DE3836003A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchfuehrung einer kraftgeregelten bewegung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer kraftgeregelten Bewegung, insbesondere zur nachführenden manuellen Programmierung von Weg und Orientierung eines Effektors von Robotern nach dem Oberbe­ griff des Anspruches 1 bzw. 3.

Handhabungsmaschinen und Roboter gehören bereits seit lan­ gem zu unverzichtbaren Bestandteilen der industriellen Ferti­ gung.

Dort übernehmen sie in der Regel Aufgaben wie Schweißen, Lackieren, Einlegen von Werkstücken in Werkzeugmaschinen, Verpacken von Produkten und die Montage sowie den Zusammen­ bau von Maschinen, Anlagen etc.

Die Roboter bestehen aus einem Gestell, an dem der beweg­ bare Arm angebracht ist. Aufgrund der unterschiedlichen Kon­ struktionsweisen gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Bau­ formen, die im wesentlichen bezüglich der unterschiedlichen Verstellmöglichkeiten und Freiheitsgrade unterschieden und eingeteilt werden. Am Ende des Armes des Roboters ist der Greifer befestigt, der die Aufgabe hat, einen Gegenstand fest­ zuhalten und zu führen etc.

Die Bewegungen der Roboter werden über eine elektronische Steuerung vorgenommen. Der Antrieb des Armes oder des Grei­ fers können hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch erfolgen. Über entsprechende Sensoren können in Meßkreisen die Ist- und Sollwerte verglichen und dadurch die Steuerung vorgenommen werden.

Für die Programmierung gibt es grundsätzlich zwei verschie­ dene Möglichkeiten.

Die eine Programmiermethode basiert auf einer zeitintensiven Tastatureingabe. Bei dieser manuellen Dateneingabe werden die zur Steuerung des Roboters benötigten Informationen in der Form eines Programmes über eine Tastatur eingetippt.

Daneben besteht als zweite Programmier-Möglichkeit die sog. Teach-In-Programmierung, bei der vom Prinzip her der Ro­ boterarm von Hand geführt und die Bewegungen so aufge­ zeichnet werden, daß entsprechend der manuellen Fortbewe­ gung des Roboterarmes anschließend die automatische Ansteue­ rung des Roboters erfolgt. Allerdings kann diese Programmie­ rung nicht an dem eigentlichen Roboter selbst, sondern nur an einem Phantom vorgenommen werden. An dem eigentlichen Roboter selbst kann die manuelle Führung nicht vorgenommen werden, da zum einen nach dem Anschalten und Stromlosma­ chen des Roboters der gesamte Roboterarm zu schwer würde bzw. beim Abschalten auch in sich zusammenfallen könnte (vor allem bei elektrischem Antrieb des Roboters), und wobei zum zweiten in der Regel die bei dem Antrieb eines Roboters verwandten hochuntersetzten Getriebe einen solch extremen Kraftaufwand erfordern würden, daß die Verstellung von Hand nicht vorgenommen werden kann. Von daher wird bei dieser Teach-In-Programmierung ein Phantomroboter eingesetzt, der in gleicher Abmessung und Gestaltung lediglich mit Gelenken ohne Antrieb und Getriebeübersetzung ausgestattet ist und der dann leichtgewichtiger in gewünschtem Sinne manuell so ver­ fahren werden kann, um hierüber die Dateneingabe vornehmen zu können. Nach der erfolgten Dateneingabe muß dieser Phan­ tomroboter wieder abgebaut und durch den richtigen Roboter ersetzt werden. Im übrigen beschränken sich die Fälle, in denen mit stromlos geschalteten Motoren Feinpositionierungen per Hand vorgenommen werden können, auf Skara-Roboter in Einzelpunktbetrieb.

