SE505981C2 - Förfarande för styrning av en industrirobot med hänsyn till moment och belastning - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 A505 981 2 nästa position som roboten ska inta i kartesiska koordinater.

Därefter beräknas de axelvinklar som krävs för att roboten ska inta denna position.

Med hjälp av en matematisk modell för roboten kan det axelmoment som krävs för att driva axlarna enligt de beräknade axel- vinklarna beräknas. En kontroll utförs av om något av de beräknade axelmomenten överstiger de motormoment som respektive motor klarar av att generera. Om tillgängligt motormoment inte räcker till för att uföra rörelsen justeras rörelsen, t ex genom att minska hastighet och acceleration, så att varje axels till- gängliga motormoment utnyttjas optimalt samtidigt som roboten fortfarande följer banan.

För att inte robotens mekaniska struktur ska bli överbelastad måste den mekaniska strukturen utformas så att den hållfasthets- mässigt klarar av belastningar som orsakats av alla tänkbara kombinationer av individuella axelrörelser. Detta kräver att strukturen konstrueras för ett värsta fall som kanske sällan inträffar. Detta leder till att roboten blir onödigt långsam för typiska rörelser och att maximalt tillåten hastighet och last för roboten måste sättas onödigt lågt för att inte överbelasta strukturen. Det är framförallt nâgra kritiska komponenter som för vissa rörelser utsätts för höga belastningar och därmed måste dimensioneras för dessa belastningar.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att anvisa ett förfarande för styrning av en industrirobot längs en bana, som ger möjlighet att dimensionera ner de mekaniskt kritiska delarna jämfört med tidigare kända robotar.

Vad som kännetecknar ett förfarande enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

Uppfinningen innebär att samtidigt som tillgängligt motormoment utnyttjas maximalt skall mekaniskt kritiska komponenter över- vakas så att inte maximalt tillåtna belastningar i komponenterna 10 15 20 25 30 35 5GB 931 3 överskrides, och om de riskerar att överskridas ska rörelsen längs banan modifieras så att tillåtna belastningar ej över- skrides.

Fördelarna med uppfinningen är att den ger en möjlighet att dimensionera kritiska komponenter mera offensivt utan att riskera mekaninsk överbelastning. Detta ger stora kostnads- fördelar. T ex ger en mindre handled lägre vikt på hela över- armen, vilket har en mycket stor betydelse för dimensioneringen av resten av roboten.

Nödvändiga reduktioner av motormomentet behöver endast inträffa i vissa extrema kombinationer av axelvinklar. Övriga axelvinklar utnyttjar tillgängligt motormoment fullt ut. På så vis kan roboten konstrueras så att den klarar av att utföra typiska rörelser med hög prestanda. Andra mera sällan förekommande rörelser utföres med reducerat motormoment så att robotens kritiska komponenter inte överbelastas.

Uppfinningen gör det också möjligt att använda laster som är större än de som idag är tillåtet för roboten, eftersom det inte är någon risk för överbelastning i de kritiska komponenterna.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar ett exempel på en känd industrirobot, hos vilken uppfinningen kan tillämpas.

Figur 2 visar ett exempel på en robotbana.

Figur 3 visar beräkningsgång och dataflöde vid ett förfarande enligt uppfinningen.

BESKRIVNING Av UTFÖRINGSPORMR Figur 1 visar ett exempel på en känd industrirobot. På ett underlag 1 är robotens fot 2 fast monterad. Roboten har ett vilket är vridbart i förhållande till foten 2 runt en vertikal axel Al. basstativ 3, I basstativets övre ände är en underarm 4 lagrad och vridbar i förhållande till basstativet runt en andra axel A2. I underarmens ytterände är en överarm 5 lagrad och 10 15 20 25 30 35 505 981 vridbar i förhållande till underarmen runt en axel A3. Överarmen 5 består av två delar 5a och 5b, varvid den yttre delen 5b är vridbar i förhållande till den inre delen Sa runt en med över- armens längdaxel sammanfallande vridningsaxel A4. Överarmen 5 uppbär i sin yttre ände en robothand 6, vilken är vridbar runt en mot överarmens längdaxel vinkelrät vridningsaxel A5. Robot- handen innefattar ett verktygsfäste 7. Verktygsfästet 7 är vridbart i förhållande till robothandens inre del runt en vridningsaxel A6 som är vinkelrät mot A5. Vridningsvinklarna i de sex vridningsaxlarna Al. . .A6 betecknas i figuren med (pl-(Dó.

