DE3932013A1

DE3932013A1 - Zweiarmiger industrieroboter

Info

Publication number: DE3932013A1
Application number: DE3932013A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Ing Palm; Heinz Dr Ing Thom; Peter Dipl Ing Zier; Regine Prillwitz
Original assignee: BERLIN OBERBEKLEIDUNG
Current assignee: BERLIN OBERBEKLEIDUNG
Priority date: 1988-11-23
Filing date: 1989-09-26
Publication date: 1990-05-31
Also published as: CS659189A2; DD277230A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

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.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

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

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.

Darlegung des Wesens der Erfindung

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.

Ausführungsbeispiele

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.

a) Einarmiges Greifen

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.

b) Zweiarmiges Greifen

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

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

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).

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

Claims

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.