DE102015210218A1

DE102015210218A1 - Verfahren zum Betreiben eines Roboters, zugehöriger Roboter mit einer Vibrationsvorrichtung und Roboterarbeitsplatz

Info

Publication number: DE102015210218A1
Application number: DE102015210218.1A
Authority: DE
Inventors: Henrik Keller; Tobias Reichl
Original assignee: KUKA Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2016-12-08
Also published as: EP3304230A1; WO2016193217A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters (1) an einem Roboterarbeitsplatz, und einen diesbezüglichen Roboter (1) und Roboterarbeitsplatz, wobei der Roboter eine Steuerungsvorrichtung (10) aufweist, die ausgebildet und/oder eingerichtet ist, eine zu überwachenden Zustandsart des Roboterarbeitsplatzes oder des Roboters (1) vorzugeben, einen der Zustandsart entsprechenden Zustandsparameter des Roboterarbeitsplatzes oder des Roboters (1) zu überwachen, einen Grenzwertes für den überwachten Zustandsparameter des Roboterarbeitsplatzes oder des Roboters (1) vorzugeben, den Roboterarm (2) durch manuelles Aufbringen von Kräften auf ein oder mehrere der Glieder (L1–L8) manuell geführt zu bewegen, um die Gelenke (J1–J7) des Roboterarms (2) zu verstellen, sowie eine Vibration an dem Roboterarm (2), angesteuert durch die Steuerungsvorrichtung (10), während des manuell geführten Bewegens zu erzeugen, wenn der überwachte Zustandsparameter den vorgegebenen Grenzwert erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters, der einen Roboterarm mit mehreren Gliedern, die Glieder verbindenden Gelenken und die Gelenke bewegenden Antrieben, sowie eine zum Bewegen des Roboterarms ausgebildet Steuerungsvorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, während eines manuell geführten Bewegens des Roboterarms die Gelenke des Roboterarms durch Ansteuern der Antriebe in Abhängigkeit von auf ein oder mehrere der Glieder manuell aufgebrachten Kräften zu verstellen. Die Erfindung betrifft außerdem einen Roboter zur Durchführung des Verfahren, der insbesondere eine Vibrationsvorrichtung aufweist und einen zugehörigen Roboterarbeitsplatz.
Roboter im Allgemeinen sind Handhabungsmaschinen, die zur selbsttätigen Handhabung von Objekten mit zweckdienlichen Werkzeugen ausgerüstet und in mehreren Bewegungsachsen insbesondere hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeitsablauf programmierbar sind. Roboter weisen üblicherweise einen Roboterarm mit mehreren Gliedern und programmierbare Steuerungen (Steuerungsvorrichtungen) auf, die während eines Automatikbetriebs die Bewegungsabläufe des Roboterarms automatisch steuern bzw. regeln. Die Antriebe sind z.B. elektrische Antriebe und die Glieder sind insbesondere relativ zueinander bezüglich Achsen drehbar gelagert.
Insbesondere steuert im Automatikbetrieb die Steuerungsvorrichtung den Roboterarm derart an, dass das am Roboterarm befestigte Werkzeug automatisch entlang einer vorgegebenen Bahn bewegt wird. Dazu wird der Roboter bzw. dessen Steuerungsvorrichtung geeignet programmiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Programmieren und/oder zum Betreiben eines Roboters an einem Roboterarbeitsplatz anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters an einem Roboterarbeitsplatz, wobei der Roboter einen Roboterarm mit mehreren Gliedern, die Glieder verbindenden Gelenken und die Gelenke bewegenden Antrieben, sowie eine zum Bewegen des Roboterarms ausgebildet Steuerungsvorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, während eines manuell geführten Bewegens des Roboterarms die Gelenke des Roboterarms durch Ansteuern der Antriebe in Abhängigkeit von auf ein oder mehrere der Glieder manuell aufgebrachten Kräften zu verstellen, aufweisend folgende Verfahrensschritte:

─ Vorgeben einer zu überwachenden Zustandsart des Roboterarbeitsplatzes oder des Roboters,
─ Überwachen eines der Zustandsart entsprechenden Zustandsparameters des Roboterarbeitsplatzes oder des Roboters,
─ Vorgeben mindestens eines Grenzwertes für den überwachten Zustandsparameter des Roboterarbeitsplatzes oder des Roboters,
─ manuell geführtes Bewegen des Roboterarms durch manuelles Aufbringen von Kräften auf ein oder mehrere der Glieder, um die Gelenke des Roboterarms zu verstellen,
─ Erzeugen einer Vibration an dem Roboterarm, angesteuert durch die Steuerungsvorrichtung, während des manuell geführten Bewegens, wenn der überwachte Zustandsparameter den vorgegebenen mindestens einen Grenzwert erreicht.

Es können erfindungsgemäß ein oder mehrere Zustandsarten überwacht werden. Jede einzelne Zustandsart kann ein oder mehrere Zustandsparameter aufweisen. Jeder Zustandsparameter kann ein oder mehrere Grenzwerte aufweisen.
Der Roboterarm kann beispielsweise ein Gestell und ein relativ zum Gestell mittels eines Gelenks drehbar gelagertes Karussell umfassen, an dem eine Schwinge mittels eines anderen Gelenks schwenkbar gelagert ist. An der Schwinge kann dabei ihrerseits ein Armausleger mittels eines weiteren Gelenks schwenkbar gelagert sein. Der Armausleger trägt dabei eine Roboterhand, wobei insoweit der Armausleger und/oder die Roboterhand mehrere weitere Gelenke aufweisen können. Ein mehrere über Gelenke verbundene Glieder aufweisende Roboterarm kann als ein Knickarmroboter mit mehreren seriell nacheinander angeordneten Gliedern und Gelenken konfiguriert sein, insbesondere kann der Roboterarm als ein Sechsachs-Knickarmroboter oder als ein Siebensachs-Knickarmroboter ausgebildet sein.
Roboterarme mit zugehörigen Robotersteuerungen, wie insbesondere Industrieroboter können aber auch so genannte Leichtbauroboter sein, die sich zunächst von üblichen Industrierobotern dadurch unterscheiden, dass sie eine für die Mensch-Maschine-Kollaboration günstige Baugröße aufweisen und dabei eine zu ihrem Eigengewicht relativ hohe Tragfähigkeit aufweisen. Daneben können insbesondere Leichtbauroboter auf einfache Weise kraft- und/oder momentgeregelt, beispielsweise in einer Nachgiebigkeitsregelung betrieben werden, statt positionsgeregelt betrieben zu werden, was beispielsweise ein manuelles Verstellen der Pose des Roboterarms vereinfacht. Außerdem kann dadurch eine sichere Mensch-Maschine-Kollaboration erreicht werden, da beispielsweise unbeabsichtigte Kollisionen des Manipulatorarmes mit Personen entweder verhindert oder zumindest derart abgeschwächt werden können, so dass den Personen kein Schaden entsteht. Ein solcher Roboterarm bzw. ein solcher Leichtbauroboter kann mehr als sechs Freiheitsgrade, insbesondere sieben Freiheitsgrade aufweisen, so dass insoweit ein überbestimmtes System geschaffen wird, wodurch derselbe Punkt im Raum in gleicher Orientierung durch mehrere verschiedene Posen des Manipulatorarms erreicht werden kann. Als Regelungskonzepte kann beispielsweise eine indirekte Kraftregelung durch Modellierung des Leichtbauroboters als mechanischer Widerstand (Impedanz) oder eine direkte Kraftregelung verwendet werden.
In einer Steifigkeitsregelung oder Nachgiebigkeitsregelung des Roboters können Kräfte, Momente, Posen und Richtungen gelernt werden. In diesen Ausführungen kann das Ansteuern der Antriebe des Roboters mittels Impedanzregelung oder Admittanzregelung erfolgen. Die Steuerungsvorrichtung kann insoweit eingerichtet sein, die Nachgiebigkeits- oder Steifigkeitsregelung des Roboters mittels Impedanzregelung oder Admittanzregelung zu erzeugen.
