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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenlegung betrifft Robotersteuereinrichtungen und Roboterprogrammiereinrichtungen.
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STAND DER TECHNIK
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Ein bekannter Roboter ist mit einem Kraftsensor ausgerüstet, der in der Lage ist, Kräfte in einer Mehrzahl von Richtungen zu erfassen (siehe z.B. Patentliteratur PTL 1).
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LITERATURLISTE
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PATENTLITERATUR
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PTL 1 Japanische nicht geprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichung Nummer 2012-137421
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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TECHNISCHES PROBLEM
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Normalerweise werden die in einer Mehrzahl von Richtungen erfassten Kräfte kombiniert, so dass eine kombinierte Kraft berechnet wird. Dann wird ermittelt, ob die berechnete kombinierte Kraft einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet oder nicht. Vor allem im Fall eines kollaborativen Roboters ist es notwendig, die Größe der kombinierten Kraft zu ermitteln, da die Größe einer auf den kollaborativen Roboter wirkenden äußeren Kraft ein Problem darstellen kann.
Ein Kraftsensor oder ein an dem Roboter angebrachtes Werkzeug kann jedoch abhängig von der Richtung eine unterschiedliche Bemessung aufweisen. Falls die Ermittlung auf der Grundlage der kombinierten Kraft durchgeführt wird, kann es schwierig sein, eine Kraftkomponente in irgendeiner der Richtungen zu erfassen, selbst wenn die Kraftkomponente die Bemessung überschreitet.
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LÖSUNG DES PROBLEMS
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Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Robotersteuereinrichtung bereit, umfassend eine Vergleichseinheit und eine Steuerung. Wenn ein mit einem Kraftsensor, der in der Lage ist, Kraftkomponenten einer gleichen Art in einer Mehrzahl von Richtungen zu erfassen, ausgerüsteter Roboter arbeitet, vergleicht die Vergleichseinheit eine Größe jeder durch den Kraftsensor erfassten Kraftkomponente mit einem vorgegebenen Schwellenwert für jede Richtung. Wenn die Vergleichseinheit ermittelt, dass eine Größe einer Kraftkomponente in irgendeiner der Richtungen den Schwellenwert überschreitet, steuert die Steuerung den Roboter, um einen Anstieg der Größe der Kraftkomponente in der Richtung zu verhindern.
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Figurenliste
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- 1 stellt die Gesamtkonfiguration eines Robotersystems dar, das eine Steuereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung umfasst.
- 2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Kraftsensor und ein Werkzeug, die an einem abgelegenen Ende eines Handgelenks eines Roboters bei dem Robotersystem in 1 angebracht sind, sowie die axialen Richtungen des Kraftsensors und Werkzeugs schematisch darstellt.
- 3 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuereinrichtung in 1 darstellt.
- 4 ist ein Blockdiagramm, das eine Modifikation der Steuereinrichtung in 1 darstellt.
- 5 ist ein Blockdiagramm, das eine Programmiereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Robotersteuereinrichtung 1 und eine Roboterprogrammiereinrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Die Steuereinrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform ist in einem in 1 gezeigten Robotersystem 100 vorgesehen.
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Das Robotersystem 100 umfasst einen Roboter 110 und die Steuereinrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform.
Der Roboter 110 ist ein sechsachsiger Vertikal-Gelenk-Roboter oder kann von einer frei gewählten Art sein, wie beispielsweise ein Vertikal-Gelenk-Roboter einer anderen Art als einer sechsachsigen Art oder ein Horizontal-Gelenk-Roboter.
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Der Roboter 110 umfasst einen auf einer Bodenfläche F festgelegten Sockel 113, einen Drehkörper (Gelenk) 114, der relativ zu dem Sockel 113 um eine erste Achse A drehbar ist, einen ersten Arm (Gelenk) 115, der relativ zu dem Drehkörper 114 um eine horizontale, orthogonal zu der ersten Achse A stehende zweite Achse B drehbar ist, einen zweiten Arm (Gelenk) 116, der relativ zu dem ersten Arm 115 um eine parallel zu der zweiten Achse B verlaufende dritte Achse C drehbar ist, und ein Handgelenk (Gelenk) 111, das relativ zu dem zweiten Arm 116 drehbar ist. Das abgelegene Ende des Handgelenks 111 weist ein daran angebrachtes Werkzeug S auf.
