DE69411130T2

DE69411130T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Eichen der Bewegungsachsen eines Industrierobotors

Info

Publication number: DE69411130T2
Application number: DE69411130T
Authority: DE
Inventors: John-Erik S-723 51 Vaesteras Snell
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1993-11-15
Filing date: 1994-11-11
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2014-11-12
Also published as: DE69411130D1; EP0655301A1; SE9303757D0; US5687293A; SE501867C2; SE9303757L; JPH07186073A; ES2119946T3; EP0655301B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eichung der Bewegungsachsen eines Industrieroboters gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Industrieroboter- System gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4 zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Stand der Technik

Ein typischer Industrieroboter ist bereits bekannt aus der US-A-3 909 600 und der US-A-3 920 972. Ein solcher Roboter hat einen Ständer, der drehbar auf einem Fuß angeordnet ist und der einen ersten Roboterarm trägt, der relativ zum Ständer drehbar ist. Am äußeren Ende dieses Armes und drehbar relativ zu diesem ist ein zweiter Roboterarm angeordnet. An seinem äußeren Ende trägt dieser zweite Arm eine Hand, die mit einer Werkzeugbefestigungsvorrichtung versehen ist und die in zwei oder drei Freiheitsgraden relativ zum zweiten Arm drehbar ist. Der Roboter ist mit einer Steueranordnung versehen zur Steuerung von Position und Orientierung der Roboterhand. Für jede der oben genannten Drehachsen ist eine Servoanordnung vorhanden, die aus einem Antriebsmotor und einem Positionsgeber besteht, wobei der Positionsgeber ein Signal liefert, welches ein Maß für den Drehwinkel der betreffenden Achse in Bezug auf eine Bezugsposition ist. Der Servoanordnung jeder Achse wird ein gewünschter Wert für den Drehwinkel der Achse zugeführt, und der Antriebsmotor der Achse veranlaßt den Roboter, sich um die betreffende Achse zu bewegen, bis die durch den Positionsgeber angezeigte Winkelposition dem der Servoanordnung zugeführten gewünschten Wert entspricht.
Damit die Position und Orientierung der Roboterhand der gewünschten Position und Orientierung entspricht, müssen der mechanische Aufbau des Roboters und die ihn beschreibenden Daten mit großer Genauigkeit bekannt sein. Dies bedeutet, daß es nicht genügt, das nominale Robotermodell (Standardmodell) zu kennen, sondern es müssen auch die individuellen Abweichungen von dem nominalen Modell bekannt sein. Bei diesen Abweichungen kann es sich handeln um: Unterschiede in Armlängen, Unterschiede in den Orientierungen der Drehachsen der Gelenke oder seitliche Abweichungen (offsets) der Achsen. Diese Unterschiede entstehen bei der Fertigung der verschiedenden mechanischen Bauteile und ihrem Zusammenbau. Hinzu kommt, daß der von dem Positionsgeber einer Achse angezeigte Winkel mit großer Genauigkeit dem tatsächlichen Drehwinkel des mechanischen Teils des Roboters entsprechen muß, welches mit Hilfe dieser Achse gesteuert wird.
Wegen der Schwierigkeiten bei der Durchführung der Eichung in einer ökonomischen und für die Produktion geeigneten Weise besteht das gegenwärtig normale Verfahren nur darin, die nominale Struktur des Roboters für die Beschreibung der Geometrie des Roboters zu betrachten.
Zur Bestimmung der Beziehung zwischen den Positionsgebersignalen der Roboterachsen und den tatsächlichen Drehwinkeln der Roboterarme werden verschiedene Eichverfahren verwendet.
Bei einem dieser Eichverfahren wird der Roboter veranlaßt, eine solche Position einzunehmen, in der die tatsächlichen Drehwinkel der verschiedenen Achsen bekannt sind, worauf die von den Positionsgebern angezeigten Drehwinkel mit den tatsächlichen Winkeln verglichen werden. Die Positionsgeber können danach so justiert werden, daß die angezeigten Winkel den tatsächlichen Winkeln entsprechen. Alternativ können die Abweichungen zwischen den angezeigten Winkeln und den tatsächlichen Winkeln gespeichert werden und dann während des Betriebes zur Korrektur der Ausgangssignale der Positionsgeber verwendet werden.
