DE102020101515A1 - Method, computer program product and robot for determining an orientation of a robot in a gravitational field - Google Patents

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Verfahren zum Bestimmen einer Orientierung eines Roboters in einem Gravitationsfeld, der Roboter aufweisend eine Basis (100) und eine Kontrollvorrichtung mit einem Computer und einem Datenspeicher, wobei an der Basis (100) eine inertiale Messeinheit angeordnet wird, mithilfe der inertialen Messeinheiten Daten des Gravitationsfeld erfasst werden, eine Orientierung der Basis (100) und die Daten zueinander in Bezug gesetzt werden, um die Orientierung des Roboters in dem Gravitationsfeld zu bestimmen, und Informationen über die Orientierung des Roboters in dem Gravitationsfeld gespeichert werden, Computerprogrammprodukt, das Computerprogrammprodukt Programmcodeabschnitte umfasst, mit denen ein derartiges Verfahren durchführbar ist, wenn das Computerprogrammprodukt mithilfe der Kontrollvorrichtung ausgeführt wird, und Roboter zum Durchführen eines derartigen Verfahrens, der Roboter aufweisend eine Basis (100) und eine Kontrollvorrichtung mit einem Computer und einem Datenspeicher, wobei an der Basis (100) eine inertiale Messeinheit angeordnet ist.A method for determining an orientation of a robot in a gravitational field, the robot having a base (100) and a control device with a computer and a data memory, an inertial measuring unit being arranged on the base (100), using the inertial measuring units to acquire data from the gravitational field an orientation of the base (100) and the data are related to one another in order to determine the orientation of the robot in the gravitational field, and information about the orientation of the robot in the gravitational field is stored which such a method can be carried out when the computer program product is executed with the aid of the control device, and robots for carrying out such a method, the robot having a base (100) and a control device with a computer and a data memory, wherein on an inertial measuring unit is arranged on the base (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Orientierung eines Roboters in einem Gravitationsfeld, der Roboter aufweisend eine Basis und eine Kontrollvorrichtung mit einem Computer und einem Datenspeicher. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, mit dem ein derartiges Verfahren durchführbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung einen Roboter zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.The invention relates to a method for determining an orientation of a robot in a gravitational field, the robot having a base and a control device with a computer and a data memory. The invention also relates to a computer program product with which such a method can be carried out. The invention also relates to a robot for carrying out such a method.

Aus dem Dokument WO 2004/020160 A1 ist Gewichtsausgleichssystem bekannt für einen Roboter mit wenigstens einem Basiselement und wenigstens einem bewegten Element, welches über ein Drehgelenk an dem Basiselement drehbar gelagert ist und dessen Schwerpunkt bei einer Drehbewegung seine Höhenlage in Bezug auf das Gravitationsfeld der Erde verändert, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsausgleichssystem aufgebaut ist aus wenigstens einer Energiespeichereinrichtung, die mit wenigstens einem beweglichen Element über ein. Kreuzschleifenelement und ein Getriebeelement gekoppelt ist.From the document WO 2004/020160 A1 is a weight compensation system known for a robot with at least one base element and at least one moving element, which is rotatably mounted on the base element via a swivel joint and whose center of gravity changes its altitude in relation to the gravitational field of the earth during a rotary movement, characterized in that the weight compensation system is constructed is made up of at least one energy storage device that has at least one movable element via a. Cross-loop element and a gear element is coupled.

Aus dem Dokument DE 10 2016 000 187 B3 ist ein Verfahren bekannt zur Bestimmung einer Orientierung eines Roboters relativ zu einer Gravitationsrichtung an wenigstens einem Aufstellungsort des Roboters, mit den Schritten: Erfassen von Gelenkkräften des Roboters in wenigstens einer Messpose; und Ermitteln einer Orientierung des Roboters relativ zur Gravitationsrichtung auf Basis der erfassten Gelenkkräfte und eines mathematischen Modells des Roboters.From the document DE 10 2016 000 187 B3 a method is known for determining an orientation of a robot relative to a gravitational direction at at least one installation location of the robot, with the steps of: detecting joint forces of the robot in at least one measuring pose; and determining an orientation of the robot relative to the direction of gravity on the basis of the detected joint forces and a mathematical model of the robot.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Computerprogrammprodukt bereitzustellen. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Roboter bereitzustellen.The invention is based on the object of improving a method mentioned at the beginning. The invention is also based on the object of providing a computer program product mentioned at the beginning. In addition, the invention is based on the object of providing a robot mentioned at the beginning.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Roboter mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with a method with the features of claim 1. In addition, the object is achieved with a computer program product with the features of claim 5. The object is also achieved with a robot with the features of claim 6. Advantageous embodiments and / or developments are the subject of the subclaims.

