DE69122317T2

DE69122317T2 - Robotersteuerung mit Inertialkoordinatensystem

Info

Publication number: DE69122317T2
Application number: DE69122317T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Ioi; Takashi Katsuragawa; Osamu Miki; Osamu Noro
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1990-06-27
Filing date: 1991-06-26
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2011-06-27
Also published as: CA2045438A1; DE69122317D1; EP0464649B1; US5260629A; CA2045438C; JPH0457688A; JP2566665B2; EP0464649A2; EP0464649A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Roboter, der in einem Trägheitskoordinatensystem agiert, anders ausgedrückt, einen Roboter, der in einem schwerelosen Bereich wie z.B. im Raum oder unter Wasser arbeitet, wo die Schwerkraft nicht genutzt werden kann. Insbesondere betrifft sie eine Steuervorrichtung für einen Roboter, die einen Roboterarm so bewegt, daß dieser eine Aufgabe ausführt, während der im Raum oder unter Wasser frei schwebt.
Mit herkömmlichen Methoden (vgl. beispielsweise die US-A-4 580 229, die den nächstkommenden Stand der Technik beschreibt) wird, wenn eine Hand eines schwebenden Roboterarms dazu gebracht werden soll, einem Zielweg innerhalb eines Betriebskoordinatensystems (einem Trägheitssystem) zu folgen, der Hauptkörper des Roboters zwangsweise von der Reaktionskraft bewegt, die durch die Armbewegung hervorgerufen wird, und dies verursacht ein Problem insofern, als die Hand nur schwierig dem Weg folgen kann.
Eine Methode zur Erzeugung von Geschwindigkeitsbefehlen unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des gesamten Systems einschließlich des Hauptkörpers des Roboters wurde vorgeschlagen in "Resolved Motion Rate Control of Space Robotic Manipulators with Generalized Jacobian Matrix" von Umetani und Yoshida in Journal of the Robotics Society of Japan, Vol 7, Nr.4, Seiten 63 - 73,1989. Da diese Methode für eine Geschwindigkeitssteuerung sorgt, bleibt das Problem bestehen, wie eine Zielstellung und Orientierungsbefehle generiert werden können. Das verwendete Verfahren zum Erzeugen von Geschwindigkeitsbefehlen erfordert massive Rechenvorgänge, beispielsweise Berechnungen von Massen-Kenngrößen, Schwerpunkten und Trägheits-Tensoren für jeden Roboterarm, so daß diese Methode nicht ohne weiteres den Parametetünderungen folgen kahn.
Es wurden verschiedene andere Methoden vorgeschlagen, um die Bewegung des Hauptroboterkörpers zu steuern, die durch Reaktionskraft verursacht werden, indem der Hauptroboterkörper mit zusätzlichen Schubaktuatoren ausgestattet wurde oder Drehmomentgeber hinzugefügt wurden, die Drehmoment erzeugen. Diese Methoden sind in Schriften beschrieben wie beispielsweise "On the Dynamics of Manipulators in Space Using the Virtual Manipulator Approach", Z. Vafa und S. Dubowsky, Proc IEEE Int. Conf. on Robotics & Automation, Seiten 579 bis 585 (1987) und "Experiments on the Control of a Satellite Manipulator", H.L. Alexander und R.H. Cannon, Proc. Material Handling Research Focus, Georgia Institute of Technology, Seiten 1-10 (1986). Allerdings erfordern diese Methoden irgendeine Form von Vortriebseinrichtung oder Drehmomentgeber, so daß sie aus dem Blickwinkel der Energieeinsparung nicht vorteilhaft sind.
Andere vorgeschlagene Methoden zum Steuern eines Roboters verwenden Sensoren im Ende der Roboterhand, um eine relative Stellung oder eine relative Geschwindigkeit bezüglich eines Objekts zu messen, auf das sich die Roboterhand zubewegt, wobei dieser Wert dann zur Steuerung an den Roboter zurückgeführt wird. Derartige Methoden sind beispielsweise beschrieben in "Sensor Feedback Control of Space Manipulators" von Masutani, Miyazaki und Arimoto, Pre-prints of Fifth Leetures of Robotics Society of Japan, Seiten 245-248, 1987. Da diese Methoden ein Zielobjekt erforderlich machen, benötigen sie auch etwas, was als eine Art Verifizierungs-Marke dienen könnte, außerdem können sie nicht dazu benutzt werden, eine Hand eines Roboterarms in erwünschter Weise dort zu bewegen, wo sich keine Objekte in der Umgebung befinden.