Gemäß einem bereits bekannten Eichverfahren werden die verschiedenen Teile des Roboters mit Hilfe einer Wasserwaage in vorgegebene Anfangspositionen gebracht, die auf exakt gefertigten für diesen Zweck vorgesehenen Vorsprüngen an den verschiedenen Teilen des Roboters angebracht sind. In der Anfangsposition kann beispielsweise der oben genannte erste Arm vertikal verlaufen, der zweite Arm und die Hand horizontal und so weiter. In dieser sogenannten Synchronisationsstellung, in der die tatsächlichen Winkel der verschiedenen Roboterachsen wie erläutert bekannt sind, werden die von den Positionsgebern angezeigten Winkel abgelesen, und für jede Achse kann ein sogenannter Versetzungswert bestimmt werden, welcher die Differenz zwischen dem bekannten tatsächlichen Winkel und dem vom Positionsgeber erhaltenen Winkel darstellt. Dieses Verfahren erfordert jedoch die Anbringung spezieller zusätzlicher Teile (die Wasserwaagen). Ferner müssen die verschiedenen Teile des Roboters so beschaffen sein, daß eine genaue Anbringung der Wasserwaagen möglich ist, was zusätzliche Kosten für die mechanischen Teile des Roboters bedeutet. Das Eichverfahren muß manuell durchgeführt werden und erfordert einen relativ großen Zeitaufwand. Ferner ist das Verfahren von begrenzter Genauigkeit.
Aus der SE-8-469 469 ist ein Eichverfahren bekannt, bei welchem ein parallelepipedischer Eichkörper verwendet wird, dessen Position im Basiskoordinatensystem des Roboters bekannt sein muß. An der Roboterhand wird ein Eichwerkzeug angebracht und in einer Vielzahl verschiedener Roboterkonfigurationen mit dem Eichkörper in Kontakt gebracht. Danach werden die Versetzungswerte der Positionsgeber des Roboters berechnet auf der Grundlage der kinematischen Gleichungen des Roboters, einem Modell der Beziehung zwischen der tatsächlichen Position und dem Positionsgebersignal, den Koordinaten des Basissystems, die in den Eichstellungen bekannt sind, und den abgelesenen und gespeicherten Positionsgebersignalen. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Position des Eichkörpers genau bekannt sein muß. Es ist normalerweise bei einer Roboteranlage in der Praxis schwierig, einen Eichkörper ohne Verwendung von zusätzlichen Meßeinrichtungen so anzuordnen, daß seine Seitenfläche bekannte Koordinaten hat.
Aus der WO-A1-93/11 915, welche den nächsten Stand der Technik offenbart, sind ein Eichverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Industrieroboter-System gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4 bekannt. Aus dieser Druckschrift ist die Verwendung eines Eichörpers bekannt mit paarweise gegenüberliegenden Seitenflächen mit einer bekannten Kantenlänge, dessen Position in dem Basiskoordinatensystem des Roboters nicht bekannt zu sein braucht. Die Messungen werden paarweise an gegenüberliegenden Seitenflächen vorgenommen, was bedeutet, daß jede Messung zweimal vorgenommen wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens sind die paarweisen Messungen, welche die notwendige Anzahl der Messungen verdoppeln und welche die Durchführung der Eichung schwierig gestalten. Die Fertigung eines Eichörpers mit exakten Kantenlängen ist kompliziert und daher teuer.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Eichverfahren der oben genannten Art zu entwickeln, welches keine zusätzliche Einrichtung für die Eichung erfordert, welches eine sehr genaue Eichung ermöglicht, welches es gestattet, die Eichung automatisch und damit schnell und kostengünstig durchzuführen, welches unabhängig davon ist, wie die Roboter aufgestellt ist, und welches eine Möglichkeit der Kompensation von geometrischen Mängeln der mechanischen Teile ermöglicht.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Industrieroboter- System mit Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Eichung der Bewegungsachsen eines Industrieroboters gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den zusätzlichen Ansprüchen 2 und 3 genannt.
