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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Roboters, der eine Robotersteuerung und einen von der Robotersteuerung angesteuerten Roboterarm aufweist, der mehrere Glieder und die Glieder gegeneinander verstellbar verbindende Gelenke umfasst, wobei dem Roboterarm eine Kraftkompensationsvorrichtung zugeordnet ist, die eine mechanische Koppel umfasst, die an den Roboterarm angekoppelt ist, um eine von der Kraftkompensationsvorrichtung erzeugte Kompensationskraft in den Roboterarm einzuleiten.
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Aus der
EP 2 407 281 B1 ist ein roboterintegrierter Arbeitsplatz bekannt, aufweisend ein Hebezeug und einen von einer Robotersteuerung zu bewegenden Roboterarm, der einen Endeffektor aufweist, wobei das Hebezeug eine Einrichtung zum Ausgleichen von Gewichtskräften eines Bauteils, das von einem Halter des Hebezeugs tragbar ist, aufweist und des Weiteren aufweisend eine autonom fahrbare Plattform mit der Robotersteuerung, wobei der Endeffektor eingerichtet ist, das durch das Hebezeug getragene Bauteil zu bewegen.
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Aus der
DE 10 2015 206 121 B3 ist ein Verfahren zum Steuern von zumindest einem kraftgeregelten Manipulator unter Verwendung zumindest einer Kraftkompensationsvorrichtung bekannt, umfassend die Verfahrensschritte des Bestimmens des Betrages der von der Kraftkompensationsvorrichtung auf den Manipulator aufgebrachten Kompensationskraft; des kontinuierlichen Bestimmens der Richtung der von der Kraftkompensationsvorrichtung auf den Manipulator aufgebrachten Kompensationskraft; und des Steuerns des kraftgeregelten Manipulators unter Berücksichtigung des Betrags und der Richtung der von der Kraftkompensationsvorrichtung auf den Manipulator aufgebrachten Kompensationskraft unter Verwendung einer Manipulator-Steuerungsvorrichtung.
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Die
DE 10 2011 006 992 A1 beschreibt ein Verfahren und ein Handhabungssystem zum automatischen Bewegen eines schwerkraftkompensierten Lastkörpers, bei dem ein Roboter mit einer Schwerkraft-Kompensationsvorrichtung versehen ist. Ein ähnliches Handhabungssystem ist auch in
WO 2012/019324 A1 beschrieben.
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Die
US 2017/0348859 A1 und die
JP H05 - 340 107 A zeigen jeweils ein automatisches Handhabungssystem, bei dem Gegenstände von einem kranartigen Fördermittel angehoben werden und mittels eines Roboterarms die angehobenen Gegenstände bewegt bzw. verschoben werden können.
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Die
DE 10 2013 220 798 A1 beschreibt ein Verfahren zum Handhaben von Objekten mittels wenigstens zweier Industrieroboter, bei dem ein Manipulatorarm einen Greifer zum Erfassen eines Objektes aufweist und ein anderer Manipulatorarm ausgebildet ist, den einen Manipulatorarm an einem seiner Glieder zu fassen, so dass der andere Manipulatorarm das Objekt mitträgt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern eines Roboters, der eine Robotersteuerung und einen von der Robotersteuerung angesteuerten Roboterarm aufweist, der mehrere Glieder und die Glieder gegeneinander verstellbar verbindende Gelenke umfasst, wobei dem Roboterarm eine Kraftkompensationsvorrichtung zugeordnet ist, die eine mechanische Koppel umfasst, die an den Roboterarm angekoppelt ist, um eine von der Kraftkompensationsvorrichtung erzeugte Kompensationskraft in den Roboterarm einzuleiten, zu schaffen, bei dem der Roboterarm kraftgeregelt angesteuert werden kann, derart, dass von der Kompensationskraft einer jeweils dem Roboterarm zugeordneten Kraftkompensationsvorrichtung verschiedene, von außen auf den Roboterarm aufgebrachte externe Kräfte unabhängig von der jeweils dem Roboterarm zugeordneten Kraftkompensationsvorrichtung zuverlässig auch ohne externe Sensoren bestimmt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Steuern eines Roboters, der eine Robotersteuerung und einen von der Robotersteuerung angesteuerten Roboterarm aufweist, der mehrere Glieder und die Glieder gegeneinander verstellbar verbindende Gelenke umfasst, wobei dem Roboterarm eine Kraftkompensationsvorrichtung zugeordnet ist, die eine mechanische Koppel umfasst, die an den Roboterarm angekoppelt ist, um eine von der Kraftkompensationsvorrichtung erzeugte Kompensationskraft in den Roboterarm einzuleiten, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines mathematischen Modells der Kraftkompensationsvorrichtung, derart, dass mittels des mathematischen Modells in Abhängigkeit einer jeweiligen vorgegebenen Position und Orientierung eines Werkzeugbezugspunktes des Roboterarms eine dieser jeweiligen Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes zugeordnete Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung in ihrem Betrag und ihrer Richtung automatisch bestimmt werden kann,
