Способ определения положения наконечника измерительной головки робота и устройство для его осуществления

 

Использование: в машиностроении, для координатной привязки промышленных роботов к технологическому оборудованию. Сущность изобретения: на фланце конечного звена робота закреплен корпус измерительной головки. На основании ортогонально друг другу установлены датчики линейных перемещений. Конечное звено робота и датчики устанавливают в исходное относительное положение. Оси чувствительности датчиков параллельны осям симметрии координат конечного звена робота. Снимают показания с датчиков. Затем поворачивают конечное звено робота на 180вокруг собственной оси вращения и вновь снимают показания с датчиков. Координаты центра наконечника измерительной головки в системе координат конечного звена робота определяют по полуразностям показаний соответствующего датчика для двух фиксированных положений конечного звена робота. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и промышленной робототехники и может быть использовано, например, для координатной привязки промышленных роботов к технологическому оборудованию, аттестации геометрических параметров роботов и т. д.

Известен способ определения положения наконечника измерительной головки робота [1] , по которому определяют положение наконечника измерительной головки относительно ее корпуса. Недостатком такого способа, при котором головка устанавливается на специальном стенде, является то, что после установки измерительной головки на робот из-за неизбежных смещений неизвестно точное положение корпуса головки относительно конечного звена робота, поэтому возникающие погрешности положения наконечника головки относительно конечного звена робота не могут быть учтены при последующем использовании робота.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ определения положения наконечника измерительной головки робота, заключающийся в том, что перемещают конечное звено робота с закрепленной на нем измерительной головкой в рабочем пространстве робота, измеряют параметры фиксированных положений элементов головки и по ним определяют положение наконечника измерительной головки в системе координат робота [2] .

Недостаток такого способа, принятого за прототип, заключается в том, что в общем случае при перемещениях измерительной головки в движение вовлекается несколько степеней свободы робота, а положение наконечника измерительной головки в системе координат робота определяют по измерительной информации, полученной от датчиков положения звеньев робота, которые, как правило, являются гораздо более грубыми, чем требуемая точность определения положения наконечника измерительной головки.

Способ, принятый за прототип, дает приемлемые результаты только при декартовой компоновке робота, когда перемещения и измерения положений наконечника измерительной головки осуществляются по трем поступательным степеням свободы робота с датчиками достаточно высокой точности. При всех других компоновках роботов, имеющих различные комбинации поступательных и вращательных степеней свободы, а особенно в случае антропоморфных роботов, данный способ не может обеспечить требуемую точность определения положения наконечника, соизмеримую с точностью самой измерительной головки. В результате резко снижается точность последующей привязки робота к технологическому оборудованию, а значит точность выполнения роботом тех или иных технологических операций. Аналогично ухудшается и точность аттестации геометрических параметров робота и т. д.

Цель изобретения - повышение точности определения положения наконечника измерительной головки робота за счет использования внешних измерительных устройств вместо собственных датчиков робота.

Указанная цель достигается за счет того, что в способе определения положения наконечника измерительной головки робота, заключающемся в том, что перемещают конечное звено робота с закрепленной на нем измерительной головкой в рабочем пространстве робота, измеряют параметры фиксированных положений элементов головки и по ним определяют положение наконечника измерительной головки в системе координат робота. В рабочем пространстве робота взаимно ортогонально размещают два датчика линейных перемещений с плоскими наконечниками, устанавливают исходное относительное положение конечного звена робота и датчиков, при котором линии измерителя датчиков параллельны осям системы координат конечного звена робота, перпендикулярным оси вращения этого звена, затем перемещают конечное звено путем его поворота на 180^о вокруг собственной оси вращения. В каждом из этих двух фиксированных положений снимают показания датчиков при поочередном перемещении и касании из наконечников с наконечником измерительной головки, а координаты центра наконечника в системе координат конечного звена робота определяют по полуразностям показаний соответствующего датчика для двух фиксированных положений конечного звена робота.

Кроме того, указанная цель достигается за счет того, что в устройстве для определения положения наконечника измерительной головки робота, содержащем датчики перемещений; два датчика перемещений выполнены с плоскими наконечниками, установлены с взаимно ортогональным расположением линий измерения и с возможностью взаимного пересечения зоны измерения плоскими наконечниками.

Проведенный заявителем поиск по научно-техническим и патентным источникам информации и выбранный прототип позволили выявить отличительные признаки в заявляемом техническом решении, следовательно заявленный способ удовлетворяет критерию "новизна", а поскольку признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, и свойства, проявляемые этими признаками, не совпадают с признаками известных решений и их свойствами, то следовательно заявленное техническое решение удовлетворяет критерию "существенные отличия".

