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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Robotersteuerung zum Steuern und/oder Überwachen eines Roboters, eine Roboteranordnung mit der Robotersteuerung sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
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Nach betriebsinterner Praxis werden Roboterachsen derzeit auf Basis von motorseitig(erfasst)en Kinematikgrößen wie Drehstellungen bzw. -lagen oder Drehzahlen von Antriebsmotoren gesteuert und überwacht. Die entsprechenden abtriebsseitigen Kinematikgrößen wie Stellungen, (Relativ)Geschwindigkeiten, (Relativ)Beschleunigungen der mit dem Antriebsmotoren gekoppelten Roboterglieder werden hieraus bisher entsprechend einer Getriebeübersetzung berechnet.
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Die eigene
DE 10 2004 056 861 A1 schlägt diesbezüglich vor, Achsstellungen, -geschwindigkeiten und -beschleunigungen durch Umrechung aus motorseitigen Werten unter Berücksichtigung einer Getriebeelastizität zu ermitteln.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Steuern und/oder Überwachen eines Roboters zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 13 - 15 stellen eine Robotersteuerung bzw. ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens bzw. eine Roboteranordnung mit einer hier beschriebenen Robotersteuerung unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
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Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern und/oder Überwachen eines Roboters, der ein oder mehre (relativ zueinander) bewegliche (Roboter)Glieder und (jeweils) einen damit gekoppelten Antrieb aufweist, die Schritte:
- - Erfassen, insbesondere Messen und/oder Auswerten, (jeweils) einer ein- oder mehrdimensionalen abtriebsseitigen bzw. Abtriebs-Kinematikgröße, insbesondere einer Stellung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, des bzw. eines oder mehrerer, insbesondere aller, beweglichen Glieder, insbesondere (jeweils) mittels wenigstens eines, insbesondere an diesem beweglichen Glied und/oder einem damit fest verbundenen Element angeordneten bzw. abtriebsseitigen, Erfassungsmittels; und
- - Steuern des Antriebs des bzw. eines oder mehrerer, insbesondere aller, beweglichen Glieder und/oder Überwachen, insbesondere Testen, einer mit dem (jeweiligen) beweglichen Glied gekoppelten Bremse des bzw. eines oder mehrerer, insbesondere aller, beweglichen Glieder auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße des (jeweiligen) beweglichen Glieds, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von den erfassten Abtriebs-Kinematikgrößen der beweglichen Glieder.
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Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist eine Robotersteuerung zum Steuern und/oder Überwachen eines Roboters, der ein oder mehrere (relativ zueinander) bewegliche (Roboter)Glieder und (jeweils) einen damit gekoppelten Antrieb aufweist, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet, insbesondere hard- und/oder softwaretechnisch, und/oder weist auf:
- - Mittel zum Erfassen, insbesondere Messen und/oder Auswerten, (jeweils) einer ein- oder mehrdimensionalen Abtriebs-Kinematikgröße, insbesondere einer Stellung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, des bzw. eines oder mehrerer, insbesondere aller, beweglichen Glieder, insbesondere (jeweils) mittels wenigstens eines, insbesondere an diesem beweglichen Glied und/oder einem damit fest verbundenen Element angeordneten bzw. abtriebsseitigen, Erfassungsmittels; und
- - Mittel zum Steuern des Antriebs des bzw. eines oder mehrerer, insbesondere aller, beweglichen Glieder und/oder Überwachen, insbesondere Testen, einer mit dem (jeweiligen) beweglichen Glied gekoppelten Bremse des bzw. eines oder mehrerer, insbesondere aller, beweglichen Glieder auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße des (jeweiligen) beweglichen Glieds, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von den erfassten Abtriebs-Kinematikgrößen der beweglichen Glieder.
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Hierdurch kann in einer Ausführung vorteilhaft eine Erfassungs-Ungenauigkeit infolge der Kopplung zwischen Antrieb und beweglichem Glied, insbesondere Getriebeelastizität, -spiel und/oder -versagen oder dergleichen, vermieden und so die Präzision und/oder Zuverlässigkeit des Steuerns bzw. Überwachens verbessert werden.
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Zur kompakteren Darstellung wird vorliegend auch ein Regeln bzw. eine Regelung bzw. das Ausgeben von Steuersignalen in Abhängigkeit von erfassten Ist-Werten, insbesondere einer Abweichung erfasster Ist- von vorgegebenen Soll-Werten, als Steuern bzw. Steuerung im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet. Gleichermaßen wird zur kompakteren Darstellung auch ein antiparalleles Kräftepaar bzw. Drehmoment verallgemeinernd als Kraft im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet.
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In einer Ausführung weist der Roboter wenigstens vier, insbesondere sechs, insbesondere sieben, relativ zueinander bewegliche, insbesondere verschieb- und/oder drehbare, Glieder auf. Insbesondere bei solchen komplexe(re)n, insbesondere redundanten, Robotern kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft die Präzision und/oder Zuverlässigkeit des Steuerns bzw. Überwachens verbessern. Ein Glied eines Roboters kann in einer Ausführung ein Strukturteil des Roboters aufweisen, insbesondere sein, das in einer Ausführung zwei Roboter(bewegungs)achsen miteinander verbindet, insbesondere also ein Karussell, eine Schwinge, ein (Teil eines) (Roboter)Arm(s), ein(e) (Teil einer) (Roboter)Hand, ein (Roboter- bzw. Werkzeug)Flansch oder dergleichen.
