DE3932013A1 - Zweiarmiger industrieroboter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft das Manipulieren von insbesondere
großflächigen Körpern. Sie ist vorteilhaft beim Abräumen der
Schnitte beim Zuschnitt in der Bekleidungsindustrie sowie
in der folienverarbeitenden Industrie einsetzbar.
Gemäß des Standes der Technik wurden entsprechende Aufgaben
bisher entweder manuell gelöst oder mittels normaler einarmiger
Roboter. Dabei besitzt der Roboterarm eine Traverse, an der
mindestens zwei Greifelemente befestigt sind. Ein Nachteil
dieser Lösung besteht darin, daß damit ein Handhaben biege
schlaffer großflächiger Materialien, die auch im gespannten
Zustand transportiert werden müssen, nicht möglich ist. Es
wurden auch Lösungen mit zweiarmigen Robotern bekannt, bei
denen die Arme an Schultern befestigt sind. Dabei sind die
Arme entweder nur in Schulterrichtung beweglich (und nicht
frei programmierbar (EP-PS 0 66 014)) oder sie sind frei pro
grammierbar, haben jedoch eine eingeschränkte Beweglichkeit,
u. a. vertikale Beweglichkeit der Schultergelenke (DE-PS 36 35 076).
Wesentlicher Nachteil dieser Anordnung der Arme am Schulter
gelenk ist der eingeschränkte Arbeitsbereich. So können die
Arme, bezogen auf das Schultergelenk, asynchron nicht über
einen Bereich von 1¼ π arbeiten.
Ziel der Erfindung ist ein zweiarmiger Industrieroboter zum
Handhaben von vorwiegend großflächigen Körpern, mit dem im
synchronen Betrieb die Arme großflächiger Körper und im
asynchronen Betrieb kleinflächiger Körper mit jedem Arm
einzeln in einem möglichst großen Arbeitsbereich bei ver
minderter Kollisionsgefahr manipuliert werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zweiarmigen
Industrieroboter zu schaffen, dessen Arme synchron über einen
Bereich von 2 π und asynchron von 1½ π arbeiten können und
bei dem die Rechenzeit für die Steuerung der Arme verringert
werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die
Arme am Ständer eine gemeinsame Drehachse aufweisen und als
biegesteife Horizontal-Knick-Arme mit jeweils mindestens
drei Freiheitsgraden ausgeführt werden. Die unabhängig von
einander angetriebenen Knick-Gelenke und die Armbefestigung
am Ständer sind dabei so ausgebildet, daß der Schwenkbereich
270° ist. Beide Arme sind sowohl links- als auch rechtshändig
synchron und asynchron bewegbar. Vorteilhaft ist das Vorhanden
sein eines Kraftsensors am Handgelenk des Armes, der zur
Steuerung der erforderlichen synchronen Bewegungen der Arme
dient, um biegeschlaffe großflächige Körper bei der Hand
habung in der Ebene straff halten zu können. Jeder Antrieb
der Arme besitzt einen Steller und einen Positioniermodul.
Die höheren hierarchischen Regelungsniveaus werden mit einem
Vielfachen der Abtastzeit des untersten Servoniveaus getaktet.
Für die Bahn des gegriffenen Teils ist ein Gesamtbahngenerator
und für die Manipulatorendpunkte sind an den Gesamtbahngene
rator angeschlossene Einzelbahngeneratoren vorhanden. Günstig
ist es weiterhin, den Roboter linear verfahrbar auszubilden.
Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel zum Abräumen
eines Zuschnittisches näher erläutert. Dabei zeigen die
Zeichnungen in
Fig. 1 die Draufsicht auf den Zuschnittsbereich als Prinzip
darstellung
Fig. 2 die Seitenansicht des erfindungsgemäßen Industrie
roboters als Prinzipdarstellung
Fig. 3 die Darstellung der auftretenden Kräfte beim Transport
der geschnittenen Stoffbahnen
Fig. 4 die Struktur der Steuerung und Regelung des erfindungs
gemäßen Industrieroboters
Für den Zuschnitt werden mehrere Stofflagen n20 mittels
eines Luftunterdruckes verschiebungsfest auf eine bürsten
artige Unterlage gepreßt. Der Schnitt wird mit einem Messer,
das sich stoßend vertikal bewegt, horizontal nach einem
Schnittbild durch ein Zuschnittprogramm gesteuert. Nachdem
der Zuschnitt beendet ist, sind die Folien, die die porösen
Stofflagen gegenüber ihrer Umgebung abdichten und mittels
Unterdruck an die Unterlage pressen, abzunehmen. Gemäß der
bisherigen Technologie werden die Schnittformen gekennzeichnet.
