NO158786B

NO158786B - Fremgangsmaate for automatisk kompensering av posisjonsfeil hos en robotgriper i alle frihetsgrader, samt anordning for utfoerelse av fremgangsmaaten.

Info

Publication number: NO158786B
Application number: NO842907A
Authority: NO
Inventors: Laszlo Szoenyi
Original assignee: Ibm
Priority date: 1983-07-22
Filing date: 1984-07-16
Publication date: 1988-07-25
Also published as: FI842846A; SE8304100L; US4642781A; NO842907L; JPS6025680A; DE3464338D1; SE8304100D0; EP0136413B1; FI76276C; FI76276B; DK357784D0; EP0136413A3; DK357784A; EP0136413A2; FI842846A0; JPH0429515B2; NO158786C

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for automatisk kompensasjon av posisjonsfeil hos en robotgriper i alle frihetsgrader i et robot- eller lignende system, samt apparat for utførelse av fremgangsmåten.

Ved robotanvendelse er robotgriperen programmert til under datastyring suksessivt og gjentakende bli anbrakt og aktivert i forutbestemt posisjoner innenfor arbeidsområdet til roboten.

I IBM Robot System/l, General Information Manual and User's Guide, beskrives et slikt robotsystem nærmere.

Ved begynnelsen av en ny arbeidsprosess er det nødvendig

å la griperen starte fra en nøyaktig definert hjemmeposisjon, dvs. en såkalt startposisjon. En slik posisjonsfeil hos griperen gjentas under robotens arbeide på grunn av feil i noen eller alle av de seks koordinatretningene. Derfor er det nødvendig å kalibrere og kompensere robotgriperen i alle koordinatretninger ved egnede tidsintervaller.

Slike kalibreringer har tidligere blitt utført ved hjelp

av separate målinger for hver koordinatretning og i ulike punkter avhengig av hvilke koordinatretning som måles.

Siden utføres fra de tilveiebrakte måleverdiene korreksjoner

i de ulike koordinatretninger. Slike målinger er svært tidskrevende og må dessuten gjentas for å få tilfredsstil-

lende nøyaktighet ettersom retningene er avhengig av hverandre.

US patent nr. 4.362.977 beskriver en slik metode og apparat

for kalibrering av en robot og anvendelse av kalibreringsresultatene for å kompensere for feil hos roboten. Metoden innbefatter bevegelse av robotgriperen til et antall nominelle posisjoner avhengig av rdbotstyreenheten eller bestemt av posisjonskoderen, som er innebygget i roboten, og bestemmelse av de tilhørende aktuelle posisjoner ved måling av robotens posisjon med et uavhengig nøyaktig måleorgan eller ved å føre robotgriperen i linjen med en nøyaktig kali-breringsmaske. Kalibreringsresultatene lagres og anvendes deretter for å kompensere for robotfeil, slik at roboten beveger seg til de aktuelle ønskede posisjonene.

Ovenfornevnte ulemper.unngåes ved hjelp av fremgangsmåten av den innledningsvis nevnte art, hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1, og ved hjelp av et apparat for utførelse av fremgangsmåten, hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 4. Ytterligere trekk ved fremgangsmåten og apparatene fremgår av de øvrige kravene. Den løser problemene ved iterativ kompensering av feilen i robotgriperens ulike koordinatbevegelsesretninger. Dette tilveiebringes ved å la robotgriperen anbringe et målelegeme i en kalibrerings-posisjon innenfor en målearmatur, som er fast montert på robotstativet. Målelegemet kan f.eks. bestå av tre kubusflater, som er nøyaktig definert i forhold til griperens definisjon. Målearmaturen kan f.eks. bestå av et oppsett med avfølingsorgan, som er anbragt i tre flater hos målearmaturen tilsvarende ovenfor nevnte tre flater hos målelegemet. Forskjellen i to egnede valgte avfølingsverdier anvendes for iterativt å kompensere robotgriperen i en tilhørende vinkelkoordinatretning (fi) . Denne prosessen gjentas for hver vinkelkoordinatretning (a og y). Deretter sammenliknes parene av like avfølingsverdier med nominelle verdier for iterativt å kompensere for robotgriperen i ortogonale koordinatretninger. Alternativt kan feilen i respektive koordinatretninger 6, a, y, x, y og z suksessivt beregnes og de beregnede feilverdiene anvendes for suksessivt å kompensere for feil i de ulike koordinatretningene.