Das Verfahren kann dazu dienen, eine Orientierung eines Roboterkoordinatensystems in einem Gravitationsfeld zu bestimmen. Das Roboterkoordinatensystem kann auch als Weltkoordinatensystem bezeichnet werden. Das Verfahren kann nach einem Aufstellen und/oder Verlagern des Roboters durchgeführt werden. Das Verfahren kann unabhängig von einem Aufstellen und/oder Verlagern des Roboters zu vorbestimmten Zeitpunkten durchgeführt werden. Das Verfahren kann vor einem regulären Betrieb des Roboters durchgeführt werden. Ein regulärer Betrieb des Roboters kann eine Arbeitsbetrieb sein. Die inertiale Messeinheit kann mit einer vorbestimmten Orientierung und/oder an einer vorbestimmten Position an der Basis angeordnet werden. Eine korrekte Orientierung und/oder Positionierung der inertialen Messeinheit an der Basis kann verifiziert werden. Informationen über eine Orientierung und/oder Positionierung der inertialen Messeinheit an der Basis können erfasst werden. Die Informationen über eine Orientierung und/oder Positionierung der inertialen Messeinheit an der Basis können in dem Datenspeicher gespeichert werden. Die inertiale Messeinheit kann mit der Basis fest verbunden werden. Die inertiale Messeinheit kann an der Basis zerstörungsfrei lösbar oder unlösbar angeordnet werden. Die inertiale Messeinheit kann an einer Fläche, Kante und/oder Ecke der Basis angeordnet werden. Die Orientierung der Basis kann ermittelt werden. Die Orientierung der Basis kann mithilfe struktureller Merkmale der Basis ermittelt werden. Die Orientierung der Basis kann mithilfe von Flächen, Kanten und/oder Ecken der Basis ermittelt werden. Mithilfe der inertialen Messeinheiten kann eine Gravitationsrichtung erfasst werden. Eine Orientierung des Roboterkoordinatensystems und die Daten können zueinander in Bezug gesetzt werden.The method can serve to determine an orientation of a robot coordinate system in a gravitational field. The robot coordinate system can also be referred to as a world coordinate system. The method can be carried out after the robot has been set up and / or moved. The method can be carried out at predetermined points in time independently of setting up and / or moving the robot. The method can be carried out before regular operation of the robot. A regular operation of the robot can be a working operation. The inertial measuring unit can be arranged with a predetermined orientation and / or at a predetermined position on the base. Correct orientation and / or positioning of the inertial measuring unit on the base can be verified. Information about an orientation and / or positioning of the inertial measuring unit on the base can be recorded. The information about an orientation and / or positioning of the inertial measuring unit on the base can be stored in the data memory. The inertial measuring unit can be firmly connected to the base. The inertial measuring unit can be arranged non-destructively detachable or non-detachable on the base. The inertial measuring unit can be arranged on a surface, edge and / or corner of the base. The orientation of the base can be determined. The orientation of the base can be determined using structural features of the base. The orientation of the base can be determined with the aid of surfaces, edges and / or corners of the base. A gravitational direction can be recorded with the aid of the inertial measuring units. An orientation of the robot coordinate system and the data can be related to one another.

Die Daten können in sechs Freiheitsgraden erfasst werden. Die Daten können jeweils in drei Translationsfreiheitsgraden und in drei Rotationsfreiheitsgraden erfasst werden. Die Informationen über die Orientierung des Roboters in dem Gravitationsfeld können in dem Datenspeicher gespeichert werden. Die Informationen über die Orientierung des Roboters in dem Gravitationsfeld können derart gespeichert werden, dass sie dem Computer zur Verfügung stehen. Eine Gravitation kann mithilfe der gespeicherten Informationen über die Orientierung des Roboters in dem Gravitationsfeld kompensiert werden.The data can be recorded in six degrees of freedom. The data can be recorded in three degrees of translational freedom and in three degrees of rotational freedom. The information about the orientation of the robot in the gravitational field can be stored in the data memory. The information about the orientation of the robot in the gravitational field can be stored in such a way that it is available to the computer. Gravitation can be compensated for using the stored information about the orientation of the robot in the gravitational field.