- - kraftgeregeltes Ansteuern des Roboterarms mittels der Robotersteuerung derart, dass in der jeweils momentanen Pose des Roboterarms die Positionswerte und Orientierungswerte des Werkzeugbezugspunktes bestimmt werden und auf Grundlage dieser Positionswerte und Orientierungswerte die momentane auf den Roboterarm einwirkende Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung in ihrem Betrag und ihrer Richtung durch das mathematische Modell rechnerisch bestimmt wird und die so bestimmte Kompensationskraft bei dem weiteren kraftgeregelten Ansteuern des Roboterarms berücksichtigt wird, wobei das mathematische Modell der Kraftkompensationsvorrichtung vorab in einer Einmess-Sequenz automatisch erstellt wird, in welcher Einmess-Sequenz der Roboterarm mittels der Robotersteuerung in mehrere verschiedene Posen des Roboterarms bewegt wird und in jeder dieser Posen sowohl die Positionswerte und Orientierungswerte eines Werkzeugbezugspunktes des Roboterarm erfasst und gespeichert werden, als auch die jeweils zugeordneten Kompensationskräfte gemessen und gespeichert werden, und wobei während des kraftgeregelten Ansteuerns des Roboterarms eine Berücksichtigung der durch das erstellte mathematische Modell rechnerisch bestimmten Kompensationskraft derart erfolgt, dass während des kraftgeregelten Ansteuerns des Roboterarms mittels der Robotersteuerung die in den Gelenken des Roboterarms wirkenden Gelenkmomente von der Robotersteuerung erfasst werden, und aus diesen erfassten Gelenkmomenten und den auf die Gelenke aufgebrachten Antriebsmomenten die resultierenden externen Gesamtkräfte, die auf die Glieder des Roboterarms von außen einwirken, berechnet werden und die durch das mathematische Modell rechnerisch bestimmte Kompensationskraft von den berechneten Gesamtkräften abgezogen wird, um die verbleibenden externen Restkräfte zu erhalten.
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Roboterarme mit zugehörigen Robotersteuerungen, insbesondere Industrieroboter sind Arbeitsmaschinen, die zur automatischen Handhabung und/oder Bearbeitung von Objekten mit Werkzeugen ausgerüstet werden können und in mehreren Bewegungsachsen beispielsweise hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeitsablauf programmierbar sind. Industrieroboter weisen üblicherweise einen Roboterarm mit mehreren Gliedern auf, die über Gelenke gegeneinander beweglich verbunden sind und sie weisen programmierbare Robotersteuerungen auf, die während des Betriebs die Bewegungsabläufe des Roboterarms automatisch gemäß eines Roboterprogramms oder in einem Handfahrbetrieb manuell geführt, beispielsweise mittels eines Roboterbedienhandgeräts oder durch manuell angefasstes Bewegen der Glieder des Roboterarms steuern bzw. regeln. Die Glieder werden über Antriebe, insbesondere elektrische Motoren, die von der Robotersteuerung bzw. dem Roboterbedienhandgeräts angesteuert werden, bezüglich der Bewegungsachsen des Roboterarms, welche die Bewegungsfreiheitsgrade der Gelenke repräsentieren, bewegt.
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Roboterarme können beispielsweise ein Gestell und ein relativ zum Gestell mittels eines Gelenks drehbar gelagertes Karussell umfassen, an dem eine Schwinge mittels eines anderen Gelenks schwenkbar gelagert ist. An der Schwinge kann dabei ihrerseits ein Armausleger mittels eines weiteren Gelenks schwenkbar gelagert sein. Der Armausleger trägt dabei eine Roboterhand, wobei insoweit der Armausleger und/oder die Roboterhand mehrere weitere Gelenke aufweisen können. Ein mehrere über Gelenke verbundene Glieder aufweisender Roboterarm kann als ein Knickarmroboter mit mehreren seriell nacheinander angeordneten Gliedern und Gelenken konfiguriert sein, insbesondere kann der Roboterarm als ein Sechsachs-Knickarmroboter ausgebildet sein.
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Roboterarme können aber insbesondere auch so genannte Leichtbauroboter sein, die sich zunächst von üblichen Industrierobotern dadurch unterscheiden, dass sie eine für die Mensch-Maschine-Kooperation günstige Baugröße aufweisen und dabei eine zu ihrem Eigengewicht relativ hohe Tragfähigkeit aufweisen. Daneben können Leichtbauroboter, wie andere Industrieroboter auch, insbesondere kraft- und/oder momentgeregelt, beispielsweise in einer Nachgiebigkeitsregelung oder Steifigkeitsregelung betrieben werden, statt positionsgeregelt betrieben werden, was beispielsweise ein manuelles Verstellen der Pose des Roboterarmes vereinfacht. Außerdem kann dadurch eine sichere Mensch-Maschine-Kooperation erreicht werden, da beispielsweise unbeabsichtigte Kollisionen des Roboterarms mit Personen entweder verhindert oder zumindest derart abgeschwächt werden können, so dass den Personen kein Schaden entsteht. Ein solcher Roboterarm bzw. ein solcher Leichtbauroboter kann mehr als sechs Freiheitsgrade aufweisen, so dass insoweit ein überbestimmtes System geschaffen wird, wodurch derselbe Punkt im Raum in gleicher Orientierung in mehreren verschiedenen Posen des Roboterarms erreicht werden kann. Der Leichtbauroboter kann auf externe Krafteinwirkungen in geeigneten Weisen reagieren. Zur Kraftmessung können innerhalb des Roboterarms angeordnete, insbesondere an dessen Gelenken angeordnete interne Kraftsensoren oder Momentsensoren verwendet werden, die in allen drei Raumrichtungen Kräfte und Drehmomente je Gelenk erfassen, insbesondere messen können. Alternativ oder ergänzend können externe Kräfte auch ohne spezielle Sensoren, beispielsweise anhand der gemessenen Motorströme der Antriebe an den Gelenken des Leichtbauroboters bestimmt werden. Als Regelungskonzepte kann beispielsweise eine indirekte Kraftregelung durch Modellierung des Leichtbauroboters als mechanischer Widerstand (Impedanz) oder eine direkte Kraftregelung verwendet werden.
