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Die
Erfindung betrifft die Kalibrierung eines Kraftsensors, der an einem
Industrieroboter montiert ist.
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Die
Kalibrierung eines Kraftsensors, der an einem Industrieroboter montiert
ist, wird als Teil des Herstellungsverfahrens nach dem Zusammenbau
des Kraftsensors durchgeführt.
Dieser präzise
kalibrierte Kraftsensor wird an den Handspitzenbereich, wie einen
Handgelenksflansch, eines Roboters montiert. Der Roboter wird von
einer Fabrik mit dem montierten Kraftsensor ausgeliefert.
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Im
Folgenden wird eine herkömmliche
Kalibrierung des Kraftsensors anhand 5 beschrieben.
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Ein
Kalibrierungsstand 60 umfasst eine Basis 64, eine
Hebelstütze 62 auf
der Basis 64 und einen Arm 66, der mit einem Ende
am oberen Ende der Hebelstütze 62 befestigt
ist. Ein Kraftsensor 40 ist auf der Oberseite 66a des
Arms 66 montiert, und eine Kalibriervorrichtung 68 ist
auf dem Kraftsensor 40 montiert. Zudem wird ein Gewicht 70 über ein
Gehänge 72 an
der Kalibriervorrichtung 68 aufgehängt.
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Die
Kalibrierung des Kraftsensors 40 erfolgt durch Verändern der
Größe der darauf
ausgeübten
Kraft und des Moments, indem die Haltung des Kraftsensors 40,
in der er am Kalibrierungsstand 60 befestigt ist, und das
Gesamtgewicht des Gewichts 70 auf mehrerlei Weise verändert wird.
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Das
Prinzip der Kalibrierung ist im Folgenden anhand des Kraftsensors
beschrieben, der sechs axiale Kräfte
nachweist. Dazu gehören
die Translationskräfte
Fx, Fy und Fz in zueinander orthogonalen Richtungen der Achsen X,
Y und Z und die axialen Momente Mx, My und Mz um diese Achsen.
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Bei
diesem Kraftsensor zum Nachweis von sechs axialen Kräften sind
acht Dehnungsmessstreifen am Mechanismusabschnitt des Kraftsensors
als Kraftermittlungsabschnitt angebracht. Die acht Dehnungsmessstreifen
geben als Ermittlungssignale vom Kraftermittlungsabschnitt Spannungen
entsprechend Belastungen aus, die auf den Kraftsensor einwirken.
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Die
Spannungsausgabe von den Dehnungsmessstreifen wird mit v1, v2, ...
v8 bezeichnet. Die Ausgabe vom Kraftsensor wird mit den Translationskräften Fx,
Fy und Fz zusammen mit den axialen Momenten Mx, My und Mz, wie oben
angegeben, bezeichnet. Zudem wird mit C eine Kalibrierungsmatrix
von Umwandlungsparametern bezeichnet, mit denen die Kraft für die Kraftermittlung
erhalten wird, die aus den Ausgabesignalen vom Kraftermittlungsabschnitt
berechnet werden muss. Die Beziehung zwischen ihnen ist in Gleichung
1 dargestellt.
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Wird
eine bekannte Kraft Fx auf den Kraftsensor 40 ausgeübt, wird
die Beziehung der folgenden Gleichung 2 unter Verwendung einer unbekannten
Kalibrierungsmatrix C etabliert.
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Wird
diese Kraft Fx auf vielfältige
Weise variiert und m Male addiert (d.h. die Kräfte Fx1, Fx2 ... Fxm werden
addiert) und jedes Mal die Ausgabe der Dehnungsmessstreifen (v11–v1m, ...,
v81–v8m)
gemessen, gilt die folgende Beziehung 3.
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Die
obige Gleichung 3 lässt
sich als die folgende Gleichung 3' schrieben. FXT = c1TV (3')
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Gelegentlich
sind in der obigen Gleichung 3' die
Matrizen Fx und c1: Fx = [Fx1 Fx2 ... Fxm]T c1 = [c11 c12 ...
c18]T
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Die
Matrix V wird durch die folgende Gleichung 4 wiedergegeben.
