DE10226853B3 - Verfahren zum Begrenzen der Krafteinwirkung eines Roboterteils - Google Patents

Abstract

Um die Gefahr von Beschädigungen an externen Objekten, Sachobjekten oder Personen, bei dem Arbeiten eines Roboters, insbesondere eines Kleinroboters, zu reduzieren, sieht die Erfindung ein Verfahren zum Begrenzen der Krafteinwirkung eines Roboterteils, wie eines Roboterarms, auf ein solches externes Objekt bei einer Kollision derart vor, dass aufgrund einer bei einer Kollision auf das Objekt wirkenden maximal zugelassenen Kraft, Maximalkraft F¶max¶, eine korrespondierende maximal zugelassene kinetische Energie, Maximal-Energie E¶kin,max¶, des Roboterteils bestimmt wird, dass fortwährend in hinreichend kleinen Zeitintervallen die tatsächliche kinetische Energie, Ist-Energie E¶kin¶, des Roboterteils bestimmt wird und dass bei Überschreiten der maximal zulässigen Energie E¶kin,max¶ die tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit V des Roboters reduziert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Begrenzen der Krafteinwirkung eines Roboterteils, wie eines Roboterarms, auf ein externes Objekt bei einer Kollision.
• Roboter können bei ihren Arbeiten, wenn sie mit externen Objekten kollidieren, zu erheblichen Beschädigungen sowohl am Objekt als auch am Roboter führen. Aus diesem Grunde dürfen in der Regel im möglichen Arbeitsbereich eines Roboters keinerlei externe Objekte, sei es Sachobjekte oder Personen, anwesend sein. Zum Schutz der Person oder des Roboters werden letztere geschützt durch Zäune oder dergleichen in abgegrenzten Arbeitszellen angeordnet, die derart gesichert sind, dass beim Betreten der Arbeitszellen, beispielsweise aufgrund Öffnen einer Tür oder Überschreiten von überwachten Linien der Roboter ohne weiteres unverzüglich stillgesetzt wird. Gegebenenfalls kann er nur im Handbetrieb manuell mit reduzierter Geschwindigkeit bewegt werden. Das Stillsetzen des Roboters kann zu erheblichen Nachteilen, sei es betriebswirtschaftlicher Art (Totzeiten), sei es funktionstechnischer Art, wie Beschädigung von Werkstücken, an denen im Moment des Stillsetzens gearbeitet wird, führen. Sie sind daher unerwünscht.
• Es sind Kleinroboter bekannt, bei denen die kinetischen Energien und damit im Falle einer Kollision die einwirkenden Kräfte wesentliche reduzierter sind, dennoch bei einem Arbeitsablauf eines Roboters in Bereichen liegen können, die zur Beschädigung von Objekten, Sachobjekten oder Personen, oder auch des Roboters selbst führen können. Aus den oben genannten nachteiligen Gründen einer unvermittelten Stilllegung des Roboters, wenn Objekte in den Arbeitsbereich des Roboters gelangen, versucht man, eine Stilllegung des Roboters alleine aufgrund des Umstandes, dass ein Objekt in seinen Arbeitsbereich gelangt, zu vermeiden. Darüber hinaus muss ein Roboter auch Objekte, wie Werkstücke, anfahren, um diese beispielsweise zu greifen, zu bearbeiten oder dergleichen. Auch hier kann es zu Kollisionen, d.h. zu einem Anfahren mit unerwünscht hohen Geschwindigkeiten, kinetischen Energien und damit unerwünschten hohen Krafteinwirkungen kommen.