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Unter einem manuellen Berühren und/oder Bewegen des Roboterarms wird insbesondere verstanden, dass die momentanen Gelenksstellungen des Roboterarms dadurch verändert werden, dass ein Bediener den Roboterarm an einem oder mehreren seiner Glieder anfasst und beispielsweise durch Drücken, Ziehen und/oder Drehen des gegriffenen Gliedes oder der gegriffenen Glieder die Pose des Roboterarms verändert, d.h. verstellt. Eine Person kann also eine externe Führungskraft in die mechanisch Struktur des Roboterarms eingeleitet.
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Unter einer Pose des Roboterarms wird ganz allgemein die Summe aller Gelenkstellungen von Gelenken des Roboterarms verstanden, welche die einzelnen Glieder des Roboterarms verstellbar verbinden. Im engeren Sinne kann bei einem eindeutig bestimmten System unter Pose beispielsweise auch schon die Position und die Orientierung eines Bezugspunktes, wie beispielsweise eines Werkzeugbezugspunktes (Tool-Center-Points / TCP) des Roboterarms verstanden werden. Der Werkzeugbezugspunkt kann beispielsweise durch einen geeigneten Punkt an einem Handflansch des Roboterarms gebildet werden, an dem ein Greifer, ein Werkzeug oder eine sonstige Vorrichtung befestigt ist, um diese durch Verstellen der Pose des Roboterarms im Raum bewegen zu können. Ganz allgemein kann der Werkzeugbezugspunkt ein virtueller Raumpunkt auch außerhalb des Roboterarms sein, der jedoch geometrisch starr mit einem der Glieder des Roboterarms, insbesondere dem Handflansch des Roboterarms verbunden ist.
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Das Bereitstellen des mathematischen Modells der Kraftkompensationsvorrichtung, kann derart erfolgen, dass mittels des mathematischen Modells in Abhängigkeit einer jeweiligen vorgegebenen kartesischen Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes des Roboterarms eine dieser jeweiligen kartesischen Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes zugeordnete Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung in ihrem Betrag und ihrer Richtung automatisch bestimmt wird.
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Alternativ kann beispielsweise das Bereitstellen des mathematischen Modells der Kraftkompensationsvorrichtung, derart erfolgen, dass mittels des mathematischen Modells in Abhängigkeit einer jeweiligen vorgegebenen Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes im Achsraum des Roboterarms, d.h. die Position und die Orientierung des Werkzeugbezugspunktes ist durch die Achswinkel-Stellungswerte der Gelenke des Roboterarms bestimmt, eine dieser jeweiligen im Achsraum bestimmten Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes zugeordnete Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung in ihrem Betrag und ihrer Richtung automatisch bestimmt wird. In diesem Fall kann dann eine Umrechnung der Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes im Achsraum in eine kartesische Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes des Roboterarms erfolgen.
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Die Kraftkompensationsvorrichtung kann ausgebildet sein, einen Teil des Eigengewichts des Roboterarms, einen Teil des Eigengewichts einer vom Roboterarm geführten Energiezuführungsleitung und/oder einen Teil oder das Ganze des Eigengewichts eines Werkzeugs, das vom Roboterarm gehalten wird, zu tragen. Die Kraftkompensationsvorrichtung kann aber auch ausgebildet sein, andere Kräfte als Gewichtskräfte, z.B. dynamische Kräfte aus der Bewegung des Roboterarms, zu kompensieren d.h. zu tragen.
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Die mechanische Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung kann über ein Koppelgelenk mit wenigstens einem, insbesondere drei Freiheitsgraden beispielsweise an einen Endeffektor-Flansch des Roboterarms angekoppelt sein. Ein solches Anschlussglied der mechanischen Koppel stellt ein Mittel zum Verbinden der Kraftkompensationsvorrichtung mit dem Endeffektor-Flansch des Roboterarms dar.
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Die mechanische Koppel ist vorzugsweise an den Endeffektor-Flansch des Roboterarms angekoppelt. Die mechanische Koppel kann jedoch auch an ein anderes Glied des Roboterarms angekoppelt sein. Insoweit bildet der Endeffektor-Flansch ein spezielles Glied des Roboterarms, nämlich das distale Endglied des Roboterarms.
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Ist die Kraftkompensationsvorrichtung an ein anderes Glied des Roboterarms angekoppelt, so ist sicherzustellen, dass zwischen dem Anschlussglied der Kraftkompensationsvorrichtung und dem Endeffektor kein weiteres Gelenk des Roboterarms liegt, das die Positionen und Orientierungen des Werkzeugbezugspunktes beeinflusst. Im einfachsten Falle ist die Kraftkompensationsvorrichtung jedoch unmittelbar an den Endeffektor-Flansch des Roboterarms angekoppelt, an dem der Endeffektor unmittelbar angeflanscht ist, so dass keine Gelenke des Roboterarms dazwischen liegen.