Styrsystemet är anordnat i ett separat styrskàp 8 och innefattar på känt sätt en datorutrustning med erforderliga minnen för program och andra data, drivorgan för de olika robotaxlarnas drivmotorer samt erforderlig matningsutrustning. Styrskåpet är förbundet med en programmeringsenhet 9 för programmering och övrig betjäning av roboten.

Hos roboten finns ett antal komponenter som är kritiska ur mekanisk synpunkt. Exempel på en sådan kritisk komponent är robothandens 6 upphängning i den andra armen 5. Speciellt känsligt är det om den utsätts för ett vridmoment kring en axel vinkelrät mot vridningsaxlarna A5 och A6_ En kritisk komponent har oftast någon kritisk punkt i vilken belastningen kan bli mycket hög för vissa rörelser. De kritiska punkterna kan t ex vara icke roterande punkter som utsätts för ett vridmoment vinkelrätt mot robotens vridnigsaxlar. För robothandens upphängning är den kritiska punkten KPI.

Figur 2 visar ett exempel på en bana som är given i form av ett antal punkter P1 - P4 i ett kartesiskt koordinatsystem. Roboten är programmerad att förflytta sig längs banan med en given ban- hastighet v. För att roboten ska följa den givna banan på önskat vis måste det moment som varje axels drivmotor ska ge beräknas.

Vid utförandet av denna beräkning införs flera samplingspunkter P11, P12, P13 P1n mellan de givna punkterna P1 - P4.

Avståndet mellan samplingspunkterna är Al och baseras på den givna banhastigheten v och en internsamplingstid At. 10 15 25 30 35 5 505 981 Al=v*At (l) Innan roboten kan flyttas till nästa samplingspunkt beräknas först punktens position i kartesiska koordinater. Därefter räknas den kartesiska positionen om till axelvinklar ä, enlig någon känd metod. Utgående från de beräknade axelvinklarna, axelvinklarna i föregående samplingspunkter ÉH och 777,4 som år kända och den givna banhastigheten v beräknas också de axelvisa hastigheter (bi och accelerationer Ö,- som krävs för att utföra den beordrade rörelsen. Den kartesiska banan motsvaras alltså av sex stycken axe lvisa banor .

Medvhjälp av en matematisk modell av robotdynamiken kan det axelmoment ?=(1,,r,..r6) som krävs för att driva axlarna till nåsta position beräknas. Axelmomentet ï härrör från sådana dynamiska effekter såsom masströghet, friktion, centrifugalkraft och gravitation. ï=mön$+wä$»$+dw+nä$> (m $=(p,,q>,....q>6 = robotens position $=(Ö,.(ö2.....d>6 = robotens hastighet ë=fópfßznuöó = robotens acceleration Mfiö) är en massmatris och beskriver robotens axelvisa kopplade tröghetsmoment. Wífß) är axelvisa hastighetsberoende tröghetsmoment och härrör från centrifugalkrafter och coriolis krafter. GW) beskriver gravitationens inverkan på axelmomentet.

Ffiíjí) år axelvisa friktionsmoment. Om robotens position, hastighet och acceleration är kända kan de nödvändiga axel- momenten beräknas ur ekvation 2.

Figur 3 visar i ett blockschema hur ett förfarande enligt upp- finningen kan kan gå till. I block 10 beräknas det axelmoment ï=(^t,,1'2..r,,) som krävs för att roboten ska inta nästa position på banan. I block ll kontrolleras om de beräknade axelmomenten överstiger de maximala motonnoment ïnm som respektive motor kan generera. Om något axelmoment är större än det maximala som kan genereras måste banhastigheten v minskas. En minskning av 10 15 20 25 30 35 6 banhastigheten v innebär en minskning av avståndet till nästa samplingspunkt Al. För att dra ner pà banhastigheten v minskas accelerationen Ö för den axel där det tillgängliga motormomentet inte räcker till. Accelerationen minskas så mycket att motorn klarar av att generera det nödvändiga motormomentet. Accelera- tionen för de övriga axlarna begränsas i motsvarande grad så att roboten fortfarande följer banan, block 12.