Unter einem manuell geführten Bewegen wird insbesondere ein manuelles Führen verstanden, bei dem eine Person den Roboterarm mit einer oder beiden Händen anfasst und durch Ziehen und/oder Drücken an seiner Struktur manuell bewegt, insbesondere dessen Gelenke verstellt. Der Roboterarm umfasst dazu insbesondere mit der Steuerungsvorrichtung verbundene Kraftund/oder Momentsensoren, welche die Kräfte bzw. Drehmomente an den einzelnen Gelenken ermitteln. Dadurch ist es möglich, dass während des manuell geführten Bewegens, insbesondere Führens des Roboterarms die Steuerungsvorrichtung zum Bewegen des Roboters vorgesehene Antriebe derart ansteuert, dass diese Antriebe die durch das manuell geführte Bewegen, insbesondere Führen, entstehenden Bewegungen der einzelnen Glieder ausführen oder zumindest unterstützen. Der Roboter ist in diesem Fall vorzugsweise kraft- und/oder momentgeregelt. Ein manuelles Bewegen im Allgemeinen kann im weitesten Sinne aber auch das Bewegen einzelner oder mehrerer Gelenke des Roboterarms durch Betätigen von Tasten und/oder Schaltern an einem Handbediengerät sein, wodurch Bewegungssteuerbefehle über die manuelle Eingabe am Handbediengerät an die Steuerungsvorrichtung übermittelt und durch diese unmittelbar ausgeführt werden.
In der Mensch-Roboter-Kollaboration ist jedoch die Funktionalität des Handführens eine Schlüsseleigenschaft eines Robotersystems. Hierbei berührt der Benutzer den Roboterarm direkt an seiner Struktur, d.h. an einem oder mehrerer seiner Gliedern oder an einer oder mehrerer an ihm befestigter Komponenten, wie Werkzeuge, und übt eine Kraft auf ihn aus. Abhängig von der Kraftstärke und ihrer Richtung gibt der Roboterarm typischerweise, d.h. in einem kraft-/ momentgeregelten Betrieb, der Kraft nach und bewegt sich in die gewünschte Richtung. Auf diese Weise kann der Benutzer auf intuitive Weise den Roboterarm in eine neue Pose überführen.
Typische Anwendung findet das Handführen beim sogenannten „Teachen durch Vormachen”, bei dem der Bediener den Roboter von Hand in die gewünschten Positionen führt, während die Koordinaten angefahrener Bahnpunkte im Roboterprogramm gespeichert werden. Das Handführen ist auch relevant bei sogenannten geführten Bewegungen. Bei diesen greift der Bediener typischerweise in die Nähe des Flansches und lässt sich bei der Ausführung einer Bewegung vom Roboter aktiv unterstützen, indem der Roboter beim Bewegen beispielsweise das Überschreiten einer virtuellen Wand verhindert, so dass ein am Flansch montiertes Werkzeug keinen Schaden anrichtet oder mit ihm eine höhere Genauigkeit erzielt werden kann.
Beim Handführen kann es beispielhaft zu folgenden Zuständen des Robotersystems kommen:
Ein immer präsentes Problem bei einem Handführen eines Roboterarms sind seine mechanischen Achsgrenzen. So passiert es leicht, dass ein Bediener den Roboter versucht außerhalb seiner Reichweite zu bewegen oder in eine Position, wo mindestens eine Achse, d.h. ein Gelenk des Roboterarms, auf Anschlag gerät und nicht weiter drehen kann oder dass der Roboterarm aufgrund seines Aufbaus mit sich selbst kollidieren kann, d.h. zwei Glieder des Roboterarms aneinanderstoßen. Wird das Handführen algorithmisch im kartesischen Raum berechnet, um beispielsweise die Orientierung eines Werkzeugs beizubehalten, kann es zudem passieren, dass der Bediener den Roboterarm in eine Singularität bewegt, also in eine Position, in der es rechnerisch keine eindeutige Lösung für die gewünschte Stellung des Roboterarms gibt.
Ein drittes Problem stellen Hindernisräume dar, in die der Roboterarm nicht bewegt werden darf, um zum Beispiel Kollisionen zu verhindern. Bei der Nutzung der Technik des manuell geführten Bewegens kann es zu Kollisionen mit virtuellen Objekten, z.B. einer virtuellen Wand, eines virtuellen Kegels, kommen.
Bei einem Handführen kann es außerdem bestimmte einzelne Position oder Lagen geben, die man speziell erreichen oder vermeiden will.
Um dem zu begegnen, können die genannten Fälle beispielhaft mit folgenden Lösungsstrategien verhindert werden:

– der Roboter hält vollständig an,
– einzelne Achsen, d.h. Gelenke des Roboterarms werden in eine Richtung blockiert,
– einzelne kartesische Richtungen der Roboterbewegung werden blockiert oder
– vor Erreichen einer solchen Stellung wird bspw. über eine Impedanzregelung eine stärker werdende Kraft aufgebaut, die den Benutzer von ihr quasi wegdrückt oder im positiven Fall auch dort hinzieht.

Problematisch ist hierbei, dass es dem Benutzer oft nicht möglich ist, bei einem manuellen Handführen zu unterscheiden, wenn eine der Lösungsstrategien zum Einsatz kommt und/oder welcher Zustand diese Lösungsstrategie ausgelöst hat. So kann es sehr hilfreich sein für den Benutzer, beispielsweise unterscheiden zu können, dass er noch nicht an der Grenze der Reichweite des Roboterarms angekommen ist, sondern sich statt dessen beispielsweise auf eine Singularität zu bewegt. In einem anderen beispielhaften Fall kann es hilfreich sein, dass der Benutzer erkennt, dass er nicht etwa deshalb einen Gegendruck spürt, weil er sich an einer virtuellen Wand befindet, sondern weil er eine Achsgrenze des Roboters erreicht hat. Dann könnte er beispielsweise durch Umpositionieren der Gelenke des Roboterarms, insbesondere im Falle einer redundanten Kinematik im Nullraum, die angestrebte Position doch noch erreichen.
Die Erfindung befasst sich demgemäß auch damit, dem Benutzer eine Hilfestellung beim Handführen zu bieten, die ihm bei der Programmieren seiner Applikation erlaubt zwischen den Systemzuständen zu unterscheiden, um leichter sein Handeln darauf einzustellen.
Es ist deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuerungsvorrichtung ausgebildet und/oder eingerichtet ist, die folgenden Verfahrensschritte auszuführen:

Mit anderen Worten wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass am Roboterarm Vibrationen erzeugt werden, die einen bestimmten Zustand des Roboters kennzeichnen und die der handführende Benutzer mit seinen Händen spüren oder auch bloß hören kann.
Indem mindestens ein Grenzwert vorgeben wird, kann ein einziger oder es können mehrere, insbesondere verschiedene Grenzwerte vorgegeben und überwacht werden. Zwei Grenzwerte können beispielsweise auch durch einen oberen Grenzwert und einen unteren Grenzwert desselben Zustandsparameters gebildet werden.
Diese Vibrationen können binärer Natur sein, d.h. lediglich an- und ausgeschaltet werden. Alternativ kann zusätzlich durch unterschiedliche Abspielmuster das Unterscheiden von diversen Systemzuständen möglich werden. Beispielsweise kann eine Pausenverkürzung zwischen mehreren Vibrationsfolgen bis hin zu einer Pausenverkürzung auf null, bei der dann eine Dauervibration erfolgt, eine Annäherung eines bestimmten Gliedes des Roboterarms an ein Hindernis ankündigt werden.
Alternativ oder ergänzend können die Vibrationen in ihrer Frequenz, ihrer Amplitude und/oder in Form unterschiedlicher Abspielmuster veränderlich sein. Dies kann geschehen analog zu Tönen, Tonfolgen, und/oder Melodien.
Eine Veränderung der Vibrationen kann so die Unterscheidung zwischen verschiedenen Zuständen erlauben oder auch die Nähe zum Erreichen eines bestimmten Zustands vorankündigen. Beispielsweise kann die Frequenz der Vibration immer höher werden, je näher man den Roboterarm manuell an ein Hindernis heranführt.
Das Erzeugen einer Vibration an dem Roboterarm, angesteuert durch die Steuerungsvorrichtung, während des manuell geführten Bewegens, wenn der überwachte Zustandsparameter den vorgegebenen Grenzwert erreicht, kann entweder unmittelbar durch eine Roboter-Steuerungsvorrichtung erfolgen, welche die Antriebe des Roboters ansteuert oder durch eine separate Überwachungs- Steuerungsvorrichtung erfolgen, welche getrennt von der Roboter-Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist.
