DE69207018T2 - Verfahren zur Führung eines Roboterarmes durch definieren von Ersatzstrecken - Google Patents

Verfahren zur Führung eines Roboterarmes durch definieren von Ersatzstrecken

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  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Führung eines Roboterarms durch Definieren von Ersatzstrecken.
  • Es gibt mehrere Mittel, um die Bewegungen eines aus gelenkig miteinander verbundenen Teilstücken zusammengesetzten Roboterarms zu einem zu erreichenden Ziel zu steuern. Die Bewegungsbefehle können mit der Stimme gegeben werden, durch Drücken eines Knopfes oder Schwenken eines Hebels. Nach einer anderen Klassifizierung kann die befohlene Bewegung inkremental sein, das heißt, daß ein Befehl sich auf eine unveränderliche und bestimmte Elementarbewegung bezieht und daß man ihn so oft wie nötig wiederholen muß, um das Ziel zu erreichen, oder proportional zu einer Zeit sein, das heißt, daß ihre Größe abhängt von der Zeit, während der das Steuerorgan in einen bestimmten Zustand geschaltet ist. Schließlich, wenn man einen Hebel verwendet, besteht eine weitere anwendbare Lösung darin, die Bewegung proportional zu der Hebelbewegung zu machen. Die Bewegung ist dann positions- oder geschwindigkeitsgesteuert, d.h. daß der Arm eine Position oder Geschwindigkeit ein- oder annimmt, die abhängt von der Hebelbewegung.
  • Einer ganz und gar anderen Konzeption entsprechend kann man noch vorsehen, das zu erreichende Ziel nicht von einer Anfangsposition aus zu erreichen sondern durch einen definierten Zielpunkt, indem man mittels Tastatur mit Hilfe einer Programmiersprache seine Koordinaten einträgt in ein festes Bezugssystem oder indem man die durch den Roboter im Laufe einer vorausgehenden Lernphase erreichte Position abspeichert.
  • Auf jeden Fall wird die Bahn bzw. Strecke definiert durch kartesische Koordinaten, die das Führungssystem des Roboters umwandeln muß in Rotationsinformationen der Gelenke, die die verschiedenen Teilstücke des Arms verbinden oder, allgemeiner, in Bewegungen dieser Gelenke: man versteht hier unter Gelenken jede Art von Mechanismen, die Roboterarm-Teilstücke verbinden können, insbesondere die Gleitführungen, außerdem Drehachsen oder Drehgelenke, die Rotationen ermöglichen. Diese Berechnung entzieht sich der direkten Steuerung durch den Operator. Da in der Praxis die Gelenke nur in Stellungen innerhalb von Betriebsbereichen versetzt werden können, die begrenzt werden durch Endstellungen bzw. Anschlagstellungen, kommt es häufig vor, daß die direkte Strecke zwischen der Ausgangsstellung des Roboters und der, die dem zu erreichenden Ziel entspricht, effektiv nicht durchlaufen werden kann, da gewisse Gelenke die Anschlagstellung erreichen. Bei den bis heute bekannten Systemen gibt es kein Mittel, dieser Schwierigkeit zu begegnen, und der Arm wird gestoppt: der Operator ist gezwungen, selbst eine Ersatzstrecke zu definieren, die ermöglicht, den Arm wieder mobil zu machen, indem man ihn von den Anschlagstellungen entfernt, was langwierig ist und meist schwierig, wenn die Arm komplex sind. Das britische Patent 2 229 269 beschreibt jedoch - für einen Lemroboter - ein Verfahren, bei dem die Abschnitte der Strecke, wo Gelenke die Anschlagstellung erreichen, nicht abgespeichert werden, so daß die bei der Wiedergabe durchlaufene Strecke diese Abschnitte nicht enthält. Es gibt bei diesem Verfahren im Gegensatz zur Erfindung keine während des Durchaufens der Strecke automatisch erstellte Ersatzstrecke.
