DE69714017T2

DE69714017T2 - Verfahren zur steuerung eines industriellen roboters entlang einer vorgegebenen bahn

Info

Publication number: DE69714017T2
Application number: DE69714017T
Authority: DE
Inventors: Staffan Elfving; John-Erik Snell
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1996-02-14
Filing date: 1997-01-15
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2017-01-16
Also published as: WO1997029890A1; JP2000504636A; SE9600527D0; DE69714017D1; US6226565B1; SE9600527L; ES2180928T3; SE505981C2; EP0879119B1; EP0879119A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Industrieroboters bzw. industriellen Roboters entlang einer gegebenen Bahn, wobei der Industrieroboter mehrere Bewegungsachsen (1-6) und für jede Achse eine Servo-Ausstattung zur Steuerung der Achsenbewegung in Übereinstimmung mit dazu zugeführten Referenzwerten aufweist.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Die Erfindung betrifft einen Industrieroboter, der mehrere Bewegungsachsen, typischerweise sechs Achsen, aufweist. Ein derartiger Roboter weist eine Standeinrichtung auf, die drehbar auf einem Fuß angeordnet ist und die einen ersten, in Bezug auf die Standeinrichtung drehbaren Roboter-Arm trägt. Ein zweiter Roboter-Arm ist in dem äußeren Ende dieses Arms und in Bezug dazu drehbar angeordnet. Nachstehend wird auf den ersten Arm als der untere Arm und auf den zweiten Arm als der obere Arm Bezug genommen. An seinem äußeren Ende trägt der obere Arm eine mit einer Vorrichtungsbefestigung bereitgestellte und bezüglich des oberen Arms in zwei oder drei Freiheitsgraden drehbare Hand. Der Roboter wird mit Servo-Ausstattung zur Steuerung der Stellung und Ausrichtung der Roboter-Hand bereitgestellt. Für jede der Bewegungsachsen des Roboters wird eine Servo-Ausstattung bereitgestellt, welche einen Antriebsmotor und eine Stellungserfassungseinrichtung umfasst, wobei die letztere ein Signal liefert, das eine Erfassung bzw. ein Maß des Drehwinkels der fraglichen Achse ist. Dem Servo-System jeder Achse wird ein Referenzwert für den Drehwinkel der Achse zugeführt und der Antriebsmotor der Achse bringt den Roboter dazu eine Bewegung in der fraglichen Achse durchzuführen, bis die durch die Stellungserfassungseinrichtung der Achse angezeigte Achsenstellung bzw. Achsstellung mit dem, dem Servo-System zugeführten Referenzwert übereinstimmt.
Ein Industrieroboter kann angewiesen werden einer, in Form von mehreren Punkten in einem Kartesischen Koordinatensystem gegebenen Bahn bei einer bestimmten Geschwindigkeit zu folgen. Damit der Roboter der gegebenen Bahn folgt, müssen die hierfür erforderlichen Achsenwinkel bzw. Achswinkel berechnet werden. Zu diesem Zweck wird die Bahn mit einer auf der gegebenen Geschwindigkeit und der internen Probenahme-Zeit bzw. Abtast-Zeit basierenden Schrittlänge in Schritte eingeteilt. Für jeden Schritt wird die nächste Stellung, die der Roboter einzunehmen hat, zunächst in Kartesischen Koordinaten berechnet. Anschließend werden die für den Roboter zum Einnehmen dieser Stellung erforderlichen Achsenwinkel berechnet.
Mit der Hilfe eines mathematischen Modells für den Roboter kann das erforderliche Achsdrehmoment bzw. die erforderliche Achsdrehkraft zum Antreiben der Achsen in Übereinstimmung mit den berechneten Achsenwinkeln berechnet werden. Eine Überprüfung erfolgt, ob irgendeines der berechneten Achsdrehmomente die Motor-Drehmonente bzw. -Drehkräfte überschreitet, welche der jeweilige Motor erzeugen kann. Falls das verfügbare Motor- Drehmoment zum Ausführen der Bewegung nicht ausreichend ist, so wird die Bewegung angepasst, beispielsweise durch ein Verringern der Geschwindigkeit und der Beschleunigung, derart daß das verfügbare Motor-Drehmoment von jeder Achse optimal verwendet wird, während gleichzeitig der Roboter weiter der Bahn folgt.