In einer ersten Ausführungsform kann ein Vibrieren erzeugt werden durch kleine in der Richtung wechselnde Bewegungen mindestens eines Gelenks des Roboterarms. Ein solches Vibrieren kann durch entsprechendes Ansteuern der bereits vorhandenen Antriebe der Gelenke des Roboters durch die Steuerungsvorrichtung erzeugt werden.
In einer zweiten Ausführungsform kann ein Vibrieren erzeugt werden durch ein oder mehrere separate Vibrationsvorrichtungen, wie beispielsweise elektrische Unwuchtmotoren, die innerhalb des Roboterarms und/oder außen an der Struktur, d.h. außen an einem oder mehrerer der Glieder des Roboterarms angebracht sind und die von der Steuerungsvorrichtung betreibbar sind.
Unabhängig der Erzeugungsart des Vibrierens, mittels der Antriebe der Gelenke des Roboterarms oder mittels der separaten Unwuchtmotoren, können verschiedene Umsetzungsarten von Vibrationen angewendet werden. Zwei spezielle Umsetzungsarten, nämlich eine achsspezifische Vibration und eine kartesische Vibration sind im Folgenden näher beschrieben.
Bei einer achsspezifischen Vibration kann vorgesehen sein, dass beispielsweise bei der Zustandsart einer nahenden Achsengrenze, d.h. Gelenkstellungsgrenze nur die betroffene Achse bzw. nur der Antrieb des betroffenen Gelenks oder ein am betroffenen Gelenk angeordneter Unwuchtmotor vibriert. Der Benutzer bekommt also dadurch eine Rückmeldung, welche Achse bzw. welches Gelenk genau betroffen ist.
Vorteilhaft könnte die Achse, d.h. dasjenige Gelenke bzw. eines oder beide der dieses Gelenk bildenden Glieder des Roboterarms vibrieren, welches der Hand des Benutzers am nächsten liegt. Dies kann typischerweise die Achse bzw. das Gelenk sein, das dem Flansch des Roboterarms am nächsten ist, wenn der Benutzer den Roboterarm beispielsweise an dem Flansch oder an einem mit dem Flansch verbundenen Werkzeug oder Führungsgriff manuell führt.
Bei der Umsetzungsart der achsspezifischen Vibration ist eine Besonderheit, dass das geführte Werkzeug bzw. der geführte Flansch in Abhängigkeit von der Pose des Roboterarms unterschiedlich von der Vibration betroffen sein kann.
Beispielsweise kann bei einer Ansteuerung mittels einer achsspezifischen Impedanz-Regelung diese Impedanz-Regelung einen optionalen zusätzlichen Momenten-Eingang aufweisen, der dazu genutzt werden kann, eine passende Sinus-Vibration mit zusätzlichen Drehmomenten zu erzeugen, die bei der Ansteuerung des Gelenks hinzu addiert werden kann.
Bei einer kartesischen Vibration wird das Vibrieren hingegen beispielsweise durch eine Transformation im kartesischen Raum definiert. Die Richtung des Vibrierens wird hierdurch vorgegeben und kann in Relation zu einem beliebigen Bezugskoordinatensystem stehen, wie beispielsweise dem TCP(Tool-Center-Point)-Koordinatensystem, einem Werkzeug-Koordinatensystem, einem Roboter-Basiskoordinatensystemen oder einem Welt-Koordinatensystemen.
In einer Ausführungsvariante kann die Vibration in Relation zum geführten Werkzeug oder Flansch ausgeführt werden, wenn der Bediener diese während des Handführens in der Hand hält. So ist die Auswirkung der Vibration direkt am Ort des Empfängers spürbar.
In einer anderen Ausführungsvariante können die Antriebe der Gelenke des Roboterarms oder die separaten Unwuchtmotoren derart angesteuert sein, dass eine Vibration nur in der zur Stoßrichtung des Werkzeugs senkrechten Ebene vibriert wird, so dass keine Vibration, d.h. keine Bewegung in Stoßrichtung stattfindet.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Richtung des Vibrierens auf eine einzelne kartesische Richtung im kartesischen Raum in Relation zu einem vorbestimmten Bezugskoordinatensystem beschränkt sein.
Die Vibration kann beispielsweise in Relation zur n-ten Achse des Roboterarms ausgeführt werden, mit entsprechender Einschränkung in den Freiheitsgraden für die Vibrationsbewegung, wenn die Hand des Bedieners sich in ihrer unmittelbaren Nähe befindet.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Auswirkung der Vibration auf das geführte Werkzeug bzw. den Flansch unabhängig von der Stellung des Roboters sein. Dabei soll das Vibrieren selbst keine Singularität oder mechanische Grenze des Roboters verletzen.
Bei der Nutzung einer kartesischen Impedanz-Regelung kann diese Impedanz-Regelung einen optionalen zusätzlichen Kraft-Momenten-Eingang aufweisen, der dazu genutzt werden kann, eine passende Sinus-Vibration mit kartesischen Kräften und Drehmomenten zu erzeugen.
In einer dritten Umsetzungsart kann ein Vibrieren erzeugt werden durch eine sogenannte Nullraum-Vibration. Das Vibrieren geschieht hierbei in einem Nullraum des Roboterarms. Beispielhafte Nullräume wären ein Nullraum, der die Orientierung des Werkzeugs stabil hält, ein Nullraum, der die Orientierung des Werkzeugs um einen Pivotpunkt in Art einer Kugelbewegung rotiert, ein Nullraum, der die Lage des Werkzeugs um einen Pivotpunkt bzw. in der Medizinrobotik ein Trokarpunkt rotiert, ein Nullraum, der in mindestens einer kartesischen Achse die Position des Werkzeugs stabil hält, z.B. die Einführtiefe hält, oder ein Nullraum, der die Lage von Flansch bzw. Werkzeug, beispielsweise in einer sogenannten Ellbogenbewegung, konstant hält.
Vorteilhaft kann diese Umsetzungsart eingesetzt werden, wenn in einer Applikation ein Nullraum definiert werden kann, der nicht-sicherheitskritische Bewegungen umfasst. Als Ausführungsbeispiel aus der Medizinrobotik kann das Werkzeug beispielsweise ein Laparoskop sein, das durch die Bauchdecke eines Patienten geführt wird. Nutzt man die Umsetzungsart des Pivotpunktes, ist sichergestellt, dass an der Bauchdecke, die durch das Vibrieren nicht bewegt d.h. nicht verletzt werden darf, ein Vibrieren das Laparoskop im Bereich der Bauchdecke nicht bewegt.
Der Fall eines Nullraums, der die Orientierung des Werkzeugs stabil hält, ist besonders vorteilhaft, da die Pose des Werkzeugs von der Vibration unbetroffen bleibt. Ungewollte Manipulationen können vermieden werden. Vorteilhaft kann diese Umsetzungsart eingesetzt werden, wenn das Handführen auf einen Nullraum eingeschränkt ist. In diesem Fall findet vorteilhaft das Vibrieren nur in den Richtungen statt, die im Nullraum liegen. Sicherheitskritische Randbedingungen werden nicht verletzt.
Beim Nullraum-Vibrieren sind allerdings an der Vibration oft mehrere Achsen beteiligt. Außerdem geschieht die Vibration nicht unbedingt in der Nähe der Stelle, an der die Hand des Benutzers sich befindet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel in der Medizinrobotik ist das Handführen mit einem medizinischen Werkzeug, wie beispielsweise einem laparoskopisches Instrument, welches in einen Trokar eingeführt sein kann, bei der auch eine Gestenerkennung existieren kann, die Bewegungen entlang verschiedener Nullräume verursacht. Statt erkannter Gesten könnte hier eine passende Sinus-Vibration mit zusätzlichen Drehmomenten angelegt werden. Dabei kann auch ein Erkennen einer Geste mittels Vibration signalisiert werden.
Das Vibrieren kann neben den bereits beschriebenen Zustandsarten auch genutzt werden, um allgemeine Ereignisse zu signalisieren, die nicht in Abhängigkeit stehen zur Pose des Roboterarms oder dessen Bewegungsräumen.