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Ein mit einem Glied gekoppelter Antrieb weist in einer Ausführung wenigstens einen Motor, insbesondere Elektro-, insbesondere Servomotor, auf, er kann insbesondere ein solcher sein. In einer Ausführung ist ein Antrieb mit einem beweglichen Glied über ein bzw. mittels eines Getriebe(s) gekoppelt. In einer Ausführung sind (je) zwei (relativ zueinander) bewegliche Glieder aneinander beweglich, insbesondere verschieb- und/oder drehbar, gelagert und durch den Antrieb des einen Gliedes relativ zueinander bewegbar, der hierzu in einer Ausführung in diesem einen oder dem anderen Glied angeordnet sein kann.
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Eine Abtriebs-Kinematikgröße hängt in einer Ausführung von einer Stellung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des beweglichen Gliedes, insbesondere relativ zu einem (kinematisch bzw. topologisch benachbarten, insbesondere vorhergehenden bzw. proximale(re)n) Glied ab, sie kann diese insbesondere angeben. Entsprechend kann in einer Ausführung eine Abtriebs-Kinematikgröße eine (aktuelle bzw. erfasste, insbesondere gemessene bzw. Ist-)Achs- bzw. Gelenkstellung des Roboters bzw. (jeweiligen) Glieds und/oder eine zeitliche Ableitung hiervon, insbesondere eine (aktuelle bzw. erfasste, insbesondere gemessene bzw. Ist-)Achs- bzw. Gelenkgeschwindigkeit und/oder -beschleunigung aufweisen, insbesondere sein.
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Ein Erfassungsmittel erfasst in einer Ausführung die Abtriebs-Kinematikgröße direkt bzw. unmittelbar und/oder redundant und/oder berührend oder berührungslos und/oder elektromagnetisch, insbesondere optisch, magnetisch, elektrisch, insbesondere kapazitiv, und/oder absolut oder relativ bzw. ist hierzu eingerichtet. Es kann in einer Ausführung einen oder mehrere, insbesondere redundante, Encoder und/oder Resolver oder dergleichen aufweisen, insbesondere hieraus bestehen.
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In einer Ausführung ist das Erfassungsmittel an dem beweglichen Glied selber und/oder einem damit fest, insbesondere dauerhaft bzw. nicht zerstörungsfrei lösbar, verbundenen Element, insbesondere einer Abtriebswelle eines Getriebes, das Glied und Antrieb koppelt, bzw. (kopplungs- , insbesondere getriebe)abtriebsseitig angeordnet. Ein im Sinne der vorliegenden Erfindung an einem beweglichen Glied bzw. damit fest verbundenen Element angeordnetes Erfassungsmittel kann in einer Ausführung relativ zu dem Glied bzw. Element ortsfest, insbesondere hieran befestigt sein und die Abtriebs-Kinematikgröße gegenüber einer Umgebung, insbesondere dem Antrieb und/oder einer Lagerung, insbesondere einem weiteren, insbesondere (kinematisch bzw. topologisch) benachbarten bzw. vorhergehenden Glied des Roboters, an dem das bewegliche Glied beweglich angeordnet, insbesondere gelagert ist, erfassen bzw. hierzu eingerichtet sein. Zusätzlich oder alternativ kann ein im Sinne der vorliegenden Erfindung an dem beweglichen Glied bzw. damit fest verbundenen Element angeordnetes Erfassungsmittel in einer Ausführung auch bzw. nur bezüglich dieser Umgebung, insbesondere dem Antrieb und/oder der Lagerung, insbesondere dem weiteren, insbesondere benachbarten bzw. vorhergehenden Glied des Roboters, an dem das bewegliche Glied beweglich angeordnet, insbesondere gelagert ist, ortsfest, insbesondere hieran befestigt, sein und die Abtriebs-Kinematikgröße des Glieds bzw. Elements gegenüber dem (an Glied bzw. Element angeordneten) Erfassungsmittel erfassen bzw. hierzu eingerichtet sein. Ein sowohl relativ zu Glied bzw. Element als auch umgebungsfestes (an dem Glied bzw. Element angeordnetes) Erfassungsmittel weist entsprechend in einer Ausführung zwei relativ zueinander bewegliche Teile zum Erfassen der Abtriebs-Kinematikgröße auf, während ein nur relativ zu Glied bzw. Element ortsfestes bzw. nur umgebungsfestes (an dem Glied bzw. Element angeordnetes) Erfassungsmittel entsprechend gegen die Umgebung bzw. gegen Glied bzw. Element erfasst, insbesondere berührungslos.
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In einer Ausführung weist das Verfahren den Schritt auf: Prüfen einer Sicherheit der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße(n). Entsprechend weist die Robotersteuerung in einer Ausführung Mittel zum Prüfen einer Sicherheit der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße(n) auf.
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Hierdurch kann insbesondere bei einer Mensch-Roboter-Kooperation, insbesondere in einer medizinischen Umgebung, eine Sicherheit des Steuerns bzw. Überwachens verbessert werden.
