WO2015024634A1

WO2015024634A1 - Energieoptimales konfigurieren eines manipulators

Info

Publication number: WO2015024634A1
Application number: PCT/EP2014/002178
Authority: WO
Inventors: Stefan Roth
Original assignee: Kuka Roboter Gmbh
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2015-02-26
Also published as: DE102013013847A1; CN105473289B; CN105473289A; EP3036073A1

Abstract

Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Konfigurieren eines Manipulatorprozesses mit einer vorgegebenen Bewegungsphase (9) und einer variablen Bewegungsphase (10) wird eine kinematische Größe des Manipulatorprozesses in der variablen Bewegungsphase (10) so vorgegeben, dass eine Energiegröße reduziert wird.

Description

Beschreibung

Energieoptimales Konfigurieren eines Manipulators

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konfigurieren eines Manipulatorprozesses, insbesondere eines Roboterprozesses, und ein Konfigurationsmittel zum Konfigurieren eines Manipulatorprozesses.

Manipulatoren, insbesondere Roboter im industriellen Einsatz, führen üblicherweise sich wiederholende, strukturierte Aufgaben aus. Dazu wird eine Bahn des Manipulators zuvor meist über eine Manipulatorsteuerung und ein entsprechendes Programmiermittel vorgegeben. Eine solche Bahn besteht üblicherweise aus mehreren unterschiedlichen Bahnabschnitten. Sollen beispielsweise durch einen manipulatorgeführten Klebstoffspender mehrere Klebespuren auf einem Werkstück erzeugt werden sollen, wobei die Klebespuren geometrisch so angeordnet sind, dass jede Klebespur eine Seite eines durch die Klebespuren aufgespannten Rechtecks bildet, entspricht jede Klebespur einem vorgegebenen Bahnabschnitt, der während einer korrespondierenden vorgegebenen Bewegungsphase abgefahren wird.

Zwischen zwei vorgegebenen benachbarten Bewegungsphasen muss der Manipulator seine Bewegungsrichtung entsprechend anpassen, um beispielsweise die nächste Klebespur abzufahren. Unterschiedliche vorgegebene Bewegungsphasen entlang der Gesamtbahn weisen üblicherweise nicht nur unterschiedliche Bewegungsrichtungen auf, sondern können auch Differenzen bezüglich anderer Zustände des Manipulators, insbesondere bezüglich kinematischer Größen, aufweisen. Bei diesen kinematischen Größen kann es sich insbesondere um Positionen, Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen des Manipulators handeln. Im oben genannten Beispiel eines Klebeprozesses kann eine solche Differenz beispielsweise eine Geschwindigkeit betreffen, mit welcher der Manipulator die Klebespur legt und über welche die Dicke der Klebespur moduliert wird. Die Klebespuren können beispielsweise durch eine vorgegebene konstante Geschwindigkeit des Manipulators realisiert werden, so dass sich eine Klebespur konstanter Dicke ergibt.

Zur Überführung von einer vorgegebenen Bewegungsphase in eine andere sind demnach zumeist neben Anpassungen der Richtung auch Anpassungen einer oder mehrerer anderer kinematischer Größen des Manipulators notwendig.

Die Anpassungen geschehen gemäß betriebsinterner Praxis bisher dadurch, dass der Manipulator vor dem Beginn einer neuen vorgegebenen Bewegungsphase abbremst, seine Position entsprechend justiert, insbesondere ein Werkzeug hebt oder senkt, und wieder beschleunigt. Diese Anpassungen sind meist mit einer Energieaufnahme und/oder einer Energiedissipation verbunden.

Nicht immer ist es dabei notwendig oder möglich, dass der Manipulator seine Zustände erst am Übergangspunkt zwischen zwei vorgegebenen Bewegungsphasen anpasst. Beispielsweise können am Übergang zwischen zwei vorgegebenen Bewegungsphasen, durch welche ein Richtungswechsel der Bahn definiert wird, Positionsabweichungen des Manipulators von den vorgegebenen Bahnabschnitten, zwischen denen der Übergang erfolgt, zulässig sein. Es ist dabei bekannt, den Manipulator in diesen Bereichen durch ein sogenanntes „Überschleifen" oder „Versch leiten" von einem Bahnabschnitt in einen nächsten Bahnabschnitt so zu überführen, dass die Bewegung des Manipulators während des Übergangs von den vorgegebenen Bahnabschnitten abweicht. In dem oben genannten Beispiel kann so vermieden werden, dass die bei einem Richtungswechsel zwischen zwei aufeinanderfolgenden vorgegebenen Bewegungsphasen am Übergangspunkt zwischen den entsprechenden vorgegebenen Bahnabschnitten vorhandene Ecke positionsgenau abgefahren werden muss. In diesem Fall besteht ein Manipulatorprozess aus vorgegebenen Bewegungsphasen und aus variablen Bewegungsphasen, durch welche der Übergang zwischen zwei vorgegebenen Bewegungsphasen bezeichnet wird.

