ITTO20110994A1 - Metodo per il controllo di almeno due robot aventi rispettivi spazi di lavoro includenti almeno una regione in comune - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
“Metodo per il controllo di almeno due robot aventi rispettivi spazi di lavoro includenti almeno una regione in comuneâ€
La presente invenzione riguarda un metodo per il controllo di almeno due robot aventi rispettivi spazi di lavoro includenti almeno una regione in comune, in cui si predispone una unità elettronica centrale di controllo dei robot, predisposta per comunicare con i diversi robot e per comandare i movimenti dei robot evitando una interferenza fra i robot nella loro regione di lavoro comune.
Tecnica nota
Nella programmazione standard di una cella industriale con più robot che devono lavorare in uno spazio condiviso, à ̈ necessario definire istruzioni all’interno del programma di ciascun robot, affinché il robot effettui in successione le seguenti operazioni:
1. Richiesta di prenotazione per l’ingresso in regione condivisa (un segnale di output verso l’unità di controllo)
2. Attesa di consenso dall’unità di controllo per l’ingresso in regione condivisa (un segnale di input al robot dall’unità di controllo)
3. Presenza all’interno della regione condivisa (un segnale di output)
4. Uscita dalla regione condivisa
La successione di questi comandi deve essere riportata su ogni singola parte di programma in cui à ̈ previsto un cosiddetto “interblocco†di programmazione (corrispondente ad una fase di lavoro in regione condivisa). La gestione della policy che regola gli accessi ad una o più regioni condivise à ̈ demandata all’unità di controllo (PLC), che si prende carico di governare la priorità dei robot che possono accedere a dette regioni. In un esempio di programma semplice in cui due soli robot condividono un’area di lavoro comune, il PLC, a fronte di una richiesta di accesso da parte di un robot R1, controlla che non vi siano altre richieste pendenti da R2e che R2non stia lavorando nella regione condivisa. In caso affermativo, à ̈ permesso l’accesso ad R1. Analogamente si può riformulare la policy per l’accesso di R2. Il suddetto sistema di accessi PLC può essere schematizzato come riportato nell’annessa Figura 1.
I programmi robot devono essere in grado a loro volta di gestire i segnali di input (per l’accesso) e di output (per comunicare al PLC la prenotazione e la presenza o meno all’interno della regione condivisa) in modo tale da poter gestire correttamente la politica di accesso e rilascio delle regioni condivise. Un esempio di programma robot à ̈ il seguente:
invio(rich_I2, ON)
attesa(cons_I2, ON)
invio(interf_I2, OFF)
invio(rich_I2, OFF)
MOVEFLY JOINT TO pnt0650x ADVANCE
MOVEFLY JOINT TO pnt0150x ADVANCE
MOVEFLY JOINT TO pnt0653x ADVANCE
MOVE JOINT TO wp4661,
WITH CONDITION[spot(1, 4661, 1, FALSE)], ENDMOVE MOVEFLY JOINT TO pnt0444x ADVANCE
MOVEFLY JOINT TO pnt0443x ADVANCE
MOVEFLY JOINT TO pnt0442x ADVANCE
MOVE JOINT TO xtn0008X
Invio (interf_I2, ON)
Come si vede, à ̈ previsto l’invio del segnale rich_I2 che rappresenta la richiesta di accesso nella regione di interblocco I2. Successivamente a questo segnale, il sistema rimane in attesa del segnale cons_I2 che deve essere inviato dal PLC per consentire l’accesso alla regione di interblocco. Una volta ottenuto il via libera dal PLC, il robot invia il segnale di occupazione della regione di interferenza interf_I2 ed azzera il segnale di prenotazione rich_I2. Dopo aver effettuato i movimenti infine, il robot azzera il segnale di occupazione della regione di interblocco interf_I2.
Data un’architettura siffatta, i principali limiti sono i seguenti:
- modificando il flusso dei programmi robot, ci sono alte probabilità di porre il sistema in situazioni di incongruenza. E.g. se un robot viene spostato manualmente (in PROG) in una regione condivisa, il PLC non viene “avvertito†della sua presenza e questo può causare un generico malfunzionamento del sistema di interblocchi, con il conseguente probabile impatto tra i robot;
- la complessità dei programmi robot à ̈ particolarmente elevata in quanto per ogni singolo interblocco à ̈ necessario inserire le istruzioni per la prenotazione, per l’attesa, per la presenza ed il rilascio della regione condivisa;
- non c’à ̈ alcun controllo real-time della posizione del robot per individuare la presenza dello stesso in una regione condivisa; la disattivazione dei programmi di movimento del robot implica che in programmazione non esiste alcun tipo di controllo per prevenire le collisioni tra robot;
- l’eventuale modifica dei programmi di lavoro del robot implica necessariamente una modifica coerente delle istruzioni relative agli interblocchi in ogni parte del/i programma/i;
- un ulteriore limite riguarda l’eventualità , molto frequente, che l’utente salti alcune istruzioni nel programma di lavoro (bypass che à ̈ effettuato prevalentemente nelle fasi iniziali della programmazione, per testare i programmi di lavoro dei robot) oppure che l’utente sposti erroneamente il cursore all’interno del programma, saltando ad esempio le operazioni di richiesta d’accesso o di occupazione della regione d’interblocco.
