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Verfahren zur Steuerung und
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Sicherung eines Industrieroboters und Industrieroboter zur Durchführung
des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Überwachung
von Manipulationssequenzen eines mit Sensoren und einer zugehörigen Steuereinheit
ausgerüsteten Industrieroboters in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Sensoren
und zur Sicherung des Industrieroboters bei Störfällen.
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Bei Industrierobotern ist es allgemein bekannt, am Greifer und an
den verschiedenen Gelenken eines Greiferarms bzw. ganz allgemein an allen Stellen,
an denen relatir zueinander bewegliche Bauteile vorgesehen sind, entsprechende Sensoren
vorzusehen, welche bei den Manipulationssequenz.en r die der Roboter in Abhängigkeit
von dem in einer Steuereinheit gespeicherten Programm ausführt, entsprechende Rückkopplungssignale
an die Steuereinheit liefern, die anzeigen, wieweit der Bewegungsablauf im Einzelfall
fortgeschritten ist und mit welcher Genauigkeit die angesteuerten Endpositionen
erreicht wurden. Die zu diesem Zweck vorgesehenen Sensoren sind dabei als Drehmelder,
als Druck- oder
Dehnungswandler und gegebenenfalls als optische
Sensoren ausgebildet und normalerweise jeweils für eine eng begrenzte Aufgabe vorgesehen,
beispielsweise für die Rückmeldung der Winkelstellung eines dreh- bzw. schwenkbaren
Elements bezüglich seiner Drehachse.
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Weiterhin ist es aus der DE-PS 27 17 871 bekannt, bei einem Industrieroboter
bzw. einem Handhabungsgerät im Zuge eines Kraftübertragungsgliedes eine sensorartige
Sicherungsvorrichtung anzuordnen, um bei einer Kollision zwischen Teilen des Industrieroboters
und zu bearbeitenden Werkstücken und dergleichen eine Abschaltung des Industrieroboters
zu bewirken und für diesen speziellen Störfall einer Kollision Schäden an dem Roboter
oder an einem in eine Bewegungsbahn desselben gelangten Körper möglichst zu verhindern.
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Nachteilig an der bekannten Sicherungsvorrichtung ist es, daß sie
erst bei erheblichen, durch die Kollision ausgelösten Kräften ansprechen kann, da
sie andernfalls auch aufgrund der Trägheitskräfte der zu bewegenden Teile des Roboters
ansprechen müsste. Weiterhin ist es ein Nachteil der bekannten Sicherungsvorrichtung,
daß hier ein eigener Sensor in Form eines Kraftsensors benötigt wird, der nur im
Falle einer Kollision ansprechen soll und für keinerlei zusätzliche Steuerungs-
oder berwachungsfunktionen geeignet ist.
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Ausgehend vom Stande der Technik liegt dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Aufgabe zugrunde, die Steuerung,
Sicherung und überwachung des
Betriebes eines Industrieroboters dahingehend zu verbessern, daß spezielle Störfälle,
insbesondere Kollisionen der vorstehend beschriebenen Art, sehr schnell erkannt
werden können, so daß, wenn überhaupt, nur sehr geringfügige nachteilige Folgen
eintreten, wobei gleichzeitig angestrebt wird, daß die zur Sicherung gegen Kollisionen
und dergleichen vorgesehene Sensoranordnung zusätzlich der Steuerung und Überwachung
weiterer Roboterfunktionen dienen kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen
Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß man mindestens einen im Bereich eines
Greifers des Industrieroboters angebrachten, als Körperschallwandler dienenden akustischen
Sensor als Eingangselement eines SChaflsigaal-naisatorkreises zur Erfassung von
speziellen Störfällen, insbesondere von Kollisionen zwischen beweglichen Teilen
des Industrieroboters und gegebenenfalls eines davon erfaßten Werkzeugs oder Werkstücks
und unerwartet in den Arbeitsbereich des Industrieroboters gelangten Hindernissen,
verwendet.