Eine Methode zur manuellen Führung des Roboter-Effektors würde in diesen und anderen Fällen entscheidende Vorteile bringen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine kraftgesteuerte Be­ wegung zu schaffen, um beispielsweise eine Programmierung durch manuelles Führen des Effektors eines Roboters in allen Freiheitsgraden oder beispielsweise bei maschinellen Bearbei­ tungsvorgängen, wie Schleifen, Entgraten etc. eine kraftge­ regelte Bewegung zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich des Verfahrens entsprechend den im Anspruch 1 und bezüglich der Vorrich­ tung entsprechend den im Anspruch 3 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch das vorliegende Verfahren kann erstmals die Program­ mierung durch manuelles Führen des Effektors in allen Frei­ heitsgraden durchgeführt werden, wobei der Roboter die vom Programmierer ausgeführten Bewegungen aktiv nachführt. Die vom Programmierer gewollten Positions- und Orientierungsände­ rungen des Effektors werden dadurch aufgenommen, daß die vom Programmierer auf ein beispielsweise in Form eines Füh­ rungsgriffes ausgebildetes Druckaufnahmeglied ausgeübten Kräfte und Momente in allen Freiheitsgraden erkannt und durch Nachführung mittels der Roboter-Aktorik, d.h. des Be­ wegungsablaufes, kontinuierlich zur Null geregelt werden.

In Anwendung auf eine kraftgeregelte Bewegung beispielsweise beim Schleifen, Entgraten etc. erfolgt die Nachregelung nicht auf Null, sondern auf einen vorwählbaren Wert, so daß der Bearbeitungsvorgang - was sonst vom Roboter nicht einstell­ bar durchgeführt werden kann - ähnlich wie beim Menschen mit vorwählbarer Kraft- und/oder Momentenbeaufschlagung durchgeführt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 die schematischen Regelkreise unter Anwendung des erfindungsgemäßen Kraft-Momenten-Aufnehmers zur Programmierung und Nachführung eines Ro­ boters;

Fig. 2 eine schematische horizontale Schnittdarstellung durch den Kraft-Momenten-Aufnehmer;

Fig. 3 eine schematische Vertikalschnittdarstellung längs der Linie III-III in Fig. 2.

In Fig. 1 ist schematisch mit 3 ein Roboter gezeigt, der mit mehreren Drehachsen und Gelenken versehen ist, von denen schematisch obenliegend ein Gelenk 4 dargestellt ist. Am Ende eines Roboterarmes 5 ist ein übliches Greifwerkzeug 7 ange­ baut. An einem sog. Greiferansatzpunkt 3 (tool-center-point), an dem üblicherweise das Greifwerkzeug 7 lösbar montiert ist, wird zur Durchführung der Programmierung ein Kraft-Mo­ menten-Aufnehmer 11 eingebaut, an dem dann das Greifwerk­ zeug 7 angebaut wird. Über den Kraft-Momenten-Aufnehmer 11 kann ein Programmierer eine gewollte Positions- und Orien­ tierungsänderung eines Effektors am Roboter durchführen, in dem eine nachfolgend noch näher erläuterte Positions- und Orientierungsänderung erkannt und über eine nachfolgende Steuerung 13 der Roboter 1 so nachgeführt wird, daß die vom Programmierer auf den Führungsgriff ausgeübten Kräfte und Momente in allen Freiheitsgraden zu Null geregelt werden.

Der Aufbau des Kraft-Momenten-Aufnehmers 11 wird nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert.

Der Kraft-Momenten-Aufnehmer 11 besteht dabei aus einem Rah­ men oder Träger 15, beispielsweise mit einer oberen und un­ teren Bodenplatte 17. Die in Fig. 3 untenliegende Bodenplatte 17 kann beispielsweise an dem bereits erwähnten Greiferan­ satzpunkt am Ende des Roboterarmes 5 nach vorhergehender Entfernung des Greiffahrzeuges 7 angebaut werden, wobei das Greifwerkzeug 7 dann auf der in Fig. 3 gezeigten oben­ liegenden Bodenplatte 17 angebaut werden kann.