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In einer Weiterbildung wird eine erfasste Abtriebs-Kinematikgröße nicht als sicher( erfasst)e Größe zum Steuern bzw. Überwachen, insbesondere überhaupt nicht oder nur als nicht sicher( erfasst)e Größe, verwendet, falls bei dem Prüfen festgestellt wird, dass diese nicht sicher (erfasst) ist. Zusätzlich oder alternativ kann in einer Ausführung ein Signal, insbesondere eine Warnung bzw. Fehlermeldung ausgegeben werden.
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In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren bzw. Prüfen den Schritt: Erfassen einer Antriebs-Kinematikgröße, insbesondere einer Stellung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, des mit dem (jeweiligen) beweglichen Glied gekoppelten Antriebs, insbesondere mittels wenigstens eines an diesem Antrieb angeordneten weiteren Erfassungsmittels, wobei die erfasste Abtriebs-Kinematikgröße des (jeweiligen) beweglichen Glieds nicht als sicher erfasste Größe zum Steuern und/oder Überwachen des Roboters verwendet wird, falls ein Quotient der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße und der erfassten Antriebs-Kinematikgröße außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
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Entsprechend weist die Robotersteuerung in einer Ausführung auf Mittel zum Erfassen einer antriebs- bzw. motorseitigen bzw. Antriebs-Kinematikgröße, insbesondere einer Stellung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, des mit dem (jeweiligen) beweglichen Glied gekoppelten Antriebs, insbesondere mittels wenigstens eines an diesem Antrieb angeordneten weiteren Erfassungsmittels, wobei die erfasste Abtriebs-Kinematikgröße des (jeweiligen) beweglichen Glieds nicht als sicher erfasste Größe zum Steuern und/oder Überwachen des Roboters verwendet wird, falls ein Quotient der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße und der erfassten Antriebs-Kinematikgröße außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
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Eine Antriebs-Kinematikgröße hängt in einer Ausführung von einer Stellung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Antriebs ab, sie kann diese insbesondere angeben. Entsprechend kann in einer Ausführung eine Antriebs-Kinematikgröße eine (aktuelle bzw. erfasste, insbesondere gemessene bzw. Ist-)Antriebsstellung und/oder eine zeitliche Ableitung hiervon, insbesondere eine (aktuelle bzw. erfasste, insbesondere gemessene bzw. Ist-)Antriebsgeschwindigkeit und/oder -beschleunigung aufweisen, insbesondere sein.
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Eine Antriebs-Kinematikgröße kann in einer Ausführung vorteilhaft sowohl zum Steuern des Antriebs als auch zum Prüfen der Abtriebs-Kinematikgröße verwendet werden. Entsprechend kann das weitere Erfassungsmittel in einer Ausführung ein(en) oder mehrere Resolver, Encoder oder dergleichen des (Servo)Motors des Antriebs aufweisen, insbesondere hieraus bestehen.
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An- und Abtriebsgröße können zum einen entsprechend eines Übersetzungsverhältnisses der Kopplung zwischen Antrieb und Glied und zum anderen aufgrund von Getriebeelastizität, -spiel und dergleichen differieren. Durch die Vorgabe eines entsprechenden, insbesondere ein(e) zulässige(s) Getriebeelastizität, -spiel und dergleichen einschließenden, Toleranzbereichs und einen (Kreuz)Vergleich beider Größen kann in einer Ausführung die Sicherheit der Abtriebs-Kinematikgröße vorteilhaft geprüft, insbesondere ein übermäßiges Getriebespiel, ein Versagen der Kopplung oder dergleichen detektiert werden.
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Zusätzlich oder alternativ zu einer solchen Überprüfung umfasst das Verfahren bzw. Prüfen in einer Weiterbildung den Schritt: Vergleichen von wenigstens zwei, insbesondere nacheinander und/oder auf verschiedenen Kanälen übertragenen, Werten der, insbesondere redundant, erfassten Abtriebs-Kinematikgröße, insbesondere eines erfassten Wertes der Abtriebs-Kinematikgröße auf einem Kanal und eines hierzu redundant erfassten Wertes der Abtriebs-Kinematikgröße auf einem hierzu redundanten weiteren Kanal, wobei die erfasste Abtriebs-Kinematikgröße nicht als sicher erfasste Größe zum Steuern und/oder Überwachen des Roboters verwendet wird, falls eine Abweichung der Werte voneinander außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
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Entsprechend weist die Robotersteuerung in einer Ausführung auf Mittel zum Vergleichen von wenigstens zwei, insbesondere nacheinander und/oder auf verschiedenen Kanälen übertragenen, Werten der, insbesondere redundant, erfassten Abtriebs-Kinematikgröße, insbesondere eines erfassten Wertes der Abtriebs-Kinematikgröße auf einem Kanal und eines hierzu redundant erfassten Wertes der Abtriebs-Kinematikgröße auf einem hierzu redundanten weiteren Kanal, wobei die erfasste Abtriebs-Kinematikgröße nicht als sicher erfasste Größe zum Steuern und/oder Überwachen des Roboters verwendet wird, falls eine Abweichung der Werte voneinander außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
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Insbesondere kann somit in einer Ausführung die Robotersteuerung die Abtriebs-Kinematikgröße zwei- oder mehrkanalig erfassen, insbesondere über ein redundantes, insbesondere diversitäres, Erfassungsmittel. Gleichermaßen kann in einer Ausführung eine, insbesondere einkanalig, erfasste Abtriebs-Kinematikgröße zwei- oder mehrfach ausgewertet und, insbesondere über einen Kreuzvergleich, geprüft werden.
