DE102006017945A1

DE102006017945A1 - Ein Verfahren zur Optimierung eines Roboterprogramms und eines Robotersystems

Info

Publication number: DE102006017945A1
Application number: DE200610017945
Authority: DE
Inventors: Jason Bloomfield Hills Tsai; Yi West Bloomfield Sun; Sai-Kai Rochester Hills Cheng; Min Ren Rochester Hills Jean; Hadi Akeel
Original assignee: Fanuc Robotics America Corp
Current assignee: Fanuc America Corp
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2006-12-14
Also published as: JP2006302282A; CN1935470A

Abstract

Ein Gerät und ein Verfahren zur Optimierung einer Roboterleistung beinhaltet einen Computer, der mit der Robotersteuerung verbunden ist, um Leistungsdaten des Roboters zu empfangen, während die Steuerung ein Pfadprogramm ausführt. Der Computer verwendet die Leistungsdaten, benutzerspezifizierte Optimierungsvorgaben und -bedingungen und einen Kinematik-/Dynamiksimulator, um eine neue Gruppe von Steuerungssystemparametern zu erzeugen, um die voreingestellte Gruppe in der Steuerung zu ersetzen. Der Computer wiederholt den Prozeß, bis die neue Gruppe von Steuerungssystemparametern optimiert ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft grundsätzlich ein Verfahren und ein Gerät zur Veränderung eines Robotersteuerungsprogramms, um Leistungsziele zu erreichen.

Der nächstliegende Stand der Technik zu dieser Erfindung basiert auf dem folgenden Prinzip:
Eine Robotersteuerung ist mit einer externen Rechenvorrichtung, wie einem Personal Computer, über eine Kommunikationsverbindung verbunden. Die externe Vorrichtung (beispielsweise ein Personalcomputer oder ein "PC") greift auf den Speicherbereich der Robotersteuerung zu. In dem Speicherbereich gespeicherte Benutzerprogramme können daher über die externe Vorrichtung verändert werden.

Das Hauptkonzept dieser Vorrichtung aus dem Stand der Technik dient entweder der Verbindung von mehreren Robotern, um Benutzerprogramme zu übertragen, oder zu Datenspeicherzwecken. Es gibt keine Echtzeitwechselwirkung zur Pfadleistungsoptimierung zwischen der Robotersteuerung und der externen Rechenvorrichtung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Robotersteuerungsbetriebsoptimierung. Die vorliegende Erfindung verwendet nicht nur einen Kommunikationskanal, um die Robotersteuerung mit der externen Rechenvorrichtung (einem üblichen PC) zu verwenden, sondern nutzt die CPU-Leistung des externen PCs, um den Roboterpfad in Echtzeit zu analysieren und zu optimieren. Dieser externe PC wird zu einem hochflexiblen, rekonfigurierbaren und dennoch leistungsfähigen zweiten Prozessor für die Robotersteuerung.