Scopo dell’invenzione
Lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di ovviare ai suddetti inconvenienti. Sintesi dell’invenzione
In vista di raggiungere tale scopo, l’invenzione ha per oggetto un metodo per il controllo di almeno due robot aventi rispettivi spazi di lavoro includenti almeno una regione in comune, in cui si predispone una unità elettronica centrale di controllo dei robot predisposta per comunicare con i diversi robot e per comandare i movimenti dei robot evitando una interferenza fra i robot nella loro regione di lavoro comune, detto metodo essendo caratterizzato dal fatto che:
- lo spazio di lavoro di ciascun robot viene modellato, tenendo conto degli oggetti presenti nello spazio di lavoro del robot, mediante la definizione di una o più regioni di interferenza (IR) costituite ciascuna da una figura geometrica elementare, - le suddette regioni di interferenza vengono classificate nelle seguenti tre diverse categorie:
- regioni di interferenza proibite (PIR), definite come regioni di spazio dove la presenza del robot à ̈ sempre tassativamente interdetta, ad esempio a causa della presenza permanente di uno o più oggetti con cui il robot non deve interferire,
- regioni di interferenza monitorate (MIR), definite come regioni di spazio dove la presenza del robot à ̈ accettata, ma controllata, il robot essendo predisposto per inviare un segnale all’unità di controllo centrale ogni volta che esso entra in una regione monitorata e ogni volta che esso esce da una regione monitorata,
- regioni di interferenza ibride (HIR), definite come regioni di spazio che sono suscettibili di cambiare fra uno stato di regione monitorata ed uno stato di regione proibita, in funzione di un segnale di input al robot inviato da detta unità di controllo centrale,
- ciascun robot à ̈ predisposto per inviare all’unità di controllo centrale un primo segnale di output, servente come prenotazione di ingresso, ogni volta che à ̈ prossimo ad entrare in una regione ibrida, e un secondo segnale di output, servente come segnalazione di ingresso/presenza, ogni volta che entra in una regione ibrida,
- lo stato di ciascuna regione ibrida viene variato dinamicamente per ciascun robot, durante il funzionamento dei robot, mediante invio da parte dell’unità di controllo centrale di un segnale di input al robot, che rende la regione ibrida proibita o monitorata per tale robot, in funzione del fatto che detta regione ibrida sia libera o no da altri robot.
Secondo un’ulteriore caratteristica, quando una regione ibrida à ̈ commutata per un dato robot in uno stato di regione proibita mediante invio a detto robot del suddetto segnale di input al robot da parte dell’unità di controllo centrale, se il robot à ̈ in movimento verso detta regione esso viene decelerato in modo controllato fino al limite della regione ibrida, dove la velocità del robot raggiunge lo zero, mentre quando la regione viene riabilitata mediante un nuove segnale di input al robot, portandola nello stato di regione monitorata, il sistema provvede a ripristinare automaticamente il movimento del robot, senza bloccare il movimento pendente del robot nel caso esso sia ancora in corso.
Come si vede, il metodo secondo l’invenzione si caratterizza essenzialmente per il fatto di controllare i robot in parallelo, invece che adottare il modo di funzionamento sequenziale della tecnica nota. In particolare nel metodo dell’invenzione, oltre a prevedere il controllo dello spazio di lavoro di ciascun robot mediante un segnale di output dal robot, prevede anche la possibilità di gestire l’attivazione/disattivazione dell’interdizione all’ingresso nella regione ibrida con un input al robot dal PLC e prevede inoltre la possibilità di definire un ulteriore segnale di output verso il PLC per la prenotazione dell’ingresso nella regione ibrida. Il metodo inoltre gestisce la fermata e la ripresa automatica del movimento del robot regolando la velocità di arresto e di ripresa dello stesso in maniera da evitare arresti bruschi in prossimità del limite della regione di interferenza interdetta e per ripristinare il movimento del robot il più velocemente possibile.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno dalla descrizione che segue con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:
- la figura 1 illustra lo schema a blocchi già sopra descritto, corrispondente ai metodi secondo la tecnica nota,
- la figura 2 Ã ̈ una vista prospettica schematica che mostra una cella con due robot industriali aventi rispettivi spazi di lavoro includenti regioni condivise,
- le figure 3-6 mostrano diverse figure geometriche utilizzate per definire le regioni di interferenza nello spazio di lavoro di ciascun robot.