Diese aufwendige manuelle Handhabung kann entfallen, wenn sämt
liche Schnittformen in für sie entsprechend codierte Container
abgelegt und transportiert werden. Das automatisierte Abräumen
des Zuschneidetisches 7 von in der Ebene biegeschlaffen Schnitt
formen kann vorzugsweise mit einem mehrachsigen, zweiarmigen
Horizontal-Knick-Arm-Roboter ausgeführt werden, dessen Arme 4
unabhängig voneinander programmiert ansteuerbar sind, und die
am Ständer 1 eine gemeinsame Drehachse haben. Kleine Schnitt
formen können demzufolge nur mit einem Arm 4 gegriffen und
abgelegt werden, womit eine doppelte Abräumeffektivität er
zielt wird. Sind dagegen größere Schnittformen vom Zuschneide
tisch 7 abzuräumen, so greifen beide Arme 4 mit möglichst
großem Abstand eine Schnittform. Durch den besonderen Robo
tertyp, zwei mehrachsige Arme mit gemeinsamer Drehachse am
Ständer, können große Schnittformen sehr einfach zur Ablege
position geführt werden, ohne daß auf sie unkontrollierte Zug
beanspruchungen wirken. Bei einer angemessenen Zugkraft, die
von den Armen über die Greifvorrichtung auf die gegriffene
Schnittform übertragen wird, kann die Stofflage der Schnitt
form während der Handhabung in der Ebene straff gehalten werden.
Der sich auf dem Zuschneidetisch 7 befindliche zugeschnittene
Stoffstapel, z. B. für eine Hose, wird gemäß Fig. 1 von dem an
einer Deckenschiene 2 und einer Bodenschiene 3 befestigten und
verfahrbaren Industrieroboter mit dem Ständer 1 und den zwei
Horizontal-Knick-Armen 4 mit gemeinsamer Drehachse von den am
Handgelenk befindlichen Greifern 6 eingeklemmt und mittels
Drehung in den bereitgestellten, längs der Schienen 2; 3
und parallel zum Zuschneidetisch 7 verfahrbaren Container 8,
der sich auf der gegenüberliegenden Seite des Industriero
boters befindet, abgelegt. Aus der Seitenansicht des In
dustrieroboters ist ersichtlich, daß die Arme durch ihre
Befestigung am Ständer 1 in unterschiedlicher Höhe und den
unterschiedlich großen Knickgelenken einen großen Schwenk
bereich aufweisen, in welchem kollisionsfrei gearbeitet wer
den kann. Bezüglich der Steuerung ist es günstig, einen Arm
als Masterarm und den einen als Slavearm zu betrachten. Zur
Handhabung der Schnittformen, die als Stofflagen eng anein
ander liegen, ist eine Greifvorrichtung mit zwei Greiffingern
vorgesehen, die am Ende als Haken ausgebildet sind. Diese
Haken werden längs zur Schnittrichtung der Schnittform, wenn
gerade Schnittspur von L<80 mm gegeben ist, positioniert und
mittels pneumatischen Antriebs eines Hubzylinders durch die
vertikale Schnittebene bis in die bürstenartige Auflage des
Zuschnittisches hineingeführt und anschließend werden die
Greiffinger und damit auch der Haken synchron senkrecht zur
Schnittrichtung um 90 Grad gedreht. Danach kann der Haken
des Greiffingers an die Stofflagen unterhalb der zu hand
habenden Schnittform geführt und der erforderliche Anpreß
druck an die Grundplatte, die Daumenfläche, der Greifvor
richtung erzeugt werden. Mit einer Druckluftdusche, die
unterhalb am konisch ausgebildeten Greiffingerhaken wirkt,
wird die vertikale Schnittebene der Stofflage für den Greif
finger aufgeweitet bzw. freigelegt. Die Erkennung der Schnitt
ebene zur Feinpositionierung der Greifvorrichtung wird mit
dem Einsatz, z. B. von zwei Luft-Düsen-Zeilen, durchgeführt.
