ITTO20010553A1 - Sistema di controllo per robot. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema di controllo per robot"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ai sistemi di controllo per i robot ed è stata sviluppata con particolare attenzione alla possibile applicazione ai robot industriali.

Un sistema di controllo per robot di tipo classico può essere rappresentato in modo generale e sintetico con tre blocchi funzionali.

Un primo blocco è costituito dalla funzione di supervisione. Essa realizza l'automazione dell'impianto, eseguendo il programma dell'utente. Riceve in ingresso e genera in uscita segnali dì tipo logico che consentono la gestione dell'impianto e delle relative funzioni di diagnostica e di sicurezza. Comunica con altre unità di controllo (automazione di fabbrica) o schede addizionali (automazione di cella) ricevendo informazioni che condizionano l'esecuzione del programma applicativo.

Un secondo blocco è costituito dalla funzione di generazione e controllo del movimento. Ricevendo le richieste di movimento dal programma utente, essa realizza la generazione delle traiettorie di movimento e (eventualmente) di coppia per i motori dell'impianto e comunica con le funzioni di regolazione .

Un terzo blocco è infine costituito dalla funzione di regolazione. Essa riceve le traiettorie di posizione e di coppia, misura le posizioni angolari/lineari dei motori presenti nell'impianto e calcola le correnti elettriche da inviare ai motori in modo da garantire l'esecuzione del programma utente nei tempi e con l'accuratezza previsti. Questo blocco funzionale gestisce la generazione dei segnali di potenza e si interfaccia con la strumentazione di misura.

Questa struttura funzionale è generale e rappresentativa praticamente di tutti i controlli per robot oggi presenti sul mercato. I vari prodotti si differenziano per la particolare realizzazione dell'architettura presentata.

Normalmente l'architettura di sistema che realizza le tre funzioni prevede l'impiego di tre livelli di processori che comunicano tra di loro in vario modo:

una unità di controllo principale che realizza la funzione di supervisione;

una o più unità per realizzare la funzione di generazione e controllo del movimento; e

una o più unità per il controllo dell'impianto mediante misura delle posizioni angolari/lineari degli attuatori e generazione dei segnali di condizionamento per gli azionamenti.

La trasmissione delle informazioni tra i vari blocchi funzionali nei tempi e nei modi necessari è ciò che garantisce la realizzazione del sistema. La comunicazione tra le varie unità di controllo è caratterizzata da diversi livelli di priorità, di complessità e da vincoli temporali più stringenti man mano che ci si avvicina alla generazione dei segnali di potenza.

Di particolare importanza per l'impatto sulle prestazioni di movimento è la comunicazione tra l'unità di controllo che gestisce la generazione della traiettoria di posizione e quelle che realizzano il controllo di posizione e di coppia dei motori.

Il generatore di traiettoria riceve dall'interprete del programma applicativo le richieste di movimento dell'utente e calcola lo spostamento nello spazio cartesiano del punto finale della catena cinematica. Tale punto coincide con l'attrezzatura necessaria alla particolare applicazione. La descrizione della geometria della macchina (cinematica) permette di calcolare, a partire dallo spostamento cartesiano richiesto, le traiettorie giunto (posizioni angolari) per i motori.

Queste traiettorie vengono calcolate per punti e comunicate alle unità di calcolo che realizzano il controllo di posizione dei motori. Il numero di punti che descrivono e vincolano la traiettoria nello spazio giunti (evoluzioni temporali delle posizioni angolari dei motori) condiziona l'accuratezza e la rapidità con cui il manipolatore segue la traiettoria cartesiana.

All'aumentare del numero di punti aumenta la risoluzione con cui viene descritta la traiettoria e diminuisce l'intervallo di tempo che intercorre tra due punti adiacenti. Ciò contribuisce a ridurre i ritardi tra la generazione della traiettoria e la posizione reale della macchina.

All'aumentare del numero di punti aumenta il numero di variabili trasmesse nell'unità di tempo.

Oltre alle traiettorie delle posizioni angolari desiderate, le unità di calcolo addette al controllo di posizione ricevono (e trasmettono) informazioni che:

consentono di verificare l'esecuzione del movimento in corso,

permettono di adattare la regolazione dei motori in funzione delle condizioni di lavoro (ad esempio i valori precalcolati delle correnti di bilanciamento della coppia applicata agli assi dalla gravità), e

permettono di gestire la diagnostica di sistema.

Risulta pertanto evidente l'importanza e la criticità della comunicazione tra la funzione di generazione della traiettoria di posizione desiderata e la funzione di controllo e regolazione ad anello chiuso della posizione reale.

Vista la grande quantità di informazioni richieste per realizzare la comunicazione tra i due livelli funzionali, le realizzazioni sinora proposte nella tecnica sono molte.