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Der Roboter 110 umfasst auch einen dreiachsigen Kraftsensor 112 zwischen der abgelegenen Endfläche des Handgelenks 111 und dem Werkzeug S. Der Kraftsensor 112 kann drei Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz erfassen, die auf das Werkzeug S entlang dreier Achsen x, y und z wirken. Wie es in 2 gezeigt ist, sind die drei Achsen z, x und y jeweils mit einer sich aus der Mitte des Handgelenks 111 zum abgelegenen Ende des Werkzeugs S erstreckenden Richtung z und zwei sich orthogonal zu der Richtung z und orthogonal zueinander erstreckenden Richtungen x und y ausgerichtet.
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Wie es in 3 gezeigt ist, umfasst die Steuereinrichtung 1 eine Vergleichseinheit 2, die die drei durch den Kraftsensor 112 erfassten Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz empfängt und die Größe (Absolutwert) der einzelnen Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz mit einem entsprechenden Schwellenwert vergleicht. Die Steuereinrichtung 1 umfasst auch eine Steuerung 3.
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Die Steuerung 3 veranlasst den Roboter 110, gemäß einem vorläufigen gelernten Betriebsprogramm zu arbeiten, und verringert die Betriebsgeschwindigkeit des Roboters 110, falls die Größe irgendeiner der Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz den entsprechenden Schwellenwert als Ergebnis des Vergleichs durch die Vergleichseinheit 2 überschreitet. Die Schwellenwerte werden auf Werte kleiner oder gleich der Nennlasten in den drei Richtungen x, y und z festgelegt, in denen der Kraftsensor 112 in der Lage ist, die Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz zu erfassen.
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Bei der Steuereinrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform mit der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung werden die Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz in den drei orthogonalen Richtungen x, y und z durch den Kraftsensor 112 erfasst und mit den Schwellenwerten für die jeweiligen Richtungen x, y und z durch die Vergleichseinheit 2 verglichen, wenn der Roboter 110 gemäß dem Betriebsprogramm in Betrieb ist. Daraus ergibt sich, dass, falls eine Kraftkomponente in irgendeiner der Richtungen den entsprechenden Schwellenwert überschreitet, die Steuerung 3 die Betriebsgeschwindigkeit des Roboters 110 verringert, so dass die Kraftkomponente in der Richtung, in der der entsprechende Schwellenwert überschritten worden ist, daran gehindert wird, weiter zu steigen.
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In einem Fall zum Beispiel, dass eine Präzisionspassung oder ein Poliervorgang gemäß einer Kraftsteuerung unter Verwendung des Kraftsensors 112 durchzuführen ist, muss der zu verwendende Kraftsensor eine hohe Erfassungsleistung aufweisen. In diesem Fall ist manchmal ein kompakter Kraftsensor mit einer Nennlast kleiner oder gleich der Nennlast des Roboters 110 installiert. Selbst in einem solchen Fall werden Schwellenwerte für die Richtungen x, y, z festgelegt, in denen der Kraftsensor 112 in der Lage ist, die Kraftkomponenten zu erfassen, und wird die Betriebsgeschwindigkeit des Roboters 110 verringert, wenn irgendeine der Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz in den Richtungen x, y, z den entsprechenden Schwellenwert überschreitet. Folglich können die Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz in den Richtungen x, y und z daran gehindert werden, die Nennlast des Kraftsensors 112 zu überschreiten. Dies ist dadurch vorteilhaft, dass der Kraftsensor 112 in einem einwandfreien Zustand gehalten werden kann.
