PL232889B1 - System zdalnego wyznaczania trajektorii efektora robota przemysłowego - Google Patents

Abstract

System zdalnego sterowania efektorem robota przemysłowego wyposażony w nadajnik fal elektromagnetycznych oraz modułu śledzącego z kamerami charakteryzuje się tym, że nadajnik (2) fal elektromagnetycznych wyposażony jest w co najmniej dwa emitery (3) zamontowane na jego przeciwległych końcach.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest system zdalnego wyznaczania trajektorii efektora robota przemysłowego system zdalnego sterowania efektorem robota przemysłowego.

Aktualnie, podstawowa metoda programowania robotów sprowadza się do ich uczenia. Polega ona na ręcznym ustawieniu efektora manipulatora w żądanych lokalizacjach i ich zapamiętaniu w s ystemie sterownia robota (programowanie online). Ilość zidentyfikowanych położeń efektora zależy od stopnia złożoności procesu, który ma być wykonywany przez manipulator. Zbiór zapamiętanych położeń opisanych 6 współrzędnymi w przestrzeni kartezjańskiej globalnego (nieruchomego) układu współrzędnych związanego z podstawą manipulatora (współrzędne translacyjne - x, y, z; współrzędne rotacyjne - α, β, χ) osi jest następnie sekwencyjne odczytywany, w celu zaktualizowania położenia efektora. Automatyczny ruch między zapamiętanymi punktami w przestrzeni pracy realizowany jest za pomocą komend ruchu. Rodzaj ruchu miedzy dwoma punktami wynika z przyjętej strategii zwanej interpolacją trajektorii. Podstawowe rodzaje interpolacji ruchu efektora w przestrzeni pracy to:

1. ruch od punktu do punktu (ang. Point to Point) - efektor jest prowadzony wzdłuż najszybszej ścieżki łączącej oba punkty,

2. ruch liniowy - efektor jest prowadzony wzdłuż prostej łączącej oba punkty w strefie pracy manipulatora,

3. interpolacja kołowa - efektor jest prowadzony wzdłuż łuku okręgu łączącego oba punkty w strefie pracy manipulatora,

4. interpolacja przegubowa - układ sterowania wyznacza zmienne konfiguracyjne każdego przegubu robota antropomorficznego w celu zmiany położenia efektora z jednego punktu do drugiego,

5. interpolacja typu spline - efektor jest prowadzony wzdłuż krzywych sklejanych.

Tego typu klasyczne sterowanie jest bardzo uciążliwe dla operatora. Czas programowania przy nieregularnych kształtach trajektorii efektora znacząco się wydłuża i może być dłuższy od efektywnego czasu pracy robota.

W opisie patentowym US5570187 wykorzystano nadajnik fal elektromagnetycznych, który generuje wiązkę laserową a układ śledzący monitoruje wiązkę laserową i na tej podstawie określa kształt obrabianego elementu. Następnie układ wykonawczy prowadzi efektor manipulatora robota przemysłowego po trajektorii wyznaczonej na podstawie analizy wiązki laserowej. W opisie patentowym US5570187 sterowanie jest dedykowane do realizacji procesów automatycznego spawania.

W innym opisie patentowym US2011282492 programowanie robota realizowane jest za pomocą wizyjnego skanowania przedmiotu obrabianego np. spawanego. Tworzony jest trójwymiarowy model przedmiotu obrabianego i wyznaczane są krawędzie, po których ma się poruszać efektor robota przemysłowego.

Znany jest system ROBOGUIDE firmy FANUC umożliwiający definiowanie trajektorii efektora robota przemysłowego w wirtualnej strefie pracy, a nie w rzeczywistej strefie pracy robota. System ROBOGUIDE jest więc jedynie symulatorem pracy robota pozwalającym na wirtualne projektowanie, testowanie i modyfikowanie trajektorii ruchu. System ten wymaga zdefiniowania modeli obiektów znajdujących się w strefie pracy robota. Konieczność zdefiniowania obiektów technologicznych (obiektów poddawanych obróbce, narzędzi, obiektów przenoszonych przez chwytak robota) oraz obiektów stanowiących przeszkody znacząco wydłuża proces opisu trajektorii ruchu efektora.

