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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines Roboters sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
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Nach betriebsinterner Praxis werden Roboterbahnen programmiert, indem ein Bediener diese mit dem Roboter abfährt und dabei Bahnpunkte abgespeichert werden.
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Dabei kann es insbesondere vorkommen, dass erst beim Abfahren einer Bahn erkannt wird, dass sie in einer vorhandenen Konfiguration des Roboters nicht realisierbar ist, während sie jedoch mit einer anderen Konfiguration des insoweit redundanten Roboters realisierbar wäre. Dann muss die bereits teilweise programmierte Bahn wieder verworfen und, gegebenenfalls in mehreren Iterationsschleifen, erneut mit einer (jeweils) geänderten Konfiguration geteacht werden.
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< Aus der
EP 2 783 812 A2 ist eine Robotervorrichtung bekannt, die eine Robotersteuerung zum Betreiben eines Roboters basierend auf einem Bewegungsprogramm, das eine Bewegung des Roboters spezifiziert, eine Roboterbildeinheit, die eingerichtet ist, Bilddaten eines Bildes einschließlich des Roboters zu erhalten, und einen Datenprozessor aufweist. Der Datenprozessor umfasst einen Virtuellen-Raum-Halter, der eingerichtet ist, Daten eines virtuellen Raums zu halten, die Informationen über ein virtuelles Objekt in einem virtuellen Raum umfassen, wobei der virtuelle Raum einen realen Arbeitsraum des Roboters simuliert und das virtuelle Objekt ein Objekt simuliert, das in dem realen Arbeitsraum vorhanden ist, und einen AR-Raum-Daten-Generator, der eingerichtet ist, AR-Raum-Daten durch Nutzen der Bilddaten und der Daten des virtuellen Raums zu erzeugen. >
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Betrieb eines Roboters zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 11, 12 stellen ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
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Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters die Schritte:
- - Ermitteln, insbesondere Vorausberechnen, einer Soll-Bahn des Roboters zum Anfahren einer Soll-Position einer roboterfesten Referenz, die der Roboter mit unterschiedlichen Konfigurationen erreichen kann; und
- - Visualisieren einer virtuellen Repräsentation des Roboters an einem oder mehreren (Bahn)Punkten, insbesondere bei einem virtuellen und/oder vor einem realen Abfahren, dieser ermittelten Soll-Bahn in einer virtuellen oder augmentierten Realität.
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Hierdurch kann in einer Ausführung vorteilhaft ein mögliches Problem bei der Umsetzung der ermittelten Soll-Bahn, insbesondere eine Kollision mit einem Hindernis oder dergleichen, vorab erkannt und so vermieden, insbesondere die Soll-Bahn entsprechend modifiziert oder (ihre Umsetzung) verworfen werden. Zusätzlich oder alternativ kann in einer Ausführung die Programmierung der Bahn durch den Bediener verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden, indem Redundanzen des Roboters entlang der Bahn bereits beim Ermitteln der Soll-Bahn automatisch aufgelöst werden. Durch eine augmentierte Realität können im Vergleich zu einer virtuellen Realität mögliche Probleme bei der Umsetzung der ermittelten Soll-Bahn, insbesondere eine Kollision mit einem Hindernis oder dergleichen, zuverlässiger und/oder einfacher erkannt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Visualisierung vereinfacht und/oder beschleunigt werden.
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Die roboterfeste Referenz ist in einer Ausführung ein Bezugs-, insbesondere Flansch-, Werkzeug- oder Arbeitspunkt, insbesondere -Koordinatensystem, des Roboters, insbesondere sein „Tool Center Point“ („TCP“).
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Eine (Soll-)Position umfasst in einer Ausführung eine ein-, zwei- oder dreidimensionale (kartesische) Lage und/oder eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Orientierung der roboterfesten Referenz, sie kann entsprechend insbesondere hierdurch definiert sein bzw. diese definieren und/oder genau oder wenigstens eine, zwei, drei, vier, fünf oder sechs Dimensionen, insbesondere genau oder wenigstens eine, zwei oder drei Orts- und/oder genau oder wenigstens einen, zwei oder drei Orientierungsdimensionen, aufweisen.
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Eine Konfiguration des Roboters umfasst in einer Ausführung eine Position einer mobilen Basis und/oder eine Pose eines Roboterarms des Roboters und/oder einen oder mehrere (Werte eines) Redundanzparameter(s), beispielsweise Ellbogenwinkel(s) eines siebenachsigen Roboterarms oder dergleichen.