  • Mit der Erfindung wird versucht, dem Benutzer diese Mühen zu ersparen: Ersatzstrecken oder reduzierte Strecken, denen der Arm folgt sobald ein Anschlag von einem der Gelenke ihn daran hindert, der direkten Strecke zu folgen, werden automatisch erstellt.
  • Das Patent US-A-4 967 126 beschreibt einen Roboterarm, abgewinkelt und mit einem Redundanz-Freiheitsgrad versehenen, der ermöglicht, für eine bestimmte Position des Armendes (das Handgelenk) den Winkel auf einen beliebigen Punkt eines Kreises zu setzen, um Hindernisse zu vermeiden.
  • Das Patent EP-A-0 108 549 beschreibt einen Roboterarm, dessen Gelenke vorher einprogrammierte Drehungen ausführen, wenn er auf seitliche Hindernisse stößt, was jedoch zu großen Verschiebungen des Armendes führen kann, die in hindernisreichen Umgebungen gefährlich oder unerwünscht sind.
  • Erfindungsgemäß wird die Ersatzstrecke definiert durch Berechnen von theoretischen Zwischenpunkten zwischen durch den Arm erreichten Positionen und dem zu erreichenden Ziel, sodann der theoretischen Zwischenstellungen der Gelenke an den theoretischen Zwischenpunkten, wonach die Gelenke, deren theoretische Zwischenstellung nicht erreichbar ist, in eine Anschlagstellung gebracht werden und die anderen Gelenke in eine theoretische Zwischenstellung, womit man den Arm einen realen Zwischenpunkt erreichen läßt. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis das Ziel erreicht ist.
  • Das Verfahren kann verfeinert werden, wenn man ein Kriterium einführt, nach dem die Ersatzstrecke unterbrochen wird, wenn bestimmte Gelenke getrennt oder gleichzeitig die Anschlagstellung erreichen. Tatsächlich handelt es sich um ein Sicherheitskriterium, durch das man Bewegungen vermeidet, die sich zu weit von der gewünschten Bewegung entfernen unter Bedingungen, die weder vorgesehen noch gesteuert sind.
  • Ein Roboterarm, bei dem die Erfindung eingesetzt wurde, umfaßt drei gelenkig verbundene Teilstücke, drehbar in einer horizontalen Ebene und gemeinsam vertikal verschiebbar, ein viertes Teilstück, drehbar in einer vertikalen Ebene an einem der drei vorhergehenden Teilstücke angelenkt, und ein an dem vierten Teilstück angelenktes Organ, drehbar entsprechend einer Schwenkbewegung.
  • Es folgt die Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten, erläuternden und nicht einschränkenden Figuren:
  • - die Figur 1 ist eine Ansicht des kurz beschriebenen Roboterarms;
  • - die Figur 2 stellt ein Gelenk zwischen zwei Teilstücken des Roboterarms dar;
  • - die Figur 3 zeigt eine direkte Strecke und eine Ersatzstrecke;
  • - die Figur 4 ist ein Definitionsdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Der Roboterarm der Figur 1 umfaßt ein festes Gestell 1 und drei kettenartig verbundene Teilstücke 2, 3 und 4. Ein erstes Teilstück 2 dreht sich in einer horizontalen Ebene, angelenkt mit einem Ende an einem Schlitten 5 entsprechend einem ersten Gelenk vertikaler Achse A. Das Teilstück 3 ist mit dem Teilstück 2 an dessen anderem Ende verbunden durch ein zweites Gelenk vertikaler Achse B; das dritte Teilstück 3 ist ebenso angelenkt an dem anderen Ende des zweiten Teilstücks 2 durch ein drittes Gelenk C mit ebenfalls vertikaler Achse. Der Schlitten 5 bewegt sich auf vertikalen, zum Gestell 1 gehörenden Schienen 6 entsprechend einem vertikalen Verschiebungsfreiheitsgrad, den man aus Gründen der Vereinfachung als viertes Gelenk D bezeichnet.