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Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehtdabei
darin, daß beispielsweise bei einer Kollision bereits ein erster schwacher Kontakt
zwischen dem bewegten Teil des Roboters und dem in dessen Bewegungsbahn gelangten
Körper zu einem charakteristischen, als Störung des normalen Arbeitsablaufs erkennbaren
Schallsignal bzw. zu einer charakteristischen Erschütterung führt, welche von dem
akustischen Sensor sofort aufgenommen und in dem Rechner praktisch verzögerungsfrei
erkannt wird, so daß umgehend
eine Abschaltung des Roboters über
dessen Steuereinheit bewirkt werden kann, ehe durch größere auftretende Kräfte Schäden
am Roboter und/oder an dem getroffenen Körper auftreten können.
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Die Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dabei jedoch
keineswegs auf einen derart massiven Störfall beschränkt, wie ihn eine Kollision
darstellt; vielmehr können mit denkbar geringem zusätzlichem Aufwand auch andere
spezielle Störfälle erfaßt werden, wie z.B.
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das Schließen eines Greifers des Roboters, ohne daß -wie beabsichtigt
- ein Werkstück erfaßt wird, da in diesem Fall ein typisches, von dem Geräusch beim
Erfassen eines Werkstücks deutlich verschiedenes Geräusch erzeugt wird, dessen charakteristische
Eigenschaften in einem dem Analysatorkreis nachgeschalteten Rechner einprogrammiert
und gespeichert sein können, der folglich nunmehr nach Vergleich des analysierten
Signals mit einer gespeicherten Signalcharakteristik an die Steuereinheit des Roboters
die Rückmeldung liefern kann, daß abweichend vom Programm kein Werkstück erfaßt
wurde.
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In ähnlicher Weise können auch andere spezielle Störfälle, wie z.B.
der Verschleiß eines Werkzeugs, Fehler im Werkstück, falsches Ansetzen eines Werkzeugs
an einem zu bearbeitenden Werkstück, falsches Ablegen eines Werkstücks durch den
Greifer usw." anhand der damit verbundenen charakteristischen Abweichungen der auftretenden
Geräusche von den normalerweise erwarteten Geräuschen erkannt und an die Steuereinheit
zurückgemeldet werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens speichert
man also in dem Rechner in geeigneter, in digitaler Form charakteristische Geräuschspektren
für spezielle Störfälle und für typische Arbeitsvorgänge der Manipulationssequenzen
und vergleicht die von dem Analysatorkreis eintreffenden Schallsignale mit diesen
gespeicherten Daten, um dann aus der Übereinstimmung bzw. der Abweichung der Daten
die entsprechenden Steuerbefehle abzuleiten.
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Dabei. ergibt sich die bisher in diesem Umfang nicht vorhersehbare
Möglichkeit, mit einem einzigen akustischen Sensor zahlreiche Funktionen und spezielle
Störfälle zu überwachen.
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Die Möglichkeiten, die das erfindungsgemäße Verfahren bietet, können
dabei noch dadurch erweitert werden, daß man zusätzlich einen zweiten akustischen
Sensor einsetzt, der im Abstand von dem ersten akustischen Sensor angeordnet ist
und beispielsweise Laufzeitmessungen ermöglicht, wobei der zweite akustische Sensor
mit Vorteil als Luftschallmikrofon ausgebildet sein kann und damit geeignet ist,
ergänzend zu der von dem ersten Sensor erfassten Körperschallinformation eine zusätzliche
Information über die charakteristischen Einzelheiten des gleichzeitig aufgetretenen
Luftschalls zu liefern.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich besonders
ein Industrieroboter bewährt, der
Sensoren und eine zugehörige
Steuereinheit zur Steuerung und Überwachung von Manipulationssequenzen in Abhängigkeit
von den Ausgangssignalen der Sensoren aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß
mindestens einer der Sensoren als akustischer Sensor in Form eines Körperschallwandlers
ausgebildet ist, welcher im Bereich eines Greifers des Industrieroboters an diesem
angebracht ist. Mit einem solchen Körperschallwandler lassen sich charakteristische
Schallsignale, wie sie beim unerwünschten Auftreffen des Greifers, eines Werkzeugs
oder des Arms des Roboters auf ein Hindernis auftreten, sicher und schnell erfassen,
um praktisch verzögerungsfrei geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten.