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Insbesondere ist die Steuereinrichtung 1 für den Roboter 110 gemäß dieser Ausführungsform dadurch vorteilhaft, dass der an dem Roboter 110 installierte Kraftsensor 112 verkleinert werden kann und auf hohe Präzision ausgelegt ist, während die Unversehrtheit des Kraftsensors 112 beibehalten werden kann.
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Falls die auf das Werkzeug S wirkende Istkraft zu erfassen ist, kann eine kombinierte Kraft berechnet werden, indem die Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz kombiniert werden.
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Bei dieser Ausführungsform verhindert die beispielhafte Steuereinrichtung 1 einen Ausfall des Kraftsensors 112, selbst wenn der Kraftsensor 112 verkleinert wird. Alternativ kann der verwendete Kraftsensor 112 eine ausreichende Nennlast aufweisen und können Werte kleiner oder gleich der Nennlasten des Werkzeugs S in den Richtungen x, y, z als Schwellenwerte festgelegt werden. Dementsprechend wird eine auf das Werkzeug S in den Richtungen x, y, z aufgebrachte Kraft daran gehindert, die entsprechende Nennlast des Werkzeugs S zu überschreiten, wodurch die Unversehrtheit des Werkzeugs S beibehalten werden kann, falls das Werkzeug S unterschiedliche Nennlasten in den Richtungen x, y, z aufweist.
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Bei dieser Ausführungsform wird ermittelt, ob die tatsächlich durch den Kraftsensor 112 erfassten Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz die jeweiligen Schwellenwerte für die Richtungen x, y, z überschritten haben oder nicht. Alternativ kann, wie es in 4 gezeigt ist, die Steuereinrichtung 1 einen Kraftrechner 4 umfassen, der die Größe jeder durch den Kraftsensor 112 erfassten Kraftkomponente Fx, Fy und Fz auf der Grundlage eines geometrischen Parameters des Roboters 110 und einer Zustandsquantität des Roboters 110 berechnet.
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In diesem Fall kann die Vergleichseinheit 2 die durch den Kraftrechner 4 berechneten Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz mit den Schwellenwerten vergleichen.
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Der geometrische Parameter umfasst zum Beispiel die Masse und die Gelenklänge jedes Gelenks 114, 115 und 116 des Roboters 110.
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Darüber hinaus kann die Zustandsquantität den Winkel jeder Achse des Roboters 110, dessen Betriebsgeschwindigkeit und dessen Beschleunigung umfassen.
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Dementsprechend kann der Kraftrechner 4 die Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz in Hinblick auf den Schwerkraft- und Dynamikeinfluss berechnen und vorläufig vorhersagen, ob und an welchem Punkt des Betriebsprogramms die Größe der Kraftkomponente Fx, Fy oder Fz den entsprechenden Schwellenwert überschreitet oder nicht. Daher kann die Betriebsgeschwindigkeit verringert werden, bevor die Größe der Kraftkomponente Fx, Fy oder Fz den entsprechenden Schwellenwert überschreitet. In diesem Fall können die Schwellenwerte auf Werte festgelegt werden, die gleich den Nennlasten des Kraftsensors 112 in den Richtungen x, y, z sind.
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Darüber hinaus können die Abschätzung der Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz durch den Kraftrechner 4 und die Erfassung der Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz durch den Kraftsensor 112 gleichzeitig durchgeführt werden. Die Betriebsgeschwindigkeit des Roboters 110 wird verringert, selbst wenn die Kraftkomponenten die Schwellenwerte bei der Abschätzung durch den Kraftrechner 4 nicht überschreiten, jedoch die tatsächlichen Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz die Schwellenwerte überschreiten. Dies ist dadurch vorteilhaft, dass die Unversehrtheit des Kraftsensors 112 beibehalten werden kann.