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In einer Ausführung ist der Roboter bezüglich der Soll-Position redundant. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der Roboter mehr Freiheitsgrade, insbesondere Achsen, aufweist als die Dimension der Soll-Position, also beispielsweise einen sieben- oder mehrachsigen Roboterarm oder einen sechs- oder mehrachsigen Roboterarm auf einer mobilen Basis zum Anfahren einer vorgegebenen je dreidimensionalen kartesischen Lage und Orientierung seines TCPs (kinematische Redundanz), einen sechsachsigen Roboterarm zum Anfahren einer vorgegebenen dreidimensionalen kartesischen Lage mit beliebiger Orientierung (Aufgaberedundanz) oder dergleichen.
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Die virtuelle Repräsentation des Roboters umfasst in einer Ausführung eine (virtuelle) Darstellung des Roboters, insbesondere seiner Kinematik und/oder Außenkontur oder einem oder mehreren Teilen hiervon.
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Die virtuelle Realität („Virtuell Reality“, VR) umfasst in einer Ausführung in fachüblicher Weise ein (virtuelles) Modell einer realen Umgebung, insbesondere einer Zelle, des Roboters, die augmentierte Realität („Augmented Reality“, AR) in einer Ausführung in fachüblicher Weise die Überlagerung virtueller Daten, insbesondere der virtuellen Repräsentation des Roboters, über eine reale Umgebung des Roboters bzw. eine Ansicht oder ein, insbesondere aufgenommenes und/oder aktuelles, Bild der realen Umgebung des Roboters.
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Das Visualisieren einer virtuellen Repräsentation des Roboters in einer virtuellen bzw. augmentierten Realität umfasst in einer Ausführung das Anzeigen, insbesondere Projizieren, der virtuellen Repräsentation in eine(r) virtuelle bzw. reale Umgebung des Roboters oder deren Bild und/oder auf einer, insbesondere mobilen, Anzeige, insbesondere eine Brille, ein Visier oder dergleichen, die in einer Ausführung an einem Kopf des Bedieners befestigbar bzw. befestigt bzw. hierzu eingerichtet bzw. verwendet ist bzw. wird.
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In einer Ausführung wird die Soll-Bahn unabhängig von einem oder mehreren, insbesondere allen, umgebungsseitigen Hindernissen bzw. Hindernissen in der, insbesondere realen und/oder virtuellen, Umgebung des Roboters ermittelt, mit denen der (reale bzw. virtuelle) Roboter beim Abfahren der Soll-Bahn kollidieren würde.
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Hierdurch kann in einer Ausführung die Ermittlung der Soll-Bahn insbesondere im Vergleich mit einer Bahnplanung in einer vollständig bekannten bzw. modellierten Umgebung vorteilhaft vereinfacht und/oder beschleunigt werden. Stattdessen kann in einer Ausführung der Bediener eine mögliche Kollision mit virtuellen und/oder realen Hindernissen anhand der Visualisierung der virtuellen Repräsentation des Roboters erkennen.
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Insbesondere hierzu wird in einer Ausführung die Repräsentation des Roboters bei einem virtuellen Abfahren der ermittelten Soll-Bahn kontinuierlich visualisiert.
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In einer Ausführung wird die Soll-Bahn derart, insbesondere dadurch, ermittelt, dass ein ein- oder mehrdimensionales vorgegebenes, insbesondere (durch den Bediener) modifizierbares bzw. auf Basis einer Bedienereingabe modifizierbares, insbesondere modifiziertes, Gütekriterium optimiert und/oder eine ein- oder mehrdimensionale vorgegebene, insbesondere (durch den Bediener) modifizierbare bzw. auf Basis einer Bedienereingabe modifizierbare, insbesondere modifizierte, kinematische und/oder dynamische Randbedingung eingehalten wird, insbesondere mittels bzw. durch, insbesondere iterative und/oder heuristische, Optimierung des Gütekriteriums. Das Gütekriterium kann in einer Ausführung insbesondere von Abständen zu Achsgrenzen und/oder singulären Posen, von einem Energieverbrauch, von Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen und/oder von auftretenden Belastungen des Roboters oder dergleichen abhängen, die kinematische Randbedingung insbesondere von Achslängen bzw. -abständen und/oder -grenzen und/oder (zulässigen) Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen des Roboters, die dynamische Randbedingung insbesondere von (zulässigen) Antriebskräften und/oder Belastungen des Roboters. Insbesondere können in einer Ausführung mehrere Bahnen des Roboters zum Anfahren der Soll-Position ermittelt und unter diesen diejenige als Soll-Bahn ausgewählt bzw. ermittelt werden, in der das Gütekriterium einen extremalen, insbesondere minimalen, Wert aufweist, wobei die Randbedingung(en) insbesondere durch Straffunktionen berücksichtigt oder Bahnen, bei denen die Randbedingung(en) nicht erfüllt sind, nicht ermittelt oder aber verworfen werden können.
