DE69122185T2

DE69122185T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Gelenkroboters mit Redundanz

Info

Publication number: DE69122185T2
Application number: DE69122185T
Authority: DE
Inventors: Yoshikatsu Minami; Masato Tanaka
Original assignee: Yaskawa Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1990-01-23
Filing date: 1991-01-21
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2011-01-22
Also published as: DE69122185D1; EP0465661A4; KR920701885A; US5187418A; JPH03217906A; WO1991010945A1; JP2874238B2; KR0176249B1; EP0465661A1; EP0465661B1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines gelenkigen Roboters mit Redundanz.

STAND DER TECHNIK

In letzter Zeit wird gefordert, daß sich Industrieroboter flexibler bewegen können, um mit schwierigeren Aufgaben fertig zu werden, und daß sie eine größere Anzahl von Steuerachsen haben sollen, die gleichzeitig gesteuert werden können. Im allgemeinen sind die notwendigen und hinreichenden Bedingungen, die ein Roboter zum Erreichen einer gewünschten Gelenkposition und einer gewünschten Gelenkstellung erfüllen muß, daß der Roboter sechs Achsen hat. Jedoch fordern jüngste Anwendungen, daß Industrieroboter eine Redundanz mit über sechs Achsen haben.
Damit ein Robotergelenk eine interpolierte Bewegung durchführt, müssen die Position und die Stellung des Robotergelenks auf einem bestimmten Weg durch die Drehwinkel der jeweiligen Gelenke des Roboters gesteuert werden. Jedoch ist es, da die Roboter mit Redundanz, die über sechs Achsen haben, äußerst viel Berechnungen erfordern, schwierig, Daten während einer Roboteroperation auf Echtzeitbasis zu verarbeiten, und solche Roboter sind in der Praxis nicht eingesetzt worden.
Als Lösung für die obigen Probleme ist bisher ein Steuerverfahren zum Bestimmen des Drehwinkels einer vierten Achse vorgeschlagen worden, bei dem die Summe aus oder die Differenz zwischen dem Kosinus des Drehwinkels einer zweiten Achse und dem Kosinus des Drehwinkels einer sechsten Achse bei einem siebenachsigen Roboter einen Extremwert annimmt, wie es im offengelegten japanischen Patent mit der Nr. 64-42704 (oder der Nr. 42704/89) offenbart ist. Das offengelegte japanische Patent mit der NR. 64-16389 (oder der Nr. 16389/89) offenbart ein Verfahren zum Steuern der Position und der Stellung eines Roboter-(Hand-)Gelenks durch die Rekonstruktion eines virtuellen sechsachsigen Roboters mit fixierten Redundanzachsen.
Die herkömmlichen Steuerverfahren sind jedoch auf einen siebenachsigen Roboter beschränkt oder erfordern, daß ein Roboter als virtueller sechsachsiger Roboter gesteuert wird. Wenn die Redundanzachsen zeitweilig angehalten werden, werden nicht alle Achsen gleichzeitig gesteuert und der Roboter wird nicht für eine flexible Bewegung gesteuert.
Die EP-A-0 239 797 offenbart einen Roboterarm mit neun Freiheitsgraden (DOF). Die ersten drei DOF werden durch ein Programm gesteuert. Die letzten sechs DOF werden durch eine Master-/Slave-Anordnung durch einen Bediener gesteuert, der den Arm über einen Monitor überwacht.
IEEE Transactions on Robotics and Automation, 5 (1989) August Nr. 4 (Seraiji, J.), S. 472-490 beschreibt ein Verfahren zum Berechnen der Positionen jeder Gelenkverbindung in einem Roboterarm mit Redundanz.
Angesichts der zuvor genannten Nachteile ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern eines gelenkigen Roboters zu schaffen, so daß alle Achsen des Roboters gleichzeitig gesteuert werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Steuern eines gelenkigen Roboters mit über sechs Achsen und bis zu zwölf Achsen folgende Schritte auf:
Aufteilen der Achsen in zwei Gruppen, die jeweils aus sechs Achsen oder weniger zusammengesetzt sind, wobei jene Achsen, die auf einer Seite einer Teilstelle positioniert sind, welche nahe einer Referenzstelle ist, als Redundanzachsen dienen, und wobei jene Achsen, die auf der anderen Seite der Teilstelle positioniert sind, welche nahe einem Robotergelenk sind, als Grundachsen dienen, und
Steuern der Teilstelle als erste Steuerstelle mittels Interpolation und Steuern des Robotergelenks als zweite Steuerstelle mittels Interpolation, wobei die gesteuerte erste Steuerstelle als neue Referenzstelle angesehen wird.
Die Achsen, die von einer Referenzstelle zur ersten Steuerstelle reichen, sind sechs Achsen oder weniger, und die Achsen, die von der ersten Steuerstelle zur zweiten Steuerstelle reichen, sind auch sechs Achsen oder weniger. Die erste Steuerstelle wird mittels Interpolation gesteuert, und die zweite Steuerstelle wird mittels Interpolation unter Bezugnahme auf die erste Steuerstelle gesteuert, die mittels Interpolation gesteuert worden ist, wobei jede Interpolation gemäß dem herkömmlichen Steuerverfahren gesteuert wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens zum Steuern eines gelenkigen Roboters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das erste und zweite Steuerstellen zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das Fig. 2 im Detail zeigt; und
Fig. 4 ist ein Diagramm, das das Steuerverfahren gemäß der Erfindung zeigt.

BESTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird angenommen, daß, wie es in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, eine Gesamtheit von zwölf Achsen in zwei Gruppen aufgeteilt ist, die jeweils aus sechs Achsen bestehen, und eine Steuerstelle P als erste Steuerstelle für Redundanzachsen 11 und eine Steuerstelle Q als zweite Steuerstelle (Robotergelenk) für Grundachsen 12 sind durch P&sub1;, Q&sub1; und P&sub2;, Q&sub2; in den jeweiligen Gruppen gezeigt. Die Steuerstelle Q am Robotergelenk wird derart gesteuert, daß sie eine linear interpolierte Bewegung durchführt. Nun wird nachfolgend das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.
Impulsdaten für die jeweiligen Achsen des Roboters, welche die zweiten Steuerstellen Q&sub1;, Q&sub2; anzeigen, werden aus einem Speicher 1 genommen und durch einen Vorwärtswandler 2 in Vorwärtsrichtung umgewandelt, wodurch Positions- und Stellungsdaten für die Steuerstellen P&sub1;, Q&sub1;, P&sub2;, Q&sub2; berechnet werden. Diese Berechnungen werden nicht beschrieben, da bekannt ist, daß sie bewirkt werden können, wenn die Achsenanordnung des Roboters und die Drehwinkel der jeweiligen Achsen gegeben sind. Die bekannte Technologie ist im Detail in ROBOT MANIPULATORS Mathematics. Programming. and Control von Richard P. Paul, MIT Press (übersetztes Buch: ROBOT MANIPULATORS, veröffentlicht von Corona Co.) beschrieben.
In bezug auf die Steuerstelle Q am Robotergelenk werden Berechnungen für eine lineare Interpolation von Q&sub1; zu Q&sub2; durch eine Interpolationsberechnungseinheit 4 bewirkt. Zu dieser Zeit wird eine Matrix, die die Position und die Stellung einer i-ten Steuerstelle Qi in bezug auf eine Teilungszahl n darstellt, durch Ti (i = 1, ..., n) angezeigt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Weiterhin werden Berechnungen für die Steuerstelle P für die Redundanzachsen zum Durchführen einer interpolierten Bewegung von P&sub1; zu P&sub2; durch eine Interpolationsberechnungseinheit 3 bewirkt. Diese interpolierte Bewegung ist nicht auf eine linear interpolierte Bewegung beschränkt, sondern kann eine Gelenkverbindungsbewegung, eine linear interpolierte Bewegung oder eine zirkular interpolierte Bewegung sein, und zwar in Abhängigkeit von der Anwendung, bei der der Roboter verwendet wird. Eine Matrix, die die Position und die Stellung einer i-ten Steuerstelle Pi in bezug auf die Teilungszahl n darstellt, wird durch Si (i = 1, ..., n) angezeigt. Wenn die Matrix Si einem Rückwärtswandler 5 eingegeben wird, der Drehwinkel θ&sub1; θ&sub6; der Redundanzachsen berechnet, können diese Berechnungen gemäß dem Verfahren ausgeführt werden, das im offengelegten japanischen Patent mit der Nr. 62-193786 (oder der Nr. 193786/87) offenbart ist.
Die Drehwinkel θ&sub7; θ&sub1;&sub2; der Grundachsen werden berechnet durch Eingeben von Ui, die durch folgende Matrixberechnungen erzeugt wird, zum Rückwärtswandler 6:
Ti = Si Ui
Ui = Si&supmin;¹ Ti (i = 1, ...2, n)
Diese Berechnungen können auch gemäß dem in der obigen offengelegten Veröffentlichung offenbarten Verfahren ausgeführt werden.
Die berechneten Drehwinkel θ&sub1; θ&sub1;&sub2; werden dann einer Positionsbefehlseinheit 7 zugeführt, deren Ausgangssignale Servoverstärkern für die jeweiligen Achsen zum Steuern aller Achsen des gelenkigen Roboters zugeführt werden.
Mit der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung werden die Achsen der gelenkigen Roboter in Gruppen aufgeteilt, die aus sechs Achsen oder weniger bestehen, und die erste und die zweite Steuerstelle werden errichtet, wobei die zweite Steuerstelle unter Bezugnahme auf die erste Steuerstelle gesteuert wird. Daher ist das Steuerverfahren nicht auf einen siebenachsigen Roboter beschränkt oder es ist nicht erforderlich, den Roboter als virtuellen siebenachsigen Roboter zu steuern, bei dem die Redundanzachsen zeitweilig angehalten werden. Demgemäß ermöglicht das Steuerverfahren, den Roboter derart zu steuern, daß er verschiedene interpolierte Bewegungen für eine flexible Roboterbewegung durchführt, während die zwölf Achsen gleichzeitig gesteuert werden.

