DE102011083347B4

DE102011083347B4 - Verfahren zur Steuerung eines redundanten Robotersystems

Info

Publication number: DE102011083347B4
Application number: DE102011083347.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Ott; Jordi Artigas; Carsten Preusche
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2031-09-24
Also published as: DE102011083347A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines redundanten Robotersystems (1) zur Ausführung einer Aufgabe mit folgenden Schritten: Überwachen der dem Robotersystem (1) bei der auszuführenden Aufgabe zugefügten Energie, wobei bei Überschreiten einer vorgegebenen Energiegrenze der die Energiegrenze überschreitende Energieanteil dissipiert wird, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: – Bestimmen von Nullraumbewegungen bei der auszuführenden Aufgabe – Zuordnen einer Dissipation von zumindest einem Teil des die Energiegrenze überschreitende Energieanteils zu mindestens einer der Nullraumbewegungen – Dissipation der Energie durch diese mindestens eine der Nullraumbewegungen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines redundanten Robotersystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Redundante Robotersysteme sind Robotersysteme, die beispielsweise über einen Endeffektor eine Aufgabe ausführen, wobei die für die Ausführung der Aufgabe benötigten Freiheitsgrade geringer sind als die in dem redundanten Robotersystem zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade.
Eine Regelung von redundanten Robotersystemen ist insbesondere bei unbekannten oder schwer modellierbaren Regelstreckenparametern unter Berücksichtigung der zu erfüllenden Aufgabe häufig schwierig möglich.
Ein bekanntes Regelungskonzept ist die passivitätsbasierte Regelung, die in gutem Maße die Stabilität des Systems regelt. Ein dabei eingesetzter zeitdiskreter Passivitätsregler bietet eine Möglichkeit, die Passivität zu garantieren, ohne die Systemeigenschaften zu kennen und ist dabei weniger konservativ als regelungstechnische Konzepte, die die Passivität in der La-Place-Ebene betrachten. Die passivitätsbasierten Regelungskonzepte benötigen eine adaptive Dämpfung in dem System, die zur Stabilisierung des Systems beiträgt. Über die adaptive Dämpfung kann die gesamte Energiebilanz des Robotersystems reguliert werden, indem überschüssige Energie durch die Dämpfung dissipiert wird.
Bei passivitätsbasierten Regelungen komplexer Roboter mit einer großen Anzahl von Gelenkfreiheitsgraden erfolgt jedoch die Dämpfung des Systems mit einer vorab festgelegten Verteilung, was zu einer Degradation der Aufgabenleistung führt.
Bei passivitätsbasierten Regelungen komplexer Roboter mit einer großen Anzahl von Gelenkfreiheitsgraden erfolgt jedoch die Dämpfung des Systems mit einer vorab festgelegten Verteilung, was zu einer Degradation der Aufgabenleistung führt.
Weitere Steuerungen von Robotersystemen sind aus US 2006/0293791 A1 und US 2006/0224253 A1 bekannt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines redundanten Robotersystems zur Verfügung zu stellen, bei dem eine hohe Stabilität gewährleistet ist, wobei gleichzeitig die Aufgabenleistung nicht oder nur gering beeinflusst und die Dämpfung im Kartesischen Raum reduziert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass folgende Schritte durchgeführt werden:

– Überwachen der dem Robotersystem zugefügten Energie, wobei bei Überschreiten einer vorgegebenen Energiegrenze der die Energiegrenze überschreitende Energieanteil dissipiert wird
– Bestimmen von Nullraumbewegungen bei der auszuführenden Aufgabe
– Zuordnen einer Dissipation von zumindest einem Teil des die Energiegrenze überschreitenden Energieanteils zumindest einer der Nullraumbewegungen.