Offenbarung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Eifmdung ist die Schaffung einer Roboter- Steuervorrichtung in einem Trägheitskoordinatensystem, die einen einfachen Aufbau besitzt, die exakt die Stellung eines Arms in einem Trägheitsrahmen, in welchem eine Aufgabe ausgeführt wird, bestimmen kann, und die den Arm antreiben kann.
Erfindungsgemäß wird eine Steuervorrichtung für einen Roboter in einem Trägheitskoordinatensystem geschaffen, welche aufweist: einen Roboter mit einem antreibbaren Arm in einem Hauptroboterkörper; eine Sollwerteinstelleinrichtung zum Einstellen eines Sollwerts, ausgedrückt in einem Absolut-Koordinatensystem in einem Trägheitssystem des Arms; Detektiermittel zum Ermitteln einer Geschwindigkeit oder einer Beschleunigung, ausgedrückt in einem Roboterkoordinatensystem des Hauptroboterkörpers; und eine Steuereinrichtung zum Korrigieren des Sollwerts in Abhängigkeit von Ausgangsgrößen der Sollwerteinstelleinrichtung und der Detektiereinrichtung, wodurch der Roboterarm nach Maßgabe des derart korrigierten Werts angetrieben wird.
Erfindungsgemäß ist ein Hauptroboterkörper mit einer Detektiereinrichtung ausgestattet, welche eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung nachweist, ausgedrückt in einem Roboterkoordinatensystem bezüglich des Hauptroboterkörpers, ein Ausgangssignal der Detektiereinrichtung wird als eine Korrektur einem Sollwert eines Arms überlagert, ausgedrückt in einem Absolut-Koordinatensystem und ausgegeben von einer Sollwerteinstelleinrichtung, und es wird ein modifizierter Weg für den Arm in einem Trägheitsreferenzrahmen erzeugt. Wenn daher der Hauptroboterkörper seine läge ändert, während er in dem Trägheitsreferenzrahmen schwebt, kann der Arm dazu veranlaßt werden, exakt jeden Sollzielwert zu erreichen.
Der Arm kann dazu gebracht werden, sich entlang einem gewünschten Weg zu bewegen, auch wenn es keine Zielobjekte oder Markierungen gibt, und es besteht keine Notwendigkeit für Mittel zum Erzeugen von Vortriebskräften für den Hauptroboterkörper oder einer Einrichtung zum Erzeugen von Drehmoment. In anderen Worten: alles, was benötigt wird, besteht darin, daß die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung des Hauptroboterkörpers von der an dem Hauptroboterkörper angebrachten Detektiereinrichtung erfaßt und eine Korrektur einem Wegebefehl hinzugefügt wird, bei welchem es sich um einen Sollwert des Arms handelt, der erzeugt wird, wenn sich der Hauptroboterkörper angenommenerweise nicht bewegt, so daß eine exakte Wegesteuerung für den Arm erzielbar ist. Deshalb gewährleistet die vorliegende Eifindung, daß es nicht weiter nötig ist, jede der physikalischen Konstanten des Roboterarms exakt zu identwizieren. Der Arm kann dazu gebracht werden, jedem vorgegebenen Zielweg zu folgen, ohne daß irgendeine Modifizierung vorgenommen werden muß, auch wenn ein Parameter des Arms sich ändern sollte.
Da also keine Notwendigkeit für ein Ziel-Objekt oder eine Markierung bei der Erfindung besteht, kann der Arm dazu gebracht werden, einen Sollwert zu erreichen oder einem gewünschten Weg zu folgen, ohne daß in der Umgebung eine Abweichung stattfindet. Da keine Mittel vorhanden sein müssen, um eine Vortriebskraft für den Hauptroboterkörper bereitzustellen, oder Mittel zum Erzeugen von Drehmoment, weist die Erfindung einen deutlichen Energiespareffekt auf, und da keine Notwendigkeit zum Identifizieren und Berechnen physikalischer Konstanten für jeden einzelnen Arm besteht, ist die Belastung der Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise eines Rechners, verringert, während die Möglichkeit der stabilen Steuerung gesteigert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm des gesamten Aufbaus einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Roboters 1;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines Aufbaus, der sich auf eine Beschleunigungsdetektiereinrichtung 14 bezieht;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines Aufbaus, der sich auf einen Geschwindigkeitsdetektor 18 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bezieht;