Claims

1. Verfahren zum Steuern der Bewegung eines gelenkigen Roboters mit sieben bis zwölf Achsen, das folgende Schritte aufweist:

Aufteilen der Achsen in eine erste Gruppe (11) mit bis zu sechs Achsen, die zwischen einer Referenzstelle und einer ersten Steuerstelle (P) positioniert sind, wobei beide Stellen am Roboter sind, und eine zweite Gruppe (12) mit bis zu sechs Achsen zwischen der ersten Steuerstelle (P) und einer zweiten Steuerstelle (Q), die an einem Robotergelenk entfernt von der Referenzstelle angeordnet ist, wobei die erste Gruppe (11) als Redundanzachsen dient und die zweite Gruppe (12) als Grundachsen dient;

Steuern der Bewegung der ersten Steuerstelle (P) des Roboters durch Durchführen einer Interpolationsberechnung basierend auf der Referenzstelle zum Sorgen für eine interpolierte Bewegung der ersten Steuerstelle (P); und

Steuern der zweiten Steuerstelle (Q) des Roboters, um das Robotergelenk durch Durchführen einer zweiten Interpolationsberechnung zu steuern, wobei die zweite Interpolationsberechnung unter Verwendung der ersten Steuerstelle als Referenzstelle berechnet wird, um für eine interpolierte Bewegung der zweiten Steuerstelle (Q) zu sorgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bewegungen der ersten Gruppe (11) und der zweiten Gruppe (12) gleichzeitig berechnet werden.

3. Gelenkiger Roboter mit sieben bis zwölf Achsen, die aufeinanderfolgend entlang dem Roboter von einer Referenzstelle aus beabstandet sind, wobei die Achsen in eine erste Gruppe (11) aus bis zu sechs Achsen zwischen der Referenzstelle und einer ersten Steuerstelle (P) am Roboter und eine zweite Gruppe (12) aus bis zu sechs Achsen zwischen der ersten Steuerstelle (P) und einer zweiten Steuerstelle (Q) an einem Robotergelenk des Roboters aufgeteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuerstelle (P) durch eine erste Einrichtung (1, 2, 3, 5) bewegbar ist, die eine interpolierte Bewegung basierend auf der Referenzstelle berechnet, und die zweite Steuerstelle (Q) durch eine zweite Einrichtung (1, 2, 4, 6) bewegbar ist, die eine interpolierte Bewegung basierend auf der ersten Steuerstelle (Q) berechnet.

4. Roboter nach Anspruch 3, wobei die erste Gruppe (11) und die zweite Gruppe (12) gleichzeitig bewegbar sind, und wobei die erste Einrichtung (1, 2, 3, 5) und die zweite Einrichtung (1, 2, 4, 6) die Interpolationsbewegungen gleichzeitig berechnen.