dargestellt ist. Dieser Arm ist mit sechs Motoren versehen, die geeignet sind, jeder ein bewegliches Teil des Arms um eine seiner sechs Achsen zu bewegen, um ein Werkzeug O im Raum zu verschieben. Diese Motoren sind in der Figur durch eine Motorisierungsanordnung 10 dargestellt. In der Praxis sind sie im Inneren des Arms A verteilt. Sechs analoge Positions-Aufnehmer oder -Kodierer 12 sind in dem Roboter R verteilt und ermöglichen die Messung der Verschiebungen des Arms um jede der sechs Achsen. Drei Interfacekarten 14 sind an dem Arm A montiert und jeweils zwei Aufnehmern oder Gebern zugeordnet. Jede Karte 14 ermöglicht die Digitalisierung und die Serialisierung des analogen Ausgangssignals eines Aufnehmers oder Kodierers 12. Jede Karte 14 erlaubt gleichfalls die Berechnung der ersten Ableitung und oder der zweiten Ableitung des so erzeugten Signals, wodurch die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung entsprechend dem betroffenen mobilen Teil des Roboters bestimmt werden kann. Da die Karten 14 in der Nähe der Geber oder Kodierer 12 angeordnet sind, können die Berechnungen der Ableitungen mit einer erhöhten Frequenz in der Größenordnung von 20 Kilohertz durchgeführt werden, während die Informationsübertragungsblöcke bei 10 Kilohertz übertragen werden.
In der Praxis können die Karten 14 entsprechend der Konstruktionswahl in den Aufnehmern 12 integriert sein, zwei Aufnehmern gemeinsam sein und in dem Arm A verteilt sein, wie dargestellt, oder am Fuß des Armes A angeordnet sein. Eine einzige Karte kann die verschiedenen oben erwähnten Karten 14 bilden.
Der Roboter R schließt gleichfalls einen Kontroller C bzw. eine Steuereinheit C zur Steuerung des Armes A ein, diese Steuereinheit umfasst ein Gehäuse 20, in dem sechs Leistungsmodule 22 angeordnet sind, die über ein Kabel 24 mit Strom versorgt werden. Jedes Modul ist einem der Motoren des Arms A zugeordnet, wobei diese sechs Module 22 mit dem Arm A über ein erstes Verbindungskabel 52 mit 18 Leitern angeschlossen sind. In der Praxis sind die Motoren der Unteranordnung 10 Dreiphasen Motoren und jeder Modul 22 ist mit dem entsprechenden Motor durch drei Leiter verbunden.
Eine Berechnungs- und Bearbeitungseinheit 26, üblicherweise "CPU" genannt, ist gleichfalls in dem Gehäuse 20 angeordnet und über einen PCI Bus 28 an eine Steuerkarte 30 angeschlossen, die mit einem Interface bzw. einer Schnittstelle 32 versehen ist.
Als Variante kann die Karte 30 in die Karte 26 integriert sein.
Ein tragbarer externer Rechner 60 kann durch eine Ethernet Verbindung 62 mit der Einheit 26 für ihre Programmierung und/oder für die Visualisierung ihrer Funktionsparameter verbunden sein.
Die Einheit 26 ermöglicht die Berechnung des Weges bzw. der Bahn des Roboters R und die Erzeugung von Steuersignalen für jeden der Module 22, die selbst jeweils einen Motor der Unteranordnung 10 steuern. Um diese Module 22 unter Berücksichtung des reellen Verhaltens des Armes A zu steuern, wird die aus den Elementen 26 bis 30 gebildete Anordnung über einen einzigen Funktionsbus B einerseits mit drei Karten 34, die jeweils zwei Module 22 steuern, und andererseits mit drei Schnittstellenkarten 14 verbunden. Der Bus B teilt sich in zwei Strukturbusse B₁ und B₂ auf. Der Bus B₁, der in Kupfer hergestellt und in dem Gehäuse 20 enthalten ist, ermöglicht die Übertragung der Steuersignale der Module 22 zu den Karten 34 und von dort die Steuerung der Motoren der Unteranordnung 10. Informationen zirkulieren gleichfalls von den Karten 34 zu der Karte 30 durch den Bus B₁ hindurch.