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In allen Ausführungsformen kann die Kraftkompensationsvorrichtung allein aufgrund einer Bewegung des Roboterarms passiv, insbesondere eigenantriebslos mitbewegt werden. Die Kraftkompensationsvorrichtung muss somit nicht über eigene Antriebe verfügen, sondern kann als eine überwiegend oder ausschließlich mechanisch federnde Gelenkanordnung ausgebildet sein.
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In einer beispielhaften Ausführung kann die Kraftkompensationsvorrichtung von einem mechanischen Ausleger mit beispielsweise zwei Freiheitsgraden gebildet werden, dessen Auslegerende beispielsweise innerhalb einer horizontalen Ebene frei verstellt werden kann. Die Kraftkompensationsvorrichtung kann generell ein Zugseil aufweisen, welches von einem Auslegerende des mechanischen Auslegers nach unten abläuft. Das angekoppelte Glied des Roboterarms wird insoweit durch das Zugseil getragen. Das Zugseil kann an eine Vorrichtung angeschlossen sein, welches eine Zugkraft auf das Zugseil ausübt, welche beispielsweise annähernd der Schwerkraft des Glieds des Roboterarms oder dem Teil der Energiezuführungsleitung, die von der Kraftkompensationsvorrichtung gehalten wird, entsprechen kann.
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Indem erfindungsgemäß ein mathematisches Modell der Kraftkompensationsvorrichtung bereitgestellt wird, derart, dass mittels des mathematischen Modells in Abhängigkeit einer jeweiligen vorgegebenen Position und Orientierung eines Werkzeugbezugspunktes des Roboterarms eine dieser jeweiligen Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes zugeordnete Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung in ihrem Betrag und ihrer Richtung automatisch bestimmt werden kann, und erfindungsgemäß ein kraftgeregeltes Ansteuern des Roboterarms mittels der Robotersteuerung erfolgt, derart, dass in der jeweils momentanen Pose des Roboterarms die Positionswerte und Orientierungswerte des Werkzeugbezugspunktes bestimmt werden und auf Grundlage dieser Positionswerte und Orientierungswerte die momentane auf den Roboterarm einwirkende Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung in ihrem Betrag und ihrer Richtung durch das mathematische Modell rechnerisch bestimmt wird und die so bestimmte Kompensationskraft bei dem weiteren kraftgeregelten Ansteuern des Roboterarms berücksichtigt wird, können von der Kompensationskraft einer jeweils dem Roboterarm zugeordneten Kraftkompensationsvorrichtung verschiedene, von außen auf den Roboterarm aufgebrachte externe Kräfte unabhängig von der jeweils dem Roboterarm zugeordneten Kraftkompensationsvorrichtung zuverlässig bestimmt werden
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Die von der Kompensationskraft verschiedenen, von außen auf den Roboterarm aufgebrachten externen Kräfte können insbesondere Kräfte sein, die eine Person manuell auf die Glieder des Roboterarms aufbringt, um in der kraftgeregelten Ansteuerung des Roboterarms dessen Pose manuell, beispielsweise durch Drücken, Ziehen und/oder Drehen verstellen zu können. Die von der Kompensationskraft verschiedenen, von außen auf den Roboterarm aufgebrachten externen Kräfte können aber auch Kollisionskräfte sein, die auf die Glieder des Roboterarms einwirken, wenn der Roboterarm mit anderen Gegenständen oder mit Personen in seinem Umfeld während seiner Bewegung kollidiert. Darüber hinaus können von der Kompensationskraft verschiedene, von außen auf den Roboterarm aufgebrachte externe Kräfte auch Prozesskräfte sein, die beispielsweise durch ein Einwirken eines vom Roboterarm gehandhabten Werkzeugs auf ein Werkstück auftreten können.
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An und für sich können die internen Kraftsensoren oder Momentsensoren in den Gelenken des Roboterarms alleine all diese möglichen, verschiedenen externen Kräfte, die auf die Glieder des Roboterarms einwirken, nicht voneinander unterscheiden. Insbesondere können die von einer Kraftkompensationsvorrichtung in den Roboterarm eingeleiteten Kräfte nicht ohne weiteres von anderen externen Kräften unterschieden werden. Um ein zuverlässiges und genaues kraftgeregeltes Ansteuern des Roboterarms erreichen zu können, sollte die Kraftregelung jedoch nicht von den Kompensationskräften der Kraftkompensationsvorrichtung beeinflusst werden.