So lehrt zum Beispiel die EP 0 706 104 B1 ein Verfahren zum Verschleifen nichttangentialer Bereiche in programmierten Konturen, insbesondere zum Einsatz in numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinensteuerungen. Dabei wird der Verlauf der Maschinenachsen innerhalb des Überschleifelementes approximativ bestimmt. Ziel ist es, ein Verfahren zum Verschleifen unstetiger Bereiche in programmierten Konturen so auszugestalten, dass dadurch bedingte in den Maschinenachsen auftretende Achsgeschwindigkeitssprünge und die dem zugrunde liegenden Beschleunigungsimpulse eingeschränkt werden können. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Manipulatorprozess bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Konfigurieren eines Manipulatorprozesses mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Anspruch 1 1 stellt ein Konfigurationsmittel, Anspruch 12 ein Computerprogramm zum Durchführen eines entsprechenden Verfahrens unter Schutz, Anspruch 13 ein entsprechendes Computerprogrammprodukt. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Konfigurieren eines Manipulatorprozesses kann insbesondere zum Konfigurieren eines Roboterprozesses verwendet werden, der durch einen oder mehrere, insbesondere kooperierende, Roboter durchgeführt wird.

Der Manipulatorprozess weist eine oder mehrere vorgegebene Bewegungsphasen und eine oder mehrere variable Bewegungsphasen auf. Vorgegebene Bewegungsphasen können insbesondere auf Basis einer Bearbeitungs- und/oder Transportaufgabe vorab vorgegeben werden bzw. sein, beispielsweise auf Basis einer durch einen oder mehrere Roboter abzufahrenden Bearbeitungs- oder Transportbahn, etwa einer Klebe-, Schweiß- oder Lackierbahn oder dem Aufnehmen von oder Absetzen auf einem Förderband. Eine variable Bewegungsphase im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine freie Transferbahn eines oder mehrerer Roboter sein, die den bzw. die Roboter von einem vorgegebenen Zustand in einen anderen vorgegebenen Zustand, insbesondere auch einen Stillstand, überführt, ohne, beispielsweise auf Basis einer durch einen oder mehrere Roboter abzufahrenden Bearbeitungs- oder Transportbahn, vorgegeben zu sein. Die variable Bewegungsphase kann insbesondere auch eine Bahn sein, auf der kein Bearbeitungsprozess stattfindet, etwa Kleben, Schweißen oder Lackieren. Hierbei kann insbesondere der Übergang der vorgegebenen Zustände am Ende einer vorhergehenden Bewegungsphase und am Anfang einer weiteren anschließenden vorgegebenen Bewegungsphase stattfinden. Als Übergang im Sinn der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise der Zeitpunkt eines Wechsels zwischen einer vorgegebenen und einer variablen Bewegungsphase oder zwischen einer variablen und einer vorgegebenen Bewegungsphase bezeichnet.

Entsprechend ist eine kinematische Größe des Manipulatorprozesses am Übergang zwischen einer variablen Bewegungsphase und einer vorhergehenden und/oder einer anschließenden vorgegebenen Bewegungsphase vorgegeben. Beispielsweise ist die Position und Geschwindigkeit am Ende eines Klebestreifens und die Position und Geschwindigkeit am Anfang eines anschließend abzufahrenden Klebestreifens durch den Klebeprozess vorgegeben, d.h. die Vorgabe des Klebeprozesses hat in der vorgegebenen Bewegungsphase die Form eines Klebestreifens, in der variablen Bewegungsphase die Form einer Transferbahn zum nächsten Klebestreifen, und ab dem Übergang dieser variablen Bewegungsphase in die anschließende Bewegungsphase wiederum die Form eines Klebestreifens.

Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine kinematische Größe wird in einer oder mehreren variablen Bewegungsphasen, insbesondere komplett während einer oder mehreren variablen Bewegungsphasen, automatisch so vorgegeben, dass eine Energiegröße reduziert wird. So kann beispielsweise vorteilhaft in einem manipulatorgestützten Klebeprozess eine kinetische Energie des Roboters am Ende einer Klebespur vorteilhaft dazu genutzt werden, den Roboter an einen Anfang einer nächsten Klebespur zu verfahren, ohne ihn dabei vollständig anzuhalten und dabei seine kinetische Energie ungenutzt in Wärme umzuwandeln. Ein Manipulatorprozess im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein durch eine Manipulatoranordnung zielgerichtet durchgeführter Vorgang, insbesondere ein Klebeprozess, eine Schweißapplikation, Pressenverkettungsprozess, ein Schweißstrom, ein Betrieb einer Achse oder eines weiteren Antriebs sein. Eine Manipulatoranordnung kann dabei insbesondere einen oder mehrere Manipulatoren, insbesondere Roboter, umfassen, aber auch andere Vorrichtungen, wie eine Zusatzachse, ein Förderband, ein Werkzeug, etc. Ein Manipulatorprozess kann eine algorithmisch ablaufende Informationsverarbeitung umfassen. Insbesondere kann ein Prozess ein Vorgang sein, der durch ein Programm kontrolliert wird, welches insbesondere zur Ausführung einen Prozessor benötigt, der vorzugsweise durch eine Steuerungsvorrichtung bereitgestellt wird. Unter einer Bewegungsphase im Sinne der Erfindung wird insbesondere ein Zeit- bzw. Bahnabschnitt eines Manipulatorprozesses verstanden, in welchem die Zustände des Manipulatorprozesses bestimmte Werte aufweisen. Unter einem Zustand des Manipulatorprozesses wird im Folgenden insbesondere ein physikalischer Zustand einer oder mehrerer am Manipulatorprozess beteiligten Vorrichtung, insbesondere eines oder mehrerer Manipulatoren, also ein Zustand der Manipulatoranordnung, verstanden. Während einer Bewegungsphase weisen solche Zustände bestimmte Werte auf. Zum Beispiel können ein oder mehrere Manipulatoren bestimmte Positionen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen etc. aufweisen. Diese können zumindest teilweise vorgegeben sein bzw. werden. Gleichermaßen können sich Zustände des Manipulatorprozesses aus vorgegebenen Zuständen und/oder aus Nebenbedingungen des Manipulatorprozesses bzw. der daran beteiligten Vorrichtungen ergeben. Zum Beispiel können ein oder mehrere Manipulatoren, insbesondere Teile davon, eine bestimmte potentielle Energie und/oder kinetische Energie aufweisen und/oder können ein oder mehrere Zustände eines Manipulatorprozesses, insbesondere innerhalb gewisser Grenzen, variabel sein.

Eine Vorgabe im Sinne der Erfindung kann eine, insbesondere automatische, Vorgabe umfassen, welche insbesondere durch ein Konfigurationsmittel erfolgen kann. Vorzugsweise ist eine Vorgabe abhängig von einem Zustand des Manipulatorprozesses, insbesondere einem Zustand eines oder mehrerer Manipulatoren der Manipulatoranordnung und/oder eines oder mehrerer Werkzeuge eines Manipulators der Manipulatoranordnung. Eine Vorgabe kann abhängig von einem oder mehreren Werkstücken der Manipulatoranordnung sein. Zusätzlich oder alternativ kann eine Vorgabe durch eine Vorrichtung kommuniziert werden, die mit der Manipulatoranordnung zusammenwirkt. Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein. Insbesondere kann das Mittel eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) sein und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere den Manipulatorprozess konfigurieren bzw. vorgeben kann.

Ein Konfigurationsmittel kann insbesondere eine Robotersteuerung für einen oder mehrere Roboter aufweisen, insbesondere sein. Gleichermaßen kann das Konfigurationsmittel ein mit der Robotersteuerung zusammenwirkendes Mittel sein, insbesondere ein PC, welcher vorzugsweise mit einer Eingabeschnittstelle verbunden ist. Ein Konfigurationsmittel kann insbesondere zum Konfigurieren eines Manipulatorprozesses über ein Netzwerk, insbesondere das Internet, eingerichtet sein.

