Steuerung für Handhabungssysteme und Handhabungs¬ system mit einer derartigen Steuerung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung für Hand¬ habungssysteme mit einem über Gelenke, die mit Drehan¬ trieben ausgerüstet sind, und mittels geradliniger An¬ triebe räumlich bewegbaren Greifer, bei der zum Ver- fahren des Greifers aus einer Istposition in eine gefor¬ derte Sollposition den einzelnen Antrieben Sollwerte vor¬ gegeben werden und die geforderte Greiferposition durch Überlagerung der von den Einzelantrieben vermittelten Weg- komponenten erzielt wird, ferner auf ein mit einer der-

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artigen Steuerung ausgerüstetes Handhabungssystem.

Den sogenannten HandhabungsSystemen, die insbesondere im industriellen Bereich als sogenannte Industrieroboter bekannt geworden sind, kommt in vielen Bereichen der Wirtschaft zunehmende Bedeutung zu, so vornehmlich bei der Automatisierung bestimmter Arbeitsabläufe, wie sie im industriellen Produktionsprozeß anzutreffen sind. Bei den insoweit eingesetzten Systemen handelt es sich in aller Regel um ortsfest installierte Gelenkmanipulatόren die mit einem räumlich bewegbaren, zumeist am Ende eines Greiferarms angeordneten. Greifer als eigentliches Arbeit mittel ausgerüstet sind. Für mit hohen Risiken belastete Aufgaben, etwa in kontaminierten Bereichen, sind auch schon auf ferngelenkten Fahrzeugen angeordnete Manipu- latoren bekannt geworden, die im übrigen hinsichtlich Au bau und Funktion den der Automatisierung von Arbeits¬ abläufen, etwa bei Montagevor angen, dienenden Hand¬ habungssystemen prinzipiell gleichartig sind.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind unter Hand- habungssystemen beispielsweise aber auch Bagger und ähnliche Geräte zu verstehen, bei denen es darauf an-

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kommt, einen Greifer od. dgl. auf vorbestimmten Eahnen oder in vorbestimmte Sollpositionen zu steuern.

Neben einer den Erfordernissen der jeweiligen Zweck¬ bestimmung entsprechenden Auslegung solcher anipula- toren, etwa bezüglich der zu verwirklichenden Greifer¬ wege und der zu beherrschenden Lasten, besteht das eigent liche Problem in der Steuerung der verschiedensten An¬ triebe so, daß der in der Regel am Ende eines Greifer¬ arms angeordnete Greifer zu verbestimmten Zeitpunkten bzw. in Abhängigkeit von auslösenden Ereignissen vorbe- stimmte Positionen einnim-πrt oder auf vorbes im ten Bahn¬ kurven mit gleichfalls vorbestimmten und ggf. auch ver¬ änderbaren Geschwindigkeiten geführt ist.

Zu diesem Zweck wird bei bekannten Gelenkmanipulatoren die Bewegung eines jeden Gelenks und/oder eines jeden transpatorischen Antriebs gemessen und aus diesen Me߬ werten die Position des Greifers relativ zur Basis des Manipulators bestimmt. Jedem Gelenk bzw. jedem gerad¬ linigen Antrieb wird ein Wert vorgegeben, den der An- trieb einnehmen soll. Die Genauigkeit, mit der der Grei-

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fer seine jeweils vorbestimmte Position erreicht, ist dabei abhängig von der Meßgenauigkeit in den Antrieben und von deren Positioniergenauigkeit, ferner von der Steifigkeit des Systems und den unter Last auftretenden elastischen Verformungen, wobei den letztgenannten Ein¬ flüssen insbesondere bei weit ausladenden Greiferarmen Bedeutung zukommt.

Angesichts der bei bekannten Handhabungssystemen zu be¬ obachtenden Abweichungen der tatsächlich erzielten Grei- ferpositionen von den vorgegebenen Sollpositionen sollen __ durch die Erfindung eine verbesserte Steuerung für der- ^" artige HandhabungsSysteme und ein mit einer gegenüber dem Stande der Technik verbesserten Steuerung ausgerüste tes Handhabungssystem geschaffen werden, die im Vergleic zu bekannten Steuerungen bzw. bekannten Handhabungs¬ systemen das Erreichen der jeweils vorbesti -mten Soll¬ positionen mit einem Höchstmaß an Positioniergenauigkeit ermöglicht.

Ausgehend von einer Steuerung der eingangs angegebenen Art ist die insoweit gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Bewegung des Greifers und dessen jeweilige Posi-

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tion in einem inertialen Koordinatensystem durch inertia Meßgeber (Kreisel, Beschleunigungsgeber) erfaßt wird, daß diese Meßgeber dem Greifer selbst unmittelbar zuge¬ ordnet sind und daß die so gewonnenen Daten.nach vorgeb- baren Regeln in Sollwerte für die einzelnen Antriebe um¬ gesetzt und letzteren als jeweiliges Maß für das Ansteue entsprechender Sollpositionen vorgegeben werden.