To alternative måter å utføre oppfinnelsen som defineres

i kravene beskrives i detalj nedenfor med henvisning til medfølgende tegninger, som viser kun en bestemt utførelsesform, hvor:

Fig. IA-viser et isometrisk riss av et robotsystem med

en robotgriper bevegelig i seks frihetsgrader.

Fig. 1B-D viser tre frihetsgrader for robothånden.

Fig. 2 viser et isometrisk riss av et'hovedsystem forsynt

med et kalibreringsorgan ifølge oppfinnelsen.

Fig. 3 viser et isometrisk riss av kalibreringsorganet.

Fig. 4 viser et isometrisk riss, som viser den'faste delen

av kalibreringsorgan.

Fig. 5 viser et skjematisk riss over koordinatsystemet

som anvendes for å beskrive veggene i rommet.

Fig. 6 viser et isometrisk riss av målekubusen med et innlagt

kubuskoordinatsystem.

Fig. 7 viser et isometrisk riss av målelegemet.

Fig. 8 viser et flytdiagram over oppfinnelsens arbeidsmåte

ifølge et første alternativ.

Fig. 9 viser et flytdiagram over oppfinnelsens arbeidsmåte

ifølge et andre alternativ.

Fig. 1 viser et isometrisk riss av et robotsystem. En robotgriper 1 arbeider under datastyring innenfor arbeidsområdet 2 (vist stiplet) hos roboten. Griperen er bevegelig i seks koordinatretninger a, 6, y, x, y og z der a er dreie-koordinaten (yaw), S er helningskoordinaten (pitch) og y er rotasjons(circum gyrate)-koordinaten. Verktøyet og materialet anbringes på et arbeidsbord 3, som er fast montert til robotstativet 4. Verktøyet og materialet anbrakt på arbeidsbordet i nøyaktig definerte posisjoner for å muliggjøre at robotgriperen kan finne og håndtere dem. Robotens arbeidsområde defineres av et robotkoordinatsystem (x, y, z).

Ved begynnelsen av en ny arbeidsprosess må griperen først kalibreres og kompenseres, dvs. anbringes i en startposisjon som er nøyaktig definert i robotkoordinatsystemet. Fra denne posisjonen skal robotgriperen begynne arbeidet under dataprogramstyring. Dessuten kan under robotens arbeidsprosess feil oppstå i posisjoneringen av griperen på grunn av drift i noen eller i alle seks koordinatretningene. Siden kan feilfunksjonen i robotens arbeid oppstå dersom griperen ikke finner det nødvendige verktøyet eller materialet.

Derfor er kompensering av robotkoordinaten ved egnede tids-intervall en nødvendighet.

f

Fig. 2 viser et isometrisk riss av en robot forsynt med et kalibreringsorgan 21 vist i skjematisk form. Kalibreringsorganet består av to hoveddeler (jfr. også fig. 3), en første del 31 festet på robotstativet og en andre del,

et kubeformet målelegeme 32, som gripes av griperen. Denne andre delen kan være anbrakt i en egnet posisjon innen-

for robotens arbeidsområde. I kalibreringsmodusen griper griperen den andre delen og fører den til kalibreringsposi-

sjonen innenfor nevnte første del av kalibreringsorganet. Fortrinnsvis er den andre delen fjærende montert i en posisjon innenfor nevnte første del 31. Den andre delen beskrives nærmere nedenfor.

Slik som vist på fig. 3 og 4 består den faste delen til kalibreringsorganet av tre vegger AAF, BBF og CCF hos en kubus 31., Den faste delen er forsynt med avfølingsorgan S1-S6 (vist stiplet) for å bestemme stillingen i rommet

for nevnte andre del 32, målelegemet, under kalibreringen.

Stillingene, P1-P6, for sensorene S kan være slik som angitt på fig. 4 eller i andre egnede stillinger. Seks like sen-sorerer anvendes for å definere stillingen i rommet for målelegemet. Fortrinnsvis er fordelingen to i flaten (vegg) AAF, to i flaten (vegg) BBF og to i flaten (vegg) CCF. Sensorene er anbrakt vinkelrett mot de respektive flater

i posisjoner som defineres for S1-S2 i x-y-planet, for S3-S4 i x-z-planet og for S5-S6 i y-z-planet hos robotens koordinatsystem, som er indikert stiplet på fig. 4. Nevnte første kalibreringsdel 31 er fast montert på robotstativet på en slik måte at dets koordinatakser x, y og z er eksakt parallelle med eller sammenfallende (fig. 5) med respektive koordinatakser x, y og z på fig. 1.