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Als eine Alternative zu dieser Ausführungsform, bei der der Kraftsensor 112 die Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz in den drei orthogonalen Richtungen x, y, z erfasst, kann der Kraftsensor 112 Drehmomente um sich in den drei Richtungen x, y, z erstreckenden Achsen erfassen, oder kann die Kraftkomponente Fz in der Richtung z und Drehmomente um die sich in Richtung y und z erstreckenden Achsen erfassen. Als weitere Alternative kann der Kraftsensor 112 ein Drehmoment um die sich in der Richtung z erstreckende Achse und die Kraftkomponenten Fy und Fz in den Richtungen y und z erfassen.
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Darüber hinaus müssen die Richtungen der Erfassung durch den Kraftsensor 112 nicht unbedingt orthogonal zueinander sein.
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Bei dieser Ausführungsform verringert die Steuerung 3 die Betriebsgeschwindigkeit des Roboters 110, falls die Größe irgendeine der Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz in den Richtungen x, y, und z den entsprechenden Schwellenwert überschreitet. Alternativ kann der Roboter 110 angehalten werden oder kann der Roboter 110 nach dem Anhalten entlang eines umgekehrten Pfades arbeiten, um einen weiteren Anstieg der Größe der Kraftkomponente Fx, Fy oder Fz in der Richtung x, y oder z in der der Schwellenwert überschritten worden ist, zu vermeiden.
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Als eine Alternative zu dieser Ausführungsform, bei der der Kraftsensor 112 an einem abgelegenen Ende des Handgelenks 111 angebracht ist, kann die Erfindung in einem Fall angewendet werden, bei dem der Kraftsensor 112 an einer anderen frei gewählten Stelle angebracht ist.
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Bei der Steuereinrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform werden die durch den Kraftsensor 112 oder den Kraftrechner 4 erzielten Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz mit den Schwellenwerten in Echtzeit verglichen und wird der Roboter 110 durch die Steuerung 3 gesteuert. Alternativ kann, wie es in 5 gezeigt ist, die Erfindung auf die Programmiereinrichtung 10 angewandt werden, die das Betriebsprogramm veranlasst, offline zu arbeiten.
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Wie es insbesondere in 5 gezeigt ist, umfasst die Programmiereinrichtung 10 einen Kraftrechner 11, der die Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz in den drei Richtungen x, y, z an jedem Punkt in dem Betriebsprogramm berechnet, und eine Vergleichseinheit 12, die die Größe jeder berechneten Kraftkomponente Fx, Fy und Fz mit einem entsprechenden Schwellenwert jeder Richtung x, y und z vergleicht. Die Programmiereinrichtung 10 umfasst auch einen Programmeinsteller 13, der das Betriebsprogramm ändert, falls die Vergleichseinheit 12 ermittelt, dass die Größe irgendeiner der Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz in den Richtungen x, y und z den entsprechenden Schwellenwert derartig überschritten hat, dass die Kraftkomponente Fx, Fy oder Fz kleiner oder gleich dem Schwellenwert festgelegt werden muss.
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Dementsprechend wird selbst in einem Fall, dass der installierte Kraftsensor 112 ein kompakter Kraftsensor mit einer Nennlast ist, die niedriger als die Nennlast des Roboters 110 ist, das Betriebsprogramm einfach veranlasst, offline zu arbeiten, wodurch das Betriebsprogramm eingestellt werden kann, um keine übermäßige Last auf den Kraftsensor 112 aufzubringen.
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Wenn die Spezifikationen des Kraftsensors 112 nicht im Voraus festgelegt sind, kann ein maximaler Wert für die Größe jeder durch den Kraftrechner 11 berechneten Kraftkomponente Fx, Fy und Fz in den drei Richtungen x, y, z an jedem Punkt in dem Betriebsprogramm ermittelt werden. Dementsprechend kann ein entsprechend dimensionierter Kraftsensor 112 mit einer Nennlast ausgewählt werden, die höher als die Maximalwerte der Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz ist.
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Die mit den abgeschätzten Werten zu vergleichenden Schwellenwerte oder die erfassten Werte Fx, Fy und Fz des Kraftsensors 112 können jeweils die Prüflast des Kraftsensors 112, die normalerweise größer als die Nennlast festgelegt sein muss, anstelle der Nennlast des Kraftsensors 112 sein. Durch Vergleichen jeder Kraftkomponente Fx, Fy und Fz mit der Prüflast des Kraftsensors 112 kann ein Ausfall des Kraftsensors 112 zuverlässiger verhindert werden.