Das Industrieroboter-System zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruches 4.
Weitere Ausgestaltungen des Industrieroboter-Systems gemäß der Erfindung sind gekennzeichnet durch die Merkmale der weiteren Ansprüche 5 bis 7.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 schematisch einen Industrieroboter mit einem Eichörper und einem Eichwerkzeug gemäß der Erfindung.
Fig. 2 detaillierter ein Eichwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,
Fig. 3 den Eichörper im Basiskoordinatensystem des Roboters,
Fig. 4a bis 4c Beispiele für verschiedenen von dem Eichwerkzeug bei der Durchführung der Eichung gemäß der Erfindung eingenommener Positionen,
Fig. 5 die Konfiguration eines Industrieroboter-Systems mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,
Fig. 6 in Form eines Programmablaufplanes ein Beispiel für ein Programm zur automatischen Durchführung des Eichverfahrens gemäß der Erfindung,
Fig. 7 in Form eines Programmablaufplanes das Prinzip zur Durchführung der Berechnungen, mit deren Hilfe die Eichparameter als Ergebnis des Eichverfahrens gewonnen werden,
Fig. 8a und 8b die Eichparameter für eine Roboterachse.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines an sich bekannten Industrieroboters, für dessen Eichung das Verfahren gemäß der Erfindung mit Vorteil angewendet werden kann. Auf einem Fundament 1 ist der Roboterfuß 2 fest angebracht. Der Roboter hat einen Ständer 3, der relativ zum Fuß 2 um eine vertikale Achse A1 drehbar ist. Am oberen Ende des Ständers ist ein erster Roboterarm 4 gelagert und relativ zum Ständer um eine zweite Achse A2 drehbar. Am äußeren Ende des Armes ist ein zweiter Arm 5 gelagert und relativ zum ersten Arm um eine Achse A3 drehbar. Der zweite Roboterarm 5 enthält zwei Teile 5a und 5b, von denen das äußere Teil 5b relativ zum inneren Teil 5a um eine Drehachse A4 drehbar ist, die mit der Längsachse des zweiten Armes zusammenfällt. An seinem äußeren Ende trägt der Arm 5 eine sogenannte Roboterhand 6, die um eine Drehachse A5 drehbar ist, die senkrecht zu Längsachse des Armes verläuft. Die Roboterhand trägt eine Werkzeugbefestigungsvorrichtung 6a. Das äußere Teil der Roboterhand und damit die Werkzeugbefestigungsvorrichtung 6a sind relativ zum inneren Teil der Roboterhand um eine Drehachse A6 drehbar. Die Drehwinkel der sechs Drehachsen A1 ... A6 sind in den Figuren mit 01 ... 02 bezeichnet. Im Arbeitsbereich des Roboters ist ein Eichörper 7 angeordnet. Dieser Körper hat die Gestalt einer Kugel, deren Radius bekannt ist.
Fig. 2 zeigt detaillierter die Roboterhand 6, die Werkzeugbefestigungsvorrichtung 6a und das an der Werkzeugbefestigungsvorrichtung angebrachte Eichwerkzeug 8. Das Werkzeug ist an der Werkzeugbefestigungsvorrichtung exzentrisch in Bezug auf die Drehachse A6 der Werkzeugbefestigungsvorrichtung angebracht. An seinem äußeren Ende trägt das Werkzeug einen kugelförmigen Kontaktkörper 8a. Der Radius r des Kontaktkörpers und der Abstand a von der Werkzeugbefestigungsvorrichtung zum Zentrum des Kontaktkörpers 8a werden als bekannt angenommen.
Fig. 3 zeigt das sogenannte Basiskoordinatensystem des Roboters, welches ein rechtwinkliges Koordinatensystem ist mit der Z-Achse, die mit der Drehachse A1 in Fig. 1 zusammenfällt, und mit der X-Achse und der Y-Achse in vorgegebenen Richtungen im Verhältnis zum Roboterfuß 2. Der Eichörper 7 wird vollständig beliebig im Arbeitsbereich des Roboters plaziert. Der Radius kann beliebig sein, muß aber bekannt sein.