Firma ABB opracowała system fotogrametryczny wykorzystujący obrazy do analizy kształtu, wymiarów i położenia elementów w procesach produkcyjnych. W systemie, obrazy mogą być rejestrowane maksymalnie przez 6 kamer. System ten jest dedykowany do obsługi transporterów detali między liniami produkcyjnymi, identyfikacji wad kształtu, pomiarów wielkości geometrycznych w przestrzeni 3D, identyfikacji wad powierzchni i sprawdzania tolerancji. System w tej wersji jest oferowany od 2013 roku.

Firma FANUC Robotics opracowała system fotogrametryczny wykorzystujący obrazy do analizy kształtu, wymiarów i położenia elementów w procesach produkcyjnych. W systemie, obrazy są rejestrowane przez 2 kamery. System ten jest dedykowany do obsługi transporterów detali między liniami produkcyjnymi, identyfikacji wad kształtu, pomiarów wielkości geometrycznych w przestrzeni 2D i 3D. System w tej wersji jest oferowany od 2015 roku.

Firma Kawasaki Robotics opracowała systemy fotogrametryczne wykorzystujące obrazy do analizy kształtu i wymiarów elementów. W systemie, obrazy są rejestrowane przez jedną kamerę. System ten jest dedykowany do obsługi transporterów detali i pomiarów wielkości geometrycznych w przestrzeni 2D, czyli pozwala jedynie wyznaczyć dwie płaskie współrzędne obiektu.

PL 232 889 B1

Znane jest z dokumentu WO 2015185749 A1: Dispositif de detection a plans croises d'un obstacle et procede de detection mettant en oeuvre un tel dispositif, urządzenie służące do wykrywania przeszkód umieszczonych na pojeździe mobilnym lub na robocie humanoidalnym. Wynalazek, zgodnie z jego opisem, dotyczy w szczególności nawigacji oraz wykrywania przeszkód w otoczeniu pojazdu lub robota humanoidalnego. Pojazd mobilny porusza się równolegle do płaszczyzny odniesienia. Rozwiązanie przedstawione w powyższym wynalazku obejmuje:

1. dwa nadajniki wiązek elektromagnetycznych tworzące dwie wirtualne płaszczyzny przebiegające w dwóch różnych kierunkach, które mogą się ze sobą przecinać oraz przecinać się z możliwymi przeszkodami występującymi na drodze przemieszczania robota mobilnego lub robota humanoidalnego,

2. czujnik obrazu rejestrujący obraz wirtualnych płaszczyzn i możliwych przeszkód,

3. układ analizy obrazu wykrywający obecność przeszkody oraz porównujący jej obraz z obrazami odniesienia w celu określenia rodzaju przeszkody.

Pojazd, na pokładzie którego umieszczone jest urządzenie wykrywające przeszkody, będące przedmiotem wynalazku ma uprzywilejowany kierunek X. Pierwszy nadajnik wiązki elekromagnetycznej generuje wiązkę w pierwszej wirtualnej płaszczyźnie ukośnej względem osi X. Powyższa płaszczyzna wyznaczona jest przez oś X i sieczną względem płaszczyzny odniesienia. Drugi nadajnik wiązki elektromagnetycznej generuje wiązkę w drugiej wirtualnej płaszczyźnie ukośnej względem osi X. Płaszczyzna ta, podobnie jak pierwsza, wyznaczona jest przez oś X i sieczną względem płaszczyzny odniesienia. Urządzenie wykrywające przeszkody zawiera również czujnik obrazu rejestrujący obraz przecięcia wirtualnych płaszczyzn i ewentualnych przeszkód. Wynalazek dopuszcza stosowanie dodatkowych emiterów wiązek wykorzystywanych do tworzenia dodatkowych wirtualnych płaszczyzn oraz dodatkowych czujników obrazu.

Według wynalazku system zdalnego wyznaczania trajektorii efektora robota przemysłowego wyposażony w nadajnik fal elektromagnetycznych oraz moduł śledzący charakteryzuje się tym, że nadajnik fal elektromagnetycznych wyposażony jest w co najmniej dwa punktowe emitery zamontowane na jego przeciwległych końcach generujące wiązki fal elektromagnetycznych, przy czym obrazy nadajnika fal elektromagnetycznych z widocznymi na jego obudowie emiterami rejestrowane są przez moduł śledzący, którego oprogramowanie wyznacza współrzędne translacyjne - x, y, z i współrzędne rotacyjne - α, β, χ efektora robota przemysłowego.

