DE102018102995B4

DE102018102995B4 - Robotersystem

Info

Publication number: DE102018102995B4
Application number: DE102018102995.0A
Authority: DE
Inventors: Muhammad E. Abdallah; James W. Wells
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2038-02-10
Also published as: DE102018102995A1; US10583557B2; US20200156245A1; US11247332B2; CN108453728B; CN108453728A; US20180229366A1

Abstract

Robotersystem (10), umfassend:einen Gelenkmechanismus (12) mit einer Vielzahl von aktiv gesteuerten Gelenken und einer Vielzahl von passiven Gelenken, die mit den aktiv gesteuerten Gelenken redundant sind;einen Endeffektor (14H), der mit den passiven Gelenken verbunden und distal angeordnet ist;eine Vielzahl von Positionssensoren (15P), die für das Messen von Gelenkpositionen der passiven Gelenke betreibbar sind; undeine Steuerung (50) in Verbindung mit den Positionssensoren (15P), die programmiert ist für das selektive Steuern der aktiv gesteuerten Gelenke in Reaktion auf die gemessenen Gelenkpositionen in einem Kooperativen Steuermodus, in dem der Bediener (20H) während des Betriebs des Robotermechanismus mit dem Endeffektor (14H) physisch interagiert; dadurch gekennzeichnet , dassdie Steuerung (50) die aktiv gesteuerten Gelenke unter Verwendung einer modellierten Impedanz des Robotermechanismus, die als Feder-Masse-Dämpfersystem mit Steifigkeits-, Dämpfungs- und Trägheitsparametern modelliert ist, selektiv steuert, und zwar sowohl in dem Kooperativen Steuermodus als auch in einem Autonomen Modus, in dem ein Bediener (20H) während des Betriebs des Robotermechanismus nicht physisch mit dem Endeffektor (14H) interagiert.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Robotersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie beispielsweise aus der US 2016 / 0 039 093 A1 bekannt.
Das Robotersystem umfasst einen Roboter und eine zugeordnete Steuerung, die so konfiguriert sind, dass sie durch physische Interaktion mit einem menschlichen Bediener zusammenarbeiten, z. B. eine Hubunterstützungsvorrichtung, die das Gewicht einer Nutzlast trägt, während der Bediener die Nutzlast positioniert. Die Maschinensteuerung kann in Reaktion auf elektronische Steuersignale erreicht werden, z. B. von einer Mensch-Maschine-Schnittstelle oder einer Maschine-Maschine-Schnittstelle eines Automationssystems. In einigen Maschinenkonfigurationen wirkt der Bediener manuell auf die Aufgabenlast ein, während er fingerfertige Aktionen ausführt, während Maschinen die Last unterstützen und grob positionieren. Andere Konfigurationen können in Betracht gezogen werden, in denen der Roboter die Last autonom bewegt, ohne direkte physische Interaktion mit der Last durch den Bediener.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Robotersystem dahingehend weiterzuentwickeln, dass dieses bei unterschiedlichste Aufgaben zum Einsatz kommen kann, ohne dass hierunter die Genauigkeit des Robotersystems leidet.
KURZDARSTELLUNG
Diese Aufgabe wird mit einem Robotersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Wie hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck „Robotersystem“ auf einen unterbetätigten Gelenkmechanismus mit redundanten Freiheitsgraden (FG). „Unterbetätigt“ bedeutet in der vorliegenden Offenbarung einen Gelenkmechanismus, bei dem nicht alle Gelenke des Mechanismus betätigt werden, d. h. einige der Gelenke sind passiv oder unbetätigt. „Redundant“ bezieht sich auf einen Gelenkmechanismus mit mehr als der minimalen Anzahl von Gelenken, die basierend auf dem kartesischen FG eines Endeffektors des Gelenkmechanismus benötigt werden, wobei sich der Endeffektor auf einen Anwendungspunkt des Gelenkmechanismus bezieht, z. B. die spezielle Struktur, die das Objekt erfasst, wird von dem Bediener gehalten, oder übt eine regulierte Kraft auf das Objekt oder die Umgebung aus oder der Punkt, dessen Position für die Aufgabe von Interesse ist. Mit anderen Worten, der Gelenkmechanismus hat zusätzliche Gelenke, die Bewegung in dem gleichen kartesischen FG erzeugen. Grundsätzlich wären die passiven Gelenke für einen Satz aktiver Gelenke redundant und würden in Bezug auf einen solchen Satz aktiver Gelenke distal (z. B. abseits von und stromabwärts von) liegen. Der Endeffektor kann so konfiguriert sein, dass ein Bediener physisch mit dem Endeffektor oder anderen Teilen des Gelenkmechanismus und einem externen Objekt oder einer externen Oberfläche interagieren kann, um eine manuelle Arbeitsaufgabe auszuführen, und zwar gemeinsam mit dem Gelenkmechanismus.
Der hierin offenbarte Steuerrahmen kann eine Steuerung verwenden, die in einigen Ausführungsformen die Kraft reguliert und/oder die Position des Endeffektors steuert und die auf verschiedene Betriebsmodi angewendet werden kann. Ein erster Modus, der hier als Kollaborationsmodus bezeichnet wird, kann verwendet werden, wenn der Gelenkmechanismus physisch mit dem Bediener interagieren soll, um in Zusammenarbeit mit dem gesteuerten Betrieb des Gelenkmechanismus eine Aufgabe zu erfüllen. Der zweite Modus, der hierin als Autonomer Modus bezeichnet wird, wird verwendet, wenn der Gelenkmechanismus eine Aufgabe ohne die direkte physische Interaktion des Bedieners mit dem Endeffektor unabhängig abschließen soll. In Bezug auf den Ausdruck „Impedanz“, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich dieser Ausdruck auf die Kraft, die ein System im Widerstand gegen Bewegung bietet. Die Impedanzsteuerung bezieht sich somit auf eine aktive Steuerung des Robotersystems für die Bereitstellung einer gewünschten Kraft, um einer solchen Bewegung in ihren verschiedenen Ordnungen zu widerstehen, wobei die Steifigkeit der Widerstand gegen die Position ist, die Dämpfung der Widerstand gegen die Geschwindigkeit ist und die Trägheit der Widerstand gegen die Beschleunigung ist, was zu einem Reaktionsverhalten der 2. Ordnung eines Masse-Feder-Dämpfer-Systems führt.