Nach abgeschlossenem Greifprozeß beginnt die Handhabung der
Schnittform, Anfahren der Ablageposition eines mobilen ent
sprechend codierten Containers, Zurückführen der Greiffinger
in ihre Ausgangsposition und somit ist die Schnittform abge
legt.
Das Abgreifen von Stapeln bzw. des Stapels mit entsprechender
Greiftechnik kann sowohl mit einem Arm ohne Kooperation als
auch mit zwei Armen mit Kooperation stattfinden.
Analog zum menschlichen Körper werden die Arme in verschie
denen Arbeitsphasen als rechts- bzw. linkshändig definiert.
Das einarmige Greifen beginnt mit einer Rechtshändigkeit des
Masterarms und einer Linkshändigkeit des Slavearms. Der
Transportprozeß erfolgt über eine sogenannte singuläre Kon
figuration, bei der beide Arme ausgestreckt jeder für sich
eine Gerade bilden. Die Ablage in die Container erfolgt, in
dem der Master links- und der Slave rechtshändig werden.
Dieser Wechsel ist nicht zwingend, bringt aber Vorteile für
die Ausnutzung des Arbeitsraumes und sichert eine höhere
Kollisionsfreiheit.
Entsprechend dem einarmigen Greifen ist der Master rechts-
und der Slave linkshändig eingerichtet. Der Transport erfolgt
durch synchrone Bewegung der Arme derart, daß die Relativ
positionen und -orientierungen der Greifpunkte während des
Transportprozesses konstant bleiben. Konfigurationen von
zwei rechts- bzw. linkshändigen Armen sind möglich, aber
wegen der Kollisionsgefahr zu vermeiden.
Da die Antriebe für den Ellenbogen und die Hand jeweils am
Ort angebracht sind, leisten sie auch einen hohen Beitrag
zur Masse und zum Trägheitsmoment der Arme. Um eine genaue
Bahn zu erzielen, müssen daher die Servoregler mit entspre
chenden Algorithmen wie Kompensationsverfahren (Paul, R. P.:
Robot Manipulators The MIT Press Series in Artifical Intelli
gence Cambridge USA 1981) oder Adaptionsalgorithmen (Ahlbeh
rendt, N.: Mädiger, B.: Algorithmus for Point-to Point and
Continuous Path Control for Industrial Robots Italien National
Research Council, National Program on Computer Science Project
MODIAC, The Automation of Industrical Processes, Turin 1983;
Pham Thuang Cát; Saml J.: Robuet Model Reference Adaptive
control of Manipulators, International Conference on In
dustrial Roboter ROBCON 4 2 0-23 Oct. 1987, Sofia, Vol. II
S. 27-47) ausgelegt sein. Hervorzuheben ist, daß es bei
Handhabungen mit einem Arm auf eine solche Bewegungsge
nauigkeit nicht ankommt, daß aber bei zweiarmiger Hand
habung die Anforderungen an die Bahngenauigkeit gering,
aber an die Genauigkeit der Relativbewegung beider Greifer
höher sind. Diese Anforderungen sind umso größer, je weniger
Toleranzen diesbezüglich zugelassen werden. Die höchsten An
forderungen werden gestellt, wenn die Stapel biegeschlaffer
Körper vollkommen gespannt transportiert werden sollen, da
dann die einzige Nachgiebigkeit in der Elastizität des
Stoffes liegt. Wird der Stapel dagegen in einem gewissen
Maße durchhängend transportiert, so entstehen dadurch To
leranzreserven, die durch eine nicht so anspruchsvolle Ser
voregelung ausgenutzt werden können. Ein im Greifer des
Masterarmes befestigter 3-komponentiger Kraftsensor ge
stattet die Ausregelung einer vorgegebenen Spannkraft
(Palm, R. Horch, H.-I.: Moltmann, A.: Task Specifikations
and Closed loop Control of Manipulators in the Presence of
External Sensory 6 th (CISM-IFT oMM Symposium on Theory and
Practice of Robots and Manipulators Ro. man. Sy '86, 9-12 Sept.
