DE68919821T2

DE68919821T2 - Verfahren zur steuerung der werkzeuglage eines roboters.

Info

Publication number: DE68919821T2
Application number: DE68919821T
Authority: DE
Inventors: Ryuichi Room - Hara
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1988-03-10
Filing date: 1989-03-09
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2009-03-10
Also published as: US4967125A; KR900700244A; JPH01230105A; JP3207409B2; EP0380678A1; DE68919821D1; EP0380678B1; WO1989008878A1; EP0380678A4; KR960001962B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeuglagen-Steuerungsverfahren für einen Roboter.
Es ist bereits ein Roboter einer Art bekannt, bei dem die Stellung (Position und Lage) eines Werkzeugs, das an einer Roboterhand angebracht ist, für einen erforderlichen Arbeitsgang gesteuert wird. Beispielsweise ist ein mit Gelenken versehener Roboter bekannt, der einen Arm enthält, welcher aus einer Reihe von Gliedern, die zu einer relativen Drehung miteinander verbunden sind, und einer Hand besteht, die mit dem körperfernen Ende des Arms verbunden ist, so daß die Hand und demzufolge das Werkzeug jede gewünschte Lage innerhalb eines dreidimensionalen Raums annehmen kann. Der Roboter wird vorab hinsichtlich der Positionen eines Startpunkts und eines Endpunkts eines Arbeitsgangs und der Lagen des Werkzeugs bei den Start-und Endpunkten unterwiesen. Im Betrieb wird eine Interpolation auf der Grundlage dieser Unterweisungsdaten ausgeführt, wodurch die Stellung des Werkzeugs von dem Startpunkt an bis zu dem Endpunkt gesteuert wird.
Bei einer geradlinigen Bewegung des Werkzeugs von dem Startpunkt an bis zu dem Endpunkt hin berechnet der Roboter z. B. zwei Parameter α1 u. α2, die in Fig. 5 gezeigt sind, in Übereinstimmung mit den Stellungen an den Beginn- und Endpunkten gemäß der Unterweisung. In Fig. 5 bezeichnen die Bezugszeichen V1 u. V2 Werkzeugvorlaufvektoren, die anzeigend für die Richtungen des Werkzeugs an dem Startpunkt P1 bzw. dem Endpunkt P2 sind, und das Bezugszeichen V1' bezeichnet einen Vektor, der durch ein derart iges Bewegen des Vektors V1 in paralleler Beziehung gewonnen wird, daß der Startpunkt des Vektors V1 mit dem Endpunkt P2 zusammenfällt. Der Parameter α1 repräsentiert einen Winkel (Änderung der Werkzeugrichtung von dem Startpunkt bis zu dem Endpunkt), der zwischen den Vektoren V1' u. V2 innerhalb der Ebene, welche diese zwei Vektoren enthält, gebildet ist, während der Parameter α2 die Änderung der Drehposition des Werkzeugs um die Achse desselben zwischen den Start- u. Endpunkten repräsentiert. Der Roboter interpoliert diese Parameter α1 u. α2 linear zwischen den Start- u. Endpunkten P1 u. P2, um dadurch die Lage des Werkzeugs zu steuern. Es ist indessen schwierig, die Werkzeuglage wie beabsichtigt durch das vorliegende Verfahren zu steuern.
Ferner wird beim Bewegen von dem Startpunkt P1 bis zu dem Endpunkt P2 längs eines Kreisbogens 2, wie in Fig. 6 gezeigt, der Roboter hinsichtlich der betreffenden Positionen der Start- u. Endpunkte und eines Zwischenpunkts P3 sowie der Lagen des Werkzeugs bei den Start- u. Endpunkten unterwiesen. Während des Betriebs wird die Werkzeugposition so gesteuert, daß die Bahn des Werkzeugs mit dem Kreisbogen 2 zusammenfällt, und die Werkzeuglage wird durch das Verfahren gesteuert, welches anhand von Fig. 5 beschrieben wird. Demzufolge ist beim Bewegen des Werkzeugs längs eines Kreisbogens, insbesondere eines größeren Bogens, die Werkzeuglagen-Steuerung schwieriger als bei einem geradlinigen Bewegen des Werkzeugs.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Werkzeuglagen-Steuerung für einen Roboter zu schaffen, das imstande ist, die Lage eines Werkzeugs wie beabsichtigt selbst im Verlaufe der Bewegung des Werkzeugs von einem Startpunkt aus zu einem Endpunkt hin zu steuern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Werkzeuglagen- Steuerungsverfahren für einen Roboter vorgesehen, das Schritte umfaßt zum
(a) Vorab-Befehlen des Roboters hinsichtlich Werkzeugpositionen bei einem Startpunkt und einem Endpunkt des Betriebs und hinsichtlich Lagen des Werkzeugs bei dem Startpunkt und dem Endpunkt und