Solche Ereignisse können beispielsweise Zustandsübergänge in einer Roboter-Applikation, Signale einer Sensorik, bspw. „Kraftschwelle überschritten“, „Temperatur wieder normal“, signalisierte Fehlersituationen, bspw. „Tracking-Marker nicht sichtbar“, „Handführung aktuell unsicher.“, Zeitangaben bei zeitkritischen Aufgaben, bspw. „30 Sekunden sind verstrichen“, oder ein bloßes Geben eines Lebenszeichens sein, dass der Roboter aktiv, bspw. „alle fünf Sekunden eine Vibration“, sein.
Das Vibrieren kann generell auch für Roboter-Applikationen verwendet werden, bei denen das Handführen nicht aktiv ist, d.h. bei denen der Benutzer seine Hand gar nicht an dem Roboterarm hält, da die Vibrationen auch hörbar sein können.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vermeidung von Singularitäten, kann eine Vibration eingesetzt werden, um die Nähe der Achsstellung zu einer Singularität zu beschreiben. Dazu können allgemein bekannte Verfahren verwendet werden, die eine „Schlechtheit“ der Jacobi-Matrix für kleine Veränderungen pro Achswinkel berechnen. Ab einem bestimmten Mindestwert für den so berechneten Gradienten kann eine schwache Vibration einsetzen, die mit steigendem Gradienten immer stärker wird.
Unter bestimmten Umständen kann es beispielsweise bei medizinischen Applikationen auch sicherheitskritisch sein, dass man zwischen den genannten Zuständen unterscheiden können muss. In einem solchen Ausführungsbeispiel platziert beispielsweise ein Arzt ein am Flansch befestigtes chirurgisches Werkzeug mit Hilfe des Handführens an eine zu manipulierende Stelle. Um ihm dabei zu helfen, existiert ein virtueller Kegel, dessen Spitze auf der zu manipulierenden Stelle liegt. Der Kegel wird mit Hilfe eines Tracking-Systems immer an derselben anatomischen Stelle gehalten, selbst wenn der Patient sich bewegt. Der Arzt kann das Werkzeug nun nur innerhalb des virtuellen Kegels bewegen, so dass er je näher er der anatomischen Stelle kommt, immer genauer auf sie hingeführt wird. Ob er die virtuelle Kegelspitze erreicht hat, stellt der Arzt insbesondere dadurch fest, dass der Roboter nun jede handgeführte Bewegungen näher an die anatomische Stelle verhindert. Gerät der Arzt allerdings in die Nähe einer Singularität oder einer Achsgrenze, während er sich der Kegelspitze annähert, dann könnte er die Tatsache, dass der Roboter sich nicht weiterbewegt fehlinterpretieren. Er könnte glauben, er habe die Kegelspitze bereits erreicht und würde den nachfolgenden Arbeitsschritt evtl. an der falschen Stelle beginnen und dazu noch an einer für den Roboter ungünstigen Pose. In diesem Ausführungsbeispiel könnte eine Vibration dem Arzt auf unterschiedliche Weise helfen, die Situation richtig zu erkennen. So könnte man beispielsweise eine Vibration auslösen, wenn eine Achsgrenze oder Singularität der Grund der Einschränkung der Roboterbewegung ist, oder eine Vibration ausgeben, deren Frequenz oder Amplitude sich verändert abhängig von der Distanz zur Kegelspitze, oder eine Vibration auslösen, wenn man die Kegelspitze erreicht hat.
Im Folgenden werden spezielle Ausführungsvarianten beschrieben, welche einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander vorgesehen sein können.
Eine zu überwachende Zustandsart, Zustandsparameter oder Grenzwert, welche vorgegeben wird, kann insbesondere sein:

– eine Achsgrenze wenigstens eines der Gelenke des Roboters,
– eine zu vermeidende Singularität-Gelenksstellung des Roboters,
– eine Kollisionsstellung des Roboters mit roboterexternen Gegenständen des Roboterarbeitsplatzes,
– eine Eigenkollisionsstellung wenigstens eines Gliedes des Roboters mit einem anderen Glied des Roboters,
– eine Kollisionsstellung des Roboters mit virtuellen Objekten oder Grenzen des Roboterarbeitsplatzes, und/oder
– ein Erreichen oder ein Vermeiden einer bestimmten vorgegebenen Position und/oder Orientierung eines ausgewählten Bezugspunktes,
– ein sonstiges, im Rahmen eines Anwenderprogramms benötigtes, am Roboter oder am Roboterarbeitsplatz auftretendes Ereignis.

Ist die vorgegebene Zustandsart eine Achsgrenze wenigstens eines der Gelenke des Roboterarms, so kann der Zustandsparameter eine Winkelstellung des jeweiligen Gelenks des Roboterarms sein. Als Grenzwerte können dann ein Minimalwinkel und ein Maximalwinkel vorgeben sein. Der Zustandsparameter, d.h. hier also die momentane Gelenkwinkelstellung des betrachteten Gelenks des Roboterarms wird überwacht und laufend mit den vorgegebenen Grenzwerten, z.B. 0 Grad und 360 Grad oder –180 Grad und +180 Grad als Grenzwinkelstellungen des betrachteten Gelenks, verglichen. Wenn die überwachte momentane Gelenkwinkelstellung einen der vorgegebenen Grenzwerte erreicht löst die Steuervorrichtung eine Vibration am Roboterarm aus, vorzugsweise genau an demjenigen Gelenk, an dem der vorgegebene Grenzwert erreicht wird. Eine Vibration kann ausgelöst werden, wenn die momentane Gelenkwinkelstellung genau dem vorgegebenen Grenzwert entspricht, d.h. genau erst dann wird eine Vibration ausgelöst, wenn das Gelenk seine Anschlagsgrenze erreicht hat. Alternativ oder ergänzend kann bereits eine Vibration ausgelöst werden, wenn die überwachte momentane Gelenkwinkelstellung knapp vor einem Erreichen des vorgegebenen Grenzwertes steht, d.h. das Gelenk sich knapp vor der Anschlagsgrenze befindet. Hier kann auch beispielsweise durch allmähliches Ändern der Frequenz oder Amplitude oder der Wiederholrate bzw. der Pausenlängen der Vibration, eine anschwellende Vibration durch die Steuervorrichtung veranlasst werden, während sich das Gelenk der Anschlagsgrenze annähert. Es kann auch beispielsweise eine abschwellende Vibration durch die Steuervorrichtung veranlasst werden, während sich das Gelenk von seiner Anschlagsgrenze entfernt.
Ist die vorgegebene Zustandsart eine zu vermeidende Singularitäts-Gelenksstellung wenigstens eines der Gelenke des Roboterarms, so kann der Zustandsparameter eine Abweichung der Orientierungen zweier betrachteter Gelenkachsen voneinander sein und/oder ein Abstand zweier parallel zueinander ausgerichteter betrachteter Gelenkachsen sein. Eine Singularität wäre dann erreicht, wenn beide Abweichungen, d.h. beide Zustandsparameter zu Null werden. Dann wären die Gelenkachsen beider betrachteter Gelenke deckungsgleich bzw. identisch. Als Grenzwerte kann dann ein solcher Nullwert vorgeben sein. Der Zustandsparameter, d.h. hier also die momentane Abweichung der betrachteten Gelenkachsen voneinander, wird überwacht und laufend mit dem vorgegebenen Grenzwert von Null verglichen. Spätestens, wenn die überwachten betrachteten Gelenke den Grenzwert von Null fast erreicht haben, löst die Steuervorrichtung eine Vibration am Roboterarm aus, vorzugsweise genau an denjenigen Gelenken, welche die Gefahr einer Singularitäts-Gelenksstellung verursacht haben. Ergänzend kann bereits eine Vibration ausgelöst werden, wenn die überwachten Gelenke knapp vor einem Erreichen einer Singularitäts-Gelenksstellung stehen.