Die Koordinaten X0, Y0, Z0 des Zentrums der Kugel (Eichörper) brauchen nicht bekannt zu sein. Diese drei Koordinaten stellen drei unbekannte Parameter dar und gehören zu der Anzahl von Eichparametern, die zu eichen sind.
Bei dem Eichverfahren gemäß der Erfindung wird eine Anzahl von Messungen durchgeführt. Die Anzahl der Messungen ist mindestens so groß wie die Anzahl der unbekannten Parameter, das heißt, die Anzahl der zu eichenden Eichparameter plus drei. Die Anzahl der Messungen kann jedoch vorteilhafterweise größer sein, vorzugsweise bedeutend größer, wodurch man eine erhöhte Genauigkeit der Eichung erzielt. Das Eichverfahren gemäß der Erfindung neigt auch zu größerer Genauigkeit, je größer die Unterschiede zwischen den verwendeten Konfigurationen sind.
Während der Messung wird der Roboter zuerst - manuell oder automatisch - in eine Konfiguration gefahren, in der sich der Kontaktkörper 8a in einem Punkt in einiger Entfernung von dem Eichörper befindet. Der Roboter wird dann so gefahren, daß sich der Kontaktkörper in Richtung auf den Eichörper bewegt, bis beide miteinander in Berührung kommen. Diese Bewegung kann in einer an sich bekannten Weise durch ein Suchverfahren durchgeführt werden, welches die Bewegung beim Kontakt mit dem Eichörper unterbricht, oder mit Hilfe eines sogenannten Softservos, welcher an sich versucht, nach der Kontaktierung die Bewegung fortzusetzen, der jedoch nur eine begrenzte Kraft gegen das Eichw erkzeug aufzubringen vermag. Wenn der Kontakt hergestellt ist, werden die Ausgangssignale der Positionsgeber des Roboters abgelesen und gespeichert.
Messungen werden zweckmäßigerweise an einer Anzahl verschiedener Punkte des Eichörpers für unterschiedlichen Konfigurationen des Roboters durchgeführt. Die Konfiguration des Roboters wird definiert durch seine Achswinkel, und eine Konfiguration unterscheidet sich von einer anderen, wenn mindestens einige der Achswinkel verändert werden. Die Fig. 4a bis 4c zeigen Beispiele verschiedener Roboterkonfigurationen, wenn drei verschiedene Punkte des Eichörpers gemessen werden.
Der Eichörper wird zweckmäßigerweise auf einem geeigneten Ständer 9 plaziert. Es ist vorteilhaft, wenn der Ständer höhenverstellbar ist. Die Genauigkeit der Eichung kann verbessert werden, wenn die Eichparameter mehrere Male mit in unterschiedlichen Positionen im Arbeitsbereich des Roboters plazierter Kugel berechnet werden. Mit einem höhenverstellbaren Ständer kann die Position der Kugel in vertikaler Richtung verändert werden. Die Eichparameter können beispielsweise als Mittelwert aus den Eichparametern, die für verschiedene Positionen berechnet wurden, berechnet werden.
Da als Positionsgeber in Industrierobotern gewöhnlich Winkelgeber verwendet werden, wird das Eichverfahren gemäß der Erfindung im folgenden anhand einer Anwendung auf einen Industrieroboter mit dieser Art von Positionsgebern beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch bei Robotern mit anderen Arten von Positionsgebern angewendet werden. Die Eichparameter, die für jeden Freiheitsgrad des Roboters (siehe Fig. 8) zu bestimmen sind, sind
- Versetzungskoordinate der Armverbindung (0X, 0Y, 0Z)
- Schrägstellung der Drehachse der Armverbindung (Y, P)
- Versetzungswert des Positionsgebers der Drehachse (K2)
- Koordinaten des Zentrums des Eichörpers
Q0 = X0, y0, Z0.
Für einen 6-achsigen Roboter sind dies zusammen 39 parameter, die zu bestimmen sind. Somit sind insgesamt 39 Positionierungen gegenüber dem Eichörper erforderlich. Für jede Positionierung wird der Positionsgeber des Roboters abgelesen.
Die Beziehung zwischen den Koordinaten für die Position des Eichwerkzeuges und der Armwinkel des Roboters, das kinematische Modell des Roboters, kann dargestellt werden als
fx (0) = x
fy (0) = y
fz (B) = z
Der Armwinkel (θ) kann ausgedrückt werden durch den Ausschlag Φ der Positionsgeber durch