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Hierdurch kann in einer Ausführung die Sicherheit der Abtriebs-Kinematikgröße vorteilhaft geprüft werden.
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In einer Ausführung umfasst das Verfahren den Schritt: Vergleichen der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße mit einem vorgegebenen Soll-Wert (der bzw. für die Abtriebs-Kinematikgröße) zum Steuern des Antriebs bzw. (den Schritt:) Steuern, insbesondere Regeln, des Antriebs auf Basis bzw. in Abhängigkeit von diesem Vergleich, insbesondere zum Reduzieren, insbesondere Minimieren, einer Differenz zwischen erfasster Abtriebs-Kinematikgröße und vorgegebenem Soll-Wert. Entsprechend weist die Robotersteuerung in einer Ausführung auf Mittel zum Vergleichen der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße mit einem vorgegebenen Soll-Wert (der bzw. für die Abtriebs-Kinematikgröße) zum Steuern des Antriebs bzw. (Mittel zum) Steuern, insbesondere Regeln, des Antriebs auf Basis bzw. in Abhängigkeit von diesem Vergleich, insbesondere zum Reduzieren, insbesondere Minimieren, einer Differenz zwischen erfasster Abtriebs-Kinematikgröße und vorgegebenem Soll-Wert.
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Mit anderen Worten wird in einer Ausführung das einzelne bewegliche Glied bzw. die einzelne (Bewegungs)Achse des Roboters auf Basis einer Regelgröße mit der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße gesteuert, insbesondere zusätzlich oder alternativ zu einer Antriebs-Kinematikgröße.
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Hierdurch kann in einer Ausführung die Präzision und/oder Zuverlässigkeit dieses Steuerns bzw. Überwachens verbessert werden.
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In einer Ausführung umfasst das Verfahren zusätzlich oder alternativ den Schritt: Ermitteln einer Position, insbesondere ein-, zwei- oder dreidimensionalen (kartesischen) Lage und/oder Orientierung, einer roboterfesten Referenz, insbesondere eines TCPs des Roboters, auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der bzw. den erfassten Abtriebs-Kinematikgröße(n) und einer Verformung des bzw. eines oder mehrerer, insbesondere aller, beweglichen Glieder zum Steuern und/oder Überwachen des Roboters bzw. ein Steuern und/oder Überwachen des Roboters auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der solcherart ermittelten Position.
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Entsprechend weist die Robotersteuerung in einer Ausführung auf Mittel zum Ermitteln einer Position, insbesondere ein-, zwei- oder dreidimensionalen (kartesischen) Lage und/oder Orientierung, einer roboterfesten Referenz, insbesondere eines TCPs des Roboters, auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der bzw. den erfassten Abtriebs-Kinematikgröße(n) und einer Verformung des bzw. eines oder mehrerer, insbesondere aller, beweglichen Glieder zum Steuern und/oder Überwachen des Roboters bzw. ein Steuern und/oder Überwachen des Roboters auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der solcherart ermittelten Position.
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In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren bzw. Ermitteln einer Position den Schritt: Ermitteln der Verformung(en) des bzw. der beweglichen Glieder mittels eines Modells des beweglichen Glieds, insbesondere auf Basis der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße und/oder einer Nutzlast des Roboters.
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Entsprechend weist die Robotersteuerung in einer Ausführung auf Mittel zum Ermitteln der Verformung(en) des bzw. der beweglichen Glieder mittels eines Modells des beweglichen Glieds, insbesondere auf Basis der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße und/oder einer Nutzlast des Roboters.
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Insbesondere kann in einer Ausführung ein an sich bekanntes sogenanntes absolutgenaues (physikalisches bzw. mathematisches Ersatz)Modell des Roboters, das belastungsabhängige Verformungen von Gliedern bzw. Strukturteilen des Roboters berücksichtigt bzw. abbildet, auf Basis der bzw. mit den erfassten Abtriebs-Kinematikgröße(n) ausgewertet werden.
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Hierdurch kann in einer Ausführung die Präzision und/oder Zuverlässigkeit eines solchen Modells und damit eines darauf basierenden Steuerns bzw. Überwachens verbessert werden.
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In einer Ausführung umfasst das Verfahren den Schritt: Ermitteln einer Nutzlast des Roboters auf Basis der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße zum Steuern und/oder Überwachen des Roboters bzw. ein Steuern und/oder Überwachen des Roboters auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der solcherart ermittelten Nutzlast. In einer Weiterbildung wird die Nutzlast auf Basis der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße(n) und der erfassten Antriebs-Kinematikgröße(n) und/oder einer Kraft des bzw. der mit dem bzw. den beweglichen Gliedern gekoppelten Antriebe ermittelt, die in einer Weiterbildung auf Basis eines Motorstroms, eines Strompolynoms oder dergleichen ermittelt oder mittels eines Krafterfassungsmittels erfasst sein bzw. werden kann.
