DE102018114644B3

DE102018114644B3 - Manueller Anlernvorgang an einem Robotermanipulator mit Kraft-/Momentenvorgabe

Info

Publication number: DE102018114644B3
Application number: DE102018114644.2A
Authority: DE
Inventors: Oliver Eiberger
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-06-20
Also published as: WO2019243394A1; US11648660B2; US20210213603A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Robotermanipulator (1) mit Robotergliedern, wobei die Roboterglieder GL_n paarweise mittels aktuatorisch ansteuerbarer Lager (7) gegeneinander bewegbar sind, mit Lagersensoren (9) zum Erfassen einer Lagerposition und eines Lagermoments/Lagerkraft, mit einem ersten Sensor (11), der an einem der Roboterglieder distalen angeordnet ist und zum Erfassen eines Kraftwinders W ausgeführt ist, mit einem Bediengehäuse (13), das an einem Roboterglied in proximaler Richtung hinter dem ersten Sensor (11) angeordnet ist, mit einem zweiten Sensor (15), der am Bediengehäuse (13) angeordnet ist und zum Erfassen einer auf das Bediengehäuse (13) aufgebrachten Benutzerkraft und/oder eines Benutzermoments dient, sowie mit einer Recheneinheit (17), die dazu ausgeführt ist, mittels eines Dynamikmodells des Robotermanipulators (1) und auf Basis des jeweiligen Lagermoments/Lagerkraft, des Kraftwinders W, und der Benutzerkraft und/oder des Benutzermoments eine erste Sollkraft und/oder ein erstes Sollmoment zur Verschiebung der Roboterglieder GL_n und eine zweite Sollkraft und/oder ein zweites Sollmoment zum Ausüben auf ein externes Objekt durch den Endeffektor (5) zu ermitteln, wobei das Dynamikmodell auf Basis der jeweiligen Lagerposition zumindest Schwerkräfte und Trägheitskräfte umfasst, und schließlich mit einer Speichereinheit (19) zum Abspeichern der ersten und/oder der zweiten Sollkraft und/oder des ersten und/oder des zweiten Sollmoments.

Description

Die Erfindung betrifft einen Robotermanipulator sowie ein Verfahren zum Ermitteln und Abspeichern von Sollkräften und/oder Sollmomenten aus einem manuellen Anlernvorgang an dem Robotermanipulator.
Derartige Robotermanipulatoren und Verfahren sind unter anderem aus folgenden Druckschriften bekannt: DE 10 2016 222 675 A1 , DE 10 2015 117 213 A3 , DE 10 2013 019 869 A1 , DE 3240251 A1 , EP 2 194 434 B1 sowie JP 2012-157946 A .
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem manuellen Anlernvorgang an einem Robotermanipulator durch einen Benutzer eine jeweilige Kraft und/oder ein jeweiliges Moment sowohl zur Vorgabe einer gewünschten Beschleunigung des Robotermanipulators als auch zum Ausüben einer gewünschten Kraft und/oder eines gewünschten Moments durch einen am Robotermanipulator angeordneten Endeffektor (oder schlicht durch ein distales Ende des Robotermanipulators) auf ein Objekt der Umgebung des Robotermanipulators zu ermöglichen, wobei die Qualität der Vorgabe nicht von einer Pose des Robotermanipulators abhängig sein soll. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, den Anlernvorgang für einen Benutzer intuitiv zu gestalten.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Robotermanipulator, aufweisend:

- eine Anzahl N Roboterglieder GL_n, mit n = 1, ..., N und N > 3, wobei das Roboterglied GL_n=1 mit einer Roboterbasis verbunden ist, und das Roboterglied GLN ein distales Endglied des Robotermanipulators ist und zum Aufnehmen eines Endeffektors ausgeführt ist. Ferner sind die Roboterglieder GL_n paarweise mittels aktuatorisch ansteuerbarer Lager gegeneinander bewegbar und ein jeweiliges der Lager weist einen rotatorischen und/oder translatorischen Freiheitsgrad auf. Ferner weist der Robotermanipulator auf:
- Lagersensoren, die an den Lagern angeordnet sind und zum Erfassen einer Lagerposition und eines Lagermoments/Lagerkraft jeweils in Richtung eines jeweiligen Freiheitsgrades eines jeweiligen der Lager ausgeführt sind,
- einen ersten Sensor, der an einem der Roboterglieder GL_N-a, mit a ∈ {0,1,2} angeordnet ist, und zum Erfassen eines Kraftwinders W ausgeführt ist,
- ein Bediengehäuse, das an einem Roboterglied GL_N-b, mit b≥a, angeordnet ist,
- einen zweiten Sensor, der am Bediengehäuse angeordnet ist und zum Erfassen eines auf das Bediengehäuse aufgebrachten Benutzermoments und/oder einer Benutzerkraft dient,
- eine Recheneinheit, die mit den Lagersensoren und mit dem ersten Sensor und mit dem zweiten Sensor verbunden ist, und dazu ausgeführt ist, mittels eines Dynamikmodells des Robotermanipulators und auf Basis des jeweiligen Lagermoments/Lagerkraft, des Kraftwinders W, und des Benutzermoments und/oder der Benutzerkraft eine erste Sollkraft und/oder ein erstes Sollmoment zur Verschiebung der Roboterglieder GL_n und eine zweite Sollkraft und/oder ein zweites Sollmoment zum Ausüben auf ein externes Objekt durch den Endeffektor zu ermitteln, wobei das Dynamikmodell auf Basis der jeweiligen Lagerposition zumindest Schwerkräfte und Trägheitskräfte umfasst, und
- eine Speichereinheit, die zum Abspeichern der ersten und/oder der zweiten Sollkraft und/oder des ersten und/oder des zweiten Sollmoments ausgeführt ist.

Eine Lagerposition ist insbesondere bestimmt durch eine translatorische Relativposition zwischen zwei Elementen des jeweiligen Lagers, falls das Lager einen translatorischen Freiheitsgrad aufweist. Ferner ist die Lagerposition insbesondere ein Lagerwinkel zwischen zwei Elementen des jeweiligen Lagers, falls das Lager einen rotatorischen Freiheitsgrad aufweist.
Das Dynamikmodell weist bevorzugt eine Differentialgleichung auf, umfassend eine Massenmatrix des Robotermanipulators und eine Trägheitsmatrix mit Coriolistermen sowie mit einem einen Schwerkrafteinfluss auf den Robotermanipulator beschreibenden Term, der wie die Trägheitsmatrix als auch wie die Massenmatrix insbesondere von einer aktuellen Pose (Position und Orientierung des Robotermanipulators, bestimmt durch die einzelnen Lagerpositionen) des Robotermanipulators abhängig ist. Werden die Massenmatrix des Robotermanipulators und die Trägheitsmatrix mit Coriolistermen sowie der den Schwerkrafteinfluss beschreibenden Term mit aktuellen kinematischen Daten verknüpft, führt dies zu den genannten Schwerkräften und Trägheitskräften, wobei die Trägheitskräfte Coriolisbeschleunigungen mit umfassen.
Mit dem Begriff der „Verschiebung“ ist hierbei insbesondere eine gewünschte Bewegung der Roboterglieder GL_n gemeint, die durch den jeweiligen rotatorischen und/oder translatorischen Freiheitsgrad eines an einem jeweiligen der Roboterglieder angeordneten Lagers ermöglicht werden und insbesondere durch entsprechende Ansteuerung von an den Lagern angeordneten Aktoren ermöglicht wird.
Das Bediengehäuse ist bevorzugt als Griff ausgebildet.
Bevorzugt gilt: a ∈ {1,2}; das heißt, der Robotermanipulator weist auf:

- einen ersten Sensor, der an einem der Roboterglieder GL_N-a, mit a ∈ {1,2} angeordnet ist, und zum Erfassen eines Kraftwinders W ausgeführt ist.

