DE102014226551A1

DE102014226551A1 - Method and device for manipulator-based training of manual movement sequences

Info

Publication number: DE102014226551A1
Application number: DE102014226551.7A
Authority: DE
Inventors: Julian Stockschläder; Richard Zunke
Original assignee: KUKA Systems GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Verfahren 50 zur manipulatorgestützten Ausführung von manuellen Bewegungsabläufen, aufweisend einen Aufnahmeschritt 60 durch manuelles Bewegen 62 eines an einem Manipulator 10 angebrachten Werkzeugs 20 und dabei Aufzeichnen eines korrekten Bewegungsablaufs 64 mittels des Manipulators 10 und anschließend einen Abspielschritt 70 durch manuelles Bewegen 72 des am Manipulator angebrachten Werkzeugs 20 und dabei einer Korrektur des Bewegungsablaufs 74 durch den Manipulator 10.Method 50 for the manipulator-based execution of manual movements, comprising a picking step 60 by manually moving 62 attached to a manipulator 10 tool 20 and thereby recording a correct movement 64 by means of the manipulator 10 and then a playback step 70 by manually moving 72 mounted on the manipulator tool 20 and thereby a correction of the movement sequence 74 by the manipulator 10th

Description

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur manipulatorgestützten Ausführung von manuellen Bewegungsabläufen. Hierbei können manuelle Bewegungsabläufe insbesondere manuelle Bearbeitungs- oder Fertigungsschritte durch maschinelle Unterstützung durchgeführt und erlernt werden. The present invention relates to a method for manipulator-based execution of manual movement sequences. In this case, manual movement sequences, in particular manual processing or production steps, can be carried out and learned by machine assistance.

2. Stand der Technik2. State of the art

Viele manuelle Tätigkeiten in der Fertigung benötigen eine große Erfahrung seitens des Werkers, um ein optimales Arbeitsergebnis zu erzielen. Ein Beispiel sind manuelle Tätigkeiten zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, beispielsweise das Schleifen, Lackieren und Polieren von Oberflächen. Das Erlernen solcher manuellen Tätigkeiten ist zeitaufwendig. Many manual activities in manufacturing require a great deal of experience on the part of the operator in order to achieve an optimal work result. One example is manual operations for surface treatment of workpieces, such as grinding, painting and polishing of surfaces. Learning such manual activities is time consuming.

Bei traditionellen Schulungen wird das Wissen von Werker zu Werker bzw. Lehrer zu Schüler weitergegeben. Dies ist zeitaufwendig, kostenintensiv und kann zu Ausschuss an durch den Schüler bearbeiteten Werkstücken führen. Beispielsweise benötigen Polierer im Werkzeugbau eine mehrjährige Erfahrung, um perfekte Arbeitsergebnisse zu erzielen. In traditional training, knowledge is passed from worker to worker or teacher to student. This is time consuming, costly and can lead to rejection of workpieces machined by the student. For example, polishers in toolmaking need several years of experience to achieve perfect work results.

Zur Schulung manueller Bewegungsabläufe werden bereits maschinelle Hilfsmittel eingesetzt. So ist beispielsweise bekannt, Simulatoren einzusetzen, bei denen ein mögliches Werkstück, ein Werkzeug und Prozesskräfte simuliert werden. Dabei wird kein reales Werkstück bearbeitet und entsprechend auch kein reales Arbeitsergebnis erzielt. Ein Beispiel hierfür sind Flugsimulatoren. Machine tools are already being used to train manual movements. For example, it is known to use simulators in which a possible workpiece, a tool and process forces are simulated. No real workpiece is processed and no real work result is achieved accordingly. An example of this are flight simulators.

Daneben sind Simulatoren für medizinische Operationen bekannt, wie sie in den Druckschriften US2009/0253109 A1 und US 2005/0038416 A1 beschrieben werden. Mit Hilfe solcher Simulatoren können virtuelle Operationen durchgeführt werden, bei denen kein realer Patient involviert ist. Dabei wird die Operationsbewegung eines Lehrers per Force-Feedback simultan an einen Schüler weitergegeben. Entsprechend sind Simulationsgeräte sowohl für den Lehrer als auch für den Schüler notwendig, was einen hohen Platzbedarf erfordert und kostenintensiv ist. Daneben muss stets der Lehrer und Schüler gleichzeitig anwesend sein. In addition, simulators for medical operations are known, as described in the publications US2009 / 0253109 A1 and US 2005/0038416 A1 to be discribed. With the help of such simulators virtual operations can be carried out in which no real patient is involved. The surgical movement of a teacher is simultaneously passed on to a student via force feedback. Accordingly, simulation devices are necessary for both the teacher and the student, which requires a large amount of space and is costly. In addition, the teacher and student must always be present at the same time.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die oben genannten Probleme zu überwinden und ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Schulung von manuellen Bewegungsabläufen bereitzustellen. It is therefore the object of the present invention to overcome the above problems and to provide an improved method and apparatus for manual motion training.

