DE102014114596B4

DE102014114596B4 - Control of a robot arm

Info

Publication number: DE102014114596B4
Application number: DE102014114596.8A
Authority: DE
Inventors: Sami Haddadin
Original assignee: Franka Emika GmbH
Current assignee: Franka Emika GmbH
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2018-09-06
Anticipated expiration: 2034-10-09
Also published as: DE102014114596A1

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Orientierung eines an einem freien Ende eines Roboterarms angeordneten Effektors E, mit folgenden Schritten:1.1. für den Effektor E Bereitstellen (101) eines seiner aktuellen 3D-Form zugeordneten 3D-Parametersatzes, der einer Mehrzahl von Oberflächenpunkten POIder aktuellen 3D-Form des Effektors E jeweils zumindest ein lokales Verletzungsrisiko und/oder Beschädigungsrisiko zuordnet, das ein Objekt im Falle eines frontalen Zusammentreffens mit dem Oberflächenpunkt POIdes Effektors E erfahren würde,1.2. Ermitteln (102) einer aktuellen Richtung einer Transitbewegung des Effektors E, und1.3. Orientieren (103) des Effektors E abhängig von der ermittelten aktuellen Richtung, der aktuellen 3D-Form und dem zugehörigen 3D-Parametersatz derart, dass in Richtung der Transitbewegung der Teil der 3D-Form des Effektors E zeigt, der gemäß dem 3D-Parametersatz das geringste Verletzungsrisiko und/oder Beschädigungsrisiko aufweist.Method for controlling an orientation of an effector E arranged at a free end of a robot arm, comprising the following steps: 1.1. for the effector E providing (101) of a 3D parameter set associated with its current 3D shape, which assigns at least one local risk of injury and / or damage risk to a plurality of surface points POI of the current 3D shape of the effector E which is an object in the case of a frontal Coincidence with the surface point POI of the effector E, 1.2. Determining (102) a current direction of transit movement of the effector E, and1.3. Orienting (103) of the effector E depending on the determined current direction, the current 3D shape and the associated 3D parameter set such that in the direction of the transit movement shows the part of the 3D shape of the effector E, according to the 3D parameter set the has the lowest risk of injury and / or risk of damage.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Roboterarms mit einem daran angeordneten in seiner Orientierung ausrichtbaren Effektor. Im Detail betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer (2D- oder 3D-) Orientierung eines an einem freien Ende eines Roboterarms angeordneten Effektors E. Weiterhin betrifft die Erfindung ein zugeordnetes Computersystem, ein digitales Speichermedium, ein Computer-Programm-Produkt, sowie ein Computer-Programm.The invention relates generally to a method and apparatus for controlling a robotic arm having an effector orientable in its orientation. In detail, the invention relates to a method and apparatus for controlling a (2D or 3D) orientation of an effector E located at a free end of a robotic arm. The invention further relates to an associated computer system, a digital storage medium, a computer program product , as well as a computer program.

Roboter werden zunehmend in Umgebungen eingesetzt, in denen ein oder mehrere Objekte temporär oder ständig in einem Bewegungsbereich des Roboters vorhanden sein können, so dass es bei Bewegungen des Roboters, insbesondere eines Roboterarms mit einem in seiner Orientierung ausrichtbaren Effektor zu Kollisionen mit diesen Objekten kommen kann.Robots are increasingly being used in environments in which one or more objects may be temporarily or permanently present in a range of movement of the robot, such that collisions with these objects may occur during robot, especially robotic arm movement, with an orientable effector ,

Vorliegend wird der Begriff „Objekt“ weit gefasst verstanden. Das Objekt ist dabei materiell und real, es kann unbelebt oder belebt sein (Beispiele: ein Mensch, ein Tier, ein anderer Roboter, ein Gebäude, ein Schrank, etc.).In the present case, the term "object" is understood in a broad sense. The object is material and real, it can be inanimate or animated (examples: a human, an animal, another robot, a building, a cabinet, etc.).

Ein „Effektor“ ist eine Vorrichtung, die dem Roboter bekanntermaßen bspw. zum Ergreifen und Bearbeiten von Gegenständen dient, und die typischerweise am freien Ende eines Roboterarms angeordnet ist. Der Effektor verfügt typischerweise über ein oder mehrere Werkzeuge, Greifer, Sensoren und ein oder mehrere ansteuerbare Aktoren zum Antrieb der Werkzeuge bzw. Greifer. Die Form bzw. die Gestalt des Effektors ist typischerweise zeitveränderlich, da bspw. Greifer oder Werkzeuge ihre räumliche Anordnung/Orientierung im Effektor ändern können.An "effector" is a device that is known to serve the robot, for example, for gripping and manipulating objects, and that is typically arranged at the free end of a robot arm. The effector typically has one or more tools, grippers, sensors and one or more controllable actuators for driving the tools or grippers. Typically, the shape or shape of the effector is time varying, since, for example, grippers or tools can change their spatial arrangement / orientation in the effector.

In DE 10 2013 212 887 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, bei denen eine Bewegungsgeschwindigkeit und/oder Bewegungsrichtung des Effektors unter Berücksichtigung medizinischer Verletzungsparameter und einer Roboterdynamik überwacht und gegebenenfalls angepasst wird.In DE 10 2013 212 887 A1 For example, a method and a device are described in which a movement speed and / or movement direction of the effector is monitored and, if necessary, adjusted taking into account medical injury parameters and robot dynamics.