Der Kraftwinder W ist bevorzugt ein Spaltenvektor aus erfassten Kräften und erfassten Momenten.
Der erste Sensor und der zweite Sensor weisen bevorzugt jeweils Dehnmessstreifen zum Erfassen einer Dehnung in einem jeweiligen Bauteil auf, wobei die Dehnung über bekannte Materialeigenschaften auf eine jeweils für die Dehnung ursächliche zugehörige Kraft oder ein zugehöriges Moment zurück rechenbar ist.
Der Anlernvorgang wird auch als „Teachen“ bezeichnet. Dies ist ein Anlernvorgang des Robotermanipulators durch manuelle Führung des Robotermanipulators, bevorzugt am Bediengehäuse, um einen gewünschten Bewegungspfad des Robotermanipulators/ Endeffektors/ Endglieds vorzugeben. Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass bei einem solchen Anlernvorgang gleichzeitig zum Vorgeben eines gewünschten Bewegungspfads des Robotermanipulators/ Endeffektors/ Endglieds eine Kraft bzw. ein Moment des Robotermanipulators auf ein Objekt in der Umgebung des Robotermanipulators vorgegeben werden kann, wobei diese Kraft bzw. das Moment dem gewünschten Bewegungspfad zugeordnet werden kann. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass eine Wunschkraft des Endeffektors auf ein Objekt der Umgebung von der Nutzereingabe unterschieden werden kann, und dies unabhängig von der aktuellen Pose des Robotermanipulators möglich ist. Selbst bei einer solchen Ausrichtung von jeweiligen als Knickgelenke ausgebildeten Lagern, dass die daran angeordneten Roboterglieder einen 180°-Winkel bilden und die Knickgelenke direkt dazwischen im Kraftfluss einer auf die Roboterglieder ausgeübten Zug- oder Druckkraft liegen, können durch den erfindungsgemäßen Robotermanipulator eine Wunschkraft des Endeffektors auf ein Objekt der Umgebung von der Benutzerkraft oder des Benutzermoments unterschieden werden. Weiterhin vorteilhaft kann der erste Sensor, insbesondere durch seine Fähigkeit Momente zu erfassen, zumindest einen der ein Moment erfassenden Lagersensoren an dem anliegenden Roboterglied ersetzen, sodass vorteilhaft die Zahl der Sensoren insgesamt nicht erhöht wird, insbesondere durch Einbringen des ersten Sensors. Ferner wird vorteilhaft ein solcher Zusatzsensor vermieden, der unmittelbar am Endeffektor bzw. am distalen Ende des Robotermanipulators ohne Endeffektor verbaut werden müsste, und welcher die Baulänge des Robotermanipulators vergrößern würde und durch seine zusätzliche Nachgiebigkeit die Güte einer Kraftregelung insbesondere durch den dadurch eingebrachten Phasenverzug mindern würde.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Kraftwinder W Kräfte und Momente auf, die auf und um paarweise orthogonal aufeinander stehende Achsen bezogen sind.
Insbesondere sind Kräfte jeweils auf Achsen bezogen und Momente jeweils um Achsen definiert. Beispielsweise ist eine Kraft in einer x-Achse, das heißt x-Richtung, definiert, wohingegen ein Moment beispielsweise um die x-Achse definiert ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Kraftwinder W Kräfte und Momente auf, die auf und um drei paarweise orthogonal aufeinander stehende Achsen bezogen sind.
Drei paarweise orthogonal aufeinander stehende Achsen bilden insbesondere ein kartesisches Koordinatensystem.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dient der zweite Sensor zum Erfassen nur eines auf das Bediengehäuse aufgebrachten Benutzermoments.
Im Gegensatz zur zusätzlichen Erfassung von Benutzerkräften ist in dieser Ausführungsform der zweite Sensor nur zum Erfassen von Benutzermomenten ausgeführt oder alternativ bevorzugt - jedoch gleichwertig - zum Erfassen von Benutzerkräften und Benutzermomenten um und in allen möglichen Achsen, aber zur Verwendung und Ausgabe ausschließlich von Momenten ausgeführt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gilt: a ∈ {1,2}, und wobei die Roboterglieder GL_N-a-1 bis GLN gegeneinander in/um eine Zahl c Bewegungsachsen bewegbar sind, und wobei der zweite Sensor dazu ausgeführt ist, nur Benutzerkräfte/Benutzermomente in/um Achsen aus einer Linearkombination der c Bewegungsachsen zu erfassen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Roboterglieder GL_N-a-1 bis GLN gegeneinander in/um eine Zahl c Bewegungsachsen bewegbar, und wobei der zweite Sensor dazu ausgeführt ist, nur Benutzerkräfte/Benutzermomente in/um Achsen aus einer Linearkombination der c Bewegungsachsen zu erfassen.
In einer Linearkombination werden die c Bewegungsachsen jeweils mit Faktoren multipliziert, wobei auch ein Faktor gleich Null sein kann, so dass die jeweilige der c Bewegungsachsen, die mit Null multipliziert wird, effektiv unbeachtet bleibt.