3. Zusammenfassung der Erfindung3. Summary of the invention

Die oben genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur manipulatorgestützten Ausführung von manuellen Bewegungsabläufen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine entsprechende Vorrichtung nach Anspruch 10. The above object is achieved by a method for manipulator-based execution of manual movement sequences according to claim 1 and by a corresponding device according to claim 10.

Insbesondere wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur manipulatorgestützten Ausführung von manuellen Bewegungsabläufen, aufweisend die folgenden Schritte:

a. einen Aufnahmeschritt durch manuelles Bewegen eines an einem Manipulator angebrachten Werkzeugs und dabei Aufzeichnen eines korrekten Bewegungsablaufs mittels des Manipulators;
b. anschließend, einen Abspielschritt durch manuelles Bewegen des am Manipulator angebrachten Werkzeugs und dabei einer Korrektur des Bewegungsablaufs durch den Manipulator.

In particular, the above object is achieved by a method for manipulator-based execution of manual movement sequences, comprising the following steps:

a. a picking up step by manually moving a tool attached to a manipulator and thereby recording a correct movement by means of the manipulator;
b. then, a playback step by manually moving the attached to the manipulator tool and thereby correcting the movement by the manipulator.

Das Verfahren eignet sich für beliebige manuell durchzuführende Tätigkeiten, bei denen ein bestimmter Soll-Bewegungsablauf mit Hilfe des Manipulators aufgezeichnet wird und anschließend unter Korrektur durch den Manipulator wiederholt werden soll.The method is suitable for any activities to be carried out manually, in which a specific target movement sequence is recorded with the aid of the manipulator and then repeated under correction by the manipulator.

Mittels des Manipulators wird im Aufnahmeschritt ein korrekter Bewegungsablauf aufgezeichnet. Dies kann dadurch geschehen, das beispielsweise ein Lehrer den korrekten Bewegungsablauf durch manuelles Bewegen des Manipulators vorgibt, wobei der korrekte Bewegungsablauf aufgezeichnet wird. Danach kann in einem Abspielschritt der Manipulator eine manuelle Bewegung eines am Manipulator angebrachten Werkzeugs korrigieren. Beispielsweise kann ein Schüler unter Korrektur durch den Manipulator beliebig oft den Bewegungsablauf selbst durchführen, und wird dabei vom Manipulator korrigiert, ohne dass der Lehrer anwesend sein muss. Dabei werden bevorzugt dasselbe Werkzeug und derselbe Manipulator verwendet, was die Anlagenkosten verringert. Der Schüler kann weiterhin direkt mit dem realen Werkzeug am realen Werkstück üben, wobei der Manipulator verhindert, dass der Schüler falsche Bewegungen ausführt oder falsche Kräfte aufbringt. Das Verfahren ist daher besonders realitätsgetreu und verhindert gleichzeitig, dass Ausschuss entsteht. Beim Lernen kann daher bereits produktiv an realen Werkstücken gearbeitet werden. By means of the manipulator, a correct course of motion is recorded in the recording step. This can be done by, for example, a teacher specifying the correct sequence of movements by manually moving the manipulator, wherein the correct movement sequence is recorded. Thereafter, in a playback step, the manipulator may correct a manual movement of a tool attached to the manipulator. For example, a pupil corrected by the manipulator as often as possible to perform the motion itself, and is thereby corrected by the manipulator, without the teacher must be present. The same tool and the same manipulator are preferably used, which reduces the cost of equipment. The student can continue to practice directly with the real tool on the real workpiece, the manipulator prevents the student performs incorrect movements or incorrect forces applied. The process is therefore particularly realistic and at the same time prevents rejects from forming. Therefore, it is already possible to work productively on real workpieces during learning.

Die Korrektur des Bewegungsablaufs umfasst bevorzugt, dass der Bewegungsablauf im Abspielschritt an den aufgezeichneten, korrekten Bewegungsablauf angepasst bzw. auf diesen hin oder zu diesem hin korrigiert wird. Bevorzugt kann die Korrektur des Bewegungsablaufs umfassen, dass im Abspielschritt ein manuelles Bewegen weg von oder neben den korrekten Bewegungsablauf nicht erlaubt wird. Weiterhin besonders bevorzugt kann die Korrektur des Bewegungsablaufs somit eine Korrektur einer Ist-Position des Werkzeugs an den korrekten Bewegungsablauf bzw. an die (insbesondere im vorliegenden Zeitpunkt) vorliegende Soll-Position des korrekten Bewegungsablaufs bzw. an den Soll-Bewegungsablauf umfassen. The correction of the movement sequence preferably comprises that the movement sequence in the playback step is adapted to the recorded, correct movement sequence or corrected for this or toward it. Preferably, the correction of the movement sequence may include that in the playback step, a manual movement away from or in addition to the correct movement sequence is not permitted becomes. Furthermore, particularly preferably, the correction of the movement sequence can thus include a correction of an actual position of the tool to the correct movement sequence or to the desired position of the correct movement sequence or to the desired movement sequence present (in particular at the present time).