• Bei solchen Kleinrobotern wurde vorgeschlagen, für den Fall einer Kollision durch die einwirkende Kraft mit Überschreiten eines vorgegebenen Trägheitsmomentes und damit des Stromes des Antriebsmotors eine Stillsetzung zu bewirken. Weiterhin wurde zur Reduzierung der Krafteinwirkung vorgeschlagen, den Roboter bzw. seine Teile mit elastischen oder viskoelastischen Abdeckungen oder Ummantelungen zu versehen. Im ersteren Falle wurde als nachteilig angesehen, dass hierdurch das motorstrombedingte Stillsetzen des Roboters im Falle einer Kollision in unzumutbarem Maße verzögert wird, was durch eine viskoelastische Abdeckung verhindert werden soll, d.h. hier sollen die Ansprechzeiten gegenüber einer rein elastischen Abdeckung verkürzt werden ( DE 695 01 292 T2 ). Dennoch ist die Krafteinwirkung in sämtlichen Fällen zu hoch, wenn der Roboter mit für den jeweiligen Arbeitsprozess optimalen Geschwindigkeiten arbeiten soll; werden aber diese Geschwindigkeiten müssen generell und grundsätzlich für den gesamten Arbeitsablauf von vorneherein derart reduziert, dass im Falle einer Kollision, ggf. unter Berücksichtigung der dämpfenden Abdeckungen, Beschädigungen zuverlässig vermieden werden, führt dies zu einer Reduzierung der Effizienz des Einsatzes des Roboters.
• Aus der DE 695 01 292 T2 kennt der Fachmann auch ein Verfahren zum Begrenzen der Krafteinwirkung eines Roboterteils, wie eines Roboterarms, auf ein externes Objekt bei einer Kollision, wobei die äußere Kraft auf das Roboterteil bestimmt wird und diese mit einer bei einer Kollision auf das Objekt wirkenden maximal zugelassenen Kraft, Maximalkraft F_max der Roboter angehalten wird.
• Der DE 198 10 341 C2 entnimmt der Fachmann, dass fortwährend in hinreichend kleinen Zeitintervallen aufgrund von einem Energie- und Kollisionsvermeidungskriterium die tatsächliche Geschwindigkeit Δq/Δt ((Δq/Δt)² ~ E_kin kinetische Energie, Ist-Energie) des Roboterteils bestimmt wird und dass bei Überschreiten der maximal zulässigen Geschwindigkeit (Δq/Δt)_max (bzw. Energie E_kin,max) die tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit des Roboters reduziert wird.
• Die AT 401 746 B zeigt ein Steuerungsverfahren für Roboter unter Verwendung von geometrischen Zwangsbedingungen und Zufallssonderverfahren, wobei Optimalitätskriterien mit einer Vielfunktion formuliert werden, in denen unter anderem die Quadratsumme der Gelenkswinkelgeschwindigkeiten eingehen kann.
• Chapnik et al beschreiben in "Modeling Impact on a One-Link Flexible Robotic Arm, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 7, No. 4, August 1991" ein finites Elementenmodel eines flexiblen Roboterarms mit einer einzigen Verbindung unter Berücksichtigung von Dämpfungseffekten, Trägheit und sowohl Coulomb- als auch Viskosareibung.
• Die EP 365 681 A1 zeigt ein Verfahren zur Kollisionsdetektion von beweglichen mittels eines Servomotors angetriebenen Teilen eines Roboters, sowie eines Arms mit einem externen Objekt, um so Schaden des Roboters zu verhindern oder zu reduzieren. Hierzu wird eine Geschwindigkeits- und eine Drehmomentanweisung auf der Basis einer Bewegungsanweisung berechnet, um so periodisch Servosteuerungsbefehle für die Achse des Roboters auszuführen. Es wird weiterhin bestimmt, ob Abweichungen, beispielsweise zwischen der Geschwindigkeitsanweisung und der tatsächlichen Geschwindigkeit des Servomotors größer als ein vorbestimmter Wert sind. Ist dies der Fall, so wird angenommen, dass der bewegliche Teil des Roboters in Kollision gelangt ist und der Servomotor angehalten.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Begrenzen der Krafteinwirkung eines Roboterteils im Falle einer Kollision zu schaffen, welches unter Vermeidung der genannten Nachteile unter Berücksichtigung von Sicherheitsanforderungen eine Optimierung des Arbeitsablaufes des Roboters ermöglicht.
• Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass aufgrund einer bei einer Kollision auf das Objekt wirkenden maximal zugelassenen Kraft, Maximalkraft F_max, eine korrespondierende maximal zugelassene kinetische Energie, Maximal-Energie E_kin,max, des Roboter teils bestimmt wird, dass fortwährend in hinreichend kleinen Zeitintervallen die tatsächliche kinetische Energie, Ist-Energie E_kin, des Roboterteils bestimmt wird und dass bei Überschreiten der maximal zulässigen Energie E_kin,max die tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit v des Roboters reduziert wird.
• Die Reduzierung der kinetischen Energie kann dabei situationsabhängig oder aber durch einen vorgegebenen Wert erfolgen. Es kann sich hierbei um einen absoluten oder einen relativen Wert, in letzterem Falle bezogen auf die momentane Arbeitsgeschwindigkeit oder aber eine durch den Arbeitspro zess gegebene optimale Arbeitsgeschwindigkeit, handeln. Die Reduzierung wird in der Regel in einem Bereich zwischen 3 und 10%, vorzugsweise bei 5% liegen.
• In weiterer bevorzugter Ausgestaltung, mit welcher die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahren unterliegenden Roboters erhöht bzw. optimiert wird, ist vorgesehen, dass bei Unterschreiten der tatsächlichen kinetischen Energie E_kin gegenüber der maximal zulässigen kinetischen Energie E_kin,max überprüft wird, ob die tatsächliche momentane Arbeitsgeschwindigkeit die dem vom Roboter ausgeführten Arbeitsprozess gemäß Geschwindigkeit unterschreitet, wobei dann die tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit um einen vorgegebenen Wert, absolut oder relativ, erhöht wird.
• Um bei gegebener maximaler Krafteinwirkung die maximale kinetische Energie und damit die Effizienz zu erhöhen, sieht die Erfindung in Weiterbildung vor, dass bei vorgegebener maximal zulässiger Kraft F_max die zugelassene maximale kinetische Energie E_kin,max durch eine dämpfende Abdeckung auf Roboterteilen erhöht wird, wobei eine elastische oder viskoelastische Abdeckung oder Ummantelung vorgesehen sein kann.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüche und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
• 1 eine schematische Seitenansicht eines Roboters, bei dem die Erfindung zum Einsatz kommt; und
• 2 ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Ein Roboter 1, insbesondere ein Kleinroboter, weist einen Sockel 2 auf, an dem ein Karussell 3 an eine erste vertikale Roboterachse A1 drehbar ist. Das Karussell 3 trägt eine Roboter-Schwinge 4, die am Karussell 3 um eine zweite horizontale Roboterachse A2 schwenkbar ist. Die Schwinge 4 trägt einen Roboter-Arm 5, der wiederum an der Schwinge um eine dritte horizontale Roboterachse A3 verschwenkbar angelenkt ist. Am der Schwinge 4 abgewandten Ende weist der Roboterarm 5 einen Handflansch 6 zur Befestigung einer Roboterhand auf, die nicht dargestellt ist. Eine solche Roboterhand weist ebenfalls um drei Achsen verschwenkbare Teile auf, deren erste um die Mittelachse des Roboterarms 5 verschwenkbar ist.
• Der erfindungsgemäße Roboter ist mit dämpfenden Abdeckungen 7, 8, die elastische oder viskoelastische Abdeckungen sein können, versehen bzw. ummantelt.
• Stößt der Roboter, beispielsweise mit seinem Arm 5 im Abstand einer Wirklänge l_wirk gegen ein Objekt O, so setzt sich der gesamte Bremsweg, bis das Objekt gegen das harte Gehäuse des Arms 5 stößt, aus zwei Komponenten zusammen, nämlich dem linearen Weg S_linear, der der Stärke der Abdeckung 8 entspricht sowie einem rotatorischen Bremsweganteil S_rotatorisch, der dem Versatz der Roboterarmachse A' bei Kollision mit dem Objekt O gegenüber der Ausrichtung der Roboterarmachse A in dem Falle, wenn das Objekt an dem genannten Ort nicht vorhanden wäre, also keine Kollision eintritt, entspricht:

  

  wobei l_wirk die Winkellänge des Armes nach Δφ die Winkelabweichung des Armes bei Stoß gegenüber der unbehinderten Be wegung ist. Der rotatorische Anteil ergibt sich durch Elastizitäten in der Antriebsmomentenübertragung, z.B. bei Kraftübertragung durch Ketten mit Federkettenspanner.
• Die zwischen Roboterarm im Wirkpunkt W und dem Objekt O einwirkende Kraft bestimmt sich gemäß

  

  wobei F die einwirkende Kraft angibt und E die kinetische Energie des Roboterarms. Soll nun die auf ein externes Objekt einwirkende Kraft eine vorgegebene maximal zugelassene Kraft oder Maximalkraft F_max nicht überschreiten, so entspricht dieser einer optimal zugelassenen kinetischen Energie E_kin,max Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der sich aus dem Arbeitsprozess des Roboters ergebenden Bewegungsablauf mit durch diesen bestimmten Geschwindigkeiten der einzelnen Roboterelemente und der gegebenen tatsächlichen kinetischen Energie E_kin laufend, das heißt zyklisch in vorgegeben kurzen Zeitintervallen daraufhin überprüft wird, ob sie die zulässige maximale kinetische Energie, die Maximalenergie E_kin,max überschreitet.
• Die gesamte kinetische Energie des Roboters E_kin,Roboter setzt sich dabei ggf. aus den einzelnen kinetischen Energien der einzelnen Elemente des Roboters zusammen, je nachdem wo der Wirkort W liegt:

  

  wobei die einzelnen kinetischen Energien der Summation E_kin,j die kinetischen Energien des Karussells, der Schwinge, des Arms sowie ggf. der Hand und einer Traglast bezeichnen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun wie im Ablaufdiagramm der 2 dargestellt ist, vor, dass aufgrund der Winkel q, der Winkelgeschwindigkeit q . des jeweiligen Gelenkes, der Masse eines Teilkörpers sowie seines Trägheitstensors J gemäß

  
• Die translatorische Schwerpunktgeschwindigkeit eines Teilkörpers ẋ _s sowie seine Winkelgeschwindigkeit ω unter Heranziehen einer Berechnungsmatrix Q ₁ für die translatorische Schwerpunktsgeschwindigkeit des Teilkörpers ẋ _s in Abhängigkeit des Winkels des Gelenks q und einer Berechnungsmatrix aus Q ₂ für die Winkelgeschwindigkeit ω in Abhängigkeit der Winkelgeschwindigkeit des Gelenks

  

  und hieraus wiederum die am Wirkort W einwirkende kinetische Energie E_kin gemäß

  

  bestimmt werden, wobei J der Trägheitstensor eines Teilkörpers ist.
• Aufgrund dieser Bestimmung der tatsächlichen kinetischen Energie E_kin,ist erfolgt sodann ein Vergleich derselben mit der wie oben dargestellt aufgrund der Maximalkraft sich ergebenden maximal zulässigen kinetischen Energie E_kin,max. Liegt erstere über letzterem, so verzweigt der Verfahrensablauf in den rechten Teil des Diagramms der 2: Es erfolgt dann eine Reduzierung der tatsächlichen Geschwindigkeit, der Ist-Geschwindigkeit v – dies stets repräsante . . . vorgenannte Geschwindigkeiten – um einen vorgegebenen Wert, beispielsweise im dargestellten Ausführungsbeispiel um 5% bezogen auf die maximal durch den Arbeitsprozess vorgesehene Arbeitsgeschwindigkeit. Die Rechnung erfolgt in einem nächsten Zeitintervall wiederum, so dass, wenn weiterhin eine Kraft- und Energieüberschreitung gegeben ist, wiederum eine Geschwindigkeitsreduzierung erfolgt und damit auch die kinetische Energie – und für den Fall einer Kollision – die einwirkenden Kraft reduziert wird. Die Bestimmung der kinetischen Energie und der Vergleich mit der maximal zulässigen Energie kann in jedem Interpolations-Takt (IPO-Takt), also in jeder steuerungs . . . Takt der Robotersteuerung, und damit alle IO-I_ms erfolgen.
• Zeigt die Bestimmung der tatsächlichen kinetischen Energie, dass diese unterhalb der maximal zulässigen kinetischen Energie E_kin,max liegt, so folgt ein weiterer Abgleich dahingehend, ob die tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit V unterhalb der im dargestellten Ausführungsbeispiel mit 100 angenommenen durch den Arbeitsprozess gewünschten Geschwindigkeit liegt. Ist dies der Fall, so wird die tatsächliche Geschwindigkeit beim vorgegebenen Wert, im dargestellten Ausführungsbeispiel um 5% bezogen auf die durch den Arbeitsprozess vorgegebene gewünschte Arbeitsgeschwindigkeit (V_soll) erhöht. Ist dies nicht der Fall, so wird unverändert mit den gegeben Werten gearbeitet.
• Der Fall, dass die tatsächliche Geschwindigkeit v unterhalb der durch den Arbeitsprozess gewünschten Arbeitsgeschwin digkeit V_soll liegt, kann z.B. dann eintreten, wenn nach Überschreitens der kinetischen Energie im vorangehenden Zeitintervallen und damit Absendung derselben und der Arbeitsgeschwindigkeit aufgrund veränderter Umstände, beispielsweise weil andere Achsen mit geringerer Geschwindigkeit bewegt werden oder sich die Kollisionssituation anders darstellt in nachfolgenden Zeitintervallen die tatsächliche kinetische Energie E_kin unterhalb der maximal zulässigen Energie E_kin,max liegt.