In DE 102 16 023 A1 werden ein Verfahren zur kontrollierten Interaktion zwischen einer eigenbeweglichen Robotereinheit und einer Person sowie eine hierzu geeignete Vorrichtung beschrieben.In DE 102 16 023 A1 describe a method for the controlled interaction between a self-propelled robot unit and a person and a device suitable for this purpose.

In DE 10 2007 028 390 A1 werden eine Prozesssteuerung, ein System und ein Verfahren zur automatisierten Anpassung von Prozessparametern wenigstens einer Handhabungsvorrichtung beschrieben.In DE 10 2007 028 390 A1 For example, a process controller, a system and a method for the automated adaptation of process parameters of at least one handling device are described.

DE 103 20 343 A1 beschreibt ein Verfahren zur überwachten Kooperation zwischen einer Robotereinheit und einem Menschen. DE 103 20 343 A1 describes a method for supervised cooperation between a robot unit and a human.

DE 10 2010 063 208 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Sicherungseinrichtung für eine Handhabungsvorrichtung. DE 10 2010 063 208 A1 describes a method for operating a safety device for a handling device.

DE 10 2012 007 242 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur sicheren Mensch-Roboter-Kooperation. DE 10 2012 007 242 A1 describes an apparatus and method for safe human-robot cooperation.

In US2008/0161970A1 wird ein Roboter beschrieben, der eine Detektionseinheit für bewegliche Objekte aufweist und der beim Erkennen eines Objektes seine Arbeitsweise so anpasst, dass ein sicherer Betrieb gewährleistet ist.In US2008 / 0161970A1 a robot is described which has a detection unit for moving objects and which, when an object is detected, adapts its mode of operation to ensure safe operation.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Roboterarms mit einem an einem freien Ende eines Roboterarms angeordneten in seiner Orientierung ausrichtbaren Effektor E anzugeben, wobei bei einer Bewegung des Roboterarms und einer dadurch erzeugten Transitbewegung des Effektors E eine Kollision des Effektors E mit einem vorgenannten Objekt nur zu geringen oder keinen Verletzungen oder Beschädigungen am Objekt führt.The object of the invention is to provide a method and a device for controlling a robot arm with a arranged at a free end of a robot arm in its orientation alignable effector E, wherein upon movement of the robot arm and thereby generated a transit movement of the effector E, a collision of Effector E with an object mentioned above leads to little or no injury or damage to the object.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.The invention results from the features of the independent claims. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims. Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description, as well as the explanation of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist die Aufgabe durch ein Verfahren zum Steuern einer (2D- oder 3D-) Orientierung eines an einem freien Ende eines Roboterarms angeordneten Effektors E gelöst. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst folgende Schritte.According to a first aspect of the invention, the object is achieved by a method for controlling a (2D or 3D) orientation of an effector E arranged at a free end of a robot arm. The proposed method comprises the following steps.

In einem ersten Schritt erfolgt für den Effektor E ein Bereitstellen eines seiner aktuellen 3D-Form zugeordneten 3D-Parametersatzes. Die aktuelle 3D-Form gibt die aktuelle räumliche Gestalt des Effektors an, einschließlich aller Werkzeuge, Greifer etc., die der Effektor aufweist. Der 3D-Parameterdatensatz ordnet einer Mehrzahl von Oberflächenpunkten POI_i der aktuellen 3D-Form des Effektors E und/oder Oberflächennormalen POI_i jeweils zumindest ein lokales Verletzungsrisiko bzw. Beschädigungsrisiko zu, das ein Objekt im Falle eines frontalen Zusammentreffens (d.h. eines Zusammentreffens in bzw. entgegengesetzt zur Normalenrichtung des Oberflächenpunkt POI_i des Effektors E) mit dem Oberflächenpunkt POI_i des Effektors E erfahren würde. Die Oberflächenpunkte POI_i sind vorzugsweise derart gewählt, dass sie nach außen stehenden Kanten, Spitzen, und/oder Ecken des Effektors E und damit Oberflächenelemente des Effektors E repräsentieren, die bei einer Kollision mit einem Objekt potentiell Verletzungen oder Beschädigungen am Objekt hervorrufen können.In a first step, the effector E is provided with a 3D parameter set assigned to its current 3D shape. The current 3D shape indicates the actual spatial shape of the effector, including any tools, grippers, etc. that the effector has. The 3D parameter data set assigns a plurality of surface points POI _{i of} the current 3D shape of the effector E and / or surface normal POI _i each at least one local risk of injury or damage that an object in the event of a frontal coincidence (ie a meeting in or opposite to the normal direction of the surface point POI _{i of} the effector E) with the surface point POI _{i of} the effector E experience would. The surface points POI _i are preferably selected such that they represent outward edges, tips, and / or corners of the effector E and thus surface elements of the effector E, which can potentially cause injury or damage to the object in a collision with an object.

Die aktuelle 3D-Form des Effektors wird beispielsweise anhand von Sensordaten (optische Sensoren, Positionsgebern, etc.), die den aktuellen geometrischen Zustand des Effektors, und damit seine 3D-Form erfassen, und/oder anhand eines dynamischen Modells der 3D-Form des Effektors, das bspw. auf Basis von Steuerdaten für Aktoren des Effektors errechnet, ermittelt.For example, the current 3D shape of the effector is based on sensor data (optical sensors, position encoders, etc.) that capture the current geometric state of the effector, and thus its 3D shape, and / or a dynamic model of the 3D shape of the effector Effectors calculated, for example, based on control data for actuators of the effector, determined.