Während einem regulären Betrieb des Roboters kann eine Gravitationskraft unter Berücksichtigung der Informationen über die Orientierung des Roboters in dem Gravitationsfeld kompensiert werden. Damit kann der Roboter seine Position selbständig ohne manuellen Eingriff halten.During regular operation of the robot, a gravitational force can be compensated for taking into account the information about the orientation of the robot in the gravitational field. This enables the robot to hold its position independently without manual intervention.

Das Verfahren kann ein computerimplementiertes Verfahren sein. Das Computerprogrammprodukt kann durch die Kontrollvorrichtung des Roboters ausgeführt werden. Das Computerprogrammprodukt kann in ausführbarer oder installierbarer Form vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium vorliegen.The method can be a computer-implemented method. The computer program product can be executed by the control device of the robot. The computer program product can be in executable or installable form. The computer program product can be present on a computer-readable storage medium.

Der Roboter kann ein Industrieroboter, ein Serviceroboter oder ein Medizinroboter sein. Der Roboter kann kraftgeregelt und/oder positionsgeregelt sein. Der Roboter kann wenigstens einen Manipulator aufweisen. Der wenigstens eine Manipulator kann an der Basis angeordnet sein. Der Roboter kann einen Tool Center Point (TCP) aufweisen. Die inertiale Messeinheit kann drei aufeinander orthogonal stehende Beschleunigungssensoren zum Erfassen translatorischer Bewegung in x-bzw. y- bzw. z-Achse und drei orthogonal zueinander angebrachten Drehratensensoren zum Erfassen rotatorischer Bewegungen um x- bzw. y- bzw. z-Achse aufweisen. Die inertiale Messeinheit kann als Messwerte drei lineare Beschleunigungswerte für eine translatorische Bewegung und drei Winkelgeschwindigkeiten für eine Drehrate liefern. Die Kontrollvorrichtung kann wenigstens einen Signaleingang und/oder wenigstens einen Signalausgang aufweisen. Die Kontrollvorrichtung kann programmierbar sein. Die inertiale Messeinheit kann in die Basis strukturell integriert sein. Die Basis kann Flächen, Kanten und/oder Ecken aufweisen. Die inertiale Messeinheit kann an einer Fläche, Kante und/oder Ecke der Basis angeordnet sein.The robot can be an industrial robot, a service robot or a medical robot. The robot can be force-regulated and / or position-regulated. The robot can have at least one manipulator. The at least one manipulator can be arranged on the base. The robot can have a Tool Center Point (TCP). The inertial measuring unit can have three orthogonally positioned acceleration sensors for detecting translational movement in x or. y or z-axis and three rotation rate sensors attached orthogonally to each other for detecting rotational movements about the x or y or z-axis. The inertial measuring unit can supply three linear acceleration values for a translational movement and three angular speeds for a rate of rotation as measured values. The control device can have at least one signal input and / or at least one signal output. The control device can be programmable. The inertial measuring unit can be structurally integrated into the base. The base can have surfaces, edges and / or corners. The inertial measuring unit can be arranged on a surface, edge and / or corner of the base.

Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein Verfahren zur Kalibration der Kompensierung der Schwerkraft eines Roboters. In die Basis des Roboters kann eine Initial Measurement Unit (IMU) integriert werden. Mithilfe der IMU kann eine Orientierung eines Objekts im Raum im Verhältnis zur Schwerkraft gemessen werden. Der Roboter kann an seinem Einsatzort aufgebaut und angeschlossen werden. Mit einem einmaligen Ausführen einer speziellen Kalibrierungssoftware, kann die Orientierung der Basis des Roboters mit der Schwerkraft der Erde abgeglichen werden. Unterschiede können in eine Regelungssoftware des Roboters eingetragen werden. Die abgeglichenen Werte können in dem Roboter gespeichert und von dem integrierten Robotercontroller verwendet werden, um die Schwerkraft zu kompensieren.In summary and in other words, the invention thus provides, inter alia, a method for calibrating the compensation of the force of gravity of a robot. An Initial Measurement Unit (IMU) can be integrated into the base of the robot. The IMU can be used to measure the orientation of an object in space in relation to gravity. The robot can be set up and connected at its place of use. With a single run of special calibration software, the orientation of the base of the robot can be compared with the gravity of the earth. Differences can be entered in a control software of the robot. The adjusted values can be stored in the robot and used by the integrated robot controller to compensate for gravity.

