Procedimiento y dispositivo para regular un manipulador.

Procedimiento para regular un manipulador de múltiples ejes, en particular un robot (1),

que comprende lospasos de:

regulación flexible (S50) de al menos un eje guía; y

regulación rígida (S50) de al menos otro eje;

caracterizado porque

se determina un valor teórico (q2s, q5s) del al menos otro eje en base a un valor real (q3mess) del eje guía y sepredetermina una fuerza (Fmax) ante la que el manipulador debe ceder de forma flexible y/o una línea de acción(s + λk) a lo largo de la cual debe desviarse el manipulador de modo flexible, particularmente en el espacio detrabajo; y opcionalmente se conmuta entre una regulación flexible y una regulación rígida (S40); donde la líneade acción puede ser una consecuencia de las posiciones y orientaciones del TCP, una recta, una curva, unasuperficie, una hipersuperficie o un hiperespacio.

Procedimiento y dispositivo para regular un manipulador

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para regular un manipulador multiaxial, en particular un robot.

La mayoría de los robots industriales actuales disponen de un control de posición. Para ello, un dispositivo de interpolación genera las posiciones teóricas de articulación que son activadas por los diferentes accionamientos mediante controladores de articulación individuales. Sin embargo, si no se alcanza una posición teórica, por ejemplo debido a obstáculos o a un diseño impreciso del entorno al planificar el trayecto, un control puramente posicional incrementa las fuerzas de accionamiento hasta que o bien se sobrepasen las limitaciones de las magnitudes ajustadas, lo que resulta en una desconexión del control, o bien el robot se acerca de forma forzada a la posición teórica, en este caso dañando eventualmente un obstáculo, un componente, una herramienta o a sí mismo.

Un ejemplo ilustrativo es la soldadura por puntos con una pinza portaelectrodos: los electrodos de soldadura deben presionarse sobre puntos predeterminados de un componente constructivo y con una presión determinada. Sin embargo, si el componente no está en la posición de soldadura planificada, sino que está desplazado, por ejemplo en la dirección de cierre de la pinza portaelectrodos, un robot regulado únicamente de forma posicional forzaría los electrodos de soldadura a las posiciones predeterminadas y dañaría así el componente y el electrodo, mientras que el otro electrodo posiblemente no haría contacto con el componente. Incluso si no se produjeran daños, aparecerían fuerzas no aceptables durante el proceso de soldadura, fuerzas que pueden reducir la calidad del punto de soldadura y hacer fallar éste.

Para solucionar estos problemas se conoce el método de proporcionar flexibilidades pasivas determinadas a la estructura del robot, por ejemplo por el llamado "Remote Center of Compliance" (Centro Remoto de Cumplimiento) . Sin embargo, debido a las directrices de rigidez y flexibilidad específicas del objetivo, esto no puede aplicarse para diferentes casos. Incluso una conexión activa de una herramienta controlable, por ejemplo una pinza portaelectrodos flotante que se puede ajustar con aire comprimido o servomotores en diferentes posiciones compensadas, debe adaptarse a cada caso aplicativo e implica, igual que la flexibilidad pasiva, un coste adicional en aparatos técnicos.

Así desde hace tiempo en el campo de la investigación se analiza la regulación de la fuerza, aquí también llamada en general fuerza, los momentos de fuerza antiparalelos, es decir los pares, entendiéndose especialmente como regulación de la fuerza también la llamada regulación de los momentos de fuerza ("KMR") . El concepto de aplicación industrial "FTCtrl" ("Force Roque control") es aquí la división espacial parcial regulada por la posición y la fuerza mediante una matriz de selección, la regulación paralela de posición y fuerza con superposición de las correspondientes magnitudes de ajuste, la regulación de la impedancia a la que se relacionan las posiciones y fuerzas mediante las leyes de las fuerzas, particularmente modelos de fuerza elástica. H. B. Kuntze, por ejemplo, en "Regelungsalgorithmen für rechnergesteuerte Industrieroboter", Regelungstechnik, ("Algoritmos para robots industriales controlados por computadora", técnica de regulación") 1984, pp. 215-226 o A. Winkler en "Ein Beitrag zur kraftbasierten MenschRoboter-Interaktion", Dissertation (una contribución a la interacción hombre-robot basada en la fuerza) , TU Chemnitz, 2006, resumen estos conceptos.