Изобретение относится к фиг. 1, 2 и 3, где обозначено: 1 - робот; 2 - фланец конечного звена робота; 3 - корпус измерительной головки робота; 4 - наконечник измерительной головки; 5, 6 - датчики линейных перемещений; 7, 8 - штоки датчиков; 9, 10 - наконечники датчиков; 11, 12 - плоские торцы наконечников датчиков; 13, 14 - шкалы датчиков; 15, 16 - приводы микроперемещений для арретирования и перемещения штоков датчиков.

Для определения положения наконечника измерительной головки в неподвижной системе координат робота XYZ (что необходимо для качественного выполнения роботом последующих технологических операций) достаточно знать положение этого наконечника в системе координат конечного звена робота. Поскольку каждое звено руки робота имеет связанную с этим звеном систему координат, то пересчет положения точки из одной системы координат в другую является вполне освоенной процедурой, а, например, определение положения точки в неподвижной системе координат по известному положению этой точки в системе координат конечного звена робота входит в состав матобеспечения большинства современных роботов. Таким образом, определение координат наконечника измерительной головки робота в системе координат его конечного звена одновременно означает определение координат наконечника в неподвижной системе координат робота.

К фланцу 2 конечного звена робота 1 жестко крепится корпус 3 измерительной головки. Конечное звено робота, несущее измерительную головку, выводится оператором в некоторую область рабочего пространства робота, где установлены ортогонально друг другу связанные с основанием два датчика 5 и 6 линейных перемещений.

В качестве датчиков могут использоваться различные измерительные преобразователи, например простейшие индикаторы часового типа с визуальным отсчетом показаний, индуктивные, растровые и другие измерительные преобразователи с аналоговыми или цифровыми выходными сигналами. Следует отметить, что для уменьшения погрешности измерений при контакте наконечника измерительной головки и наконечника датчика в случае его упругой подвески, т. е. при взаимодействии двух других систем, недопустимо, чтобы измерительное усилие датчика было соизмеримо с измерительным усилием головки. Для арретирования и перемещения наконечников датчиков в зону измерения могут использоваться различные приводы микроперемещений (ручные или автоматизированные), содержащие каретки, рычажные механизмы и т. д.

Устройство, изображенное на фиг. 2 и 3, имеет следующие отличительные особенности. Датчики линейных перемещений имеют плоские торцы 11, 12 наконечников 9, 10, что позволяет измерять датчиком расстояния до плоскости, касательной к наконечнику измерительной головки. Линии измерения датчиков расположены взаимно ортогонально. Диапазоны возможных положений наконечников датчиков пересекаются, т. е. зона измерения устройства образуется путем взаимного пересечения этих диапазонов при поочередном выдвижении и арретировании датчиков. Это изображено на рис. 3, где обозначено: А, В и C, D - крайние положения наконечников датчиков, соответствующие начальным и конечным значениям их диапазонов показаний. Двойной штриховкой обозначена зона измерения данного устройства, которая ограничивает область допустимых положений наконечника измерительной головки робота. Наконечники обоих датчиков не могут находиться в зоне измерения устройства одновременно, поэтому измерения каждым из датчиков должны вестись поочередно. Отметим, что при специальных формах наконечников измерительной головки робота (например в виде цилиндра) диапазоны возможных положений торцов наконечников датчиков могут не пересекаться в пространстве, но должны пересекаться их проекции на перпендикулярную торцам плоскость.

Штоки 7, 8 датчиков 5, 6 имеют измерительные наконечники 9, 10 с плоскими торцами 11, 12, которые в общем случае могут и не быть перпендикулярными линиям измерения, однако в случае перпендикулярности обеспечиваются наилучшие характеристики устройства и, в частности, увеличивается его зона измерения.

Описанное выше взаимное расположение датчиков обеспечивает возможность определения координат наконечника при различных соотношениях между радиусом наконечника и величиной эксцентриситета, в том числе и в тех практически важных случаях, когда величина эксцентриситета превышает радиус наконечника.

Для осуществления предлагаемого способа конечное звено робота и датчики устанавливают в такое исходное положение, при котором наконечники датчиков арретированы, а их линии измерения параллельны осям X_k, Y_k системы координат X_kY_kZ_k конечного звена робота. Эти оси перпендикулярны оси Z_k, совпадающей с осью вращения фланца 2.

Параллельность линий измерения датчиков осям X_k, Y_kустанавливают по выступающим концам специальной шпильки, фиксируемой в пазу фланца конечного звена робота или, например, при помощи двух (или одной) прямолинейных направляющих, расположенных на основании перпендикулярно друг другу. С пульта управления робота задают в системе координат X_kY_kZ_k перемещения его конечного звена вдоль какой-либо из этих направляющих и, обеспечивая взаимодействие с ней наконечника измерительной головки, используя ее измерительную информацию, добиваются параллельности осей X_k, Y_k указанным направляющим, а параллельно им ориентируют линии измерения датчиков 5, 6.