Enligt uppfinningen kompletteras ovan beskrivna momentbevakning med en övervakning av belastningen i en eller flera kritisk punkter. För detta ändamål väljs minst en kritisk punkt på roboten ut för övervakning. För var och en av de kritiska punkterna ansätts en skalär ekvation som motsvarar belastningen i punkten. I detta utföringsexempel övervakas en vridmomentkomponent t i punkten KPl på robothandens upphängning.

Vridmomentkomponenten t kan beskrivas med följande ekvation: f = m(a>$+v($,$)$+ gáí) <3) m,v,g är de skalära motsvarigheterna för vridmomentkomponenten t till M,V,G I block 13 beräknas vridmomentkomponenten t i robothandens _ upphängning för de beräknade axelvinklarna ä, hastigheterna à och accelerationerna É. Därefter jämföres den beräknade vrid- momentkomponenten t med en maximalt tillåten vridmomentkomponent tmax för den kritiska punkten, block 14. Om vridmomentkomponen- ten t överstiger det maximalt tillåtna måste banhastigheten minskas och på motsvarande sätt som ovan beskrivits, block 12, minskas accelerationen för axlarna så att roboten fortfarande följer banan. Nya axelmoment ï beräknas för den nya lägre banhastigheten, block 10. Förfarandet upprepas tills belast- ningen i den kritiska punkten inte längre överstiger den högsta tillåtna. Utsignalerna från-övervakningen är ett motormoment ïm,=(rb"H1¿,,uq"m) som är optimerat med avseende på vad varje axels motor förmår att ge, och som driver roboten till nästa samplingspunkt på banan utan att belastningen i robothandens upphängning blir för hög.

Claims (3)

10 15 20 25 30 35 n n 4 5\J5 9LJ| 7 I en annan utföringsform kan flera kritiska punkter övervakas. För var och en av de kritiska punkterna ansätts en ekvation som beskriver belastningen i punkten och en maximalt tillåten belastning för punkten. PATENTKRAV

1. Förfarande för styrning av en industrirobots rörelse längs en given bana (P1 - P4) med en önskad banhastighet (v), vilken industrirobot har ett antal rörelseaxlar (1-6) och för varje axel en servoutrustning för styrning av axelrörelsen i enlighet med tillförda börvärden (ï;,), innefattande följande steg: de axelvinklar (äfl som behövs för att inta nästa position P12, P13 i beroende av de beräknade axelvinklarna och en första (P11: .. P1n) på banan beräknas, matematisk modell, som beskriver robotens statiska och dynamiska egenskaper, beräknas för var och en av rörelseaxlarna det moment (?=(1',,t,..^t6)) som krävs för att inta nästa position, för var och en av axlarna jämförs beräknat moment (ï) med högsta tillåtna moment (img, kilnz1et:e<:k:xa1: awr att belastningen (t) beräknas i en mekaniskt kritisk punkt (KP1) för de beräknade axelvinklarna (åfl næd hjälp av en andra matematisk modell, som beskriver robotens belastning i den kritiska punkten, belastningen (t) jämförs med en för den kritiska punkten högsta tillåten belastning (tmax), om beräknat moment överstiger det högsta tillåtna för någon axel eller om den beräknade belastningen överstiger det högsta tillåtna för den kritiska punkten så minskas banhastigheten (V).

2. . Förfarande enligt patentkrav 1 kä n n o t o c k n a t a v att med hjälp av matematiska modeller beräknas belastningen (tj) i ett flertal mekaniskt kritiska punkter för de beräknade axelvinklarna ($fl belastningen jämförs för var och en av de kritiska punkterna med en högsta tillåten belastning (tjmax) och, om belastningen i någon punkt överstiger den högsta till- låtna så minskas banhastigheten (v) så att belastningen inte 505 981 e överstiger det maximalt tillåtna för någon av de kritiska punkterna.

3. . Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2 k ä n n e t e c k n a t a v att börvärdena till servosystemet fb, = (Tu,,,,1',,,,,2..1'b,,6) beräknas i beroende av den minskade banhastigheten.