Der zweite Strukturbus B₂ wird durch optische Fasern gebildet und umfasst ein Verbindungskabel 54 zwischen dem Interface 32 und einer Identifikations- und Kalibrierkarte 16, die in der Nähe des Fußes des Arms A angeordnet ist, wobei diese Karte 16 in Reihe über den zweiten Bus B₂ mit jeder Karte 14 verbunden ist.
Die Tatsache, dass der Bus B₂ aus optischen Fasern hergestellt ist, ermöglicht, dass er gegen elektromagnetische Störungen immun ist, die aus der Funktionsweise der Motoren der Unteranordnung 10 oder der Kodierer 12 resultieren können.
Für die Einheit 26 bilden die zwei Strukturbusse B₁ und B₂ einen einzigen Funktionsbus B, mit dem sie über die Karte 30 interagieren, um Steuersignale zu senden oder zu empfangen.
Unter Berücksichtigung der Verwendung der Strukturbusse B₁ und B₂ ist die Übertragung von Informationen an die Steuerkarte 30 besonders schnell, in der Praxis realisiert mit einer Periodizität kleiner als 100 Mikrosekunden. Die Informationen werden gleichfalls in schneller Weise zwischen den Elementen 26 und 30 übertragen und dies geschieht über den PCI Bus 28.
Wie in der Figur gestrichelt dargestellt ist, kann der Strukturbus B₂ offen sein, um komplementäre Verbindungsmittel B'₂ zu integrieren für die Steuerung einer externen Achse, wie eine Förderachse, mit einem Leistungsmodul 22', zwei Aufnehmern 12' und einer Schnittstellenkarte 14'.
Verbindungsmittel B'₁ können gleichfalls die Verbindung des Bus B₁ mit einer Interfacekarte 14'', die einem Aufnehmer 12'' zugeordnet ist, beispielsweise in einer Sicherheitsvorrichtung, ermöglichen.
So teilt die Erfindung dem Steuersystem eine große Flexibilität mit, die ermöglicht, es an seine Arbeitsumgebung anzupassen. Es ist insbesondere nicht notwendig, Kabel zu der Verbindung zwischen der Steuereinheit C und dem Arm A hinzuzufügen, wenn die Steuerung einer externen Achse hinzugefügt werden muss.
Die Installation des Roboters R und seines Steuersystems ist besonders leicht, da die auf der Karte 16 gespeicherten Informationen eine Erkennung des Roboters R durch die Steuereinheit C bei dem Anschluss des Bus B₂ zwischen die Schnittstelle 32 und diese Karte 16 vorsehen können.
Die Erfindung ermöglicht eine merkbare Verringerung der Konzeptions-, der Herstellungs- und der Verkabelungskosten des Steuersystems des Roboters, wobei die gesammelten Informationen, insbesondere was die Positionen Geschwindigkeiten und Beschleunigung der beweglichen Teile des Roboters betrifft, genau so schnell und mit einer größeren Genauigkeit als bei den leistungsfähigsten Vorrichtungen eines strukturmäßig zentralisierten Systems mit einem parallelen Bus zur Verfügung stehen.
Die Erfindung wurde mit einem Funktionsbus dargestellt, der aus zwei Strukturbussen B1 und B2 gebildet ist. Jedoch kann ein einziger Bus oder im Gegenteil mehr als zwei Strukturbusse vorgesehen sein.
Die Erfindung ist nicht auf Roboter begrenzt, die mit analogen Positionsaufnehmern ausgerüstet sind. Sie kann auch mit digitalen Aufnehmern umgesetzt werden, in welchem Fall das durch die Karten 14 des beschriebenen Ausführungsbeispiels realisierte Interface in jedem Aufnehmer integriert sein kann.
Die Identifikations- und Kalibierkarte 16 kann in der Steuereinheit C vorgesehen sein und nicht an dem Arm A, in welchem Fall die Elemente A und C einander zugeordnet sind, da es die Karte 16 ist, die ermöglicht, dass die Einheit 26, den Arm A "erkennt".