Fig. 5A viser forholdet mellom de ulike anvendte koordinat-systemer. Et hjemmekoordinatsystem (XHO, YHOO, ZHO) for målelegemet er vist med stiplede linjer på fig. 5A. Når målelegeme føres til hjemmeposisjonen indikerer alle sensorene forutbestemte verdier. Følgelig er robotgriperne i en nøyaktig definert startposisjon. Fig. 5A viser også kubusens sentrale hjemmekoordinatsystem (xCHO, yCHO, zCHO), dvs. et koordinatsystem som faller sammen med kubusens sentrale koordinatsystem, når kubusen er i sin hjemmeposisjon. Det sentrale kubuskoordinatsystemet (xC, yC, zC)

har dens origo i sentrumspunktet hos målekubusen og har sine akser vinkelrett på kubusflåtene. Fig. 6 viser skjæringspunktene PEE, PDD og PFF mellom den positive sentrale koordinat-x-aksen, y-aksen og z-aksen til kubusen og de tenkte kubusflåtene EE, DD hhv. FF. Mellomleddpunktene (joint point) PJJ befinner seg på kubusens yC-akse. Fig. 7 viser et separat riss av målekubusen. Kubusen er forsynt med en mellomvegg 33 som har en styrende profil 34 for å styre kubusens definisjonspunkt 35 til å falle sammen med griperens definisjonspunkt 35 når griperen griper kubusen.

Den automatiske kompenseringsprosessen beskrives nedenfor

med henvisning til flytdiagrammet på fig. 8 og fig. 9,

som viser to alternative metoder for å utføre oppfinnelsen.

Ved begynnelsen av kompenseringsmodusen griper robotgriperen under dataprogramstyring målelegemet 32 og fører det til en kalibreringsstilling innenfor målearmaturen 31. Alternativt griper robotgriperen målelegemet 32 i en på forhånd målt posisjon innenfor målearmaturen 31.

Ifølge et første alternativ av oppfinnelsen utføres kompenseringsprosessen gjennom følgende hovedtrinn a-g: a) Sensorverdiene Sl og S2 leses og sammenliknes med hverandre. Dersom Sl er lik S2 fortsetter prosessen med hovedtrinnet b). Dersom Sl ikke er lik S2, startes en iterativ prosess. Dersom Sl er større enn S2, gis robotgriperen ordre om å bevege seg (rotere) i-6-koordinatretningen.

Dersom S2 er større enn Sl, gis robotgriperen ordre om

å bevege seg (rotere) i +e-koordinatretningen. Denne iterative prosessen fortsetter inntil Sl er lik S2 hvoretter,

b) Sensorverdiene S3 og S4 leses og sammenliknes méd hverandre. Dersom S3 er lik S4 fortsetter prosessen med hovedtrinnet c). Dersom S3 ikke er lik S4, begynnes en iterativ

prosess. Dersom S3 er større enn S4, gis robotgriperen ordre om å bevege seg (rotere) i -a-koordinatretningen. Dersom S4 er større enn S3, gis robotgriperen ordre om å bevege seg (rotere) i +o-koordinatretningen. Denne iterative prosessen fortsetter til S3 er lik S4 hvoretter, c) Sensorverdiene S5 og S6 leses og sammenliknes med hverandre. Dersom S5 er lik S6 fortsetter prosessen med hovedtrinnet d) . Dersom S5 ikke er lik S6, startes en iterativ prosess. Dersom S5 er større enn S6, gir robotgriperen ordre om

å bevege seg (rotere) i -y-koordinatretningen. Dersom S6 er større enn S5, gis robotgriperen ordre om å bevege

seg i +y-retningen. Denne iterative prosessen fortsetter inntil S5 er lik S6, hvoretter,

d) Sensorverdien Sl (eller S2, som nå er lik Sl) leses og sammenliknes med en forutbestemt nominell verdi, NY

(2 i eksemplet). Dersom Sl er lik NY fortsetter prosessen med hovedtrinnet e). Dersom Sl ikke er lik NY, startes en iterativ prosess. Dersom Sl er større enn NY, gis robotgriperen ordre om å bevege seg i -y-koordinatretningen. Dersom NY er større enn Sl gis robotgriperen ordre om å

bevege seg i +y-koordinatretningen. Denne prosessen fortsetter til Sl er lik NY, hvoretter,

e) Sensorverdien S3 (eller S4, som nå er lik S3) leses og sammenliknes med en forutbestemt, nominell verdi, NZ

(2 i eksemplet). Dersom S3 er lik NZ, fortsetter prosessen med hovedtrinnet f). Dersom S3 ikke er lik med NZ startes en iterativ prosess. Dersom Sl er større enn NZ, gis robotgriperen ordre om å bevege seg i -z-koordinatretningen.

