DE69932791T2 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung eines roboters - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur steuerung eines roboters Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Regelsystem und ein Verfahren zum Regeln und Korrigieren der räumlichen Lage des Positionierungskopfes eines Roboters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 7. Im Folgenden umfasst der Begriff „Roboter" auch Werkzeugmaschinen beispielsweise vom Typ NC, denn in bestimmten Anwendungsfällen arbeitet der vorliegende Roboter als eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine.
  • STAND DER TECHNIK:
  • Aus dem schwedischen Patent SE 8502327-3 (452 279) ist bereits ein Roboter mit einem Positionierkopf bekannt, wo der Roboter mindestens drei Einstellvorrichtungen umfasst, die sich in Längsrichtung verlängern und verkürzen lassen. Jede Einstellvorrichtung ist in einem festen Rahmen mittels eines ersten Gelenks befestigt, so dass jede Einstellvorrichtung in alle Richtungen in Bezug auf den Rahmen schwenkbar ist. Jede Einstellvorrichtung ist auch an einem Ende in einem bewegbaren Positionierungskopf über ein zweites Gelenk befestigt. Ein starrer Arm ist auch angelenkt und steht aus dem Positionierungskopf zwischen den Einstellvorrichtungen hervor, wobei der Arm radial geführt, aber axial in einem Universalgelenk relativ und starr verbunden mit dem Rahmen verschiebbar gelagert ist.
  • Ein ähnlicher Roboter ist auch bekannt, in dem die Einstellvorrichtungen in einem verschiebbaren Läufer mittels eines ersten Gelenks befestigt sind, und der Läufer in einem festen Rahmen festgemacht ist, so dass jede Einstellvorrichtung in alle Richtungen bezüglich des Rahmens schwenkbar ist. Das Gelenk ist somit indirekt am Rahmen befestigt.
  • Der Stand der Technik wird auch durch die Patentschrift SE 509 505 repräsentiert, die ein Positionierverfahren zeigt, worin der Platz eines Arbeitsgegenstands in Bezug auf einen Positionierkopf durch Registriermittel festgelegt wird, wobei der Positionierkopf im Raum eingemessen und korrigiert wird, wo auch eine Einrichtung für eine solche Festlegung gezeigt ist.
  • Auch zeigt die Patentschrift US 4 790 718 einen ähnlichen Roboter mit drei Armen und mit einem Rückkopplungs-Regelsystem, das in einem sphärischen Koordinatensystem arbeitet.
  • Diese bekannten Roboter werden durch jede Einstellvorrichtung gesteuert, die einen Motor zum Verlängern oder Verkürzen der Einstellvorrichtung aufweist. Die Steuerung wird durch die Einstellvorrichtungen bewirkt, die linear auf einen vorbestimmten Platz des Positionierkopfes gesteuert werden, oder der Positionierkopf wird entlang eines vorbestimmten Bewegungsmusters gesteuert. Dabei gibt es keine Regelung des eingestellten Platzes des Positionierkopfes, was bedeutet, dass der Einfluß von Kraft und Temperatur auf die Einstellvorrichtungen, Gelenke, den Positionierkopf usw. zu einem Unterschied zwischen dem gewünschten Einstellpunkt und der tatsächlichen Position führt.
  • Der Unterschied zwischen dem Einstellpunkt und der tatsächlichen Position ist unbefriedigend und führt zu einer verringerten Genauigkeit bei Gebrauch des Roboters.
  • AUFGABE DER ERFINDUNG:
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit eines Roboters der vorstehend beschriebenen Art zu erhöhen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
  • Die Aufgabe wird gelöst durch das Anordnen eines Rückkoppel-Regelsystems zum Ergänzen des vorhandenen Regelsystems. Ein Kennzeichen der Erfindung ist erstens, dass das vorhandene Regelsystem und das Rückkopplungs-Regelsystem die Koordinaten des Positionierkopfes in verschiedenen Koordinatensystemen anzeigen. Zweitens sind die Sensoren des Rückkoppel-Regelsystems für die Messung an einem Bauteil angeordnet, das im Roboter bewegbar ist und dessen Bewegung begleitet, aber das spannungsfrei ist. Das Bauteil ist also unbeeinflusst von Temperatur oder Kraft.
  • Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Regelsystem für einen Roboter gemäß Patentanspruch 1.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Regeln des Ortes des Positionierkopfes eines Roboters gemäß Patentanspruch 7.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
  • Im Folgenden wird die Erfindung mittels der Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
  • 1 zeigt eine Vorderansicht des Roboters gemäß der Erfindung.
  • 2 zeigt eine Ansicht eines Festhalters für ein Universalgelenk gemäß der Erfindung.
  • 3 zeigt eine Perspektivansicht eines zentralen Arms, der im Universalgelenk gesteuert wird, wo das Gelenk mit Sensoren ausgestattet ist, die in einem gesonderten Koordinatensystem arbeiten, gemäß der Erfindung.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft direkt einen Roboter 1, der mindestens drei Einstellvorrichtungen 2, 3, 4 hat, die in der Längsrichtung verlängert oder verkürzt werden können, wobei jede Einstellvorrichtung in einem festen Rahmen 6 über ein erstes Gelenk 20, 30, 40 festgemacht ist, so dass jede Einstellvorrichtung 2, 3, 4 in alle Richtungen in Bezug auf den Rahmen 6 schwenkbar ist. Jede Einstellvorrichtung ist auch an einem Ende in einem bewegbaren Positionierkopf 8 über ein zweites Gelenk 21, 31, 41 befestigt. Ein Zwischenarm 10 ist auch zwischen den Einstellvorrichtungen 2, 3, 4 befestigt und steht aus dem Positionierkopf 8 hervor. In der 1 ist die Einstellvorrichtung 3 mit ihrem ersten Gelenk 30 und dem zweiten Gelenk 31 durch diesen Zwischenarm 10 verdeckt, jedoch sind diese Teile durch Pfeile angedeutet. Ähnlich wie in der Patentschrift SE 8502327 (452 279) hat jede Einstellvorrichtung die Form eines Kolbens, der in einem Zylinder verschiebbar ist.
  • Der Arm 10 ist mit dem Positionierkopf 8 verbunden und erstreckt sich zwischen die Einstellvorrichtungen hinauf. Er wird radial in einem Universalgelenk 12 geführt, das am Rahmen 6 sitzt. Das Universalgelenk 12 ermöglicht dem Arm axial durch das Gelenk zu gleiten, während er radial geführt wird. Das Universalgelenk 12 erlaubt es auch dem Arm 10 um einen Winkel α um eine zweite Achse gedreht zu werden. Die erste und die zweite Achse schneiden sich im Winkel von 90°.
  • Jede Einstellvorrichtung 2, 3, 4 wird von einem Motor 22, 32, 42, vorzugsweise einem Elektromotor, gemäß einem vorher festgelegten Bewegungsmuster angetrieben. Das Bewegungsmuster bildet die Basis eines Steuersystems S1, das zugehörige Motoren 22, 32, 42 aktiviert, um die Einstellvorrichtungen zu verlängern oder zu verkürzen, wodurch die Verschiebung des Positionierkopfes 8 zu einem spezifischen Ort in seinem Arbeitsraum verursacht wird, oder zum kontinuierlichen Bewegen des Positionierkopfes 8 entlang einer vorgegebenen Kurve im Arbeitsraum. Jede Einstellvorrichtung ist mit einem Winkelmesswandler ausgestattet, der die Position des Motors misst, welche den longitudinalen Platz der Einstellvorrichtung darstellt, und ist somit synonym mit einem Längen-Sensor LS1, LS2, LS3, wobei die Sensoren einen Teil des Steuersystems S1 zum Steuern des Platzes X, Y, Z des Positionierkopfes im Arbeitsraum des Roboters bilden. Der Positionierkopf 8 wird auf diese Weise zu einer Position X, Y, Z in einem kartesischen Koordinatensystem geführt, wie das durch das Koordinatensystem in 1 angedeutet ist. Wie auch aus 1 deutlich wird, ist ein Werkzeugkopf 14 mit dem Positionierkopf 8 mittels Verbundmittel verbunden, welche festlegen, ob der Roboter 4, 5 oder 6 Achsen haben soll. Es sind auch mehr als sechs Achsen möglich.