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Die
Lösung
der Matrix c1 mithilfe der Kleinste-Quadrate-Näherung wird durch Gleichung
6 als das c1 bestimmt, das den Wert der folgenden Gleichung 5 minimiert. E2 =
(FxT – c1TV)T(FxT – c1TV) (5) c1T =
FxTVT(WT) (6)
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In
der oben beschriebenen Gleichung 6 ist V
T (W
T)
–1 eine pseudoinverse
Matrix einer Matrix V. Werden die Kräfte der anderen, von der Kraft
Fx verschiedenen Elemente gleichzeitig angewendet und die Ausgabe des
Kraftsensors aufgezeichnet, wird die Beziehung der folgenden Gleichung
7 ebenso erhalten.
oder
F = CV -
Gelegentlich
ist F in Gleichung 7' eine
Matrix, die durch die folgende Gleichung 8 wiedergegeben wird und
die Ausgabe des Kraftsensors, m Male gemessen, umfasst.
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Die
durch die obige Gleichung 7 oder 7' gegebene Kalibrierungsmatrix C kann
durch die folgende Gleichung 9 gefunden werden. C = FVT(WT)–1 (9)
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Zur
Gewinnung der pseudoinversen Matrix der Matrix V ist es notwenig
und ausreichend, auf den Kraftsensor solche Kräfte und Momente auszuüben, dass
acht oder mehr Sätze
von linear unabhängigen
Dehnungsmessstreifenausgaben erhalten werden.
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Die
auf diese Weise erhaltene Kalibrierungsmatrix C wird gespeichert.
Wird der Roboter in Betrieb gesetzt und Kräfte durch den Kraftsensor ermittelt,
werden die Ausgabe von den Dehnungsmessstreifen des Kraftsensors
(v1, v2 ... v8) und diese Kalibrierungsmatrix C in die arithmetische
Operation der Gleichung 1 eingesetzt, und die Translationskräfte Fx,
Fy und Fz und die Momente Mx, My und Mz werden ermittelt.
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Wird
dagegen eine zu hohe Belastung auf den Kraftsensor ausgeübt, und
es kommt zu plastischer Verformung oder dergleichen, nimmt die Messgenauigkeit
ab. Dem Stand der Technik zufolge ist es dann nötig, den Kraftsensor zeitweise
vom Roboter zu entfernen und die oben beschriebene Kalibrierung
mit dem Stand 60, der Kalibrierungsvorrichtung 68 und
anderen oben beschriebenen Bauteilen erneut durchzuführen und eine
neue Kalibrierungsmatrix C zu finden und zu speichern. Dies bringt
nicht nur viel Ärger
mit sich, sondern kann auch zu einer leichten Montageverschiebung
bei der Montage/Abmontage führen,
weil der an einer Spitze des Roboters angebrachte Kraftsensor montiert
und wieder abmontiert wird. Ist insbesondere der Versatz zwischen
der Abschlussplatte des Roboters und der Spitze des Werkzeugs groß, ist oft
die Verschiebung des Werkzeugmittelpunkts (tool center point, TCP)
zu signifikant, als dass sie ignoriert werden könnte. Dadurch ist eine Feinabstimmung
bei der Programmierung des Roboters erforderlich.
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US-A-4
620 436 beschreibt ein Verfahren zum Kalibrieren des Kraftsensors
eines Roboters nur mit Hilfe des Roboters. Mindestens zwei Bauteile
mit unterschiedlichem vorbestimmtem Gewicht werden gemäß einem
vorgeschriebenen Programm in eine Mehrzahl von Positionen gebracht
und sind dabei am Roboter montiert. Die gewichtsabhängigen Kräfte, die
auf den Kraftsensor wirken, sind für diese vorbestimmten Positionen bekannt,
so dass auf der Basis der ermittelten Ausgabesignale vom Kraftermittlungsabschnitt
des Kraftsensors eine neue Kalibrierungsmatrix berechnet werden
kann.