Con un certo grado di schematicità, ma con sostanziale aderenza alla realtà di fatto, tali soluzioni note sono riconducibili a due architetture di riferimento.

Una prima soluzione largamente utilizzata in passato è illustrata nello schema a blocchi della figura 1.

In questa soluzione due CPU 1 e 2, l'una dedicata alla pianificazione delle traiettorie, l'altra al controllo di posizione, comunicano fra loro con un bus (ad esempio VME) oppure tramite una memoria condivisa (ad esempio RAM di tipo "dual port"), mentre i riferimenti di corrente e le posizioni misurate formano due bus di segnali (in genere analogici) 3, 4 che collegano azionamenti 5.1, ..., 5.n e motori 6.1, .., 6.n all'elettronica di controllo attraverso rispettivi blocchi demux/mux 3a e 4a. Questa soluzione offre il vantaggio di collegare le due CPU 1, 2 tra loro con canali di comunicazione dedicati e veloci (a volte le due CPU sono sulla stessa scheda).

I principali svantaggi di tale realizzazione sono i seguenti:

il canale di comunicazione tra le CPU è dedicato e realizza facilmente una connessione "punto punto" ; non è di per sé un canale di comunicazione "multipoint"; e

i bus dei segnali analogici sono costosi (richiedono un hardware dedicato per il condizionamento dei segnali ) e sono poco immuni ai disturbi .

Una variante dell'architettura rappresentata in figura 1 prevede l'uso di azionamenti che realizzano in parte le funzioni di asservimento (controllo di velocità del motore). In questo caso, anche se gli azionamenti sono digitali (con a bordo una CPU che realizza le funzioni di controllo di velocità), i segnali inviati agli azionamenti sono analogici (tensioni riferite ad una massa) e proporzionali alle velocità di rotazione desiderate. Gli anelli di controllo di posizione sono chiusi dalla CPU dedicata che deve misurare le posizioni angolari dei motori .

In tempi più recenti sono stati sviluppati azionamenti digitali con funzioni di regolazione di velocità e posizione organizzate secondo i criteri rappresentati nella figura 2. In questo caso la comunicazione tra la CPU 1 che realizza la generazione della traiettoria e le CPU che controllano la posizione dei motori 6.1, ..., 6.n (incorporata nella CPU degli azionamenti digitali 5.1, ..., 5.n) utilizza un bus di campo 3, 4 che trasferisce le informazioni in modo digitale. Gli anelli di controllo vengono chiusi localmente dalle CPU degli azionamenti 5.1, ..., 5.n. Le posizioni reali misurate, insieme ad altre informazioni, vengono inviate alla CPU che gestisce la generazione della traiettoria per verificare l'esecuzione del movimento in corso e per attività di diagnostica. Anche in questo caso al bus di campo 3, 4 sono associati rispettivi blocchi demux 3a e mux 4.

Con questa architettura di controllo viene eliminata la trasmissione dell'informazione in forma analogica .

Anche tale realizzazione non è però esente da svantaggi .

Ad esempio, non esiste in genere una unica CPU che esegue il controllo di posizione. Questo significa che nessuna CPU che chiude gli anelli di posizione conosce lo stato complessivo (posizioni, correnti) di tutta la macchina. In genere le CPU degli azionamenti commerciali realizzano funzioni di controllo semplici e hanno una architettura software "chiusa" che si presta poco ad adattamenti dell'azione di controllo in funzione delle esigenze applicative .

Oltre a ciò, qualsiasi adattamento del controllo di posizione in funzione delle esigenze applicative va realizzato a bordo dell'unica CPU (ossia la CPU 1 della figura 2) che conosce lo stato complessivo della macchina (posizioni angolari e correnti dei motori - se vengono trasmesse dagli azionamenti) . La funzione di controllo di posizione viene quindi realizzata su due livelli: azionamenti (regolazione distribuita) e elettronica di controllo (regolazione "di macchina", adattamento del controllo alle condizioni operative e alle esigenze applicative) . Si perde il notevole vantaggio di avere la funzione di controllo di posizione realizzato da una unica CPU.

Infine, la comunicazione tra la CPU e gli azionamenti utilizza un bus di campo di uso generale. Questo significa che le informazioni trasmesse sono soggette alle regole del protocollo usato. Può essere difficile garantire che le informazioni siano inviate e ricevute in modo sincrono: i punti che descrivono le traiettorie di posizione sono riferiti agli stessi istanti temporali ma vengono ricevuti dagli azionamenti in tempi diversi. Questo potrebbe introdurre delle deformazioni della traiettoria reale seguita dalla macchina la cui ampiezza è funzione della comunicazione sul BUS, dei ritardi eventuali di trasmissione e della loro variabilità nel tempo.