Bevorzugt wird als Manipulator ein Leichtbauroboter (LBR) für die Mensch-Roboter-Kollaboration verwendet. Preferably, a lightweight robot (LBR) is used as the manipulator for human-robot collaboration.

Bevorzugt ist die Korrektur des Bewegungsablaufs skalierbar. Am Anfang der Lernphase benötigt der Schüler erfahrungsgemäß ein stärkeres Maß an Korrektur als am Ende der Lernphase. Entsprechend kann die Korrektur des Bewegungsablaufs durch den Manipulator beispielsweise in ihrer Stärke oder in der Größe des möglichen Bewegungsraums einstellbar sein. Am Ende der Lernphase könnte der Eingriff durch den Manipulator in der Stärke nur noch sehr gering eingestellt sein oder der Bewegungsraum sehr wenig eingeschränkt sein, um dem Schüler mehr Freiheiten zu lassen. Preferably, the correction of the movement sequence is scalable. At the beginning of the learning phase, the student needs a higher level of correction than at the end of the learning phase. Accordingly, the correction of the movement sequence by the manipulator, for example, in their strength or in the size of the possible range of motion to be adjustable. At the end of the learning phase, the intervention by the manipulator could only be set very low in strength or the range of movement could be very limited, in order to give the student more freedom.

Bevorzugt wirkt die Korrektur des Bewegungsablaufs in unterschiedlichen Achsen oder unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich stark. Die Korrektur kann je nach Achse oder Richtung unterschiedlich stark erfolgen, um die Bewegungen des Schülers beim Lernen zielgerichtet zu führen. Preferably, the correction of the motion sequence in different axes or different directions acts differently strong. Depending on the axis or direction, the correction can be made to different degrees in order to guide the movements of the student in a targeted manner.

Bevorzugt umfasst der Schritt der Korrektur des Bewegungsablaufs eine Freigabe der Bewegung des Werkzeugs in einer Ebene, entlang einer Bewegungsbahn, in einem Bewegungskorridor und/oder in einem Bewegungsraum. Damit kann der Schüler in dieser Ebene, entlang dieser Bewegungsbahn, in diesem Bewegungskorridor oder in diesem Bewegungsraum das Werkzeug vom Manipulator unbeeinflusst führen. Wenn Beispielsweise eine ebene Fläche geschliffen werden soll, kann die Bewegung in der Ebene freigeben werden jedoch die Bewegung senkrecht der Ebene kontrolliert werden, um beispielsweise den vom Werker ausgeübten Anpressdruck des Werkzeugs auf die Ebene zu korrigieren.The step of correcting the movement sequence preferably comprises a release of the movement of the tool in a plane, along a movement path, in a movement corridor and / or in a movement space. Thus, the student in this plane, along this trajectory, in this movement corridor or in this movement space, the tool unaffected by the manipulator. If, for example, a flat surface is to be ground, the movement in the plane can be released, but the movement perpendicular to the plane can be controlled in order, for example, to correct the tool's contact pressure exerted on the plane.

Bevorzugt umfasst der Schritt der Korrektur des Bewegungsablaufs das Aufbringen einer veränderlichen Korrekturkraft durch den Manipulator. Die vom Manipulator erzeugte Korrekturkraft wirkt dabei einer falschen Bewegung des Werkzeugs entgegen und drückt das Werkzeug zurück auf eine korrekte Bewegungsbahn des Bewegungsablaufs. Die Korrekturkraft korrigiert daher die manuelle Bewegung des Werkzeugs im Abspielschritt, soweit eine Korrektur erforderlich ist. Der Manipulator kann zur Korrektur des Bewegungsablaufs eine veränderliche Korrekturkraft auf das Werkzeug und damit auf den das Werkzeug führenden Schüler aufbringen. The step of correcting the movement sequence preferably comprises the application of a variable correction force by the manipulator. The correction force generated by the manipulator counteracts a wrong movement of the tool and pushes the tool back to a correct trajectory of the movement. The correction force therefore corrects the manual movement of the tool in the playback step, as far as a correction is required. The manipulator can apply a variable correction force to the tool and thus to the tool guiding the student to correct the movement sequence.