(b) Steuern der Lage des Werkzeugs auf einem Weg zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt durch Interpolieren zwischen den Lagen des Werkzeugs bei dem Startpunkt und dem Endpunkt, was das Interpolieren zwischen einer Drehposition des Werkzeugs bei dem Startpunkt um die Werkzeugachse und einer Drehposition des Werkzeugs bei dem Endpunkt um die Werkzeug achse einschließt,
wobei der Lagesteuerungs-Schritt (b) gekennzeichnet ist durch
(c) Bestimmen einer Bezugsebene, die den Startpunkt und den Endpunkt enthält,
(d) Berechnen eines ersten Winkels, der zwischen dem Werkzeug und der Bezugsebene bei dem Startpunkt gebildet ist, und eines zweiten Winkels, der zwischen dem Werkzeug, das auf die Bezugsebene projiziert ist, und einer Bezugslinie, die auf der Bezugsebene bei dem Startpunkt gesetzt ist, in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Roboter-Befehlsgabe,
(e) Berechnen des ersten Winkels und des zweiten Winkels bei dem Endpunkt in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Befehlsgabe, wobei sich die Bezugslinie bei dem Endpunkt parallel zu der Bezugslinie bei dem Startpunkt erstreckt,
(f) Interpolieren der Werkzeugposition, des ersten Winkels und des zweiten Winkels zwischen den Werten derselben bei dem Startpunkt und dem Endpunkt und
(g) Steuern der Lage des Werkzeugs längs des Weges zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Interpolation des ersten Winkels, des zweiten Winkels und der Drehposition um die Werkzeugachse.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie zuvor beschrieben ist, werden die betreffenden Werte bei den Start- u. Endpunkten des Arbeitsgangs des ersten Winkels, der zwischen dem Werkzeug und der Bezugsebene gebildet ist, des zweiten Winkels, der zwischen dem Werkzeug, welches auf die Bezugsebene projiziert ist, und der Bezugslinie, die in der Bezugsebene gesetzt ist, gebildet ist, und der Drehposition des Werkzeugs um die Werkzeugachse in Übereinstimmung mit den zuvor eingelernten Positionen und Lagen des Werkzeugs bei den Start- u. Endpunkten berechnet, und ferner werden der erste Winkel, der zweite Winkel und die Drehposition um die Werkzeugachse zwischen den Start- u. Endpunkten interpoliert. Beim Bewegen des Werkzeugs längs einer Geraden oder eines Kreisbogens kann daher die Werkzeuglage immer wie beabsichtigt zwischen den Start- u. Endpunkten gesteuert werden.
Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht, die verschiedene Steuerparameter in einem Werkzeuglagen- Steuerungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei ein Werkzeug geradlinig bewegt wird.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, das beispielhaft einen wesentlichen Teil eines Roboters darstellt, auf den das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet ist.
Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm eines Werkzeuglagen-Steuerungsverfahrens, das durch eine Steuereinrichtung ausgeführt wird, die in Fig. 2 gezeigt ist.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht ähnlich derjenigen in Fig. 1, die einen Fall darstellt, in dem das Werkzeug längs eines Kreisbogens bewegt wird.
Fig. 5 zeigt eine diagrammartige Darstellung, die Steuerparameter angibt, welche in einem Werkzeuglagen-Steuerungsverfahren nach den Stand der Technik benutzt werden.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung, die ein Verfahren nach dem Stand der Technik angibt, in welchem eine Werkzeugbahn in Form eines Kreisbogens vorliegt.
Gemäß Fig. 2 umfaßt ein Roboter, der im Grunde in einer herkömmlichen Art und Weise aufgebaut ist und auf den ein Steuerungsprogramm zum Steuern einer Werkzeuglage oder -stellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet ist, einen Robotermechanismus-Abschnitt 30 zum Durchführen eines erforderlichen Arbeitsgangs für ein Objekt 40 des Arbeitsgangs und eine Steuereinrichtung 20 zum Steuern desselben.
