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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters.
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Roboter werden immer häufiger für so genannte Mensch-Roboter-Kooperationen eingesetzt, bei welchen ein Roboter und eine Person gemeinsam eine vorgegebene Produktionsaufgabe lösen. Hierbei muss üblicherweise, sobald ein derartiger Roboter und ein menschlicher Werker zusammen arbeiten, der Roboter mit extrem reduzierter Geschwindigkeit verfahren werden oder es müssen zusätzliche Schutzmaßnahmen vorgesehen werden, beispielsweise in Form von Schutzzäunen, Überwachungssensoren, Polsterungen und dergleichen, um insbesondere eine Verletzung der Person, welche mit dem Roboter gemeinsam eine Produktionsaufgabe bearbeitet, zu schützen.
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Zur Absicherung einer Mensch-Roboter-Kooperation existieren bereits vielfältige Ansätze. Beispielsweise zeigt die
DE 10 2012 108 418 A1 eine Vorrichtung zur sicheren Kooperation zwischen Mensch und Roboter. Die Vorrichtung umfasst zwei unterschiedliche Servoverstärker, einen leistungsstärkeren und einen leistungsärmeren Servoverstärker. Der leistungsärmere Servoverstärker ist dabei derart dimensioniert, dass ein sicherer Betrieb während der Kooperation zwischen einem Menschen und einem Roboter ermöglicht wird. Nachteilig hierbei ist, dass zwei unterschiedliche Servoverstärker eingesetzt werden müssen, was einen derartigen Roboter relativ aufwendig und somit auch teurer macht.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters bereitzustellen, mittels welchem eine sichere Bewegung eines Roboters im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kooperation auf vereinfachte Weise ermöglicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Roboters wird ein Punkt innerhalb einer Produktionsanlage und eine von dem Punkt beabstandete Fläche innerhalb eines in der Produktionsanlage vorgesehenen Arbeitsraum des Roboters vorgegeben. Der Roboter wird zur Durchführung einer Produktionsaufgabe derart angesteuert, dass ein am Roboter angeordnetes Werkzeug mit einer vorgegebenen Orientierung während der Bewegung des Roboters zumindest im Wesentlichen auf den Punkt ausgerichtet ist und das Werkzeug ausschließlich entlang der Fläche bewegt wird.
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Der vorgegebene Punkt kann als eine Art Gravitationspunkt verstanden werden, der bei der Planung der Produktionsanlage in diese integriert wird. Dieser Punkt soll scharfe beziehungsweise gefährliche Kanten und Spitzen des Werkzeugs, welches am Roboter zur Bearbeitung der Produktionsaufgabe angeordnet ist, anziehen und dadurch angeben, in welche Richtung beziehungsweise in welcher Orientierung das Werkzeug zeigen soll und in wie weit die Ausrichtung des Werkzeugs von diesem Punkt während der Bewegung des Roboters, also während der Bearbeitung der Produktionsaufgabe, abweichen darf.