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Dabei kann es im Einzelfall genügen, wenn in der Steuereinheit des
Roboters einfach die Stärke des an dem akustischen Wandler wirksamen Schallsignals
bzw. die Stärke der Erschütterung überwacht wird, um bei Überschreiten eines vorgegebenen
Pegels eine Abschaltung oder dergleichen herbeizuführen. Wesentlich vorteilhafter
ist es jedoch, wenn dem akustischen Sensor ein Analysatorkreis und ein Rechner nachgeschaltet
sind, die aufgrund charakteristischer Signalformen des Schallsignals entscheiden
können, ob ein Störfall oder ein normales Arbeitsgeräusch vorliegt.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn in dem Rechner die Schallsignalcharakteristik
für verschiedene typische Störfälle und Arbeitsschritte gespeichert ist, so daß
eine Vielzahl von unterschiedlichen Ereignissen aufgrund der damit eindeutig
verknüpften
Erschütterungen bzw. Körperschallfolgen unterschieden und in entsprechende Rückmeldesignale
für die Steuereinheit umgesetzt werden kann.
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Dabei kann es in Ausgestaltung der Erfindung auch vorteilhaft sein,
wenn zusätzlich ein zweiter akustischer Wandler vorgesehen ist, so daß Laufzeitmessungen
möglich sind, die eine "Ortung" der Schallquelle bezüglich der Wandler ermöglichen,
wobei überdies der weitere akustische Sensor als Luftschallmikrofon ausgebildet
sein kann, so daß die für bestimmte Ereignisse typische Kombination von Luftschall-
und Körperschallsignalen eine weitere Verfeinerung der Signalauswertung ermöglicht.
Ein solches Luftschallmikrofon kann dann auch frei. in der Umgebung des Maschinenteils
des Industrieroboters aufgestellt werden und nur elektrisch mit dessen Steuerteil
verbunden sein, so daß der von einem Punkt im Arbeitsbereich des Roboters ausgehende
Schall ohne die Überlagerung durch störende Maschinenschwingungen erfasst werden
kann, insbesondere wenn man die normalen Arbeitsgeräusche, beispielsweise durch
den Einsatz eines Richtmikrofons mit geeigneter Charakteristik, weitgehend ausblendet.
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Insgesamt lässt sich zusåmmenfassend sagen, daß die Einsatzmöglichkeiten
von Industrierobotern durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines oder mehrerer akustischer
Sensoren erheblich erweitert werden, während gleichzeitig die Sicherheitsrisiken
für Bedienungspersonal, welches in den Arbeitsbereich des Roboters
gelangt,
erheblich verringert werden, da bereits vor dem Auftreten gefährlicher Kräfte eine
sofortige Abschaltung des Roboters und gegebenenfalls auch ein Zurückführen des
in die Kollision verwickelten Maschinenelements aus dem Kollisionsbereich bewirkt
werden kann.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand einer Zeichnung noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von thteranstrüchen.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine stark schematische Darstellung
eines gerade ein Werkstück bearbeitenden Industrieroboters mit seiner zugehörigen
Steuerung, deren Elemente im wesentlichen als Blockschaltbild dargestellt sind.
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Im einzelnen zeigt die Zeichnung einen Industrieroboter 10 bzw., genauer
gesagt, den Maschinenteil eines solchen Industrieroboters, der einen Gelenkarm mit
zwei Armteilen 12a und 12b aufweist, die im Bereich eines Gelenks 12c gelenkig miteinander
verbunden sind. An dem freien Ende des Armteils 12b ist dabei mit Hilfe eines Gelenks
12d ein Greifer 14 angelenkt, welcher ein Werkzeug 16, beispielsweise einen Schleifkopf,
trägt, mit dessen Hilfe ein Werkstück 18 bearbeitet, beispielsweise entgratet wird.
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Die Steuerung des Roboters 10 erfolgt in üblicher Weise über eine
zugehörige Steuereinheit 20, die mit dem Roboter 10 bzw. mit dessen Maschinenteil
über ein
mehradriges Kabel 22 verbunden ist, über das den einzelnen
Stellmotoren und dergleichen des Roboters 10 von der Steuereinheit 20 die erforderlichen
Befehle für die auszuführenden Manipulationssequenzen zugeführt werden. Außerdem
werden über das Kabel 22 von den verschiedenen Sensoren des Roboters 10, wie z.B.
von Drucksensoren am Greifer, von Drehmeldern im Bereich der Gelenke 12c und 12d
usw. die erforderlichen Rückmeldesignale an die Steuereinheit 20 geliefert.