Zum Verhindern einer Überlastung der mechanischen Struktur des Roboters, muß die mechanische Struktur derart entworfen sein, daß sie unter dem Festigkeits- bzw. Stärke-Gesichtspunkt Lasten standhält, die durch alle denkbaren Kombinationen von individuellen Achsenbewegungen bzw. Achsbewegungen verursacht werden. Dies erfordert, daß die Struktur für einen möglicherweise selten auftretenden, ungünstigsten Fall ausgelegt wird. Dies führt dazu, daß der Roboter für typische Bewegungen unnötig langsam wird und verursacht, daß die maximal zulässige Geschwindigkeit und Last des Roboters unnötig niedrig angesetzt werden, um die Struktur nicht zu überlasten. Primär sind es einige kritische Komponenten, die bei bestimmten Bewegungen hohen Lasten unterworfen sind und folglich für diese Lasten dimensioniert werden müssen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Steuerung eines Industrieroboters entlang einer Bahn vorzuschlagen, welches eine Möglichkeit zur Verringerung der Abmessungen der mechanisch kritischen Teile im Vergleich zu Robotern des Stands der Technik bereitstellt.
Aus den beigefügten Ansprüchen wird klar werden, was ein erfindungsgemäßes Verfahren kennzeichnet.
Erfindungsgemäß sind mechanisch kritische Komponenten derart zu überwachen, daß maximal zulässige Lasten in den Komponenten nicht überschritten werden, während gleichzeitig das verfügbare Motor-Drehmoment bis zu einem Maximum genutzt wird. Falls die Gefahr besteht, · daß die maximal zulässigen Lasten überschritten werden, ist die Bewegung entlang der Bahn derart zu modifizieren, daß die zulässigen Lasten nicht überschritten werden.
Zu den Vorteilen der Erfindung zählt, daß sie eine Möglichkeit zu einem offensiveren Dimensionieren kritischer Komponenten bereitstellt, ohne die Gefahr einer mechanischen Überlast einzugehen. Dies führt zu großen Kostenvorteilen. So führt beispielsweise ein kleineres Handgelenk zu einem geringeren Gewicht des gesamten oberen Arms, was bei der Dimensionierung des restlichen Roboters von großer Wichtigkeit ist.
Lediglich bei bestimmten, extremen Kombinationen von Achsenwinkeln ist notwendig, daß die notwendigen Verringerungen des Motor-Drehmoments stattfinden. Die anderen Achsenwinkel nutzen das verfügbare Motor-Drehmoment voll. Auf diese Weise kann der Roboter zum Bewältigen eines Ausführens typischer Bewegungen mit hoher Leistung entworfen werden. Andere seltener stattfindende Bewegungen werden mit einem verringerten Motor-Drehmoment ausgeführt, um die kritischen Komponenten des Roboters nicht zu überschreiten bzw. überlasten.
Die Erfindung ermöglicht ebenfalls eine Verwendung von Lasten, die größer sind als jene, die gegenwärtig für den Robotor zulässig sind, da eine Gefahr einer Überlastung an den kritischen Komponenten nicht besteht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines vorbekannten Industrieroboters, bei dem die Erfindung zur Anwendung kommen kann.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Roboter-Bahn.
Fig. 3 zeigt das Berechnungsverfahren und den Datenfluß bei einem erfindungsgemäßen Verfahren.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines vorbekannten Industrieroboters. Der Roboter-Fuß 2 ist auf einer Basis 1 fest angebracht. Der Roboter weist eine Basis-Standeinrichtung 3 auf, die in Bezug auf den Fuß 2 um eine vertikale Achse A1 drehbar ist. Ein unterer Arm 4 ist am oberen Ende der Basis-Standeinrichtung gelagert bzw. drehbar gelagert bzw. mit Zapfen gelagert (journalled) und ist in Bezug auf die Basis-Standeinrichtung um eine zweite Achse A2 drehbar. Ein oberer Arm 5 ist am äußeren Ende des unteren Arms gelagert und ist in Bezug auf den unteren Arm um eine Achse A3 drehbar. Der obere Arm 5 umfasst zwei Teile 5a und 5b, wobei das äußere Teil 5b in Bezug auf das innere Teil 5a um eine Drehachse A4 drehbar ist, welche mit der Längsachse des oberen Arms zusammenfällt. Der obere Arm 5 trägt an seinem äußeren Ende eine Roboter-Hand 6, die um eine Drehachse A5 drehbar ist, die senkrecht zu der Längsachse des oberen Arms verläuft. Die Roboter-Hand weist eine Vorrichtungsbefestigung 7 auf. Die Vorrichtungsbefestigung 7 ist in Bezug auf das innere Teil der Roboter-Hand um eine Drehachse A6 drehbar, die senkrecht zu A5 verläuft. Die Drehwinkel an den sechs Drehachsen A1. . .A6 werden in der Figur mit φ&sub1;-φ&sub6; bezeichnet.