  • Die 2 zeigt einen Teil des Roboters mit dem Arm 10 und einem Gehäuse 13 des Universalgelenks, aus dem das Innenteil des Universalgelenks 12 freigelegt ist. Das Gehäuse 13 des Universalgelenks trägt auch extern die ersten Gelenke 20, 30, 40. Wie aus der 2 hervorgeht, sind all diese ersten Gelenke vom Universaltyp, d.h. die Einstellvorrichtungen können im Gelenk oberhalb zweier senkrechter Achsen drehen. Jedoch gestatten die Gelenke nicht, dass die Einstellvorrichtungen axial durch die Gelenke hindurch verschoben werden. Wie vorstehend beschrieben, wird die Bewegung in axialer Richtung dadurch erhalten, dass die Einstellvorrichtung verlängert oder verkürzt wird.
  • Die 3 zeigt den Arm 10 und die Innenteile des Universalgelenks 12, d.h. die im Gehäuse 13 des Universalgelenks montierten Teile. Diese inneren Teile bestehen aus einem Innenring 18 und einem Außenring 19. Der Arm 10 kann im Innenring 18 gleiten, ist aber gegen ein Drehen verriegelt durch Gleitschienen 50, die sich gegenüberliegend am Arm 10 platziert sind und in Haltern 51 im Innenring verlaufen. Extern ist der Innenring mit festen gegenüberliegenden Lagerstiften 60 ausgestattet, die schwenkbar im Außenring 19 angelenkt sind. Der Außenring weist auch feste gegenüberliegende Lagerstifte 70 auf, die im Gehäuse 13 des Universalgelenks angelenkt sind. Alle Lagerstifte sind in ein- und derselben Ebene angeordnet, aber eine axiale Gerade durch die Lagerstifte des Innenrings schneidet eine axiale Gerade durch die Lagerstifte des Außenrings in einem Winkel von 90°.
  • Das Bewegungsmuster für den Arm 10 im Universalgelenk 12 sieht so aus, dass er in einem Winkel α um eine erste universale Achse und um einen Winkel β um eine zweite universale Achse drehbar ist. Der Arm kann auch die Distanz l im Innenring 18 gleiten. Weil der Arm an den Positionierkopf 8 angelenkt ist, bedeutet das, dass er alle Positionen Xn, Yn, Zn in einem definierten Arbeitsraum einnehmen kann, nur beschränkt durch die Bauweise des Roboters.
  • Die 3 zeigt auch, dass der Außenring 19 mit einem ersten Winkelsensor 71 versehen ist, siehe auch 1, der den Winkel α des Arms um die erste universale Achse misst. Der Außenring besitzt auch einen zweiten Winkelsensor 72, der den Winkel β des Arms um die zweite universelle Achse misst. Des weiteren ist eine Längensensor 73, vorzugsweise in Gestalt einer Glas-Skalenschiene, entlang des Arms angeordnet, um den Längen-Ort 1 des Arms zu messen. Diese drei Sensoren erzeugen Koordinaten entsprechend dem Ort des Positionierkopfes 8 in einem sphärischen Koordinatensystem, wie in 3 angedeutet. Dieser Ort im Kugelkoordinatensystem stellt den tatsächlichen Ort des Positionierkopfes 8 dar. Dieser aktuelle Ort wird im oben erwähnten kartesischen Koordinatensystem mittels einer Koordinaten-Transformation erhalten.