In einer exemplarischen Ausführungsform ist die Steuerung speziell programmiert, um den Gelenkmechanismus in einem der zwei oben erwähnten unterschiedlichen Steuermodi, d. h. dem Kooperativen Steuermodus oder dem Autonomen Modus, situationsmäßig zu betreiben. Optional kann die Kraftsteuerung in jedem Steuermodus verwendet werden, um es dem Endeffektor zu ermöglichen, eine bestimmte regulierte Kraft auf die Umgebung auszuüben. Im Kooperativen Steuermodus wirken der Bediener und der Gelenkmechanismus beide physisch auf den Endeffektor ein. Im Autonomen Modus interagiert der Bediener nicht physisch mit dem Endeffektor. Stattdessen steuert die Steuerung autonom eine Position des Gelenkmechanismus oder genauer gesagt des Endeffektors. Wenn die Option für die Kraftsteuerung hinzugefügt wird, kann der Endeffektor dem Objekt oder der Umgebung eine regulierte externe Kraft vermitteln.
Für einen Aspekt des vorliegenden Ansatzes ist die programmierte Betriebsfunktion der Steuerung, die den Gelenkmechanismus so steuert, als ob der Gelenkmechanismus als klassisches Masse-Feder-Dämpfer-System ausgeführt wäre, von zentraler Bedeutung. Auf diese Weise regelt die Steuerung streng, wie genau der Gelenkmechanismus auf bestimmte Kräfte und die charakteristische Reaktion reagiert, wie zum Beispiel eine Unterdämpfung oder eine Überdämpfung, wie solche Begriffe in der Technik bekannt sind. Steifigkeits- und/oder Dämpfungsparameter des modellierten Mechanismus können über eine Steuerung manipuliert werden, wobei eine Höchstgrenze möglicherweise auf statische Kräfte einwirkt, die auf das Objekt oder die Umgebung ausgeübt werden. Zum Beispiel hätte die modellierte Federkraft oder die regulierte Kraft eine obere Grenze für ihren Wert. Daher wird die stationäre Kraft eine Grenze nicht überschreiten.
Wenn der Endeffektor in dem Autonomen Modus zufällig mit der Kontaktstruktur oder einem Bediener in der Umgebung in Kontakt kommt, kann die Steuerung automatisch eine geeignete Reaktion einleiten, wie zum Beispiel Umschalten oder Übergehen in den Kooperativen Steuermodus oder Ausführen einer Nothaltmaßnahme (Notstoppmaßnahme). Positionssensoren können mit jedem passiven Gelenk des Endeffektors verwendet werden, wobei die Steuerung optional dazu konfiguriert ist, den Kontakt mit dem System basierend auf einer Abweichung einer gemessenen Gelenkposition von einer erwarteten Position, d. h. basierend auf bekannten kinematischen/dynamischen Beziehungen, über Kraftsensoren oder unter Verwendung anderer geeigneter Ansätze zu erfassen.
In bestimmten Ausführungsformen kann der Gelenkmechanismus einen relativ großen „Makromechanismus“ beinhalten, der alle aktiv angetriebenen (von dem Stellglied angetriebenen) Gelenke des Gelenkmechanismus beinhaltet. Ein solcher Makromechanismus kann proximal in Reihe mit einem kleineren, relativ leichten „Mini“-Mechanismus angeordnet sein. Der Mini-Mechanismus kann nur passive Gelenke haben, die in verschiedenen Richtungen linear und/oder rotatorisch sein können und die wiederum allein durch Kräfte eingestellt werden können, die durch den Bediener oder durch Kontakt mit der Umgebung in den Endeffektor eingegeben werden. Die passiven Gelenke werden mit einer passiven Rückstellkraft, beispielsweise von einer Feder oder Schwerkraft, wieder in eine Gleichgewichtsposition gebracht.
Der Gelenkmechanismus kann funktionell als ein klassisches Wagen- und Pendelsystem dargestellt werden, wobei Schwerkraft oder Federn als Rückstellkraft, d. h. eine Kraft, die den Endeffektor in eine Gleichgewichtsposition zurückbringt, verwendet werden. Die Dynamik eines solchen Systems kann in der hierin beschriebenen Steuerung modelliert werden, wobei der Autonome Modus und der Kooperative Steuermodus als zwei verschiedene Betriebsmodi programmiert werden, die der Steuerung oder dem Bediener je nach Situation zur Verfügung stehen. Die Impedanzsteuerung kann verwendet werden, um als ein einziger Steuerrahmen für beide Steuerungsmodi zu wirken, was einen autonomen Übergang zwischen den verfügbaren Steuerungsmodi erleichtert. Von der Steuerung wird dann in Echtzeit eine Kontrollentscheidung getroffen, um das optimale Folgeverhalten für den Roboter oder den Makromechanismus zu bestimmen.