Sin embargo, la puesta en práctica de este principio habitualmente se encuentra con dificultades. Por ejemplo, regular la fuerza en el espacio cartesiano para que incluya la flexibilidad en una dirección cartesiana requiere, en el caso de la aplicación arriba indicada, esencialmente en la dirección de cierre de la pinza portaelectrodos, un alto coste en cálculos correspondiente al comportamiento de control pasivo. Por otro lado, con el control de la fuerza existe el problema de averiguar en todos los ejes la componente de la fuerza correspondiente que actúa sobre el robot debido al flujo motor, ya que las fuerzas sólo se pueden plantear de forma imprecisa debido a multiplicaciones de engranajes, fricciones y ruidos.

El documento EP 2000 268 A2 se refiere a un dispositivo de control para un robot en aplicaciones "softcontrol". Se propone realizar el movimiento de al menos un eje en función del movimiento de un eje flexible en un manipulador de ejes regulados en función de la posición y velocidad. Dicho más exactamente, se averigua la posición de corrección de los siguientes ejes 5J2-5J6, que se suma a la posición teórica, en base a los trayectos LJ1-LJ6 previamente calculados y el trayecto 5J1 actual registrado del eje guia J1. La flexibilidad del eje guia se consigue reduciendo los factores de ganancia del regulador de posición y de velocidad.

El documento EP 1 905 547 A2 se refiere a un procedimiento "softcontrol" para robots industriales donde se regula de modo flexible todo el robot.

El artículo "Kinematic and dynamic analysis of robot arm" (K. Kosuge, K. Furuta) , Proceedings 1985 IEEE ICRA, p. 1039-1044, realiza un análisis cinemático y dinámico de un brazo de robot, utilizándose dichos análisis para diseñar brazos robotizados.

Por tanto, el objetivo de la presente invención es perfeccionar el comportamiento de un manipulador en la práctica.

Este objetivo se alcanza mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 1. La reivindicación 13 protege un dispositivo de control, la reivindicación 14 ó 15 un programa de ordenador o un producto tipo programa de ordenador, en particular un soporte para datos o un medio de memoria, para realizar un procedimiento según la reivindicación 1. Las reivindicaciones dependientes se refieren a desarrollos ventajosos.

La presente invención se basa en la siguiente reflexión: un movimiento flexible en el espacio cartesiano o de trabajo se corresponde con un movimiento en uno o varios ejes de movimiento del manipulador, por ejemplo articulaciones giratorias o ejes lineales del mismo. Se determina al menos uno de estos ejes como eje guía y se regula de modo flexible. Otros ejes, preferentemente el resto de los ejes, se regulan de forma rígido, sin embargo determinándose un valor teórico en base a un valor real del/de los eje (s) guía. El movimiento flexible en el espacio cartesiano se parametriza, por así decirlo, mediante el/los eje/s guía. Entonces se puede representar, por un lado, la flexibilidad debida a la regulación flexible de este/estos eje/ejes guía y, por otro lado, se puede asegurar el movimiento flexible deseado en el espacio cartesiano mediante las regulaciones rígidas de los demás ejes que siguen al eje flexible guía.

Ventajosamente, el concepto según la invención permite utilizar reguladores sencillos, robustos y eficientes para el eje guía y los demás ejes y puede ponerse en práctica de modo sencillo y fiable en comparación con los principios teóricos, más complicados.

Bajo el concepto regulación flexible se entiende aquí, en particular, una regulación que provoca un movimiento, especialmente una desviación, por el efecto de una fuerza, por ejemplo una fuerza guía o una fuerza de contacto, cuando se encuentra un obstáculo. Preferentemente esta desviación se produce en función de la magnitud y/o de la dirección de la fuerza. Preferentemente, la regulación flexible está configurada como una regulación de articulación única del correspondiente eje guía.