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Ergänzend zu diesen Einrichtungen ist erfindungsgemäß am Greifer 14
ein Körperschallmikrofon 24 angebracht, welches über eine Leitung 26 mit einem Vorverstärker
28 verbunden ist, dessen Ausgang an einen Analysator 30 angeschlossen ist. Der Ausgang
des Analysators ist mit dem Eingang eines Rechners 32 verbunden, dessen Ausgang
wiederum über eine Leitung 34 mit einem Eingang der Steuereinheit 20 verbunden ist.
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Schließlich ist bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel ein zweiter
akustischer Sensor, nämlich ein Luftschallmikrofon 36 vorgesehen, welches an dem
Armteil 12b befestigt und ebenfalls mit der Leitung 26 verbunden ist.
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Der in der Zeichnung gezeigte Roboter 10 wirkt mit dem Werkstück 18
und seiner zugeordneten Steuereinheit 20 in für derartige Industrieroboter zunächst
einmal in der üblichen, hier nicht näher zu beschreibenden Weise zusammen. Nähere
Einzelheiten über "Struktur und
Programmierung von Industrierobotern"
finden sich jedoch in einem Aufsatz mit diesem Titel, der von C. Blumer und R. Dillmann
in der Zeitschrift VDI -Z 122; 1980, Nr. 5 Seite 159 ff.
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veröffentlicht wurde.
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Ergänzend zu den bisherigen Möglichkeiten, zu denen im übrigen auch
der Einsatz taktiler Sensoren und der Einsatz berührungslos arbeitender optischer
Sensoren gehörte, ergeben sich erfindungsgemäß durch den Einsatz der beiden akustischen
Sensoren 24, 36 verschiedene vorteilhafte zusätzliche Möglichkeiten, auf die eingangs
bereits ausführlich eingegangen wurde und die beim Ausführungsbeispiel dadurch realisiert
werden, daß die Ausgangssignale der Wandler 24, 36 über einen Vorverstärker 28 einem
Analysator 30 zugeführt werden und dann einem Rechner 32, wo ein Vergleich der charakteristischen
Schallsignalfolge, die bei einem bestimmten Ereignis aufgenommen wird, mit gespeicherten
Schallsignalkurven durchgeführt wird, wobei die als Vergleichskurven gespeicherten
Schallsignalkurven in den Rechner 32 einprogrammiert werden können, der gleichzeitig
dazu dient, das im Einzelfall erhaltene Vergleichsergebnis in eine für die Steuereinheit
20 geeignete Signalfolge umzusetzen. Der Verstärker 28, der Analysator 30 und der
Rechner 32 sind dabei handelsübliche Einheiten, beispielsweise ein Vorverstärker
des Typs 2635 der Firma Brüel & Kjaer, Dänemark, ein Analysator des Typs 2031/33
derselben Firma, der als Frequenzanalysator arbeitet, - es wäre auch die Verwendung
eines Amplitudenanalysators möglich - und
ein Rechner des Typs
HP 9845 der Firma Hewlett Packard, Deutschland, wobei diese Geräte gegebenenfalls
auch durch einen Digital-Kassettenrecorder des Typs 7400 und durch ein Mess-Magnetbandgerät
des Typs 7003 der Firma Brüel & Kjaer ergänzt werden können.
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Aufgrund der beschriebenen, ergänzenden Ausstattung des Roboters können
die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich die hohe Empfindlichkeit
der akustischen Sensoren und die schnelle Signalverarbeitung in den nachgeschalteten
Einrichtungen voll genutzt werden.