Der Begriff „Verletzungsrisiko“ wird vorliegend je nach Anforderung/Anwendung als Risiko einer medizinischen Verletzung eines Lebewesens (= Objekt) oder als Beschädigungsrisiko eines unbelebten Gegenstandes (=Objekt) verstanden. Das Verletzungs- bzw. Beschädigungsrisiko kann bspw. als eine Zahl in einem vorgegebenen Intervall oder in Prozent angegeben werden.Depending on the requirement / application, the term "risk of injury" is understood here as the risk of a medical injury to a living being (= object) or as the risk of damage to an inanimate object (= object). The risk of injury or damage can be indicated, for example, as a number in a predetermined interval or as a percentage.

Die Ermittlung des 3D-Parameterdatensatzes bzw. des lokalen Verletzungsrisikos kann bspw. mittels entsprechender Versuche erfolgen, d.h. durch gezieltes Herbeiführen von Kollisionen des Effektors E mit entsprechenden Objekten für verschiedene Orientierungen des Effektors und einer anschließenden Analyse dadurch erzeugter Schäden am Objekt, oder mittels entsprechender theoretischer Betrachtungen ermittelt werden, in denen entsprechende Kollisionen und sich ergebende Schäden simuliert und ausgewertet werden.The determination of the 3D parameter data set or of the local risk of injury can be carried out, for example, by means of corresponding tests, i. by deliberately causing collisions of the effector E with corresponding objects for different orientations of the effector and subsequent analysis of damage to the object produced thereby, or by means of appropriate theoretical considerations in which corresponding collisions and resulting damage are simulated and evaluated.

Vorteilhaft liegt für jede 3D-Form, die der Effektor E einnehmen kann, ein zugeordneter 3D-Parametersatz vor, und wird bspw. durch ein Speichermedium bereitgestellt.Advantageously, an assigned 3D parameter set is present for each 3D shape which the effector E can assume, and is provided, for example, by a storage medium.

In einem zweiten Schritt erfolgt ein Ermitteln einer aktuellen Richtung einer Transitbewegung des Effektors E. Unter der Richtung der Transitbewegung wird die Richtung der 2D- oder 3D- oder 6D-Bewegung (Translation und Orientierung) des Effektors als Ganzes verstanden. Diese ist identisch mit der Bewegungsrichtung des freien Endes des Roboterarms und kann auf bekannte Art und Weise ermittelt werden.In a second step, a current direction of a transit movement of the effector E is determined. The direction of the transit movement is understood to be the direction of the 2D or 3D or 6D movement (translation and orientation) of the effector as a whole. This is identical to the direction of movement of the free end of the robot arm and can be determined in a known manner.

In einem dritten Schritt erfolgt ein Orientieren des Effektors E abhängig von der ermittelten aktuellen Richtung der Transitbewegung des Effektors E, der aktuellen 3D-Form des Effektors und dem zugehörigen 3D-Parametersatz derart, dass in Richtung der Transitbewegung der Teil der 3D-Form des Effektors E zeigt, der gemäß dem 3D-Parametersatz das geringste Verletzungsrisiko bzw. Beschädigungsrisiko aufweist. Dabei kann die Orientierung des Effektors E vorgegebenen bspw. mechanischen Beschränkungen unterliegen.In a third step, the orientation of the effector E is dependent on the determined current direction of the transit movement of the effector E, the current 3D shape of the effector and the associated 3D parameter set such that in the direction of the transit movement the part of the 3D shape of the effector E shows that has the lowest risk of injury or damage according to the 3D parameter set. In this case, the orientation of the effector E may be subject to predetermined mechanical limitations, for example.

Durch das vorgeschlagene Verfahren wird der Effektor E bei einer Transitbewegung somit derart orientiert, dass in Richtung der Transitbewegung das geringste Verletzungs- bzw. Beschädigungsrisiko durch den Effektor E ausgeht. Kommt es nun in Bewegungsrichtung zu einer Kollision mit einem Objekt, so wird dadurch der entstehende Schaden, soweit möglich verringert. Umfasst der Effektor E bspw. als Werkzeug einen Schraubenzieher oder ein Messer, so wird der Effektor E bei seiner Transitbewegung optimalerweise derart orientiert, dass das Werkzeug, d.h. der Schraubenzieher oder das Messer in eine Richtung entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung zeigen. Diese Grundform des vorgeschlagenen Verfahrens beugt insbesondere Verletzungen/Beschädigungen an ruhenden Objekten vor.By the proposed method, the effector E is thus oriented in a transit movement such that in the direction of the transit movement the lowest risk of injury or damage emanating from the effector E. If there is a collision with an object in the direction of movement, the resulting damage is reduced as far as possible. For example, if the effector E comprises a screwdriver or a knife as a tool, the effector E is optimally oriented in its transit motion such that the tool, i. the screwdriver or knife pointing in a direction opposite to the direction of movement. This basic form of the proposed method in particular prevents injuries / damage to dormant objects.

Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Effektor E bei seiner Transitbewegung derart orientiert wird, dass von ihm in Richtung eines im Arbeitsbereich des Roboterarms erkannten Objekts das geringste Verletzungs- bzw. Beschädigungsrisiko durch den Effektor E ausgeht. Das heißt, um im vorigen Beispiel zu bleiben, dass das Werkzeug, d.h. der Schraubenzieher oder das Messer, optimaler weise in eine Richtung entgegengesetzt zu einer ermittelten und/oder bereitgestellten Position eines Objekts im Arbeitsbereich zeigt. Werden im Arbeitsbereich mehrere Objekte ermittelt, so bezieht sich die beschriebene Ausrichtung vorteilhaft auf das dem Effektor nächst positionierte Objekt. Vorteilhaft bezieht sich die beschriebene Ausrichtung auf das Objekt, mit dem eine nächste Kollision prädiziert wird. Hierfür werden vorteilhaft in dem Arbeitsbereich des Roboterarms vorhandene oder in den Arbeitsbereich eindringende Objekte mit ihren jeweiligen Positionen erfasst und entsprechend berücksichtigt.A further development of the method is characterized in that the effector E is oriented during its transit movement in such a way that the lowest risk of injury or damage emanates from the effector E in the direction of an object recognized in the working area of the robot arm. That is, to remain in the previous example, the tool, i. the screwdriver or the knife, optimally pointing in a direction opposite to a determined and / or provided position of an object in the work area. If a plurality of objects are determined in the work area, the described alignment advantageously relates to the object positioned next to the effector. Advantageously, the described orientation refers to the object with which a next collision is predicted. For this purpose, in the working area of the robot arm existing objects or objects penetrating into the working area are advantageously detected with their respective positions and taken into account accordingly.

Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich durch folgende Schritte aus. In einem Schritt erfolgt für einen zwei- oder dreidimensionalen Arbeitsbereichs des Roboterarms ein Bereitstellen einer zwei- oder dreidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung W(r), die angibt, mit welcher lokalen Wahrscheinlichkeit in dem Arbeitsbereich ein Objekt vorhanden ist, wobei r eine Position in dem Arbeitsbereich angibt. So können bspw. Bereiche vorhanden sein, in denen die Wahrscheinlichkeit ein Objekt anzutreffen gleich Null ist, während andere Bereiche eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeit W(r) aufweisen.A preferred embodiment of the method is characterized by the following steps. In one step, for a two- or three-dimensional workspace of the robotic arm, providing a two- or three-dimensional probability distribution W (r) indicating what local probability an object exists in the workspace, where r indicates a position in the workspace. For example, there may be regions in which the probability of finding an object is zero, while other regions may have a non-zero probability W (r).

In einem weiteren Schritt dieser Weiterbildung erfolgt ein Ausführen des vorgenannten dritten Schrittes (Orientieren des Effektors E abhängig von der ermittelten aktuellen Bewegungsrichtung des Effektors E, der aktuellen 3D-Form des Effektors und dem zugehörigen 3D-Parametersatz, ggf. abhängig von einer Wahrscheinlichkeit eines Objekts in Bewegungsrichtung ...) dann, wenn an einer aktuellen Position P_E(t) des Effektors E die lokale Wahrscheinlichkeit W(r = P_E(t)) größer als ein vorgegebener Grenzwert G1 ist, oder Ausführen des dritten Schrittes ab Beginn der Bewegung, wenn entlang einer prädizierten Trajektorie der Bewegung zumindest an einer Position P_T der Trajektorie die lokale Wahrscheinlichkeit W(r) größer als ein vorgegebener Grenzwert G2 ist.In a further step of this development, an execution of the aforementioned third step takes place (orientation of the effector E depending on the determined current direction of movement of the effector E, the current 3D shape of the effector and the associated 3D parameter set, possibly depending on a probability of an object in the direction of movement ...) then, if at a current position P _E (t) of the effector E is the local probability W (r = P _E (t)) is greater than a predetermined limit G1, or performing the third step from the beginning of the movement, if along a predicted trajectory of the movement at least at a position P _{T of} the trajectory, the local probability W (r) is greater than a predetermined threshold G2.

Dadurch werden unnötige Ausrichtungen des Effektors E vermieden, wenn die Transitbewegung bspw. ausschließlich durch einen Bereich führt, in dem kein Objekt angetroffen werde kann, d.h. für den gilt W(r) = 0.This avoids unnecessary alignments of the effector E when, for example, the transit movement passes exclusively through an area where no object can be found, i.e., an area where no object is encountered. for which W (r) = 0.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich durch folgende Schritte aus. In einem Schritt erfolgt, wie in der vorstehenden Weiterbildung, für einen zwei- oder dreidimensionalen Arbeitsbereichs des Roboterarms ein Bereitstellen einer zwei- oder dreidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung W(r), die angibt, mit welcher lokalen Wahrscheinlichkeit in dem Arbeitsbereich ein Objekt vorhanden ist.A further preferred development of the method is characterized by the following steps. In one step, as in the above development, for a two-dimensional or three-dimensional workspace of the robot arm, provision is made of a two-dimensional or three-dimensional probability distribution W (r) indicating with which local probability an object is present in the workspace.