In einer bestimmten Ausführungsform beinhaltet ein Robotersystem für das Ausführen einer Arbeitsaufgabe einen Gelenkmechanismus, Gelenkpositionssensoren und eine Steuerung. Der Gelenkmechanismus hat eine Vielzahl von aktiv gesteuerten Gelenken und eine Vielzahl von passiven Gelenken, wobei die passiven Gelenke mit den aktiv gesteuerten Gelenken redundant sind. Der Gelenkmechanismus beinhaltet auch einen Endeffektor, der mit den passiven Gelenken verbunden und distal zu diesen angeordnet ist, d. h. in einem Abstand von den passiven Gelenken positioniert oder angeordnet ist. Die Steuerung steht mit den Positionssensoren in Verbindung und ist so programmiert, dass sie die aktiv gesteuerten Gelenke als Reaktion auf die gemessenen Gelenkpositionen unter Verwendung einer modellierten Impedanz des Robotermechanismus selektiv steuert. Die Steuerung tut dies in einer Vielzahl von Steuerungsmodi, einschließlich eines Autonomen Modus und eines Kooperativen Steuermodus. Ein Bediener interagiert bei dem Ausführen der Arbeitsaufgabe in dem Autonomen Modus nicht physisch mit dem Endeffektor und interagiert physisch mit dem Endeffektor in dem kooperativen Steuermodus.
Ein Verfahren für das Steuern des Robotersystems beinhaltet das Messen von Gelenkpositionen der passiven Gelenke unter Verwendung einer Vielzahl von Positionssensoren und das anschließende Übertragen der gemessenen Gelenkpositionen an eine Steuerung, die mit einer modellierten Impedanz des Robotermechanismus programmiert ist. Zusätzlich beinhaltet das Verfahren das selektive Steuern der aktiv gesteuerten Gelenke als Reaktion auf die gemessenen Gelenkpositionen in einer Vielzahl von Steuermodi unter Verwendung der modellierten Impedanz. Wie oben erwähnt, beinhalten die Steuermodi den Autonomen Modus und den Kooperativen Steuermodus.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das Robotersystem einen Gelenkmechanismus mit einer Vielzahl von aktiv gesteuerten Gelenken und einer Vielzahl von passiven Gelenken, wobei ein Endeffektor mit den passiven Gelenken verbunden und von diesen distal positioniert ist, und eine Vielzahl von Positionssensoren für das Messen der Gelenkpositionen der passiven Gelenke. Das Robotersystem beinhaltet ferner eine Steuerung in Verbindung mit den Positionssensoren. Die Steuerung in dieser Ausführungsform ist so programmiert, dass sie selektiv eine Position der aktiv gesteuerten Gelenke als Reaktion auf die gemessenen Gelenkpositionen steuert, um dadurch über den Endeffektor eine regulierte Kraft auszuüben. Die Kraftregelung kann allein oder in Verbindung mit den Autonomen und Kooperativen Steuermodi in einem Impedanzsteuerrahmen des oben erwähnten Typs verwendet werden.
Die oben aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsform/en und der besten Ausführungsweise/n der Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines Robotersystems, das eine Steuerung mit einem redundanten, unterbetätigten Mechanismus gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung verwendet.
2 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen redundanten, unterbetätigten Mechanismus mit einem einzigen Freiheitsgrad (FG), der mit dem Robotersystem von 1 oder als Teil einer optionalen kraftgesteuerten Architektur verwendbar ist.
3A und 3B sind jeweilige lineare und nichtlineare Einzel-FG-Modelle des in 1 gezeigten Robotersystems, wobei ein oder beide Modelle durch die Impedanzsteuerung von 1 verwendbar sind.
4 ist ein Zeitdiagramm einer Geschwindigkeitsreaktion für das repräsentative Wagen- und Pendelmodell des Endeffektors, wie er in 3B gezeigt ist, wobei die Verstärkungsamplitude auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse dargestellt sind.
5 ist ein Zeitdiagramm, das die dynamischen Auswirkungen der Dämpfung auf den hierin beschriebenen Gelenkmechanismus zeigt, wobei ein Prozentsatz der Dämpfungsreaktion auf der vertikalen Achse aufgetragen ist und die Zeit auf der horizontalen Achse aufgetragen ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Mehrere Ausführungsformen der Offenbarung sind in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen in den Zeichnungen und der Beschreibung beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Strukturen. Die Figuren sind in vereinfachter Form und nicht maßstäblich dargestellt. Zur Vereinfachung und Klarheit können richtungsweisende Begriffe, wie oben, unten, links, rechts, nach oben, über, oben, unter, unterhalb, hinten und vorn mit Bezug auf die Zeichnungen angewendet werden. Diese und ähnliche richtungsweisende Begriffe sind nicht so auszulegen, dass sie den Umfang der Offenbarung beschränken.
Ein exemplarisches Robotersystem 10 ist in 1 gezeigt, das kooperativ mit einem menschlichen Bediener 20H (von dem zur Vereinfachung nur die Hand gezeigt wird) dazu konfiguriert ist, eine Position einer Nutzlast, eines Arbeitswerkzeugs oder eines anderen Objekts 25 zu unterstützen und zu steuern. Das Robotersystem 10 beinhaltet einen Gelenkmechanismus 12, der alle Gelenke und somit alle verfügbaren Steuer-Freiheitsgrade (FG) des Robotersystems 10 enthält. In einigen Ausführungsformen kann der Gelenkmechanismus 12 einen relativ großen „Makro“-Mechanismus beinhalten, z. B. wie gezeigt einen mehrachsigen Roboter, der seinerseits mit einem passiven „Mini“-Mechanismus 14 verbunden sein kann, um einen Makro-Mini-Robotermechanismus zu bilden. Der Minimechanismus 14 kann einen Endeffektor 14H beinhalten, der ein bestimmter Teil des Gelenkmechanismus 12 sein kann, der als der Anwendungspunkt für eine gegebene Aufgabe dient, z. B. die besondere Struktur des Gelenkmechanismus 12, der das Objekt 25 ergreift, von dem Bediener 20H gehalten wird oder eine Kraft auf die Umgebung des Objekts 25 ausübt. Der Gelenkmechanismus 12 stellt somit das Robotersystem 10 mit mehreren Steuer-FG bereit, von denen einige aktiv gesteuert werden („aktive FG“) und von denen sich einige als Reaktion auf Kräfte von einem Bediener oder der Umgebung frei bewegen können, d. h. „passive FG“.