1

Roboter

2

Sockel

3

Karussell

4

Schwinge

5

Roboterarm

6

Handflansch

7

Abdeckung

8

Abdeckung

A

Roboterarmachse

A'

Roboterarmachse

A1

Roboterachse

A2

Roboterachse

A3

Roboterachse

L_wirk

Wirklänge

O

Objekt

S_linear

Linearer Weg

S_rotation

Bremsweganteil

W

Wirkpunkt

Δφ

Winkelabweichung des Roboterarms bei Stoß

Claims (14)

1. Verfahren zum Begrenzen der Krafteinwirkung eines Roboterteils, wie eines Roboterarms, auf ein externes Objekt bei einer Kollision, wobei aufgrund einer bei einer Kollision auf das Objekt wirkenden maximal zugelassenen Kraft, Maximalkraft F_max, eine korrespondierende maximal zugelassene kinetische Energie, Maximal-Energie E_kin,max, des Roboterteils bestimmt wird, fortwährend in hinreichend kleinen Zeitintervallen die tatsächliche kinetische Energie, Ist-Energie E_kin, des Roboterteils bestimmt wird und bei Überschreiten der maximal zulässigen Energie E_kin,max die tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit v des Roboters reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsgeschwindigkeit v um einen vorgegebenen Wert reduziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsgeschwindigkeit um einen vorgegebenen absoluten Wert reduziert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Arbeitsgeschwindigkeit um einen vorgegebenen relativen Wert reduziert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsgeschwindigkeit um einen relativen Wert verringert wird, der auf die tatsächliche Geschwindigkeit bezogen ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsgeschwindigkeit um einen relativen Wert bezogen auf die durch die Maximalenergie E_kin,max gegebenen Maximalgeschwindigkeit reduziert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächliche Geschwindigkeit um einen Wert zwischen 3 und 10% reduziert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächliche Geschwindigkeit um einen Wert von 5% reduziert wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten der tatsächlichen kinetischen Energie E_kin gegenüber der maximal zulässigen kinetischen Energie E_kin,max überprüft wird, ob die tatsächliche momentane Arbeitsgeschwindig keit den dem vom Roboter ausgeführten Arbeitsprozess gemäßen Geschwindigkeitswert unterschreitet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit die dem vom Roboter ausgeführten Arbeitsprozess gemäße Arbeitsgeschwindigkeit unterschreitet, die tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit um einen vorgegebenen Wert, absolut oder relativ, erhöht wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorgegebener maximal zulässiger Kraft F_max die zugelassene maximale kinetische Energie E_kin,max durch eine dämpfende Abdeckung auf Roboterteilen erhöht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige kinetische Energie durch elastische Abdeckungen erhöht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zulässige maximale kinetische Energie durch viskoelastische Abdeckungen erhöht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zulässige maximale kinetische Energie durch Elastizitäten im Antriebsstrang erhöht wird.