Con riferimento alla figura 2, una cella 1 prevede una postazione di lavoro con un banco di lavoro 2 su cui due robot 3,4 eseguono operazioni, ad esempio per l’assemblaggio e/o la saldatura di componenti. I due robot 3, 4 sono controllati da rispettive unità elettroniche di controllo 5 e 6 a loro volta collegate entrambe ad una unità elettronica centrale di controllo 7 utilizzata per implementare il metodo secondo l’invenzione. L’unità centrale 7 ad esempio può essere costituita dal PLC di controllo della cella 1. Tuttavia, la funzione di controllo centrale può anche essere delegata ad una delle due unità 5, 6 di controllo dei singoli robot. Inoltre, nella presente descrizione e nelle rivendicazioni che seguono, laddove si parla di almeno due robot suscettibili di interferire fra loro, si vuole comprendere anche il caso di un robot multi-braccio, in cui almeno due bracci sono controllati separatamente e sono suscettibili di interferire fra loro. In questo caso l’unico robot ha un’unica unità di controllo, in cui viene implementato il metodo dell’invenzione.
I robot 3, 4 hanno rispettivi spazi di lavoro che includono regioni condivise, che comportano un potenziale rischio di interferenza fra i due robot. Negli spazi di lavoro dei robot sono anche presenti oggetti (ad esempio il banco fisso 2) che rendono del tutto inaccessibili ai robot le corrispondenti regioni del loro spazio di lavoro.
Per affrontare il problema delle interferenze tra ciascun robot e l’ambiente intorno ad esso, secondo l’invenzione si definiscono figure geometriche elementari, chiamate regioni di interferenza (IR), ad esempio sostanzialmente in forma di cilindri (figura 3), parallelepipedi (figura 4), piani (figura 5), o sfere (figura 6), da inserire nell’area di lavoro del robot in modo tale da avere una modellazione spaziale e volumetrica coerente con gli oggetti presenti all’interno dello spazio di lavoro del robot. Nelle figure 3, 4 e 6, le regioni di interferenza sono costituite dai volumi mostrati con linea tratteggiata, contenuti all’interno di volumi più grandi, mostrati con linea continua, che fungono da regioni di “warning†, all’interno delle quali si segnala l’approssimarsi di una parte mobile del robot al confine di una regione di interferenza. Nel caso della figura 5, la regione di interferenza à ̈ costituita da un piano verticale A. Il piano B ad esso affacciato delimita il confine oltre il quale viene attivato un segnale di warning.
Nel metodo secondo l’invenzione à ̈ possibile definire un numero anche elevato (ad esempio fino a 16) di regioni di interferenza. Secondo l’invenzione le regioni di interferenza sono classificate nelle seguenti tre diverse categorie:
- Regioni di Interferenza Monitorate (MIR)
- Regioni di Interferenza Proibite (PIR)
- Regioni di interferenza Ibride (HIR)
Le regioni monitorate sono dei volumi dove la presenza del robot à ̈ controllata e nel caso in cui il robot acceda a queste regioni, un segnale di output verrà alzato verso l’esterno (ad es. verso un PLC) ed analogamente abbassato nel caso di uscita dalla regione (à ̈ anche possibile scegliere la logica dell’output).
Le regioni proibite sono dei volumi dove la presenza del robot à ̈ tassativamente interdetta. La definizione di un volume di questo tipo nell’area di lavoro del robot, comporta il controllo continuo della posizione del robot in modo tale da evitare il raggiungimento dell’area; questo controllo viene fatto, qualunque sia lo stato del robot (programmazione o automatico). La prestazione permette di evitare il contatto con la/e regione/i di interferenza dichiarata/e regolando automaticamente la velocità del robot in base alla sua distanza dalla regione stessa. Nessun segnale di output verrà inviato al PLC ma nel caso di raggiungimento della IR, il sistema provvederà a generare un errore, fermando il robot.