In der in 1 gezeigten nicht einschränkenden Ausführungsform, beinhaltet der Gelenkmechanismus 12 Überkopfstützbalken 22 mit einem aktiven/betätigten linearen Positionierungsmechanismus, z. B. einem zweilinearen FG-Gerüst oder einem Brückenlaufkran, der möglicherweise durch vertikale und abgewinkelte Stützbalken 26 bzw. 28 getragen wird. In einer solchen Ausführungsform kann die Bewegung des Gelenkmechanismus 12 entlang der Überkopfstützbalken 22 in der Richtung des Pfeils AA über Motoren, Ketten, Riemen oder dergleichen (nicht dargestellt) so betätigt werden, dass der Endeffektor 14H und das Objekt 25 in der Lage sind, die Überkopfstützbalken 22 nach Bedarf zu verschieben. In ähnlicher Weise kann eine Drehbewegung um die Achse BB normal zu der Translationsrichtung (Pfeil AA) durch ähnliche Vorrichtungen bereitgestellt werden. Der Gelenkmechanismus 12 kann mehrere andere Achsen beinhalten, z. B. CC, DD und EE, wobei lineare und/oder rotatorische Bewegungen innerhalb eines typischen dreidimensionalen kartesischen XYZ-Referenzrahmens auftreten.
Der Mini-Mechanismus 14, von dem ein nicht einschränkendes Beispiel in 1 gezeigt und in der US-Anmeldung US 2017 / 0 108 098 A1 offenbart ist, ist eine Beispielkonfiguration, die einen oder mehrere passive FG vorsieht. Jeder passive FG oder genauer gesagt jedes Gelenk, dessen Bewegungsbereich einem gegebenen passiven FG entspricht, beinhaltet einen entsprechenden Gelenkpositionssensor 15P, der dazu konfiguriert ist, eine Position eines entsprechenden Translations- und/oder Drehgelenks des Mini-Mechanismus 14 zu messen und Daten in Form der Gelenkpositionen (Pfeil θ) als Teil der laufenden Funktion des Robotersystems 10 auszugeben, wobei ein solcher Gelenkpositionssensor 15P zur Veranschaulichung der Einfachheit in 1 gezeigt ist. Optionale zusätzliche Sensoren, die unterschiedliche Arten von Daten erzeugen, können Kraftsensoren 15F für das Erfassen oder Messen von Kraftdaten (Pfeil F) und/oder Bildsensoren 15V für das Erfassen oder Messen von Sichtdaten (Pfeil V), z. B. bildbasierte Positionsdaten, die über eine oder mehrere Digitalkameras, Videorekorder usw. erfasst werden, beinhalten.
Das Robotersystem 10 beinhaltet eine Steuerung (C) 50, die in einigen Ausführungsformen eine Impedanzsteuerung der unten beschriebenen Art ist. Die Steuerung 50 kann dazu programmiert sein, solche Daten während einer manuellen Arbeitsaufgabe zu empfangen und ein Auftreten eines Fehlers oder eine Beendigung der manuellen Aufgabe unter Verwendung der empfangenen Daten zu identifizieren. Die Steuerung 50 kann als ein oder mehrere Digitalrechner mit einem Prozessor (P) und einem Speicher (M) ausgebildet sein. Der Speicher (M) beinhaltet ausreichenden physischen, nicht transitorischen Speicherplatz, wie z. B. ROM-Festspeicher, Flash-Speicher, magnetischen oder optischen Festspeicher, elektronisch programmierbaren ROM-Festspeicher u. dgl. Der Speicher (M) beinhaltet zudem ausreichenden Transientenspeicher, wie z. B. Direktzugriffsspeicher oder elektronische Pufferspeicher. Zusätzlich kann die Steuerung 50 auch einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, analog-zu-digitale und digital-zu-analoge Schaltkreise, Input-Output-Schaltkreise und -Geräte sowie geeignete Signalkonditionierungs- und Impedanzwandler-Schaltkreise umfassen.
Der Speicher (M) kann mit computerlesbaren Anweisungen 100 programmiert werden, die es der Steuerung 50 ermöglichen, aktive Gelenke, Bremsen und/oder Verriegelungsmechanismen des Robotersystems 10 so zu steuern, dass sie zwischen den oben erwähnten verfügbaren Steuermodi, d. h. dem Autonomen Modus und dem Kooperativen Steuermodus, ausgeführt und umgeschaltet werden (Pfeil CM), wobei auch Kraftregelungsmodi verfügbar sind oder, in der exemplarischen Ausführungsform von 2, separat erhältlich sind. Eine Schnittstelle 52, z. B. eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, wie ein Touchscreen oder eine Maschine-Maschine in Logik, kann verwendet werden, um die Bestimmung der Steuermodi (Pfeil CM) zu erleichtern, z. B. durch einen Bediener, der einen der Steuermodi manuell auswählt oder die Steuerung 50 kann basierend auf erfassten Interaktionen mit dem Endeffektor 14H den optimalen Steuermodus in Echtzeit bestimmen und auswählen. Wie unten erläutert, kann die Steuerung 50 eine gewünschte Position (Pfeil x₂) erhalten, eine befohlene Position (x₁) generieren und an das Robotersystem 10 übertragen und die gemessenen Gelenkpositionen (Pfeil θ) als Positionsrückmeldung in der Gesamtsteuerung des Robotersystems 10 empfangen.