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Es besteht zwar die grundsätzliche Möglichkeit die von der Kraftkompensationsvorrichtung auf den Roboterarm momentan einwirkende Kompensationskraft durch separate externe Sensoren an der Kraftkompensationsvorrichtung zu messen, dies bedingt jedoch nicht nur, dass solche externe Sensoren an der Kraftkompensationsvorrichtung vorhanden sein müssen, sondern bedingt auch, dass diese externen Sensoren mit der Robotersteuerung verbunden sein und steuerungstechnisch konfiguriert sein müssen, damit die Robotersteuerung für das kraftgeregelte Ansteuern des Roboterarms die Messwerte der externen Sensoren verwenden kann. Werden verschiedene Arten von Kraftkompensationsvorrichtungen verwendet, müsste die Robotersteuerung auf unterschiedliche Arten von externen Sensoren abgestimmt werden. Mit der erfindungsgemäßen Lösung können unterschiedlichste Arten von Kraftkompensationsvorrichtungen verwendet werden, ohne dass man auf eine Auswertung von externen Sensoren angewiesen wäre. Bestimmte benötigte Parameter der jeweiligen im Einzelfall tatsächlich dem Roboter zugeordneten Kraftkompensationsvorrichtung können erfindungsgemäß in einer automatisch durchführbaren Einmess-Sequenz automatisch bestimmt werden, ohne das externe Sensoren der Kraftkompensationsvorrichtung benötigt werden. Auch können die erfindungsgemäß bereitgestellten mathematischen Modelle der Kraftkompensationsvorrichtungen in Rahmen einer Offline-Programmierung verwendet werden, was bei einer Bestimmung der Kompensationskräfte mittels externer Sensoren von Kraftkompensationsvorrichtungen nicht möglich ist, da solche externen Sensoren im Allgemeinen nicht simuliert werden können. Des Weiteren kann durch eine Verwendung eines bereitgestellten mathematischen Modells der Kraftkompensationsvorrichtung in der Simulation (Offline-Programmierung) der Krafteinfluss der Kraftkompensationsvorrichtung auf den Roboterarm bei unterschiedlichen Posen des Roboterarms und/oder bei unterschiedlichen dynamischen Verhalten des Roboterarms bei seiner Bewegung offline d.h. bereits in der Simulation untersucht werden.
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In einer speziellen Ausführungsform des Verfahren kann eine Berücksichtigung der durch das erstellte mathematische Modell rechnerisch bestimmten Kompensationskraft derart erfolgen, dass während des kraftgeregelten Ansteuerns des Roboterarms mittels der Robotersteuerung die in den Gelenken des Roboterarms wirkenden Gelenkmomente von der Robotersteuerung erfasst werden, und aus diesen erfassten Gelenkmomenten und den auf die Gelenke aufgebrachten Antriebsmomenten die resultierenden externen Gesamtkräfte, die auf die Glieder des Roboterarms von außen einwirken, berechnet werden und die durch das mathematische Modell rechnerisch bestimmte Kompensationskraft von den berechneten Gesamtkräften abgezogen wird, um die verbleibenden externen Restkräfte zu erhalten.
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Die rechnerisch verbleibenden externen Restkräfte werden dann zum kraftgeregelten Ansteuern des Roboterarms verwendet. Ein kraftgeregeltes Ansteuern des Roboterarms kann insoweit auch als ein momentgeregeltes Ansteuern des Roboterarms verstanden werden, da ggf. gemessen Momente an den Gelenken des Roboterarms bei eindeutig bestimmten geometrischen Verhältnissen am Roboterarm insoweit allein von den auftretenden Kräften bestimmt sind.
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Ein kraftgeregeltes Ansteuern des Roboterarms kann beispielsweise in einer Nachgiebigkeitsregelung oder in einer Steifigkeitsregelung erfolgen.
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Das Verfahren kann insbesondere in Abhängigkeit der verbleibenden externen Restkräfte der Roboterarm von der Robotersteuerung in einer Nachgiebigkeitsregelung betrieben werden.
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Eine Nachgiebigkeitsregelung des Roboters kann insbesondere mittels einer Impedanzregelung oder einer Admittanzregelung erreicht werden.
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Eine Admittanzregelung basiert auf einer vorhandenen Positionsregelung des Roboters auf Gelenkebene. Hier müssen die von außen auf den Roboterarm einwirkenden verallgemeinerten Kräften gemessen werden. Ausgehend von diesen Kräften wird eine, dem gewünschten dynamischen Verhalten entsprechende, Bewegung des Roboterarms bestimmt, die über eine inverse Kinematik und die unterlagerte Positionsregelung an die Gelenkantriebe des Roboterarms kommandiert werden.
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Eine Impedanzregelung basiert im Gegensatz zur Admittanzregelung auf einer vorhandenen Drehmomentregelung auf Gelenkebene. Es werden die Abweichung der tatsächlichen Lage von einer definierten Soll-Lage gemessen und entsprechend des gewünschten dynamischen Verhaltens eine gewünschte verallgemeinerte Kraft, bzw. Kräfte und Momente, bestimmt. Diese Kraft kann über die bekannte Kinematik des Roboterarms auf entsprechende Gelenkdrehmomente abgebildet werden. Die Drehmomente können schließlich über die unterlagerte Drehmomentregelung eingestellt werden.
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Die Erzielung eines gewünschten kartesischen Verhaltens kann basierend auf einer unterlagerten Positions-, Drehmomenten- oder Gelenk-Impedanzregelung erfolgen. Die Realisierung dieser Regelungen können durch die Integration von Momentsensoren in die Gelenke des Roboterarms erreicht werden. Die Sensoren erfassen dabei das am jeweils zugeordneten Abtrieb des jeweiligen Getriebes des betreffenden Gelenks wirkende eindimensionale Drehmoment. Diese Größe kann für die Regelung als Messgröße herangezogen werden und ermöglicht somit die Berücksichtigung der Elastizität der Gelenke im Rahmen der Regelung. Insbesondere werden durch die internen Drehmomentsensoren je Gelenk, im Gegensatz zur Verwendung eines einzigen externen Momentsensors am Endeffektor, auch diejenigen Kräfte gemessen, die nicht nur auf den Endeffektor, sondern auch auf die einzelnen Glieder des Roboterarms und/oder auf ein von dem Roboterarm gehaltenes Werkzeug oder Werkstück ausgeübt werden.