Das Steuerungssystem ist in einem separaten Steuerungsgehäuse 8 angeordnet und umfasst in bekannter Weise Computer-Ausstattung mit den notwendigen Speichern für Programme und andere Daten, Antriebe für die Antriebsmotoren der unterschiedlichen Roboter-Achsen und die notwendige Zufuhr- bzw. Versorgungsausstattung. Das Steuerungsgehäuse ist mit einer Programmiereinheit 9 zum Programmieren und anderweitigen Betreiben des Roboters verbunden.
Der Roboter weist mehrere Komponenten auf, die unter einem mechanischen Gesichtspunkt kritisch sind. Ein Beispiel für eine derartige kritische Komponente ist die Aufhängung der Roboter-Hand 6 in dem oberen Arm 5. Sie ist insbesondere empfindlich, wenn sie einem Drehmoment um eine Achse unterworfen ist, die senkrecht zu den Drehachsen A5 und A6 verläuft. Eine kritische Komponente weist normalerweise irgendeinen kritischen Punkt auf, an dem die Last bei bestimmten Bewegungen sehr hoch werden kann. Bei den kritischen Punkten kann es sich beispielsweise um nicht-drehende bzw. nicht-drehbare Punkte handeln, die einem Drehmoment senkrecht zu den Drehachsen des Roboters unterworfen werden. Für die Aufhängung der Roboter-Hand ist der kritische Punkt KP1.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Bahn, die in Form von mehreren Punkten P&sub1;-P&sub4; in einem Kartesischen Koordinatensystem gegeben ist. Der Roboter ist für eine Bewegung entlang der Bahn mit einer gegebenen Bahngeschwindigkeit v programmiert. Damit der Roboter der gegebenen Bahn in der gewünschten Weise folgt, muß das Drehmoment berechnet werden, welches der Antriebsmotor von jeder Achse bereitzustellen hat. Beim Ausführen dieser Berechnung werden mehrere Probenahme-Punkte P&sub1;&sub1;, P&sub1;&sub2;, P&sub1;&sub3; . . . P1n zwischen den gegebenen Punkten P&sub1;-P&sub4; eingeführt. Der Abstand zwischen den Probenahme-Punkten ist Δl und basiert auf der gegebenen Bahn-Geschwindigkeit v und einer internen Probenahme-Zeit Δt.
Δl = v·Δt (1)
Bevor der Roboter zu dem nächsten Probennahme-Punkt bewegt werden kann, wird zunächst die Stellung des Punkts in Kartesischen Koordinaten berechnet. Anschließend wird gemäß einem bekannten Verfahren die Kartesische Stellung in Achsenwinkel i konvertiert. Ausgehend von den berechneten Achsenwinkeln, den Achsenwinkeln an den vorhergehenden Probennahme- Punkten i-1 und i-2, die bekannt sind, und der gegebenen Bahngeschwindigkeit v, werden ebenfalls die Geschwindigkeiten und die Beschleunigungen , für jede Achse berechnet, die zum Durchführen der angewiesenen Bewegung erforderlich sind. Die Kartesische Bahn entspricht folglich sechs Bahnen für jede Achse.
Mit der Hilfe eines mathematischen Modells der Roboter-Dynamik kann jenes Achsdrehmoment = (τ1, τ2 . . . τ6) berechnet werden, das zum Antreiben der Achsen zu der nächsten Stellung erforderlich ist. Das Achsdrehmoment wird von derartigen dynamischen Effekten, wie Massenträgheit, Reibung, Zentrifugalkraft und Gravitation abgeleitet.
= M( )· + V( , )· + G(φ) + F( , ) (2)
= φ1, φ&sub2; . . . φ&sub6; = Stellung des Roboters
= = Geschwindigkeit des Roboters
= = Beschleunigung des Roboters
M( ) ist eine Masse-Matrix, welche das gekoppelte Trägheitsmoment für jede Achse beschreibt. V( , ) sind geschwindigkeitsabhängige Trägheitsmomente für jede Achse und sind von Zentrifugalkräften und Coriolis-Kräften abgeleitet. G(φ) beschreibt den Effekt der Gravitation auf das Achsdrehmoment. F( , ) sind Reibungsdrehmomente für jede Achse. Falls die Stellung, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Roboters bekannt sind, so körnen die notwendigen Achsdrehmomente aus Gleichung 2 berechnet werden.