En particular, la regulación flexible puede diseñarse como regulación de fuerza. Para ello, por ejemplo puede registrarse el efecto de una fuerza directamente mediante un sensor de fuerza o de fuerza-momento, preferentemente en una brida de herramienta del manipulador. Adicional o alternativamente, es posible registrarlo en base a una fuerza de reacción con un accionamiento del manipulador, por ejemplo, con un sensor de fuerza o fuerza-momento dispuesto en el mismo. La fuerza de reacción también se puede averiguar en base a las fuerzas que debe generar el accionamiento además de las fuerzas que aparecen con un recorrido libre de contacto y de fuerzas, por ejemplo, además de las fuerzas estáticas de parada o de las fuerzas dinámicas centrífugas y de aceleración. En particular, tales fuerzas pueden averiguarse en base a un valor de corriente de un motor de accionamiento eléctrico. Es decir, la corriente del motor generada para regular el movimiento es, una vez eliminados los efectos gravitatorios, inerciales y de fricción, esencialmente linear a las fuerzas... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para regular un manipulador de múltiples ejes, en particular un robot (1) , que comprende los pasos de:

regulación flexible (S50) de al menos un eje guía; y

regulación rígida (S50) de al menos otro eje;

caracterizado porque se determina un valor teórico (q2s, q5s) del al menos otro eje en base a un valor real (q3mess) del eje guía y se predetermina una fuerza (Fmax) ante la que el manipulador debe ceder de forma flexible y/o una línea de acción (s +Ak) a lo largo de la cual debe desviarse el manipulador de modo flexible, particularmente en el espacio de trabajo; y opcionalmente se conmuta entre una regulación flexible y una regulación rígida (S40) ; donde la línea de acción puede ser una consecuencia de las posiciones y orientaciones del TCP, una recta, una curva, una superficie, una hipersuperficie o un hiperespacio.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se determinan varias líneas de acción posibles, en particular en base a una posibilidad de control a lo largo de la línea de acción y/o en base a una posibilidad de observación de la fuerza, se selecciona una de ellas y se predetermina como línea de acción (s +Ak) a lo largo de la cual debe desviarse flexiblemente el manipulador.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos se determina como eje guía un eje de movimiento del manipulador en base a su controlabilidad a lo largo de la línea de acción predeterminada y/o en base a la posibilidad de observación de la fuerza.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 3, caracterizado porque la fuerza y/o la línea de acción se transforma en el espacio articulado (S20) .

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la transformación se linealiza y/o adapta localmente.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque se configura una regulación flexible como regulación de fuerza y/o porque se configura una regulación rígida como regulación posicional.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque se configura la regulación flexible como regulación indirecta de fuerza, en particular como regulación de impedancia, o como regulación directa de fuerza, en particular como regulación paralela de fuerza y posición.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores 6 a 7, caracterizado porque para la regulación de la fuerza se averigua la fuerza que actúa sobre el manipulador en base a una fuerza de reacción en un accionamiento de al menos un eje guía, en particular en base a un valor de la corriente de un motor eléctrico de accionamiento.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un valor teórico de otro eje depende de lineal o no linealmente de un valor real de al menos un eje guía ( (q2s = 0·q3mess, q5s = q3mess) ; (q3s = q2mess; q5s = (y2/y6) q2mess) ) .

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se eligen diferentes ejes guía en función de una postura del manipulador.

11. Dispositivo de control (4) para un manipulador, particularmente un robot (1) , comprendiendo:

un regulador flexible para al menos un eje guía; y

un regulador rígido para al menos otro eje caracterizado porque los reguladores están diseñados para llevar a cabo un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

12. Programa de computador que realiza un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 cuando se desarrolla en un dispositivo de control según la reivindicación 11.

13. Producto de programa de computador con código de programa que está almacenado en un soporte legible por la máquina y comprende un programa de computador según la reivindicación 12.