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Bei den erfindungsgemäßen Verfahren kann das erstellte mathematische Modell der Kraftkompensationsvorrichtung ausgebildet sein, zum rechnerischen Bestimmten der Kompensationskraft während des kraftgeregelten Ansteuerns des Roboterarms unabhängig von Messwerten interner oder externer Kraft- und/oder Momentsensoren des Roboterarms.
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Dies bedeutet, dass das mathematische Modell aufgrund von Positionswerten und Orientierungswerten des Werkzeugbezugspunktes des Roboterarms ohne Nutzung von Werten von externen Kraft- und/oder Momentsensoren und ohne Nutzung von Werten von internen Kraft- und/oder Momentsensoren des Roboterarms die in der jeweiligen Pose des Roboterarms auf den Roboterarm einwirkende Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung bestimmen kann.
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Bei dem Verfahren kann das mathematische Modell der Kraftkompensationsvorrichtung ausgebildet sein, die Kompensationskraft rechnerisch zu bestimmen unter Berücksichtigung wenigstens eines Parameters, insbesondere eines von der Art der Kraftkompensationsvorrichtung abhängigen Parameters, aus der Gruppe von Parametern umfassend die Federkonstante eines Federzugs der Kraftkompensationsvorrichtung, die Vorspannkraft des Federzugs der Kraftkompensationsvorrichtung in Zugrichtung, die Masse der mechanischen Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung, und den Aufhängungspunkt der Kraftkompensationsvorrichtung im Raum. Wird eine andere Kraftkompensationsvorrichtung verwendet, so kann sich beispielsweise der Parameter der Vorspannkraft des Federzugs ändern. Bei einem Gewichtsausgleich kann eine konstante Kraft erhalten werden.
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Der Federzug der Kraftkompensationsvorrichtung kann ein lineares Federverhalten aufweisen, d.h. die resultierende Federkraft der Kraftkompensationsvorrichtung kann in einer linearen Abhängigkeit direkt von dem Auszugsweg des Federzugs abhängen. In einer speziellen Ausführungsform der Kraftkompensationsvorrichtung kann die Federkraft auch stets konstant sein, d.h. von dem Auszugsweg des Federzugs unabhängig sein. Die Wirkung der Kraftkompensationsvorrichtung auf den Roboterarm würde sich in diesem letzteren Falle nur durch die jeweilige Richtung unterscheiden, in der die Federkraft auf den Roboterarm einwirkt, je nachdem, in welcher Pose sich der Roboterarm befindet, d.h. welche Positionswerte und Orientierungswerte der Werkzeugbezugspunkt des Roboterarms gerade aufweist.
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Das mathematische Modell der Kraftkompensationsvorrichtung kann in einer Einmess-Sequenz automatisch erstellt werden, in welcher Einmess-Sequenz der Roboterarm mittels der Robotersteuerung bewegt wird und wenigstens ein Parameter, insbesondere eines von der Art der Kraftkompensationsvorrichtung abhängigen Parameters, aus der Gruppe von Parametern umfassend die Federkonstante eines Federzugs der Kraftkompensationsvorrichtung, die Vorspannkraft des Federzugs der Kraftkompensationsvorrichtung in Zugrichtung, die Masse der mechanischen Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung, und den Aufhängungspunkt der Kraftkompensationsvorrichtung im Raum automatisch erfasst wird.
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Während einer solchen Einmess-Sequenz kann sichergestellt werden, dass außer den Kompensationskräften der Kraftkompensationsvorrichtung keine sonstigen externen Kräfte auf den Roboterarm einwirken. Werden in einem solchen Falle von den internen Kraft- und/oder Momentsensoren des Roboterarms während eines kraftgeregelten Ansteuerns des Roboterarms mittels der Robotersteuerung die in den Gelenken des Roboterarms wirkenden Gelenkmomente von der Robotersteuerung erfasst, und aus diesen erfassten Gelenkmomenten die auf die Gelenke aufgebrachten Antriebsmomente abgezogen, dann können die resultierenden externen Gesamtkräfte, die auf die Glieder des Roboterarms von außen einwirken, bestimmt werden und diese resultierenden externen Gesamtkräfte unmittelbar als die Kompensationskräfte der Kraftkompensationsvorrichtung identifiziert werden.
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Erfindungsgemäß wird das mathematische Modell der Kraftkompensationsvorrichtung in einer Einmess-Sequenz automatisch erstellt, in welcher Einmess-Sequenz der Roboterarm mittels der Robotersteuerung in mehrere verschiedene Posen des Roboterarms bewegt wird und in jeder dieser Posen sowohl die insbesondere kartesischen Positionswerte und Orientierungswerte eines Werkzeugbezugspunktes des Roboterarm erfasst und gespeichert werden, als auch die jeweils zugeordneten Kompensationskräfte gemessen und gespeichert werden.
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Bei diesem alternativen Verfahren sind dann jedoch externe Kraft- und/oder Momentsensoren erforderlich, um die jeweilige Kompensationskraft in den jeweiligen Positionen und Orientierungen des Werkzeugbezugspunktes des Roboterarms messen zu können. Das mathematische Modell muss dann aber nicht einen aufwändigen Algorithmus umfassen, sondern kann bereits durch eine einfache Tabelle gebildet werden, in der für bestimmte Positionen und Orientierungen des Werkzeugbezugspunktes die zugeordneten Kompensationskräfte gespeichert sind. Zu evtl. zwischen zwei gespeicherten Positionen und Orientierungen des Werkzeugbezugspunktes liegende Positionswerte und Orientierungswerte kann dann beispielsweise ein zugeordneter, nicht gespeicherter Kompensationskraftwert durch Interpolation errechnet werden.