Le regioni ibride infine sono dei volumi che possono cambiare il loro stato da monitorate a proibite e viceversa sulla base dello stato logico del segnale di input. Contemporaneamente à ̈ possibile definire un segnale di output che funga da prenotazione per l’ingresso nella regione ed un altro segnale di output per l’accesso nella regione ibrida. In questo modo si possono gestire in maniera versatile ed innovativa (rispetto ai competitors) gli interblocchi come descritto nel prossimo paragrafo. Le regioni ibride, quando sono rese proibite dall’input, hanno inoltre la caratteristica di indurre nel robot una decelerazione controllata fino al limite della regione, dove la velocità del robot raggiunge lo zero. Nel momento in cui la regione viene riabilitata dall’input, rendendola monitorata, il sistema provvede a ripristinare automaticamente il movimento del robot, senza bloccare il movimento pendente; essendo la regione monitorata a questo punto il sistema provvederà a comunicare all’esterno tramite gli output, la presenza o meno del robot all’interno dell’area di prenotazione o all’interno dell’Interference Region.
Grazie ai suddetti accorgimenti, l’invenzione à ̈ in grado di consentire una programmazione avanzata degli interblocchi.
La possibilità di definire delle regioni ibride che possano variare il loro stato passando da monitorate a proibite permette una gestione avanzata degli interblocchi “classici†utilizzati nelle celle robotizzate reali. L’aspetto essenziale dell’invenzione risiede essenzialmente nella possibilità di definire regioni, con diverse forme/geometrie, dinamicamente attivabili/disattivabili da un input e che automaticamente gestiscono il settaggio di due tipologie di output: un output di prenotazione per l’ingresso nella regione condivisa ed un output di presenza all’interno della regione condivisa stessa. Con questi tre segnali à ̈ possibile mantenere invariata la gestione della policy di accesso del PLC rappresentata in Fig.1 (offrendo un vantaggio non indifferente per quanto riguarda gli aspetti di compatibilità con gli attuali sistemi), semplificando però in maniera drastica la gestione degli interblocchi all’interno dei programmi robot. Dopo aver definito, infatti, le regioni di interferenza ibride (che quindi rappresentano lo spazio di lavoro condiviso tra due o più robot), basta associare i corretti input ed output alle regioni di interferenza dichiarate nel programma in modo che possano essere gestiti dal PLC. Nel seguito viene riportato un esempio di programmazione di una regione di interferenza ibrida sferica:
IR_SET(IR_RESERVATION,$FMO[1],1,1,ON)
IR_SET(IR_PRESENCE,$FMO[1],2,1,OFF)
IR_SET(IR_CONSENT,$FMI[1],1,1,ON)
IR_CreateSphere(pnt0007P, 200, 1, 1)
IR_SWITCH(ON,1)
MOVEFLY JOINT TO pnt0650x ADVANCE
MOVEFLY JOINT TO pnt0150x ADVANCE
MOVEFLY JOINT TO pnt0653x ADVANCE
MOVE JOINT TO wp4661,
WITH CONDITION[spot(1, 4661, 1, FALSE)], ENDMOVE MOVEFLY JOINT TO pnt0444x ADVANCE
MOVEFLY JOINT TO pnt0443x ADVANCE
MOVEFLY JOINT TO pnt0442x ADVANCE
MOVE JOINT TO xtn0008X
Le prime tre istruzioni sopra indicate servono per dichiarare che l’Interference Region à ̈ di tipo ibrido e per definire su quali output e input devono essere mappate le porte per la prenotazione, la presenza e la richiesta di accesso. L’istruzione IR_CreateSphere(…) ha lo scopo di definire nello spazio di lavoro del robot, una regione di interferenza sferica ibrida alla quale sono associati gli output ed input precedentemente dichiarati. È da notare che la dichiarazione della regione à ̈ effettuata una sola volta all’inizio del programma e renderà totalmente automatica la gestione degli interblocchi, a prescindere dal flusso del programma stesso, nel quale non saranno più presenti istruzioni esplicite su invio ed attesa di segnali (diversamente dalla soluzione secondo la tecnica nota).
In qualunque condizione operativa (sia in fase di programmazione del robot, sia nella fase di funzionamento automatico del robot), il sistema verificherà automaticamente lo stato delle regioni di interferenza ibride, imposto dall’input in ingresso. In questo modo se l’accesso ad una regione di interferenza à ̈ interdetto ad un robot (impostando ad esempio l’input a 0), questo non sarà in grado di entrare autonomamente all’interno della regione, qualora ad esempio sul robot à ̈ in esecuzione un programma qualsiasi di movimento, ed analogamente l’ingresso sarà interdetto al robot anche quando un operatore umano in programmazione tenti di portare il robot all’interno della regione interdetta. Il comportamento del robot in entrambi i casi à ̈ quello di effettuare un rallentamento controllato per portarlo a velocità nulla al limitare della regione di interferenza proibita, con una riduzione dell’override generale proporzionale alla distanza dal punto più vicino tra il Tool Center Point del robot e l’Interference Region.