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Damit wird es aber möglich, zahlreiche Aufgaben zu lösen, die bisher
nicht oder nur unbefriedigend mit Industrierobotern gelöst werden können. Beispielsweise
zählt das Entgraten von Werkstücken zu den Tätigkeiten, die einen Arbeiter besonders
belasten, da schwere Werkstücke zu bewegen sind und da das Entgraten mit einer starken
Lärm- und Schmutzentwicklung verbunden ist und das Tragen von Schutzkleidung erforderlich
macht. Bisher konnte das Entgraten mit Industrierobotern praktisch nicht durchgeführt
werden, was auf die nicht exakt vorherbestimmbare Einflussparameter bei der Bearbeitung,
wie z.B. auf die uneinheitliche Gratgeometrie zurückzuführen war. Diese Schwierigkeiten
können mit dem erfindungsgemäß ausgestatteten Industrieroboter überwunden werden,
da sich das Schleif geräusch mit dem Anpressdruck eines Schleifwerkzeugs an dem
Grat ändert. Dieser Zusammenhang ermöglicht eine kraftabhängige Steuerung des Schleifgeräts
in Abhängigkeit von einer Analyse
des mit einem Körperschallwandler
oder einem Luftschallmikrofon aufgenommenen Schleifgeräuschs. Außerdem kann mit
Hilfe der akustischen Sensoren auch festgestellt werden, wann das Schleifwerkzeug
so weit abgenutzt ist, daß es ausgewechselt werden muß.
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Weiterhin besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, beim Bahnschweißen
das von dem Lichtbogen erzeugte Schallsignal zu analysieren und entsprechende Steuervorgänge
auszulösen. Wenn beispielsweise die Elektrode am Werkstück kleben bleibt, so erlischt
der Lichtbogen und das Ausbleiben des Schallsignals wird von dem Sensorsystem als
Störfall erkannt. Auch dann, wenn sich die Elektrode zu weit vom Werkstück entfernt,
ändert sich das von dem Lichtbogen erzeugte Geräusch. Es kann also eine Bahnsteuerung
in Abhängigkeit von den durch die akustischen Sensoren erfassten Schallsignalen
durchgeführt werden. In entsprechender Weise lässt sich auch beim automatischen
Lackieren mit einem Industrieroboter der Lackiervorgang durch Überwachung des Düsengeräusches
mit einem Luftschallmikrofon überwachen bzw.
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steuern.
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Beim Erfassen eines Werkstücks oder Werkzeugs durch den Greifer des
Roboters entsteht ebenfalls ein Schallsignal, welches mit einem in der Umgebung
des Greifers angebrachten Körperschallwandler erfasst und anschlie-Bend ausgewertet
werden kann. Auf diese Weise lässt sich z.B. feststellen, ob ein Werkzeug- oder
Werkstückwechsel planmäßig durchgeführt wurde.
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Jedes Werkstück bzw. Werkzeug besitzt ferner ein von seiner Form und
seinem Material abhängiges charakteristisches Klangspektrum. Wenn man das Werkzeug
oder Werkstück mit einem im Greifer eingebauten Hammer anschlägt, so kann das dabei
entstehende Luft- und/oder Körperschallsignal wieder mit gespeicherten bzw. einprogrammierten
Schallsignalmustern verglichen werden, wodurch ebenfalls eine erhöhte Flexibilität
hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten und eine erhöhte Sicherheit bei der automatischen
Bearbeitung erreicht wird.
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Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß erfindungsgemäß
nicht nur besonders typische Störfälle erfasst werden können, wie z.B. Kollisionen
zwischen dem Roboter und Hindernissen im Arbeitsbereich oder ein Abgleiten des Greifers
von einem zu erfassenden Werkstück; vielmehr können auch spezielle Betriebsbedingungen
als "Störfälle" erfasst werden,wie z.B. der Verschleiß eines Werkzeugs oder das
Auftreten eines Grats der in Form und Stärke von dem normalerweise zu erwartenden
Grat abweicht, da auch in diesem Fall ein charakteristisches Schallsignal auftritt,
durch welches dann eine von dem programmierten Arbeitsablauf abweichende Bahnsteuerung
und/oder Vorschubgeschwindigkeit ausgelöst werden kann. Damit wird im Endergebnis
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit einem Industrieroboter gemß der Erfindung
trotz des vergleichsweise geringen z.usätzlichen Aufwands eine erhebliche, bisher
in dieser Form nicht erreichbare Flexibilität hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten
und der Möglichkeit der Erfassung von Stör- bzw. Sonderfällen eröffnet.