DE102017005581B4

DE102017005581B4 - Steuern eines Roboters

Info

Publication number: DE102017005581B4
Application number: DE102017005581.5A
Authority: DE
Inventors: Yevgen Kogan
Original assignee: KUKA Deutschland GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: DE102017005581A1; EP3638462A1; KR102542089B1; US20220134554A1; CN110730706A; WO2018228762A1; US11260527B2; KR20200019154A; US20210138641A1; US11648665B2; CN110730706B

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern eines Roboters (1) umfasst die Schritte:- Vorgeben (S10) einer Soll-Kraft (F) auf eine Kontaktstelle (2; 2');- Bestimmen (S20) einer Kontaktsteifigkeit (c; c') an dieser Kontaktstelle; und- Abbremsen (S50) des sich bewegenden Roboters durch dessen Antriebe (5) und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter in Abhängigkeit von der bestimmten Kontaktsteifigkeit, wobei mit dem Abbremsen begonnen wird (x; x'), bevor die Soll-Kraft erreicht ist (x; x').

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerung zum Steuern eines Roboters sowie eine Anordnung mit einem Roboter und der Steuerung und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
Aus betriebsinterner Praxis ist es bekannt, eine Soll-Kraft vorzugeben, die ein Roboter auf eine Kontaktstelle aufprägen soll, und im Betrieb des Roboters dann eine aktuelle Reaktionskraft zwischen dem Roboter und der Kontaktstelle zu erfassen. Sobald erfasst wird, dass die Reaktionskraft die Soll-Kraft erreicht hat, wird der Roboter durch dessen Antriebe und/oder Bremsen abgebremst.
Dadurch kann der Roboter insbesondere auch in unbekannter oder variierender Umgebung arbeiten, beispielsweise Werkstücke, deren Positionen variieren, anfahren und bei Kontaktierung anhalten, beispielsweise, um diese zu greifen, bearbeiten oder dergleichen.
Insbesondere bedingt durch mechanische, elektro- und/oder steuerungstechnische Trägheiten bzw. Totzeiten läuft der Roboter jedoch noch nach, so dass er nach Erfassen der aufgeprägten bzw. erreichten Soll-Kraft erst mit gewisser Verzögerung anhält.
Dabei kann er jedoch tiefer in die Kontaktstelle eindringen bzw. die Umgebung um die Kontaktstelle, insbesondere elastisch und/oder plastischen, deformieren, wobei sich die tatsächliche Reaktionskraft ungewollt über die vorgegebene Soll-Kraft erhöht.
Entsprechend wird vor einer Kontaktierung der Kontaktstelle durch den sich bewegenden Roboter bisher dessen Geschwindigkeit reduziert, um Impuls und damit Nachlauf des Roboters und die damit verbundenen Erhöhung der Reaktionskraft zu reduzieren.
Aus der DE 10 2014 011 012 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters bekannt, wobei mehrere potentielle Kontakte bestimmt und verschiedenen Gruppen zugeordnet und kontaktspezifische und/oder gruppenspezifische Größen in Abhängigkeit von einem potentiellen medizinischen Schaden eines Menschen ermittelt werden.
Die US 9,505,131 B2 offenbart eine Steuervorrichtung zum Kompensation elastischer Deformationen von Untersetzungsgetrieben eines Gelenkroboters, wobei Motorwinkelkommandowerte aus Gelenkwinkelkommandowerten und Steifigkeitsparametern der Gelenkachsen berechnet und gefiltert werden.
Aus der DE 102 26 853 B3 ist ein Verfahren zum Begrenzen von Krafteinwirkungen eines Roboterteils bekannt, wobei eine bei einer Kollision maximal zugelassene kinetische Energie bestimmt, fortwährend die tatsächliche kinetische Energie des Roboterteils bestimmt und bei Überschreiten der maximal zugelassenen kinetischen Energie die Arbeitsgeschwindigkeit des Roboters reduziert wird.
Die DE 10 2007 040 130 B3 offenbart ein Verfahren zum Umformen eines Werkstücks, wobei ein Vorschubaktuator und ein adaptorisches Stellglied einen geschlossenen Regelkreis zur Erzeugung einer intermittierenden Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug bilden.
Aus der DE 197 28 357 C2 ist ein Verfahren in der Rasterkraftmikroskopie bekannt, wobei eine Differenz von Anregungsamplitude und dynamischer Verbiegung eines Cantilvers auf einen konstanten Wert geregelt wird.
Die DE 10 2006 045 643 A1 offenbart ein Verfahren zur ortsaufgelösten Untersuchung der elastischen Eigenschaufetn einer Probe mit einem Rasterkraftmikroskop.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Betrieb eines Roboters zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 13-15 stellen eine Steuerung und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens bzw. eine Anordnung mit einem Roboter und einer hier beschriebenen Steuerung unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Steuern eines Roboters die Schritte auf:

- Vorgeben einer Soll-Kraft auf eine Kontaktstelle;
- Bestimmen einer Kontaktsteifigkeit an dieser Kontaktstelle; und
- Abbremsen des sich bewegenden Roboters durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen bzw. Ausüben der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter bzw. derart bzw. mit dem Ziel, dass der anhaltende bzw. angehaltene Roboter, insbesondere wenigstens, höchstens und/oder mit einer gewissen Toleranz, die Soll-Kraft auf die Kontaktstelle aufprägt, auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der bestimmten Kontaktsteifigkeit, wobei mit dem Abbremsen bereits begonnen wird, bevor die Soll-Kraft erreicht ist.

Indem der Roboter in Abhängigkeit von der vorab und/oder beim Kontaktieren bestimmten Kontaktsteifigkeit abgebremst bzw. diese beim Abbremsen berücksichtigt und dabei bzw. dadurch das Abbremsen bereits vor Erreichen der Soll-Kraft begonnen und so ein Nachlauf der Roboters mit einer entsprechenden Kraftüberhöhung über die Soll-Kraft hinaus reduziert und vorzugsweise, wenigstens im Wesentlichen, vermieden wird, kann in einer Ausführung die Übereinstimmung der Reaktionskraft, die der anhaltende bzw. angehaltene Roboter schließlich tatsächlich auf die Kontaktstelle aufprägt, mit der vorgegebenen Soll-Kraft verbessert werden und/oder der Roboter auch in der Nähe zur Kontaktstelle noch mit höherer Geschwindigkeit bewegt und so insbesondere eine Taktzeit reduziert werden.
Der Roboter weist in einer Ausführung wenigstens drei, insbesondere wenigstens sechs, insbesondere wenigstens sieben, (Bewegungs)Achsen bzw. Gelenke auf, die durch die Antriebe und/oder Bremsen des Roboters, insbesondere gesteuert, abbrems-, insbesondere stillsetzbar sind bzw. abgebremst, insbesondere stillgesetzt, werden (können).
Zur kompakteren Darstellung wird vorliegend auch ein Regeln auf Basis einer (Regel)Differenz zwischen Soll- und (erfassten) Ist-Größen als Steuern im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet. Eine Kraft im Sinne der vorliegenden Erfindung kann verallgemeinernd auch ein antiparalleles Kräftepaar, d.h. ein (Dreh)Moment umfassen, insbesondere sein. Unter einer Steifigkeit wird vorliegend insbesondere in fachüblicher Weise ein Verhältnis zwischen einer Eindringtiefe bzw., insbesondere elastischen und/oder plastischen, Verformung und einer hierzu erforderlichen bzw. aufgeprägten Kraft, insbesondere ein Quotient von Kraft durch Eindringtiefe bzw. Verformung, verstanden.
In einer Ausführung prägt der anhaltende bzw. angehaltene Roboter die Reaktions- bzw. Soll-Kraft durch ein robotergeführtes Werkzeug oder -stück auf die Kontaktstelle auf bzw. ist hierzu vorgesehen bzw. eingerichtet.
In einer Ausführung umfasst das Abbremsen des sich bewegenden Roboters durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft ein entsprechendes (An)Steuern, insbesondere also Regeln, der Antriebe bzw. Bremsen, insbesondere ein Ermitteln und/oder Kommandieren einer Soll-Pose des anhaltenden bzw. angehaltenen Roboters, in der er die vorgegebene Soll-Kraft auf die Kontaktstelle aufprägt bzw. aufprägen soll, und/oder einer Soll-Bewegung, insbesondere einer/eines Soll-Geschwindigkeit(sverlauf) und/oder Soll-Beschleunig(sverlauf), in Abhängigkeit von der bestimmten Kontaktsteifigkeit und der vorgegebenen Soll-Kraft.
Insbesondere wird in einer Ausführung der sich bewegende Roboter durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft in einer ersten Pose angehalten bzw. zum Stehen gebracht, falls die Kontaktsteifigkeit einen ersten Wert aufweist bzw. entsprechend bestimmt wird bzw. ist, und in einer zweiten Pose angehalten, in der er, insbesondere das robotergeführte Werkzeug bzw. -stück, tiefer in die Kontaktstelle eingedrungen bzw. eine größere Verformung erreicht ist, falls die Kontaktsteifigkeit einen zweiten Wert aufweist bzw. entsprechend bestimmt wird bzw. ist, der kleiner als der erste Wert ist.
In einer Ausführung wird mit dem Abbremsen durch die Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft zu einem ersten Zeitpunkt begonnen, bevor die Soll-Kraft erreicht ist, falls die Kontaktsteifigkeit einen ersten Wert aufweist bzw. entsprechend bestimmt wird bzw. ist, und zu einem späteren zweiten Zeitpunkt begonnen, bevor die Soll-Kraft erreicht ist, falls die Kontaktsteifigkeit einen zweiten Wert aufweist bzw. entsprechend bestimmt wird bzw. ist, der kleiner als der erste Wert ist, insbesondere das Abbremsen durch die Antriebe und/oder Bremsen zu dem ersten Zeitpunkt eingeleitet, insbesondere kommandiert, falls die Kontaktsteifigkeit den ersten Wert aufweist, und zu dem zweiten Zeitpunkt eingeleitet bzw. kommandiert, falls die Kontaktsteifigkeit den zweiten Wert aufweist.
Zusätzlich oder alternativ wird in einer Ausführung der Roboter durch seine Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft in wenigstens einer Phase stärker abgebremst bzw. verzögert, falls die Kontaktsteifigkeit einen bzw. den ersten Wert aufweist bzw. entsprechend bestimmt wird bzw. ist, und wenigstens in dieser Phase schwächer abgebremst bzw. verzögert, falls die Kontaktsteifigkeit einen bzw. zweiten Wert aufweist bzw. entsprechend bestimmt wird bzw. ist, der kleiner als der erste Wert ist.