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Entsprechend weist die Robotersteuerung in einer Ausführung auf Mittel zum Ermitteln einer Nutzlast des Roboters auf Basis der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße zum Steuern und/oder Überwachen des Roboters bzw. ein Steuern und/oder Überwachen des Roboters auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der solcherart ermittelten Nutzlast, in einer Weiterbildung Mittel zum Ermitteln der Nutzlast auf Basis der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße(n) und der erfassten Antriebs-Kinematikgröße(n) und/oder einer Kraft des bzw. der mit dem bzw. den beweglichen Gliedern gekoppelten Antriebe.
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Nutzlasten können eine Deformation der Kopplungen zwischen Glied(ern) und damit gekoppeltem/n Antrieb(en) bewirken. Entsprechend kann in einer Ausführung eine solche Deformation und damit eine diese bewirkende robotergeführte Nutzlast auf Basis bzw. in Abhängigkeit von einem Vergleichs von Ab- und Antriebs-Kinematikgröße(n) ermittelt, insbesondere (erstmals) identifiziert und/oder (eine parametrierte Nutzlast) verifiziert, werden.
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Hierdurch kann in einer Ausführung eine in dem Modell zugrundegelegte bzw. vorab parametrierte Nutzlast überprüft und/oder eine vom Roboter aufgenommene Nutzlast bzw. deren Gewichts- und/oder Trägheitsparameter identifiziert werden.
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In einer Ausführung weist der Roboter (wenigstens) eine, insbesondere mechanisch wirkende und/oder elektrisch, insbesondere elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch aktuierbare bzw. aktuierte Bremse, insbesondere eine normal bzw. energielos geschlossene bzw. aktiv zu lüftende Bremse, insbesondere eine Haltebremse zum Festlegen und/oder Betriebsbremse zum Abbremsen, des (jeweiligen) beweglichen Glieds auf. In einer Ausführung ist diese Bremse eine abtriebsseitige Bremse bzw. an dem beweglichen Glied selber und/oder einem damit fest, insbesondere dauerhaft bzw. nicht zerstörungsfrei lösbar, verbundenen Element, insbesondere einer Abtriebswelle eines Getriebes, das Glied und Antrieb koppelt, bzw. (kopplungs- , insbesondere getriebe)abtriebsseitig angeordnet. In einer anderen Ausführung ist diese Bremse eine antriebsseitige Bremse, sie kann insbesondere in dem Antrieb integriert sein.
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In einer Ausführung umfasst das Verfahren bzw. Überwachen den Schritt: Feststellen einer Fehlfunktion der (jeweiligen) Bremse, falls die erfasste Abtriebs-Kinematikgröße, insbesondere eine Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des beweglichen Glieds, außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt und/oder falls eine Änderung der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße, insbesondere einer Stellung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, des beweglichen Glieds, außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt, insbesondere bei bzw. während einem kommandierten Stillstand des beweglichen Glieds oder einer vorgegebenen Testaktuierung des damit gekoppelten Antriebs. Der Toleranzbereich schließt in einer Ausführung insbesondere einen Stillstand des beweglichen Glieds bzw. den Wert Null der Abtriebs-Kinematikgröße ein.
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Entsprechend weist die Robotersteuerung in einer Ausführung auf Mittel zum Feststellen einer Fehlfunktion der (jeweiligen) Bremse, falls die erfasste Abtriebs-Kinematikgröße, insbesondere eine Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des beweglichen Glieds, außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt und/oder falls eine Änderung der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße, insbesondere einer Stellung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, des beweglichen Glieds, außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt, insbesondere bei bzw. während einem kommandierten Stillstand des beweglichen Glieds oder einer vorgegebenen Testaktuierung des damit gekoppelten Antriebs.
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Durch eine solche Überwachung kann in einer Ausführung - insbesondere gegenüber einer (bloßen) Überwachung auf Basis einer Antriebs-Kinematikgröße - präzise(r) und/oder zuverlässig(er) eine Fehlfunktion, insbesondere Losbrechen bzw. Überwinden, einer Bremse detektiert und hierauf entsprechend reagiert werden.
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Eine solche Überwachung bzw. ein solcher Vergleich der (Änderung der) erfassten Abtriebs-Kinematikgröße mit dem vorgegebenen Toleranzbereich kann in einer Ausführung insbesondere für eine, insbesondere sichere, Stillstandsüberwachung des beweglichen Glieds bzw. Roboters verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ kann sie in einer Ausführung für einen Test der (jeweiligen) Bremse verwendet werden, bei bzw. in dem in einer Ausführung der entsprechende Antrieb bei schließender oder geschlossener Bremse entsprechend aktuiert bzw. versucht wird, das Glied mittels des Antriebs gegen die schließende bzw. geschlossene Bremse zu bewegen, in einer Ausführung mit einer maximal von der Bremse aufzubringenden (Test)Kraft, gegebenenfalls zuzüglich einer Sicherheitsreserve.
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In einer Ausführung weist das Verfahren den Schritt auf: Verfahren des beweglichen Glieds in eine vorgegebene Stellung, insbesondere Verfahren des gesamten Roboters in eine vorgegebene Pose, zum Reduzieren einer erforderlichen Bremskraft bzw. derart, dass eine erforderlichen Bremskraft reduziert wird, insbesondere zum Abstützen des beweglichen Glieds auf einem Puffer und/oder Abstützen einer robotergeführte Nutzlast auf einer Ablage bzw. so, dass das bewegliche Glied auf einem Puffer und/oder eine robotergeführte Nutzlast auf einer Ablage abgestützt wird bzw. ist, falls eine Fehlfunktion der Bremse festgestellt wird.