При установке исходного относительного положения конечного звена робота и датчиков обеспечивают, чтобы возможные положения наконечника головки при ее повороте вокруг оси Z_k были в пределах зоны измерения устройства и чтобы шаровой наконечник 4 головки располагался примерно на средней линии плоскости торцов 9, 10.

В описанном исходном положении проводятся измерения при помощи датчиков 5 и 6 (рис. 2б). Для этого торцы 11, 12 наконечников датчиков из их арретированных положений поочередно при помощи приводов микроперемещений подводятся к наконечнику 4, а затем отводятся от него, при этом фиксируются моменты касания (либо электроконтактным способом, либо по сигналу самой измерительной головки) и снимаются показания датчиков 5, 6 в первом фиксированном положении конечного звена робота.

Затем конечное звено робота путем его поворота на 180^о вокруг собственной оси вращения перемещают во второе фиксированное положение и вновь снимают показания датчиков 5, 6 (фиг. 2в). Следует отметить, что, как видно из рис. 2б и 2в, наконечники датчиков при измерении двух положений наконечника измерительной головки пересекают ось вращения Z_kконечного звена робота.

Координаты X_н, Y_н центра наконечника измерительной головки в системе координат конечного звена робота определяют по полуразностям показаний соответствующего датчика для двух фиксированных положений конечного звена робота. Для случая, изображенного на фиг. 2: X_н= , Y_н= , где A₁', A₁'', A₂', A₂'' - показания датчиков, причем нижние индексы соответствуют тому или иному датчику (1 - датчик 5, 2 - датчик 6), а верхние индексы - данному фиксированному положению конечного звена робота.

По известным координатам X_н, Y_н центра наконечника в системе координат X_kY_kZ_k (а значит, после пересчета и в системе координат XYZ) можно определить координаты точек поверхности внешних объектов, например, для привязки робота к технологическому оборудованию. Координаты этих точек, с которыми взаимодействует наконечник измерительной головки, в неподвижной системе координат определяют путем решения прямой задачи кинематики (это имеется в составе матобеспечения большинства современных наиболее совершенных роботов).

Использование предлагаемого способа позволяет повысить точность определения положения наконечников измерительных головок, устанавливаемых на роботах различной кинематической структуры, т. к. точность определения положения центра наконечника головки не зависит от точностных характеристик собственных датчиков робота, а определяется весьма высокими точностными свойствами внешних стационарных датчиков, размещаемых в рабочем пространстве робота. Кроме того перемещения измерительной головки осуществляются только за счет одной степени свободы робота. При этом в движение не вовлекаются другие степени свободы, которые, таким образом, не влияют на точность определения положения наконечника.

Повышение точности определения положения наконечника измерительной головки в системе координат робота обеспечивает повышение точности привязки робота к технологическому оборудованию, аттестации геометрических параметров робота и способствует повышению качества выполнения роботом различных технологических операций.

Предлагаемый способ может быть использован и для определения положения в системе координат робота рабочей точки технологических инструментов и деталей, удерживаемых конечным звеном робота. В качестве примеров можно указать рабочую точку сварочного электрода роботов для дуговой сварки, наконечник устройства истечения клея в роботах для нанесения клеевых покрытий и т. д. (56) 1. Горохов Л. Я. , Тененбаум Ю. З. Установка для поверки измерительных головок//Измерительная техника, 1985, 12, с. 8-9.

2. Конструктивные элементы координатных измерительных машин, управляемых ЭВМ, фирмы "Оптон". Проспект фирмы "Оптон", 1985, с. 5.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ НАКОНЕЧНИКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ РОБОТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1. Способ опpеделения положения наконечника измеpительной головки pобота, заключающийся в пеpемещении конечного звена pобота с закpепленной на нем измеpительной головкой, измеpении паpаметpов фиксиpованных положений наконечника головки и опpеделении по ним ее положения в системе кооpдинат pобота, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измеpения, устанавливают конечное звено pобота и датчики в исходное положение относительно положения, пpи котоpом оси чувствительности датчиков паpаллельны осям системы кооpдинат конечного звена pобота, затем повоpачивают конечное звено на 180^oС вокpуг собственной оси вpащения и в каждом из этих двух фиксиpованных положений снимают показания датчиков пpи их поочеpедном пеpемещении и касании с наконечником измеpительной головки.

2. Устpойство для опpеделения положения наконечника измеpительной головки pобота, содеpжащее датчики пеpемещений, установленные на основании, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измеpения, датчики пеpемещений выполнены с плоскими наконечниками и установлены с взаимно оpтогональным pасположением их осей чувствительности с возможностью взаимного пеpесечения зоны измеpения плоскими наконечниками.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3