Das Verfahren und das Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung sind zum Kleinformschnitt/zur Kleinformerzeugung sehr hilfreich, da die Qualität dieser Art Prozesse mühsam und zeitaufwendig zu untersuchen und nachzuprüfen ist. Auch können das Verfahren und das Gerät Roboterpfade und Zykluszeiten für Aufladen-Abladen und andere Materialhandhabungsanwendungen erfolgreich optimieren. Darüber hinaus bilden das Verfahren und das Gerät die perfekte Grundlagenarbeit für eine weitergehende Roboteroptimierung in anderen Anwendungen, wie Palletieren, Punktschweißen, etc.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Das Obige, sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels offensichtlich, wenn sie im Lichte der beigefügten Zeichnungen betrachtet werden:
1 ist ein Blockschaltbild eines Roboterprogrammoptimierungsgerätes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Blockschaltbild der Robotersteuerung, die in 1 gezeigt ist;
3 ist ein Blockschaltbild eines externen Personal Computers, der in 1 gezeigt ist; und
4 ist ein Flußdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Herkömmlicherweise wird ein Roboterprogramm unabhängig von dem Robotersystem entwickelt und gelegentlich optimiert, um einige Leistungsvorgaben, wie eine höhere Genauigkeit oder eine bessere Zykluszeit, zu erreichen. Wenn das Programm auf verschiedenen Robotern ausgeführt wird, die gewöhnlicherweise nicht exakt identisch sind, variiert gewöhnlicherweise die Leistung der Roboter und einige könnten die erwünschten Vorgaben nicht erreichen. Diese Abweichung ist dem Bedürfnis nach unterschiedlichen Manipulatoren für unterschiedliche "Systemparame ter", wie Beschleunigungszeit, Überspannungsschutzgrenzen, Regelkreisverstärkungen, Coulomb-Reibungsparametern, Integrationsgewinnen, Federkonstanten, etc., die gewöhnlich für spezifische Manipulatormodelle feststehen, zuzuschreiben.
Die vorliegende Erfindung erkennt, daß Unterschiede zwischen Manipulatoren und Arbeitsbedingungen die Roboterleistung beeinflussen, und stellt ein Verfahren bereit, sowohl das Roboterprogramm zu optimieren, als auch die Systemparameter gemäß dem Robotersystem (Steuerung und Manipulator) und den Betriebsbedingungen zu optimieren. Das Roboterprogramm, das in traditioneller Art entwickelt sein kann, wird durch das Robotersystem ausgeführt, für welches bestimmte Parameter, gewöhnlicherweise Geberpositionsdaten und Motorstromdaten, überwacht werden und während des Roboterbetriebs an einen zweiten Prozessor zur Optimierung übertragen werden. Während des Roboterbetriebs wendet der Sekundärprozessor Optimierungsroutinen an, um vorbestimmte Vorgaben zu erreichen und verändert nicht nur das Roboterprogramm, sondern auch die Steuerungssystemparameter. Die Optimierung berücksichtigt das gesamte Robotermodell, nicht nur individuelle Antriebsachsen, und überwacht die Entwicklung spezifischer Leistungsparametergruppen, um optimale Steuerungssystemparameter zu erreichen. Dieser Prozeß wird wiederholt während der Roboter im Betrieb ist, bis die Optimierungsvorgaben erreicht worden sind, zu welchem Zeitpunkt das Programm beendet wird und die Systemparameter für den produktiven Betrieb eingestellt werden.
Der Stand der Technik beinhaltet Offline-Programmierung, mit der das Roboterprogramm unter Verwendung eines Sekundärprozessors gewöhnlicherweise offline verändert wird, um bestimmte Vorgaben zu erreichen. Die Veränderungen werden unabhängig von den Steuerungssystemparametern vorgenommen und werden nicht in Echtzeit auf die tatsächliche Leistung geprüft. Entsprechend kann dasselbe Programm durch unterschiedliche Manipulatoren oder durch denselben Manipulator unter verschiedenen Betriebsbedingungen unterschiedlich ausgeführt werden.
Eine Lernsteuerung verändert das Roboterprogramm auch in Echtzeit und kann einige Steuerunsgssystemparameter verändern. Jedoch werden bei der Lernsteuerung Optimierungswiederholungen auf einer Intervall-zu-Intervall-Basis durchgeführt, wobei sich die Zustandsbedingung des Servosystems mit einem Instabilitätsrisiko verändert. Mit seinem inhärent langsamen Umsetzungsprozeß können nur wenige Parameter iteriert werden, gewöhnlicherweise Servozuwächse und Dämpfkoeffizienten.
Die vorliegende Erfindung iteriert in einem festen Zustand auf dem PC für eine schnellere Umsetzung und ohne ein Instabilitätsrisiko. Dies erlaubt auch mehr Steuerparameter innerhalb einer gegebenen Zeitperiode zu optimieren, und erlaubt somit eine bessere Leistungsoptimierung.
Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung nimmt kein Verfahren aus dem Stand der Technik eine Eingabe des Motorstroms auf, die für die Verhinderung von einer Motorenüberlastung und Haltbarkeitsreduzierung des Roboters wesentlich ist. Auch nehmen sie keine Veränderungen der Federkonstanten auf, wodurch sie der Vibrationsleistung des Roboters schaden.
Die vorliegende Erfindung verwendet einen iterativen Ansatz, um prädiktive Änderungen der Steuerungsparameter auf dem PC auszuwerten, wobei das dynamische Robotermodell verwendet wird. Im Gegensatz zur Lernsteuerung, die den tatsächlichen Roboter verwenden muß, um den Effekt der Änderungen auszuwerten, kann die vorliegende Erfindung das Modell auf dem PC viel öfter unter denselben Bedingungen laufen lassen und wendet die Änderungen nur an, wenn eine Vorgabe einmal erreicht ist. Dieser schnelle iterative Ansatz vermeidet auch das Instabilitätsrisiko.
Entsprechend kombiniert die vorliegende Erfindung die Vorteile einer Offline-Programmierung, bei der die Programmänderungen unabhängig von dem Roboter ausgeführt werden können, mit jenen der Lernsteuerung, bei der iterative Vorgänge zu optimierten Parametern führen. Bei einer Lernsteuerung wird die Iteration auf einer Intervall-zu-Intervall-Basis ausgeführt, wobei sich die Zustandsbedingung des Servosystems mit einem Instabilitätsrisiko ändern, die vorliegende Erfindung jedoch iteriert in einem festen Zustand für eine schnellere Umsetzung und ohne Instabilitätsrisiko. Darüber hinaus kann bei der Lernsteuerung eine Änderung eines Parameters nicht unter denselben dynamischen Zustandsbedingungen ausgewertet werden, bis das gesamte Programm ausgeführt wurde, was ein sehr langsamer Prozeß ist. Auch wird der Ansatz der Lernsteuerung dadurch beeinträchtigt, daß die Evaluierung in dem folgenden Zeitintervall unter einer neuen Zustandsbedingung durchgeführt wird. Das macht es schwierig, eine Stabilität der Iteration zu erreichen.
Roboterpfadoptimierung ist eine CPU-intensive Aufgabe und ist sehr von der Roboter-TCP-Position und der Roboterarm-Konfiguration abhängig. Darüber hinaus handhabt die CPU in einer Robotersteuereinrichtung gewöhnlicherweise exzessive Aufgaben, wie Bewegungsplanung, Programm-Management und Speicher-Management, etc. Daher war es in der Vergangenheit schwierig, Pfadoptimierung mit der Haupt-CPU der Robotersteuereinrichtung zu erreichen. Das Verfahren und das Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung stellen eine praktikable Maßnahme bereit, Echtzeit-Roboterpfadoptimierung möglich zu machen.
Das Hauptkonzept dieser Erfindung ist es, daß eine externe Rechenvorrichtung (ein allgemeiner PC) und eine Robotersteuerung in Echtzeit interagieren. Die Rückkopplung der Bewegungsleistung kann Benutzern auf jedem PC mit einer Netzkarte durch entweder eine dedizierte Verbindung zwischen der Robotersteuerung und dem PC oder über ein Netz angezeigt werden. Diese visuelle Anzeige kann hilfreiche Information von der Steuerung bereitstellen, wie Pfadabweichung und Zykluszeit, mit oder ohne tatsächliche Durchführung des Prozesses.