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Entsprechend weist die Robotersteuerung in einer Ausführung auf Mittel zum Verfahren des beweglichen Glieds in eine vorgegebene Stellung, insbesondere Verfahren des gesamten Roboters in eine vorgegebene Pose, zum Reduzieren einer erforderlichen Bremskraft bzw. derart, dass eine erforderlichen Bremskraft reduziert wird, insbesondere zum Abstützen des beweglichen Glieds auf einem Puffer und/oder Abstützen einer robotergeführte Nutzlast auf einer Ablage bzw. so, dass das bewegliche Glied auf einem Puffer und/oder eine robotergeführte Nutzlast auf einer Ablage abgestützt wird bzw. ist, falls eine Fehlfunktion der Bremse festgestellt wird.
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Hierdurch kann in einer Ausführung eine Bremse bei einer (festgestellten) Fehlfunktion, insbesondere einer zu geringen Bremskraft, entlastet und/oder eine Gefährdung durch die und/oder der Nutzlast reduziert werden, was insbesondere bei einer Mensch-Roboter-Kooperation vorteilhaft ist.
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Zusätzlich oder alternativ weist das Verfahren in einer Ausführung den Schritt auf: Aktuieren des mit dem beweglichen Glied gekoppelten Antriebs zur Unterstützung der Bremse, falls eine Fehlfunktion der Bremse festgestellt wird. Entsprechend weist die Robotersteuerung in einer Ausführung auf Mittel zum Aktuieren des mit dem beweglichen Glied gekoppelten Antriebs zur Unterstützung der Bremse, falls eine Fehlfunktion der Bremse festgestellt wird.
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Hierdurch kann in einer Ausführung eine Bremse bei einer (festgestellten) Fehlfunktion, insbesondere einer zu geringen Bremskraft, entlastet und/oder eine Gefährdung durch die und/oder der Nutzlast reduziert werden, was insbesondere bei einer Mensch-Roboter-Kooperation vorteilhaft ist.
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Insbesondere ein präzise(re)s und/oder zuverlässige(re)s Überwachen, insbesondere Testen, von Roboterbremsen, ein präzise(re)s und/oder zuverlässige(re)s Erfassen kinematischer Größen von Robotergliedern und ein präzise(re)s und/oder zuverlässige(re)s Ermitteln von Positionen einer roboterfesten Referenz ist insbesondere bei Mensch-Roboter-Kooperationen wesentlich. Entsprechend wird die vorliegende Erfindung in einer Ausführung mit besonderem Vorteil bei einem Roboter verwendet, der mit einem oder mehreren Menschen kooperiert, diese(n) insbesondere wenigstens zeitweise kontaktiert, insbesondere in einer medizinischen oder Entertainment-Applikation bzw. -Anwendung, bzw. hierzu eingerichtet ist.
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Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere den Roboter steuern bzw. überwachen kann.
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In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch die Steuerung bzw. ihr(e) Mittel.
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Eine abtriebsseitige bzw. Abtriebs-Kinematikgröße wird bzw. ist in einer Ausführung auf einer Abtriebsseite der Kopplung, insbesondere eines Getriebes, zwischen dem (jeweiligen) beweglichen Glied und dem damit gekoppelten Antrieb, insbesondere Antriebsmotor, erfasst, eine antriebsseitige bzw. Antriebs-Kinematikgröße entsprechend in einer Ausführung auf einer Ein- bzw. Antriebsseite der Kopplung, insbesondere des Getriebes, zwischen dem (jeweiligen) beweglichen Glied und dem damit gekoppelten Antrieb, insbesondere Antriebsmotor.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
- 1: einen Teil zweier relativ zueinander beweglicher Glieder eines Roboters und eine Robotersteuerung zum Steuern und/oder Überwachen des Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
- 2: Verfahren zum Steuern und/oder Überwachen des Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein erstes Glied 1, beispielsweise ein Grundgestell bzw. eine Basis, ein Karussell, eine Schwinge, ein Arm oder eine Hand, eines Roboters und ein zweites Glied 2, beispielsweise entsprechend ein Karussell, eine Schwinge, einen Arm, eine Hand bzw. einen (Werkzeug)Flansch, des Roboters, das drehbar an dem ersten Glied 1 gelagert ist, wie in 1 durch einen Bewegungsdrehpfeil angedeutet.
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An dem ersten Glied 1 ist hierzu ein Servomotor eines Antriebs 3 angeordnet, dessen Rotor bzw. Welle mit einem Eingang eines Getriebes 4 drehfest verbunden ist, das diesen mit einem Übersetzungsverhältnis mit einem (Getriebe)Abtrieb (dreh)koppelt, der seinerseits drehfest mit dem zweiten beweglichen Glied 2 verbunden ist, so dass der Antrieb 3 das Glied 2 (relativ zum ersten Glied 1) um die strichpunktiert eingezeichnete (Bewegungs)Achse A des Roboters (ver)drehen kann.