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Hierdurch kann in einer Ausführung die Programmierung der Bahn durch den Bediener verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden, indem Redundanzen des Roboters entlang der Bahn bereits beim Ermitteln der Soll-Bahn automatisch aufgelöst werden.
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In einer Ausführung ist/sind bzw. wird/werden, insbesondere wahlweise, zum Ermitteln der Soll-Bahn ein oder mehrere Freiheitsgrade des Roboters auf Basis einer Bedienereingabe begrenzbar, insbesondere sperrbar, bzw. begrenzt, insbesondere gesperrt, was in einer Ausführung insbesondere auch durch Freigabe von bzw. der nicht gesperrten Freiheitsgrade(n) bzw. Freiheitsgradbereiche realisiert sein kann. So kann der Bediener beispielsweise in einer Ausführung vorgeben, dass bestimmte Achsen des Roboters nicht oder nur in bestimmten Bereichen verstellt werden oder umgekehrt beliebige Stellungen einnehmen dürfen.
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Hierdurch kann in einer Ausführung die Auflösung der Redundanz verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden.
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In einer Ausführung wird die Soll-Bahn auf Basis von Splines ermittelt, sie kann insbesondere durch Splines bestimmt sein, insbesondere hieraus bestehen. Hierdurch können vorteilhafte, insbesondere glatte Bahnen realisiert und/oder die Ermittlung der Soll-Bahn, insbesondere die Auflösung der Redundanz verbessert, insbesondere vereinfacht und/oder beschleunigt, werden.
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In einer Ausführung ist bzw. wird die ermittelte Soll-Bahn auf Basis einer Bedienereingabe modifizierbar bzw. modifiziert. Insbesondere können in einer Ausführung durch den Bediener Bahnpunkte modifiziert, insbesondere verschoben und/oder Redundanzparameter(werte) bzw. die Konfiguration variiert, werden. Hierdurch können insbesondere Kollisionen auf der ermittelten Soll-Bahn vermieden werden, die der Bediener anhand der Visualisierung vorab erkennt.
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In einer Weiterbildung wird eine Position der roboterfesten Referenz beim Modifizieren des bzw. der Bahnpunkte(s) beibehalten. Beispielsweise kann der Bediener einen Bahnpunkt modifizieren, indem er einen Konfiguration, insbesondere eine Pose eines Roboterarms, ändert, wobei die Position des TCPs dabei automatisch beibehalten wird.
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Zusätzlich oder alternativ wird in einer Weiterbildung eine, insbesondere dieselbe, virtuelle Repräsentation des Roboters an einem oder mehreren Punkten, insbesondere bei einem virtuellen und/oder vor einem realen Abfahren, der modifizierten Soll-Bahn in der virtuellen oder augmentierten Realität (erneut) visualisiert, insbesondere kontinuierlich visualisiert.
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Hierdurch kann die modifizierte Soll-Bahn überprüft und bedarfsweise erneut bzw. weitergehend modifiziert werden.
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In einer Ausführung wird die ermittelte oder auf Basis einer Bedienereingabe modifizierte Soll-Bahn (erst bzw. nur) in Abhängigkeit von einer Bedienerfreigabe mit dem realen Roboter abgefahren. Hierdurch kann eine Kollision des realen Roboters mit einem Hindernis vermieden werden, die der Bediener anhand der Visualisierung vorab erkannt hat.
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In einer Ausführung wird die virtuelle Repräsentation des Roboters in situ bzw. am Ort des Roboters visualisiert. Hierdurch können Kollisionen vorteilhaft, insbesondere zuverlässig und/oder einfach, erkannt und/oder vermieden werden.