Bei redundanten Robotern werden häufig bei einer Ausführung einer Aufgabe Nullraumbewegungen durchgeführt. Nullraumbewegungen sind Bewegungen, die von beispielsweise Gelenken des Robotersystems, durchgeführt werden, die jedoch keinen Einfluss auf die Ausführung der Aufgabe durch einen Endeffektor haben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines redundanten Robotersystems werden diese Nullraumbewegungen erkannt und dazu benutzt, um die zur Stabilität des Systems notwendige Dissipation von Energie zu gewährleisten. Da die Nullraumbewegungen keinen Einfluss auf die auszuführende Aufgabe haben, wird die Aufgabenleistung durch die Dissipation der Energie nicht beeinflusst.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energiegrenze durch die Passivitätsbalance des Robotersystems vorgegeben ist. Auf diese Weise ist eine besonders vorteilhafte passivitätsbasierte Regelung des redundanten Robotersystems möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass bevorzugte Nullraumbewegungen vorgegeben werden, in denen die Dissipation erfolgt. Somit kann beispielsweise eine Rangordnung von Nullraumbewegungen vorgegeben werden, die zur Dissipation der Energie genutzt werden. Sofern der zu dissipierende Energieanteil die maximale Dissipation von Energie bei einer bestimmten Nullraumbewegung überschreitet, kann die in der Rangordnung nächste Nullraumbewegung die Dissipation der Energie übernehmen. Dadurch kann die Regelung des redundanten Robotersystems in besonders vorteilhafter Weise erfolgen, da zunächst die Nullraumbewegungen als bevorzugt vorgegeben werden, die bei einer auszuführenden Aufgabe zu keinem Zeitpunkt zur Ausführung der Aufgabe beitragen. In der Rangfolge nachfolgende Nullraumbewegungen können beispielsweise solche sein, die nur in einem bestimmten Zeitraum Nullraumbewegungen sind und zu einem anderen Zeitpunkt Bewegungen sind, die zur Ausführung der Aufgabe beitragen.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Dissipation der Energie durch Dämpfung erfolgt. Durch Dämpfung ist eine Dissipation auf besonders einfache Art und Weise möglich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere vorgesehen, dass die Dissipation der Energie durch eine Dämpfung der Bewegung und/oder der Kraft des Robotersystems erfolgt.
Die Dämpfung der Bewegung kann beispielsweise eine mechanische Dämpfung sein. Wenn die Nullraumbewegung beispielsweise eine kartesische Bewegung ist, kann eine derartige mechanische Dämpfung von Vorteil sein.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Dämpfung über einen Dämpfungsterm in einem Regler der Nullraumbewegung erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorsehen, dass beim Bewachen der dem Robotersystem zugefügten Energie eine auf das Robotersystem ausgeübte Kraft und Geschwindigkeit gemessen wird.
Durch die Kraft- und Geschwindigkeitsmessung kann die dem Robotersystem zugefügte Energie auf besonders einfache Art und Weise gemessen werden.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Teil des die Energiegrenze überschreitenden Energieanteils bei allen Nullraumbewegungen dissipiert wird, wobei der übrige Teil des die Energiegrenze überschreitenden Energieanteils in dem Bewegungsraum der auszuführenden Aufgabe dissipiert wird. Bei der Ausführung von Aufgaben kommt es häufig vor, dass der zu dissipierende Energieanteil größer ist als die in allen Nullraumbewegungen maximal zu dissipierende Energie. Daher muss der übrige Teil des die Energiegrenze überschreitenden Energieanteils in den übrigen Bewegungsräumen, die zu der Ausführung der Aufgabe beitragen, dissipiert werden. Eine derartige Steuerung eines redundanten Robotersystems hat jedoch gegenüber dem Stand der Technik deutliche Vorteile, da nur ein Teil des Energieanteils in den Bewegungsraum der auszuführenden Aufgabe dissipiert wird. Darüber hinaus kann beispielsweise vorgesehen sein, dass gezielt ausgewählt wird, wo in dem Bewegungsraum der auszuführenden Aufgabe der dort zu dissipierende Energieteil dissipiert wird. Dadurch kann eine Dissipation von Energie in den Bewegungen der auszuführenden Aufgabe vorgesehen werden, die die Aufgabenleistung nur geringfügig beeinflussen. Dadurch ist eine besonders effektive Regelung des redundanten Robotersystems möglich.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Grenze für die Dissipation von Energie bei einer Nullraumbewegung vorgegeben wird, wobei die Grenze von Beschränkungen von Drehmomenten der Nullraumbewegung, einer minimalen Nullraumbewegungsgeschwindigkeit und/oder Maximalwerten für die Dissipation von Energie bei der Nullraumbewegung abhängig ist.
Durch die Vorgabe von Grenzen für die Dissipation von Energie bei einer Nullraumbewegung kann eine Rangordnung von bevorzugten Nullraumbewegungen auf besonders vorteilhafte Weise vorgenommen werden bzw. eine Verteilung der zu dissipierenden Energie auf unterschiedliche Nullraumbewegungen vorgenommen werden.
Das redundante Robotersystem kann beispielsweise ein Telerobotiksystem sein. Es kann vorgesehen sein, dass das Robotersystem ein System zur Mensch-Maschine-Interaktion, vorzugsweise ein haptisches Eingabegerät oder ein Teleoperationseingabegerät, ist.