La presente invenzione si prefigge quindi lo scopo di realizzare un'architettura di controllo per robot perfezionata, tale da superare gli inconvenienti e gli svantaggi delineati in precedenza.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un'architettura di controllo per robot avente le caratteristiche richiamate in precedenza.

L'invenzione verrà ora descritta, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, in cui:

- le Figure 1 e 2, relative alla tecnica nota, sono state descritte in precedenza, e

- la Figura 3 rappresenta, sotto forma di uno schema a blocchi, l'architettura di controllo secondo l'invenzione.

La forma di attuazione dell'invenzione al momento preferita prevede l'impiego di due unità o blocchi funzionali principali.

Il primo di tali blocchi è un'unità di controllo robot RCU che realizza la funzione di supervisione e la funzione di generazione e controllo della traiettoria. Questa unità di controllo prevede in modo vantaggioso l'impiego di due CPU (acronimo per Central Processing Unit)che realizzano le due funzioni e che comunicano tra loro mediante bus, ad esempio, PCI.

Con DSA è invece indicato un secondo blocco funzionale costituito da un'unità azionamento multi asse che realizza gli anelli di controllo di posizione e la generazione delle correnti per gli assi dei motori M.1, ., M.n. All'interno dell'azionamento DSA è presente la CPU preposta al controllo di posizione e alcune CPU (tipicamente sotto forma di digitai signal processor o DSP) che realizzano il controllo ad anello chiuso delle correnti mediante generazione di segnali PWM (modulazione di larghezza di impulso) per gli stadi di potenza (inverter) e misura delle correnti di fase dei motori. Tali segnali di controllo (fasi e tensioni dei motori) vengono trasmessi verso i motori M.l, ..., M.n stessi su un insieme di linee collettivamente indicate con CM. I corrispondenti segnali di retroazione (fasi e correnti dei motori, posizione degli assi - ottenute ad esempio tramite encoder) vengono rinviati dei motori verso l'azionamento DSA attraverso un complesso di linee indicate collettivamente con FM.

Il riferimento FIA indica invece un modulo d'interfaccia che consente di collegare la RCU con tutte le periferiche del controllo (pannello di programmazione, interfaccia operatore, terminale, PC) ovvero con gli ingressi/uscite (I/O) distribuiti, con i segnali di condizionamento per la sicurezza (safety chain), con eventuali schede esterne di controllo (PLC, dispositivi e sensori addizionali) . Le relative connessioni sono schematicamente indicate con I (ingressi) e 0 (uscite). I blocchi FIA e RCU comunicano mediante un bus CB costituito di preferenza da un CanBus. Caratteristica del blocco FIA è la possibilità di essere fortemente personalizzato per il cliente.

Secondo una caratteristica importante della soluzione descritta, il collegamento tra le unità RCU e DSA è costituito da una rete Fast Ethernet dedicata da 100 Mbyte al secondo. La rete in questione, indicata con FEL, è in pratica il canale di comunicazione tra la CPU che genera la traiettoria e la CPU che esegue il controllo di posizione. Viene utilizzato un protocollo (di tipo noto) particolarmente ottimizzato per l'applicazione .

I principali vantaggi ottenibili con l'introduzione dell'architettura secondo l'invenzione sono i seguenti.

L'impiego dell'unità o modulo di interfaccia FIA permette di rendere molto flessibile e configurabile in funzione dell'applicazione l'interfaccia verso l'utente e la comunicazione con il resto dell'impianto.

Viene eliminata qualsiasi trasmissione di informazione sotto forma di segnali analogici per ciò che riguarda il controllo di posizione: le variabili misurate sono digitali (posizioni encoder) e le posizioni desiderate sono variabili a virgola mobile trasmesse via Ethernet, ossia tramite la rete FEL.

La CPU preposta al controllo di posizione è interna all'azionamento multiasse (unità DSA) e comunica, all'interno dell'azionamento, con le CPU che chiudono gli anelli di controllo di corrente (controllo della coppia generata dai motori): gli anelli di posizione e velocità sono dunque realizzati da una sola CPU nell'unità DSA che conserva la conoscenza dello "stato globale" della machina .

I riferimenti di posizione e le altre informazioni necessarie al controllo di posizione vengono ricevuti in un unico pacchetto dati Ethernet e sono trattati in modo sincrono dalla CPU dell'unità DSA che li processa e chiude tutti gli anelli di regolazione di posizione e velocità nello stesso istante.