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Die Soll-Position wird in einer Ausführung in Abhängigkeit von einer Bedienereingabe ermittelt, die in einer Weiterbildung durch bzw. mittels ein(es) Zeigemittels erfolgen kann, dessen Position erfasst wird, wobei in einer Weiterbildung die Soll-Position der roboterfesten Referenz oder deren Differenz zu einer Referenz-, insbesondere (aktuellen) Ist-Position der Position des Zeigemittels entsprechen oder aus dieser abgeleitet werden kann. So kann der Bediener in einer Ausführung das Zeigemittel anstelle der roboterfesten Referenz in die gewünschte Soll-Position bringen. Gleichermaßen kann er beispielsweise eine Soll-Position der roboterfesten Referenz eingeben, indem er mit dem Zeigemittel eine Bewegung aus einer aktuellen Ist-Position zu der gewünschten Soll-Position anzeigt.
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Zusätzlich oder alternativ wird die Soll-Position in einer Ausführung in Abhängigkeit von einer Position eines umgebungsseitigen Objekts, insbesondere eines von dem Roboter zu bearbeitenden und/oder handzuhabenden Werkstücks, ermittelt, die ihrerseits in einer Ausführung mithilfe von Sensoren, insbesondere einer oder mehrerer Kameras, Abstandssensoren oder dergleichen, und/oder eines Roboterprozesses, beispielsweise einer vorgegebenen Bewegung eines Fördermittels, ermittelt werden kann. So kann beispielsweise in einer Ausführung die Soll-Position auf Basis einer Position eines Werkstücks ermittelt werden, das der Roboter bearbeiten und/oder handhaben, beispielsweise aufnehmen, soll, und das durch ein Fördermittel bewegt wird. Hierdurch kann die Soll-Position in einer Ausführung vorteilhaft, insbesondere präzise und/oder einfach, ermittelt werden.
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In einer Ausführung erfolgen die bzw. eine oder mehrere der hier beschriebenen Bedienereingabe(n) und/oder die Bedienerfreigabe über eine graphische Bedienerschnittstelle, Sprache und/oder Gesten. So kann beispielsweise der Bediener das Abfahren der Soll-Bahn durch den realen Roboter durch einen akustischen Befehl freigeben oder Punkte der Soll-Bahn durch Gesten modifizieren, insbesondere verschieben.
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Die Erfindung wird mit besonderem Vorteil bei Robotern verwendet, die eine mobile Basis und/oder einen Roboterarm, insbesondere mit wenigstens sieben Bewegungsachsen, bzw. eine kinematische bzw. inhärente Redundanz aufweisen.
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Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Betreiben eines Roboters, insbesondere hard- und/oder software-, insbesondere programtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:
- - Mittel zum Ermitteln, insbesondere Vorausberechnen, einer Soll-Bahn des Roboters zum Anfahren einer Soll-Position einer roboterfesten Referenz, die der Roboter mit unterschiedlichen Konfigurationen erreichen kann; und
- - Mittel zum Visualisieren einer virtuellen Repräsentation des Roboters an einem oder mehreren (Bahn)Punkten, insbesondere bei einem virtuellen und/oder vor einem realen Abfahren, dieser ermittelten Soll-Bahn in einer virtuellen oder augmentierten Realität.
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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 betreiben, insbesondere steuern und/oder seine Soll-Bahn speichern, 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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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert,:
- 1: einen Bediener, einen Roboter und ein System zum Betreiben des Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
- 2: eine Visualisierung einer virtuellen Repräsentation des Roboters in einer augmentierten Realität; und
- 3: einen Schritt eines Verfahrens zum Betreiben des Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt einen Bediener 1, einen Roboter 10 und ein System zum Betreiben des Roboters 10 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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Der Roboter 10 weist im Ausführungsbeispiel eine mobile Basis 11 und einen mehrachsigen Roboterarm mit einem Greifer 12 auf.
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Der Bediener 1 trägt eine VR- oder AR-Brille 20 und ein Zeigemittel 21 des Systems zum Eingeben einer Soll-Position S des Greifers 12, die in 1 gestrichelt angedeutet ist. Man erkennt durch den Vergleiche der 2, 3, dass der Roboter 10 bezüglich dieser Soll-Position S redundant ist, da er sie wenigstens in der Konfiguration der 2, d.h. bei unveränderter Pose des Roboterarms und verfahrener Basis 11, und der Konfiguration der 3, d.h. bei unveränderter Position der Basis 11 und gestreckte(re)m Roboterarm erreichen kann.