Fig. 5 zeigt einen vereinfachten Roboter 1, um die Ergebnisse von Untersuchungen darzustellen, die Gebrauch von der vorliegenden Erfindung machen;
Fig. 6 zeigt die Ergebnisse von Untersuchungen, die von der vorliegenden Erfindung Gebrauch machen; und
Fig. 7 ist ein vereinfachtes Diagramm eines Roboters 1a, der als Vergleichsbeispiel dient.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein Blockdiagramm des gesamten Aufbaus einer Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt, Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht des dazugehörigen Roboters. Ein Roboter 1 schwebt in einem Trägheitssystem, beispielsweise im Weltraum oder unter Wasser, wo die Schwerkraft nicht genutzt werden kann. Dieser Roboter 1 besteht aus einem Hauptroboterkörper 2 und einer Anzahl von Armen 3 (z.B. sechs Armen), die jeweils eine Anzahl von Freiheitsgraden besitzen, und einem Arbeitsende 4 jedes der Arme 3, welches in der Lage ist, in einem Trägheitsreferenzrahmen eine Aufgabe auszuführen. Der Hauptroboterkörper 2 besitzt eine Detektiereinrichtung 14, welche eine Beschleunigung erfaßt.
Wenn man annimmt, daß der Hauptroboterkörper 2 sich nicht bewegt, liefert eine Verarbeitungsschaltung 6, die durch einen Mikrocomputer oder dergleichen gebildet wird, Signale, die eine Soll-Stellung xc, eine Soll-Geschwindigkeit c und eine Soll-Beschleunigung c, ausgedrückt in Absolutkoordinaten innerhalb des Trägheitsreferenzrahmens angeben, und sie sendet sie über Addierschaltungen 8, 9 und 10 an eine Servosteuerung 11. Diese Servosteuerung 11 treibt eine Antriebseinrichtung der Arme 3 des Roboters 1. Die Ist-Stellung x des Arbeitsendes 4 jedes Arms 3, ausgedrückt in einem bezüglich des Hauptroboterkörpers 2 fixen Koordinatensystem, wird aus Werten berechnet, die von Stellungs detektoren an jedem der Gelenke des Arms 3 und von den Längen von den Arm 3 bildenden Gliedern geliefert werden. Die Ist-Geschwindigkeit des Arbeitsendes 4 des Arms 3 wird ebenfalls berechnet, wozu Ausgangssignale von Geschwindigkeitsdetektoren oder eine Differentialberechnung bezüglich der Ausgangssignale der Stellungsdetektoren an jedem der Gelenke des Arms 3 ebenso verwendet werden, wie die Glied-Längen. Eine Berechnungsschaltung 12 erzeugt die Ist-Geschwindigkeit des Betriebsendes 4 des Arms 3 aus der Stellung jedes der Gelenke des Arms 3 in Koordinaten, die in Bezug auf den Hauptroboterkörper 2 festliegen, und eine Berechnungsschaltung 13 erzeugt die Ist- Stellung x des Betriebsendes 4 des Arm 3 aus der Geschwindigkeit jedes der Gelenke des Arms 3 in Koordinaten, die in Bezug auf den Hauptroboterkörper 2 feststehen; allerdings kann hierzu auch irgendeine andere Einrichtung verwendet werden, die einem Koordinatenumwandlungsrechner für einen fest installierten Mehrzweck-Industrieroboter ähnlich ist.
In Fig. 1 sind θ und der Versatz bzw. die Geschwindigkeit jedes der Gelenke des Arms 3. Die Signale, die die Ist-Geschwindigkeit und die Ist-Stellung x repräsentieren, werden an die Servosteuerung 11 gegeben, die mit Hilfe einer gegengekoppelten Regelung das Arbeitsende 4 des Arms 3 dazu bringen, die Ist-Werte zu erreichen, die von den Addierschaltungen 8, 9 und 10 geliefert werden.
Die Beschleunigungs-Detektierschaltung 14 gemäß der Erfindung ist in dem Hauptroboterkörper 2 angeordnet. Diese Beschleunigungs-Detektier einrichtung 14 erfaßt die Beschleunigung des Hauptroboterkörpers 2 im Roboter-Koordinatensystem.