In einer Ausführung weist das Verfahren den Schritt auf: Erfassen einer aktuellen oder bevorstehenden Kontaktierung der Kontaktstelle durch den sich bewegenden Roboter, insbesondere eines Beginns bzw. Schließen eines Kontakts zwischen Roboter und Kontaktstelle, wobei der sich bewegende Roboter durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden bzw. angehaltenen Roboter auf Basis bzw. in Abhängigkeit (auch) von dieser erfassten Kontaktierung abgebremst wird.
Die Reaktionskraft zwischen dem Roboter und der Kontaktstelle bzw. die Reaktionskraft, die der Roboter auf die Kontaktstelle aufprägt bzw. ausübt, hängt einerseits von der Kontaktsteifigkeit und andererseits von der Eindringtiefe bzw., insbesondere elastischen und/oder plastischen, Verformung ab, welche ihrerseits von der Differenz der Pose des Roboters zu seiner Pose bei Kontaktierung der Kontaktstelle bzw. Beginn bzw. Schließen des Kontakts zwischen Roboter und Kontaktstelle abhängt, beispielsweise gemäß einem Federgesetz in der allgemeinen Form F = f_c(x-x_c), insbesondere eines linearen Federgesetzes F = c·(x-x_c) mit der Kontaktsteifigkeitsfunktion f_c bzw. dem Kontaktsteifigkeitsfaktor c, der aktuellen Position des Roboterkontaktbereichs x und dessen Position x_c bei Kontaktierung. Entsprechend kann in einer Ausführung durch Abbremsen des sich bewegenden Roboters, insbesondere Anhalten in der ersten oder zweiten Pose, Begin(nen) des Abbremsens zu dem ersten oder zweiten Zeitpunkt und/oder stärkeren oder schwächeren Abbremsen, in Abhängigkeit von der erfassten Kontaktierung ein Nachlauf der Roboters mit einer entsprechenden Kraftüberhöhung reduziert und vorzugsweise, wenigstens im Wesentlichen, vermieden und so die Übereinstimmung der Reaktionskraft, die der anhaltende bzw. angehaltene Roboter schließlich tatsächlich auf die Kontaktstelle aufprägt, mit der vorgegebenen Soll-Kraft verbessert und/oder der Roboter auch in der Nähe zur Kontaktstelle noch mit höherer Geschwindigkeit bewegt und so insbesondere eine Taktzeit reduziert werden.
In einer Ausführung wird das Abbremsen des sich bewegenden Roboters durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden bzw. angehaltenen Roboter gegebenenfalls bereits begonnen, noch bevor der sich bewegende Roboter die Kontaktstelle hierzu kontaktiert. Dies ermöglicht es in einer Ausführung auch bei hohen Kontaktsteifigkeiten und/oder hohen Annäherungsgeschwindigkeiten ein zu tiefes Eindringen des Roboters mit einer entsprechend großen Kraftüberhöhung über die Soll-Kraft hinaus zu vermeiden.
Zusätzlich oder alternativ wird das Abbremsen des sich bewegenden Roboters durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden bzw. angehaltenen Roboter gegebenenfalls erst begonnen, nachdem der sich bewegende Roboter die Kontaktstelle hierzu bereits kontaktiert. Dies ermöglicht es in einer Ausführung, durch ein Erfassen einer Reaktionskraft zwischen der Kontaktstelle und dem diese kontaktierenden Roboter die aktuelle Kontaktierung auf Basis dieser Reaktionskraft zu erfassen und/oder die Kontaktsteifigkeit auf Basis dieser Reaktionskraft zu bestimmen.
In einer Ausführung wird eine bzw. die Reaktionskraft zwischen der Kontaktstelle und dem diese kontaktierenden Roboter erfasst und die aktuelle Kontaktierung auf Basis dieser Reaktionskraft erfasst, insbesondere eine aktuelle Kontaktierung erfasst, sobald die Reaktionskraft einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt bzw. dies erfasst wird. Hierdurch kann die aktuelle Kontaktierung in einer Ausführung präzise und/oder mittels entsprechender Kraftsensorik des Roboters erfasst werden.
Zusätzlich oder alternativ wird in einer Ausführung ein Abstand zwischen dem Roboter und der Kontaktstelle erfasst, insbesondere mithilfe wenigstens eines robotergeführten und/oder wenigstens eines vom Roboter beabstandeten Sensors, insbesondere (wenigstens) eines elektrischen, magnetischen und/oder optischen Sensors, insbesondere (wenigstens) einer Kamera, und die aktuelle und/oder bevorstehende Kontaktierung auf Basis dieser Abstands erfasst. Hierdurch kann in einer Ausführung bereits eine bevorstehende Kontaktierung erfasst und so ein Abbremsen besonders frühzeitig begonnen werden. Zusätzlich oder alternativ kann hierdurch in einer Ausführung auch ohne Kraftsensoren durch den Roboter eine gewünschte Soll-Kraft auf die Kontaktstelle aufgeprägt werden.
In einer Ausführung weist das Verfahren den Schritt auf: Erfassen einer aktuellen Bewegung, insbesondere Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, des Roboters, wobei der sich bewegende Roboter durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden bzw. angehaltenen Roboter in Abhängigkeit (auch) von dieser erfassten Bewegung, insbesondere in Abhängigkeit von einem, insbesondere mathematischen, (Ersatz)Modell des Roboters, abgebremst wird. Hierdurch kann das Abbremsen des Roboters derart, dass er in einer Pose anhält, in der er die Soll-Kraft auf die Kontaktstelle aufprägt, und die entsprechend von der Kontaktsteifigkeit abhängt, vorteilhaft präzise(r) erfolgen, insbesondere modellgestützt vorgesteuert und/oder geregelt werden, wobei in einer Ausführung in dem Modell die Kontaktsteifigkeit berücksichtigt wird bzw. ist.