Fig. 3 zeigt in der Form eines Block-Diagramms ein erfindungsgemäßes Verfahren. In Block 10 wird jenes Achsdrehmoment = (τ1, τ2 . . . τ6) berechnet, das erforderlich ist, damit der Roboter die nächste Stellung auf der Bahn einnimmt. In Block 11 wird überwacht, ob die berechneten Achsdrehmomente die Maximal-Motordrehmomente τmax überschreiten, die durch den jeweiligen Motor erzeugt werden können. Falls irgendein Achsdrehmoment größer als das ist, was maximal erzeugt werden kann, so muß die Bahngeschwindigkeit v verringert werden. Eine Verringerung der Bahngeschwindigkeit v bringt eine Verringerung des Abstands zu dem nächsten Probennahme-Punkt Δl mit sich. Zum Verringern der Bahn-Geschwindigkeit v, wird die Beschleunigung für jene Achse verringert, bei der das verfügbare Motor-Drehmoment nicht ausreichend ist. Die Beschleunigung wird auf eine derartige Größe verringert, daß der Motor das Erzeugen des notwendigen Motor-Drehmoments bewältigen kann. Die Beschleunigung für die anderen Achsen wird auf eine entsprechende Größe verringert, derart daß der Roboter weiter der Bahn folgt, Block 12.
Erfindungsgemäß wird die vorstehend beschriebene Überwachung des Drehmoments mit einer Überwachung der Last an einem oder mehreren kritischen Punkten ergänzt. Zu diesem Zweck wird mindestens ein kritischer Punkt auf dem Roboter für eine Überwachung ausgewählt. Für jeden der kritischen Punkte wird eine Skalargleichung angesetzt, welche der Last an dem Punkt entspricht. Bei dieser Ausführungsform wird eine Drehmoment-Komponente t am Punkt KP 1 auf der Aufhängung der Robotor-Hand überwacht. Die Drehmoment-Komponente t kann durch die nachstehende Gleichung beschrieben werden:
t = m( ) + v( , ) + g( ) (3)
m, v, g sind die skalaren Entsprechungen zu M, V, G für die Drehmoment-Komponente t.
In Block 13 wird die Drehmoment-Komponente t an der Aufhängung des Roboters für die berechneten Achsenwinkel , die Geschwindigkeiten und die Beschleunigungen berechnet. Anschließend wird die berechnete Drehmoment-Komponente t mit einer maximal zulässigen Drehmoment-Komponente tmax für den kritischen Punkt verglichen, Block 14. Falls die Drehmoment-Komponente t die maximal Zulässige überschreitet, muß die Bahn- Geschwindigkeit vernngert werden, und in ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben, Block 12, wird die Beschleunigung für die Achsen derart verringert, daß der Roboter weiter der Bahn folgt. Neue Achsdrehmomente werden für die neue, geringere Bahn-Geschwindigkeit berechnet, Block 10. Das Verfahren wird wiederholt, bis die Last an dem kritischen Punkt die maximal zulässige Last nicht länger überschreitet. Die Output-Signale von der Überwachung sind ein Motor-Drehmoment korr = (τkorr1, τkorr2 . . . τkorr6), das in Bezug darauf optimiert wird, was der Motor jeder Achse erzeugen kann und das den Roboter zu dem nächsten Probennahme- Punkt auf der Bahn antreibt, ohne daß die Last an der Aufhängung der Roboter-Hand zu hoch wird.
Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform werden mehrere kritische Punkte überwacht. Für jeden der kritischen Punkte, wird eine Gleichung angesetzt, welche die Last an dem Punkt und eine maximal zulässige Last für den Punkt beschreibt.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Industrieroboters entlang einer gegebenen Bahn (P&sub1;-P&sub4;) mit einer gewünschten Bahngeschwindigkeit (v), welcher mehrere Bewegungsachsen (1-6) und für jede Achse eine Servo-Ausstattung zur Steuerung der Achsenbewegung in Übereinstimmung mit zugeführten Referenzwerten ( korr) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Berechnen der notwendigen Achsenwinkel ( i) zum Einnehmen der nächsten Stellung (P&sub1;&sub1;, P&sub1;&sub2;, P&sub1;&sub3; . . . P1n) auf der Bahn,