  • Das dritte Teilstück 4 trägt ein Handgelenk 7, angelenkt mittels eines fünften Gelenks horizontaler Achse E. Schließlich ist eine zum Greifen von Gegenständen geeignete Zange an dem Handgelenk 7 angebracht und kann um ein sechstes Gelenk mit einer Achse F schwenken, die senkrecht ist zur vorhergehenden Achse E. Ro und Re symbolisieren kartesische Bezugssysteme, jeweils verbunden mit einem festen Punkt am Fuße des Gestells 1 und am Ende des Arms, z.B. am Handgelenk 7. Diese Bezugssysteme dienen zum Definieren der Bewegungen des Roboterarms. Die Parallelverschiebungen des Handgelenks 7 können insbesondere gesteuert werden durch Verschiebungs- oder Positionsangaben des Zielpunkts, ausgedrückt durch kartesische Koordinaten in dem Bezugssystem Ro.
  • Der Aufbau jedes Drehgelenks ist in Figur 2 schematisch dargestellt. Es gibt zunächst eine Drehachse 10, die zwei Teilstücke miteinander verbindet, hier mit 11 und 12 bezeichnet. die Achse 10 ist starr verbunden mit einem Teilstück 11 und das andere Teilstück 12 trägt einen Motor 13, der es um die Achse 10 herum dreht, sowie einen Zähler 14 und einen Anschlag 15. Der Zähler 14 liest die kreisförmig um die Achse 10 herum auf einer ebenen Fläche des Teilstücks 11 angebrachten Meßteilungen 16, und der Anschlag 15 kann die Kontakte der beiden Schalter 17 berühren, die sich ebenfalls auf dem Teilstück 11 befinden. Die Schalter 17 definieren mit dem Anschlag 15 das Erreichen von Endstellungen, die eine Kennlinie zulässiger Stellungen des Gelenks begrenzen. Jede dieser Stellungen kann festgelegt werden mit Hilfe des Codierers, gebildet durch den Zähler 14 und die Meßteilungen 16. Die Erfindung kann auch mit anderen Codierern und anderen Arten von Anschlägen benutzt werden, die in dieser Technik übliche Äquivalente sind. Der Motor 13 und der Zähler 14 sowie die Schalter 17 sind mit einem Führungssystem des Roboters verbunden, das nicht dargestellt ist.
  • Man kann auch immaterielle Anschläge vorziehen, definiert durch die Steuerungssoftware des Roboters und angeordnet vor den beschriebenen materiellen Anschlägen.
  • Die Parallelverschiebungsgelenke können mit denselben, entsprechend angepaßten Einrichtungen gebaut werden.
  • Ersatzstrecken sind wegen des Vorhandenseins der Anschläge in gewissen Situationen obligatorisch. Betrachten wir die Figur 3, wo es um eine Bewegung der Teilstücke 2 und 3 geht, wobei eine Strecke des dritten Gelenks C definiert wird. Man zwingt den Arm, sich so zu bewegen, daß das dritte Gelenk C einen Zielpunkt C' erreicht, ausgehend von einer Stellung Co, wo das erste Teilstück 2 einen Winkel el mit dem Gestell 1 bildet und einen Winkel Θ2 mit dem zweiten Teilstück 3. Die Strecke zum Punkt C' wäre normalerweise direkt, d.h. geradlinig, um die Bewegungen des Arms zu optimieren. Dies würde voraussetzen, den Winkel Θ2 zu reduzieren, aber die Figur 3 zeigt den Arm gerade in einer Stellung, wo das zweite Gelenk B am Anschlag ist, denn der Winkel Θ2 kann nicht kleiner werden als ein rechter Winkel. Seine Verkleinerung ist folglich unmöglich und man muß eine Ersatzstrecke definieren, wobei die Figur 4 ein Verfahren zu deren Erstellung zeigt.
  • Eine Art, Ersatzstrecken zu erstellen, ist zusammengefaßt in dem Organigramm der Figur 4.