In einem weiteren Schritt erfolgt nun ein Ausführen der Transitbewegung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit v₁, wenn an der aktuellen Position P_E(t) des Effektors E die lokale Wahrscheinlichkeit W(r = P_E(t)) größer als ein vorgegebener Grenzwert G3 ist, oder ein Ausführen der Transitbewegung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit v₂ ab Beginn der Transitbewegung, wenn entlang einer prädizierten Trajektorie T der Transitbewegung zumindest an einer Position P_T der Trajektorie T die lokale Wahrscheinlichkeit W(r = P_T) größer als ein vorgegebener Grenzwert G4 ist, oder ein Ausführen der Transitbewegung mit einer Geschwindigkeit v₃(W(P_E(t))), die von der aktuellen Position P_E(t) des Effektors E und der zugeordneten Wahrscheinlichkeit W(r = P_E(t)) abhängt.In a further step, the transit movement is now carried out at a predefined speed v ₁ if, at the current position P _E (t) of the effector E, the local probability W (r = P _E (t)) is greater than a predefined limit value G3 , or carrying out the transit movement at a predetermined speed v ₂ from the beginning of the transit movement, if along a predicted trajectory T of the transit movement at least at a position P _{T of} the trajectory T, the local probability W (r = P _T ) greater than a predetermined limit G4 or carrying out the transit movement at a velocity v ₃ (W (P _E (t))), which depends on the current position P _E (t) of the effector E and the associated probability W (r = P _E (t)) depends.

In dieser Weiterbildung wird zusätzlich die Geschwindigkeit der Transitbewegung des Effektors E vorzugsweise auf Geschwindigkeiten v₁, v₂, v₃ reduziert, die im Falle einer Kollision des Effektors E mit einem Objekt ein Verletzungsrisiko oder ein Beschädigungsrisiko weiter verringert oder optimaler Weise auf Null bringt.In addition, in this development, the speed of the transit movement of the effector E is preferably reduced to speeds v ₁ , v ₂ , v ₃ , which in the event of a collision of the effector E with an object further reduces a risk of injury or a risk of damage or optimally nulls it.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich durch folgende Schritte aus. In einem Schritt erfolgt für den Roboterarm inklusive Effektor E ein Ermitteln eines in der aktuellen Transitbewegungssrichtung des Effektors E wirkenden mechanischen Impulses oder einer davon abgeleiteten Größe. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Steuern einer zeitabhängigen mechanischen Konfiguration K(t) des Roboterarms inklusive des Effektors E derart, dass der in aktueller Transitbewegungsrichtung des Effektors E wirkende mechanische Impuls oder die davon abgeleitete Größe minimal ist. So kann beispielsweise die in Transitbewegungsrichtung des Effektors E wirksame Masse des Roboterarms inklusive Effektor E durch die entsprechend gesteuerte zeitabhängige mechanische Konfiguration K(t) minimiert werden. Auch diese Weiterbildung reduziert die verletzende oder beschädigende Wirkung des Effektors E bei einer Kollision mit einem Objekt.A further preferred development of the method is characterized by the following steps. In one step, the robotic arm, including the effector E, is determined by determining a mechanical pulse acting in the current direction of transit of the effector E or a variable derived therefrom. In a further step, a time-dependent mechanical configuration K (t) of the robot arm, including the effector E, is controlled in such a way that the mechanical pulse acting in the current direction of transit of the effector E or the variable derived therefrom is minimal. Thus, for example, the mass of the robot arm including effector E which is effective in the direction of transit of the effector E can be minimized by the correspondingly controlled time-dependent mechanical configuration K (t). This development also reduces the injurious or damaging effect of the effector E in the event of a collision with an object.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich durch folgende Schritte aus. In einem Schritt erfolgt mittels einer Sensorvorrichtung ein Erfassen eines in einen Arbeitsbereich des Roboterarmes eindringenden Objektes O und Prädizieren seiner Bewegung und/oder Prädizieren der Bewegungen einzelner Bestandteile O₁, O₂, ..., O_n des Objekts O. Das Erfassen des Objekts bzw. seiner Bewegung kann bspw. durch optische Sensoren, Ultraschallsensoren, Lidarsensoren, Lasersensoren etc. erfolgen.A further preferred development of the method is characterized by the following steps. In one step, by means of a sensor device, detection of an object O penetrating into a working area of the robot arm and prediction of its movement and / or prediction of the movements of individual components O ₁ , O ₂ ,..., O _{n of} the object O. Detecting the object or its movement can, for example, by optical sensors, ultrasonic sensors, Lidarsensoren, laser sensors, etc. take place.

In einem weiteren Schritt erfolgt ein Orientieren des Effektors E abhängig von seiner aktuellen Transitbewegungsrichtung, seiner aktuellen 3D-Form, dem zugehörigen 3D-Parametersatz, sowie der prädizierten Bewegung des Objekts O und/oder der prädizierten Bewegungen seiner Bestandteile O₁, O₂, ..., O_n, derart, dass in eine prädizierte Auftreffrichtung des Effektors E auf das Objekt O oder in eine prädizierte Auftreffrichtung des Effektors E auf eines seiner Bestandteile O₁, O₂, ..., O_n der Teil der 3D-Form des Effektors E zeigt, der das geringste Verletzungsrisiko aufweist.In a further step, the orientation of the effector E is dependent on its current direction of transit movement, its current 3D shape, the associated 3D parameter set, and the predicted movement of the object O and / or the predicted movements of its components O ₁ , O ₂ ,. .., O _n , such that in a predicted incident direction of the effector E on the object O or in a predicted incident direction of the effector E on one of its components O ₁ , O ₂ , ..., O _{n of} the part of the 3D shape of the effector E showing the lowest risk of injury.