Insbesondere wird in einer Ausführung der sich bewegende Roboter durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft in wenigstens einer Phase stärker abgebremst und/oder mit dem Abbremsen durch die Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft zu einem ersten Zeitpunkt begonnen, falls der Roboter, insbesondere ein Roboterkontaktbereich, bei Kontaktierung eine erste Geschwindigkeit aufweist, und wenigstens in dieser Phase schwächer abgebremst und/oder mit dem Abbremsen zu einem späteren zweiten Zeitpunkt begonnen, falls der Roboter(kontaktbereich) bei Kontaktierung eine zweite Geschwindigkeit aufweist, die kleiner als die erste Geschwindigkeit ist, da die Reaktionskraft bei größerer Kontaktierungsgeschwindigkeit schneller anwächst.
In einer Ausführung wird die Kontaktsteifigkeit in Abhängigkeit von einer Steifigkeit der Kontaktstelle und/oder einer Steifigkeit des Roboters bestimmt, insbesondere also in einer Ausführung die Nachgiebigkeit, insbesondere Elastizität, des Gesamtsystems aus Kontaktstelle und Roboter berücksichtigt. Hierdurch kann das Abbremsen des Roboters derart, dass er in einer Pose anhält, in der er die Soll-Kraft auf die Kontaktstelle aufprägt, und die entsprechend von der Kontaktsteifigkeit abhängt, vorteilhaft präzise(r) erfolgen. Sofern hingegen die Kontaktsteifigkeit unabhängig von einer Steifigkeit der Kontaktstelle oder unabhängig von einer Steifigkeit des Roboters bestimmt wird, kann dies in einer Ausführung deren Bestimmung vereinfachen.
Die Kontaktsteifigkeit kann in einer Ausführung theoretisch, insbesondere numerisch, insbesondere durch Simulation, bestimmt, insbesondere abgeschätzt werden, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von bekannten Material- und/oder Geometrieparametern von Kontaktstelle und/oder Roboter.
Zusätzlich oder alternativ kann die Kontaktsteifigkeit in einer Ausführung empirisch bestimmt werden, insbesondere, indem eine Reaktionskraft zwischen der Kontaktstelle und dem die Kontaktstelle kontaktierenden Roboter und/oder eine oder mehrere Reaktionskräfte zwischen der Umgebung der Kontaktstelle und dem diese Umgebung kontaktierenden Roboter erfasst und die Kontaktsteifigkeit auf Basis dieser erfassten Reaktionskraft bzw. Reaktionskräfte bestimmt wird. Eine Reaktionskraft zwischen Kontaktstelle bzw. Umgebung und Roboter wird in einer Ausführung durch eine Kraftsensorik des Roboters erfasst, insbesondere einen oder mehrere Kraftsensoren in seinen Gelenken und/oder an seinem Roboter- bzw. Werkzeugflansch, wobei, wie vorstehend erläutert, Kräfte auch Momente umfassen können, Kraftsensoren im Sinne der vorliegenden Erfindung also insbesondere auch Momentensensoren.
Hierdurch kann die Kontaktsteifigkeit in einer Ausführung vorteilhaft präzise(r) und/oder online bestimmt werden.
In einer Ausführung wird die Reaktionskraft erfasst und die Kontaktsteifigkeit auf Basis dieser Reaktionskraft bestimmt, während der Roboter die Kontaktstelle bereits zum Aufprägen der Soll-Kraft durch den anhaltenden bzw. angehaltenen Roboter kontaktiert. Dadurch kann in einer Ausführung die Kontaktsteifigkeit für die aktuelle Kontaktstelle präzise(r) bestimmt werden.
In einer anderen Ausführung kontaktiert der Roboter die Kontaktstelle und/oder deren Umgebung zunächst ein- oder mehrfach testweise. Dabei wird (jeweils) die Reaktionskraft erfasst und die Kontaktsteifigkeit auf Basis dieser Reaktionskraft bzw. Reaktionskräfte bestimmt, insbesondere durch Mittelung, Inter- und/oder Extrapolation oder dergleichen, bevor der Roboter dann die Kontaktstelle zum Aufprägen der Soll-Kraft durch den anhaltenden bzw. angehaltenen Roboter (erneut) kontaktiert. Dadurch kann die Kontaktsteifigkeit in einer Ausführung vorab bestimmt und so insbesondere bei hohen Kontaktsteifigkeiten und hohen Annäherungsgeschwindigkeiten ein zu tiefes Eindringen des Roboters mit einer entsprechend großen Kraftüberhöhung über die Soll-Kraft hinaus vermieden werden.
In einer Ausführung wird die Kontaktsteifigkeit in Abhängigkeit von einer Pose des Roboters bestimmt, insbesondere aus einer von mehreren posenspezifischen Kontaktsteifigkeiten ausgewählt und/oder inter- und/oder extrapoliert, die in einer Ausführung durch das vorstehend erläuterte testweise Kontaktieren bzw. Eindringen vorab ermittelt worden sind. Hierdurch kann in einer Ausführung vorteilhaft berücksichtigt werden, dass einerseits die Steifigkeit des Roboters und andererseits die Kontaktstelle und damit deren Steifigkeit von der Pose des Roboters abhängen können.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerung zum Steuern des Roboters, insbesondere hard- und/oder software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:

- Mittel zum Vorgeben einer Soll-Kraft auf eine Kontaktstelle;
- Mittel zum Bestimmen einer Kontaktsteifigkeit an dieser Kontaktstelle; und
- Mittel zum Abbremsen des sich bewegenden Roboters durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter in Abhängigkeit von der bestimmten Kontaktsteifigkeit, wobei mit dem Abbremsen begonnen wird, bevor die Soll-Kraft erreicht ist.

In einer Ausführung weist die Steuerung bzw. ihre Mittel auf:

- Mittel zum Erfassen einer aktuellen oder bevorstehenden Kontaktierung der Kontaktstelle durch den sich bewegenden Roboter, wobei der sich bewegende Roboter durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter in Abhängigkeit von dieser erfassten Kontaktierung abgebremst wird;
- Mittel zum Beginnen mit dem Abbremsen des sich bewegenden Roboters durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter gegebenenfalls bereits bevor der sich bewegende Roboter die Kontaktstelle kontaktiert;
- Mittel zum Beginnen mit dem Abbremsen des sich bewegenden Roboters durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter gegebenenfalls erst nachdem der sich bewegende Roboter die Kontaktstelle kontaktiert;
- Mittel zum Erfassen einer Reaktionskraft zwischen der Kontaktstelle und dem diese kontaktierenden Roboter und der aktuellen Kontaktierung auf Basis dieser Reaktionskraft;
- Mittel zum Erfassen eines Abstand zwischen dem Roboter und der Kontaktstelle und der aktuellen und/oder bevorstehenden Kontaktierung auf Basis dieser Abstands;
- Mittel zum Erfassen einer aktuellen Bewegung des Roboters, wobei der sich bewegende Roboter durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter in Abhängigkeit von dieser erfassten Bewegung, insbesondere in Abhängigkeit von einem Modell des Roboters, abgebremst wird;
- Mittel zum Bestimmen der Kontaktsteifigkeit in Abhängigkeit von einer Steifigkeit der Kontaktstelle und/oder des Roboters;
- Mittel zum Erfassen wenigstens einer Reaktionskraft zwischen dem Roboter und der Kontaktstelle und/oder deren Umgebung und Bestimmen der Kontaktsteifigkeit auf Basis dieser Reaktionskraft;
- Mittel zum Erfassen der Reaktionskraft und Bestimmen der Kontaktsteifigkeit auf Basis dieser Reaktionskraft, während der Roboter die Kontaktstelle bereits zum Aufprägen der Soll-Kraft durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter kontaktiert;
- Mittel zum ein- oder mehrfachen testweisen Kontaktieren der Kontaktstelle und/oder deren Umgebung durch den Roboter und Erfassen der Reaktionskraft dabei und Bestimmen der Kontaktsteifigkeit auf Basis dieser Reaktionskraft, bevor der Roboter die Kontaktstelle zum Aufprägen der Soll-Kraft durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter erneut kontaktiert; und/oder
- Mittel zum Bestimmen der Kontaktsteifigkeit in Abhängigkeit von einer Pose des Roboters.

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 kann.
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.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:

1: eine Anordnung mit einem Roboter und einer Steuerung zum Steuern des Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2: ein Aufprägen einer Reaktions- bzw. Soll-Kraft durch den Roboter; und
3: ein Verfahren zum Steuern des Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt eine Anordnung mit einem Roboter 1 und einer Steuerung 3 zum Steuern des Roboters 1 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, 3 ein Verfahren zum Steuern des Roboters 1 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, das durch die Steuerung 3 ausgeführt wird.
In einem Schritt S10 wird eine Soll-Kraft F_s vorgegeben, die der Roboter auf eine Kontaktstelle 2 aufprägen soll. Dies kann beispielsweise durch eine Benutzereingabe, ein Arbeitsprogramm bzw. Prozess des Roboters oder dergleichen vorgegeben werden bzw. sein. Insbesondere kann in einer Ausführung eine Soll-Kraft durch eine Stop-Bedingung in einem Arbeitsprogramm vorgegeben werden bzw. sein.
In einem Schritt S20, der gleichermaßen vor, parallel zu oder nach Schritt S10 durchgeführt werden kann, wird eine Kontaktsteifigkeit c an der Kontaktstelle 2 in Abhängigkeit von einer Steifigkeit der Kontaktstelle 2 und einer Steifigkeit des Roboters 1 bestimmt, die in 1 durch eine Federsteifigkeit c₁ des Roboters 1 und eine Federsteifigkeit c₂ der Kontaktstelle 2 angedeutet ist und sich im Ausführungsbeispiel vereinfacht durch $c = \frac{c_{1} \cdot c_{2}}{c_{1} + c_{2}}$
ergibt. An einer anderen Kontaktstelle 2' beträgt die Kontaktsteifigkeit beispielsweise $c' = \frac{c_{1} \cdot c'_{2}}{c_{1} + c'_{2}},$
wie in 1 durch eine entsprechende Federsteifigkeit c'₂ angedeutet.
Diese Bestimmung der Kontaktsteifigkeit c bzw. c' kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Kontaktstellen 2, 2' mit dem Roboter 1 testweise vorab angefahren werden und dieser mit einer vorgegebenen, insbesondere variierenden, Kraft in diese eindringt und dabei die (jeweilige) Eindringtiefe erfasst wird und/oder umgekehrt der Roboter 1 eine vorgegebene, insbesondere variierende, Eindringtiefe eindringt und dabei die (jeweilige) Reaktionskraft erfasst wird.
Die Kontaktsteifigkeit kann kontaktstellenspezifisch bestimmt werden, beispielsweise durch das vorstehend beschriebene testweise Eindringen an der Kontaktstelle 2 die Kontaktsteifigkeit $c = \frac{c_{1} \cdot c_{2}}{c_{1} + c_{2}}$
und an der Kontaktstelle 2' die Kontaktsteifigkeit $c' = \frac{c_{1} \cdot c'_{2}}{c_{1} + c'_{2}},$
wobei dann je nach aktueller Kontaktstelle die entsprechende Kontaktsteifigkeit ausgewählt oder zwischen mehreren Kontaktsteifigkeiten inter- oder extrapoliert wird. Gleichermaßen kann für die Kontaktstellen 2, 2' einheitlich eine gemittelte Kontaktsteifigkeit (c+c')/2 bestimmt werden. Es versteht sich, dass die zwei Kontaktstellen 2, 2' lediglich der vereinfachten Erläuterung dienen.
Gleichermaßen kann die Bestimmung der Kontaktsteifigkeit c auch online erfolgen, während der Roboter 1 die Kontaktstelle 2 anfährt, um bereits die Soll-Kraft F_s aufzuprägen, insbesondere am Anfang eines Eindringens durch Vergleich von Eindringtiefe und hierbei erfasster Reaktionskraft.
In einem Schritt S30 wird eine aktuelle oder bevorstehende Kontaktierung x_c der Kontaktstelle 2 durch den sich bewegenden Roboter 1 erfasst.
Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass mithilfe einer in Antrieben 5 integrierten Kraftsensorik und/oder einer Kraftsensorik 5' am Flansch des Roboters 1 eine Reaktionskraft zwischen der Kontaktstelle 2 und dem diese kontaktierenden Roboter 1 erfasst und die aktuelle Kontaktierung auf Basis dieser Reaktionskraft erfasst wird.