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Da mit diesem Punkt, welcher auch als Gravitationspunkt zu verstehen ist, nicht alle erdenklichen Flächen und Bereiche abgesichert werden können, wird zusätzlich die besagte Fläche innerhalb des Arbeitsraums des Roboters vorgegeben. Diese Fläche, welche auch als Orbit oder 2D-Hyperebene verstanden werden kann, wird in einer definierten Distanz zu dem Punkt vorgegeben. Diese Fläche garantiert, dass jede Trajektorie des Roboters, genauer jede Trajektorie des Werkzeugs, auf dieser Fläche sicher verfahren werden kann.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine zuverlässige Schutzmaßnahme, insbesondere im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kooperation ermöglicht. Schutzzäune und Überwachungssensoren können beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens entfallen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Roboter mittels einer Impedanz-Regelung betrieben wird. Die Impedanz-Regelung ist auch unter dem Begriff der Nachgiebigkeitsregelung bekannt, wobei die Nachgiebigkeit des Roboters geregelt wird, also eine Verknüpfung zwischen Kraft und Position bei einem Objektkontakt. Die Nachgiebigkeit des Roboters wird dabei als mechanische Impedanz modelliert, die das Verhältnis zwischen aufgebrachter Kraft und resultierender Geschwindigkeit beschreibt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Konstante vorgegeben wird, welche eine zulässige Abweichung zwischen einer exakten Ausrichtung des Werkzeugs mit der vorgegebenen Orientierung auf den Punkt und einer maximal zulässigen Abweichung der Ausrichtung des Werkzeugs mit der vorgegebenen Orientierung auf den Punkt charakterisiert. Die Konstante kann auch als eine Art Winkelabweichung zwischen der exakten Ausrichtung des Werkzeugs auf den vorgegebenen Punkt und einer maximal zulässigen Abweichung der Ausrichtung des Werkzeugs von dem vorgegebenen Punkt verstanden werden. Bei der Bewegung des Roboters werden also gewisse Freiheitsgrade in Form der zulässigen Abweichung eingeräumt, gemäß welcher das Werkzeug mit der vorgegebenen Orientierung während der Bewegung des Roboters von dem Punkt abweichen darf.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Trajektorie, gemäß welcher das Werkzeug zur Durchführung der Produktionsaufgabe bewegt wird, zumindest einmal während der Durchführung der Produktionsaufgabe verändert und das Werkzeug entlang der veränderten Trajektorie bewegt wird, wobei beide Trajektorien derart vorgegeben werden, dass diese entlang der vorgegebenen Fläche verlaufen. Eine Navigation des Werkzeugs entlang der vorgegebenen Fläche ist immer sicher und daher kann eine Trajektorie des Roboters, entlang welcher das Werkzeug bewegt wird, so lange diese entlang der vorgegebenen Fläche verläuft, im Wesentlichen beliebig verändert werden, so dass der Roboter während seiner Bewegung von seiner ursprünglich definierten Trajektorie abweichen kann und dennoch eine sichere Bewegung des Roboters gewährleistet werden kann. In bestimmten Applikationen ist das Verfahren anhand von Trajektorien nicht immer möglich, so dass ganze Bereiche abgesichert werden müssen. Dies passiert zum Beispiel bei einem so genannten Tracking, bei dem sich das Werkzeug bezüglich eines Werkstücks nicht immer an der gleichen Stelle befindet, so dass ganze Bereiche abzusichern sind. Wird garantiert, dass entlang der vorgegebenen Fläche der Roboter sicher verfahren werden kann, müssen entsprechende Trajektorien, so lange sie entlang der Flächen verlaufen, nicht mehr überprüft werden. Es ist nur noch sicher zu stellen, dass jede Bewegung des Roboters entlang der Fläche sicher ist.
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Schließlich ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Roboter und zumindest eine Person gemeinsam die Produktionsaufgabe in Form einer Mensch-Roboter-Kooperation bearbeiten.
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Durch die Vorgabe des Punktes und der im Wesentlichen permanenten Ausrichtung des Werkzeugs mit einer vorgegebenen Orientierung in Richtung des Punktes kann sichergestellt werden, dass insbesondere spitze und scharfe Teile des Werkzeugs von einer Person weg weisen, welche gemeinsam mit dem Roboter in Form der Mensch-Roboter-Kooperation die Produktionsaufgabe bearbeitet. Vorzugsweise wird das Werkzeug permanent derart ausgerichtet beziehungsweise orientiert, dass der Roboter eine natürliche Barriere zwischen der Peron und dem Werkzeug darstellt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur eine schematische Darstellung eines Roboters, welcher mit einer Person gemeinsam eine Produktionsaufgabe in Form einer Mensch-Roboter-Kooperation bearbeitet.
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Ein Roboter 10 ist innerhalb einer schematisch dargestellten Produktionsanlage 12 angeordnet. Der Roboter 10 weist einen gewissen Arbeitsraum 14 auf, innerhalb welchem ein an dem Roboter 10 angebrachtes Werkzeug 16 bewegt werden kann. Innerhalb des Arbeitsraums 14 ist eine Person 18 angeordnet, wobei der Roboter 10 und die Person 18 gemeinsam eine Produktionsaufgabe in Form einer Mensch-Roboter-Kooperation bearbeiten.