Um eine Bewegungsleistung zu visualisieren und dem Benutzer darzustellen, werden jedes Mal, wenn das Programm ausgeführt wird, kritische Bewegungsdaten und der System-/Servostatus in Echtzeit an den PC übertragen. Auch wird jeder Datensatz zur späteren Bezugnahme basierend auf den Wünschen des Benutzers analysiert und gespeichert. Nach der Analyse wird die CPU-Leistung des externen PC dazu verwendet, die Kompensationsdaten für die Optimierungsiteration zu berechnen. Diese wichtigen Kompensationsdaten werden dann an die Robotersteuerung in Echtzeit zurückübertragen, und der nächste Iterationsversuch wird automatisch gestartet. Dieser Prozeß wird fortgesetzt, bis das benutzerdefinierte Kriterium erreicht ist.
In 1 ist ein Gerät 10 zur Optimierung eines Robotersteuerungsprogramms gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein erstes Steuerungsmittel 11, wie eine Robotersteuerung, ist mit einem zweiten Steuerungsmittel 12, wie einem Personal Computer (PC) über eine Kommunikationsverbindung 13, wie einem Computernetz, verbunden. Obwohl ein PC als zweites Steuerungsmittel bevorzugt wird, kann jeder geeignete Computer verwendet werden. Die Steuerung 11 beinhaltet ein Bewegungssystem 14, ein Servosystem 15 und einen Kommunikationsclient/-server 16. Der PC 12 beinhaltet ein Pfadanalysemodul 17, ein Optimierungsmodul 18 und einen Kommunikationsclient/-server 19.
Wie in 2 gezeigt ist, ist in der Robotersteuerung 11 das Bewegungssystem 14 mit dem Servosystem 15 verbunden und führt ein Steuerungsprogramm aus, um "Bewegungsbefehle" und "Servosystemanpassungs"-Signale für das Servosystem 15 zu erzeugen. Das Servosystem 15 ist mit Motoren 20 des Roboters verbunden und führt die Bewegungsbefehle aus, um die Motoren 20 zu bedienen, und empfängt Rückkopplungssignale, die einen Motorstrom der Motoren 20 beinhalten. Mehrere Steuerungsprogramme können in einem Benutzerprogrammspeicher 21 gespeichert werden, der mit dem Kommunikationsserver/-client 16 verbunden ist. Das Bewegungssystem 14 sendet "Leistungsdaten" an den und empfängt "optimierte Daten" von dem Kommunikationsserver/-client 16. Die "optimierten Daten" werden dazu verwendet, die "Servosystemanpassungs"-Signale zur Leistungsoptimierung zu erzeugen.
Der externe PC 12 ist in 3 gezeigt und beinhaltet den Kommunikationsserver/-client 19, der verbunden ist, um die "Leistungsdaten" an einen Leistungsdatenspeicher 22 auszuliefern. Ein Kinematik-/Dynamikmodellespeicher 23 speichert solche Modelle des Roboters. Der Datenspeicher 22 und der Modellespeicher 23 sind mit einem Roboterleistungsmodul 24 verbunden, um die tatsächliche Leistung des Roboters "herzustellen". Das Modul 24 ist mit einem analysiere-Pfad-mit-Simulator-Modul 25 verbunden, das eine Simulation zur Analyse des Roboterpfades basierend auf der Roboterleistung verwendet. Das Ergebnis des Moduls 25 wird einem Optimierungsiterationsmodul 26 zugeführt. Die "optimierten Daten" des Moduls 26 werden über einen Regelkreis an das Simulatormodul 25 zurückgegeben, um den Pfad basierend auf den "optimierten Daten" zu prüfen. Bei einer Bestätigung, daß die "optimierten Daten" in Echtzeit eine bessere Leistung des Roboters erzeugen, werden die "optimierten Daten" über die Kommunikationsserver/-clients 19 und 16 der Kommunikationsverbindung 13 an das Bewegungssystem aus 2 gesendet.