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Zwei
Aspekte der Erfindung sind in den beigefügten unabhängigen Ansprüchen 1 und
5 angegeben.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein Kraftsensor bereitgestellt, der eine leichte
Rekalibrierung gestattet, während
er an der Handspitze des Roboters montiert bleibt. Sogar wenn es zu
einem Unfall, wie einer Kollision, des Kraftsensors kommt, während er
am Roboter montiert in Gebrauch ist, wodurch der Kraftsensor überlastet
und sein Mechanismusabschnitt plastisch verformt wird und sich die Messgenauigkeit
verschlechtert, kann er einer vereinfachten Kalibrierung unterworfen
werden, die nur minimale Arbeitstunden mit sich bringt und keinen
Ersatz erfordert.
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Bezugsdaten
zur Durchführung
der vereinfachten Kalibrierung, ohne dass der Kraftsensor vom Roboter
abmontiert werden muss, werden zuvor aufgenommen und gespeichert.
Wird eine Rekalibrierung aufgrund eines Abfalls der Messgenauigkeit
aus irgendeinem Grund erforderlich, kann die vereinfachte Kalibrierung
unter Verwendung der Bezugsdaten durchgeführt werden.
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So
kann die Rekalibrierung des Kraftsensors unter Verwendung von Werkzeugen
für die
herkömmliche
Verwendung oder anderen Bauteilen durchgeführt werden, ohne dass der Kraftsensor
vom Roboter abmontiert werden muss und ohne dass ein Gewicht oder
dergleichen verwendet werden muss, dessen Gewicht und Schwerpunktposition
genau bekannt sind. So kann der Kraftsensor in einer kurzen Zeitspanne
wieder in seinen Normalzustand gebracht werden.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung und um zu zeigen, wie diese in Kraft gesetzt werden
kann, wird nun beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.
Es zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm eines Roboters zur Durchführung der erfindungsgemäßen Kalibrierung
und einer Robotersteuerung zum Steuern des Roboters;
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2 ein
Fließschema,
das das Verfahren veranschaulicht, bei dem die Robotersteuerung
der 1 die Kalibrierung durchführt;
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3 ein
Fließschema,
das das Verfahren veranschaulicht, bei dem die Robotersteuerung
der 1 Kräfte
ermittelt;
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4 eine
Tabelle, die die Aufnahme und Umwandlung von Parametern nachvollzieht;
und
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5 eine
herkömmliche
Vorrichtung, die zur Kalibrierung von Kraftsensoren verwendet wird.
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Zunächst werden
ein Verfahren zur Aufnahme von Bezugsdaten und das Durchführprinzip
der erfindungsgemäßen vereinfachten
Kalibrierung beschrieben. Die folgende Beschreibung bezieht sich
beispielhaft auf einen Kraftsensor, der, an einem Roboter montiert,
acht Dehnungsmessstreifen als Kraftermittlungsabschnitt besitzt
und sechs axiale Kräfte
ermitteln kann, umfassend die Translationskräfte in den orthogonalen Richtungen
der Achsen X, Y und Z sowie das axiale Moment um diese Achsen.
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Aufnahme von Bezugsdaten
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Funktioniert
ein an einem Roboter montierter Kraftsensor normal, nachdem der
mit dem bereits kalibrierten Kraftsensor ausgestattete Roboter von
seiner Fabrik versandt und aufgestellt wurde, werden Bezugsdaten
aufgenommen, indem ein Werkzeug oder ein anderes Bauteil, das die
Benutzer des Roboters rountinemäßig einsetzen
und dessen Gewicht und Schwerpunktsposition sich durch Altern nicht
verändern
(wobei es sogar unerheblich ist, wenn Gewicht und Schwerpunktsposition
unklar sind) als Kalibrierungswerkzeug ausgewählt wird. Dieses Werkzeug wird
am Handgelenk des Roboters montiert. Die Haltung des Roboters wird
auf vielfältige
Weise verändert,
indem ein vorgeschriebenes Betriebsprogramm für die Veränderung der Haltung des Kraftsensors
durchgeführt
wird.