E' possibile trasmettere in modo sicuro molta informazione per ogni asse controllato. Questo rende possibile la realizzazione di funzioni di controllo avanzate, con passo di campionamento di pochi millisecondi in cui parte dell'elaborazione viene svolta dalla CPU dell'unità RCU che genera la traiettoria e che riceve informazioni da sensori addizionali connessi al modulo FIA. L'attuazione è fatta dalla CPU dell'unità di azionamento ed Ethernet è il canale che consente di chiudere gli anelli di regolazione. Pertanto la soluzione secondo l'invenzione consente la realizzazione di una architettura di controllo di secondo livello, flessibile e configurabile in base alle esigenze applicative e alla evoluzione del prodotto.

E' possibile realizzare architetture di controllo in cui sono presenti una unità RCU e più unità DSA preposte all'azione di controllo. Questo permette ad esempio di realizzare architetture di controllo di 2 robot oppure di un robot e di alcuni assi ausiliari.

La rete Ethernet FEL consente di realizzare, senza perdere in prestazioni, allestimenti per il sistema di controllo robot in cui l'unità di azionamento multi asse DSA è nelle vicinanze del robot e l'unità RCU di controllo può essere lontana dalla macchina (ad esempio: è posta ad una distanza di 50 m dal robot).

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questa uscire dall'ambito della presente invenzione .

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di controllo per robot provvisti di parti suscettibili di muoversi secondo traiettorie determinate per effetto dell'applicazione di segnali di comando a rispettivi motori (M.1, M.n), caratterizzato dal fatto che comprende: - un'unità di controllo (RCU) per generare e controllare le suddette traiettorie, - un'unità di azionamento (DSA) per generare detti segnali di comando (CM) per detti rispettivi motori (M.l, ..., M.n) in funzione delle traiettorie generate da detta unità di controllo (RCU), e - una rete dedicata di tipo Ethernet per il collegamento di detta unità di controllo (RCU) e di detta unità di azionamento (DSA).
2. 2. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (RCU) comprende almeno due CPU dedicate, rispettivamente, ad una funzione di supervisione e ad una funzione di generazione e controllo di dette traiettorie.
3. 3. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che dette almeno due CPU sono collegate fra loro tramite bus, ad esempio di tipo PCI.
4. 4. Sistema di controllo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta unità di azionamento (DSA) opera secondo un generale schema di retroazione (CM, FM) inviando detti segnali di comando (CM) verso detti rispettivi motori (M.l, M.n) e ricevendo da detti motori (M.l, M.n) corrispondenti segnali di retroazione (FM).
5. 5. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti segnali di comando comprendono segnali scelti nel gruppo costituito da segnali di fase e segnali di tensione per detti motori (M.l, ..., M.n), mentre detti segnali di retroazione (FM) sono scelti nel gruppo comprendente segnali di fase, segnali di corrente e segnali di posizione degli assi di detti motori (M.l, ..., M.n).
6. 6. Sistema di controllo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 5, caratterizzato dal fatto che detta unità di azionamento (DSA) genera detti segnali di comando sotto forma di segnali digitali, quali ad esempio segnali PWM.
7. 7. Sistema di controllo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta rete (FEL) è una rete di tipo fast Ethernet.
8. 8. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta rete (FEL) è una rete con velocità di trasmissione dell'ordine di 100 Mbyte/secondo .
9. 9. Sistema di controllo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre un modulo di interfaccia (FIA) per il collegamento di detta unità di controllo (RCU) con periferiche di controllo e/o unità di ingresso/uscita.
10. 10. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detta periferiche di controllo sono scelte nel gruppo costituito da pannello di programmazione, interfaccia operatore, terminale, personal computer di sistema mentre dette unità di ingresso/uscita sono scelte nel gruppo costituito da unità per la generazione di segnali di condizionamento per la sicurezza, schede esterne di controllo quali PLC, dispositivi e sensori addizionali.
11. 11. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 9 o la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (RCU) e detto modulo di interfaccia (FIA) comunicano tramite bus, ad esempio del tipo CanBus.
12. 12. Sistema di controllo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta unità di azionamento (DSA) è configurata per ricevere da detti motori (M.l, M.n) segnali di posizione di tipo digitale, generati di preferenza tramite encoder.
13. 13. Sistema di controllo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta unità di azionamento (DSA) comprende : una prima CPU preposta al controllo di posizione di detti motori (M.l, ..., M.n), e - un insieme di ulteriori CPU ciascuna delle quali realizza la funzione di chiusura dell'anello di controllo di almeno un rispettivo motore (M.l, ..., M.n), la disposizione essendo tale per cui detta prima CPU conserva la conoscenza dello stato globale del robot.
14. 14. Sistema di controllo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che comprende detta unità di controllo (RCU) collegata, tramite rete di tipo Ethernet (FEL), ad una pluralità di dette unità di azionamento (DSA).
15. 15. Sistema di controllo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta unità di azionamento (DSA) è localizzata in prossimità del rispettivo robot mentre detta unità di controllo (RCU) è collocata in posizione distanziata rispetto al robot stesso.