L’innovazione introdotta con le Hybrid Interference Regions riguarda principalmente la possibilità di ripristinare automaticamente la movimentazione del robot a fronte di un cambiamento nell’input di controllo dello stato della IR ibrida. In altre parole il robot à ̈ in grado di riprendere autonomamente il movimento precedente (con un aumento smooth dell’override) alla fermata in prossimità dell’IR interdetta, qualora il segnale di input passasse da 0 (condizione di interdizione all’ingresso) a 1 (condizione di accesso consentito).
Come risulta evidente dalla descrizione che precede, il metodo secondo l’invenzione si caratterizza essenzialmente per il fatto di controllare i robot in parallelo, invece che adottare il modo di funzionamento sequenziale della tecnica nota. In particolare nel metodo dell’invenzione, oltre a prevedere il controllo dello spazio di lavoro di ciascun robot mediante un segnale di output dal robot, prevede anche la possibilità di gestire l’attivazione/disattivazione dell’interdizione all’ingresso nella regione ibrida con un input al robot dal PLC e prevede inoltre la possibilità di definire un ulteriore segnale di output verso il PLC per la prenotazione dell’ingresso nella regione ibrida. Il metodo inoltre gestisce la fermata e la ripresa automatica del movimento del robot regolando la velocità di arresto e di ripresa dello stesso in maniera da evitare arresti bruschi in prossimità del limite della regione di interferenza interdetta e per ripristinare il movimento del robot il più velocemente possibile.
Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto e illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.
Claims (2)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per il controllo di almeno due robot (3, 4) aventi rispettivi spazi di lavoro includenti almeno una regione in comune, in cui si predispone una unità elettronica centrale (7) di controllo dei robot predisposta per comunicare con i diversi robot (3, 4) e per comandare i movimenti dei robot evitando una interferenza fra i robot nella loro regione di lavoro comune, detto metodo essendo caratterizzato dal fatto che: - lo spazio di lavoro di ciascun robot viene modellato, tenendo conto degli oggetti presenti nello spazio di lavoro del robot, mediante la definizione di una o più regioni di interferenza (IR) costituite ciascuna da una figura geometrica elementare, - le suddette regioni di interferenza vengono classificate nelle seguenti tre diverse categorie: - regioni di interferenza proibite (PIR), definite come regioni di spazio dove la presenza del robot à ̈ sempre tassativamente interdetta, ad esempio a causa della presenza permanente di uno o più oggetti con cui il robot non deve interferire, - regioni di interferenza monitorate (MIR), definite come regioni di spazio dove la presenza del robot à ̈ accettata, ma controllata, il robot essendo predisposto per inviare un segnale all’unità di controllo centrale ogni volta che esso entra in una regione monitorata e ogni volta che esso esce da una regione monitorata, - regioni di interferenza ibride (HIR), definite come regioni di spazio che sono suscettibili di cambiare fra uno stato di regione monitorata ed uno stato di regione proibita, in funzione di un segnale di input al robot inviato da detta unità di controllo centrale, - ciascun robot (3, 4) à ̈ predisposto per inviare all’unità di controllo centrale (7) un primo segnale di output, servente come prenotazione di ingresso, ogni volta che à ̈ prossimo ad entrare in una regione ibrida, e un secondo segnale di output, servente come segnalazione di ingresso/presenza, ogni volta che entra in una regione ibrida, - lo stato di ciascuna regione ibrida viene variato dinamicamente per ciascun robot (3,4), durante il funzionamento dei robot, mediante invio da parte dell’unità di controllo centrale (7) di un segnale di input al robot, che rende la regione ibrida monitorata o proibita per tale robot, in funzione del fatto che detta regione ibrida sia libera o no da altri robot.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che quando una regione ibrida à ̈ commutata per un dato robot (3, 4) in uno stato di regione proibita mediante invio a detto robot del suddetto segnale di input al robot da parte dell’unità di controllo centrale (7), a patto che il robot sia in movimento verso detta regione, esso viene decelerato in modo controllato fino al limite della regione ibrida, dove la velocità del robot raggiunge lo zero, mentre quando la regione viene riabilitata mediante un nuovo segnale di input al robot, portandola nello stato di regione monitorata per il robot, il sistema provvede a ripristinare automaticamente il movimento del robot, senza bloccare il movimento pendente del robot nel caso esso sia ancora in corso.
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