Mit der Erfindung wird Verfahren zum Bestimmen einer Orientierung eines Roboters in einem Gravitationsfeld vereinfacht und/oder Fehler werden reduziert oder vermieden. Manuelle Eingriffe können entfallen. Ein Automatisierungsgrad kann erhöht werden. Eine Betriebssicherheit kann erhöht werden. Personalanforderungen können reduziert werden.With the invention, methods for determining an orientation of a robot in a gravitational field are simplified and / or errors are reduced or avoided. Manual interventions can be dispensed with. A degree of automation can be increased. Operational safety can be increased. Personnel requirements can be reduced.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:

  • 1 eine mit einer y-Achse parallel und gegenläufig zu einer Gravitationsrichtung ausgerichtete Basis eines Roboters,
  • 2 eine mit einer y-Achse schräg zu einer Gravitationsrichtung ausgerichtete Basis eines Roboters, und
  • 3 eine mit einer y-Achse parallel und gleichläufig zu einer Gravitationsrichtung ausgerichtete Basis eines Roboters.
An exemplary embodiment of the invention is described in more detail below with reference to figures, which show schematically and by way of example:
  • 1 a base of a robot aligned with a y-axis parallel and opposite to a gravitational direction,
  • 2 a base of a robot aligned with a y-axis obliquely to a gravitational direction, and
  • 3 a base of a robot that is aligned with a y-axis parallel to and in the same direction as a gravitational direction.

1 zeigt eine Basis 100 eines Roboters. Die Basis weist eine Fläche 102, Kanten, wie 104, 106, und Ecken, wie 108, auf. Der Roboter weist eine kartesisches Roboterkoordinatensystem 110 mit einer x-Achse, einer y-Achse und einer z-Achse auf. Das Roboterkoordinatensystem 110 ist mit seinem Ursprung an der Ecke 108, mit seiner x-Achse entlang der Kante 104 und mit seiner y-Achse entlang der Kante 106 angeordnet. Die Basis 100 ist zu einer Gravitationsrichtung 112 derart ausgerichtet, dass die y-Achse des Roboterkoordinatensystems 110 parallel und gegenläufig zu der Gravitationsrichtung 112 verläuft. 1 shows a base 100 of a robot. The base has a face 102 , Edges like 104, 106, and corners like 108. The robot has a Cartesian robot coordinate system 110 with an x-axis, a y-axis and a z-axis. The robot coordinate system 110 is with its origin on the corner 108 , with its x-axis along the edge 104 and with its y-axis along the edge 106 arranged. The base 100 is to a gravitational direction 112 aligned so that the y-axis of the robot coordinate system 110 parallel and opposite to the direction of gravity 112 runs.

2 zeigt eine Ausrichtung der Basis 100, bei der die y-Achse des Roboterkoordinatensystems 110 schräg zur Gravitationsrichtung 112 verläuft. 3 zeigt eine Ausrichtung der Basis 100, bei der die y-Achse des Roboterkoordinatensystems 110 parallel und gleichläufig zur Gravitationsrichtung 112 verläuft. 2 shows an orientation of the base 100 , where the y-axis of the robot coordinate system 110 oblique to the direction of gravity 112 runs. 3 shows an orientation of the base 100 , where the y-axis of the robot coordinate system 110 parallel and co-rotating with the direction of gravity 112 runs.