Eine Beschleunigung s im Roboter-Koordinatensystem, die von der Beschleunigungs-Detektiereinrichtung 4 erfaßt wird, wird von einer Rechenschaltung 15 an eine Koordinatenumwandlungs-Rechenschaltung 16 gegeben, der Wert wird aus dem Roboter-Koordinatensystem in ein Absolut-Koordinatensystem (Trägheitskoordinatensystem) umgewandelt, und der so umgewandelte Versatz Δxc, die Geschwindigkeit Δ c und die Beschleunigung Δ c für den Hauptroboterkörper 2 werden ermittelt und an die entsprechenden Addierschaltungen 8, 9 und 10 gesendet.
Ein Blockdiagramm eines spezifischen Beispiels des Aufbaus der Beschleunigungs-Detektiereinrichtung 14 ist in Fig. 3 gezeigt. Die Beschleunigung s, die von der Beschleunigungs-Detektiereinrichtung 14 erfaßt wird, wird von einer Integriereinrichtung 17 der Rechenschaltung 15 integriert, um eine Geschwindigkeit s des Hauptroboterkörpers 2 zu erhalten, und dieser Wert wird wiederum von einer weiteren Integriereinrichtung 18 integriert, um einen Versatz xs zu erhalten. Die Beschleunigung s, die von der Beschleunigungs-Detektiereinrichtung 14 erfaßt wird, und die darauf basierenden Werte für die Geschwindigkeit s und xs, sind sämtlich im Roboter-Koordinatensystem ausgedrückt, und sie werden von der Koordinatenumwandlungs-Rechenschaltung 16, die oben beschrieben wurde, umgewandelt, um den entsprechenden Versatz Δxc, die Geschwindigkeit Δ c und die Beschleunigung Δ c in dem Absolut-Koordinatensystem zu erhalten, d.h. im Trägheits-Referenzrahmen.
Eine Detektiereinrichtung 19, welche die Geschwindigkeit des Hauptroboterkörpers 2 erfaßt, könnte als weitere Ausführungsform der Erfindung vorhanden sein, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. In diesem Fall wird die Geschwindigkeit s im Roboter-Koordinatensystem von der Geschwindigkeits-Detektiereinrichtung 19 erfaßt und von einer Integrierschaltung 18 integriert, um einen Versatz xs im Roboter-Koordinatensystem zu erhalten. Diese Werte s und xs im Roboter-Koordinatensystem werden an eine Koordinatenumwandlungs-Rechenschaltung 16 gegeben, um einen Versatz Δxc und die Geschwindigkeit Δ c in dem Absolut- Koordinatensystem zu erhalten (im Trägheits-Referenzrahmen), die an die Addierschaltungen 8 und 9 gegeben werden. Bei dieser Ausführungsform ist die Addierschaltung 10 weggelassen, die Soll-Beschleunigung c wird nicht erzeugt.
Ergebnisse von Untersuchungen unter Verwendung der vorliegenden Erfindung sind in Fig. 5 gezeigt. Der Hauptroboterkörper 2 des Roboters 1 ist mit einem Arm 3 ausgestattet, welcher drei Freiheitsgrade besitzt, und dargestellt ist der Zustand in jedem Augenblick, in welchem das Arbeitsende 4 durch die Bewegung des Arms 3 veranlaßt wird, einen Kreis zu zeichnen. Der unter Verwendung des Arbeitsendes 4 gezogene Kreis ist durch die mit den Bezugszeichen 20 versehene Form in Fig. 6 dargestellt. Der Soll-Weg, der aus Zielwerten für das Arbeitsende 4 in dem Trägheitssystem besteht, ist durch das Bezugszeichen 21 angegeben. Aus dieser Darstellung ist deutlich erkennbar, daß der Einsatz der vorliegenden Erfindung gewährleistet, daß das Arbeitsende 4 über einen Weg bewegt werden kann, der dem Soll-Weg im Trägheitssystem extrem nahekommt.
Hingegen hat, obschon ein Hauptroboterkörper 2a eines in Fig. 7 gezeigten Vergleichsbeispiels mit einem ähnlichen Arm 3a ausgestattet ist, dieser Hauptroboterkörper 2a nicht die Detektiermittel 14 oder 18 gemäß der Erfindung. In diesem Fall zieht das Arbeitsende 4 eine stark verzerrte ovale Bahn, wie durch das Bezugszeichen 22 in Fig. 6 angegeben ist, verglichen mit dem Soll-Weg 21 im Trägheitssystem. Aus dieser Figur ist daher klar, daß dieser Weg stark von dem Zielweg 21 abweicht.
Dieses Experiment zeigt, daß der Roboterarm gemäß der Erfindung exakt einem Weg in einem Trägheitssystem zu folgen vermag.