θ = K1 · Φ + K2
wobei
- K1 die Übersetzung der Übertragung zwischen Armwinkel und Positionsgeber ist (K1 ist bekannt),
- K2 ein unbekannter Versetzungswert ist.
Da der Abstand r + R zwischen der Position des Eichwerkzeugs und dem Zentrum des Eichörpers bekannt ist, kann folgende Gleichung aufgestellt werden
(fx(θ) - X0)² + (fY(θ) - Y0)² + (fz(θ) - Z0)² = (r + R)²
Nach Einsetzen des Ausdruckes für den Armwinkel θ und der abgelesenen Werte der Meßgeber Φ für das augenblickliche Meßpaar, kann die Gleichung wie folgt ausgedrückt werden
g(K21, K22, K23, K24, K25, K26, 0X1, 0X2, 0X3, 0X4, 0X5, 0X6, 0Y1, 0Y2, 0Y3, 0Y4, 0Y5, 0Y6, 0Z1, 0Z2, 0Z3, 0Z4, 0Z5, 0Z6, Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, P1, P2, P3, P4, PS, P6, X0, Y0, Z0) = (r + R)²
oder, dargestellt in einer kompakteren Form, g(K2, 0X, 0Y, 0Z, Y, P, Q0) = (r + R)²
Auf diese Weise werden mindestens 39 Gleichungen aufgestellt.
Die Berechnung der unbekannten Eichparameter aus dem nichtlinearen Gleichungssystem kann wie folgt erfolgen:
Zunächst werden vorläufige Werte für die Eichparameter angenommen. Die Versetzungswerte K2 können gewonnen werden, indem der Roboter in eine Anfangsposition gebracht wird, worauf Noniusskalen auf jeder Achse abgelesen werden und die Differenz zwischen den abgelesenen Werten und den Winkelgeberwerten gebildet werden. In dieser Position wird auch die Anfangsgeschwindigkeit der Winkelgeber bestimmt (die Geschwindigkeit wird auf Null gesetzt), und Q0 = X0, Y0, Z0 wird geschätzt. Die anderen Eichparameter werden auf Null gesetzt (nominaler Roboter). Für jede Messung j wird der Abstand zwischen dem Zentrum des Eichwerkzeugs und dem Zentrum der Kugel berechnet, und zwar auf der Basis der abgelesenen Winkelgeberwerte und des kinematischen Modells des Roboters. Es wird die Differenz Ej zwischen dem so berechneten Wert und dem bekannten Abstand r + R gebildet. Wenn diese Differenzen für alle Meßpaare gebildet worden sind, wird eine Größe
Die Größe E wird dann mit einem vorgegebenen Toleranzwert verglichen. Wenn E größer als dieser Wert ist, werden die vorgegebenen Werte gemäß dem Newton-Gauss-Algorithmus für die Lösung von überbestimmten nichtlinearen Gleichungssystemen angepaßt, und das oben genannte Verfahren wird wiederholt, bis E kleiner als der Toleranzwert ist. Zum Schluß werden die so bestimmten Eichparameter gespeichert, um während des Betriebes zur Korrektur der Position des Roboters verwendet zu werden.
Um die Bestimmung der unbekannten Parameter zu ermöglichen, muß die Anzahl der Messungen mindestens so groß sein wie die Anzahl der zu eichenden Parameter. Bei dem oben beschriebenen Fall wurde angenommen, daß alle sechs Achsen des Roboters zu eichen sind, und es wurde die kleinste mögliche Anzahl von Messungen, nämlich 3 + 6 · 6 = 39, angenommen. Es kann jedoch zweckmäßig sein, eine bedeutend größere Anzahl von Messungen mit verschiedenen Konfigurationen durchzuführen, wodurch eine erhöhte Genauigkeit der Eichung sich als erreichbar gezeigt hat.
Fig. 5 zeigt im Prinzip die Konfiguration eines Industrieroboter-Systems mit einer Steuervorrichtung zur automatischen Durchführung des oben beschriebenen Eichver fahrens. Der Roboter 2 bis 6 ist in der oben beschriebenen Weise mit einem Eichörper 7 und einem Eichwerkzeug 8 versehen. Die Steueranordnung 10 des Roboters enthält in bekannter Weise eine Computerausrüstung mit den notwendigen Speichern für Programme und andere Daten, Antriebsglieder für die Antriebsmotoren der verschiedenen Roboterachsen sowie die notwendige Versorgungsausrüstung. Die Steueranordnung 10 ist an eine Programmiereinheit 11 zur Programmierung und für andere Betriebsformen des Roboters angeschlossen. Von der Steueranordnung zeigt Fig. 5 den Programmausführer 101, der in einer bekannten Weise den Roboter zur Ausführung