  • Wenn die Direktsteuerung des Arms möglich ist, werden Befehle gegeben, um das Ende des Arms entsprechend den Hauptrichtungen eines kartesischen Bezugssystems wie z.B. Ro oder Re in der Praxis zu bewegen, d.h. nach vorn, nach hinten, auf die Seiten oder in vertikaler Richtung, indem man es bis in die gewünschte Winkelstellung dreht. Die Direktsteuerungsbefehle, die ermöglichen, einen Zielpunkt C' abzuleiten, entweder direkt oder mittels einer Verschiebung (Schritt 20), werden automatisch durch Koordinatentransformationen umgerechnet in Steuerbewegungen (Schritt 21) der Gelenke, bis eventuell eines von ihnen anschlägt (Schritt 22). Dann wird die Strecke unterbrochen und die Stellungen der Gelenke des Arms zu diesem Zeitpunkt werden gemessen (Schritte 23 und 24) oder durch Berechnungen bewertet. Der Zielpunkt C' kann entweder der durch die Steuerung des Arms definierte Punkt sein, oder ein Zwischenpunkt zwischen diesem Zielpunkt und dem Ausgangspunkt. Zwischenpunkte werden nämlich bei den meisten Roboterarm- Führungssystemen automatisch berechnet, um sicherzugehen, daß die Strecke mit einer ausreichenden Genauigkeit verfolgt wird: das Führungssystem überprüft, ob die Gelenke auch zusammen die für diese Zwischenpunkte berechneten Koordinatenwerte erreichen. Wenn Abweichungen auftreten, werden Korrekturen zur Berichtigung der Strecke vorgenommen. Die Wahl der Zwischenpunkte und ihre Anzahl resultiert aus Kriterien, die jedem Führungssystem eigen sind und deren einfachstes darin besteht, die Punkte in regelmäßigen und festen Intervallen vorzusehen.
  • Wenn die Stellungen der Gelenke bewertet sind, wird im Schritt 30 eine Berechnung der Position des Arms in kartesischen Koordinaten durchgeführt. Die Ersatzstrecke wird definiert durch ein Repetierverfahren und besteht darin, das dritte Gelenk C nach und nach dem Zielpunkt C' zu nähern. Dazu (Figur 3) definiert man auf dem Segment CoC' einen Zwischenpunkt C1 mit einem bestimmten Abstand von der aktuellen Position Co des dritten Gelenks C (Schritt 31). Die Stellungen Θ11 und Θ21 der Gelenke A und B bei diesem Zwischenpunkt C1 werden dann im Schritt 32 berechnet. Es handelt sich in Wirklichkeit um die theoretischen Stellungen, die die Gelenke einnehmen müßten, um effektiv zu diesem Punkt zu gelangen. Einige dieser Stellungen können jenseits der Anschlagstellungen liegen, was eine Selektion der Gelenke (hier A, denn Θ11 ist keine Anschlagstellung) erforderlich macht (Schritt 33), die beim Zwischenpunkt C1 nicht am Anschlag sind. Diese Gelenke werden dann bewegt (Schritt 34), um die in Schritt 32 errechnete Stellung zu erreichen; die Gelenke, die am Anschlag sind (hier B, den Θ2 kann nicht kleiner werden und Θ21 ist kleiner) werden nicht bewegt. Diese Vorgehensweise läßt den Arm (Schritt 35) in Wirklichkeit zu einem Punkt CO1 gelangen, der sich auf einer von den tatsächlich erreichten Gelenkstellungen Θ11 und Θ2 herrührenden Ersatzstrecke befindet und sich unterscheidet vom vorhergehend berechneten Punkt C1.