Claims

1. Steuervorrichtung für einen Roboter in einem Trägheitskoordinatensystem, umfassend:

a) einen Roboter mit einem antreibbaren Arm (3) in einem Hauptroboterkörper (2);

b) eine Sollwerteinstelleinrichtung (6, 8-10) zum Einstellen eines Sollwerts ( c, c, Xc), ausgedrückt in einem Absolut-Koordinatensystem in dem Trägheitssystem des Arms;

c) Detektiermittel (14, 19) zum Ermitteln einer Geschwindigkeit oder einer Beschleunigung; und

d) eine Steuereinrichtung (11) zum Korrigieren des von der Sollwerteinstelleinrichtung (6, 8-10) kommenden Sollwerts ansprechend auf Ausgangsgrößen der Detektiermittel (14, 19) und zum Antreiben des Roboterarms nach Maßgabe des so korrigierten Werts,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) der Roboter in dem Trägheitskoordinatensystem frei beweglich ist und

f) die Detektiermittel (14, 19) eine erzwungene Bewegung des Hauptroboterkörpers, ausgedrückt in einem lokalen Roboterkoordinatensystem, erfassen.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Detektiermittel einen Geschwindigkeitsmesser (19), der in dem Hauptroboterkörper angebracht ist, und einen Integrator (18) zum Erzeugen eines Stellungssignals aus einer Ausgangsgröße des Geschwindigkeitsmessers aufweisen.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Detektiermittel außerdem aufweisen: eine Koordinatenumwandlungs-Recheneinrichtung (4) zum Umwandeln einer Geschwindigkeit und einer Stellung, ausgedrückt in dem Roboterkoordinatensystem, in eine Geschwindigkeit bzw. eine Stellung, ausgedrückt in dem Absolut-Koordinatensystem.

4. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Detektiermittel aufweisen: einen Beschleunigungsmesser (14), der in dem Hauptroboterkörper angeordnet ist, und einen zweistufigen Integrator (17, 18) zum Erzeugen sowohl eines Geschwindigkeitssignals als auch eines Stellungs signals aus einer Ausgangsgröße des Beschleunigungsmessers.

5. Steuervorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Detektiereinrichtung weiter aufweist: eine Koordinatenumwandlungs-Recheneinrichtung (4) zum Umwandeln einer in dem Roboterkoordinatensystem ausgedrückten Beschleunigung, Geschwindigkeit und Stellung in eine in dem Absolut-Koordinatensystem ausgedrückte Beschleunigung, Geschwindigkeit bzw. Stellung.