Bevorzugt steigt die Korrekturkraft des Manipulators an, je weiter das Werkzeug vom korrekten Bewegungsablauf entfernt wird. Damit wird der Schüler durch die Korrekturkraft sanft auf die korrekte Bewegungsbahn geleitet, wodurch sich ein guter Lerneffekt einstellt. Preferably, the correction force of the manipulator increases, the farther the tool is removed from the correct sequence of movements. This will gently guide the student to the correct trajectory through the correction force, resulting in a good learning effect.

Bevorzugt werden beim Aufnahmeschritt zusätzlich Werkzeugkräfte aufgezeichnet. Mit den aufgezeichneten korrekten Werkzeugkräften des Lehrers kann der Schüler erlernen, welche Werkzeugkräfte bei welcher Bewegung oder Bearbeitungsposition notwendig sind. Der Manipulator kann hierbei den Schüler, wenn notwendig, korrigieren und die Werkzeugkräfte verringern oder erhöhen. In addition, tool forces are recorded during the recording step. With the recorded correct tool forces of the teacher, the student can learn which tool forces are necessary in which movement or machining position. The manipulator can, if necessary, correct the student and reduce or increase the tool forces.

Die Werkzeugkräfte sind hierbei bevorzugt die Kräfte, die durch das Werkzeug, ein durch das Werkzeug zu bearbeitendes Werkstück (bzw. Element) und/oder durch das manuelle Bewegen (durch bevorzugt den Lehrer, den Schüler oder den Anwender) am Werkzeug auftreten und/oder auf das Werkzeug (ein-)wirken. Bevorzugt sind die Werkzeugkräfte die am Werkzeug bei der Bearbeitung des Werkstücks resultierenden Prozesskräfte, die vom Manipulator und/oder vom Anwender aufgebracht und/oder kompensiert werden.The tool forces here are preferably the forces which occur through the tool, a workpiece (or element) to be machined by the tool and / or by the manual movement (by preferably the teacher, the student or the user) on the tool and / or on the tool (on) act. The tool forces are preferably the process forces resulting from the machining of the workpiece, which are applied and / or compensated by the manipulator and / or by the user.

Bevorzugt weist das Verfahren weiterhin den Schritt des Signalisierens der aktuellen Werkzeugkraft im Vergleich zu den aufgezeichneten Werkzeugkräften auf. Beim Abspielschritt kann dem Schüler angezeigt werden, ob die durch ihn aufgebrachte Werkzeugkraft das richtige Maß hat oder nicht. Die Signalisierung kann beispielsweise durch eine optische Anzeige erfolgen, wobei beispielsweise eine grüne Anzeige anzeigt, dass die Werkzeugkraft korrekt ist, eine rote Anzeige anzeigt, dass die Werkzeugkraft zu hoch ist und eine blaue Anzeige anzeigt, dass die Werkzeugkraft zu niedrig ist. Die Anzeige kann beispielsweise auf einem Monitor erfolgen oder eine Anzeigelampe sein. Bevorzugt befindet sich die Anzeige im Bereich des Werkzeugs, so dass der Schüler eine sofortige Rückmeldung über die durch Ihn aufgebrachte Werkzeugkraft erhält.Preferably, the method further comprises the step of signaling the current tool force as compared to the recorded tool forces. During the playback step, the student can be shown whether or not the tool force applied by him has the right amount. The signaling may be, for example, by visual indication, for example, a green indication indicating that the tool force is correct, a red indication indicating that the tool force is too high, and a blue indication indicating that the tool force is too low. The display can for example be on a monitor or be an indicator light. Preferably, the display is located in the region of the tool so that the student receives immediate feedback about the tool force applied by him.

Bevorzugt führt der Manipulator sowohl beim Aufnahmeschritt als auch beim Abspielschritt eine Kompensation seiner Gravitationskräfte durch. Damit verhält sich der Manipulator quasi schwerelos und der Lehrer und der Schüler hat den Eindruck er bewege lediglich das Werkzeug. The manipulator preferably performs a compensation of its gravitational forces both during the recording step and during the playback step. Thus, the manipulator behaves quasi weightless and the teacher and the student has the impression he moves only the tool.

Bevorzugt führt das Werkzeug sowohl beim Aufzeichnen des korrekten Bewegungsablaufs als auch bei der Korrektur des Bewegungsablaufs eine reale Bearbeitung eines Werkstücks durch. Ein Vorteil des Verfahrens ist es, dass unmittelbar am realen Werkstück ausgebildet werden kann, so dass einerseits die Ausbildung so real wie möglich ist und andererseits während der Ausbildung bereits produktiv gearbeitet werden kann. The tool preferably performs a real machining of a workpiece both during recording of the correct sequence of movements and during the correction of the sequence of movements. An advantage of the method is that it can be formed directly on the real workpiece, so that on the one hand the training is as real as possible and On the other hand, during the training can already be worked productively.