Anstelle der bei bekannten Steuerungen den einzelnen Antrieben vorgegebenen Sollwerte, die jeweils mehr oder weniger genau erreicht werden und deren Überlagerung letz lich die tatsächlich erreichte Greiferpositipn bestimmt, wobei allerdings infolge möglicher Summation der in -den einzelnen Gelenken und Antrieben auftretenden Abweichun¬ gen von den jeweiligen Sollwerten die Istposition des Greifers von der geforderten Sollposition erheblich ver¬ schieden sein kann, tritt bei der Erfindung die sogenann te Inertialnavigation, die sich eines erd- oder raumfeste Koordinatensystems bedient und auf dem Gedanken beruht, auftretende Beschleunigungen zu messen und daraus durch zweifache Integration über die Zeit den vom Greifer zurüc gelegten Weg abzuleiten. Erfin ungsgemäß wird mithin die jeweilige Position des Greifers bestimmt, mit einer vorbe

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stimmten Sollposition verglichen und aus einer ggf. festgestellten Abweichung ein auf die Antriebe wirkender Steuerbefehl zum präzisen Anfahren der geforderten Soll¬ position abgeleitet. Angesichts dieser Erfassung der Grei ferbewegung selbst und der Ermittlung der jeweiligen

Greifer-Istposition im inertialen Koordinatensystem ist die Positioniergenauigkeit unabhängig von der Meßgenauig¬ keit der Geberkette und auch die Systemsteifigkeit ist nicht mehr genauigkeitsbesti mend.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die

Einzelantriebe nach vorgebbaren ^' Regeln mittels eines Maschinenprogramms angesteuert, beispielsweise über vor- bestimmte Stützpunkte. Eine gleichfalls weitere Ausgestal tung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Greifer in vor- bestimmten Indexpositionen justiert wird, in denen ein Abgleich der inertialen Meßgeber stattfindet.

Bei einer derartigen Auslegung der Steuerung unter Ver¬ wendung eines inertialen Ke Systems gelingt in einfacher Weise das Zusammenarbeiten mehrerer Manipulatoren, da alle Positioniervorgänge in einem einheitlichen Koordi¬ natensystem durchgeführt werden und die A.nfangszustände

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aller Handhabungssysteme durch geeignete Maßnahmen, z.B. optische Vermessung, feststellbar sind. Auch bedarf es bei einer derartigen Steuerung keiner festen Meßbasis. Die einzelnen Manipulatoren können vielmehr ohne irgend eine Einbuße der Positioniergenauigkeit als verfahrbare Systeme ^' ausgebildet werden.

Wenn darüber hinaus Inertialgeber zum Einsatz kommen, welche die Bewegung des Greifers direkt als Signale in digitaler Form erfassen, so vermögen solche Geber un- mittelbar mit Digitalrechnern zu korrespondieren. Dies ermöglicht einen besonders einfachen.und kostengünstigen Aufbau derartiger Steuerungen. Die Rechenkapazität be¬ kannter Digitalrechner ist so groß, daß durch adaptive Regelung und spezielle Filter Unzulänglichkeiten der An- triebe und mechanische Schwingungen des Gesamtsystems erfaßt und so kompensiert werden können, daß die Posi¬ tioniergenauigkeit derartig angesteuerter Handhabungs¬ systeme die bei bisher bekannten Systemen erzielbare Ge¬ nauigkeit weit übersteigt.

Hinsichtlich des unter Vervendung einer derartigen Steu¬ erung zu schaffenden Handhabungssystems ist die gestell-

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te Erfindungsaufgabe dadurch gelöst, daß zumindest im Bereich des Greifers letzteren unmittelbar betä¬ tigende Feinantriebe hoher Präzision, jedoch mit ge¬ ringen Dreh- und Wegbereichen angeordnet sind. Kenn- zeichnend für eine derartige Manipulatorausbildung ist mithin, daß der Greifer zunächst unter Verzicht auf be¬ sondere Positioniergenauigkeit mehr oder weniger genau in eine geforderte Sollposition verfahrbar ist, etwa durch leistungsstarke Kauptantriebe, die über große Weg- und Drehbereiche bei nur begrenzter Genauigkeit verfügen, und daß die Feinsteuerung in die Sollposition dann mittels der erfindungsgemäßen Steuerung mit Hilfe der Inertialnavigation erfo.lgt. Bei einer, derartigen Aus¬ bildung gelingt selbst bei mehrachsigen Manipulatoren und bei HandhabungsSystemen für große Lasten ein äußerst einfacher und kostengünstiger Aufbau.

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