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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Roboters, der mindestens ein drehmoment- und/oder kraftgeregeltes Gelenk aufweist.
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Bei drehmomentgeregelten Roboterarmen werden dem Roboter Drehmomente kommandiert, sodass er vorgegebene Kräfte oder Drehmomente auf die Umgebung ausüben kann. Weist der Roboter Lineargelenke auf, können anstelle von Drehmomenten auch Kräfte kommandiert werden. Im Vergleich dazu sind Industrieroboter typischerweise positionsgeregelt. Dies bedeutet, dass sie eine bestimmte kommandierte Position unabhängig vom anliegenden Drehmoment anfahren. Bei Ihnen können keine Drehmomente bzw. Kräfte kommandiert werden, sondern ausschließlich Positionen.
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Drehmomentgeregelte Roboterarme eignen sich gut für die direkte Mensch-Roboter Interaktion, da diese Roboter zum einen die Kraft regeln können, die sie auf die Umgebung oder den Menschen aufbringen und nicht mit maximaler Kraft eine kommandierte Position anfahren. Zum anderen kann ein solcher Roboter durch die Drehmomentsensoren erkennen, wenn die Umgebung oder der Mensch auf ihn Kräfte ausübt und entsprechend reagieren. Die beschriebenen Funktionen sind in der Mensch-Roboter Interaktion unentbehrlich, da der Roboter andernfalls eine Gefahr für den Menschen darstellen kann.
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Aufgrund verschiedener äußere Einflüsse kann es zu einer Abweichung zwischen dem kommandierten und dem tatsächlich am Gelenk anliegenden Drehmoment kommen. Entsprechendes gilt anstelle des Drehmoments für die Kraft. Diese Abweichung führt zu einer unerwüschten Beschleunigung des Roboters.
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Beispielsweise wird ein drehmomentgeregelter Roboter mit eingeschalteten Bremsen durch sein Eigengewicht Richtung Erde gedrückt. Diese Gewichtskraft wird über die eingebauten Drehmomentsensoren gemessen. Damit der Roboter bei geöffneten Bremsen nicht nach unten fällt, muss die Gewichtskraft durch Ansteuerung der Robotergelenke ausgeglichen werden und hierzu wird den Robotergelenken eine Gegenkraft kommandiert. Falls eine zu große Gegenkraft kommandiert wird, wird der Roboterarm bei geöffneten Bremsen nach oben hin beschleunigt und in diesem Fall würde eine Abweichung zwischen dem kommandierten und dem gemessenen Drehmoment im Gelenk vorliegen.
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Es existieren zahlreiche Fehlerquellen, die während der Benutzung mit drehmomentgeregelten Roboterarmen zu einer Drehmomentabweichung bzw. Kraftabweichung führen können. Hierzu gehört der Ausfall oder die Störung eines Drehmoment- oder Positionssensors, ein fehlerhaftes Gravitationsmodell des Roboterarms, ein Fehler in der Datenübertragung zwischen der Regelung (Computer) und dem Roboter, ein Fehler im Regelungsmodell, Instabilität bei telemanipulierten Robotern mit Kraftrückkopplung und/oder fehlerhafte Algorithmen, z. B. zur Kollisionsvermeidung.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum Steuern eines drehmoment- und/oder kraftgeregelten Roboters bereitzustellen, durch das Drehmoment- und/oder Kraftabweichung im Gelenk auf einfache Weise kompensiert werden können.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft das Steuern eines Roboters, der mindestens ein drehmoment- und/oder kraftgeregeltes Gelenk aufweist. Bei diesem Roboter kann es sich auch um ein haptisches Gerät zur Darstellung von Kräften und/oder Drehmomenten handeln. Es wird das tatsächlich an dem Gelenk auftretende Drehmoment und/oder die tatsächlich an dem Gelenk auftretende Kraft gemessen und/oder bestimmt. Eine Messung kann beispielsweise durch einen Sensor im oder am Gelenk erfolgen. Eine Bestimmung auf anderer Weise ist beispielsweise durch eine Schätzung des Drehmoments über den Motorstrom möglich.