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Alternativ können die mit den Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz zu vergleichenden Schwellenwerte sowohl die Nennlast als auch die Prüflast des Kraftsensors 112 sein. Insbesondere kann der Roboterbetrieb mit einer ersten Einschränkung vorgesehen sein, falls eine Kraftkomponente die als ein erster Schwellenwert dienende Nennlast überschreitet, und kann der Roboterbetrieb mit einer zweiten Einschränkung vorgesehen sein, falls eine Kraftkomponente die als zweiten Schwellenwert dienende Prüflast überschreitet. Im Detail wird die Betriebsgeschwindigkeit des Roboters 110 als die erste Einschränkung verringert, falls ermittelt wird, dass eine Kraftkomponente die Nennlast überschreitet. Wenn ermittelt wird, dass eine Kraftkomponente die Prüflast überschreitet, kann der Betrieb des Roboters 110 als die zweite Einschränkung angehalten werden. Durch die Einschränkung des Roboterbetriebs in einer zweistufigen Weise kann ein Ausfall des Kraftsensors 112 zuverlässiger verhindert werden.
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Wenn der Roboter 110 zu verlangsamen, anzuhalten oder zu veranlassen ist, entlang eines umgekehrten Pfades zu arbeiten, um auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses zwischen jeder Kraftkomponente Fx, Fy und Fz und den Nennlasten und der Prüflast die auf den Kraftsensor 112 wirkende Kraft zu verringern, kann gewöhnlich eine übermäßige Kraft durch zum Beispiel eine bei Verzögerung auf den Roboter 110 wirkende Trägheitskraft weiter auf den Kraftsensor 112 wirken, bis der Roboter 110 den Betrieb beendet. Daher kann der Kraftsensor 112 zuverlässiger in einem einwandfreien Zustand gehalten werden, indem die übermäßige Kraft im Voraus abgeschätzt wird und die Beschleunigung und Verzögerung des Roboters 110 begrenzt wird, um die Größe (Absolutwert) jeder Kraftkomponente Fx, Fy und Fz in Bezug auf die Nennlast und die Prüflast zu verringern.
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Darüber hinaus ist es bei einer Anwendung, die den Kraftsensor 112 verwendet, oft der Fall, dass der Roboter 110 nach außen gedrückt wird und der Roboter 110 gesteuert wird, um die Druckkraft konstant zu halten. In diesem Fall nimmt der Kraftsensor 112 diese Druckkraft zusätzlich zu der errechneten Kraft auf, die aus dem geometrischen Parameter und der Zustandsquantität des Roboters 110 errechnet wurde. Da die Größe dieser Druckkraft für jede Richtung x, y, z gemäß der Anwendung vorläufig festgelegt werden kann, falls jede berechnete Kraftkomponente Fx, Fy und Fz des Kraftsensors 112 und die entsprechenden Schwellenwerte zu vergleichen sind, kann ein durch Subtraktion einer vorgegebenen Druckkraft von der Nennlast und der Prüflast des Kraftsensors 112 erzielter Wert als der Schwellenwert festgelegt werden, so dass der Vergleich und die Ermittlungsvorgänge für jede Anwendung geeigneter durchgeführt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuereinrichtung
- 2, 12
- Vergleichseinheit
- 3
- Steuerung
- 4, 11
- Kraftrechner
- 10
- Programmiereinrichtung
- 13
- Programmeinsteller
- 110
- Roboter
- 111
- Handgelenk
- 112
- Kraftsensor
- 114
- Drehkörper (Gelenk)
- 115
- erster Arm (Gelenk)
- 116
- zweiter Arm (Gelenk)
- S
- Werkzeug
- x, y, z
- Richtungen
- Fx, Fy, Fz
- Kraftkomponenten