Eine kinematische Größe im Sinne der Erfindung kann ein Zustand des Manipulatorprozesses sein. Vorzugsweise beschreibt eine kinematische Größe eine Position und/oder Bewegung eines Punktes oder eines Körpers im Raum, insbesondere eines oder mehrerer Elemente der Manipulatoranordnung. Eine kinematische Größe kann somit eine Position, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung und/oder eine Zeitableitung einer solchen Größe sein. Eine kinematische Größe kann auch dynamische Größen umfassen, insbesondere Parameter eines Models des Manipulatorprozesses und/oder der Manipulatoranordnung, insbesondere Parameter einer Differentialgleichung und/oder einer Übertragungsfunktion. Eine kinematische Größe kann insbesondere auch eine Kraft oder ein Moment umfassen. Eine kinematische Größe kann ein- oder mehrdimensional sein. Eine Energiegröße im Sinne der Erfindung umfasst insbesondere eine Größe, die einen energetischen Zustand eines Systems, eines Feldes und/oder von Teilen davon beschreibt. Im Sinne der Erfindung kann eine Energiegröße jede Energie umfassen, die in Verbindung mit einer Maschine auftreten kann, insbesondere eine kinetische und/oder eine potentielle Energie. Eine Energiegröße kann darüber hinaus eine Verlustenergie umfassen, insbesondere sein. Zusätzlich oder alternativ kann eine Energiegröße eine elektrische Energie oder eine Wärmeenergie beinhalten. Eine Energiegröße kann auch eine Ableitung und/oder ein Integral einer anderen Energiegröße umfassen, insbesondere kann eine Energiegröße somit eine Leistung sein. Eine Energiegröße kann eine Abbildung bzw. eine Funktion einer Energie sein, insbesondere einer kinetischen und/oder einer potentiellen Energie. Insbesondere kann eine solche Abbildung eine Gütefunktion oder ein Gütefunktional eines Optimierungsproblems, insbesondere eines Minimierungsproblems, umfassen.

Durch die erfindungsgemäße Vorgabe der kinematischen Größe zur Reduktion einer Energiegröße innerhalb einer variablen Bewegungsphase können Übergangsphasen, insbesondere zwischen zwei vorgegebenen Bewegungsphasen, besser, vorzugsweise energieoptimal, vorgegeben werden. Vorteilhaft kann dadurch ein effizienterer Betrieb eines Manipulatorprozesses erreicht werden. Zusätzlich oder alternativ kann dadurch ein genauerer und sicherer Betrieb eines Manipulatorprozesses erreicht werden, da durch eine entsprechend energieoptimale Vorgabe einer kinematischen Größe vorteilhafterweise auch mechanische Anregungen, beispielsweise Schwingungen, in der Manipulatoranordnung minimiert bzw. insbesondere nur dort zugelassen werden, wo sie mit einer Bedienervorgabe oder notwendig einzuhaltenden Nebenbedingungen nicht in Konflikt stehen.

In einer bevorzugten Weiterbildung weist der Manipulatorprozess zwei oder mehr vorgegebene Bewegungsphasen auf. Dabei endet die erste vorgegebene Bewegungsphase, vorzugsweise unmittelbar, bevor die erfindungsgemäß vorgegebene variable Bewegungsphase anfängt. In einer Ausführung fallen der Endpunkt der ersten vorgegebenen Bewegungsphase und der Anfangspunkt der variablen Bewegungsphase zeitlich zusammen. Zusätzlich oder alternativ endet die zweite vorgegebene Bewegungsphase, vorzugsweise unmittelbar, nach der variablen Bewegungsphase. In einer Ausführung fallen der Endpunkt der variablen Bewegungsphase und der Anfangspunkt der zweiten vorgegebenen Bewegungsphase zeitlich zusammen. Vorteilhaft können dadurch zwei durch einen Bediener vorgegebene Bewegungsphasen, deren korrespondierende vorgegebene Bahnabschnitte nicht zusammenhängen, ineinander überführt werden.

Vorzugsweise umfasst der Manipulatorprozess mehrere variable Bewegungsphasen. Diese variablen Bewegungsphasen können insbesondere jeweils durch vorgegebene Bewegungsphasen getrennt sein. Zum Beispiel kann ein Prozess zum Kleben eines Rechtecks vier vorgegebene Bewegungsphasen umfassen, zwischen denen vier variable Bewegungsphasen angeordnet sind. Vorzugsweise bilden vorgegebene Bewegungsphasen und variable Bewegungsphasen einen periodischen Manipulatorprozess. Vorteilhaft kann dadurch ein, insbesondere abschnittsweiser, periodischer Manipulatorprozess einfach konfiguriert werden.