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Zunächst wird
der Roboter in einer willkürlichen
Haltung positioniert, und eine Vor-Ausgabe, die von dem obengenannten
vorgeschriebenen Betriebsprogramm vorbestimmt wird, wird erhalten.
Die Spannungen, die zu diesem Zeitpunkt von den acht Dehnungsmessstreifen
als dem Kraftermittlungsabschnitt des Kraftsensors ausgegeben werden,
werden ermittelt, und eine Vor-Ausgabematrix vb wird gespeichert
als vb = [vb1 vb2 ... vb8]T wobei
vb1, vb2 ... vb8 für
die Ausgabespannungen von den acht Dehnungsmessstreifen stehen.
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Gemäß dem oben
beschriebenen vorgeschriebenen Betriebsprogramm wird der Roboter
in n Haltungspositionen bewegt, die sich von der obengenannten Haltung
zur Gewinnung der Vor-Ausgabe und voneinander unterschieden. Eine
Kraft und ein Moment, die n Sätze
von linear unabhängigen
Dehnungsmessstreifenausgaben ergeben können, werden auf den Kraftsensor
ausgeübt.
Diese Zahl n ist entweder gleich oder größer als die Anzahl Dehnungsmessstreifen
(bei einem Kraftsensor für
sechs axiale Kräfte
mit acht Dehnungsmessstreifen ist deshalb n ≥ 8).
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In
dieser Haltungsposition werden die Ausgaben der Dehnungsmessstreifen
(va11, va12 ... va18; va21, va22 ... va28; van1, van2 ..., van8)
ermittelt. Eine Matrix (va1, va2 ... van) wird aus den ermittelten
Ausgaben erhalten. Anschließend
werden gemäß dieser
Matrix Bezugsdaten V0, die die Veränderungsrate von Signalen vom
Kraftermittlungsabschnitt darstellen, die durch die Veränderungen
in der Haltung des Kraftsensors bewirkt wird, durch die folgende
Gleichung 10 ermittelt und gespeichert.
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Zudem
werden Bezugskraftmomentdaten F0 als Bezugsdaten, die das Kraftmoment
ausdrücken, durch
die folgende Gleichung 11 wiedergegeben. F0 = CV0 (11)
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Durchführung der vereinfachten Kalibrierung
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Ist
eine Rekalibrierung erforderlich, weil der Kraftsensor bei der Benutzung
der Roboters zufällig überlastet
wurde und die Messgenauigkeit abnimmt, wird eine erfin dungsgemäße vereinfachte
Kalibrierung durchgeführt,
ohne dass der Kraftsensor vom Roboter abmontiert werden muss.
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Die
vereinfachte Kalibrierung verwendet das obengenannte Kalibrierungswerkzeug
und das Betriebsprogramm, die verwendet werden, müssen Bezugsdaten
V0 aufgenommen werden. Das Kalibrierungswerkzeug wird am Handgelenk
des Roboters montiert, und man lässt
den Roboter das oben beschriebene Betriebsprogramm ausführen. Die
Vor-Ausgabematrix v'b
der Dehnungsmessstreifen und die Ausgabematrix der Dehnungsmessstreifen
in jeder Haltung [v'a1,
v'a2 ... V'an] werden unter
den gleichen Bedingungen wie bei der Aufnahme der Bezugsdaten erhalten.
Daten V'0, die den
Bezugsdaten V0 entsprechen, werden durch die arithmetische Operation
der folgenden Gleichung 12 erhalten.