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Die mechanische Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung kann in einer ersten Ausführungsform ein Zugseil umfassen, das einerseits mit seinem freien Ende an einem ortsfesten Aufhängungspunkt befestigt ist und andererseits die Kraftkompensationsvorrichtung an ein Glied des Roboterarms mechanisch angekoppelt ist, an der das Zugseil ausziehbar gelagert ist.
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In einer zweiten Ausführungsform kann die mechanische Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung ein Zugseil umfassen, das einerseits an einem Aufhängungspunkt der Kraftkompensationsvorrichtung gelagert ist und andererseits mit seinem freien Ende an ein Glied des Roboterarms mechanisch angekoppelt ist.
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Das freie Ende des Zugseils kann unmittelbar an einem Glied des Roboterarms befestigt sein. Alternativ kann das Zugseil auch direkt an einem vom Roboterarm geführten Werkzeug befestigt sein.
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Alternativ kann das freie Ende des Zugseils an einer Energiezuführungsleitung befestigt sein, die von dem Roboterarm geführt wird.
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Greift die Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung nicht unmittelbar an einem Glied des Roboterarms an, sondern nur mittelbar dadurch, dass die Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung an einer Energiezuführungsleitung des Roboterarms angreift, wobei diese Energiezuführungsleitung mit einem Glied des Roboterarms verbunden ist, dann können diejenigen externen Kräfte und Momente bestimmt werden, welche die Energiezuführungsleitung in den Roboterarm einleitet. Insoweit können die durch die Energiezuführungsleitung verursachten Kräfte und Momente bestimmt werden. In Folge einer solchen Bestimmung von externen Kräften und Momenten, welche die Energiezuführungsleitung in den Roboterarm einleitet, können dann auch diese Kräfte und Momente ggf. kompensiert werden.
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Die Energiezuführungsleitung kann ein Leitungsstrang des Roboters sein, welcher beispielsweise Versorgungsleitungen umfassen kann, die zur Versorgung des Roboterarms selbst oder des vom Roboterarm getragenen Werkzeugs, beispielsweise mit elektrischer Energie, Hydraulikfluid, Öl, Wasser und/oder Druckluft dient. Die Energiezuführungsleitung kann aber beispielsweise auch eine hohle Leitung umfassen, aus der beispielsweise ein Schweißdraht einer Schutzgasschweißpistole herausgefördert wird.
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Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieser exemplarischen Ausführungsbeispiele können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder auch in anderen Kombinationen der Merkmale betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
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Die Figuren zeigen:
- 1 eine Darstellung eines beispielhaften Roboterarbeitsplatzes mit einem Roboter, dem eine Kraftkompensationsvorrichtung zugeordnet ist, die an einer Energiezuführungsleitung des Roboterarms angreift,
- 2 eine Darstellung eines beispielhaften Roboterarbeitsplatzes mit einem Roboter, dem eine Kraftkompensationsvorrichtung zugeordnet ist, die unmittelbar an einem Glied des Roboterarms angreift, und
- 3 eine schematische Darstellung der Robotersteuerung für den Roboterarm, die ein erfindungsgemäßes mathematisches Modell der Kraftkompensationsvorrichtung beinhaltet.
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Die 1 und die 2 zeigen jeweils einen Roboterarbeitsplatz mit einem Roboter 1 in einer beispielhaften Ausführung als ein so genannter Leichtbauroboter, der einen Roboterarm 2 und eine Robotersteuerung 3 aufweist. Der Roboterarm 2 umfasst im Falle der vorliegenden Ausführungsbeispiele jeweils mehrere, nacheinander angeordnete und mittels Gelenke 4 drehbar miteinander verbundene Glieder 5 bis 12.
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Die Robotersteuerung 3 des Roboters 1 ist ausgebildet bzw. eingerichtet, ein Roboterprogramm auszuführen, durch welches die Gelenke 4 des Roboterarms 2 gemäß des Roboterprogramms automatisiert oder in einem Handfahrbetrieb automatisch verstellt bzw. drehbewegt werden können. Dazu ist die Robotersteuerung 3 mit ansteuerbaren elektrischen Motoren 13.1 bis 13.7 (3) verbunden, die ausgebildet sind, die Gelenke 4 des Roboterarms 2 zu verstellen.
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Der jeweilige Arbeitsplatz umfasst neben dem Roboter 1 eine dem Roboterarm 2 zugeordnete Kraftkompensationsvorrichtung 14. In den beispielhaften Ausführungen der 1 und 2 weist die jeweilige Kraftkompensationsvorrichtung 14 einen mechanischen Ausleger 15 mit beispielsweise zwei Freiheitsgraden auf. Ein Auslegerende 16 des mechanischen Auslegers 15 kann beispielsweise innerhalb einer horizontalen Ebene frei verstellt werden. Die Kraftkompensationsvorrichtung 14 kann generell eine Koppel 17, insbesondere ein Zugseil 17.1 aufweisen, welches von dem Ausleger 15 nach unten abläuft. Das Zugseil 17.1 ist dabei an eine Zugvorrichtung 18 angeschlossen, welche eine Zugkraft auf das Zugseil 17.1 ausübt, die beispielsweise annähernd der Schwerkraft der getragenen Glieder 5 bis 12 des Roboterarms 2 oder dem Teil einer Energiezuführungsleitung 19, die von der Kraftkompensationsvorrichtung 14 gehalten wird, entsprechen kann. Das je nach Ausführungsbeispiel angekoppelte Glied 5 bis 12 oder Energiezuführungsleitung 19 wird insoweit durch das Zugseil 17.1 getragen.