Die oben genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zur manipulatorgestützten Ausführung von manuellen Bewegungsabläufen, insbesondere zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, aufweisend einen Manipulator, ein an dem Manipulator angebrachtes Werkzeug, wobei das Werkzeug samt Manipulator im Arbeitsraum des Manipulators frei beweglich ist, und Steuerungsmittel zum Aufzeichnen eines korrekten Bewegungsablaufs des Werkzeugs an dem Manipulator, wobei der Manipulator für ein manuelles Bewegen des am Manipulator angebrachten Werkzeugs eingerichtet ist und eingerichtet ist, dabei mittels der Steuerungsmittel eine Korrektur des Bewegungsablaufs durchzuführen. Damit ergeben sich ebenfalls die oben beschriebenen Vorteile. The above object is also achieved by a device for manipulator-based execution of manual movement sequences, in particular for carrying out the method described above, comprising a manipulator, a tool attached to the manipulator, the tool together with manipulator in the working space of the manipulator is freely movable, and Control means for recording a correct movement of the tool on the manipulator, wherein the manipulator is arranged for a manual movement of the attached tool on the manipulator and is arranged to perform by means of the control means, a correction of the movement sequence. This also results in the advantages described above.

Bevorzugt ist der Roboter ein Leichtbauroboter (LBR) für die Mensch-Roboter-Kollaboration. The robot is preferably a lightweight robot (LBR) for human-robot collaboration.

Bevorzugt weist die Vorrichtung weiterhin einen Führungsgriff auf, der über einen Kraftsensor mit dem Werkzeug verbunden ist. Der Führungsgriff dient zum manuellen Führen des Werkzeugs und des Manipulators. Über den Kraftsensor am Führungsgriff kann die vom Werker auf das Werkzeug eingebrachte Kraft gemessen werden. Preferably, the device further comprises a guide handle, which is connected via a force sensor with the tool. The guide handle is used for manually guiding the tool and the manipulator. Using the force sensor on the guide handle, the force applied by the operator to the tool can be measured.

Bevorzugt weist das Werkzeug mindestens einen Kraftsensor zum Messen der Werkzeugkraft auf. Über den Kraftsensor zum Messen der Werkzeugkraft kann diese entlang der Bewegung im Aufnahmeschritt aufgezeichnet oder im Abspielschritt gemessen und korrigiert werden. The tool preferably has at least one force sensor for measuring the tool force. Through the force sensor for measuring the tool force, it can be recorded along the movement in the picking step or measured and corrected in the playing step.

Bevorzugt weist der Manipulator an jeder Achse Lage- und Kraftsensoren auf. Damit kann der Manipulator die von ihm ausgeübten Kräfte und Momente überwachen und Sicherheitsbereiche einhalten. Dies erhöht die Sicherheit im Aufnahme- und Abspielschritt, in denen eine enge Mensch-Maschine-Kollaboration erfolgt. The manipulator preferably has position and force sensors on each axis. This allows the manipulator to monitor the forces and moments that it exerts and to adhere to safety areas. This increases the security in the recording and playback step, in which a close human-machine collaboration takes place.

Bevorzugt weist der Manipulator eine gravitationskompensierende Betriebsweise auf. Damit verhält sich der Manipulator quasi schwerelos und der Werker erhält den Eindruck, er bewege lediglich das Werkzeug. The manipulator preferably has a gravitation-compensating mode of operation. Thus, the manipulator behaves almost weightless and the worker gets the impression that he only move the tool.

4. Kurze Beschreibung der Figuren4. Brief description of the figures

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug zu den Figuren dargestellt. In denen zeigt: In the following, preferred embodiments of the invention are illustrated with reference to the figures. In which shows:

1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Systems zur manipulatorgestützten Ausführung von manuellen Bewegungsabläufen; und 1 a schematic representation of an exemplary system for manipulator-based execution of manual movement sequences; and

2 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur manipulatorgestützten Ausführung von Bewegungsabläufen. 2 a flowchart of an exemplary method for manipulator-based execution of movements.

5. Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen5. Description of preferred embodiments

1 zeigt ein beispielhaftes System 1 zur manipulatorgestützten Ausführung von manuellen Bewegungsabläufen, welches sich insbesondere zur manipulatorgestützten Schulung von manuellen Bewegungsabläufen eignet. Das System 1 umfasst einen Manipulator 10, ein am Manipulator 10 angebrachtes Werkzeug 20 und ein Steuerungsmittel 40 des Manipulators 40. Das Werkzeug 10 dient zur Bearbeitung eines ebenfalls symbolisch dargestellten Werkstücks 30 und kann über einen Handgriff 12 von einem Lehrer oder Schüler (nicht dargestellt) manuell geführt werden. 1 shows an exemplary system 1 for manipulator-based execution of manual movement sequences, which is particularly suitable for manipulator-based training manual movement sequences. The system 1 includes a manipulator 10 , one on the manipulator 10 attached tool 20 and a control means 40 of the manipulator 40 , The tool 10 is used to process a likewise symbolically represented workpiece 30 and can be over a handle 12 be manually guided by a teacher or student (not shown).