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Weil
das Produkt der Multiplikation von Stromdaten V'0, die die Veränderungsrate der Dehnungsmessstreifen-Ausgabesignale
ausdrücken,
die sich aus der Haltungsveränderung
des Kraftsensors zu diesem Zeitpunkt durch die neu zu berechnende
Kalibrierungsmatrix C' ergibt,
gleich den Bezugskraftmomentdaten F0 sein muss, die durch die obige
Gleichung 11 erhalten wurden, muss anschließend eine neue Kalibrierungsmatrix
C' berechnet werden.
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Somit
ist C'V'0 = F0 = CV0 (13)
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Aus
der obigen Gleichung 13 wird abgeleitet: C' =
CV0 V'0T(V'0 V'0T)–1 =
CM (14)mit
der Maßgabe,
dass M wie folgt definiert ist: M = V0 V'0T(V'0
V'0T)–1 (15)
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Dieser
Parameter M wird durch die obige Gleichung 15 berechnet und gespeichert.
Soll ein Roboter, an dem die vereinfachte Kalibrierung noch nicht
durchgeführt
wurde, aus der Fabrik versandt werden, wird die Einheitsmatrix I
als dieser Parameter M gespeichert.
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In
den obigen Gleichungen 13 bis 15 ist C die Kalibrierungsmatrix zu
dem Zeitpunkt, wenn der Kraftsensor montiert, von der Fabrik versandt
und installiert wird und die Bezugsdaten V0 aufgenommen werden, und
umfasst die Daten, die in einer Steuerung gespeichert sind. Zudem
sind die Daten V0 die Bezugsdaten, die durch die Bezugsdatenaufnahme
erhalten und gespeichert werden. Weil die Daten V'0 durch die laufende Durchführung des
Betriebsprogramms aufgenommen werden, wird schließlich zudem
eine neue Kalibrierungsmatrix C' durch
die obige Gleichung 14 erhalten. Der obengenannte Parameter M wird
durch Gleichung 15 erhalten.
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4 ist
eine Tabelle, die die Aufnahme der Bezugsdaten und die Datenaufnahme
durch die oben beschriebene vereinfachte Kalibrierung zusammenfasst.
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Verwendung des Kraftsensors
nach vereinfachter Kalibrierung
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Die
Kraftmessung mit dem Kraftsensor, nachdem er der oben beschriebenen
vereinfachten Kalibrierung unterworfen wurde, ergibt drei Translationskräfte und
drei Momente durch die arithmetische Operation der folgenden Gleichung
16.
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Besteht
die Ausgabematrix v aus den Ausgaben der Dehnungsmessstreifen (v1,
v2 ... v8) als Kraftermittlungsabschnitt, ist: v
= [v1 v2 ... v8]T die zu berechnende
Ausgabe f des Kraftsensors ist: f = [Fx Fy Fz
Mx My Mz]T wird die Ausgabe f durch
die folgende Gleichung 16 wiedergegeben. f = C'v
= CMv (16)
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Verfahren zur Überprüfung des
Kraftsensorstatus
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Eine Überprüfung, ob
die Messgenauigkeit des Kraftsensors abgefallen ist oder nicht,
erfolgt durch Montieren des oben beschriebenen Kalibrierungswerkzeugs
am Roboter, Bewegen des Roboters in die Haltung zur Gewinnung der
oben beschriebenen Vor-Ausgabematrix vb, Messen der Spannungsausgabe
von den Dehnungsmessstreifen, die den Kraftermittlungsabschnitt
des Kraftsensors ausmachen, Beobachten, ob die Messergebnisse jeweils
identisch mit den Werten der entsprechenden Elemente der gespeicherten
Vor-Ausgabematrix vb sind oder nicht, und Überprüfen der Verschiebung des Kraftsensor-Nullpunkts.
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Weil
diese Vor-Ausgabematrix vb' jedes
Mal erneuert und gespeichert wird, wenn die vereinfachte Kalibrierung
der 4 durchgeführt
wird, kann zudem jeder Abfall in der Kraftsensorgenauigkeit ermittelt
werden, indem diese Vor-Ausgabematrix vb' verglichen wird, sogar wenn die vereinfachte
Kalibrierung viele Male durchgeführt
wird.