In einer Ausführung des Verfahrens wird eine kinematische Größe auf Basis mehrerer Bewegungsphasen vorgegeben. Insbesondere können diese Bewegungsphasen vorgegebene Bewegungsphasen umfassen, insbesondere sein. Zusätzlich oder alternativ können diese Bewegungsphasen variable Bewegungsphasen umfassen, insbesondere sein. In einer Ausführung wird eine kinematische Größe in einer variablen Bewegungsphase auf Basis aller restlichen variablen Bewegungsphasen und/oder aller vorgegebenen Bewegungsphasen des Manipulatorprozesses vorgegeben. In einer Ausführung wird eine kinematische Größe auf Basis aller anderen Bewegungsphasen vorgegeben. Insbesondere kann eine Vorgabe einer kinematischen Größe auf Basis einer dynamischen Programmierung durchgeführt werden, wobei insbesondere die gesamte Manipulatorbahn, d.h. alle Bewegungsphasen, berücksichtigt werden. Zum Beispiel kann eine Geschwindigkeit während eines Klebeprozesses mit vier vorgegebenen Bewegungsphasen und vier variablen Bewegungsphasen so vorgegeben werden, dass eine durch einen Energiespeicher bereitgestellte Energie optimal zur Bewegung genutzt wird. Vorteilhaft kann dadurch eine variable Bewegungsphase unter Einbeziehung einer globalen Nebenbedingung einfach konfiguriert werden.

In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden wahlweise unterschiedliche kinematische Größen vorgegeben. Insbesondere kann in einer variablen Bewegungsphase zunächst eine Beschleunigung vorgegeben werden und danach eine Geschwindigkeit oder Position. Gleichermaßen kann wahlweise und/oder _q

abwechselnd eine Beschleunigung, eine Geschwindigkeit und/oder eine Kraft vorgegeben werden. Insbesondere kann während einer variablen Bewegungsphase ein Halt des Manipulators vorgegeben werden. Insbesondere kann eine Umschaltung der vorgegebenen kinematischen Größe während der variablen Bewegungsphase, vorzugsweise unter Echtzeitbedingungen, durchgeführt werden, wodurch gewährleistet ist, dass die Umschaltung innerhalb gewisser Zeitvorgaben abgeschlossen ist. Vorzugsweise wird eine sequenzielle Umschaltung zwischen verschiedenen kinematischen Größen vorab festgelegt. Insbesondere kann eine Priorisierung festgelegt werden, um zwischen verschiedenen kinematischen Größen zu wählen auf die umgeschaltet werden soll. Vorteilhaft kann dadurch die variable Bewegungsphase flexibel vorgegeben werden.

In einer bevorzugten Weiterbildung wird die kinematische Größe auf Basis einer Minimierung der Energiegröße vorgegeben. Beispielsweise kann die für einen Manipulatorklebeprozess notwendige elektrische Energie minimiert werden. Insbesondere kann die Energiegröße durch eine Gütefunktion, vorzugsweise als Gütevektorfunktion, beschrieben werden, welche eine kinematische Größe umfasst. Alternativ kann die Energiegröße als Gütefunktional beschrieben werden, welche mehrere Funktionen einer oder mehrerer kinematischen Größen beinhaltet. Zusätzlich oder alternativ kann eine kinematische Größe so vorgegeben werden, dass diese als eine Nebenbedingung eines Energiegrößenoptimierungsproblems eingehalten wird. Vorzugsweise wird die kinematische Größe als Extremalgröße vorgegeben. Eine solche Extremalgröße kann insbesondere eine bestimmte Position oder eine Funktion einer Position umfassen, eine maximale Geschwindigkeit und/oder eine maximale Beschleunigung bzw. Verzögerung, die insbesondere durch eine bestimmte Achse des Manipulators nicht überschritten werden darf.

Eine solche Extremalgröße kann insbesondere auch eine durch einen Manipulator der Manipulatoranordnung auf einen Gegenstand aufbringbare maximale Kraft sein, welche nicht überschritten werden darf. Neben einer Maximalgröße kann eine kinematische Größe als Extremalgröße auch eine Minimalgröße umfassen, insbesondere eine nicht zu unterschreitende Geschwindigkeit. Vorteilhaft kann dadurch die Reduktion der Energiegröße in ein lokales oder globales Minimum erreicht werden, insbesondere unter Einhaltung vorgegebener Maximal- und/oder Minimalwerte.

In einer bevorzugten Weiterbildung weist die kinematische Größe eine Zeitableitung, insbesondere eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung, einer oder mehrerer Achsen eines oder mehrerer Manipulatoren zum Durchführen des Manipulatorprozesses auf. Dadurch kann vorteilhaft eine Energiegröße einer bestimmten Achse eines Manipulators und/oder einer Zusatzachse oder eines ganzen Manipulators reduziert werden. Eine Achse eines Manipulators im Sinn der vorliegenden Erfindung kann insbesondere einen Antriebsstrang, vorzugsweise mit einem Motor, einer Bremse und/oder Sensorik umfassen. Des Weiteren kann eine Achse eines Manipulators auch ein Strukturelement des Roboters umfassen, insbesondere einen Arm, eine Schwinge und/oder ein Werkzeug. Achsen können insbesondere auch einen Energiespeicher einer Manipulatoranordnung betreffen. Achsen mit ähnlichem Aufbau, welche insbesondere mit einem Manipulator zusammenwirken, können Zusatzachsen des Manipulators darstellen.