Der Manipulator 10 umfasst mehrere Achsen 16 und kann mittels der Steuerung 40 so betrieben werden, dass er sich mit dem Werkzeug 20 mitbewegt, wenn dieses von einem Anwender, beispielsweise einem Lehrer oder Schüler, manuell bewegt wird. Die Achsen 16 des Manipulators 10 werden dann „weichgeschaltet“. Bevorzugt kann der Manipulator 10 auch in einer gravitationskompensierenden Betriebsart betrieben werden, so dass er einerseits weichgeschaltet ist und zusätzlich sein Eigengewicht kompensiert. Der Manipulator 10 verhält sich daher quasi schwerelos. Damit erfährt der Anwender lediglich die Kräfte, die durch das Werkzeug 20 bei der Bearbeitung des Werkstücks 30 entstehen, bevorzugt wird jedoch die Gewichtskraft des Werkzeugs selbst nicht kompensiert, sodass der Anwender die Gewichtskraft des Werkzeugs erfährt. Vorzugsweise wird als Manipulator 10 ein Leichtbauroboter LBR verwendet, der technisch ausreichend sicher ist, so dass er zur Mensch-Roboter-Kollaboration geeignet ist. The manipulator 10 includes several axes 16 and can by means of the controller 40 be operated so that he is with the tool 20 moved when manually moved by a user such as a teacher or student. The axes 16 of the manipulator 10 are then "switched soft". Preferably, the manipulator 10 be operated in a gravitationally compensating mode, so that it is on the one hand soft-connected and additionally compensates its own weight. The manipulator 10 behaves therefore almost weightless. Thus, the user only experiences the forces generated by the tool 20 during machining of the workpiece 30 arise, but preferably the weight of the tool itself is not compensated, so that the user learns the weight of the tool. Preferably, as a manipulator 10 used a lightweight robot LBR, which is technically sufficiently safe, so that it is suitable for human-robot collaboration.

Das Werkzeug 20 kann ein beliebiges handgeführtes manuelles oder maschinell angetriebenes Werkzeug 20 sein, beispielsweise eine elektrische Handschleifmaschine. Hierbei ist der Korpus des Werkzeugs 20 an der Hand des Manipulators 20 befestigt. Der Führungsgriff 12 kann sowohl an der Hand des Manipulators 20 als auch an dem Korpus des Werkzeugs 20 angebracht sein. Zur Messung der Kraft F_l die der Lehrer oder der Kraft F_s, die der Schüler über den Führungsgriff 12 auf das Werkzeug 20 und möglicherweise auf den Manipulator 10 überträgt, ist der Führungsgriff 12 über einen Kraftsensor 14 mit dem Werkzeug 20 oder der Hand 18 des Manipulators 10 verbunden. Zur Messung der Werkzeugkraft F_w die das Werkzeug 20 auf das Werkstück 30 überträgt, ist das Werkzeug 20 mit einem Kraftsensor 22 ausgestattet. Die Werkzeugkraft F_w kann auch als Prozesskraft bezeichnet werden. The tool 20 can be any hand-held manual or power tool 20 be, for example, an electric hand grinder. Here is the body of the tool 20 on the hand of the manipulator 20 attached. The guide handle 12 can be both at the hand of the manipulator 20 as well as on the body of the tool 20 to be appropriate. To measure the force F _l the the teacher or the force F _s that the student has over the guide handle 12 on the tool 20 and possibly on the manipulator 10 transfers, is the guide handle 12 via a force sensor 14 with the tool 20 or the hand 18 of the manipulator 10 connected. To measure the Tool force F _w the tool 20 on the workpiece 30 transfers is the tool 20 with a force sensor 22 fitted. The tool force F _w can also be referred to as a process force.

Ein Verfahren 50 zur manipulatorgestützten Ausführung von manuellen Bewegungsabläufen kann erfolgen, wie es schematisch in 2 dargestellt ist. In einem Aufnahmeschritt 60 macht ein Anwender, beispielsweise der Lehrer, den korrekten Bewegungsablauf vor. Hierzu bewegt er das am Manipulator 10 angebrachte Werkzeug 20, wie es für die reale Bearbeitung des Werkstücks 30 notwendig ist (Teilschritt 62). Dabei wird mittels des Manipulators 10 der korrekte Bewegungsablauf aufgezeichnet (Teilschritt 64). Parallel zu dem Bewegungsauflauf werden periodisch auch die korrekten Werkzeugkräfte F_w und Führungskräfte F_l aufgezeichnet. A procedure 50 for manipulator-based execution of manual movements can be done, as shown schematically in 2 is shown. In a recording step 60 makes a user, for example, the teacher, the correct movement before. For this he moves that on the manipulator 10 attached tool 20 as is the case for the real machining of the workpiece 30 is necessary (sub-step 62 ). It is by means of the manipulator 10 the correct movement is recorded (sub-step 64 ). Parallel to the movement casserole, the correct tool forces F _w and guiding forces F _{l are also} recorded periodically.