Zum Bestimmen einer Orientierung des Roboters in einem Gravitationsfeld wird an der Basis 100 eine inertiale Messeinheit angeordnet, mithilfe der inertialen Messeinheiten werden Daten des Gravitationsfelds, insbesondere die Gravitationsrichtung 112, erfasst, eine Orientierung der Basis 100 und die Daten zueinander in Bezug gesetzt, um die Orientierung des Roboters in dem Gravitationsfeld zu bestimmen, und Informationen über die Orientierung des Roboters in dem Gravitationsfeld werden gespeichert.To determine an orientation of the robot in a gravitational field, the base 100 an inertial measuring unit is arranged, with the aid of the inertial measuring units data of the gravitational field, in particular the gravitational direction 112 , recorded, an orientation of the base 100 and relating the data to each other to determine the orientation of the robot in the gravitational field, and information on the orientation of the robot in the gravitational field is stored.

Während einem regulären Betrieb des Roboters kann die Gravitationskraft 112 unter Berücksichtigung der Informationen über die Orientierung der Basis 100 kompensiert werden. Damit kann der Roboter in einem Gravitationskraftkompensierungsmodus seine Position selbständig ohne manuellen Eingriff halten.During regular operation of the robot, the gravitational force 112 taking into account the information on the orientation of the base 100 be compensated. This allows the robot to maintain its position independently in a gravitational force compensation mode without manual intervention.

Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.In particular, optional features of the invention are referred to as “can”. Accordingly, there are also developments and / or exemplary embodiments of the invention which additionally or alternatively have the respective feature or the respective features.

Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.If necessary, isolated features can also be selected from the feature combinations disclosed here and used in combination with other features to delimit the subject matter of the claim, dissolving any structural and / or functional relationship that may exist between the features.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100
BasisBase
102102
Flächesurface
104104
KanteEdge
106106
KanteEdge
108108
Eckecorner
110110
RoboterkoordinatensystemRobot coordinate system
112112
Gravitation, GravitationsrichtungGravitation, gravitational direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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  • DE 102016000187 B3 [0003]DE 102016000187 B3 [0003]

Claims (7)

Verfahren zum Bestimmen einer Orientierung eines Roboters in einem Gravitationsfeld, der Roboter aufweisend eine Basis (100) und eine Kontrollvorrichtung mit einem Computer und einem Datenspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass an der Basis (100) eine inertiale Messeinheit angeordnet wird, mithilfe der inertialen Messeinheiten Daten des Gravitationsfeld erfasst werden, eine Orientierung der Basis (100) und die Daten zueinander in Bezug gesetzt werden, um die Orientierung des Roboters in dem Gravitationsfeld zu bestimmen, und Informationen über die Orientierung des Roboters in dem Gravitationsfeld gespeichert werden.Method for determining an orientation of a robot in a gravitational field, the robot having a base (100) and a control device with a computer and a data memory, characterized in that an inertial measuring unit is arranged on the base (100), with the aid of the inertial measuring units data of the gravitational field are detected, an orientation of the base (100) and the data are related to one another in order to determine the orientation of the robot in the gravitational field, and information about the orientation of the robot in the gravitational field is stored. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten in sechs Freiheitsgraden erfasst werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the data are recorded in six degrees of freedom. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen über die Orientierung des Roboters in dem Gravitationsfeld in dem Datenspeicher gespeichert werden.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the information about the orientation of the robot in the gravitational field is stored in the data memory. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gravitation (112) mithilfe der gespeicherten Informationen über die Orientierung des Roboters in dem Gravitationsfeld kompensiert wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that gravitation (112) is compensated for with the aid of the stored information about the orientation of the robot in the gravitational field. Computerprogrammprodukt, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogrammprodukt Programmcodeabschnitte umfasst, mit denen ein Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 durchführbar ist, wenn das Computerprogrammprodukt mithilfe der Kontrollvorrichtung ausgeführt wird.Computer program product, characterized in that the computer program product comprises program code sections with which a method according to at least one of the Claims 1 until 4th can be carried out when the computer program product is executed with the aid of the control device. Roboter zum Durchführen eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, der Roboter aufweisend eine Basis (100) und eine Kontrollvorrichtung mit einem Computer und einem Datenspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass an der Basis (100) eine inertiale Messeinheit angeordnet ist.Robot for performing a method according to at least one of Claims 1 until 4th , the robot having a base (100) and a control device with a computer and a data memory, characterized in that an inertial measuring unit is arranged on the base (100). Roboter nach wenigstens Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die inertiale Messeinheit in die Basis (100) strukturell integriert ist.Robot after at least Claim 6 , characterized in that the inertial measuring unit is structurally integrated into the base (100).
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