Auch kann vorgesehen sein, dass das zu steuernde Robotersystem ein geregeltes Montagesystem ist.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der beigefügten einzigen Figur näher erläutert.
Die beigefügte Figur zeigt schematisch ein redundantes Robotersystem 1, das aus einem mehrachsigen Roboter besteht. Das Robotersystem weist einen Endeffektor 3, mehrere Gelenke 5, 5a, 5b sowie eine Basis 7 auf. Mit dem Endeffektor 3 führt das Robotersystem 1 eine Aufgabe aus.
Das Gelenk 5a kann beispielsweise eine Drehbewegung ausführen, die durch eine Gegendrehbewegung des Gelenkes 5b ausgeglichen wird, so dass der Endeffektor 3 in seiner Position verbleibt. Eine derartige Bewegung ist bei dem redundanten Robotersystem 1 eine Nullraumbewegung, da diese Bewegung auf den Endeffektor und seine auszuführende Aufgabe keinen Einfluss hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des redundanten Robotersystems 1 sieht nun vor, dass zunächst die dem Robotersystem 1 zugeführte Energie überwacht wird, wobei bei Überschreiten einer vorgegebenen Energiegrenze der die Energiegrenze überschreitende Energieanteil dissipert wird. Auf diese Weise ist eine passivitätsbasierte Regelung des Robotersystems möglich.
Es werden die bei der auszuführenden Aufgabe vorliegenden bzw. möglichen Nullraumbewegungen bestimmt. Schließlich werden zumindest Teile des die Energiegrenze überschreitenden Energieanteils dissipiert, indem diese den Nullraumbewegungen zugeordnet werden und durch Dämpfung die Dissipation der Energie bei den Nullraumbewegungen erfolgt. Die Energiegrenze kann beispielsweise die Passivitätsbalance des Robotersystems 1 sein. Dabei kann beispielsweise eine Rangordnung vorgegeben werden, nach der vorgegeben wird, in welchen Nullraumbewegungen zunächst eine Dissipation des Energieanteils erfolgt. Überschreitet die zu dissipierende Energie die maximal zu dissipierende Energie bei dieser Nullraumbewegung, wird der übrige Energieanteil in andere Nullraumbewegungen dissipiert.
Sofern der die Energiegrenze überschreitende Energieanteil größer als die maximale bei allen Nullraumbewegungen zu dissipierende Energie ist, wird der übrige Teil des Energieanteils in den Bewegungen, die zur Ausführung der Aufgabe notwendig sind, dissipiert.
Das erfindungsgemäße Robotersystem kann beispielsweise ein Telerobotiksystem sein. Das Robotersystem 1 kann auch ein System zur Mensch-Maschine-Interaktion sein, beispielsweise ein haptisches Eingabegerät oder ein Teleoperationseingabegerät.
Alternativ kann das Robotersystem auch ein geregeltes Montagesystem sein, Beispielsweise kann das Robotersystem ein kraftgeregeltes Montagesystem, das beispielsweise Füge, Falz- oder Klebevorgänge durchführt, sein.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines redundanten Robotersystems (1) zur Ausführung einer Aufgabe mit folgenden Schritten: Überwachen der dem Robotersystem (1) bei der auszuführenden Aufgabe zugefügten Energie, wobei bei Überschreiten einer vorgegebenen Energiegrenze der die Energiegrenze überschreitende Energieanteil dissipiert wird, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: – Bestimmen von Nullraumbewegungen bei der auszuführenden Aufgabe – Zuordnen einer Dissipation von zumindest einem Teil des die Energiegrenze überschreitende Energieanteils zu mindestens einer der Nullraumbewegungen – Dissipation der Energie durch diese mindestens eine der Nullraumbewegungen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiegrenze durch die Passivitätsbalance des Robotersystems (1) vorgegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bevorzugte Nullraumbewegungen vorgegeben werden, in der die Dissipation erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dissipation der Energie durch Dämpfung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der Energie durch eine Dämpfung der Bewegung des Robotersystems (1) und/oder der in dem Robotersystem übertragenen Kraft erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der Bewegung über eine mechanische Dämpfung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung über einen Dämpfungsterm in einem Regler der Nullraumbewegung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überwachen der dem Robotersystem (1) zugefügten Energie eine auf das Robotersystem (1) ausgeübte Kraft und Geschwindigkeit gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des die Energiegrenze überschreitende Energieanteils bei allen Nullraumbewegungen dissipiert wird, wobei der übrige Teil des die Energiegrenze überschreitende Energieanteils in dem Bewegungsraum der auszuführenden Aufgabe dissipiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grenze für die Dissipation von Energie bei einer Nullraumbewegung vorgegeben wird, wobei die Grenze von Beschränkungen von Drehmomenten der Nullraumbewegung, einer minimalen Nullraumbewegungsgeschwindigkeit und/oder Maximalwerten für Dissipation von Energie bei der Nullraumbewegung abhängig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Robotersystem (1) ein Telerobotiksystem ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Robotersystem (1) ein System zur Mensch-Maschine Interaktion, vorzugsweise ein haptisches Eingabegerät oder ein Teleoperations-Eingabegerät, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Robotersystem (1) ein geregeltes Montagesystem ist.