Claims

Mehrachsenroboter, einen Arm (A), der geeignet ist, ein Werkzeug (O) im Raum zu verschieben und der von elektrischen Motoren (10) betätigt wird, sowie ein Steuersystem enthaltend, das umfasst: – eine Steuereinrichtung (C), die mindestens einen Leistungsmodul (22), der die Stromversorgung der Motoren (10) ermöglicht, und mindestes eine Berechnungs- und Bearbeitungseinheit (26) einschließt, die insbesondere die Berechnung der Wege des Arms (A) und die Erzeugung von Signalen zur Steuerung der Module ermöglicht, – Verbindungsmittel (52, B) zwischen dem Arm, dem Leistungsmodul und der Einheit, die zumindest die Versorgung der Motoren aus dem Modul gestatten, dadurch gekennzeichnet, – dass die Verbindungsmittel (52, B) eine Gesamtheit eines einzigen oder mehrerer Strukturbusse (B₁, B₂) umfassen, die eine der Berechnungs- und Bearbeitungseinheit zugeordnete Steuereinheit (30) einerseits mit dem Modul (22) und andererseits mit mindestens einer numerischen Schnittstelle (14) mit mindestens einem auf dem Arm (A) mitgeführten Positionssensor (12) verbinden, wobei die Schnittstelle im Arm integriert oder am Fuß des Armes angeordnet ist, – dass diese Gesamtheit einen einzigen Funktionsbus bildet, der die Steuerung des Moduls durch die Berechnungseinheit und die Übertragung von Signalen der Gegenreaktion des Armes zu der Einheit und/oder dem Leistungsmodul in der Frequenz des einzigen Funktionsbusses gestattet.
Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige Funktionsbus (B) sich in mindestens zwei Strukturbusse (B₁, B₂) aufteilt, die, was den ersten (B₁) betrifft, die Steuereinheit (30) mit dem Modul (22) und, was den zweiten (B₂) oder die folgenden betrifft, die Steuereinheit (30) mit der Schnittstelle verbinden.
Roboter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strukturbus ein Bus (B₁) aus Metall, vorzugsweise Kupfer, ist.
Roboter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strukturbus oder einer der anderen Busse ein Bus (B₂) aus optischen Fasern ist.
Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) über einen PCI Bus (28) mit der Berechnungs- und Bearbeitungseinheit (26) verbunden ist.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) in der Berechnungs- und Bearbeitungseinheit (26) integriert ist.
Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Identifikations- und Kalibrierkarte (16) umfasst, die auf dem Arm (A) mitgeführt wird, wobei die Karte in dem Funktionsbus (B) integriert ist.
Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Strukturbus (B₁, B₂) geeignet ist, durch komplementäre Anschlussmittel (B₁', B₂') erweitert zu werden, um mit mindestens einem externen Organ (12', 12'', 14', 14'', 22') zur Behandlung von Informationen zusammenzuwirken.
Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel gleichfalls einen Leistungsleiter (52) umfassen, der den oder die Module (22) mit dem Arm (A) unabhängig vom Funktionsbus (B) verbindet.
Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strukturbus (B₁) direkt oder indirekt an Leistungsmodulen (22) angeschlossen ist, die jeweils einem Motor des Roboters (R) zugeordnet sind.
Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Schnittstelle eine Schnittstellenkarte (14) ist, die geeignet ist, die Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der von dem oder jedem zugeordneten Aufnehmer (12) gemessenen Bewegung zu berechnen, sein Ausgangsignal zu serialisieren und, gegebenenfalls, die Ausgangssignale des oder der Aufnehmers) zu digitalisieren, wenn sie analog sind.
Roboter nach eine der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle im zugeordneten Aufnehmer integriert ist und geeignet ist, die Geschwindigkeit und Beschleunigung der von dem Aufnehmer gemessenen Bewegung zu berechnen, sein Ausgangssignal zu serialisieren und, gegebenenfalls, das Ausgangssignal des Aufnehmers zu digitalisieren, wenn es analog ist.