Unter kurzer Bezugnahme auf 2 kann ein exemplarischer Gelenkmechanismus 220 mit der Impedanzsteuerung 50 von 1 und/oder mit einer Kraftsteuerung (C_F) 150 wie in 2 gezeigt verwendet werden, wobei die Kraftsteuerung 150 einen Speicher (M) und einen Prozessor (P) wie die Steuerung 50 von 1 aufweist. Wie der Gelenkmechanismus 12 von 1 kann der Gelenkmechanismus 220 von 2 mehrere aktive Gelenke beinhalten, die in 2 als Drehgelenke J1 und J2 dargestellt sind, die in Richtung der Pfeile FF, und je nach Bedarf in der entgegengesetzten Richtung, drehen, um einen Riemen 41 oder einen anderen geeigneten Antriebsmechanismus anzutreiben. An dem Riemen 41 ist ein Wagen 30 angebracht, der bezüglich einer Oberfläche 44 über einen gesteuerten Betrieb der aktiven FGs verschoben werden kann. Ein Mini-Mechanismus 140 in Form einer passiven Einzel- oder Doppel-ParallelogrammAnordnung mit parallelen Armen 40 und einem Querelement 42 ist mit den parallelen Armen 40 verbunden, die an dem Wagen 30 angebracht und von diesem abgehängt werden können. Ein Endeffektor 45, z. B. eine Rolle, kann durch den Bediener 20H bewegt werden und so konfiguriert sein, dass er eine Kraft (Pfeil F_A), wie beispielsweise einer Walzkraft in einem Walzvorgang der für das Verteilen und Ausstoßen von Klebematerial von einer Plattenanordnung (nicht dargestellt) verwendet wird.
Die Steuerung 150 kann in einer solchen Ausführungsform Gelenkpositionssignale (Pfeil θ) von einem entsprechenden Positionssensor 15P empfangen und unter Verwendung der aufgezeichneten Befehle 200 eine Fehlerschutzoperation ausführen, die zu einem Ausgangssignal (Pfeil CC_o) führt. Beispielsweise erfordern einige Vorgänge eine manuelle Kraftanwendung, wie beispielsweise der oben erwähnte exemplarische Plattenklebebetrieb. Eine Variation in der über das Stellglied 45 ausgeübten Kraft kann zu Unterschieden in der Adhäsionsqualität um einen Umfang einer solchen Platte führen. Durch Verwenden der Kraftsteuerung mit dem Gelenkmechanismus 220 mit dem Mini-Mechanismus 140 als eine redundante, unterbetätigte Robotersystemalternative zu dem Robotersystem 10 von 1, entweder allein oder unter Verwendung der Struktur von 2 mit der Impedanzsteuerung 50 von 1, kann es möglich sein, die auf die Platte ausgeübten Kräfte zu verifizieren, diese Kräfte mit kalibrierten Kraftschwellenwerten zu vergleichen und dadurch den Betrieb zu überprüfen, während gleichzeitig der Bediener bei der Durchführung einer weitgehend manuellen Aufgabe unterstützt wird. Das Ausgangssignal (Pfeil CC_o) in einer solchen Ausführungsform kann eine Signallampe aktivieren, eine Nachricht erzeugen, die den Ort und die Größe einer möglichen Variation einer von der kalibrierten Kraft ausgeübten Kraft anzeigt, usw. Während einer solchen Aktion kann die Steuerung 50 ebenfalls einen Kontakt mit dem Objekt 25 oder der Umgebung basierend auf einer Abweichung der gemessenen Gelenkbewegung von einer erwarteten Gelenkbewegung erfassen. Wie hierin verwendet, kann der Ausdruck Gelenkbewegung die Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung umfassen. Danach können automatische Steuermaßnahmen als Reaktion auf den erkannten Kontakt ausgeführt werden, wie z. B. Umschalten in den Kooperativen Steuermodus oder Ausführen einer Nothaltmaßnahme (Notstoppmaßnahme).
Wie nun mit besonderem Bezug auf die 3A-4 beschrieben wird, ist die exemplarische Impedanzsteuerung 50 von 1 so konfiguriert, dass eine einzelne intuitive Steuerungsformulierung zur Verwendung mit einem redundanten unterbetätigten Robotermechanismus, wie dem Gelenkmechanismus 12 von 1 oder dem in 2 gezeigten alternativen Gelenkmechanismus 220, zur Verfügung gestellt wird. Die Steuerung 50 kann ihre programmierte Funktionalität unter Verwendung eines linearen oder eines Wagen-Pendelmodells des Endeffektors 14H und des Objekts 25 mit dem unter Bezugnahme auf 3A beschriebenen linearen Ansatz und dem unter Bezugnahme auf 3B beschriebenen Wagen-Pendel-Ansatzes erreichen.