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Erfindungsgemäß wird eine Abweichung zwischen dem tatsächlich auftretenden Drehmoment oder der tatsächlich auftretenden Kraft und dem im Rahmen der Drehmomentregelung bzw. Kraftregelung kommandierten Drehmoment bzw. der Kraft angezeigt. Dies erfolgt auf einer Anzeigevorrichtung, auf der eine virtuelle Darstellung des Robotergelenks dargestellt ist. Die Drehmomentabweichung und/oder die Kraftabweichung werden hierbei unmittelbar an dem betreffenden Gelenk angezeigt.
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Auf der Anzeigevorrichtung, auf der eine virtuelle Darstellung des mindestens einen Gelenks angezeigt wird, besteht somit ein direkter räumlicher Zusammenhang zwischen der angezeigten Drehmomentabweichung bzw. der Kraftabweichung und dem betreffenden Gelenk. Da ein Roboter typischerweise mehrere Gelenke aufweist, kann auch ein nicht geübter Nutzer bzw. Bediener intuitiv und schnell die angezeigte Drehmomentabweichung erfassen und dem jeweiligen Gelenk zuordnen. Ferner ist für den Bediener sehr schnell erkennbar, in welche Richtung ein Gelenk bei einer bestimmten Drehmomentabweichung beschleunigen wird. Durch Anzeigen weiterer Informationen, die im Folgenden dargestellt werden, ist es ferner möglich, auf intuitive Weise, die Größe der zu erwartenden Beschleunigung sichtbar zu machen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine intuitive Visualisierung der Information, bei welchem Robotergelenk eine Drehmoment- bzw. Kraftabweichung auftritt und insbesondere wie groß diese Abweichung ist und in welche Richtung die Abweichung zeigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei der Entwicklung neuer Robotersysteme oder Regler verwendet werden. Weiterhin ist eine Verwendung in der Fehlersuche oder Funktionsüberwachung eines Roboters möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch seine Einfachheit auch zu einer Erhöhung der Akzeptanz von Robotersystemen führen, da diese nunmehr einfacher durch nicht geübte Bediener gehandhabt werden können.
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Es ist bevorzugt, dass die Drehmomentabweichung durch einen um das betreffende Gelenk herum verlaufenden Pfeil dargestellt wird. Dieser Pfeil verläuft vorzugsweise kreisförmig um das Gelenk herum. Der Mittelpunkt des kreisförmigen Pfeils entspricht hierbei dem Drehpunkt des Gelenks. Eine Kraftabweichung kann bei einem Lineargelenk durch einen entlang dieses Gelenks verlaufenden geraden Pfeil dargestellt werden. Die Verlaufsrichtung des Pfeils kann in beiden Fällen die Richtung der Drehmomentabweichung bzw. der Kraftabweichung anzeigen. Durch diese Merkmale ist es auf einfache Weise möglich, die Größe der vorliegenden Abweichung darzustellen, sodass ein Bediener intuitiv diese Information erfassen kann und auf eine dann auftretende Beschleunigung in der angezeigten Richtung reagieren kann.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Betrag der Momentabweichung und/oder der Kraftabweichung durch die Breite des Pfeils dargestellt werden. Hierbei kann ein breiter Pfeil ein große Abweichung darstellen, während ein schmaler Pfeil eine Heine Abweichung darstellt.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Betrag der Drehmomentabweichung und/oder der Kraftabweichung durch die Farbe, die Transparenz, die Pfeildicke, d. h. die Differenz zwischen dem Außen- und Innendurchmesser des Pfeils und/oder den Durchmesser des Pfeils dargestellt werden. Der Durchmesser des Pfeils kann hierbei lediglich zur Anzeige der Drehmomentabweichung bei einem kreisförmig um das Gelenk herum verlaufenden Pfeil verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Pfeil um das betreffende Gelenk herum entlang seiner Verlaufsrichtung, d. h. entlang der Verlaufsrichtung des Pfeils rotieren. Hierbei kann seine Rotationsgeschwindigkeit den Betrag der Drehmomentabweichung angeben. Hierdurch wird ebenfalls eine sehr intuitive Darstellung der Größe der Abweichung ermöglicht.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Drehmoment- und/oder Kraftabweichung durch eine unmittelbar an dem betreffenden Gelenk dargestellte Anzeigetafel mit numerischen Informationen angezeigt werden. Bei dieser Anzeigetafel kann es sich beispielsweise um ein Billboard handeln. Auch diese Anzeigetafel befindet sich auf der Anzeigevorrichtung in sehr enger räumlicher Relation zu dem betreffenden Gelenk.