Obgleich eine betreffende Darstellung fortgelassen ist, enthält der Robotermechanismus-Abschnitt 30 einen Arm, der aus einer Reihe von Gliedern besteht, die miteinander z. B. mittels Gelenken (Drehachse, Schraubachse, Beugungsachse) zur relativen Drehung und zur relativen linearen Bewegung verbunden sind, eine Hand, die an dem körperfernen Ende des Arms angebracht ist, eine notwendige Anzahl von Aktoren, z. B. Servomotoren, wovon jeder betätigbar ist, um einen entsprechenden der Arme und die Hand in bezug auf eine oder mehrere Achsen zu treiben, und verschiedene Sensoren zum Erfassen der Betriebszustände (Drehpositionen der Servomotoren für die einzelnen Achsen) von einzelnen Achsen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Hand so angeordnet, daß sie innerhalb einer Bezugsebene (später erwähnt) drehbar ist, in bezug auf die Bezugsebene drehbar ist und ferner um die Achse des Handteils drehbar ist. Das bedeutet, daß die Hand und ein Werkzeug (nicht gezeigt), das daran angebracht ist, betätigbar sind, um irgendeine gewünschte Lage bei irgendwelchen Positionen innerhalb eines dreidimensionalen Raums durch Steuern der Betriebszustände der Gelenke der einzelnen Arme anzunehmen, und die zuvor genannten drei Drehpositionen (Handwinkel) gesteuert werden.
Eine zentrale Verarbeitungseinheit (im folgenden als CPU bezeichnet) 21 der Steuereinrichtung 20 ist mittels Busleitungen 29 mit einem Speicher 22, der als ROM ausgebildet ist und vorgesehen ist, ein Steuerprogramm zu speichern, mit einem Speicher 23, der als RAM zum Speichern eines Befehlsprogramms (Befehlsdaten) ausgebildet ist, mit einem Lehrzusatzgerät 24, durch we1ches Befehle an den Roboter gegeben werden, und mit einer Bedienungstafel 25, durch welche verschiedene Befehle und dergl. eingegeben werden, verbunden. Ferner ist die CPU 21 mit einer Achsensteuereinrichtung 26 zum Veranlassen verschiedener Servoschaltungen 27, Servomotoren für die einzelnen Achsen zu treiben, und mit einer Schnittstelle 28 verbunden, durch welche Signale zwischen der CPU 21, verschiedenen Betriebsabschnitten und den verschiedenen Sensoren des Objekts 40 des Arbeitsgangs übertragen werden.
Im folgenden wird die Werkzeuglagen-Steuerungsoperation für den Roboter anhand von Fig. 1 bis Fig. 4 beschrieben.
Vor dem Betrieb des Roboters betätigt eine Bedienungsperson das Lehrzusatzgerät 24, um dadurch das Werkzeug bei einem Startpunkt P1 des Arbeitsgangs zu positionieren und um das Werkzeug zu veranlassen, eine vorbestimmte Lage anzunehmen. In diesem Zustand gibt die Bedienungsperson dem Werkzeug einen Befehl für eine Stellung (Werkzeugposition und -lage) bei dem Startpunkt und gibt ferner erforderliche Befehlswörter ein. Folglich werden, wie bereits bekannt, Befehlsdaten, die bezeichnend für die Betriebszustände der einzelnen Achsen des Roboters sind, welche der Werkzeugstellung bei dem Startpunkt P1 entsprechen, in dem Speicher 23 gespeichert. Ein ähnlicher Befehl wird bei einem Endpunkt P2 des Arbeitsgangs gegeben. Wenn das Werkzeug längs eines Kreisbogens 2 (Fig. 4) bewegt wird, wird überdies ein Befehl für die Position eines Zwischenpunkts P3 zwischen den Start-u. Endpunkten gegeben. Als Ergebnis wird das Befehlsprogramm in herkömmlicher Art und Weise vorbereitet und in dem Speicher 23 gespeichert. In Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen V3 einen Werkzeugvorlaufvektor, der für die Werkzeugrichtung bei dem Zwischenpunkts P3 bezeichnend ist.
Während des Betriebs des Roboters liest die CPU 21 einen Block aus dem Befehlsprogramm aus. Auf der Grundlage von Soll-Koordinatenpositionen (Xs, Ys, Zs) und (Xe, Ye, Ze) des Werkzeugs bei den Start-u. Endpunkten P1 u. P2, die dem ausgelesenen Block zugeordnet sind, bestimmt die CPU 21 in Schritt S1 in Fig. 3 eine Bezugsebene 1 (gezeigt in Fig. 1), welche durch beide der Koordinatenpositionen verläuft, und eine Bezugslinie 3, die in der Bezugsebene 1 enthalten ist und sich parallel zu einer vorbestimmten Koordinatenachse, z. B. der X-Achse, erstreckt. wenn eine Werkzeugbahn, die in dem ausgelesenen Block in Form eines Kreisbogens bestimmt ist, setzt die CPU 21 eine Linie, welche den Mittelpunkt 0 (Fig. 4) eines Kreisbogens 2 und den Startpunkt P1 als die Bezugslinie 3 verbindet.