  • Die kartesischen Koordinaten dieses realen Zwischenpunkts CO1 werden sodann berechnet und man kehrt dann zum Schritt 21 zurück, um das Verfahren neu zu beginnen und sich durch aufeinanderfolgende Schritte dem Zielpunkt C' zu nähern, bis man ihn effektiv erreicht, indem man auf dem die Punkte CO1 und C' verbindenden Segment einen neuen theoretischen Zwischenpunkt wählt. Die Gelenke, die beim Durchlaufen der Ersatzstrecke zum Anschlag kommen könnten, können im Laufe dieser Strecke variieren, ohne daß der Operator darüber informiert wird oder besondere Maßnahmen ergreifen muß. In Figur 3 wurde der Punkt C10 dargestellt, bei dem das zweite Gelenk B aufhört am Anschlag zu sein und wo der Winkel, den es bildet, anfängt zuzunehmen von dem Wert Θ2 bis zum Endwert Θ'2. Diese Ausführungsart, die zusätzliche Berechnungen erforderlich macht und vor allem mehr Umrechnungen zwischen den kartesischen Koordinaten und den Gelenkkoordinaten, ermöglicht jedoch im allgemeinen eine sehr schnelle Annäherung und kann daher als günstig beurteilt werden im Falle der Benutzung des Roboterarms in hindernisreichen Umgebungen.
  • Das Verfahren kann perfektioniert werden, wenn ein zusätzliches Kriterium eingeführt wird, um jede Ersatzstrecke unmöglich zu machen für den Fall, daß eine zu große Anzahl Gelenke, oder gewisse Gelenke mit großer Auswirkung auf die Arbeit des Roboters, zum Anschlag kommen würde. So hat man im Falle des Roboters der Figur 1 vorgesehen, daß jede Bewegung unterbrochen wird, wenn vier Gelenke zusammen zum Anschlag kommen oder wenn das fünfte und das sechste Gelenk E und F gleichzeitig zum Anschlag kommen. Dieses letztere Kriterium ist gerechtfertigt im Falle eines Roboters, der mit einer Zange 8 zum Greifen von Gebrauchsgegenständen wie z.B. mit Flüssigkeit gefüllten Gläsern versehen ist, die nicht übermäßig geneigt werden dürfen. Selbstverständlich können für andere Roboterarme andere Kriterien oder andersartige Anwendungen definiert werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Führung eines aus Teilstücken (2, 3, 4, 5, 7, 8) zusammengesetzen Roboterarms, verbunden durch Gelenke (A bis F), bei dem ein durch eine direkte Bahn zu erreichendes Ziel definiert wird durch in Bewegungen der Teilstücke umgewandelte Steuerbefehle, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gelenke diversen Gelenklagen entsprechende Anschlag- bzw. Stopplagen aufweisen, daß automatisch eine Ersatzbahn festgelegt und anstatt der direkten Bahn verfolgt wird, wenn Gelenke beim Verfolgen der direkten Bahn zum Anschlag kommen, wobei diese Ersatzbahn definiert wird durch Berechnen der theoretischen Zwischenpunkte (C1) zwischen den durch den Arm (C, C01) erreichten Positionen und dem zu erreichenden Ziel, sodann der theoretischen Zwischenlagen (Θ11, Θ21) der Gelenke an den theoretischen Zwischenpunkten, und dadurch, daß die Gelenke nacheinander für jeden theoretischen Zwischenpunkt in eine Anschlag- bzw. Stopplage (Θ2) gebracht werden für die Gelenke, deren theoretische Zwischenlage unerreichbar ist, und in die theoretische Zwischenlage (Θ11) für die anderen Gelenke, um den Arm einen realen Zwischenpunkt erreichen zu lassen.
2. Verfahren zur Führung eines Roboterarms nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ersatzbahn unterbrochen wird, wenn bestimmte Gelenke einzeln zum Anschlag kommen.
3. Verfahren zur Führung eines Roboterarms nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ersatzbahn unterbrochen wird, wenn bestimmte Gelenke zusammen zum Anschlag kommen.
4. Verfahren zur Führung eines Roboterarms nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm drei Teilstücke (2, 3, 4) umfaßt, in einer horizontalen Ebene drehbar angelenkt und gemeinsam vertikal verschiebbar, ein viertes Teilstück (7), in einer vertikalen Ebene drehbar an eines der drei vorhergehenden Teilstücke angelenkt, und ein Organ (8), drehbar entsprechend einer Schwenkbewegung an das vierte Teilstück angelenkt.
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