Diese Weiterbildung berücksichtigt, dass bei einem sich bewegenden Objekt und einem sich bewegenden Effektor E, sich eine mögliche Kollision beider nicht immer in bzw. entgegen der Transitbewegung des Effektors E ergibt, sondern das Objekt mit dem Effektor E in einer Differenzrichtung kollidiert, die sich aus den Bewegungsrichtungen von Objekt oder einem entsprechenden Bestandteil des Objekts und dem Effektor E ergibt. Diese Weiterbildung berücksichtigt dies indem der Effektor E derart orientiert wird, dass der Teil der 3D-Form des Effektors E spätestens zum Zeitpunkt der prädizierten Kollision in die Differenzrichtung zeigt, und somit das Verletzungsrisiko/Beschädigungsrisiko bei einer Kollision verringert wird.This development takes into account that in the case of a moving object and a moving effector E, a possible collision of both does not always result in or against the transit movement of the effector E, but the object collides with the effector E in a differential direction resulting from the directions of movement of the object or a corresponding component of the object and the effector E results. This development takes this into account by orienting the effector E such that the part of the 3D shape of the effector E points in the differential direction at the latest at the time of the predicted collision, and thus the risk of injury / damage in a collision is reduced.

Vorteilhaft wird die eben beschriebene Weiterbildung dadurch verbessert, dass für den Roboterarm inklusive Effektor E ein in prädizierter Auftreffrichtung wirkender mechanischen Impuls oder eine davon abgeleiteten Größe ermittelt wird, und eine zeitabhängige mechanische Konfiguration K(t) des Roboterarms inklusive Effektor E derart gesteuert wird, dass der in der prädizierten Auftreffrichtung wirkende mechanische Impuls oder die davon abgeleitete Größe (bspw. Energie, Leistung) minimal ist. Dadurch wird, wie bereits vorstehend erläutert, die mechanische schädigende Wirkung bei der Kollision vermindert.Advantageously, the further development just described is improved by determining a mechanical impulse acting in the predicted impingement direction or a variable derived therefrom for the robot arm, including the effector E, and a time-dependent mechanical configuration K (t) of the robot arm including effector E is controlled such that the mechanical impulse acting in the predicted impingement direction or the variable derived therefrom (eg energy, power) is minimal. As a result, as already explained above, the mechanical damaging effect in the collision is reduced.

In einer Ausbildung des Verfahrens ist das Objekt O ein Mensch, und seine Bestandteile O₁, O₂, ..., O_n sein Kopf, sein Rumpf, seine Arme mit jeweils Ober- und Unterarm, seine Beine mit jeweils Oberschenkel, Unterschenkel und Fuß. Die Erkennung des Objekts und seiner Bestandteile sowie die Prädiktion der Bewegung des Objekts bzw. seiner BestandteileIn one embodiment of the method, the object O is a human being, and its components O ₁ , O ₂ , ..., O _n his head, his torso, his arms, each upper and lower arm, his legs, each with thighs, lower legs and Foot. The recognition of the object and its components as well as the prediction of the movement of the object or its components

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computersystem, mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren, wie vorstehend beschrieben, auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.Furthermore, the invention relates to a computer system, with a data processing device, wherein the data processing device is configured such that a method, as described above, is performed on the data processing device.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein digitales Speichermedium mit elektronisch aus lesbaren Steuersignalen, wobei die Steuersignale so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass ein Verfahren, wie vorstehend beschrieben, ausgeführt wird.Furthermore, the invention relates to a digital storage medium with electronically readable control signals, wherein the control signals can interact with a programmable computer system so that a method as described above, is performed.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wie vorstehend beschrieben, wenn der Programmcode auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.Furthermore, the invention relates to a computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method, as described above, when the program code is executed on a data processing device.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computer-Programm mit Programmcodes zur Durchführung des Verfahrens, wie vorstehend beschrieben, wenn das Programm auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung abläuft.Furthermore, the invention relates to a computer program with program codes for carrying out the method, as described above, when the program runs on a data processing device.

Schließlich betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Steuern einer Transitbewegung eines Roboterarms, der an seinem freien Ende einen in seiner 3D-Orientierung ausrichtbaren Effektor E umfasst, mit einer Speichereinheit zum Bereitstellen eines einer aktuellen 3D-Form des Effektors E zugeordneten 3D-Parametersatzes, der einer Mehrzahl von Oberflächenpunkten POI_i der aktuellen 3D-Form des Effektors E jeweils ein lokales Verletzungsrisiko zuordnet, das ein Objekt im Falle eines frontalen Zusammentreffens mit dem Oberflächenpunkt POI_i des Effektors E erfahren würde, einem Mittel zum Ermitteln einer aktuellen Bewegungsrichtung der Transitbewegung des Effektors E, und einer Steuereinheit zur Steuerung der 3D-Orientierung des Effektors E abhängig von der ermittelten aktuellen Bewegungsrichtung, der aktuellen 3D-Form und dem zugehörigen 3D-Parametersatz derart, dass in Bewegungsrichtung der Teil der 3D-Form des Effektors zeigt, der gemäß dem 3D-Parametersatz das geringste Verletzungsrisiko aufweist.Finally, the invention relates to a device for controlling a transit movement of a robot arm, which comprises at its free end an alignable in its 3D orientation effector E, with a memory unit for providing a current 3D shape of the effector E associated 3D parameter set, the one Plurality of surface points POI _{i of} the current 3D shape of the effector E each associates a local injury risk that an object would experience in the event of a frontal encounter with the surface point POI _{i of} the effector E, means for determining a current direction of movement of the effector E transit movement , and a control unit for controlling the 3D orientation of the effector E depending on the determined current direction of movement, the current 3D shape and the associated 3D parameter set such that in the direction of movement of the part of the 3D shape of the effector shows, according to the 3D Parameter set the least violation risk.

Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen der vorgeschlagenen Vorrichtung ergeben sich durch analoge und sinngemäße Übertragung der vorstehend zum vorgeschlagenen Verfahren gemachten Ausführungen.Advantages and preferred developments of the proposed device are obtained by analogous and analogous transmission of the statements made above for the proposed method.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Further advantages, features and details will become apparent from the following description in which - where appropriate, with reference to the drawings - at least one embodiment is described in detail. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.

Es zeigen:

1 ein schematisiertes Ablaufschema einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens, und
2 einen schematisierten Aufbau einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorrichtung.

Show it:

1 a schematic flow diagram of an embodiment of the proposed method, and
2 a schematic structure of an embodiment of the proposed device.

1 zeigt ein schematisiertes Ablaufschema einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens zum Steuern einer Orientierung eines an einem freien Ende eines Roboterarms angeordneten Effektors E, mit folgenden Schritten. In einem ersten Schritt 101 erfolgt für den Effektor E ein Bereitstellen eines seiner aktuellen 3D-Form zugeordneten 3D-Parametersatzes, der einer Mehrzahl von Oberflächenpunkten POI_i der aktuellen 3D-Form des Effektors E jeweils zumindest ein lokales Verletzungsrisiko und/oder Beschädigungsrisiko zuordnet, das ein Objekt im Falle eines frontalen Zusammentreffens mit dem Oberflächenpunkt POI_i des Effektors E erfahren würde. In einem zweiten Schritt 102 erfolgt ein Ermitteln einer aktuellen Richtung einer Transitbewegung des Effektors E. In einem dritten Schritt 103 erfolgt ein Orientieren des Effektors E abhängig von der ermittelten aktuellen Richtung, der aktuellen 3D-Form und dem zugehörigen 3D-Parametersatz derart, dass in Richtung der Transitbewegung der Teil der 3D-Form des Effektors E zeigt, der gemäß dem 3D-Parametersatz das geringste Verletzungsrisiko und/oder Beschädigungsrisiko aufweist. 1 shows a schematic flow diagram of an embodiment of the proposed method for controlling an orientation of an arranged at a free end of a robot arm effector E, with the following steps. In a first step 101 For the effector E, provision is made of a 3D parameter set assigned to its current 3D shape, which assigns at least one local risk of injury and / or damage to a plurality of surface points POI _{i of} the current 3D shape of the effector E frontal encounter with the surface point POI _{i of} the effector E. In a second step 102 a determination is made of a current direction of a transit movement of the effector E. In a third step 103 Orientation of the effector E is dependent on the determined current direction, the current 3D shape and the associated 3D parameter set such that, in the direction of the transit movement, the part of the 3D shape of the effector E points to the lowest one according to the 3D parameter set Has risk of injury and / or damage.

2 zeigt einen schematisierten Aufbau einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorrichtung zum Steuern einer Orientierung eines an einem freien Ende eines Roboterarms angeordneten Effektors E. Die Vorrichtung umfasst eine Speichereinheit 201 zum Bereitstellen eines einer aktuellen 3D-Form des Effektors E zugeordneten 3D-Parametersatzes, der einer Mehrzahl von Oberflächenpunkten POI_i der aktuellen 3D-Form des Effektors E jeweils ein lokales Verletzungsrisiko und/oder Beschädigungsrisiko zuordnet, das ein Objekt im Falle eines frontalen Zusammentreffens mit dem Oberflächenpunkt POI_i des Effektors E erfahren würde, ein Mittel 202 zum Ermitteln einer aktuellen Richtung einer Transitbewegung des Effektors E, und eine Steuereinheit 203 zur Steuerung der 2D- oder 3D-Orientierung des Effektors E abhängig von der ermittelten aktuellen Richtung der Transitbewegung, der aktuellen 3D-Form und dem zugehörigen 3D-Parametersatz derart, dass in Richtung der Transitbewegung der Teil der 3D-Form des Effektors E zeigt, der gemäß dem 3D-Parametersatz das geringste Verletzungsrisiko und/oder Beschädigungsrisiko aufweist. 2 shows a schematic structure of an embodiment of the proposed device for controlling an orientation of an arranged at a free end of a robot arm effector E. The device comprises a memory unit 201 for providing a 3D parameter set assigned to a current 3D shape of the effector E, which in each case associates a local injury risk and / or damage risk with a plurality of surface points POI _{i of} the current 3D shape of the effector E, which an object in the event of a frontal coincidence the surface point POI _{i of} the effector E would be a means 202 for determining a current direction of a transit movement of the effector E, and a control unit 203 for controlling the 2D or 3D orientation of the effector E as a function of the determined current direction of the transit movement, the current 3D shape and the associated 3D parameter set such that the part of the 3D shape of the effector E points in the direction of the transit movement, which has the lowest risk of injury and / or damage according to the 3D parameter set.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.Although the invention has been further illustrated and explained in detail by way of preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. It is therefore clear that a multitude of possible variations exists. It is also to be understood that exemplified embodiments are really only examples that are not to be construed in any way as limiting the scope, applicability, or configuration of the invention. Rather, the foregoing description and description of the figures enable one skilled in the art to practice the exemplary embodiments, and those of skill in the knowledge of the disclosed inventive concept may make various changes, for example, to the operation or arrangement of particular elements recited in an exemplary embodiment, without Protected area, which is defined by the claims and their legal equivalents, such as further explanation in the description.