In einer bevorzugten Weiterbildung wird die kinematische Größe auf Basis einer Nachgiebigkeit, einer Dämpfung, einer Reibung und/oder einer Trägheit der zu bewegenden Achsen des Manipulators vorgegeben. Die kinematische Größe kann dabei insbesondere auf Basis einer Impedanz vorgegeben werden, wobei eine Impedanz im Sinn der Erfindung eine mechanische Größe Quotienten aus Kraft und Geschwindigkeit umfasst. Insbesondere können in der Manipulatoranordnung inhärente Energiespeicher als Impedanzen beschrieben werden, welche insbesondere Energie enthalten, die auf Basis einer kinematischen Größe beschrieben werden kann und/oder von einer Energiegröße umfasst und reduziert wird. Vorteilhaft können dadurch, die in einem Leichtbauroboter durch Elastizitäten strukturell vorhandenen Energiespeicher genutzt werden. In einer bevorzugten Weiterbildung wird die kinematische Größe auf Basis einer oder mehrerer generatorischer Phasen eines oder mehrerer Manipulatoren, welche mit einem oder mehreren anderen Manipulatoren gekoppelt sind, vorgegeben. Eine generatorische Phase kann dabei Teil einer vorgegebenen oder einer variablen Bewegungsphase sein. Eine generatorische Phase umfasst vorzugsweise Verzögerungen, welche durch eine Motorbremse eines Manipulators bewirkt wird. Die dabei entstehende Energie kann zur Bewegung einer anderen Achse, insbesondere einer Achse eines anderen Roboters genutzt werden, wobei beide Roboter vorzugsweise elektrisch, insbesondere über einen Zwischenkreis, gekoppelt sind. Der energiebereitstellende Manipulator kann insbesondere Teil der Manipulatoranordnung des Manipulatorprozesses sein oder in einer anderen Manipulatoranordnung betrieben werden. Vorzugsweise wird eine kinematische Größe so vorgegeben, dass eine elektrische Energie, welche durch eine generatorische Phase bereitgestellt wird, insbesondere vollständig, während der variablen Bewegungsphase in mechanische Energie transformiert wird, insbesondere in kinetische und/oder potentielle Energie. Vorteilhaft kann dadurch ein Energiebedarf durch einen Manipulator während eines Manipulatorprozesses verringert werden. Außerdem kann dadurch eine Dissipation von mechanischer Energie in Wärmeenergie vorteilhaft verringert werden. In einer bevorzugten Weiterbildung wird die kinematische Größe auf Basis verfügbarer Energie in einem Energiespeicher vorgegeben. Ein Energiespeicher im Sinn der Erfindung kann insbesondere einen elektrischen Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie, einen Akkumulator und/oder einen Kondensator aufweisen. Ein Energiespeicher im Sinn der Erfindung kann auch ein mechanischer Energiespeicher sein, welcher eine kinetische und/oder eine potentielle Energie speichert. Insbesondere kann ein Energiespeicher ein Teil der Manipulatoranordnung sein. Unter einem Energiespeicher kann auch eine oder mehrere Achsen eines Manipulators und/oder eine Zusatzachse verstanden werden. Insbesondere kann Energie in einem rotierenden Motor gespeichert sein. Vorzugsweise wird eine kinematische Größe so vorgegeben, dass ein Manipulator eine bestimmte Energie während der variablen Bewegungsphase aufnimmt und/oder abgibt. Vorteilhaft kann dadurch eine Bewegung der variablen Bewegungsphase so vorgegeben werden, dass eine Aufnahme einer Energie aus einer externen Stromversorgung verringert bzw. vermieden wird.