Ist die vorgegebene Zustandsart eine Kollisionsstellung des Roboters mit roboterexternen Gegenständen, so kann der Zustandsparameter beispielsweise ein Abstand zwischen der Kontur des Roboterarms und der Kontur des roboterexternen Gegenstandes sein. Als Grenzwert kann dann ein wenigstens einzuhaltender Minimalabstand vorgeben sein. Der Zustandsparameter, d.h. hier also der momentane Abstand zwischen der Kontur des Roboterarms und der Kontur des roboterexternen Gegenstandes wird überwacht und laufend mit dem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Wenn der überwachte momentane Abstand den vorgegebenen Grenzwert des Minimalabstands erreicht, löst die Steuervorrichtung eine Vibration am Roboterarm aus, vorzugsweise genau an demjenigen Gelenk oder denjenigen Gelenken, die dem roboterexternen Gegenstand am nächsten stehen. Alternativ oder ergänzend kann bereits eine Vibration ausgelöst werden, wenn der überwachte momentane Abstand stetig kleiner wird. Hier kann auch beispielsweise durch allmähliches Ändern der Frequenz oder Amplitude oder der Wiederholrate bzw. der Pausenlängen der Vibration, eine anschwellende Vibration durch die Steuervorrichtung veranlasst werden, während sich der Roboterarm dem roboterexternen Gegenstand annähert. Es kann auch beispielsweise eine abschwellende Vibration durch die Steuervorrichtung veranlasst werden, während sich der Roboterarm von dem roboterexternen Gegenstand wieder entfernt.
Ist die vorgegebene Zustandsart eine Eigenkollisionsstellung wenigstens eines Gliedes des Roboters mit einem anderen Glied des Roboters, so kann der Zustandsparameter beispielsweise ein Abstand jeweils zweier Glieder des Roboterarms voneinander sein. Als Grenzwert kann dann ein wenigstens einzuhaltender Minimalabstand vorgeben sein. Der Zustandsparameter, d.h. hier also der momentane Abstand jeweils zweier Glieder des Roboterarms voneinander, wird überwacht und laufend mit dem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Wenn der überwachte momentane Abstand den vorgegebenen Grenzwert des Minimalabstands erreicht, löst die Steuervorrichtung eine Vibration am Roboterarm aus, vorzugsweise genau an demjenigen Gelenk oder denjenigen Gelenken, die zu nah aneinander stehen. Alternativ oder ergänzend kann bereits eine Vibration ausgelöst werden, wenn der überwachte momentane Abstand stetig kleiner wird. Hier kann auch beispielsweise durch allmähliches Ändern der Frequenz oder Amplitude oder der Wiederholrate bzw. der Pausenlängen der Vibration, eine anschwellende Vibration durch die Steuervorrichtung veranlasst werden, während sich zwei Glieder des Roboterarms aneinander annähern. Es kann auch beispielsweise eine abschwellende Vibration durch die Steuervorrichtung veranlasst werden, während sich zwei Glieder des Roboterarms wieder voneinander entfernen.
Eine entsprechende Überwachung einer Kollisionsstellung des Roboters mit virtuellen Objekten oder Grenzen kann in einer analogen Weise erfolgen wie bei der Zustandsart einer Kollisionsstellung des Roboters mit roboterexternen Gegenständen.
Ganz allgemein können die beschriebenen Strategien angewandt werden, wenn ein Erreichen oder ein Vermeiden einer bestimmten vorgegebenen Position und/oder Orientierung eines ausgewählten Bezugspunktes überwacht werden soll. Ein solcher ausgewählter Bezugspunkt kann beispielsweise der Ursprung eines TCP(Tool-Center-Point)-Koordinatensystems, eines Werkzeug-Koordinatensystems, eines Roboter-Basiskoordinatensystems oder eines Welt-Koordinatensystems sein.
Die vorgegebene Zustandsart kann aber auch ein sonstiges, beispielsweise im Rahmen eines Anwenderprogramms benötigtes, auftretendes Ereignis sein. Solche Ereignisse können beispielsweise Zustandsübergänge in einer Roboter-Applikation, Signale einer Sensorik, bspw. „Kraftschwelle überschritten“, „Temperatur wieder normal“, signalisierte Fehlersituationen, bspw. „Tracking-Marker nicht sichtbar“, „Handführung aktuell unsicher.“, Zeitangaben bei zeitkritischen Aufgaben, bspw. „30 Sekunden sind verstrichen“, oder ein bloßes Geben eines Lebenszeichens sein, dass der Roboter aktiv, bspw. „alle fünf Sekunden eine Vibration“, sein.
Das Erzeugen einer Vibration an dem Roboterarm kann durch wiederholt reversierendes Ansteuern wenigstens eines der zum Verstellen der Gelenke des Roboterarms ausgebildeten Antriebe erfolgen. Jeder Antrieb jeden Gelenks des Roboterarms kann einen elektrischen Motor umfassen. Der elektrische Motor kann eine Motorsteuerung aufweisen. Der elektrische Motor kann über seine Motorsteuerung hinweg oder direkt von der Steuerungsvorrichtung des Roboters angesteuert werden. Die Vibration kann erzeugt werden, indem der Rotor des betreffenden Antriebsmotors hin- und herbewegt wird. Ein solches Hin- und Herbewegen kann in einer Frequenz von beispielsweise 10 bis 100 Hertz, insbesondere ca. 50 Hertz erfolgen. Ein solches Hin- und Herbewegen kann mit einem maximalen Schwenkwinkel des Rotors von ca. 0,01 bis 1,0 Winkelgrad erfolgen. Die Vibration kann erzeugt werden, indem man einem von der Steuerungsvorrichtung auf den Motor des betrachteten Gelenks kommandierten Soll-Drehmoment ein insbesondere sinusförmig wiederholt anschwellendes und abschwellendes Zusatz-Solldrehmoment überlagert. Ein solches dem Soll-Drehmoment überlagertes Zusatz-Solldrehmoment kann beispielsweise eine Amplitude von ca. 1 Nm bis ca. 5 Nm aufweisen. In einer speziellen Ausführungsart kann ein Gelenk des Roboters relativ schnell mit einer gemäß dem Roboterprogramm vorgegebenen Sollgeschwindigkeit bewegt werden, wobei ein als erfindungsgemäß reversierendes Hin- und Herbewegen dann eher einer wiederholten Beschleunigung und Verlangsamung entspricht, ohne dass das betreffende Gelenk tatsächlich vorwärts und rückwärts bewegt werden würde. Insoweit wir eine hin- und hergehende kleinere Zusatz-Bewegungskomponente einer größeren stets nur in eine Richtung gehende Soll-Bewegungskomponente überlagert.
Eine Vibration ist am Handflansch des Roboterarms insbesondere dann besonders gut zu spüren, wenn ein solches beschriebenes, wiederholt reversierendes Ansteuern bei einem Siebenachsroboterarm, insbesondere bei dem Leichtbauroboter des Ausführungsbeispiels, an den Motoren des dritten und fünften Gelenks erzeugt wird. Dabei gilt als das erste Gelenk dasjenige Gelenk, welches der Roboterbasis am nächsten ist und als das siebte Gelenk, dasjenige Gelenk, welches dem Roboterflansch am nächsten ist.
Alternativ oder ergänzend zu einer Erzeugung einer Vibration an dem Roboterarm durch wiederholt reversierendes Ansteuern wenigstens eines der zum Verstellen der Gelenke des Roboterarms ausgebildeten Antriebe, kann das Erzeugen einer Vibration an dem Roboterarm durch Ansteuern von wenigstes einem Vibrationsmotor erfolgen, der innerhalb des Roboterarms angeordnet oder außen an der Struktur des Roboterarms befestigt ist. Der eine oder die mehreren Vibrationsmotoren sind also von den Antriebsmotoren der Gelenke des Roboterarms separate Vibrationsvorrichtungen. Die separaten Vibrationsmotoren können unmittelbar in Nähe der Gelenke des Roboterarms angeordnet sein. Die separaten Vibrationsmotoren können jedoch auch fern der Gelenke des Roboterarms, beispielsweise in einem mittleren Abschnitt der Glieder des Roboterarms angeordnet sein. Je nach Ausführungsweise kann lediglich ein Vibrationsmotor am Roboterarm, insbesondere an einem Endglied oder Flansch des Roboterarms vorgesehen sein, es können aber auch mehrere Vibrationsmotoren an verschiedenen Gliedern oder Gelenken des Roboterarms vorgesehen sein, oder sogar an jedem Glied des Roboterarms wenigstens ein Vibrationsmotor vorgesehen sein.