Fotogrametria jest techniką obrazowania umożliwiającą wyznaczanie współrzędnych punktów sceny trójwymiarowej na podstawie obrazów uzyskiwanych, z co najmniej dwóch urządzeń rejestrujących, zwanych kamerami. Aby wyznaczyć położenie skanowanego fotogrametrycznie obiektu w przestrzeni trójwymiarowej, należy znać orientację obrazów rejestrowanych przez kamery. Nadajnikiem, a jednocześnie urządzeniami wskazującymi położenie efektora w przestrzeni roboczej robota przemysłowego, jest nadajnik fal elektromagnetycznych wyposażony w co najmniej dwa emitery. Zastosowane algorytmy analizy obrazów pozwalają precyzyjnie określić współrzędne translacyjne położenia efektora na podstawie fal generowanych z jednego emitera. Do wyznaczenia orientacji efektora wykorzystać należy specjalnie skonstruowany nadajnik promieniowania elektromagnetycznego. Nadajnik jest wyposażony w co najmniej dwa emitery fal elektromagnetycznych zamontowane na jego przeciwległych końcach. Po umieszczeniu nadajnika w miejscu planowanego położenia efektora wyznaczyć można współrzędne jego końców. Następnie współrzędne służą do wyznaczenia kątów α, β, χ określających orientację efektora.

Zdalnego wyznaczania trajektorii efektora robota przemysłowego za pomocą nadajników fal elektromagnetycznych wyposażonych w co najmniej dwa emitery, stanowi nowe rozwiązanie generowania przestrzennej trajektorii ruchu efektora manipulatora robota przemysłowego. System umożliwia zdefiniowanie zbioru punktów toru ruchu efektora i zaplanowanie trajektorii ruchu efektora poprzez określenie położenia i orientacji efektora w rzeczywistej strefie pracy robota.

System według wynalazku pozwala na ekonomiczne, przenośne i elastyczne definiowanie węzłów trajektorii ruchu efektora robota oraz jego orientacji. Proces programowania ruchu robota nie wymaga zbudowania modelu wirtualnej strefy pracy poprzez określenie modeli obiektów poddawanych obróbce technologicznej, obiektów stanowiących narzędzia technologiczne oraz obiektów przenoszonych przez chwytak (w zależności od realizowanego przez robot zadania).

Zdalnego wyznaczania trajektorii efektora robota przemysłowego za pomocą nadajników fal elektromagnetycznych wyposażonych w co najmniej dwa emitery pozwala na generowanie trajektorii efektora z dużą dokładnością przy relatywnie niskich kosztach. Dzięki zastosowaniu zdalnego sterowania w zakresie położenia i orientacji wskaźnika można uzyskać oszczędność czasu programowania trajektorii ruchu efektora robota przemysłowego.

PL 232 889 B1

Dzięki tej metodzie w czasie programowania robota nie ma konieczności ustawiania manipulatora w położeniach odpowiadających skanowanym punktom, które położone będą na trajektorii ruchu efektora. Poszczególne położenia efektora symulować będzie co najmniej dwubiegunowy nadajnik fal elektromagnetycznych. Znacząco skróci to czas programowania oraz czas pracy manipulatora, który nie będzie uruchamiany podczas programowania, co zwiększy trwałość podzespołów robota. Dodatkowo metoda oparta na fotogrametrii pozwala na dokładniejsze określanie położenia punktów charakterystycznych w procesie prowadzenia efektora, niż w przypadku konwencjonalnych metod. Ogólnie zaprezentowany system charakteryzować się będzie wysoką wydajnością, w porównaniu do konwencjonalnych metod programowania.

Natomiast opisywany wynalazek oparty na zdalnym sterowaniu efektorem robota przemysłowego za pomocą nadajników fal elektromagnetycznych wyposażonych w co najmniej dwa emitery może być wykorzystywany w wielu procesach technologicznych.

Przedmiot wynalazku zostanie przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia system sterowania w schemacie ogólnym.