Aus den aufgezeichneten Daten wird im Steuerungsmittel 40 ein Abspielprogramm berechnet. Dabei kennt der Manipulator die Wegpunkte und Orientierung des Werkzeugs. Gegebenenfalls kann zu den Wegpunkten ein Offset, beispielsweise 100mm, zwischen Werkzeug 20 und Werkstück 30 hinzugerechnet werden. From the recorded data is in the control means 40 a player program calculated. The manipulator knows the waypoints and orientation of the tool. Optionally, to the waypoints an offset, for example 100mm, between tool 20 and workpiece 30 be added.

Nachdem der Aufnahmeschritt 60 abgeschlossen ist, kann ein Anwender, beispielsweise der Schüler, im Abspielschritt 70 den korrekten Bewegungsablauf erlernen. Hierzu bewegt er über den Führungsgriff 12 ebenfalls das Werkzeug 20 und bearbeitet das Werkstück 30. Der Manipulator 10 erkennt dabei den vom Schüler ausgeführten Bewegungsablauf des Werkzeugs 20 und kann diesen Bewegungsablauf korrigieren, wenn erforderlich. Hierzu steuert der Manipulator 10 einer falschen Werkzeugbewegung des Schülers entgegen. Ebenso können die bei der Bearbeitung auftretenden Prozess- bzw. Werkzeugkräfte F_w und die Führungskraft des Schülers F_s gemessen werden und mit den korrekten Werkzeug- und Führungskräften F_w und F_s verglichen werden. After the receiving step 60 is completed, a user, for example, the student, in the playback step 70 learn the correct movement. For this he moves over the guide handle 12 also the tool 20 and machined the workpiece 30 , The manipulator 10 recognizes the movement of the tool by the student 20 and can correct this movement, if necessary. The manipulator controls this 10 a wrong tool movement of the student contrary. Likewise, the process or tool forces F _w occurring during processing and the executive of the student F _s can be measured and compared with the correct tool and guide forces F _w and F _s .

Aus Sicherheitsgründen kann der Start und Ablauf des Abspielschritts 70 davon abhängig gemacht werden, dass der Anwender einen Zustimmschalter korrekt betätigt. For security reasons, the start and end of the playback step 70 be made dependent on the user actuating an enabling switch correctly.

Soll beispielsweise die Oberseite des Werkzeugs 30 auf einer bestimmten Bahn geschliffen werden, kann der Manipulator 10 die korrekte Bewegung in der X-Y-Ebene vorgeben, wobei eine Bewegung durch den Schüler in Z-Richtung freigegeben wird. In Z-Richtung wird der Manipulator entsprechend weich geschaltet. So kann der Schüler die Werkzeugkraft F_w vorgeben und erlernen und braucht sich nicht um die Bewegung in der X-Y-Ebene kümmern. For example, consider the top of the tool 30 can be ground on a given path, the manipulator 10 specify the correct movement in the XY plane, releasing movement in the Z direction by the student. In the Z direction, the manipulator is switched accordingly soft. So the student can set the tool force F _w and learn and does not need to worry about the movement in the XY plane.

Andererseits kann auch die Bewegung in der X-Y-Ebene freigegeben werden und der Manipulator könnte die korrekte Werkzeugkraft F_w vorgeben. On the other hand, the movement in the XY plane can be released and the manipulator could specify the correct tool force F _w .

Vorteilhaft ist hierbei, dass der Eingriff des Manipulators im Abspielschritt skalierbar ist. Er kann bestimmte Bewegungen oder Kräfte am Anfang der Lernphase des Schülers zu 100% übernehmen. Im Laufe der Zeit wird dann der Eingriff des Manipulators immer weiter zurückgenommen (90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10%) bis schlussendlich am Ende der Lernphase der Schüler die gesamte Bewegung und die gesamte Kraftaufbringung selbsttätig ohne Unterstützung durchführt. Somit ergibt sich ein fließender Übergang bis die Schulung beendet ist. It is advantageous here that the intervention of the manipulator in the playback step is scalable. He can take over 100% of certain movements or powers at the beginning of the student's learning phase. Over time, the intervention of the manipulator (90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10%) is reduced until finally at the end of the students' learning phase entire movement and the entire application of force is carried out automatically without assistance. This results in a smooth transition until the training is completed.