Berechnen des erforderlichen Drehmoments ( = (τ1, τ2 . . . τ6)) für jede der Bewegungsachsen, in Abhängigkeit von den berechneten Achsenwinkeln und eines ersten, mathematischen, die statischen und dynamischen Eigenschaften des Roboters beschreibenden Modells, zum Einnehmen der nächsten Stellung,

Vergleichen des berechneten Drehmoments ( ) für eine jede der Achsen mit einem maximal zulässigen Drehmoment ( max),

dadurch gekennzeichnet, daß es weiter die Schritte umfasst:

Berechnen der Last (t) an einem mechanisch kritischen Punkt (KP1) für die berechneten Achsenwinkel ( i) mit Hilfe eines zweiten, mathematischen Modells, welches die Last des Roboters am kritischen Punkt beschreibt,

Vergleichen der Last (t) mit einer maximal zulässigen Last (tmax) für den kritischen Punkt, und

Verringern der Bahngeschwindigkeit (v), wenn das berechnete Drehmoment das maximal zulässige Drehmoment für irgendeine Achse überschreitet, oder falls die berechnete Last die maximal zulässige Last für den kritischen Punkt überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (tj) an mehreren mechanisch kritischen Punkten für die berechneten Achsenwinkel ( i) mit Hilfe mathematischer Modelle berechnet wird,

die Last für jeden der kritischen Punkte mit einer maximal zulässigen Last (tjmax) verglichen wird, und

die Bahngeschwindigkeit (v) dann derart verringert wird, daß die Last nicht die maximal zulässige Last für irgendeinen der kritischen Punkte überschreitet, wenn an irgendeinem Punkt die Last die maximal zulässige Last überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwerte für das Servosystem korr = (τkorr1, τkorr2 . . . τkorr6) in Abhängigkeit von der verringerten Bahngeschwindigkeit berechnet werden.