4 ist ein Flußdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren beginnt mit einer "Verbinde zur Robotersteuerung"-Anweisungsgruppe 30, wobei sich der externe PC 12 mit der Robotersteuerung 11 wie in 1 gezeigt verbindet. Dann führt der PC eine "Synchronisiere mit der Steuerung"-Anweisungsgruppe 31 aus, wobei der PC 12 mit dem Betrieb der Robotersteuerung 11 in Echtzeit synchronisiert wird. Der PC 12 empfängt Daten von der Steuerung 11 in einer "Empfange Leistungsdaten von der Steuerung"-Anweisungsgruppe 32. Die Ausführung der Anweisungsgruppe 31 verursacht auch die Ausführung einer "Erzeuge einen Kinematik-/Dynamiksimulator"-Anweisungsgruppe 33. Die in Schritt 32 empfangenen Leistungsdaten und der in Schritt 33 erzeugte Simulator werden dazu verwendet, eine "Analysiere Roboterleistung"-Anweisungsgruppe 34 auszuführen. Der Schritt 34 führt zu einer "Benutzer spezifiziert Optimierungsvorgaben und Bedingungen"-Anweisungsgruppe 35. Die Schritte 33 und 35 führen zu einer "Optimiere unter Verwendung des Benutzerprogramms und des Simulators"-Anweisungsgruppe 36, die ein potentiell optimiertes Programm erzeugt. An dem "befriedige Vorgaben?"-Entscheidungspunkt 37 verzweigt das Verfahren bei "N", wenn das optimierte Programm die benutzerspezifizierten Vorgaben nicht erreicht, um zu dem Optimierungsschritt 36 zurückzukehren. Wenn das Optimierungsprogramm die benutzerspezifizierten Vorgaben befriedigt, verzweigt das Verfahren bei "J" zu einer "übermittle notwendige Systemparameter und/oder Benutzerprogramme zurück an die Steuerung"-Anweisungsgruppe 38 und der Optimierungsprozeß ist vollendet. Jetzt kann die Robotersteuerung 11 das optimierte Programm ausführen und/oder die Steuerungssystemparamter ändern.
In Übereinstimmung mit den Vorschriften der Patentstatuten, wurde die vorliegende Erfindung durch etwas beschrieben, was als Darstellung ihres bevorzugten Ausführungsbeispiels betrachtet wird. Jedoch sei angemerkt, daß die Erfindung anders ausgeführt sein kann als so spezifisch dargestellt und beschrieben, ohne aus deren Geist oder Umfang zu fallen.

Claims

Ein Robotersteuerungssystem, aufweisend: einen Roboter; ein erstes Steuerungsmittel, das mit dem Roboter verbunden ist und ein Steuerungsprogramm ausführt, wobei der Roboter in Übereinstimmung mit Steuerungssystemparametern betrieben wird, die in dem Steuerungsprogramm spezifiziert sind; Mittel zur Überwachung tatsächlicher Leistungsdaten des Roboters während des Betriebs des Roboters; und ein zweites Steuerungsmittel, das mit dem ersten Steuerungsmittel und mit dem Überwachungsmittel verbunden ist, wobei das zweite Steuerungsmittel auf die tatsächlichen Leistungsdaten reagiert, um Optimierungsroutinen anzuwenden, um die Steuerungssystemparameter in dem Steuerungsprogramm in Echtzeit zu ändern.
Das Robotersteuerungssystem gemäß Anspruch 1, wobei das erste Steuerungsmittel eine Robotersteuerung und das zweite Steuerungsmittel ein Personal Computer ist.
Das Robotersteuerungssystem gemäß Anspruch 1, wobei das erste Steuerungsmittel, das Überwachungsmittel und das zweite Steuerungsmittel über eine Kommunikationsverbindung zum Datentransfer verbunden sind.
Das Robotersteuerungssystem gemäß Anspruch 3, wobei die Kommunikationsverbindung ein Computernetz ist.
Das Robotersteuerungssystem gemäß Anspruch 1, wobei das Mittel zur Überwachung Mittel zur Erzeugung von Rückkopplungssignalen von Motoren, die den Roboter betreiben, beinhaltet.