eines gespeicherten Programmes veranlaßt. In dem Speicher 107 ist das kinematische Modell des Roboters gespeichert. In einem Speicher 102 ist das Bewegungsprogramm für den Eichvorgang gespeichert. In einem Speicher 103 werden vor dem automatischen Eichverfahren vorläufigen Werte für die Eichparameter gespeichert. Ein Speicher 104 ist zur Speicherung der Winkelgeberwerte vorgesehen, die während jeder Messung bei der Ausführung des Eichverfahrens abgelesen werden. In einem weiteren Speicher 105 werden vor dem automatischen Eichverfahren die notwendigen Basisdaten, wie der Radius R des Eichkörpers 7 und die Länge und der Radius r des Eichwerkzeugs, gespeichert. Ferner enthält die Steueranordnung ein Berechnungsglied 106, welches nach Durchführung der Messungen auf der Grundlagen der abgelesenen Winkelgeberwerte, des kinematischen Modells und der Basisdaten aus dem Speicher 105 die Eichparameter in der oben beschriebenen Weise berechnet. Die Steueranordnung liefert die notwendigen Steuersignale CS an den Roboter und empfängt von dem Roboter Winkelgeberwerte TS.
Vor der Eichung wird ein Eichprogramm, beispielsweise einfürallemal, in den Speicherbereich 102 gespeichert. Das Programm ist imstande, die Bewegungen und anderen Funktionen des Roboters während des Eichverfahrens zu steuern. Ferner sind in dem Speicher 103 vorläufige Werte für die Eichparameter gespeichert, und in dem Speicher 105 sind der Radius R des Eichörpers sowie der Radius r des Eichwerkzeugs gespeichert.
Die Konfiguration des Eichprogramms wird in Fig. 6 gezeigt. Die Größe j bezeichnet die augenblickliche Messung, und es wird angenommen, daß M Messungen durchzuführen sind. Nach dem Start des Programms (Block ST) wird j = 1 gesetzt. Danach wird in dem Arbeitsspeicher der Ausrüstung der Radius R des Eichörpers und der Radius r des Eichwerkzeugs gespeichert (Block ST0 R; r sowie die Koordinaten für einen Anfangspunkt (Block ST0 Pj). Diese Information zeigt an, in welcher Richtung das Eichwerkzeug vom Anfangspunkt bewegt werden soll, um den Eichkörper zu berühren. Hiernach wird der Roboter in eine Richtung zu dem Eichkörper bewegt (Block GTS). Im Block C0? wird festgestellt, ob ein Kontakt mit dem Eichkörper zustande gekommen ist. Wenn die Antwort NEIN (N) ist, wird die Bewegung fortgesetzt, und wenn die Antwort JA (J) ist, werden die Winkelgeberwerte Φij (Block STO Φij wobei i die Achszahl ist) in dem Speicher 104 gespeichert. Danach wird im Block j = M? geprüft, ob alle gewünschten Messungen durchgeführt wurden. Wenn dies nicht der Fall ist, wird j = j+1 und die nächste Messung wird durchgeführt. Wenn alle Messungen durchgeführt worden sind, das heißt wenn j = M, läuft das Programm weiter zu einem Berechnungsverfahren (Block ET par), durch welches die Eichparameter bestimmt werden. Die so bestimmten Parameter werden dann (im Block STO par) für ihre spätere Verwendung beim Betrieb des Roboters gespeichert. Hiernach ist das Programm beendet (Block SP).
Fig. 7 zeigt detaillierter den Aufbau des Funktionsblocks DET par. Die Berechnung beginnt mit einer Einlesung der augenblicklichen Werte der Eichparameter, Block RE par. Beim ersten Mal erhält man diese Werte aus dem Speicher 103, in welchem die vorläufigen Eichparameter vorhanden sind. Dann wird j = 1 gesetzt, das heißt die erste Messung wird aufgerufen. Der Radius R des Eichkörpers und der Radius r des Eichwerkzeugs werden im Arbeitsspeicher gespeichert. Die für diese Messung abgelesenen und gespeicherten Winkelgeberwert Φij werden eingelesen. Dies erfolgt in den Blöcken RE R; r und RE Φij. Danach wird, ausgehend von dem kinematischen Modell des Roboters, für die augenblickliche Messung die Entfernung Cj zwischen dem Zentrum des Eichwerkzeugs und dem Zentrum des Eichkörpers berechnet. Dann wird die Differenz Ej = Cj - (R + r) gebildet. Dann wird in Block j = M? festgestellt, ob alle Messungen behandelt wurden. Wenn dies nicht der Fall ist, wird j = j + 1 gesetzt, und die entsprechende Berechnung wird für die nächste Messung durchgeführt. Wenn alle Messungen behandelt worden sind, ist j = M, und es wird eine Größe