Der in Fig. 2 und 3 gezeigte Träger ist in etwa quadra­ tisch gebildet und weist an seinen Eckenpunkten Stützen 19 auf, an denen jeweils in Draufsicht gemäß Fig. 2 in der dort dargestellten Neutral- bzw. Nullpunktlage rechtwinkelig kreuz­ weise verlaufende Paare von Federn 21 aufgebracht sind. Die jeweils außenliegend an den Stützen 19 des Trägers 15 abgestützten auf Zug beanspruchten Federn 21 führen zu einem in der Mitte liegenden Zentralabschnitt 23 des Druck­ aufnahmegliedes 25, welches in Fig. 1 in Form eines um den Träger 15 außen umlaufenden Führungsgriff bzw. Führungs­ reif ausgebildet ist. Dazu ist der Zentralabschnitt 23 zumin­ dest über ein stabförmiges Verbindungselement 27, im gezeig­ ten Ausführungsbeispiel über zwei rechtwinkelig zueinander ausgerichtete Verbindungselemente 27 mit dem außen umlau­ fenden Führungsgriff 25 verbunden.

Ferner sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwölf Meß­ stellen 29 in Form von zwölf Lichtschranken vorgesehen, um sowohl drei translatorische wie drei Drehbewegungen unab­ hängig voneinander zu erfassen.

Mit anderen Worten ist also der Zentralabschnitt 23 durch das gezeigte Vier-Feder-System ohne jede Gelenke praktisch hysteresefrei aufgehängt und seine Auslenkungen aus der Null­ punktlage können durch die erwähnten zwölf Lichtschranken direkt aufgenommen werden. Diese sind derart angeordnet, daß durch die komplexe Auswertung der Lichtschranken-Signale die Bewegungen in jeder translatorischen und in jeder rota­ torischen Dimension weitgehend entkoppelt ausgegeben wer­ den können, wobei die Auswertung der Lichtschranken analog oder quasi analog erfolgt. Damit können also nicht nur die Positionsveränderungen als solche, sondern auch der Grad der Positionsveränderung und damit die Größe der Kraft erfaßt und steuerungstechnisch verarbeitet werden.

Grundsätzlich müßten zur Erkennung der drei translatorischen Bewegungsänderungen in einem rechtwinkeligen Koordinaten­ system lediglich drei Meßstellen 29 und zur Erkennung dreier rotatorischer Lageveränderungen nochmals drei weitere Meß­ stellen, also insgesamt sechs Meßstellen vorgesehen sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel aber ist die Anordnung derart, daß an geeigneten Stellen jeweils mit dem Druckaufnahmeglied bzw. dem damit verbundenen Zentralabschnitt 23 in Verbin­ dung stehende geeignet angeordnete Blenden 31 vorgesehen sind, die in ihrer in Fig. 2 oder 3 gezeigten Nullpunktlage jeweils in der Mitte zwischen beidseitig angeordneten Licht­ schranken zu liegen kommen. Um also die Richtungsverände­ rung in der einen wie in der entgegengesetzten Richtung wohl bei translatorischer wie auch bei rotatorischer Lage­ veränderung zu erkennen, sind deshalb zweimal sechs, also zwölf Meßstellen im gezeigten Ausführungsbeispiel in Form der er­ wähnten Lichtschranken notwendig.

Durch geeignete Erhöhung beispielsweise auf 24 kann eine noch feinere Erkennung ermöglicht werden.

Die Lichtschranken arbeiten dabei beispielsweise mit sog. LED′s, die in Fig. 2 und 3 mit dem Bezugszeichen 2 versehen sind, und mit lichtempfindlichen Widerständen LDR, die in Fig. 1 und 2 mit dem Bezugszeichen 1 versehen sind.

Beispielsweise die in Fig. 3 rechts gezeigten vier lichtab­ hängigen Widerstände 1 sind in der Regel dichter beidseitig zu den Blenden 31 angeordnet. Die Anordnung stellt letztend­ lich ein Justierproblem dar, mit dem Ansprechgenauigkeit eingestellt werden kann. Die Lichtschranken werden dabei be­ vorzugten nach Art von Graukeilen betrieben, so daß bei einer gewissen Auslenkung des Druckaufnahmegliedes 25 aus der Nullpunktlage die Blenden 31 je nach Positionsverände­ rung mehr oder weniger in die Lichtschrankenstrecke zwischen den leuchtimmitierenden Dioden 2 und den lichtempfindlichen Widerständen 1 eingreifen und in Abhängigkeit der mehr oder weniger starken Abdeckung der Widerstände 1 sich bei den lichtempfindlichen Widerständen die empfangene Lichtintensität und damit die Helligkeit ändert, wodurch ein lichtintensitäts­ abhängiges analoges Steuersignal erzeugt werden kann. Auch eine quasi analoge Steuerung ist denkbar.