1986, Krakau Polen, Reprinte S. 227-234) (s. Fig. 3). Die
koordinierte Transportbewegung mehrerer Roboter unter Ein
beziehung von Manipulationsgleichungen ist bei Palm, R.:
Aktion, Reaktion und Wechselwirkung bei sensorgeführten Ro
botern; Diss. B, eingereicht Mai 1988, beschrieben. In Fig. 3
sind folgende Vereinbarungen zu Koordinationssystemen zu
ersehen:
KX - Basissystem für beide Manipulatoren
KH 1 - Greifersystem Manipulator 1
KH 2 - Greifersystem Manipulator 2
KO - Objektsystem
KH 1 - Greifersystem Manipulator 1
KH 2 - Greifersystem Manipulator 2
KO - Objektsystem
Weiterhin bedeuten
T 1 - Transformationsmatrix zwischen KH 1 und KX
T 2 - Transformationsmatrix zwischen KH 2 und KX
CEN - Transformationsmatrix zwischen KO und KX
REC - Transformationsmatrix zwischen KH 1 und KH 2
REC 1 - Transformationsmatrix zwischen KO und KH 2
T 2 - Transformationsmatrix zwischen KH 2 und KX
CEN - Transformationsmatrix zwischen KO und KX
REC - Transformationsmatrix zwischen KH 1 und KH 2
REC 1 - Transformationsmatrix zwischen KO und KH 2
In den Transformationsmatrizen sind die zeitabhängigen Relativ
positionen und Orientierungswinkel enthalten. CEN beschreibt
die Bahn des Objekts, REC die Reaktion zwischen den beiden
Greifern. REC 1 beschreibt die Relativorientierung und -posi
tion zwischen Stapelschwerpunkt und Greifer 2. Dann können für
den Master- und den Slavemanipulator folgende Manipulations
gleichungen formuliert werden, die die Bewegungen von Master
und Slave bestimmen:
T 1 = CEN · REC 1 -1 · REC -1 (Mastergleichung)
T 2 = CEN · REC 1 -1 (Slavegleichung).
T 2 = CEN · REC 1 -1 (Slavegleichung).
Die Korrekturen durch Kraftadaption erfolgen im Mastermani
pulator mittels Variation der Reaktionstransformation REC.
Die erforderlichen Spannkräfte hängen stark von dem Gewicht
des zu greifenden Stapels ab und sind daher experimentell
zu bestimmen.
Im folgenden wird die Steuerungs- und Regelungsstruktur
(s. Fig. 4) näher erläutert.
Das System erhält entweder durch ein übergeordnetes Programm
oder durch einen Belehrungsvorgang die Bahndatei, z. B. in
Form von Schwerpunkt und Orientierung (Hauptträgheitsachse)
der einzelnen zu greifenden Teile. Weiterhin existiert ein
vorher entworfenes Nutzerprogramm, das in einer Roboter
sprache VAL 2 geschrieben ist.
Nutzerprogramm und Daten werden in einem Programminterpreter
block umgesetzt und interpretiert. Ein Bahngenerator für die
Gesamtbahn berechnet sowohl die Bahnen der beiden Roboter
arme für die Annäherungsphase als auch die Bahn des gegrif
fenen Teils. Aus der letzteren generieren die Blöcke Bahn
generierung 1 und 2 getrennte Bahnen für die Manipulatoren
endpunkte. Weiterhin gibt der Bahngenerator für die Gesamt
bahn die Trajektorie für den Linearantrieb vor, da diese
weitgehend unabhängig von den anderen Bahnabschnitten be
rechnet werden kann.
Ein Teach-Block gestattet eine Belehrung von Greifpunkten
für jeden einzelnen Manipulator und für die Kooperation beider.
Ein Sensoralgorithmusblock korrigiert entsprechend der durch
einen Block der Sensorverarbeitung der Greifersensorik ge
lieferten Daten die Bahn des Mastermanipulators.