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Auf einer solchen Anzeigetafel können folgende Parameter nummerisch dargestellt werden:
Drehmoment- bzw. Kraftabweichung, gemessenes und kommandiertes Drehmoment und/oder gemessene und kommandierte Kraft, Gelenkwinkel und/oder Position des Lineargelenks, Temperaturen des Motors, des Gelenks und/oder der Gelenkelektronik, Motorstrom und/oder andere Regelungsparameter.
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Billboards sind Objekte in der virtuellen Welt, die immer zur Kamera ausgerichtet sind, sodass beispielsweise ein Text immer optimal erkennbar ist. Billboards eignen sich gut um Gelenkparameter numerisch darzustellen, sodass der genaue Zahlenwert an jedem Gelenk erkennbar ist. Vorzugsweise sind derartige Billboards semitransparent, sodass dahinterliegende virtuelle Objekte nicht komplett verdeckt werden.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, die genannte Anzeigetafel zur numerischen Anzeige der Parameter mit den vorher beschriebenen Pfeilen zum Anzeigen der Abweichung zu kombinieren. Durch die Verwendung der Pfeile wird eine besonders intuitive Erkennbarkeit der Abweichung gewährleistet, während die numerische Anzeige eine genaue Information der gewünschten Werte liefert. Alternativ zu einem drehmoment- oder kraftgeregelten Roboter kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einem positionsgeregelten Roboter angewandt werden. Ein derartiger Roboter kann bspw. ein Industrieroboter sein, der keine Drehmomentsensorik aufweist. Es findet somit lediglich eine Erfassung der Position der Gelenke statt, die zur Regelung des Roboters genutzt wird. Eine zweifache Ableitung der Position eines Robotergelenks über die Zeit ergibt die Beschleunigung, die in diesem Gelenk auftritt. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit möglich, anstatt einer Drehmoment- oder Kraftabweichung, eine Abweichung der Beschleunigung auf der Anzeigevorrichtung unmittelbar an dem betreffenden Gelenk anzuzeigen. Die Beschleunigung in einem Gelenk kann durch eine zweifache Ableitung der kommandierten Gelenkposition ermittelt werden. Gegenüber einer durch einen Sensor gemessenen Position bietet die kommandierte Position den Vorteil, dass diese weniger verrauscht ist und somit zu genaueren Werten für die abgeleitete Beschleunigung führt. Statt der Anzeige der Beschleunigung eines Gelenkes kann auch die Beschleunigung eines Instruments oder einer Instrumentenspitze angezeigt werden, das unter anderem durch eine Bewegung des genannten Gelenks aktuiert wird.
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Eine beispielhafte Anwendung für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Telechirugie. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dort besonders vorteilhaft, da der Chirurg die auf dem Patienten ausgeübten Kräfte spüren und kontrollieren kann und eine Abweichung im Drehmoment oder in der Kraft sehr Intuitiv erfassen kann. Weitere Anwendungsmöglichkeiten betreffen Roboter-Assistenzsysteme in der Industrie und im Haushalt. Solche können beispielsweise einen Arbeiter bei der Produktion unterstützen oder gebrechlichen Menschen bei der Hausarbeit helfen.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1a und 1b eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2a und 2b eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gemäß 1a weist der dargestellte Roboter 10 mehrere Gelenke 12a–12g auf. Die an dem jeweiligen Gelenk auftretenden Drehmomentabweichungen sind durch Pfeile 14a–14g dargestellt. Jeder Pfeil ist unmittelbar an dem entsprechenden Gelenk platziert, sodass eine direkte Zuordnung der angezeigten Informationen zum jeweiligen Gelenk erfolgen kann.
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1b ist eine vergrößerte Darstellung der ersten drei Gelenke des Roboters 10.
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In 2a werden anstelle der Pfeile 14a–14g aus 1a Anzeigetafeln 16a–16g verwendet, um die Drehmomentabweichungen numerisch darzustellen. Gleichzeitig sind auf den Abweichungen auch die Beträge der jeweiligen Winkelstellung dargestellt.
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2b ist eine vergrößerte Darstellung der ersten drei Gelenke aus 2a.