Zum Programmieren des Roboters kann also ein Programmierer am Führungsgriff 25 angreifen und hierüber eine beliebige Auslenkung des Zentralabschnittes 23 gegenüber dem Träger 25 bewirken, wobei die entsprechenden Steuerdaten über die Steuerung 13 zur Nachführung des Roboters derart dienen, daß die Kräfte und Momente in allen Freiheitsgraden so zu Null nachgeregelt werden, bis der Zentralabschnitt 23 und damit das Zugaufnahmeglied 25 wieder in der in Fig. 2 und 3 gezeigten Nullpunkt- bzw. Neutrallage zu liegen kommen. Durch die vier über Kreuz angeordneten Federn wird dabei in der Ebene der Federn 21 durch deren rotationssymmetri­ sche Anordnung immer die gleiche Federkonstante aufrechter­ halten, d.h. der Widerstand bleibt unabhängig von der Aus­ lenkung des Zentralabschnittes 23 gleich. Es könnte auch da­ ran gedacht werden, daß beispielsweise in der senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufenden Z-Achse oben und unten liegend jeweils eine weitere Feder 21 angreift. Dies wird aber die Bauhöhe insgesamt vergrößern und ist zudem nicht not­ wendig. Denn bei kleinen Auslenkungen in einer zur Zeichen­ ebene senkrechten Achse würde die Federkonstante niedriger, bei großen Auslenkungen größer, aber vor allem im weiten mittleren Bereich der Auslenkung ähnlich hohe Werte wie in der gezeigten Zeichenebene aufweisen, so daß eine zumindest quasi kugelsymmetrische Federkennlinie erzeugt wird.

Abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel können natür­ lich auch nur drei oder mehrere in gleichen Abständen ange­ ordnete Federn 21 zur hysteresefreien Aufhängung des Druck­ aufnahmegliedes 25 vorgesehen sein.

Nach der erfolgten Programmierung und dem Ausbau des Kraft-Momenten-Aufnehmers 11 muß in der zentralen Steuerung lediglich die Bauhöhe des Kraft-Momenten-Aufnehmers 11 wieder korrigiert werden, da dann das Greifwerkzeug 7 direkt am Greiferansatzpunkt angebaut wird.

Möglich wäre auch ein der Bauhöhe des gezeigten Kraft- Momenten-Aufnehmers entsprechendes Blindstück einzubauen.

Der erläuterte Kraft-Momenten-Aufnehmer 11 kann gleichermaßen aber auch bei allen kraftgeregelten Bewegungen, beispielsweise auch bei Abschleif-, Schleif- oder Entgratungsvorgängen oder anderen Bearbeitungsvorgängen oder beispielsweise Fügevor­ gängen mit verminderter Genauigkeit der Werkstück-Posi­ tionierung eingesetzt werden, wo Kräfte bzw. Momente am Greifer sensorisch erkannt werden sollen. Abweichend von dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel würde dabei der als Druckaufnahmeglied ausgebildete umlaufende Führungsgriff in der Regel entfernt und durch eine Aufhängung für den Greifer bzw. das Bearbeitungswerkzeug ersetzt werden. Die Nachstellung würde dann nicht zu Null, sondern zu einem vorwählbaren Wert verlaufen, so daß dann immer entsprechend der voreingestellten Sollgröße ein beliebig wählbarer Kraft­ vektor bzw. Drehmomentvektor beim Bearbeitungsvorgang re­ produziert werden.

Durch Wahl der Federkonstanten kann quantitativ der Kraft- Momenten-Bereich festgelegt werden, so daß auch über diese leicht auswechselbaren Federn 21 eine an den aktuellen Er­ fordernissen orientierbare Anpassung vorgenommen werden kann.