Jeder Antrieb wird durch einen Servoreglerblock digital ge
regelt. Diese Regelungssoftware sollte auf gesonderten Posi
tioniermodulen ausgelagert sein.
Die Greifersteuerungen 1 und 2 beinhalten die Software für den
adaptiven Greifvorgang und werden direkt vom Interpreterniveau
durch spezielle Sprachbefehle gesteuert.
Auf den Steuerungs- und Regelungsniveaus 1 und 2 entsprechend
Fig. 4 werden die beiden Arme und der Linearantrieb jeweils
gesondert synchronisiert. Der Servoregler jedes dieser drei
Komplexe besitzt eine feste Taktfrequenz, in der geregelt
wird. Diese Taktfrequenzen sind gleich gewählt, wobei die
Phasenverschiebung zwischen jeweils zwei Reglern zufällig
ist, aber maximal nur einen Feintakt betragen darf. Das
Servoniveau sollte eine Taktzeit T₁10 ms haben (Niveau 1).
Das darüber gelegene Niveau 2 hat einen Zeittakt von
T₂=4·T₁.
Damit bekommt das Niveau 1 nach jeweils T₂ seine Sollwerte
angeboten. Diese Sollwerte sollen durch Linearinterpolation
auf die Feintakte T₁ aufgeteilt werden. Eine Sensorkorrektur
auf Niveau 2 erfolgt ebenfalls im Takt T₂, wobei eine system
bedingte Taktzeit zwischen einer Messung und dem Einstellen
einer geforderten Korrektur von max=T₂·2 liegt.
Die Servorechner sollten hinsichtlich des Niveaus allerdings
synchronisiert werden, da im anderen Fall in bezug auf das
Niveau 3 eine maximale Phasenverschiebung um T₂ auftreten
kann, was bei höheren Verfahrgeschwindigkeiten zu uner
wünschten Soll-Ist-Abweichungen führen kann.
Neben diesem Anwendungsbeispiel sind auch diverse andere
günstige Anwendungen möglich, wie z. B. das Bekleben von
Möbelplatten mit Folien.
Aufstellung der Formel- und Bezugszeichen
1 Ständer
2 Deckenschiene
3 Bodenschiene
4 Horizontal-Knick-Arm
5 Knickgelenk
6 Greifer
7 Zuschneidetisch
8 Container
9 Stoffstapel
2 Deckenschiene
3 Bodenschiene
4 Horizontal-Knick-Arm
5 Knickgelenk
6 Greifer
7 Zuschneidetisch
8 Container
9 Stoffstapel
Claims (6)
1. Zweiarmiger Industrieroboter, dadurch gekennzeichnet, daß
die Arme am Ständer (1) eine gemeinsame Drehachse aufweisen
und als biegesteife Horizontal-Knick-Arme (4) mit jeweils
mindestens drei Freiheitsgraden ausgeführt sind, wobei
das Knickgelenk (5) und die Armbefestigung am Ständer (1)
so ausgebildet sind, daß der Schwenkbereich 270° ist und
daß beide Arme sowohl links- als auch rechtshändig einzeln
und koordiniert bewegbar sind.
2. Zweiarmiger Industrieroboter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß am Handgelenk eines Armes ein Kraft
sensor zur Durchführung von Bahnkorrekturen angebracht
ist, durch den es möglich ist, während der Handhabung
biegeschlaffe großflächige Körper in der Ebene straff
zu halten.
3. Zweiarmiger Industrieroboter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder Antrieb der Arme einen Steller
und einen Positioniermodul besitzt.
4. Zweiarmiger Industrieroboter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die höheren hierarchischen Regelungs
niveaus mit einem Vielfachen der Abtastzeit des unter
sten Servoniveaus getaktet werden.
5. Zweiarmiger Industrieroboter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Gesamtbahngenerator für die Bahn
des gegriffenen Teils und daran angeschlossene Einzelbahn
generatoren für die Manipulatorenpunkte vorhanden sind.
6. Zweiarmiger Industrieroboter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Industrieroboter linear ver
fahrbar ist.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DD88322061A DD277230A1 (de) | 1988-11-23 | 1988-11-23 | Zweiarmiger industrieroboter |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3932013A1 true DE3932013A1 (de) | 1990-05-31 |
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