gebildet. Wenn diese Größe größer oder gleich einem vorgegebenen Toleranzwert T ist, so zeigt dies an, daß die verwendeten Werte für die Eichparameter nicht korrekt sind. In diesem Falle werden die Werte angepaßt, beispielsweise gemäß dem oben erwähnten Newton-Gauss Algorithmus (Block ADJ par), worauf die Berechnung wiederholt wird. Dieses Verfahren wird mit aufeinanderfolgenden Anpassungen der Eichparameter und anschließenden Bestimmungen des Fehlers solange wiederholt, bis die letztgenannte Größe kleiner als das vorgegebene Toleranzniveau ist. Wenn dies der Fall ist, schreitet das Programm zu dem nächsten Block in Fig. 6 weiter, wo die zuletzt verwendeten Werte der Eichparameter gespeichert werden.
Fig. 8 zeigt Eichparameter für eine Roboterachse. Die Figur zeigt das nominale Koordinatensystem einer Achse Xnom. Ynom, Znom sowie ihr tatsächliches Koordinatensystem Xact, Yact, Zact. Das letztere weicht von dem ersteren durch einen Versetzungsfehler und einen Winkelfehler ab.
Wie Fig. 8a zeigt, wird die Lage des Ausgangspunktes der Koordinaten des tatsächlichen Koordinatensystems durch einen Vektor OE angegeben. Dieser Vektor hat drei Komponenten und wird im nominalen Koordinatensystem ausge- drückt.
Wie Fig. 8b zeigt, hat das tatsächliche Koordinatensystem einen Winkelfehler gegenüber dem nominalen System. Es sind drei Winkel erforderlich, um das tatsächliche System mit dem nominalen System in Deckung zu drehen, und diese drei Winkel bezeichnen den Winkelfehler.
Die drei Komponenten des Versetzungsfehlers OE und die drei Winkel des Winkelfehlers stellen die sechs Eichparameter der betreffenden Roboterachse dar.
Die Erfindung wurde oben nur im Zusammenhang mit einem Industrieroboter mit rotierenden Achsen beschrieben; jedoch kann die Erfindung auch mit denselben Vorteilen bei Robotern mit ausschließlich linearen Achsen oder mit einer Kombination aus linearen und rotierenden Achsen zur Anwendung kommen. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auch anwendbar bei Robotern, die eine andere Anzahl von Achsen haben als der oben beschriebene. Ferner wurde oben beschrieben, wie das Verfahren zur Eichung sämtlicher Achsen des Roboters verwendet werden kann. Es kann manchmal zweckmäßig sein, von der Eichung einer oder mehrerer Roboterachsen abzusehen. Um die größtmögliche Variation zwischen den verwendeten Roboterkonfigurationen zu erhalten, kann der Roboter mit mehreren Eichkörpern versehen werden, die an verschiedenen Stellen im Arbeitsbereich des Roboters angeordnet sind, wobei diese Stellen so gewählt werden, daß sich die größtmöglichen Unterschiede zwischen den Roboterkonfigurationen bei den · verschiedenen Messungen ergeben. In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Eichwerkzeug während der Eichung in mechanischen Kontakt mit einem Eichkörper gebracht.
Oben wurde beschrieben, wie sechs Eichparameter für jede Roboterachse bestimmt werden. Die Anzahl kann größer sein, beispielsweise wenn während der Eichung auch gewünscht wird, Nichtlinearitäten der Positionsgeber der Achsen zu berücksichtigen. Die Anzahl kann auch kleiner sein, beispielsweise wenn aus Erfahrung bekannt ist, daß eine oder mehrere der Eichparameter bekannt sind oder eine vernachlässigbare Größe haben.
Die Vorteile der Verwendung einer Kugel als Eichkörper anstelle eines Eichkörpers mit paarweise gegenüberliegenden Seitenflächen sind:
a) Es ist keine paarweise Positionierung erforderlich,
b) die Anzahl der notwendigen Messungen wird halbiert,
c) eine Kugel mit einem konstanten Radius ist leichter, das heißt, weniger aufwendig herstellbar.