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Im Falle der ersten Ausführungsform gemäß 1 ist die mechanische Koppel 17 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 ein Zugseil 17.1 das einerseits an einem Aufhängungspunkt 20 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 ausziehbar gelagert ist und andererseits mit seinem freien Ende an einer Energiezuführungsleitung 19 befestigt ist, die von dem Roboterarm 2 geführt wird.
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Im Falle der zweiten Ausführungsform gemäß 2 ist die mechanische Koppel 17 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 ein Zugseil 17.1, das einerseits an einem Aufhängungspunkt 20 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 gelagert ist und andererseits mit seinem freien Ende direkt an ein Glied 12 des Roboterarms 2 mechanisch angekoppelt ist.
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Die Robotersteuerung 3 ist ausgebildet und/oder eingerichtet, eines oder mehrere der erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen.
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Eine beispielhafte Implementation eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern eines Roboters 1 ist in 3 schematisch veranschaulicht und weist die folgenden Schritte auf.
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Zunächst wird in der Robotersteuerung 3 ein mathematisches Modell 21 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 bereitgestellt, derart, dass mittels des mathematischen Modells 21 in Abhängigkeit einer jeweiligen vorgegebenen kartesischen Position und Orientierung eines Werkzeugbezugspunktes (TCP) 22 des Roboterarms 2 eine dieser jeweiligen kartesischen Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes 22 zugeordnete Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung 14 in ihrem Betrag und ihrer Richtung automatisch bestimmt werden kann.
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Es erfolgt ein kraftgeregeltes Ansteuern des Roboterarms 2 mittels der Robotersteuerung 3 derart, dass in der jeweils momentanen Pose des Roboterarms 2 die kartesischen Positionswerte und Orientierungswerte des Werkzeugbezugspunktes 22 bestimmt werden und auf Grundlage dieser kartesischen Positionswerte und Orientierungswerte die momentane auf den Roboterarm 2 einwirkende Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung 14 in ihrem Betrag und ihrer Richtung durch das mathematische Modell 21 rechnerisch bestimmt wird und die so bestimmte Kompensationskraft bei dem weiteren kraftgeregelten Ansteuern des Roboterarms 2 berücksichtigt wird.
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Eine Berücksichtigung der durch das mathematische Modell 22 rechnerisch bestimmten Kompensationskraft kann derart erfolgen, dass während des kraftgeregelten Ansteuerns des Roboterarms 2 mittels der Robotersteuerung 3 die in den Gelenken 4 des Roboterarms 2 wirkenden Gelenkmomente von der Robotersteuerung 3 erfasst werden, und aus diesen erfassten Gelenkmomenten und den auf die Gelenke 4 aufgebrachten Antriebsmomenten der Motoren 13.1 bis 13.7 des Roboterarms 2 die resultierenden externen Gesamtkräfte, die auf die Glieder 5 bis 12 des Roboterarms 2 von außen einwirken, berechnet werden und die durch das mathematische Modell 21 rechnerisch bestimmte Kompensationskraft von den berechneten Gesamtkräfte abgezogen wird, um die verbleibenden externen Restkräfte zu erhalten.
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In Abhängigkeit der verbleibenden externen Restkräfte kann der Roboterarm 2 von der Robotersteuerung 3 mittels einer implementierten Regelung 23 betrieben wird, indem die Regelung 23 das mathematische Modell 21 nutzt, um in dessen Abhängigkeit eine Antriebssteuerung 24 anzusteuern, um die Motoren 13.1 bis 13.7 des Roboterarms 2 zu betreiben.
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Das mathematische Modell 21 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 kann dabei ausgebildet sein, zum rechnerischen Bestimmten der Kompensationskraft unabhängig von Messwerten interner oder externer Kraft- und/oder Momentsensoren des Roboterarms 2.
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Das mathematische Modell 21 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 kann dabei ausgebildet sein, die Kompensationskraft rechnerisch zu bestimmen unter Berücksichtigung wenigstens eines über eine Eingabevorrichtung 25 in das mathematische Modell 21 zugeführten Parameters aus der Gruppe von Parametern umfassend die Federkonstante eines Federzugs der Kraftkompensationsvorrichtung 14, die Vorspannkraft des Federzugs der Kraftkompensationsvorrichtung 14 in Zugrichtung, die Masse der mechanischen Koppel 17 der Kraftkompensationsvorrichtung 14, und den Aufhängungspunkt 20 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 im Raum. Die Eingabevorrichtung 25 kann ein interner Erfassungsteil der Robotersteuerung 3 sein, über den Werte von Parametern automatisch erfasst und eingespielt werden können, oder eine externe Eingabekonsole sein, über die Werte von Parametern beispielsweise manuell über ein Eingabemittel per Hand durch eine Person eingegeben werden können.