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Der
Hauptteil des Roboters für
die Implementierung des erfindungsgemäßen Kalibrierungsverfahrens ist
im Blockdiagramm der 1 dargestellt.
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Eine
Robotersteuerung RC besteht hauptsächlich aus einem Hostcomputer 10 zum
Steuern des gesamten Robotersystems; einem ROM 11, einem
RAM 12, einem permanenten Speicher 13, einem Eingabe/Ausgabe-Kreis 14,
einer Einheit 15 zur Schnittstellenbildung mit einer Programmiersteuerkonsole 20,
einem gemeinsamen RAM 16, die sämtlich mit dem Hostcomputer 10 durch
einen Bus 19 verbunden sind, und einem digitalen Servokreis 17 sowie
einem Rückkopplungsregister 18,
die mit dem Hostcomputer über
den gemeinsamen RAM 16 verbunden sind.
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ROM 11 speichert
eine Mehrzahl von Systemprogrammen. RAM 12 ist ein Speicher,
der zur temporären
Datenspeicherung verwendet wird. Im permanenten Speicher 13 ist
eine Mehrzahl von Programmen gespeichert, wie ein Betriebsprogramm
für den
Roboter oder Betriebsprogramme für
einen Kraftsensor 40 und einen Endeffektor (Werkzeug) 31 als
externe Einheiten. Zudem sind im permanenten Speicher 13 auch
die später
in Verbindung mit der Erfindung beschriebenen Bezugsdaten V0 und
Programme zur Durchführung
der vereinfachten Kalibrierung gespeichert.
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Der
Eingabe/Ausgabe-Kreis 14 ist mit dem Kraftsensor 40 verbunden,
der am Handgelenksflansch des Roboters 30 montiert ist.
Zudem ist er mit dem Endeffektor (Werkzeug) 31 verbunden,
das über
den Kraftsensor 40 mit dem Handgelenksflansch verbunden
ist. Außerdem
ist die Programmiersteuerkonsole 20, die mit einer Flüssigkristallanzeige
(LCD) und einer Tastatur (KB) ausgestattet ist, mit der Schnittstelleneinheit 15 verbunden.
Dadurch ist es möglich,
den Roboter 30 über
die Programmier steuerkonsole 20 mit Betriebsprogrammen
zu programmieren und eine Mehrzahl von Befehlen einzugeben.
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Der
gemeinsame RAM 16 sendet dem Prozessor des digitalen Servokreises 17 Bewegungsbefehle oder
Steuersignale, die vom Hostcomputer 10 ausgegeben werden,
oder umgekehrt eine Mehrzahl von Signalen vom Prozessor des digitalen
Servokreises 17 zum Hostcomputer 10.
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Der
digitale Servokreis 17, der neben anderen Elementen einen
Prozessor, einen ROM und einen RAM umfasst, steuert Servomotoren
jeder Roboterachse, indem er eine Servosteuerung (Rückkopplungssteuerung
von Positionen, Geschwindigkeiten und Strömen) mittels Software-Steuerung
anhand von Bewegungsbefehlen für
jede Roboterachse, die über
den gemeinsamen RAM 16 gesendet werden, und der Rückkopplungswerte
für Position,
Geschwindigkeit und Strom der Servomotoren zum Antreiben jeder Achse
durchführt, die
zurückgesendet
und im Rückkopplungsregister
gespeichert werden, so dass der Roboter 30 angetrieben wird.