Ein bewegliches Wagen-Pendel-System kann als Überkopf-Konfiguration von 1 und 2 exemplarisch dargestellt werden. Wie in 1, gezeigt, Teil des vorliegenden Ansatzes, kann die Steuerung 50 den geeigneten Steuermodus (Pfeil CM) empfangen oder bestimmen und auch Eingabekräfte (Pfeil F) für den Endeffektor 14H und die gewünschte Position (Pfeil x₂) des Objekts 25 bestimmen. Die Steuerung 50 kann die befohlene Position (Pfeil x₁) als elektronisches Signal an Gelenkstellglieder/zugehörige Gelenkmotorsteuerprozessoren das Robotersystem 10 ausgeben. Die gemessenen Positionen (θ), z. B. die verschiedenen Gelenkwinkel des Robotersystems 10, werden zu der Impedanzsteuerung 50 zurückgeführt. Die Steuerung 50 führt dann die folgende Steuerlogik aus, die als die Anweisungen 100 verkörpert ist, um die gewünschten Steuerungsziele zu erreichen.
IMPEDANZSTEUERGESETZ
Das Verhalten des Robotersystems 10 kann in der Logik der Impedanzsteuerung 50 von 1 als ein lineares Masse-Feder-Dämpfer-System, das ein gewünschtes Verhalten der 2. Ordnung erzeugt, modelliert werden. In einem solchen Masse-Feder-Dämpfer-System kann eine Kraft auf eine Masse (m) angewendet werden, wobei die gesteuerte Dynamik eines Endeffektors eines solchen modellierten Robotersystems 10 dargestellt wird als: $m \ddot{x} + b \dot{x} + k Δ x = Δ F$
Δx ist die Änderung einer Position (x) der Masse (m) als Reaktion auf eine Änderung der Kraft (ΔF). Somit kann unter Verwendung der Impedanzsteuerung der Steuerung 50 von 1 die Steifigkeit einer Interaktion in der Logik der Steuerung 50 spezifiziert werden. Die Impedanz wird als ein Feder-Masse-Dämpfer-System mit Steifigkeits-, Dämpfungs- und Trägheitsparametern modelliert, wobei die Steuerung 50 so programmiert ist, dass sie den Gelenkmechanismus 12 durch Manipulieren eines Steifigkeits- und/oder eines Dämpfungsparameters wie unten beschrieben steuert.
Der vorliegende Ansatz basiert auf einer Computertechnikformulierung und gilt somit für beide Steuermodi der Steuerung 50, ohne dass eine Linearisierung oder Schätzung der Kraft erforderlich ist. Darüber hinaus arbeitet der vorliegende Ansatz direkt in dem Betriebsraum des Endeffektors 14H von 1., nicht in dem Gelenkraum, wodurch eine dynamische Analyse von Interaktionen mit einem Bediener ermöglicht wird. Derselbe Ansatz ermöglicht eine einfache Positionssteuerung des Endeffektors 14H, ohne dass eine doppelte Integration eines Beschleunigungsbefehls erforderlich ist.
LINEARES MODELL
Bezugnehmend auf 3A kann die Masse (m) so dargestellt werden, dass sie mit einem Wagen 120 über eine Feder 20 mit einer Federkonstante (k_s) verbunden ist, wobei der schematische Wagen 120 dem Gelenkmechanismus 12 oder Makromechanismus des Robotersystems 10 entspricht. Die Feder 20, die in einem solchen Modell mit einem stationären Element 46 und einem Mittelpunkt (Cp) des Wagens 120 verbunden ist, weist ebenfalls einen Dämpfungskoeffizienten (b) auf. Kraft (Pfeil F) kann auf die Masse (m) ausgeübt werden. Das oben angegebene Δx ist daher gleich x₂-x₁ in 3A. Das Robotersystem 10 von 1 verwendet die Schwerkraft als eine Art Pendel für die Rückstellkraft, wenn die Masse (m), d. h. das Objekt 25 von 1, freigegeben wird. Somit kann eine gewünschte Impedanzbeziehung für den Endeffektor wie folgt modelliert oder dargestellt werden: $m {\ddot{x}}_{2} + b {\dot{x}}_{2} + F s s = F$
$F_{S S} = {\begin{matrix} k (x_{2} - x_{2}^{*}), Autonomer \\ F^{*}, Kollaboration \end{matrix}$
wobei m die Masse des Endeffektors 14H ist, b der gewünschte Dämpfungskoeffizient ist, k die gewünschte Steifigkeit, d. h. die aktiv gesteuerte effektive Steifigkeit ist und $x_{2}^{*}$
ist die Bezugsposition der Masse (m). In der oben genannten Formulierung ist F die externe Kraft auf die Masse (m) von dem Bediener und F* ist die befohlene Kraft von der Steuerung 50. Die stationäre Kraft Fss wird somit, wie in Gleichung (2) angegeben, in dem autonomen Modus und in dem kooperativen Steuermodus unterschiedlich bestimmt.