Gleichermaßen kann mithilfe einer robotergeführten Kamera 4, die in einer Abwandlung auch vom Roboter 1 beabstandet sein kann, ein Abstand zwischen dem Roboter 1 und der Kontaktstelle 2 erfasst und die aktuelle oder bevorstehende Kontaktierung x_c auf Basis dieser Abstands erfasst werden.
Auf Basis der in Schritt S10 vorgegebenen Soll-Kraft F_s, der in Schritt S20 bestimmten Kontaktsteifigkeit c und der in Schritt S30 erfassten Kontaktierung x_c ermittelt die Steuerung 3 in einem Schritt S40 eine Soll-Pose x_s des Roboters 1, in der dieser die Soll-Kraft F_s aufprägt.
Dies ist in 2 vereinfacht anhand eines linear angenommenen bzw. approximierten Modells veranschaulicht. Man erkennt, dass sich die Soll-Pose x_s im Ausführungsbeispiel durch $x_{s} = \frac{F_{s}}{c} - x_{c}$
ergibt.
In einem Schritt S50 bremst die Steuerung 3 den sich bewegenden Roboter 1 durch dessen Antriebe 5 so ab, dass er in der Soll-Pose x_s anhält und in dieser entsprechend dann die Soll-Kraft F_s auf die Kontaktstelle 2 aufprägt.
Dies kann insbesondere modellgestützt unter Berücksichtigung der Kontaktsteifigkeit c und Erfassung der Bewegung dx/dt, d²x/dt² des Roboters 1 erfolgen. Projiziert man vereinfacht Massen und Antriebskräfte des Roboters auf eine Masse m und eine Antriebskraft F_x in Richtung der in 1 eingezeichneten x-Achsenrichtung, ergibt ein Modell unter Vernachlässigung weiterer Kräfte wie Reibung, Schwerkraft etc.: $m \frac{d^{2} x}{d t^{2}} = {\begin{matrix} F_{x} & \Leftrightarrow x < x_{c} \\ F_{x} - c \cdot (x - x_{c}) & \Leftrightarrow x \geq x_{c} \end{matrix}$
Hieraus können mit der erfassten Geschwindigkeit bei Kontaktierung und dem geforderten Anhalten bei x_s die entsprechenden Antriebskräfte ermittelt und kommandiert werden.
Die Soll-Pose x_s muss jedoch nicht berechnet werden. In einer Abwandlung kann beispielsweise aus der Geschwindigkeit des Roboters 1 bzw. seines Kontaktbereichs bei Kontaktierung und der bestimmten Federsteifigkeit c ermittelt, insbesondere modellgestützt prognostiziert, werden, wann die Soll-Kraft F_s erreicht wird, und mit dem Abbremsen entsprechend früh(er) bzw. spät(er) begonnen und/oder entsprechend wenigstens phasenweise stärker bzw. schwächer gebremst werden.
Im Beispiel der Kontaktstelle 2 wird mit dem Abbremsen bei x_b begonnen, bevor die Soll-Kraft F_s bei x_s erreicht ist, aber erst nachdem der sich bewegende Roboter 1 die Kontaktstelle 2 kontaktiert.
Gleichermaßen kann, insbesondere bei hohen Kontaktsteifigkeiten wie durch c'₂ > c₂ exemplarisch angedeutet, das Abbremsen des sich bewegenden Roboters 1 durch dessen Antriebe 5 zum Aufprägen der Soll-Kraft F_s auf die Kontaktstelle 2' durch den angehaltenen Roboter bereits bei x'_b begonnen werden, noch bevor der sich bewegende Roboter bei x_c die Kontaktstelle 2' kontaktiert.
Dies verdeutlich auch, dass die Kontaktsteifigkeit auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der Pose des Roboters 1 ausgewählt oder zwischen mehreren Kontaktsteifigkeiten inter- oder extrapoliert werden kann. Je nach Pose des Roboters 1 kontaktiert er die Kontaktstelle 2 oder 2', so dass in Schritt S20 jeweils die hierfür bestimmte posenspezifische Kontaktsteifigkeit c bzw. c' ausgewählt werden kann. In einer anderen Pose kann aus diesen Kontaktsteifigkeiten c, c' inter- bzw. extrapoliert werden.
Bezugszeichenliste