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In einem ersten Schritt S10 gibt der Bediener 1 mithilfe des Zeigemittels 21 die Soll-Position S ein bzw. vor.
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In einem zweiten Schritt ermittelt eine Steuerung 22 des (System zum Betreiben des) Roboters 10 eine Soll-Bahn zum Anfahren der Soll-Position S unabhängig von einem umgebungsseitigen realen Hindernis 3 unter Optimierung eines Gütekriteriums unter Einhaltung einer vorgegebenen kinematischen und/oder dynamischen Randbedingung.
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Im Ausführungsbeispiel ermittelt die Steuerung 22 als Soll-Bahn exemplarisch ein lineares Verfahren der mobilen Basis 11 bei unveränderter Pose des Roboterarms, wie durch Vergleich der 1, 2 ersichtlich. Dies kann beispielsweise daraus resultieren, dass hierbei die geringste Antriebsenergie erforderlich und/oder die Pose des Roboterarms der 1, 2 am weitesten von Achsbegrenzungen und/oder singulären Stellungen entfernt ist. Die dynamische und kinematische Randbedingung kann beispielsweise das Einhalten von Antriebsmoment- und Achsgrenzen sein.
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In einem dritten Schritt S30 visualisiert die Steuerung 22 eine virtuelle Repräsentation R des Roboters beim virtuellen Abfahren dieser ermittelten Soll-Bahn in einer virtuellen oder augmentierten Realität, indem sie die virtuelle Repräsentation R in der Brille 20 anzeigt. In 2 ist exemplarisch die virtuelle Repräsentation R des Roboters in einer augmentierten Realität am Endpunkt der ermittelten Soll-Bahn bzw. beim Erreichen der Soll-Position S gestrichelt angedeutet.
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Der Bediener 1 kann in der augmentierten Realität der 2 einfach die Kollision des Roboters 10 mit dem realen Hindernis 3 vorab erkennen.
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Entsprechend modifiziert er in einem Schritt S40 durch entsprechende Bedienereingabe über sein Zeigemittel 21 die ermittelte Soll-Bahn, indem er beispielsweise die Freiheitsgrade der mobilen Basis 11 sperrt oder begrenzt und/oder die Pose des Roboterarms verändert.
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Hierzu kann er das vorstehend erläuterte Verfahren erneut durchführen, wobei jedoch diesmal die Freiheitsgrade der mobilen Basis 11 gesperrt bzw. entsprechend begrenzt sind. Die Steuerung 22 kann dann wiederum eine geeignete (modifizierte) Soll-Bahn ermitteln und erneut visualisieren (S30), wobei sie beispielsweise noch die Redundanz auflösen kann, die sich insbesondere ergibt, wenn in 1 die Orientierung des Greifers 12 in der Soll-Position S um die Vertikale nicht vorgegeben bzw. beliebig ist. Gleichermaßen kann der Bediener 1 Bahnpunkte der zunächst ermittelten Soll-Bahn modifizieren, indem er in diesen die Soll-Position der mobilen Basis 11 verschiebt, wobei die Steuerung 22 den Roboterarm automatisch entsprechend so rekonfiguriert, dass der Greifer 12 dabei weiterhin dieselbe Position aufweist.
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Ist die ermittelte bzw. modifizierte Soll-Bahn kollisionsfrei, gibt der Bediener 1 in einem Schritt S50 das Abfahren durch den Roboter 10 frei, beispielsweise wie in 3 angedeutet über sein Zeigemittel 21 oder einen Sprachbefehl.
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Man erkennt, dass hierdurch der Betrieb, insbesondere das Programmieren der Soll-bahn, verbessert wird, da nicht erst während eines Abfahrens mit dem Roboter 10 mit unveränderter Pose des Roboterarms und Verfahren der Basis 11 eine Kollision erkannt wird und die bis dahin bereits programmierte Soll-(Teil)Bahn verworfen werden muss. Im Vergleich zu einer offline-Bahnplanung in einer simulierten Umgebung muss die reale Umgebung vorteilhaft nicht vollständig bekannt sein, insbesondere das Hindernis 3 nicht modelliert werden