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Die
Bauweise der oben beschriebenen Robotersteuerung oder dergleichen
unterscheidet sich in keiner Weise von einer herkömmlichen
Robotersteuerung. Die Erfindung gestattet es aber, einen herkömmlichen, am
Roboter 30 montierten Kraftsensor zu kalibrieren, wie oben
beschrieben, ohne dass der Kraftsensor 40 vom Roboter 30 abmontiert
werden muss. Erfindungsgemäß sind die
Software und die Kalibrierungsmatrix C des Kraftsensors 40,
die genau kalibriert ist, wird der Roboter 30 von der Fabrik
versandt, und die Einheitsmatrix I als oben beschriebener Parameter
M im permanenten Speicher 13 in der Robotersteuerung RC
gespeichert, so dass die erfindungsgemäße Kalibrierung anschließend durchgeführt werden
kann. Diese Merkmale der Erfindung weist der Stand der Technik nicht
auf.
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Wird
der Roboter 30 aufgestellt und für die Inbetriebnahme bereit
gemacht, wird zuerst die Aufnahme von Bezugsdaten verarbeitet.
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Die
vom Hostcomputer 10 in der Robotersteuerung in 1 durchgeführte erfindungsgemäße Kalibrierung
ist im Folgenden anhand der Fließschemas der 2 erläutert.
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Werden
Bezugsdaten aufgenommen, wird ein Werkzeug oder ein anderes Bauteil
einer Art, die die Benutzer des Roboters routinemäßig einsetzen,
dessen Gewicht und Schwerkraftposition sich durch Alterung nicht
verändern,
als Kalibrierungswerkzeug 31 ausgewählt. Das Kalibrierungswerkzeug 31 wird
am Handgelenk des Roboters montiert, dem ein Befehl zur Aufnahme
der Bezugsdaten von der Programmiersteuerkonsole 20 übermittelt
wird.
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Wird
dieser Befehl eingegeben, gibt der Hostcomputer 10 zunächst einen
Bewegungsbefehl für
die Bewegung in eine Haltung, so dass eine Vor-Ausgabe erhalten
wird. Der digitale Servokreis 17 erhält den Bewegungsbefehl über den
gemeinsamen RAM 16, führt
eine Rückkopplungssteuerung
von Positionen, Geschwindigkeiten und Strömen durch, so dass der Servomotor
jeder Achse gesteuert wird, und positioniert den Roboter 30 in
einer vorbestimmten Haltung, so dass die Vor-Ausgabe erhalten wird
(Schritt S1). Dann werden die Dehnungsmessstreifenausgaben vom Kraftsensor 40,
v1, v2 ... v8, (diese Ausführungsform
verwendet einen Kraftsensor mit acht Dehnungsmessstreifen zur Ermittlung
von sechs axialen Kräften)
berechnet und als Vor-Ausgabematrix
vb gespeichert (Schritt S2).
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Dann
wird ein Bewegungsbefehl für
eine erste Haltung ausgegeben. Der Roboter 30 wird in der
ersten Haltung positioniert (Schritt S3-1). Dann werden die Dehnungsmessstreifenausgaben
des Kraftsensors 40, v1, v2 ... v8, die erhalten werden,
befindet sich der Roboter 30 in der ersten Haltung, als
eine Ausgabematrix va1 in der ersten Haltung gespeichert (Schritt
S4-1).
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Danach
wird der Roboter 30 nacheinander in vorbestimmte zweite,
dritte ... zehnte Haltungen bewegt. Die Dehnungsmessstreifenausgaben
werden ermittelt, hat der Roboter 30 einzelne Haltungen
inne, und Ausgabematrizen va2, va3 ... va10 werden berechnet und
gespeichert (Schritte S3-2, S4-2 bis Schritt S3-10, S4-10).
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Bei
dieser Ausführungsform
ist n in Gleichung 10 gelegentlich 10 (n = 10), was sich von dem
Wert n für
die Haltung zur Gewinnung der Vor-Ausgabematrix unterscheidet, aber
dazu gedacht ist, Dehnungsmessstreifenausgaben zu ermitteln, während die
voneinander verschiedenen Positionen von der ersten bis zur zehnten
gehalten werden, wobei die Haltungen zehn linear unabhängige Dehnungsmessstreifenausgaben
erhalten können,
also mehr als die Anzahl (8) der Dehnungsmessstreifen, die den Kraftermittlungsabschnitt
des Kraftsensors ausmachen.