In einer bevorzugten Weiterbildung können Merkmale der vorherigen Weiterbildungen vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Weitere Weiterbildungen sowie Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Diese zeigen, teilweise schematisiert:

Fig. 1 : ein Verfahren zum Konfigurieren eines Manipulatorprozesses nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2: ein Verfahren zum Konfigurieren eines Manipulatorprozesses nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Verfahren zum Konfigurieren eines Manipulatorprozesses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist eine Manipulatoranord- nung 1 mit einem Werkstück 2 und einem Manipulator, welcher zwei Linearachsen 3, 4 aufweist, die orthogonal zueinander bewegt werden können, wobei eine Achse an ihrem Tool Center Point (TCP) eine Klebepistole 5 führt. Ziel des durch die Manipulatoranordnung durchgeführten Manipulatorprozesses ist es, geradlinige Klebespuren 6 (strichliert in Fig. 1 ) auf dem Werkstück 2 zu legen, um das Werkstück 2 an einem anderen Werkstück (nicht dargestellt) anzufügen. Um die Bahn zur Erzeugung der Klebespuren 6 für den Manipulator 3, 4, 5 zu programmieren, wird zunächst eine Bahn aus einem Rechteck 7 hilfsweise konfiguriert. Danach werden Nebenbedingungen konfiguriert, welche weitere Anforderungen an die Bahn darstellen, um gewünschte Klebespuren 6 zu erzeugen. Zunächst werden als Nebenbedingungen über bestimmte Positionen 8 Abschnitte 9 auf der Rechteckbahn

7 definiert, welche durch die Manipulatorbahn einzuhalten sind. Die Vorgabe der Bewegung des Manipulators auf den vier jeweils durch die entsprechenden Positionen

8 definierten, geraden Bahnabschnitten korrespondiert für die hier dargestellte Ausführungsform des Verfahrens zu vier vorgegebenen Bewegungsphasen 9, während denen die Klebespuren 6 gelegt werden sollen.

Die Bewegungen auf den Eckbahnabschnitten, die zwischen den vorgegebenen Bewegungsphasen 9 erfolgen, stellen die variablen Bewegungsphasen 10 dar, während denen insbesondere die Bahn frei gewählt werden kann und nur den Positionsnebenbedingungen unterliegt, End- und Anfangspunkte 8 aufeinanderfolgender Klebespuren 6 bzw. vorgegebener Bewegungsphasen 9 miteinander zu verbinden bzw. die Klebepistole 5 zwischen diesen zu transferieren. Als globale Nebenbedingung, welche sowohl während der vorgegebenen Bewegungsphasen 9 als auch während der variablen Bewegungsphasen 10 einzuhalten sind, kann eine minimale Geschwindigkeit v_min vorgegeben sein, welche nicht zu unterschreiten ist. Unter Berücksichtigung dieser Nebenbedingungen wird durch Variation der variablen Bewegungsphasen die Gesamtenergie des Manipulatorprozesses als Energiegröße minimiert. Wenn die Lösung des Optimierungsproblems mehr als eine Lösung für die vier variablen Bewegungsphasen 10 ergibt, wird ein weiteres Kriterium angewendet, um die alternativen Lösungen in eine einzige Lösung zu konsolidieren. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Lösung ausgewählt, welche sich mit der höchsten Durchschnittsgeschwindigkeit für den Gesamtprozess realisieren lässt. Als Ergebnis des Verfahrens resultiert für die variablen Bewegungsphasen 10 jeweils eine bogenförmige Manipulatorbahn, welche an den Übergängen 8 zwischen vorgegebenen Bewegungsphasen 9 und variablen Bewegungsphasen 10 insbesondere in Position, Fahrtrichtung, Geschwindigkeit und Beschleunigung übereinstimmt, so dass insbesondere während des Übergangs keine mechanischen Anregungen des Manipulators beispielsweise durch Sprünge in den Antriebssignalen auftreten. Als weiterer Teil der Lösung ergibt sich als kinematische Größe eine Geschwindigkeitstrajektorie für die Achsen 3, 4 des Manipulators, welche zu keinem Zeitpunkt die minimal vorgegebene Geschwindigkeit v_min unterschreitet. Die Klebespuren 6 können somit durch einen Bediener einfach konfiguriert werden und qualitativ hochwertig durch den Manipulatorprozess erzeugt werden.

Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm nach einer anderen Ausführung des Verfahrens, durch das eine Schweißapplikation durchgeführt wird. Dabei wird zunächst in einem Schritt S10 über [s ges] ein Bereich vorgegeben, den ein Schweißroboter nicht verlassen darf. Außerdem werden vorgegebene Bewegungsphasen s_vor(x,y,z) im kartesischen Koordinatensystem x, y, z des Roboters definiert, indem verschiedene Schweißnähte konfiguriert werden, die der Roboter zu ziehen hat. Die Schweißnähte besitzen dabei eine bestimmte Form und müssen mit einer ebenfalls vorgegebenen Geschwindigkeit gezogen werden, damit eine gleichmäßige Schweißnaht entsteht. In einem anschließenden Schritt S20 werden Nebenbedingungen definiert, welche für den gesamten Schweißprozess oder nur für eine oder mehrere variable Bewegungsphasen gelten können.