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Im Ausführungsbeispiel ist eine abtriebsseitige mechanische Haltebremse 5 zum Festlegen des beweglichen Glieds 2 zwischen diesem und dem Getriebe 4 angeordnet. In einer nicht dargestellten Abwandlung kann die Bremse 5 oder eine zusätzliche Bremse auch zwischen Getriebe 4 und Antrieb 3 oder auf der getriebeabgewandten Seite des Antriebs 3 angeordnet oder in dem Antrieb 3 integriert sein.
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Ein an dem beweglichen Glied 2 angeordnetes Erfassungsmittel mit einem oder mehreren Winkel- und/oder Geschwindigkeitssensoren 8 erfasst eine Abtriebs-Kinematikgröße in Form einer Stellung und/oder Geschwindigkeit der Abtriebswelle und übermittelt diese ein- oder mehrkanalig an eine Robotersteuerung 6. Hierzu kann das an dem beweglichen Glied 2 angeordnete Erfassungsmittel 8 an dem beweglichen Glied 2 und/oder an dem ersten Glied 1 befestigt sein. In einer nicht dargestellten Abwandlung kann das Erfassungsmittel 8 auch beidseits der Bremse 5 oder auch nur zwischen Bremse 5 und Getriebe 4 an dem beweglichen Glied 2 angeordnet sein.
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Ein weiteres Erfassungsmittel mit einem oder mehreren Winkel- und/oder Geschwindigkeitssensoren 7 erfasst eine Antriebs-Kinematikgröße in Form einer Stellung und/oder Geschwindigkeit des Rotors des Antriebs 3 bzw. der Eingangswelle des Getriebes 4 und übermittelt diese an die Robotersteuerung 6. In einer nicht dargestellten Abwandlung kann das weitere Erfassungsmittel 7 auch beidseits des Antriebs 3 oder auf dessen getriebeabgewandten Seite angeordnet oder in dem Antrieb 3 integriert sein.
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Der Roboter weist weitere (nicht dargestellte) bewegliche Glieder auf, die analog ausgebildet sind und gesteuert bzw. überwacht werden, so dass diesbezüglich auf die Beschreibung des ersten und zweiten Glieds 1, 2 der 1 Bezug genommen wird.
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Insbesondere kann an dem zweiten Glied 2 ein weiteres Glied (nicht dargestellt) des Roboters in gleicher Weise angeordnet sein wie das zweite Glied 2 an dem ersten Glied 1, und/oder das erste Glied 1 seinerseits in gleicher Weise an einem weiteren Glied (nicht dargestellt) des Roboters angeordnet sein wie das zweite Glied 2 an dem ersten Glied 1.
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Die Robotersteuerung 6 steuert den bzw. die Antriebe 3 und überwacht die Bremse(n) 5 und führt hierzu nachfolgend mit Bezug auf 2 erläuterte Verfahren durch. Dabei werden verschiedene Verfahren nach Ausführungen der vorliegenden Erfindung, die vorzugsweise miteinander kombiniert sein können, zur kompakteren Darstellung gemeinsam mit Bezug auf 2 erläutert.
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In einer Ausführung zum Testen der Bremse 5 wird in einem Schritt S10 die Bremse 5 geschlossen und der Antrieb 3 mit einem vorgegebenen Drehmoment testaktuiert, welches einem maximal( erforderlich)en Bremsdrehmoment der Bremse 5 entspricht.
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In einem Schritt S20 wird eine Abtriebs-Kinematikgröße in Form einer Stellung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des zweiten Glieds 2 relativ zum ersten Glied 1 bzw. der Achse A mittels des Erfassungsmittels 8 redundant erfasst und an die Robotersteuerung 6 übertragen.
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In einem Schritt S30 wird eine Sicherheit dieser erfassten Abtriebs-Kinematikgröße geprüft, indem diese mit einer entsprechenden Antriebs-Kinematikgröße verglichen wird, die mittels des weiteren Erfassungsmittels 7 erfasst wird.
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Fall ein Quotient der erfassten Ab- und Antriebs-Kinematikgröße außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt, der sich aus einem Übersetzungsverhältnis des Getriebes 4 unter Berücksichtigung maximal zulässigen Getriebeelastizität und - spiels ergibt (S30: „N“), wird die erfasste Abtriebs-Kinematikgröße nicht als sicher erfasste Größe verwendet und in einem Schritt S40 eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben.
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Andernfalls (S30: „Y“) wird die erfasste Abtriebs-Kinematikgröße als sicher erfasste Größe verwendet und in einem Schritt S50 geprüft, ob die Bremse 5 eine Fehlfunktion aufweist.
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Liegt eine Änderung der erfassten Stellung bzw. eine erfasste Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung des zweiten Glieds 2 außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs um Null herum bzw. bewegt sich das zweite Glied 2 bzw. der Roboter in der Achse A stärker als durch den Toleranzbereich vorgesehen (S50: „Y“), wird in einem Schritt S60 eine Fehlfunktion der Bremse festgestellt.
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Daraufhin wird in Schritt S60 der Roboter in eine sichere Pose verfahren, in der in einer Ausführung seine beweglichen Glieder auf Puffern 9 abgestützt werden.
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Zusätzlich oder alternativ können in Schritt S60 die Antriebe 3 jeweils die Bremsen 5 unterstützen bzw. entsprechend aktuiert werden.