Dersom NZ er større enn S3, gis robotgriperen ordre om

å bevege seg i +z-koordinatretningen. Denne prosessen fortsetter inntil S3 er lik NZ, hvoretter

f) Sensorverdien S5 (eller S6,..som nå er lik S5) leses og sammenliknes med en forutbestemt nominell verdi, NX

(2 i eksemplet). Dersom Sl er lik NX, er robotgriperen fullstendig kompensert for feil i alle koordinatretningene og prosessen fortsetter med hovedtrinnet g). Dersom S5

ikke er lik NX, startes en iterativ prosess. Dersom S5

er større enn NX, gis robotgriperen ordre om å bevege seg i -x-koordinatretningen. Dersom NX er større enn S5, gis robotgriperen ordre om å bevege seg i +x-koordinatretningen. Denne prosesen fortsetter inntil S5 er lik NX, hvoretter robotgriperen er fullstendig kompensert for feil i alle koordinatretninger. g) Roboten føres tilbake fra kompenseringsmodusen til normal arbeidsmodus.

Ifølge et annet alternativ av oppfinnelsen utføres kompenseringsprosessen gjennom følgende hovedtrinn k-q;

k) Sensorverdiene Sl og S2 leses og sammenliknes med hverandre. Dersom Sl er lik S2 fortsetter prosessen med hovedtrinnet 1). Dersom Sl er større enn S2, beregnes feilen i 6-koordinatretningen ved hjelp av formelen

A6l = arctg [ (S1-S2) -f dl ] , hvor dl er avstanden mellom

Pl og P2. Siden gis robotgriperen ordre om å rotere

-A6l°. Dersom S2 er større enn Sl, beregnes feilet i 8-koordinatretningen ved hjelp av formelen

682 = arctg [ (S2-S1) -f dl]. Siden gis robotgriperen ordre om å rotere +AB2°.

1) Sensorverdiene S3 og S4 leses og sammenliknes med hverandre. Dersom S3 er lik S4, fortsetter prosessen med hovedtrinnet m). Dersom S3 er'større enn S4, beregnes feilen i a-koordinatretningen ved hjelp av formelen

Aal = arctg [ (S3-S4) t d2], der D2 er avstanden mellom P3 og P4. Siden gis robotgriperen ordre om å rotere -Aal°. Dersom S4 er større enn S3, beregnes feilen i a-koordinatretningen ved hjelp av formelen Aa2 = arctg [ (S4-S3) -f d2 ] . Siden gis robotgriperen ordre om å rotere +Aa2°.

m) Sensorverdiene S5 og S6 leses og sammenliknes med hverandre. Dersom S5 er lik S6, fortsetter prosessen med hovedtrinnet n). Dersom S5 er større enn S6, beregnes feilen i y-koordinatretningen ved hjelp av formelen hyl = aret [ (S5-S6) d3 ] , der d3 er avstanden mellom P5

og P6. Siden gis robotgriperen ordre om å bevege seg

-Ay1°. Dersom S6 er større enn S5, beregnes feilen i Y-koordinatretningen ved hjelp av formelen

åy2 = arctg [ (S6-S5) t d3 ] . Siden gis robotgriperen ordre om å rotere +Ay2°.

n) Sensorverdien Sl (eller S2, som nå er lik Sl) leses og sammenliknes med en forutbestemt, nominell verdi, NY, (2

i eksemplet). Dersom Sl er like NY, fortsetter prosessen . med hovedtrinnet o). Dersom Sl er større enn NY, gis robotgriperen ordre om å bevege seg -Ayl = -(Sl-NY) i y-koordinatretningen. Dersom NY er større enn Sl, gis robotgriperen ordre om å bevege seg +Ay2 = + (NY-S1) i y-koordinatretningen .

o) Sensorverdien S3 (eller S4, som nå er lik S3) leses og sammenliknes med en forutbestemt, nominell verdi, NZ, (2

i eksemplet). Dersom S3 er lik NZ, fortsetter prosessen med hovedtrinnet p). Dersom S3 er større enn NZ, gis robotgriperen ordre om å bevege seg -AZl = -(S3-NZ) i Z-koordinatretningen. Dersom NZ er større enn S3, gis robotgriperen ordre om å bevege seg +A2 = + (NZ-S3) i Z-koordinatretningen.

p) Sensorverdien S5 (elelr S6, som nå er lik S5) leses og sammenliknes med en forutbestemt, norminell verdi, NX, (2

i eksemplet). Dersom S5 er lik NX, er robotgriperen fullstendig kompensert i alle koordinatretninger og prosessen fortsetter med hovedtrinnet q). Dersom S5 er større enn NX, gis robotgriperen ordre om å bevege seg -Axl = -(Sl-NX) i x-koordinatretningen. Dersom NX er større enn S5 gis robotgriperen ordre om å bevege seg +Ax2 = +(NX-S5) i

x-koordinatretningen.

q) Roboten tilbakeføres fra kompenseringsmodusen til normal operasjonsmodus.