Das Meßverfahren erfolgt bei dem geschilderten Ausführungs­ beispiel über Lichtschranken. Grundsätzlich sind aber auch andere Meßverfahren denkbar, bei denen beispielsweise an den einzelnen Meßstellen 29 eine Lageveränderung induktiv erkannt und abgegriffen wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Durchführung einer kraftgeregelten Bewe­ gung, dadurch gekennzeichnet, daß die auf ein Druckaufnahme­ glied in allen Freiheitsgraden eingeleiteten Kräfte und/oder Momente über mehrere Meßstellen in Richtung und Größe er­ kannt und durch Ansteuerung und Nachführung von Stellglie­ dern zumindest quasi kontinuierlich auf einen vorwählbaren Wert geregelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere zur nachführenden manuellen Programmierung von Weg und Orientierung eines Effektors von Robotern die auf das Druckaufnahmeglied ausgeübten Nachführkräfte und -mo­ mente in allen Freiheitsgraden und in ihrer Größe gemessen und durch Nachführung der Roboter-Aktorik zumindest quasi­ kontinuierlich zu Null geregelt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das über die einge­ leiteten Kräfte und/oder Momente in unterschiedliche Rich­ tungen und mit unterschiedlichem Weg aus einer Zentral- bzw. Nullpunktlage auslenkbare Druckaufnahmeglied (25) zumindest annähernd hysteresefrei an seinem relativ zum Druckaufnahme­ glied (25) stationären Träger (15) über eine Federeinrichtung (21) unter Bildung eines Kraft-Momenten-Aufnehmers (11) auf­ gehängt ist, und daß eine mehrere Meßstellen (29) umfassende Meßeinrichtung zur Messung der unterschiedlichen Verstell­ richtungen und -größen entsprechend den Freiheitsgraden zwi­ schem dem Druckaufnahmeglied (25) und dem Träger (15) zur Erzeugung von verstellrichtungs- und verstellgrößenabhängigen Steuersignalen vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckaufnahmeglied (25) gelenkfrei gegenüber dem Träger (15) aufgehängt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Druckaufnahmeglied (25) einen Zentralabschnitt (23) umfaßt, an welchem das Druckaufnahmeglied (25) über mehrere Federn (21) am Träger (15) aufgehängt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckaufnahmeglied (25) bzw. dessen Zentralabschnitt (23) über zumindest drei sternförmig, vor­ zugsweise vier in Draufsicht kreuzförmig angeordnete und in der Mitte am Zentralabschnitt (23) angreifende Federn (21) aufgehängt ist, die in regelmäßigen Winkelabständen in einer Ebene liegen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (21) zur quantitativen Fest­ legung des Kraft-Momemten-Bereiches des Kraft-Momenten-Auf­ nehmers (11) durch Federn (21) mit anderen Federkonstanten ersetzbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von drei translatorischen Bewegungen entsprechend drei Freiheitsgraden im kartesischen Koordinatensystem zumindest drei versetzt liegende Meßstellen (29) und daß zur Messung von drei rotatorischen Bewegungen entsprechend drei Freiheitsgraden im kartesischen Koordi­ natensystem zumindest drei weitere Meßstellen (29) vorgese­ hen sind, die versetzt zueinander liegen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwölf Meßstellen (29) vorgesehen sind, die jeweils paar­ weise seitlich versetzt zur Nullpunkt- bzw. Mittellage des Druckaufnahmegliedes (25) zur richtungsabhängigen Erfassung einer Abweichung aus dieser Nullpunktlage sitzen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Meßgenauigkeit 24 Meßstellen (29) mit insgesamt doppeltem Abgriff einer richtungsabhängigen translatorischen und rotatorischen Bewegung versetzt zuein­ anderliegend angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstellen (29) aus Lichtschranken bestehen, zwischen denen Blenden (31) eintauchbar angeordnet sind, wobei die Lichtschranken an geeigneten Stellen stationär am Träger (15) und die eintauchenden Blenden (31) am ver­ stellbaren Druckaufnahmeglied (25), vorzugsweise an dessen Zentralabschnitt (23) oder umgekehrt angebracht sind.