Die Vibration kann, sowohl im Falle der Nutzung der Antriebsmotoren des Roboterarms als Vibrationsvorrichtung, als auch im Falle von separaten Vibrationsmotoren, dadurch erzeugt werden, dass eine oder mehrere Vibrationsschwingungen in örtlicher Nähe jeweils eines oder mehrerer der Gelenke des Roboterarms erzeugt wird.
Die Vibration kann, sowohl im Falle der Nutzung der Antriebsmotoren des Roboterarms als Vibrationsvorrichtung, als auch im Falle von separaten Vibrationsmotoren, derart erzeugt werden, dass eine Vibrationsschwingung in den Roboterarm eingeleitet wird, welche ein Schwingen eines ausgewählten Bezugspunktes am Roboterarm in einer oder zwei der drei kartesischen Richtungen des dreidimensionalen Raumes bewirkt.
Die Vibration kann, sowohl im Falle der Nutzung der Antriebsmotoren des Roboterarms als Vibrationsvorrichtung, als auch im Falle von separaten Vibrationsmotoren, eine Vibrationsschwingung aufweisen, welche sich insbesondere hinsichtlich Frequenz, Amplitude, Widerholungsrate, Pausendauer und/oder Abspielmuster kennzeichnet und insbesondere von anderen Vibrationsschwingungen unterscheidet.
Generell können auch zwei oder mehrere verschiedene Zustandsarten des Roboters überwacht werden und jeder Zustandsart kann dabei eine eigene spezifische Vibrationsschwingung zugeordnet sein, welche Vibrationsschwingungen sich insbesondere durch unterschiedliche Frequenzen, Amplituden, Widerholungsraten, Pausendauern und/oder Abspielmuster unterscheiden.
Die Vibration kann eine sich in Abhängigkeit einer Annäherung oder einer Entfernung des überwachten momentanen Zustands von dem vorgegebenen Grenzwert verändernde Vibrationsschwingung aufweisen, welche sich insbesondere hinsichtlich Frequenz, Amplitude, Widerholungsrate, Pausendauer und/oder Abspielmuster verändert.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird neben dem beschriebenen Verfahren außerdem gelöst durch einen Roboter, insbesondere Industrieroboter, der einen Roboterarm mit mehreren Gliedern, die Glieder verbindenden Gelenken und die Gelenke bewegenden Antrieben, sowie eine zum Bewegen des Roboterarms ausgebildet Steuerungsvorrichtung aufweist, die eingerichtete ist, während eines manuell geführten Bewegens des Roboterarms die Gelenke des Roboterarms durch Ansteuern der Antriebe in Abhängigkeit von auf ein oder mehrere der Glieder manuell aufgebrachten Kräften zu verstellen, wobei die Steuerungsvorrichtung ausgebildet und/oder eingerichtet ist, ein Verfahren, wie beschrieben, durchzuführen.
Der Roboter kann wenigstens einen Sensor aufweisen, der ausgebildet ist, eine oder mehrere der folgenden Zustandsarten, Zustandsparameter oder Grenzwerte des Roboters zu erfassen und/oder zu überwachen:

– eine Achsgrenze wenigstens eines der Gelenke des Roboters,
– eine zu vermeidende Singularität-Gelenksstellung des Roboters,
– eine Kollisionsstellung des Roboters mit roboterexternen Gegenständen des Roboterarbeitsplatzes,
– eine Eigenkollisionsstellung wenigstens eines Gliedes des Roboters mit einem anderen Glied des Roboters,
– eine Kollisionsstellung des Roboters mit virtuellen Objekten oder Grenzen des Roboterarbeitsplatzes,
– ein Erreichen oder ein Vermeiden einer bestimmten vorgegebenen Position und/oder Orientierung eines ausgewählten Bezugspunktes, und/oder
– ein sonstiges, im Rahmen eines Anwenderprogramms benötigtes, am Roboter oder am Roboterarbeitsplatz auftretendes Ereignis.

Der Roboter kann wenigstens eine Vibrationsvorrichtung, insbesondere einen Vibrationsmotor aufweisen, der innerhalb des Roboterarms angeordnet oder außen an der Struktur des Roboterarms befestigt ist.
Der Roboter kann wenigstens eine Detektorvorrichtung aufweisen, die ausgebildet und/oder eingerichtet ist, dasjenige Glied des Roboterarms oder diejenigen Glieder des Roboterarms zu identifizieren, welche während des manuell geführten Bewegens des Roboterarms manuell angefasst werden. Die Detektorvorrichtung kann demgemäß ein oder mehrere Berührungssensoren oder Bewegungssensoren aufweisen. Je nach Roboteranwendung kann die Detektorvorrichtung bzw. der wenigstens eine Berührungssensor einen Näherungssensor, wie beispielsweise einen kapazitiven Sensor oder einen Wärmesensor, einen Abstandssensor, wie beispielsweise einen Ultraschallsensor, und/oder eine taktile Haut umfassen. Alternativ oder ergänzend zu einem dieser separaten Sensorbauteile, kann die Detektorvorrichtung bzw. der wenigstens eine Berührungssensor von einem oder mehrerer der Kraft-/Momentsensoren der Gelenke des Roboterarms gebildet werden, die zur Ansteuerung des Roboterarms durch die Steuervorrichtung ausgebildet sind. Dazu kann die Steuervorrichtung alle an den Gelenken des Roboterarms anstehenden Gelenkskräfte und/oder Gelenksmomente erfassen und unter Einbeziehen des bekannten Robotermodells die an den Gliedern des Roboterarms anstehenden externe Kräfte mit einem dem Fachmann an sich bekannten Berechnungsmethoden rechnerisch bestimmen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird neben dem beschriebenen Verfahren und dem beschriebenen Roboter außerdem gelöst durch einen Roboterarbeitsplatz aufweisend einen Roboter gemäß einer oder mehrere der beschriebenen Ausführungsformen, und aufweisend wenigstens einen Sensor, der ausgebildet ist, als eine zu überwachende Zustandsart, Zustandsparameter oder Grenzwert:

– eine Achsgrenze wenigstens eines der Gelenke des Roboters,
– eine zu vermeidende Singularität-Gelenksstellung des Roboters,
– eine Kollisionsstellung des Roboters mit roboterexternen Gegenständen des Roboterarbeitsplatzes,
– eine Eigenkollisionsstellung wenigstens eines Gliedes des Roboters mit einem anderen Glied des Roboters,
– eine Kollisionsstellung des Roboters mit virtuellen Objekten oder Grenzen des Roboterarbeitsplatzes,
– ein Erreichen oder ein Vermeiden einer bestimmten vorgegebenen Position und/oder Orientierung eines ausgewählten Bezugspunktes, und/oder
– ein sonstiges, im Rahmen eines Anwenderprogramms benötigtes, am Roboter oder am Roboterarbeitsplatz auftretendes Ereignis,

Der wenigstens eine Sensor kann demgemäß am Roboter, insbesondere am Roboterarm angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann wenigstens ein Sensor bzw. wenigstens ein weiterer Sensor an einer anderen Stelle, d.h. am Roboterarbeitsplatz, insbesondere getrennt vom Roboterarm am Roboterarbeitsplatz angeordnet sein. Es können durch einen solchen Sensor beispielsweise eine Raumtemperatur am Roboterarbeitsplatz überwacht werden. Bei Erreichen, Überschreiten oder Unterschreiten eines vorgegebenen Temperaturwertes kann dann eine Vibration am Roboterarm ausgelöst werden. Ganz allgemein kann der wenigstens eine Sensor, ob am Roboterarm angeordnet oder separat vom Roboterarm angeordnet, also innerhalb des Roboterarbeitsplatzes angeordnet, jeglichen Zustand innerhalb des Roboterarbeitsplatzes überwachen. Andere Arten von Sensoren können beispielsweise Bewegungssensoren sein, Temperatursensoren und/oder medizinische Sensoren, wie Atmungssensoren, Pulssensoren, Blutdrucksensoren, und/oder EKG-Sensoren oder ähnliche Sensoren.
Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder in Kombination betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Roboters in der Bauart eines Industrieroboters mit einer schematisch dargestellten Robotersteuerung und einem Roboterarm,
2 eine perspektivische Darstellung eines Roboters in der Bauart eines Leichtbauroboters mit einer schematisch dargestellten Robotersteuerung und einem Roboterarm in einer ersten Pose,
3 eine perspektivische Darstellung des Leichtbauroboters gemäß 2 in einer durch manuelles Führen verstellten zweiten Pose, und
4 eine schematische Darstellung eines Anwendungsbeispiels aus der Medizinrobotik.
Die 1 zeigt einen Roboter 1 in Bauart eines Industrieroboters 1a, der einen Roboterarm 2 und eine Steuerungsvorrichtung 10 aufweist. Der Roboterarm 2 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mehrere, nacheinander angeordnete und mittels Gelenke J1 bis J6 drehbar miteinander verbundene Glieder L1 bis L7.
Der in 1 dargestellte Industrieroboter 1a weist demgemäß eine Robotersteuerung, d.h. die Steuerungsvorrichtung 10 auf, die ausgebildet ist, ein Roboterprogramm auszuführen, sowie weist der Industrieroboter 1a den Roboterarm 2 mit den mehreren Gliedern L1–L7 auf, die über die Gelenke J1–J6 verbunden sind, die zum automatischen gegeneinander Verstellen gemäß dem Roboterprogramm ausgebildet sind, wobei eines der mehreren Glieder L1–L7 ein Endglied (L7) des Roboterarms 2 bildet, das einen Roboterflansch 8 aufweist.
Die Steuerungsvorrichtung 10 des Industrieroboters 1a ist ausgebildet bzw. eingerichtet, ein Roboterprogramm auszuführen, durch welches die Gelenke J1 bis J6 des Roboterarms 2 gemäß des Roboterprogramms automatisiert oder in einem Handfahrbetrieb automatisch verstellt bzw. drehbewegt werden können. Dazu ist die Steuerungsvorrichtung 10 mit ansteuerbaren elektrischen Antrieben M1 bis M6 verbunden, die ausgebildet sind, die Gelenke J1 bis J6 des Industrieroboters 1a zu verstellen.
Bei den Gliedern L1 bis L7 handelt es sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der 1 um ein Gestell 3 und ein relativ zum Gestell 3 um eine vertikal verlaufende Achse A1 drehbar gelagertes Karussell 4. Weitere Glieder des Roboterarms 2 sind eine Schwinge 5, ein Armausleger 6 und eine vorzugsweise mehrachsige Roboterhand 7 mit einer als Roboterflansch 8 ausgeführten Befestigungsvorrichtung zum Befestigen beispielsweise eines Handgriffs 11, insbesondere über eine Kraft-/Momenten-Sensorvorrichtung 12. Die Schwinge 5 ist am unteren Ende, d.h. an dem Gelenk J2 der Schwinge 5, das auch als Schwingenlagerkopf bezeichnet werden kann, auf dem Karussell 4 um eine vorzugsweise horizontale Drehachse A2 schwenkbar gelagert.
Am oberen Ende der Schwinge 5 ist an dem Gelenk J3 der Schwinge 5 wiederum um eine ebenfalls vorzugsweise horizontale Achse A3 der Armausleger 6 schwenkbar gelagert. Dieser trägt endseitig die Roboterhand 7 mit ihren vorzugsweise drei Drehachsen A4, A5, A6. Die Gelenke J1 bis J6 sind durch jeweils einen der elektrischen Antriebe M1 bis M6 über die Steuerungsvorrichtung 10 programmgesteuert antreibbar.
Die 2 und 3 zeigen einen insbesondere als ein Leichtbauroboter 1b ausgeführten Roboter 1, der einen Roboterarm 2 und eine Steuerungsvorrichtung 10 aufweist. Der Roboterarm 2 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mehrere, nacheinander angeordnete und mittels Gelenke J1–J7 drehbar miteinander verbundene Glieder L1–L8.
Die Steuerungsvorrichtung 10 des Leichtbauroboters 1b ist ausgebildet bzw. eingerichtet, ein Roboterprogramm auszuführen, durch welches die Gelenke J1–J7 des Roboterarms 2 gemäß des Roboterprogramms automatisiert oder in einem Handfahrbetrieb automatisch verstellt bzw. drehbewegt werden können. Dazu ist die Steuerungsvorrichtung 10 mit ansteuerbaren elektrischen Antrieben verbunden, die ausgebildet sind, die Gelenke J1–J7 des Leichtbauroboters 1b zu verstellen.
Die Steuerungsvorrichtung 10 ist ausgebildet und/oder eingerichtet, ein Verfahren zum Betreiben des Leichtbauroboters 1b unter Einbeziehen eines manuell geführten Bewegens des Roboterarms 2, wie im Folgenden anhand eines konkreten Anwendungsbeispiels näher beschrieben, durchzuführen.
In dem in 4 schematisch dargestellten Anwendungsbeispiel platziert beispielsweise ein Arzt ein am Flansch (Glied L8) befestigtes chirurgisches Werkzeug 14 mit Hilfe des Handführens an eine zu manipulierende Stelle, hier ein Knochen 15 eines Patienten. Um ihm dabei zu helfen, ist in der Steuerungsvorrichtung 10 ein virtueller Kegel 16 gespeichert, dessen Spitze 17a auf der zu manipulierenden Stelle 17 liegt. Der Kegel 16 kann bspw. mit Hilfe eines nicht näher dargestellten, aber dem Fachmann als solches bekannten Tracking-Systems, immer an derselben anatomischen Stelle 17 gehalten werden, selbst wenn der Patient sich bewegt. Der Arzt kann das Werkzeug 14 nun nur innerhalb des virtuellen Kegels 16 bewegen, so dass er je näher er der anatomischen Stelle 17 kommt, immer genauer auf sie hingeführt wird. Ob er die virtuelle Kegelspitze 17a erreicht hat, stellt der Arzt insbesondere dadurch fest, dass der Roboterarm 2 nun jede handgeführte Bewegungen näher an die anatomische Stelle 17 verhindert.
Gerät der Arzt allerdings in die Nähe einer Singularität oder einer Achsgrenze, während er sich der Kegelspitze 17a annähert, dann könnte er die Tatsache, dass der Roboterarm 2 sich nicht weiterbewegt, fehlinterpretieren. Er könnte glauben, er habe die Kegelspitze 17a bereits erreicht und würde den nachfolgenden Arbeitsschritt evtl. an der falschen Stelle beginnen und dazu noch an einer für den Roboter 1 ungünstigen Pose. In diesem Ausführungsbeispiel kann eine Vibration dem Arzt auf unterschiedliche Weise helfen, die Situation richtig zu erkennen. So kann beispielsweise eine Vibration ausgelöst werden, wenn eine Achsgrenze oder Singularität der Grund der Einschränkung der Roboterbewegung ist, oder eine Vibration ausgeben, deren Frequenz oder Amplitude sich verändert abhängig von der Distanz zur Kegelspitze 17a, oder eine Vibration auslösen, wenn man die Kegelspitze 17a erreicht hat.