Für die variablen Bewegungsphasen werden dabei Bahnabschnitte vorgegeben, welche jeweils die korrespondierenden Bahnabschnitte von zwei vorgegebenen Bewegungsphasen miteinander verbinden. Um jeden dieser Bahnabschnitte herum wird ein schlauchförmiger Variationsbereich definiert. Dieser Variationsbereich definiert jeweils zulässige Abweichungen x, y, z von dem Bahnabschnitt, welche innerhalb der variablen Bewegungsphasen erlaubt sind. Zusätzlich oder alternativ dazu kann um jeden der Bahnpunkte dieser Bahnabschnitte entsprechend ein kugelförmiger Variationsbereich definiert werden.

Danach wird in einem Schritt S30 als Energiegröße eine Leistung P definiert. Diese Leistung ergibt sich aus dem Produkt zwischen der durch den Roboter realisierten kartesischen Geschwindigkeit und der zum Führen der Schweißzange notwendigen Kraft. Die kinematischen Größen, Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung werden während der variablen Bewegungsphasen nunmehr automatisch so bestimmt, dass die Leistung minimiert wird.

Durch die Lösung dieses Optimalsteuerungsproblems werden die variablen Phasen s_var(x,y,z) des Schweißprozesses festgelegt. Als Ergebnis resultieren in einem Schritt S40 diejenigen Trajektorien für die kinematischen Größen der variablen Bewegungsphasen, welche die Leistungsaufnahme des Manipulatorprozesses minimieren.

Zum Schluss wird in einem Schritt S50 der gesamte Manipulatorprozess s_ges durch die vorgegebenen Bewegungsphasen und durch die variablen Bewegungsphasen definiert und auf die Steuerung des Schweißroboters (nicht dargestellt) geladen.

Bezugszeichenliste

1 Manipulatoranordnung

2 Werkstück

3 Manipulatorachse Manipulatorachse

TCP mit Klebepistole

Klebespur

rechteckige Hilfsbahn

Positionsnebenbedingungen

Bahn in vorgegebener Bewegungsphase

Bahn in variabler Bewegungsphase

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Konfigurieren eines Manipulatorprozesses, insbesondere eines Roboterprozesses, der

wenigstens eine vorgegebene Bewegungsphase (9) und

wenigstens eine variable Bewegungsphase (10) aufweist;

wobei eine kinematische Größe des Manipulatorprozesses an einem Übergang zwischen einer der vorgegebenen und einer der variablen Bewegungsphasen vorgegeben ist; und

wobei die kinematische Größe in der variablen Bewegungsphase (10) automatisiert so vorgegeben wird, dass eine Energiegröße reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulatorprozess wenigstes zwei vorgegebene Bewegungsphasen (9) umfasst, wobei die erste vorgegebene Bewegungsphase vor einer variablen Bewegungsphase (10) endet und die zweite vorgegebene Bewegungsphase nach dieser variablen Bewegungsphase (10) beginnt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorgabe der kinematischen Größe auf Basis mehrerer Bewegungsphasen (9, 10), insbesondere des gesamten Manipulatorprozesses.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise und/oder abschnittsweise unterschiedliche kinematische Größen vorgegeben werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kinematische Größe auf Basis einer Minimierung der Energiegröße vorgegeben wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kinematische Größe eine Zeitableitung, insbesondere eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung, wenigstens einer Achse (3, 4) eines Manipulators und/oder einer Manipualtoranordnung zum Ausführen des Manipulatorprozesses aufweist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kinematische Größe auf Basis einer Extremalgröße einer Zeitableitung und/oder einer Extremalgröße einer Kraft und/oder eines Momentes, vorgegeben wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kinematische Größe auf Basis einer Nachgiebigkeit, einer Dämpfung, einer Reibung und/oder einer Trägheit zu bewegender Achsen (3, 4) des Manipulators vorgegeben wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kinematische Größe auf Basis wenigstens einer generatorischen Phase eines von wenigstens zwei energetisch gekoppelten Manipulatoren vorgegeben wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kinematische Größe auf Basis einer Energie in einem Energiespeicher vorgegeben wird.

1 1. Konfigurationsmittel zum Konfigurieren eines Manipulatorprozesses, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.

12. Computerprogramm, das ein Verfahren nach einem der Ansprüche ausführt, wenn es in einem Konfigurationsmittel gemäß dem vorhergehenden Anspruch abläuft.

13. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist und ein Computerprogramm gemäß dem vorhergehenden Anspruch umfasst.