  • Die Koordinaten-Transformation wird gewonnen durch die Gleichungen: Xa = l sinα cosβ Ya = l sinα sinβ Za = l cosα
  • Der Positionierkopf 8 wird somit im kartesischen Koordinatensystem zum Ort (Xb, Yb, Zb) gesteuert, der einen Einstellpunkt darstellt. Der Ort wird danach durch die Sensoren 71, 72, 73 detektiert, die einen tatsächlichen (aktuellen) Ort (α, β, l) im sphärischen Koordinatensystem angeben. Die Koordinatentransformation wird durchgeführt, wonach ein aktueller Ort (Xa, Ya, Za) im kartesischen Koordinatensystem erhalten wird. Danach wird der Unterschied (ΔX, ΔY, ΔZ) zwischen dem Einstellpunkt und dem tatsächlichen Punkt im kartesischen Koordinatensystem berechnet. Diese Differenz wird schließlich zum vorherigen Einstellpunkt (Xb, Yb, Zb) addiert, um einen neuen Einstellpunkt (Xn, Yn, Zn) zu bekommen. Diese Detektierungen und Berechnungen werden ständig für eine Rückkopplungs-Regelung wiederholt, und eine erhöhte Genauigkeit des Platzes (Ortes) des Positionierkopfes wird durch Kompensation von Kraft, Temperatur und mechanischen Abweichungen in der Maschine gewonnen.
  • Die Abweichung (ΔX, ΔY, ΔZ) zwischen dem Einstellpunkt (X, Y, Z) und dem tatsächlichen Ort (Xa, Ya, Za) wird somit im kartesischen Koordinatensystem zum vorherigen Einstellpunkt (Xb, Yb, Zb) addiert, was einen neuen Einstellpunkt Xn = Xb + ΔX, Yn = Yb + ΔY, Zn = Zb + ΔZ ergibt. Diese Berechnung und Korrektur wird dann zur kontinuierlichen Regelung des Einstellpunktes wiederholt. Die 3 zeigt auch, dass ein Werkzeugkopf 14, der in mindestens zwei Achsen bewegbar ist, mit dem Positionierkopf 8 verbunden ist. Das Drehen um diese Achsen wird auch durch Sensoren 81, 82 detektiert, die auch in das Regelsystem zum Korrigieren des Einstellpunkts eingegliedert werden können. Ist die Anzahl der Achsen für den Werkzeugkopf zwei, erhält man einen Roboter mit 5 Achsen. Mehr Achsen sind auch möglich.

Claims (8)

  1. Regelsystem für einen Roboter (1), wobei der Roboter zumindest drei Einstellvorrichtungen (2, 3, 4) aufweist, die in Längsrichtung verlängerbar oder verkürzbar sind, wobei jede Einstellvorrichtung direkt oder indirekt in einem festen Rahmen (6) über ein erstes Gelenk (20, 30, 40) befestigt ist, so dass jede Einstellvorrichtung in allen Richtungen in Bezug auf den Rahmen schwenkbar ist, und dass jede Einstellvorrichtung an einem Ende an einem beweglichen Positionierungskopf (8) über ein zweites Gelenk (21, 31, 41) befestigt ist, sowie auch ein starrer Arm (10), der an dem Positionierungskopf befestigt ist und von diesem hervorsteht und zwischen den Einstellvorrichtungen angeordnet ist, wobei der Arm radial geführt aber axial verschiebbar in einem Universalgelenk (12) relativ zu und starr verbunden mit dem Rahmen gelagert ist, wobei jede Einstellvorrichtung (2, 3, 4) mit einem Längensensor (LS1, LS2, LS3) als einem Teil des Regelsystems vorgesehen ist, wobei der Sensor einen Teil des Regelsystems (S1) zum Regeln der Lage (X, Y, Z) des Positionierungskopfes in dem Arbeitsraum des Roboters bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem ein rückgekoppeltes Regelsystem (R2) einschließt, welches mit den Sensoren verbunden ist, die an dem Roboter selbst vorgesehen sind, unabhängig von den Sensoren, die mit dem Regelsystem (S1) verbunden sind, und dass das Regelsystem (R2) mit dem Regelsystem dadurch zusammenwirkt, dass das rückgekoppelte Regelsystem (R2) so angeordnet ist, um die die Lage (X, Y, Z) des Positionierungskopfes in Bezug auf den Roboter selbst zu korrigieren, und dass das Regelsystem (S1) und das rückgekoppelte Regelsystem (R2) mit unterschiedlichen Koordinatensystemen arbeiten.
  2. Regelsystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem (S1) derart angeordnet ist, um mit einem kartesischen Koordinatensystem zu arbeiten, und dass das Regelsystem (R2) derart angeordnet ist, um mit einem sphärischen Koordinatensystem zu arbeiten.