1: Roboter
2,2': Kontaktstelle
3: Steuerung
4: Kamera
5: Antrieb mit Kraft- bzw. Momentensensor
5': Kraft- bzw. Momentensensor
c: Kontaktsteifigkeit
c₁: Steifigkeit des Roboters 1
c₂, c'₂: Steifigkeit der Kontaktstelle 2/2'
F_s: Soll-Kraft
x_c: Kontaktierung
x_s: Soll-Pose
x_b, x'_b: Abbremsbeginn

Claims

Verfahren zum Steuern eines Roboters (1), mit den Schritten: - Vorgeben (S10) einer Soll-Kraft (F_s) auf eine Kontaktstelle (2; 2'); - Bestimmen (S20) einer Kontaktsteifigkeit (c; c') an dieser Kontaktstelle; und - Abbremsen (S50) des sich bewegenden Roboters durch dessen Antriebe (5) und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter in Abhängigkeit von der bestimmten Kontaktsteifigkeit, wobei mit dem Abbremsen begonnen wird (x_b; x'_b), bevor die Soll-Kraft erreicht ist (x_s; x'_s).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt: - Erfassen (S30) einer aktuellen oder bevorstehenden Kontaktierung (x_c) der Kontaktstelle durch den sich bewegenden Roboter, wobei der sich bewegende Roboter durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter in Abhängigkeit von dieser erfassten Kontaktierung abgebremst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Abbremsen des sich bewegenden Roboters durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter gegebenenfalls bereits begonnen wird (x'_b), bevor der sich bewegende Roboter die Kontaktstelle kontaktiert (x_c).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Abbremsen des sich bewegenden Roboters durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter gegebenenfalls erst begonnen wird (x_b), nachdem der sich bewegende Roboter die Kontaktstelle kontaktiert (x_c).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reaktionskraft zwischen der Kontaktstelle und dem diese kontaktierenden Roboter erfasst und die aktuelle Kontaktierung auf Basis dieser Reaktionskraft erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen dem Roboter und der Kontaktstelle erfasst und die aktuelle und/oder bevorstehende Kontaktierung auf Basis dieses Abstands erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: - Erfassen einer aktuellen Bewegung des Roboters, wobei der sich bewegende Roboter durch dessen Antriebe und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter in Abhängigkeit von dieser erfassten Bewegung, insbesondere in Abhängigkeit von einem Modell des Roboters, abgebremst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktsteifigkeit in Abhängigkeit von einer Steifigkeit (c₂; c'₂) der Kontaktstelle und/oder einer Steifigkeit (c₁) des Roboters bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Reaktionskraft zwischen dem Roboter und der Kontaktstelle und/oder deren Umgebung erfasst und die Kontaktsteifigkeit auf Basis dieser Reaktionskraft bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskraft erfasst und die Kontaktsteifigkeit auf Basis dieser Reaktionskraft bestimmt wird, während der Roboter die Kontaktstelle bereits zum Aufprägen der Soll-Kraft durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter die Kontaktstelle und/oder deren Umgebung ein- oder mehrfach testweise kontaktiert und dabei die Reaktionskraft erfasst wird und die Kontaktsteifigkeit auf Basis dieser Reaktionskraft bestimmt wird, bevor der Roboter die Kontaktstelle zum Aufprägen der Soll-Kraft durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter erneut kontaktiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktsteifigkeit in Abhängigkeit von einer Pose des Roboters bestimmt wird.
Steuerung (3) zum Steuern eines Roboters (1), das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und aufweist: - Mittel zum Vorgeben einer Soll-Kraft (F_s) auf eine Kontaktstelle (2; 2'); - Mittel zum Bestimmen einer Kontaktsteifigkeit (c; c') an dieser Kontaktstelle; und - Mittel zum Abbremsen des sich bewegenden Roboters durch dessen Antriebe (5) und/oder Bremsen zum Aufprägen der Soll-Kraft auf die Kontaktstelle durch den anhaltenden und/oder angehaltenen Roboter in Abhängigkeit von der bestimmten Kontaktsteifigkeit, wobei mit dem Abbremsen begonnen wird (x_b; x'_b), bevor die Soll-Kraft erreicht ist (x_s; x'_s).
Anordnung mit einem Roboter (1) und einer Steuerung (3) zum Steuern des Roboters nach dem vorhergehenden Anspruch.
Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12.