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Um eine sichere Zusammenarbeit zwischen dem Roboter 10 und der Person 18 zu ermöglichen, ohne dabei Schutzzäune und Überwachungssensoren einsetzen zu müssen, wird der Roboter 10 gemäß eines speziellen, nachfolgend erläuterten Verfahrens betrieben.
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Während des Betreibens des Roboters 10 wird zum einen ein Punkt 20 innerhalb der Produktionsanlage 12 vorgegeben, welcher bei der Planung der Produktionsanlage 12 in diese integriert wird. Der Punkt 20 kann als eine Art Gravitationspunkt verstanden werden, da er scharfe Kanten und Spitzen des Werkzeugs 16 anziehen soll. Des Weiteren wird innerhalb des Arbeitsraums 14 des Roboters 10 eine Fläche 22 vorgegeben, welche mit einer definierten Distanz von dem Punkt 20 beabstandet ist. Die Fläche 22 wird dabei derart gewählt, dass der Roboter 10 während der Kooperation mit dem Mensch 18 durchgehend sicher entlang der Fläche 22 – also ohne eine Gefährdung der Person 18 – bewegt werden kann.
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Der Roboter 10 wird zur Durchführung der Produktionsaufgabe derart bewegt, dass das am Roboter 10 angeordnete Werkzeug 16 mit einer vorgegebenen Orientierung während der Bewegung des Roboters 10 zumindest im Wesentlichen immer auf den Punkt 20 ausgerichtet ist und das Werkzeug 16 ausschließlich entlang der Fläche 22 bewegt wird. Vorzugsweise wird der Roboter 10 dabei mittels einer Impedanz-Regelung betrieben.
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Es wird eine Konstante 24 vorgegeben, welche eine zulässige Abweichung zwischen einer exakten Ausrichtung 26 des Werkzeugs 16 mit der vorgegebenen Orientierung auf den Punkt 20 und einer maximal zulässigen Abweichung, welche durch die gestrichelte Linien 28 gekennzeichnet ist, des Werkzeugs 16 mit der vorgegebenen Orientierung auf den Punkt 20 charakterisiert.
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Das Werkzeug 16 wird mittels des Roboters 10 während der Bearbeitung der vorgebbaren Produktionsaufgabe also so geführt, dass jeweilige spitze und scharfe Teile des Werkzeugs 16 immer von der Peron 18 weg zeigen, so dass der Roboter 10 eine Art natürliche Barriere zwischen der Person 18 und dem Werkzeug 16 darstellt.
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Eine Trajektorie 30, gemäß welcher der Roboter 10 zur Durchführung der Produktionsaufgabe bewegt wird, kann zumindest einmal während der Durchführung der Produktionsaufgabe verändert und der Roboter 10 entlang einer veränderten Trajektorie 32 bewegt werden, wobei beide Trajektorien 30, 32 derart vorgegeben werden, dass diese entlang der vorgegebenen Fläche 22 verlaufen.
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Da wie bereits vorstehend erwähnt mittels der Fläche 22 sichergestellt werden kann, dass jegliche Bewegung des Werkzeugs 16 entlang der Fläche 22 keine Gefährdung des Mitarbeiters 18 bewirkt, kann die Trajektorie 30 des Roboters 10 während der Bearbeitung der Produktionsaufgabe verändert werden, so dass der Roboter 10 bei der Führung des Werkzeugs 16 von seiner ursprünglich definierten Trajektorie 30 abweichen und dennoch eine sichere Bewegung durchführen kann. Die Trajektorien 30, 32 oder auch weitere Trajektorien, gemäß welcher das Werkzeug 16 mittels des Roboters 10 zur Bearbeitung der Produktionsaufgabe entlang bewegt wird, müssen als solche nicht mehr überprüft werden, beispielsweise mittels einer entsprechenden Sensorik. Es muss lediglich sichergestellt werden, dass jede Bewegung des Werkzeugs 16 entlang der Fläche 22 sicher ist.
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Mittels des erläuterten Verfahrens wird also eine besonders sichere Merisch-Roboter-Kooperation ermöglicht, wobei insbesondere Schutzzäune und Überwachungssensoren nicht mehr benötigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012108418 A1 [0003]