Dann berechnet die CPU 21 auf der Grundlage der Soll-Werkzeuglage bei dem Startpunkt P1, der Bezugsebene 1 und der Bezugslinie 3, die in Schritt S1 bestimmt ist, die Werte der drei Handwinkel bei dem Startpunkt P1, den Wert Θ1s eines Winkels (erster Handwinkel) Θ1, der zwischen der Bezugsebene 1 und einem Werkzeugvorlaufvektor V1 gebildet ist, welcher bezeichnend für die Werkzeugrichtung ist, den wert Θ2s eines Winkels (zweiter Handwinkel) Θ2, welcher zwischen der Bezugslinie 3 und einem Werkzeugvorlaufvektor, der auf die Bezugsebene 1 projiziert ist, und den Wert Θ3s eines Drehwinkels (dritter Handwinkel) Θ3 des Werkzeugs von einer vorbestimmten Drehwinkelposition um die Achse des Werkzeugs herum. In gleicher weise werden die Werte Θ1e, Θ2e u. Θ3e der Handwinkel an dem Endpunkt (Schritt S3) auf der Grundlage der Soll-Werkzeuglage an dem Endpunkt und dgl. berechnet.
Danach führt die CPU 21 eine Interpolation aus. Zunächst werden in Schritt S4 die Koordinatenposition (Xs + ΔX, Ys + ΔY, Zs + ΔZ) eines ersten in der Mitte auf der Werkzeugbahn liegenden Zielpunkts, we1che die Start- u. Endpunkte P1 u. P2 verbindet, und die betreffenden Werte Θ1s + ΔΘ1, Θ2s + ΔΘ2 u. Θ3s + ΔΘ3 der ersten bis dritten Handwinkel bei dem berechneten Zielpunkts berechnet (ΔX bis ΔZ und ΔΘ1 bis ΔΘ3 sind nicht gezeigt). Dann werden, um die Werkzeugposition von der Soll-Koordinatenposition (Xs, Ys, Zs) bei dem Startpunkt P1 in die Koordinatenposition (Xs + ΔX, Ys + ΔY, Zs + ΔZ) des Zielpunkts, der in Schritt S4 berechnet ist, zu ändern und um die einzelnen Handwinkel Θ1, Θ2 u. Θ3 in die Werte Θ1s + ΔΘ1, Θ2s + ΔΘ2 und Θ3s + ΔΘ3, die in Schritt S4 berechnet sind, zu ändern, die betreffenden Änderungen der Betriebszustände der Gelenke, die diesen zugeordnet sind, durch ein herkömmliches Koordinatensystem-Transformationsverfahren berechnet (Schritt S5). Dann werden Impulse einer Anzahl, die den einzelnen Änderungen entsprechen, auf deren entsprechende Servoschaltungen verteilt, so daß deren entsprechende Servomotoren dadurch getrieben werden (Schritt S6).
Danach entscheidet die CPU 21 (Schritt S7), ob die Verarbeitung für den Block, der in Schritt S1 ausgelesen ist, beendet ist. In diesem Fall ist die Entscheidung in Schritt S7 negativ, so daß sich das Programm zu Schritt S4 fortsetzt, woraufhin die Koordinatenposition eines zweiten in der Mitte auf der Werkzeugbahn liegenden Zielpunkts und die betreffenden Werte der ersten bis dritten Handwinkel bei dem berechneten Zielpunkt berechnet werden. Dann werden Änderungen der Betriebszustände der einzelnen Gelenke, um das Werkzeug von dem ersten in der Mitte liegenden Zielpunkt zu dem zweiten in der Mitte liegenden Zielpunkt zu bewegen und um die Lage des Werkzeugs von der einen bei dem ersten in der Mitte liegenden Zielpunkt angenommenen in diejenige bei dem zweiten in der Mitte liegenden Zielpunkt angenommene zu ändern, berechnet, und es wird eine Impulsverteilung in Reaktion auf die Ergebnisse der Berechnung bewirkt (Schritte S5 u. S6). Auf diese Weise wird eine Schleife, die aus den Schritten S4 bis S7 besteht, periodisch abgearbeitet, und das Werkzeug bewegt sich längs der vorbestimmten Bahn in Richtung auf den Endpunkt, während es die beabsichtigten Lagen bei den einzelnen in der Mitte liegenden Zielpunkten annimmt.
Wenn das Werkzeug den Endpunkt erreicht, wird danach in Schritt S7 geschlossen, daß ein Block beendet ist. Zu diesem Zeitpunkt nimmt das Werkzeug eine Soll-Lage, die durch die Handwinkel Θ1e, Θ2e u. Θ3e ausgedrückt ist, bei einer Soll-Endposition an, die durch die Koordinatenposition (Xe, Ye, Ze) repräsentiert ist. Dann setzt sich das Programm zu dem Schritt S8 fort, woraufhin der nächste Block des Befehlsprogramms ausgelesen wird. Ob das Programm beendet werden sollte, wird abhängig davon bestimmt (Schritt S9), ob der Block, welcher auf diese weise ausgelesen ist, einen Befehl zur Beendigung des Programms enthält. Wenn das Programm fortgesetzt werden sollte, werden die zuvor beschriebenen Prozesse der Schritte S2 bis S7 für den Block ausgeführt, der in Schritt S8 ausgelesen ist, um dadurch die Werkzeugstellung zu steuern. Falls in Schritt S9 darauf geschlossen wird, daß das Programm beendet werden sollte, wird danach die Steueroperation auf der Grundlage des Programms gemäß Fig. 3 beendet.