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In 2 wurde
auf eine Darstellung der Schritte S3-2 bis S3-9 und der Schritte
S4-2 bis S4-9 verzichtet.
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Die
Ausgabematrizen va1, va2 ... van können auf diese Weise berechnet
werden. Die Vor-Ausgabematrix vb wird der arithmetischen Operation
von Gleichung 10 und anschließend
der Berechnung der Differenz-Ausgabematrix V (Schritt S5) unterworfen.
Es wird ermittelt, ob es sich um einen Befehl zur Aufnahme der Bezugsdaten
oder zur Ausführung
der vereinfachten Kalibrierung (Schritt S6) handelt. Weil es sich
um einen Befehl zur Aufnahme von Bezugsdaten handelt, wird in diesem
Fall die berechnete Differenz-Ausgabematrix V als Bezugsdaten V0
gespeichert (Schritt S7). Diese Verarbeitung für die Bezugsdatenaufnahme wird
dadurch beendet.
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Ist
bei üblichem
Roboterbetrieb die Ausgabe des Kraftsensors 40 erforderlich,
führt der
Hostcomputer 10 in der Robotersteuerung RC eine Kraftermittlungsverarbeitung,
wie in 3 gezeigt, durch und berechnet sechs axiale Kräfte.
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Die
Dehnungsmessstreifenausgaben des Kraftsensors 40, v1, v2
... v8, werden abgelesen (Schritt T1); die Matrix v, die aus diesen
Ausgaben besteht, die gespeicherte Kalibrierungsmatrix C und der
Parameter M, der aus der obengenannten Einheitsmatrix I besteht,
werden der arithmetischen Operation von Gleichung 16 unterworfen;
sechs axiale Kräfte
Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz werden berechnet und ausgegeben (Schritt
T2); dadurch wird die Kraftermittlungsverarbeitung abgeschlossen.
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Ist
beim Betrieb des Roboters 30, der mit dem Kraftsensor 40 ausgestattet
ist, eine Rekalibrierung erforderlich, weil der Kraftsensor 40 zufällig überlastet
wurde und die Messgenauigkeit des Kraftsensors 40 abfällt, wird
dann das Kalibrierungswerkzeug 31 am Handgelenk des Roboters
montiert. Ein Befehl wird die vereinfachte Kalibrierung wird von
der Programmiersteuerkonsole 20 eingegeben.
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Gemäß diesem
Befehl beginnt der Hauptprozessor 10 mit der in 2 dargestellten
Verarbeitung. Die Prozeduren von Schritt S1 bis Schritt S6 sind
die gleichen, wie sie zur Aufnahme der Bezugsdaten, wie oben beschrieben,
ausgeführt
werden. Wird im Schritt S6 entschieden, dass ein Befehl zur vereinfachten
Kalibrierung eingegeben wurde, fährt
das Verfahren bis zum Schritt 8 fort, an dem die im Schritt 5 erhaltene
Differenz-Ausgabematrix V als Daten V'0 gespeichert wird, die den Bezugsdaten
entsprechen. Daten V'0,
die den Bezugsdaten entsprechen, werden also durch die arithmetische
Operation von Gleichung 12 durch die Verfahren der Schritte S5 und
S8 berechnet.
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Dann
werden die berechneten Daten V'0
und die Bezugsdaten V0 zusammen mit dem Parameter M der arithmetischen
Operation der Gleichung 15 unterwofen. Die so erhaltene Matrix M' wird als neuer Parameter
M gespeichert (Schritte S9 und S10), so dass die vereinfachte Kalibrierung
abgeschlossen wird.
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Werden
Kräfte
vom Kraftsensor 40 ermittelt, wird danach gemäß der in 3 gezeigten
Verarbeitung der im Schritt S10 erneuerte Parameter M zur Berechnung
der sechs axialen Kräfte
im Schritt T2 verwendet.