Claims

1. Fremgangsmåte for automatisk kompensering av posisjonsfeil hos en robotgriper i alle frihetsgrader i et robot- eller liknende system, karakterisert ved trinnene: forflytting av et målelegeme (32), som holdes av robotgriperen (1), som reaksjon på en kommando representativ for en forutbestemt nominell posisjon i en målearmatur (31), hvilken posisjon er kjent av robotsystemet, idet målelegemet (32) er i form av tre innbyrdes seg skjærende overflater (AA, BB, CC) og fastholdt ved hjelp av griperen, slik at griperdefinisjonspunktet faller sammen med en kubes sentralpunkt (35), bestemmelse via reell måling, ved hjelp av parvise sensorer (S1-S6) i målearmaturen, forskjellen mellom et første par av sensorverdiene (S1-S2) og anvendelse av nevnte forskjellsverdi for å forflytte robotgriperen (1) for å kompensere for en feil i en tilhørende første vinkelkoordinatretning (e), suksessiv gjentakelse av denne prosessen med anvendelse av hvert ytterligere par av sensorverdier (S3-S4; S5-S6) for å kompensere for feil i respektive tilhørende vinkelkoordinat-retninger (a, 7), sammenligner nevnte første par av like sensorverdier (Sl, S2) med en første nominell verdi (NY) som er representativ for nevnte forutbestemte nominelle posisjon for målelegemet, anvendelse av forskjellsverdien for forflytting av robotgriperen for å kompensere for feil i en tilhørende første ortogonale koordinatretning (y) til et ortogonalt koordinatsystem (x, y, z), suksessiv gjentakelse av denne prosessen med anvendelse av hvert ytterligere par av sensorverdier (S3-S4, S5-S6) for å kompensere for feil i respektive tilhørende ortogonale koordinatretninger (z, x) til det ortogonale koordinatsystemet .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at forskjellsverdien anvendes for iterativ kompensasjon av feil i respektive koordinatretninger (g, a, 7, x, y, z) (fig. 8).

3. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-2, karakterisert ved at nevnte forskjellsverdi anvendes for å beregne feil i respektive koordinatretninger (g, a, y, x, y, z) og av at robotgriperen forflyttes for suksessivt å kompensere for de beregnede feil i respektive koordinatretninger (fig. 9).

4. Apparat for utførelse av fremgangsmåten for automatisk kompensering av posisjonsfeil hos en robotgriper i alle frihetsgrader i et robot- eller liknende system ifølge krav 1, karakterisert ved et målelegeme (32) som holdes av robotgriperen (i), som reaksjon på en kommando representativ for en forutbestemt nominell posisjon i en målearmatur (31), hvilken posisjon er kjent av robotsystemet, idet målelegemet (32) er i form av tre innbyrdes seg skjærende overflater (AA, BB, CC) og fastholdt ved hjelp av griperen, slik at griperdefinisjonspunktet faller sammen med en kubes sentralpunkt (35), parvis anordnede sensorer (S1-S6) i målearmaturen.

S- Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at målelegemet (32) har en mellomvegg (33), som har en styrende profil (34) for å styre kubusens defineringspunkt (35) til å falle sammen med griperens definisjonspunkt.

6. Apparat ifølge krav 4-5, karakterisert ved at målearmaturen (31) består av et antall flater (AAF, BBF„ CCF), hvis stilling nøyaktig defineres i forhold til robotens koordinatsystem, og flatene er forsynt med nevnte avfølings-organ (S1-S6) i et forutbestemt mønster.

7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert ved at flatene (AAF, BBF, CCF) står vinkelrett på hverandre.

8. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at målearmaturen (31) har form av tre kubusflater (AAF, BBF, CCF).

9. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at av avfølingsorgan (S1-S6) fordeles to (S3-S4) i en første kubusflate (AAF), to (S1-S2) i en andre kubusflate (BBF) og to (S5-S6) i en tredje kubusflate (CCF).