Kraftanalyse an dem Endeffektor 14 von 3A stellt die folgende Bewegungsgleichung unter Vernachlässigung der Reibung bereit: $m {\ddot{x}}_{2} = F + k_{s} (x_{1} - x_{2})$
wobei k_s die tatsächliche physikalische Steifigkeit der Feder 20 ist, die in dem Modell verwendet wird (eine Konstante). Angenommen, der Gelenkmechanismus 12/Wagen 120 verwendet eine Positionssteuerung der 1. Ordnung: ${\dot{x}}_{1} = - k_{p} (x_{1} - x_{1}^{*})$
wobei k_p eine proportionale Verstärkung ist und ẋ₁ ist proportional zu einem Positionsfehler des Wagens 120/Roboters 12. Aus den Gleichungen (1) und (2) wird das Steuergesetz für die gewünschte Makroposition wie folgt erhalten: $x_{1}^{*} = x_{2} - \frac{b}{k_{s}} {\dot{x}}_{2} - \frac{1}{k_{s}} F_{S S}$
REGELDYNAMIK
Unter Annahme einer perfekten Steuerung der 1. Ordnung, ist die Dynamik des Gelenkmechanismus 12 wie folgt: $\frac{x_{1}}{x_{1}^{*}} = \frac{1}{α s + 1}$
wobei $α = \frac{1}{k_{p}} .$
Im Autonomen Modus kann die Regeldynamik aus den Gleichungen (3), (5) und (6) in der Laplace-Domäne wie folgt bereitgestellt werden: $\begin{array}{r} m s^{2} x_{2} = F - k_{s} (x_{2} - x_{1}) \\ (m s^{2} + k_{s}) x_{2} = F + \frac{k_{s}}{α_{s} + 1} x_{1}^{*} \\ (α m s^{3} + m s^{2} + α k_{s} s + b s + k) x_{2} = k x_{2}^{*} + (α s + 1) F \end{array}$
Bei dem Betrieb des Autonomen Modus arbeitet die Steuerung 50 mit der Position des Endeffektors 14. Somit folgt die folgende Übertragungsfunktion, angenommen F=0: $\frac{x_{2}}{x_{2}^{*}} = \frac{k}{α m s^{3} + m s^{2} + (b + α k_{s}) + k}$
Wenn sich der Gelenkmechanismus 12 beschleunigt, d. h. wenn α kleiner wird, nähert sich die Übertragungsfunktion der Gleichung (8) dem gewünschten Reaktionsverhalten der 2. Ordnung an.
Wie oben erwähnt, bietet die Impedanzsteuerung die Möglichkeit, das Verhalten eines aktiven Systems wie das eines einfachen Masse-Feder-Dämpfer-Systems zu modellieren, um das gewünschte Reaktionsverhalten der 2. Ordnung zu erhalten. Die dynamische Reaktion eines solchen Masse-Feder-Dämpfer-Systems ist schematisch in dem Reaktionsdiagramm 70 von 5 gezeigt. Die Position wird auf der vertikalen Achse als Prozentsatz der Eingabe (Resp %) dargestellt, wobei die Zeit (t) auf der horizontalen Achse aufgetragen ist. ζ, der Dämpfungsfaktor, stellt einen unterdämpften Zustand dar, wenn ζ in einem Bereich von 0 bis etwa 0,75 liegt, z. B. wie gezeigt 0,1, 0,25, 0,5 und 0,75, mit einer durch den Pfeil SS angegebenen stationären Dämpfungsreaktion. ζ = 1,0, die einen kritisch gedämpften Zustand darstellt. ζ = 1,5 repräsentiert einen überdämpften Zustand. Somit ermöglicht das Modellieren und Steuern des oben beschriebenen Systems 10 als ein Masse-Feder-Dämpfer-System, dass eine gewünschte Steuerantwort über die Steuerung 50 erreicht werden kann. Beispielsweise kann die Steuerung 50 so programmiert sein, dass sie den Gelenkmechanismus 12 in dem Autonomen Modus so steuert, dass der Endeffektor 14H oder ein anderer Endeffektor, der mit passiven Gelenken des Gelenkmechanismus 12 verbunden und von diesen distal positioniert ist, keine unterdämpften Oszillationen aufweist.
Im Kooperativen Steuermodus ist die Intuitivität der Steuerung für die Steuerung 50 von 1 von vorrangiger Bedeutung. Dies beinhaltet eine Bewertung der Bewegungsreaktion für eine gegebene Eingangskraft. Es folgt somit die folgende Übertragungsfunktion, wobei F*=0 gilt: $\frac{{\dot{x}}_{2}}{F} = \frac{α s + 1}{α m s^{2} + m s + b + α k_{s}}$
Wenn in diesem Fall der Gelenkmechanismus 12 beschleunigt wird, nähert sich die Reaktion einer Reaktion der 1. Ordnung an. Ein solches Verhalten der 1. Ordnung, ohne Oszillationen der Masse (m) oder des Endeffektors 14H, ist ein gezieltes Verhalten, das zu der intuitivsten Interaktion für kooperative Manipulation führt. Das Beschleunigen des Gelenkmechanismus 12 verringert die Schwere von Oszillationen für ein überdämpftes Verhalten, ohne die Reaktionszeit zu verringern.
Bezugnehmend auf 4 ist eine exemplarische Schrittreaktion für das Robotersystem 10 von 1 gezeigt, wobei m = 1 und k_s = 100 ist. Ein Erhöhen der Verstärkung der Steuerung 50 dämpft die Reaktion, ohne die Reaktion zu verlangsamen. Ein solches Verhalten ohne Oszillationen macht eine Manipulation des Objekts 25 durch den Bediener intuitiver. Diese Reaktion repräsentiert auch die Impulsreaktion für die Position. Zusätzlich erhöht eine proportionale Verstärkung k_p mit einer größeren Amplitude (A) die Steady-State-Verstärkung, mit Beispielen von k_p = 5, k_p = 20 und k_p = 40, dargestellt in 4. Die Steady-State-Verstärkung des Robotersystems 10 kann dargestellt werden als $\frac{k_{p}}{b k_{p} + k_{s}} .$
Daher erhöht die Erhöhung des Wertes von k_p auch die Niederfrequenzverstärkung des Robotersystems 10. Mit anderen Worten, es wird weniger Kraft benötigt, um dieselbe Geschwindigkeit zu erzielen.