Claims

Method for controlling an orientation of an effector E arranged at a free end of a robot arm, comprising the following steps: 1.1. providing for the effector E (101) a 3D parameter set assigned to its current 3D shape, which assigns at least one local risk of injury and / or damage risk to a plurality of surface points POI _{i of} the current 3D shape of the effector E; of a frontal encounter with the surface point POI _{i of} the effector E, 1.2. Determining (102) a current direction of transit movement of the effector E, and 1.3. Orienting (103) of the effector E depending on the determined current direction, the current 3D shape and the associated 3D parameter set such that in the direction of the transit movement shows the part of the 3D shape of the effector E, according to the 3D parameter set the has the lowest risk of injury and / or risk of damage.

Method according to Claim 1 , with the following steps: 2.1. for a two- or three-dimensional workspace of the robotic arm, providing a two- or three-dimensional probability distribution W (r) indicating with what local probability an object exists in the workspace, where r indicates a position in the workspace, and 2.2. Execute step 1.3. if, at a current position P _E (t) of the effector E, the local probability W (r = P _E (t)) is greater than a predetermined limit value G1, or executing step 1.3. from the beginning of the transit movement of the effector, if the local probability W (r) is greater than a predefined limit value G2 along a predicted trajectory of the transit movement at least at a position P _{T of} the trajectory.

Method according to Claim 1 or 2 with the following steps: 3.1. for a two- or three-dimensional workspace of the robotic arm, providing a two- or three-dimensional probability distribution W (r) indicating what local probability an object exists in the workspace, and 3.2. Executing the transit movement at a predetermined speed v ₁ , if at the current position P _E (t) of the effector E, the local probability W (r = P _E (t)) is greater than a predetermined limit G3, or carrying out the transit movement with a predetermined velocity v ₂ from the beginning of the transit movement, if along a predicted trajectory T of the transit movement at least at a position P _{T of} the trajectory T, the local probability W (r = P _T ) is greater than a predetermined limit G4, or carrying out the transit movement with a W is dependent speed v ₃ (W (P _e (t))) of the actual position P _e (t) of the effector e and the associated probability (r = P _e (t)).

Method according to one of Claims 1 to 3 , with the following steps: 4.1. for the robot arm including effector E Determining a mechanical impulse acting in the current direction of movement or a variable derived therefrom, such as energy or power, and 4.2. Controlling a time-dependent mechanical configuration K (t) of the robot arm including effector E such that the mechanical pulse acting in the current direction of movement of the effector or the variable derived therefrom is minimal.

Method according to one of Claims 1 to 4 , with the following steps: 5.1. by means of a sensor device detecting an object O penetrating into a working area of the robot arm and predicting its movement and / or prediction of the movement of individual components O ₁ , O ₂ ,..., O _{n of} the object O, 5.2. Orienting the effector E depending on the current direction of the transit movement, its current 3D shape, the associated 3D parameter set, as well as the predicted movement of the object O and / or the predicted movements of its components O ₁ , O ₂ , ..., O _n , such that in a predefined direction of impact of the effector E on the object O or on one of its components O ₁ , O ₂ ,..., O _n the part of the effector E which has the lowest risk of injury and / or damage.

Method according to Claim 5 , with the following steps: 6.1. for the robot arm including effector E Determining a mechanical impulse acting in the predicted direction of impingement or a variable derived therefrom, such as energy or power, and 6.2. Controlling a time-dependent mechanical configuration K (t) of the robot arm including effector E such that the mechanical impulse acting in the predicted impingement direction or the variable derived therefrom is minimal.

Method according to one of Claims 1 to 6 in which the object O is a human, and its components O ₁ , O ₂ , ..., O _n its head, its trunk, its arms, each with upper and lower arm, and its legs, each with thigh, lower leg and foot include.

Method according to one of Claims 1 to 7 in which an allocated 3D parameter set is provided by a storage medium for each 3D shape which the effector E can assume.

Computer system, comprising a data processing device, wherein the data processing device is configured such that a method according to one of Claims 1 to 8th is executed on the data processing device.

Digital storage medium with electronically readable control signals, wherein the control signals can interact with a programmable computer system such that a method according to any one of Claims 1 to 8th is performed.

Computer program product having program code stored on a machine-readable medium for carrying out the method according to one of Claims 1 to 8th when the program code is executed on a data processing device.

Computer program with program codes for carrying out the method according to one of Claims 1 to 8th when the program runs on a data processing device.

Device for controlling an orientation of an effector E arranged at a free end of a robot arm, with 13.1. a memory unit (201) for providing a 3D parameter set assigned to a current 3D shape of the effector E, which in each case associates a local injury risk and / or damage risk with a plurality of surface points POI _{i of} the current 3D shape of the effector E; Case of a frontal collision with the surface point POI _{i of} the effector E, 13.2. means (202) for determining a current direction of transit movement of the effector E, and 13.3. a control unit (203) for controlling the 2D or 3D orientation of the effector E depending on the determined current direction of the transit movement, the current 3D shape and the associated 3D parameter set such that in the direction of the transit movement of the part of the 3D shape of the effector E, which has the lowest risk of injury and / or damage according to the 3D parameter set.