  3. Regelsystem nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Winkelsensor (71), ein zweiter Winkelsensor (72) und ein Längensensor (73) zusammen mit dem Universalgelenk angeordnet sind, wobei diese drei Sensoren (71, 72, 73) die tatsächliche Lage (α, β, l) in Übereinstimmung mit dem sphärischen Koordinatensystem anzeigen und mit dem Regelsystem (S1) zum Bestimmen der Abweichung (ΔX, ΔY, ΔZ) zwischen der räumlichen Lage des Einstellpunkts (Xb, Yb, Zb) und der tatsächlichen Position (Xa, Ya, Za) des Positionierungskopfes zusammenarbeiten, wodurch die Korrektur der Lage (X+ΔX, Y+ΔY, Z+ΔZ) des Positionierungskopfes im Arbeitsraum des Roboters durchgeführt wird.
  4. Regelsystem nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (71, 72, 73) zum Messen an oder nahe bei einem Teil angeordnet sind, welches im Roboter beweglich ist und dessen Bewegung begleitet, welches aber frei von Spannungen ist.
  5. Regelsystem nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelsensoren (71, 72) des Regelsystem (R2) an dem Universalgelenk (12) angeordnet sind, und dass der Längensensor (73) an dem Arm (10) angeordnet ist.
  6. Regelsystem nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei zusätzliche Winkelsensoren (81, 82) mit dem Regelsystem verbunden sind, die an dem Werkzeugkopf (14) angeordnet sind.
  7. Verfahren zum Regeln der Lage des Positionierungskopfes eines Roboters, wobei a) ein Regelsystem, welches Sensoren aufweist, die einen Teil des Roboter-Regelsystems bilden, den Positionierungskopf in Übereinstimmung mit einem kartesischen Koordinatensystem regeln, dadurch gekennzeichnet, dass b) ein rückgekoppeltes Regelsystem, welches mit Sensoren vorgesehen ist, die einen Teil des Roboters bilden, die Lage (α, β, l) des Positionierungskopfes in Übereinstimmung mit einem sphärischen Koordinatensystem erfasst, c) eine Koordinatentransformation der Lage (α, β, l) des Positionierungskopfes vom sphärischen Koordinatensystem in ein kartesisches Koordinatensystem durchgeführt wird, d) die Abweichung ΔX, ΔY, ΔZ, die zwischen dem Einstellpunkt und der tatsächlichen Position im kartesischen Koordinatensystem erhalten wird, zu dem vorhergehenden Einstellpunkt X, Y, Z des Positionierungskopfes addiert wird, wodurch ein neuer Einstellpunkt Xn=X+ΔX, Yn=Y+ΔY, Zn=Z+ΔZ erzeugt wird, e) die Lage des Positionierungskopfes zu diesem neuen Einstellpunkt geändert wird, f) Schritte a) bis e) wiederholt werden, um eine kontinuierliche Regelung des Einstellpunktes zu erzielen.
  8. Verfahren zum Regeln der Lage des Positionierungskopfes (8) eines Roboters nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem Roboter (1) verwendet wird, der zumindest drei Einstellvorrichtungen (2, 3, 4) aufweist, die in Längsrichtung verlängert oder verkürzt werden können, wobei jede Einstellvorrichtung direkt oder indirekt in einem festen Rahmen (6) über ein erstes Gelenk (20, 30, 40) befestigt ist, so dass jede Einstellvorrichtung in allen Richtungen in Bezug auf den Rahmen schwenkbar ist, und dass jede Einstellvorrichtung an einem Ende an einem beweglichen Positionierungskopf (8) über ein zweites Gelenk (21, 31, 41) befestigt ist, sowie auch ein steifer Arm (10) der an dem Positionierungskopf befestigt ist und von diesem hervorsteht und zwischen den Einstellvorrichtungen angeordnet ist, wobei der Arm radial geführt ist aber axial verschiebbar in einem Universalgelenk (12) relativ zu und starr verbunden mit dem Rahmen gelagert ist.
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