Es ist wünschenswert, dass der Gelenkmechanismus 12 so schnell wie möglich reagiert, wenn das oben demonstrierte Verhalten des Positionsmitnehmers der 1. Ordnung gegeben ist. Je schneller der Gelenkmechanismus 12 reagieren kann, desto intuitiver wird eine Interaktion mit einem Bediener und es ist weniger Aufwand erforderlich. Im Autonomen Modus fügt der Dämpfungskoeffizient b eine Dämpfung hinzu, um Oszillationen zu reduzieren, was wünschenswert sein kann. Im Kooperativen Modus fügt der Dämpfungskoeffizient b der Reaktion eine effektive Steifigkeit hinzu. Er erhöht somit die Oszillationsneigung, die im Allgemeinen unerwünscht ist. Er verringert auch die Steady-State-Verstärkung, was wie unten erläutert vorteilhaft sein kann. Es kann gezeigt werden, dass ein Dämpfungsfenster existiert, das es erlaubt, beide Steuermodi mit dem gleichen b-Wert zu überdämpfen. Ansonsten können für jeden Steuermodus unterschiedliche Werte verwendet werden.
NICHT-LINEARES MODELL
Bezugnehmend auf 3B kann ein Wagen-Pendel-Modell für den Mini-Mechanismus 14 verwendet werden, wobei die Schwerkraft die Rückstellkraft bereitstellt. Die Bewegungsgleichung für ein Wagen-Pendel-System kann wie folgt dargestellt werden, wobei g die Gravitationskonstante ist: $0 = {\ddot{x}}_{2} + {\dot{θ}}^{2} l sin θ + ({cos}^{2} θ - 1) {\ddot{x}}_{1} + g sin θ cos θ$
Hierin ist / die Länge des in 3B gezeigten Pendels. Um das Steuergesetz zu lösen, kann der Begriff (cos²θ-1)ẍ₁ als unbedeutend angenommen werden. Kleine Winkel oder kleine Beschleunigungen gelten als vorhanden. Dies ermöglicht der Steuerung 50, die Impedanz des Mini-Mechanismus 14 unter Verwendung der Position des Gelenkmechanismus 12 wie folgt zu steuern: $\begin{array}{l} 0 = {\ddot{x}}_{2} + {\dot{θ}}^{2} l sin θ + g sin θ cos θ \\ 0 = {\ddot{x}}_{2} + ({\dot{θ}}^{2} + \frac{g}{l} cos θ) l sin θ \end{array}$
Da /sinθ = x₂-x₁, kann die gewünschte Beschleunigung aus der Impedanzbeziehung (1), die oben erwähnt wurde, gefunden werden. Lösung für das Steuergesetz: $x_{1}^{*} = x_{2} - \frac{b}{k_{p e n d}} {\dot{x}}_{2} - \frac{1}{k_{p e n d}} F_{S S}$
wobei $k_{p e n d} = m ({\dot{θ}}_{2} + \frac{g}{l} cos θ)$
Die Parallele zu der obigen Beziehung (5) ist somit offensichtlich.

Claims

Robotersystem (10), umfassend: einen Gelenkmechanismus (12) mit einer Vielzahl von aktiv gesteuerten Gelenken und einer Vielzahl von passiven Gelenken, die mit den aktiv gesteuerten Gelenken redundant sind; einen Endeffektor (14H), der mit den passiven Gelenken verbunden und distal angeordnet ist; eine Vielzahl von Positionssensoren (15P), die für das Messen von Gelenkpositionen der passiven Gelenke betreibbar sind; und eine Steuerung (50) in Verbindung mit den Positionssensoren (15P), die programmiert ist für das selektive Steuern der aktiv gesteuerten Gelenke in Reaktion auf die gemessenen Gelenkpositionen in einem Kooperativen Steuermodus, in dem der Bediener (20H) während des Betriebs des Robotermechanismus mit dem Endeffektor (14H) physisch interagiert; dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerung (50) die aktiv gesteuerten Gelenke unter Verwendung einer modellierten Impedanz des Robotermechanismus, die als Feder-Masse-Dämpfersystem mit Steifigkeits-, Dämpfungs- und Trägheitsparametern modelliert ist, selektiv steuert, und zwar sowohl in dem Kooperativen Steuermodus als auch in einem Autonomen Modus, in dem ein Bediener (20H) während des Betriebs des Robotermechanismus nicht physisch mit dem Endeffektor (14H) interagiert.
Robotersystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (50) so programmiert ist, dass sie eine Kraftsteuerung über den Endeffektor (14H) in einem oder beiden des Autonomen Modus und des Kooperativen Steuermodus ausführt, um dadurch eine von dem Endeffektor (14H) ausgeübte Kraft zu regulieren.
Robotersystem nach Anspruch 2, wobei die Steuerung (50) dazu konfiguriert ist, eine statische Kraft zu begrenzen, die von dem Endeffektor (14H) angewendet wird.
Robotersystem nach Anspruch 1, worin die Steuerung (50) dazu konfiguriert ist, einen Kontakt mit dem Robotersystem (10) zu erfassen, wenn es in dem Autonomen Modus arbeitet, und um automatisch eine Steuermaßnahme als Reaktion auf den erfassten Kontakt zu initiieren.
Robotersystem nach Anspruch 4, wobei die Steuermaßnahme ein automatischer Übergang von dem Autonomen Modus zu dem Kooperativen Steuermodus ist.
Robotersystem nach Anspruch 4, wobei die Steuerung (50) so programmiert ist, dass sie den Kontakt basierend auf einer Abweichung einer gemessenen Gelenkbewegung von einer erwarteten Gelenkbewegung erfasst.
Robotersystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (50) so programmiert ist, dass sie den Gelenkmechanismus (12, 14) in dem Autonomen Modus so steuert, dass der Endeffektor (14H) keine unterdämpften Oszillationen aufweist.