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Wird keine Fehlfunktion der Bremse festgestellt (S50: „N“), wird in einem Schritt S70 eine Mensch-Roboter-Kooperationsapplikation ausgeführt, bei bzw. in der der Roboter wenigstens zeitweise einen Menschen kontaktiert.
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Zusätzlich oder alternativ zu einem solchen Bremsentest kann die Robotersteuerung 6 die Bremse 5 auch im Betrieb überwachen, insbesondere auf einen (sicheren) Stillstand.
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Dann wird in Schritt S10 der Antrieb 3 nicht testaktuiert und im Übrigen wie vorstehend beschrieben in Schritt S20 die Stellung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des zweiten Glieds 2 bzw. der Achse A mittels des Erfassungsmittels 8 erfasst und in Schritt S30 deren Sicherheit geprüft.
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Falls in Schritt S50 eine Bewegung (des Roboters in) der Achse A festgestellt wird (S50: „Y“), wird wieder eine Fehlermeldung ausgegeben und der Roboter auf die Puffer 9 abgestützt (Schritt S60). Andernfalls (S50: „N“) wird in Schritt S70 zu Schritt S20 zurückgesprungen, wie in 2 gestrichelt angedeutet, da dieser Rücksprung beim Bremsentest entfallen bzw. dessen optionale zyklische Wiederholung andeuten kann.
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Zusätzlich oder alternativ zu einem solchen Bremsentest und/oder einer solchen Stillstandsüberwachung kann die Robotersteuerung 6 in einer Ausführung auch die einzelnen Roboterachsen A auf Basis eines Vergleichs der mittels des Erfassungsmittels 8 erfassten Stellung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des zweiten Glieds 2 bzw. der Achse A mit Soll-Werten steuern, insbesondere regeln.
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Hierzu können Schritt S10, d.d. das Schließen der Bremse 5 und gegebenenfalls das Testaktuieren des Antriebs 3, und die Schritte S50 und S60, d.h. das Feststellen, ob zweites Glied 2 bzw. Achse A (ausreichend) stillstehen, entfallen, die daher in 2 gestrichelt dargestellt sind.
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Entsprechend wird bei einem Steuern des Antriebs 3 auf Basis eines Vergleichs der mittels des Erfassungsmittels 8 erfassten Stellung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des zweiten Glieds 2 bzw. der Achse A mit Soll-Werten die Stellung, Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung in Schritt S20 erfasst, in Schritt S30 deren Sicherheit geprüft und in Schritt S70 der Antrieb auf Basis dieses Vergleichs geregelt, insbesondere also die Achse A auf Basis ihrer erfassten Stellung positioniert.
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Zusätzlich oder alternativ zu einem solchen Bremsentest und/oder einer solchen Stillstandsüberwachung und/oder Einzelachsregelung kann die Robotersteuerung 6 in einer Ausführung auch mit dem TCP des Roboters vorgegebene Positionen, insbesondere Bahnen, auf Basis der erfassten Stellungen, Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen seiner Glieder bzw. Achsen A an- bzw. abfahren.
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Hierzu können wieder die Schritte S10, d.d. das Schließen der Bremsen 5 und gegebenenfalls das Testaktuieren der Antriebe 3, S50 und S60, d.h. das Feststellen, ob ein zweites Glied 2 bzw. eine Achse A (ausreichend) stillsteht, entfallen.
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In Schritt S70 wird dann zunächst eine aktuelle bzw. Ist-Position des TCPs des Roboters auf Basis der sicher erfassten (S30: „Y“) Abtriebs-Kinematikgrößen aller Achsen A des Roboters und einer Verformung seiner beweglichen Glieder ermittelt, die seinerseits in Schritt S70 mittels eines absolutgenauen Modells des Roboters und einer robotergeführten Nutzlast ermitteln wird, welcher ihrerseits in Schritt S70 auf Basis eines Vergleichs der mittels der Erfassungsmittel 5, 7 erfassten An- und Abtriebsgrößen identifziert oder verifziert wird. Das absolutgenaue Modell wird dabei in Schritt S70 mit den mittels der Erfassungsmittel 8 erfassten Abtriebs-Kinematikgrößen ausgewertet.
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Dann werden in Schritt S70 die Antriebe 3 so angesteuert, dass diese aktuelle bzw. Ist-Position des TCPs die vorgebenene(n) Position(en) bzw. Bahn(en) an- bzw. abfährt.
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Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist.
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So kann insbesondere zusätzlich oder alternativ zu dem Vergleichen mit erfassten Antriebsgrößen in Schritt S30 die Sicherheit auf Basis eines Vergleichs von redundanten Werten der erfassten Abtriebs-Kinematikgröße(n) geprüft werden, die auf verschiedenen Kanälen erfasst und an die Robotersteuerung übertragen werden, wie in 1 durch zwei parallele Signalpfeile angedeutet.
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Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Roboterglied
- 2
- zweites Roboterglied
- 3
- Servomotor/Antrieb
- 4
- Getriebe
- 5
- Bremse
- 6
- Robotersteuerung
- 7
- antriebsseitiges weiteres Erfassungsmittel
- 8
- abtriebsseitiges Erfassungsmittel
- 9
- Puffer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004056861 A1 [0003]