Claims

1. Verfahren zur Eichung der Bewegungsachsen eines Industrieroboters (2-6), der eine Vielzahl von Bewegungsachsen (A1-A6) hat und für jede der genannten Achsen einen Positionsgeber hat, der ein Ausgangssignal (Φ) zu geben vermag, welches die gegenwärtige Position der Achse angibt, und welcher Roboter eine Roboterhand (6) zum Tragen eines Werkzeugs hat, durch welches Verfahren eine Anzahl von Eichparametern für den Roboter bestimmt wird indem

a) der Roboter mit einem Eichwerkzeug (8) ausgerüstet wird, welches von der Roboterhand getragen wird,

b) das Eichwerkzeug in Kontakt mit einem Eichkörper (7) gefahren wird, der mindestens eine exakt bekannte Abmessung hat,

c) die in den Kontaktpositionen gelieferten Ausgangssignale der Positionsgeber des Roboters abgelesen und gespeichert werden und

d) die Schritte b) und c) mehrmals wiederholt werden, und zwar mindestens in einer Anzahl, die gleich der Anzahl der Eichparameter plus drei ist,

wobei das Eichwerkzeug (8) in mechanischen Kontakt mit einem Eichkörper (7) gefahren wird und die Eichparameter berechnet werden ausgehend von

1) den kinematischen Gleichungen des Roboters,

2) einem Modell für die Beziehung zwischen der achsialen Position und dem Positionsgebersignal,

3) der(den) bekannten Abmessung(en) (R) des Eichkörpers (7) und

4) den abgelesenen und gespeicherten Positionsgebersignalen,

dadurch gekennzeichnet, daß der

Eichkörper (7) die Gestalt einer Kugel mit bekanntem Radius (R) hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eichkörper in einer beliebigen unbekannten Position im Arbeitsbereich des Roboters angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eichverfahren mindestens zweimal mit unterschiedlichen Positionen des Eichkörpers im Arbeitsbereich des Roboters durchgeführt wird.

4. Industrieroboter-System zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Industrieroboter, bei dem vorhanden sind

a) eine Vielzahl von Bewegungsachsen (A1-A6) mit einem Positionsgeber für jede der genannten Achsen, der imstande ist, eine Ausgangssignal (Φ1) zu liefern, welches die augenblickliche Position der Achse angibt,

b) eine Roboterhand (6) zum Tragen eines Werkzeuges,

c) ein Steuersystem (10) zur Steuerung der Position und Orientierung der Roboterhand gemäß einem Programm, welches Steuersystem geeignet ist, die Ausgangssignale der Positionsgeber zu empfangen,

d) ein von der Roboterhand tragbares Eichwerkzeug (8), und ein Eichkörper (7), der mindestens eine genau bekannte Abmessung hat,

wobei ein Berechnungsglied (106) geeignet sind, die Eichparameter zu berechnen auf der Grundlage von

1) den kinematischen Gleichungen des Roboters,

3) der(den) bekannten Abmessung(en) (R) des Eichkörpers und

4) den abgelesenen und gespeicherten Positionsgebersignalen,

dadurch gekennzeichnet, daß der Eichkörper (7) die Gestalt einer Kugel mit bekanntem Radius (R) hat.

5. Industrieroboter-System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Eichwerkzeug (8) einen kugelförmigen Kontaktkörper (8a) enthält, der mit dem Eichkörper (7) in mechanischen Kontakt gebracht werden kann.

6. Industrieroboter-System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eichkörper (7) in einer beliebigen unbekannten Position im Arbeitsbereich des Roboters angeordnet ist.

7. Industrieroboter-System nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es Speicherglieder (102) zur Speicherung eines Eichprogrammes für die automatische Durchführung des Eichverfahrens enthält.