Um eine Vibration an dem Roboterarm 2, angesteuert durch die Steuerungsvorrichtung 10, während des manuell geführten Bewegens erzeugen zu können, wenn der überwachte Zustandsparameter den vorgegebenen Grenzwert erreicht, kann der Roboterarm 2 wenigstens eine Vibrationsvorrichtung 18 aufweisen. Die Vibrationsvorrichtung 18 kann, wie in 4 schematisch dargestellt, von im Roboterarm 2 angeordneten internen Vibrationsmotoren 18a und/oder von außen an der Struktur des Roboterarms 2 angeordneten externen Vibrationsmotoren 18b gebildet werden. Je nach Ausführungsweise kann lediglich ein Vibrationsmotor 18a, 18b am Roboterarm 2, insbesondere an einem Endglied oder Flansch (Glied L8) des Roboterarms 2 vorgesehen sein, es können aber auch mehrere Vibrationsmotoren 18a, 18b an verschiedenen Gliedern L1–L8 oder Gelenken J1–J7 des Roboterarms 2 vorgesehen sein, oder sogar an jedem Glied L1–L7 des Roboterarms 2 wenigstens ein Vibrationsmotor 18a, 18b vorgesehen sein.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Roboters (1) an einem Roboterarbeitsplatz, wobei der Roboter (1) einen Roboterarm (2) mit mehreren Gliedern (L1–L8), die Glieder (L1–L8) verbindenden Gelenken (J1–J7) und die Gelenke bewegenden Antrieben, sowie eine zum Bewegen des Roboterarms (2) ausgebildet Steuerungsvorrichtung (10) aufweist, die eingerichtete ist, während eines manuell geführten Bewegens des Roboterarms (2) die Gelenke (J1–J7) des Roboterarms (2) durch Ansteuern der Antriebe in Abhängigkeit von auf ein oder mehrere der Glieder (L1–L8) manuell aufgebrachten Kräften zu verstellen, aufweisend folgende Verfahrensschritte: ─ Vorgeben einer zu überwachenden Zustandsart des Roboterarbeitsplatzes oder des Roboters (1), ─ Überwachen eines der Zustandsart entsprechenden Zustandsparameters des Roboterarbeitsplatzes oder des Roboters (1), ─ Vorgeben mindestens eines Grenzwertes für den überwachten Zustandsparameter des Roboterarbeitsplatzes oder des Roboters (1), ─ manuell geführtes Bewegen des Roboterarms (2) durch manuelles Aufbringen von Kräften auf ein oder mehrere der Glieder (L1–L8), um die Gelenke (J1–J7) des Roboterarms (2) zu verstellen, ─ Erzeugen einer Vibration an dem Roboterarm (2), angesteuert durch die Steuerungsvorrichtung (10), während des manuell geführten Bewegens, wenn der überwachte Zustandsparameter den mindestens einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als zu überwachende Zustandsart, Zustandsparameter oder Grenzwert: – eine Achsgrenze wenigstens eines der Gelenke (J1–J7) des Roboters (1), – eine zu vermeidende Singularität-Gelenksstellung des Roboters (1), – eine Kollisionsstellung des Roboters (1) mit roboterexternen Gegenständen des Roboterarbeitsplatzes, – eine Eigenkollisionsstellung wenigstens eines Gliedes des Roboters (1) mit einem anderen Glied des Roboters (1), – eine Kollisionsstellung des Roboters (1) mit virtuellen Objekten oder Grenzen des Roboterarbeitsplatzes, – ein Erreichen oder ein Vermeiden einer bestimmten vorgegebenen Position und/oder Orientierung eines ausgewählten Bezugspunktes, und/oder – ein sonstiges, im Rahmen eines Anwenderprogramms benötigtes, am Roboter (1) oder am Roboterarbeitsplatz auftretendes Ereignis, vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Erzeugen einer Vibration an dem Roboterarm (2) durch wiederholt reversierendes Ansteuern wenigstens eines der zum Verstellen der Gelenke (J1–J7) des Roboterarms (2) ausgebildeten Antriebe erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Erzeugen einer Vibration an dem Roboterarm (2) durch Ansteuern von wenigstes einem Vibrationsmotor (18a, 18b) erfolgt, der innerhalb des Roboterarms (2) angeordnet oder außen an der Struktur des Roboterarms (2) befestigt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Vibration dadurch erzeugt wird, dass eine oder mehrere Vibrationsschwingungen in örtlicher Nähe jeweils eines oder mehrerer der Gelenke (J1–J7) des Roboterarms (2) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Vibration derart erzeugt wird, dass eine Vibrationsschwingung in den Roboterarm (2) eingeleitet wird, welche ein Schwingen eines ausgewählten Bezugspunktes am Roboterarm (2) in einer oder zwei der drei kartesischen Richtungen des dreidimensionalen Raumes bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Vibration eine Vibrationsschwingung aufweist, welche sich insbesondere hinsichtlich Frequenz, Amplitude, Widerholungsrate, Pausendauer und/oder Abspielmuster kennzeichnet und insbesondere von anderen Vibrationsschwingungen unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem zwei oder mehrere verschiedene Zustandsarten des Roboters (1) überwacht werden und jeder Zustandsart eine eigene spezifische Vibrationsschwingung zugeordnet ist, welche Vibrationsschwingungen sich insbesondere durch unterschiedliche Frequenzen, Amplituden, Widerholungsraten, Pausendauern und/oder Abspielmuster unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Vibration eine sich in Abhängigkeit einer Annäherung oder einer Entfernung des überwachten momentanen Zustands von dem vorgegebenen Grenzwert verändernde Vibrationsschwingung aufweist, welche sich insbesondere hinsichtlich Frequenz, Amplitude, Widerholungsrate, Pausendauer und/oder Abspielmuster verändert.
Roboter, insbesondere Industrieroboter, der einen Roboterarm (2) mit mehreren Gliedern (5–11), die Glieder (L1–L8) verbindenden Gelenken (J1–J7) und die Gelenke bewegenden Antrieben, sowie eine zum Bewegen des Roboterarms (2) ausgebildet Steuerungsvorrichtung (10) aufweist, die eingerichtete ist, während eines manuell geführten Bewegens des Roboterarms (2) die Gelenke (J1–J7) des Roboterarms (2) durch Ansteuern der Antriebe in Abhängigkeit von auf ein oder mehrere der Glieder (L1–L8) manuell aufgebrachten Kräften zu verstellen, wobei die Steuerungsvorrichtung (10) ausgebildet und/oder eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
Roboter nach Anspruch 10, aufweisend wenigstens einen Sensor, der ausgebildet ist, als eine zu überwachende Zustandsart, Zustandsparameter oder Grenzwert des Roboters (1): – eine Achsgrenze wenigstens eines der Gelenke (J1–J7) des Roboters (1), – eine zu vermeidende Singularität-Gelenksstellung des Roboters (1), – eine Kollisionsstellung des Roboters (1) mit roboterexternen Gegenständen eines Roboterarbeitsplatzes, – eine Eigenkollisionsstellung wenigstens eines Gliedes des Roboters (1) mit einem anderen Glied des Roboters (1), – eine Kollisionsstellung des Roboters (1) mit virtuellen Objekten oder Grenzen eines Roboterarbeitsplatzes, – ein Erreichen oder ein Vermeiden einer bestimmten vorgegebenen Position und/oder Orientierung eines ausgewählten Bezugspunktes, und/oder – ein sonstiges, im Rahmen eines Anwenderprogramms benötigtes, am Roboter (1) oder an einem Roboterarbeitsplatz auftretendes Ereignis, zu erfassen.
Roboter nach Anspruch 10 oder 11, aufweisend wenigstens eine Vibrationsvorrichtung (18), insbesondere einen Vibrationsmotor (18a, 18b), der innerhalb des Roboterarms (2) angeordnet oder außen an der Struktur des Roboterarms (2) befestigt ist.
Roboter nach einem der Ansprüche 10 bis 12, aufweisend wenigstens eine Detektorvorrichtung, die ausgebildet und/oder eingerichtet ist, dasjenige Glied des Roboterarms (2) oder diejenigen Glieder des Roboterarms (2) zu identifizieren, welche während des manuell geführten Bewegens des Roboterarms (2) manuell angefasst werden.
Roboterarbeitsplatz aufweisend einen Roboter (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, und aufweisend wenigstens einen Sensor, der ausgebildet ist, als eine zu überwachende Zustandsart, Zustandsparameter oder Grenzwert: – eine Achsgrenze wenigstens eines der Gelenke (J1–J7) des Roboters (1), – eine zu vermeidende Singularität-Gelenksstellung des Roboters (1), – eine Kollisionsstellung des Roboters (1) mit roboterexternen Gegenständen des Roboterarbeitsplatzes, – eine Eigenkollisionsstellung wenigstens eines Gliedes des Roboters (1) mit einem anderen Glied des Roboters (1), – eine Kollisionsstellung des Roboters (1) mit virtuellen Objekten oder Grenzen des Roboterarbeitsplatzes, – ein Erreichen oder ein Vermeiden einer bestimmten vorgegebenen Position und/oder Orientierung eines ausgewählten Bezugspunktes, und/oder – ein sonstiges, im Rahmen eines Anwenderprogramms benötigtes, am Roboter (1) oder am Roboterarbeitsplatz auftretendes Ereignis, zu erfassen.