Daneben kann die Unterstützung in unterschiedliche Achsen oder unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich stark sein. Genauso kann die Unterstützung in bestimmten Richtungen, Ebenen, Bewegungsbahnen, Bewegungskorridoren oder Bewegungsräumen ganz entfallen, so dass das Werkzeug 20 dort vom Schüler frei beweglich ist. In addition, the support in different axes or different directions can be different. Likewise, the support in certain directions, planes, trajectories, motion corridors, or movement spaces can be completely eliminated, leaving the tool 20 there is freely movable by the student.

Weiterhin können dem Lehrer oder Schüler auf einem Monitor Zusatzinformationen wie Prozessinformationen (Schleifmittel, Werkzeugeinstellung, etc.), einzustellende Prozessparameter (Drehzahl, ...), Tipps und Tricks, die der Lehrer beispielsweise in ein Textfeld eingeben kann, oder eine Anzeige (Lampe oder Teil des Monitors), ob die ausgeübte Führungskraft in Ordnung oder nicht in Ordnung ist, angezeigt werden. Furthermore, the teacher or student on a monitor additional information such as process information (abrasive, tool setting, etc.), process parameters to be set (speed, ...), tips and tricks that the teacher can enter, for example, in a text box, or a display (lamp or part of the monitor), whether the exercised manager is OK or not.

Auch kann der Aufnahmeschritt 60 durch den Lehrer mit einer Videokamera aufgezeichnet und bei der Schulung abgespielt werden. Dadurch wird dem Schüler beispielsweise die Körperhaltung vermittelt. Also, the receiving step 60 recorded by the teacher with a video camera and played during the training. This, for example, conveys the posture to the student.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2009/0253109 A1 [0005]
US 2005/0038416 A1 [0005]

Claims

Procedure ( 50 ) for the manipulator-based execution of manual movements, comprising the following steps: a. a recording step ( 60 ) by manually moving ( 62 ) one on a manipulator ( 10 ) attached tool ( 20 ) and thereby recording a correct course of motion ( 64 ) by means of the manipulator ( 10 ); b. then, a playback step ( 70 ) by manually moving ( 72 ) of the tool attached to the manipulator ( 20 ) and thereby a correction of the movement sequence ( 74 ) by the manipulator ( 10 ).

Method according to claim 1, wherein the correction of the movement sequence ( 74 ) is scalable.

Method according to one of claims 1 or 2, wherein the correction of the movement sequence ( 74 ) acts differently in different axes or different directions.

Method according to one of claims 1 to 3, wherein the step of correcting the movement sequence ( 74 ) a release of the movement of the tool ( 20 ) in certain directions, planes, along trajectories and / or in motion spaces.

Method according to one of claims 1 to 4, wherein the step of correcting the movement sequence ( 74 ) the application of a variable correction force (F _k ) by the manipulator ( 10 ).

Method according to one of claims 1 to 5, wherein the correction force (F _k ) of the manipulator ( 10 ), the farther the tool ( 20 ) is removed from the correct sequence of movements.

Method according to one of claims 1 to 6, wherein at the receiving step ( 60 ) additional tool forces (F _w ) are recorded.

The method of claim 7, further comprising the step of signaling the current tool force (Fw) as compared to the recorded tool forces (Fw).

Method according to one of claims 1 to 8, wherein the manipulator ( 10 ) both at the receiving step ( 60 ) as well as the playback step ( 70 ) performs a compensation of its gravitational forces.

Method according to one of claims 1 to 9, wherein both in the receiving step ( 60 ) as well as the playback step ( 70 ) the tool ( 20 ) a real machining of a workpiece ( 30 ).

Contraption ( 1 ) for the manipulator-based execution of manual movement sequences, in particular for carrying out the method ( 50 ) according to any one of claims 1 to 10, comprising: a. a manipulator ( 10 ); b. one on the manipulator ( 10 ) attached tool ( 20 ), the tool ( 20 ) together with manipulator ( 10 ) in the working space of the manipulator ( 10 ) is freely movable; c. Control means ( 40 ) for recording a correct movement of the tool ( 20 ); d. the manipulator ( 10 ) for a manual move ( 72 ) of the tool attached to the manipulator ( 20 ) and is set up, thereby by means of the control means ( 40 ) a correction of the movement sequence ( 74 ) of the tool ( 20 ).

Apparatus according to claim 11, further comprising a guide handle ( 12 ), which via a force sensor ( 14 ) with the tool ( 20 ) or the manipulator ( 10 ) connected is.

Device according to one of claims 11 or 12, wherein the tool ( 20 ) at least one force sensor ( 22 ) for measuring the tool force (F _w ).

Device according to one of claims 11 to 13, wherein the manipulator ( 10 ) on each axis ( 16 ) Has position and force sensors.

Device according to one of claims 11 to 14, wherein the manipulator ( 10 ) has a gravitationally compensating mode of operation.