Das Robotersteuerungssystem gemäß Anspruch 5, wobei das Rückkopplungssignal Motorströme der Motoren beinhaltet.
Das Robotersteuerungssystem gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Steuerungsmittel einen Kinematik-/Dynamiksimulator zur Überwachung und Mittel zur Veränderung der Steuerungssystemparameter beinhaltet.
Das Robotersteuerungssystem gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Steuerungsmittel benutzerspezifizierte Optimierungsvorgaben und -bedingungen zur Veränderung der Steuerungssystemparameter beinhaltet.
Ein Verfahren in einem Robotersystem, das einen Manipulator und eine Steuerung beinhaltet, zur Optimierung eines Roboterpfadprogramms innerhalb gegebener Vorgaben und Aufnahmevariationen bei der dynamischen Leistung unter ansonsten ähnlichen Robotern, die Schritte aufweisend: a. Erzeugen eines Pfadprogramms für einen Roboter durch ein herkömmliches Roboterlehrverfahren; b. Versehen eines Computers mit einem dynamischen Modell des Roboters und seines Steuerungssystems und einem Optimierungsprogramm; c. Versehen des Computers mit Zielleistungsvorgaben; d. Verbinden des Steuerungssystems zur Kommunikation mit dem Computer; e. Betreiben des Roboters durch ein Steuerungssystem, das das Pfadprogramm unter einer voreingestellten Gruppe von Steuerungssystemparametern ausführt; f. Überwachen einer Gruppe von Leistungsvariablen des Roboters während des Betriebs; g. Übertragen der Leistungsvariablen an den Computer; h. Ausführen des Optimierungsprogramms auf dem Computer unter Verwendung des dynamischen Modells und der Leistungsvariablen, um die Zielleistungsvorgaben zu erreichen; i. Erzeugen einer neuen Gruppe von Steuerungssystemparametern; j. Übertragen der neuen Gruppe von Steuerungssystemparametern auf das Steuerungssystem; k. Zuweisen der neuen Gruppe von Steuerungssystemparametern an das Pfadprogramm als voreingestellte Gruppe von Steuerungssystemparametern; l. Wiederholen der Schritte e. bis k., bis die neue Gruppe von Steuerungssystemparametern im wesentlichen gleich der derzeitigen voreingestellten Gruppe von Steuerungssystemparametern ist, was zu einer optimierten voreingestellten Gruppe von Systemsteuerungsparametern führt; und m. Trennen des Computers von dem Steuerungssystem, wobei das Steuerungssystem fortfährt, den Roboter durch Ausführung des Pfadprogramms mit der optimierten voreingestellten Gruppe von Steuerungssystemparametern zu betreiben.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Zielleistungsvorgabe eine Zykluszeit des Roboters ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Leistungsvariablen Achsenmotorstrom und Achsengeberzählungen beinhaltet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei eine der Zielleistungsvorgaben eine Roboterpfadgenauigkeit ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die Leistungsvariablen Achsengeberfehler, Achsenmotorstrom, Achsengeberzählungen und Servozuwächse beinhalten.
Ein Robotersteuerungssystem, aufweisend: einen Roboter; eine Robotersteuerung, die mit dem Roboter verbunden ist und ein Steuerungsprogramm ausführt, wobei der Roboter in Übereinstimmung mit Steuerungssystemparametern betrieben wird, die in dem Steuerungsprogramm spezifiziert sind; Mittel zur Überwachung tatsächlicher Leistungsdaten des Roboters während des Betriebs des Roboters; und einen Computer, der mit der Robotersteuerung und dem Überwachungsmittel über eine Kommunikationsverbindung verbunden ist, wobei der Computer auf die tatsächlichen Leistungsdaten reagiert, um Optimierungsroutinen anzuwenden, um die Steuerungssystemparameter in dem Steuerungsprogramm in Echtzeit zu ändern.