Claims

1. Werkzeuglagen-Steuerungsverfahren für einen Roboter, das Schritte umfaßt zum

(a) Vorab-Befehlen des Roboters hinsichtlich Werkzeugpositionen bei einem Startpunkt (P1) und einem Endpunkt (P2) des Betriebs und hinsichtlich Lagen des Werkzeugs bei dem Startpunkt (P1) und dem Endpunkt (P2) und

(b) Steuern der Lage des Werkzeugs auf einem weg zwischen dem Startpunkt (P1) und dem Endpunkt (P2) durch Interpolieren zwischen den Lagen des Werkzeugs bei dem Startpunkt (P1) und dem Endpunkt (P2), was das Interpolieren zwischen einer Drehposition (Θ3s) des Werkzeugs bei dem Startpunkt (P1) um die Werkzeugachse und einer Drehposition (Θ3e) des Werkzeugs bei dem Endpunkt (P2) um die Werkzeugachse einschließt,

wobei der Lagesteuerungs-Schritt (b) gekennzeichnet ist durch

(c) Bestiianten einer Bezugsebene (1), die den Startpunkt (P1) und den Endpunkt (P2) enthält,

(d) Berechnen eines ersten Winkels (Θ1s), der zwischen dem Werkzeug und der Bezugsebene (1) bei dem Startpunkt (P1) gebildet ist, und eines zweiten Winkels (Θ2s), der zwischen dem Werkzeug, das auf die Bezugsebene (1) projiziert ist, und einer Bezugslinie (3), die auf der Bezugsebene (1) bei dem Startpunkt (P1) gesetzt ist, in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Roboter-Befehlsgabe,

(e) Berechnen des ersten Winkels (Θ1e) und des zweiten Winkels (Θ2e) bei dem Endpunkt (P2) in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Befehlsgabe, wobei sich die Bezugslinie (3) bei dem Endpunkt (P2) parallel zu der Bezugslinie (3) bei dem Startpunkt (P1) erstreckt,

(f) Interpolieren der Werkzeugposition, des ersten Winkels (Θ1) und des zweiten Winkels (Θ2) zwischen den Werten derselben bei dem Startpunkt (P1) und dem Endpunkt (P2) und

(g) Steuern der Lage des Werkzeugs längs des Weges zwischen dem Startpunkt (P1) und dem Endpunkt (P2) in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Interpolation des ersten Winkels (Θ1), des zweiten Winkels (Θ2) und der Drehposition (Θ3) um die Werkzeugachse.

2. Werkzeuglagen-Steuerungsverfahren für einen Roboter nach Anspruch 1, bei dem die Bezugslinien (3) so gesetzt sind, daß sie sich parallel zu einer vorbestimmten Koordinatenachse eines Koordinatensystems erstrecken, das in der Befehlsgabe für die Werkzeugspositionen in Schritt (a) benutzt wird.

3. Werkzeuglagen-Steuerungsverfahren für einen Roboter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt (a) ein Befehl für eine Werkzeugposition bei einem Zwischenpunkt (P3) zwischen dem Startpunkt (P1) und dem Endpunkt (P2) gegeben wird.