Zdalne wyznaczanie trajektorii efektora robota przemysłowego za pomocą nadajnika fal elektromagnetycznych wyposażonego w co najmniej dwa emitery, oparty jest na fotogrametrycznym skanowaniu położenia 3D głowicy wskaźnika punktów charakterystycznych (nadajnika).

System składa się z robota przemysłowego 1, nadajnika 2 fal elektromagnetycznych wyposażonego w dwa emitery 3, modułu 4 śledzącego położenie nadajnika 1 fal elektromagnetycznych, który stanowi ruchomy statyw 5 z zamontowanymi kamerami 6 oraz stacja bazowa 7.

Kamery 6 pracujące w zakresie promieniowania emiterów skanują ich położenie.

Sygnał 8 przechodzi z kamer 6 do stacji bazowej 7, w której na podstawie zarejestrowanych obrazów emiterów, obliczane jest ich położenie. Położenie emiterów zostaje następnie wykorzystane podczas określania orientacji nadajnika fal elektromagnetycznych wyposażonego w co najmniej dwa emitery 3. Po wyznaczeniu w stacji bazowej 7 współrzędnych translacyjnych - x, y, z; oraz współrzędnych rotacyjnych - α, β, χ wysyłany zostaje sygnał 9 do robota przemysłowego 1, który precyzyjnie określa położenie efektora manipulatora w przestrzeni roboczej robota przemysłowego 1. Elementy rejestrujące obraz - kamery 6 zamontowane są na ruchomym statywie 5, który można przemieszczać wokół obrabianych/przenoszonych przedmiotów 10 lub narzędzi technologicznych. Każda zmiana położenia statywu 5 z kamerami 6 wymaga przeprowadzenia kalibracji modułu śledzącego.

Statyw 5, można przemieszczać wokół obrabianych/przenoszonych przedmiotów lub narzędzi technologicznych. Każda zmiana położenia statywu 5 z kamerami 6 wymaga przeprowadzenia k alibracji modułu śledzącego.

Nadajnik 2 fal elektromagnetycznych wyposażony jest w układ co najmniej dwóch emiterów 3 promieniowania i służy do określania punktów charakterystycznych. W momencie styku przedniego emitera nadajnika z podłożem lub naciśnięcia przycisku przez operatora następuje ich uaktywnienie. Emitery 3 zasilane są akumulatorem. Moc emiterów pozwala na ich pracę w warunkach przemysłowych. Dzięki umieszczeniu co najmniej dwóch emiterów w nadajniku fal elektromagnetycznych możliwe jest określenie nie tylko jego położenia, ale i orientacji przestrzennej. Orientacja nadajnika fal elektromagnetycznych pozwala na zdefiniowanie orientacji efektora robota przemysłowego 1. Nadajnik 2 fal elektromagnetycznych wyposażony w układ co najmniej dwóch emiterów 2 służy również do definiowania kształtu przedmiotów obrabianych oraz przeszkód znajdujących się w strefie pracy robota przemysłowego przez skanowanie ich punktów charakterystycznych - wierzchołków.

Zdalnego wyznaczania trajektorii efektora robota przemysłowego za pomocą nadajnika fal elektromagnetycznych wyposażonego w układ co najmniej dwóch emiterów 3 pozwala na wyznaczenie położenia i orientacji nadajnika 2 w dwóch układach współrzędnych: w układzie globalnym (nieruchomym) oraz (ruchomym) związanym z ruchomym statywem 5. Przewiduje się również bezprzewodową komunikację elementów rejestrujących obraz ze stacją bazową 7.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. System zdalnego wyznaczania trajektorii efektora robota przemysłowego wyposażony w nadajnik fal elektromagnetycznych oraz moduł śledzący, znamienny tym, że nadajnik (2) fal elektromagnetycznych wyposażony jest w co najmniej dwa punktowe emitery (3) zamontowane na jego przeciwległych końcach generujące wiązki fal elektromagnetycznych, przy czym obrazy nadajnika (2) fal elektromagnetycznych z widocznymi na jego obudowie emiterami (3) rejestrowane są przez moduł (4) śledzący, którego oprogramowanie wyznacza współrzędne translacyjne - x, y, z i współrzędne rotacyjne - α, β, χ efektora robota przemysłowego (1).