Sind insbesondere die Roboterglieder GL_N-a-1 bis GLN um die c Bewegungsachsen rotatorisch bewegbar, so ist der zweite Sensor dazu ausgeführt, nur Benutzermomente um Achsen aus einer Linearkombination der c Bewegungsachsen zu erfassen. Sind dagegen insbesondere die Roboterglieder GL_N-a-1 bis GLN in den c Bewegungsachsen translatorisch bewegbar, so ist der zweite Sensor dazu ausgeführt, nur Benutzerkräfte in Achsen aus einer Linearkombination der c Bewegungsachsen zu erfassen. Welche dieser Optionen und welche Kombination dieser Optionen anzuwenden ist, ist insbesondere von dem jeweiligen Freiheitsgrad der zwischen den Robotergliedern GL_N-a-1 bis GLN angeordneten Lager abhängig. Ein Knickgelenk weist insbesondere einen rotatorischen Freiheitsgrad auf, so dass die an das Knickgelenk anschließenden Roboterglieder gegeneinander verschwenkbar sind, wobei „Verschwenken“ eine Überlagerung von Rotation und Translation der Roboterglieder, insbesondere deren Schwerpunkte, bedeutet. Ein Drehlager weist insbesondere einen rotatorischen Freiheitsgrad auf, wobei dieser im Gegensatz zu dem des Knickgelenks zu einer reinen Rotation des daran angeordneten Roboterglieds, wie sie beispielsweise beim Bohren auftritt. Ein Linearlager weist insbesondere einen translatorischen Freiheitsgrad auf, die zu einer Verschiebung der jeweils mit dem Linearlager verbundenen Roboterglieder gegeneinander führt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gilt: a ∈ {1,2}, wobei die Roboterglieder GL_N-a-1 bis GLN gegeneinander um eine Zahl c Rotationsachsen rotatorisch bewegbar sind, und wobei der zweite Sensor dazu ausgeführt ist, nur Benutzermomente um Achsen aus einer Linearkombination der c Rotationsachsen zu erfassen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Roboterglieder GL_N-a-1 bis GLN gegeneinander um eine Zahl c Rotationsachsen rotatorisch bewegbar, wobei der zweite Sensor dazu ausgeführt ist, nur Benutzermomente um Achsen aus einer Linearkombination der c Rotationsachsen zu erfassen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gilt: a ∈ {1,2}, wobei die Roboterglieder GL_N-a-1 bis GLN gegeneinander um eine Zahl c Rotationsachsen rotatorisch bewegbar sind, und wobei der zweite Sensor dazu ausgeführt ist, nur Benutzermomente um zu zumindest einer der c Rotationsachsen parallelen Achse zu erfassen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Roboterglieder GL_N-a-1 bis GLN gegeneinander um eine Zahl c Rotationsachsen rotatorisch bewegbar, wobei der zweite Sensor dazu ausgeführt ist, nur Benutzermomente um zu zumindest einer der c Rotationsachsen parallelen Achse zu erfassen.
Ist in den obigen Fällen davon die Rede, dass der zweite Sensor dazu ausgeführt ist, nur bestimmte Benutzermomente oder Benutzerkräfte zu erfassen, so steht dies insbesondere einer Messung in allen dem Sensor möglichen Achsen gleich, wovon jedoch nur die bestimmen Benutzermomente oder Benutzerkräfte in den weiteren Rechenschritten verwendet werden, und die übrigen ignoriert oder verworfen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Lager jeweils Knickgelenke und/oder Drehlager und/oder Linearlager.
Während ein Knickgelenk zum Verschenken der daran angeordneten Roboterglieder ausgeführt ist und der Begriff des „Verschwenkens“ eine Überlagerung einer Rotationsbewegung mit einer Translationsbewegung beschreibt, bezeichnet der Begriff des „Drehlagers“ ein reines Rotationslager, welches eine alleinige Rotationsbewegung nach sich zieht, wie beispielsweise bei einem Bohrvorgang. Ein Linearlager dagegen erlaubt insbesondere eine translatorische Relativbewegung von an dem Linearlager angeordneten Robotergliedern.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gilt: b=a oder b=a+1.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gilt: b=a+1.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln und Abspeichern einer ersten und/oder einer zweiten Sollkraft und/oder eines ersten und/oder eines zweiten Sollmoments aus einem manuellen Anlernvorgang an einem Robotermanipulator, wobei der Robotermanipulator eine Anzahl N Roboterglieder GL_n, mit n = 1, ..., N und N > 3 aufweist, wobei das Roboterglied GL_n=1 mit einer Roboterbasis verbunden ist, und das Roboterglied GLN ein distales Endglied des Robotermanipulators ist, und zum Aufnehmen eines Endeffektors ausgeführt ist, und wobei die Roboterglieder GL_n paarweise mittels aktuatorisch ansteuerbarer Lager gegeneinander bewegbar sind und ein jeweiliges der Lager einen rotatorischen und/oder translatorischen Freiheitsgrad aufweist, aufweisend die Schritte:

- Erfassen einer Lagerposition und eines Lagermoments/Lagerkraft jeweils in Richtung eines jeweiligen Freiheitsgrades eines jeweiligen der Lager durch an den Lagern angeordnete Lagersensoren,
- Erfassen eines Kraftwinders W durch einen an einem der Roboterglieder GL_N-a, mit a ∈ {0,1,2}, angeordneten ersten Sensor,
- Erfassen eines auf ein Bediengehäuse aufgebrachten Benutzermoments und/oder einer Benutzerkraft durch einen zweiten Sensor, wobei das Bediengehäuse an einem Roboterglied GL_N-b, mit b≥a, angeordnet ist,
- Mittels eines Dynamikmodells des Robotermanipulators und auf Basis des jeweiligen Lagermoments/Lagerkraft, des Kraftwinders W, und des Benutzermoments und/oder der Benutzerkraft: Ermitteln einer ersten Sollkraft und/oder eines ersten Sollmoments zur Verschiebung der Roboterglieder GL_n und einer zweiten Sollkraft und/oder eines zweiten Sollmoments zum Ausüben auf ein externes Objekt durch den Endeffektor mittels einer mit den Lagersensoren und mit dem ersten Sensor und mit dem zweiten Sensor verbundene Recheneinheit, wobei das Dynamikmodell auf Basis der jeweiligen Lagerposition zumindest Schwerkräfte und Trägheitskräfte umfasst, und
- Abspeichern der ersten und/oder der zweiten Sollkraft und/oder des ersten und/oder des zweiten Sollmoments in einer Speichereinheit.

Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Robotermanipulator vorstehend gemachten Ausführungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 einen Robotermanipulator, insbesondere mit einer Recheneinheit zum Ermitteln einer ersten und/oder einer zweiten Sollkraft und eines ersten und/oder eines zweiten Sollmoments aus einem manuellen Anlernvorgang an einem Robotermanipulator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
2 ein Verfahren zum Ermitteln und Abspeichern einer ersten und/oder einer zweiten Sollkraft und/oder eines ersten und/oder eines zweiten Sollmoments aus einem manuellen Anlernvorgang an einem Robotermanipulator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
1 zeigt einen Robotermanipulator 1, aufweisend eine Anzahl N Roboterglieder GL_n, mit n = 1, ..., N und N > 2, wobei das Roboterglied GL_n=1 mit einer Roboterbasis 3 verbunden ist, und das Roboterglied GLN ein distales Endglied des Robotermanipulators 1 ist, und zum Aufnehmen eines Endeffektors 5 ausgeführt ist, und wobei die Roboterglieder GL_n paarweise mittels aktuatorisch ansteuerbarer Lager 7 gegeneinander bewegbar sind und ein jeweiliges der Lager 7 einen rotatorischen Freiheitsgrad aufweist, ferner aufweisend Lagersensoren 9, die an den Lagern 7 angeordnet sind und zum Erfassen einer Lagerposition und eines Lagermoments jeweils in Richtung eines jeweiligen Freiheitsgrades eines jeweiligen der Lager 7 ausgeführt sind, ferner aufweisend einen ersten Sensor 11, der an einem der Roboterglieder GL_N-a , mit a ∈ {1,2}, wobei im gezeigten Fall a=1 ist, angeordnet ist, und zum Erfassen eines Kraftwinders W ausgeführt ist, wobei der Kraftwinder W Kräfte und Momente auf und um paarweise orthogonal aufeinander stehende Achsen aufweist. Ferner weist der Kraftwinder W Kräfte und Momente auf, die auf und um drei paarweise orthogonal aufeinander stehende Achsen eines kartesischen Koordinatensystems bezogen sind. Im gezeigten Fall gilt: a ∈ {1}, was auch als „a=1“ geschrieben werden kann, da die Menge, aus der a stammt, auf ein einziges Element „eins“ beschränkt ist. Ferner weist der Robotermanipulator 1 ein Bediengehäuse 13 auf, das an einem Roboterglied GL_N-b , mit b≥a, angeordnet ist, sowie einen zweiten Sensor 15, der am Bediengehäuse 13 angeordnet ist und zum Erfassen eines auf das Bediengehäuse 13 aufgebrachten Benutzermoments dient, und eine Recheneinheit 17, die mit den Lagersensoren 9 und mit dem ersten Sensor 11 und mit dem zweiten Sensor 15 verbunden ist, und dazu ausgeführt ist, mittels eines Dynamikmodells des Robotermanipulators 1 und auf Basis des jeweiligen Lagermoments, des Kraftwinders W, und des Benutzermoments eine erste Sollkraft und ein erstes Sollmoment zur Verschiebung der Roboterglieder GL_n und eine zweites Sollmoment zum Ausüben auf ein externes Objekt durch den Endeffektor 5 zu ermitteln, wobei das Dynamikmodell auf Basis der jeweiligen Lagerposition zumindest Schwerkräfte und Trägheitskräfte umfasst. Schließlich weist der Robotermanipulator eine Speichereinheit 19, die zum Abspeichern des ersten und des zweiten Sollmoments ausgeführt ist. Die Roboterglieder bis GL_N-a-1 bis GL_N , das heißt die Roboterglieder GL_n=2 bis GL_n=4 , sind gegeneinander um eine Zahl c=2 Bewegungsachsen bewegbar (durch das Gelenk L_k=3 und Gelenk L_k=4 ), wobei der zweite Sensor 15 dazu ausgeführt ist, nur Benutzermomente um Achsen aus einer Linearkombination der c=2 Bewegungsachsen zu erfassen. Im vorliegenden Fall wird nur eines der Momente um die c=2 Bewegungsachsen erfasst, in dem in der Linearkombination der Faktor für den durch das Gelenk L_k=4 ermöglichten Freiheitsgrad zu Null gesetzt wird und der durch das Gelenk L_k=3 ermöglichten Freiheitsgrad durch einen Faktor gleich Eins berücksichtigt wird und darin ein Benutzermoment erfasst wird - wodurch dieses Moment redundant durch den ersten Sensor und den zweiten Sensor erfasst wird. Grundsätzlich und unbeachtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Dynamik eines Robotermanipulators (1) unter folgender Gleichung modellierbar: $M (q) \ddot{q} + C (q, \dot{q}) \dot{q} + G (q) = T_{t o t}$
wobei in (1) sind:

q: ein Vektor von generalisierten Koordinaten;
q̇: eine erste zeitliche Ableitung des Vektors von generalisierten Koordinaten;
q̈: ein zweite zeitliche Ableitung des Vektors von generalisierten Koordinaten;
M: eine Massenmatrix des Robotermanipulators 1;
C: eine Matrix mit Coriolistermen;
G: ein Schwerkrafteinfluss auf den Robotermanipulator 1;
T_tot: ein Vektor aus weiteren auf den Robotermanipulator 1 wirkenden Kräften und Momenten, insbesondere umfassend Antriebsmomente (oder Antriebskräfte im Falle von translatorisch bewegten Linearmotoren), und externe Kräfte und Momente, die insbesondere aus Kontakten des Robotermanipulators 1 mit einem externen Objekt zu Stande kommen.

Die Dynamik aus (1) wird auf Grund der Anordnung in 1 vom ersten Sensor 11, zweitem Sensor 15 und den Lagersensoren 9 in die folgende Form umgeschrieben: $\begin{matrix} M (q) \ddot{q} + C (q, \dot{q}) \dot{q} + G (q) \\ \begin{matrix} = {[τ_{1}, \dots, τ_{K - 2}, τ_{U I} + W [5], W [6]]}^{T} + J_{E E}^{T} (q) W + \sum^{P} & J_{P}^{T} (q) W_{(P, e x t)} \end{matrix} \end{matrix}$
wobei die in Gleichungen (2) und (1) gezeigten Formelzeichen einander entsprechen; ferner sind in (2):

τ_i bis τ_[K-2]: Jeweils ein Skalar eines jeweiligen Lagermoments/Lagerkraft in einem jeweiligen der Lager 7 L_K, wobei K die Anzahl von L_k Lagern 7 wiedergibt, mit k = 1, ..., K und K = N und wobei insbesondere gilt: Das Roboterglied GL_n=1 ist über das Lager 7 L_k=1 mit der Roboterbasis 3 verbunden und an seinem gegenüberliegenden Ende mit dem Lager 7 L_k=2 mit dem sich daran anschließenden Roboterglied GL_n=2 , sodass letztendlich am Roboterglied GL_N=4 das Lager 7 L_k=4 = L_K angeordnet ist;
τ_[UI]: ein auf das Bediengehäuse 13 aufgebrachtes Benutzermoment, soweit wie erfasst vom zweiten Sensor 15; dieses erfasste Benutzermoment ist parallel zur Rotationsachse aus dem rotatorischen Freiheitsgrad des Roboterglieds GL_N-1 = GL_n=3 und wird daher in Zeile N-1 des Vektors [τ₁, ..., τ_K-2, τ_UI + W[5], W[6]]^T eingetragen (der vorletzte Eintrag).
W: Der Kraftwinder W, wobei W[5] und W[6] Komponenten des vom ersten Sensor 11 erfassten Vektors von Kräften und Momenten sind. Im Kraftwinder W werden in den ersten drei Komponenten die erfassten Kräfte und in den weiteren drei Komponenten die erfassten Momente gelistet. W[6] als Moment um die Achse des rotatorischen Freiheitsgrades des Robotergliedes GL₄ trägt im Fall der 1 nicht zur redundanten Messung bei und bildet daher alleinig den letzten Eintrag von [τ₁, ..., τ_K-2, τ_UI + W[5], W[6]]^T
J_EE: Eine Jacobimatrix zum Abbilden des am Roboterglieder GL_N-a , erfassten Kraftwinders W auf die Lager 7 L_k , insbesondere auf ein jeweiliges Lagermoment/ Lagerkraft;
J_P : Eine Jacobimatrix zum Abbilden des am Punkt P gewünschten Kraftwinders W_P,ext auf die Lager 7 L_K , insbesondere auf ein jeweiliges Lagermoment/Lagerkraft;
(·)^T: Das hochgestellte „T“ gibt dabei an jedem Zeichen den Transponierten-Operator vor, welcher einen Zeilenvektor in einen Spaltenvektor abbildet und umgekehrt, und eine Matrix entsprechend transponiert, wie z.B. die jeweilige Jacobimatrix. Gleichung (2) gibt somit das Dynamikmodell des Robotermanipulators 1 an. Durch Auflösen der Gleichung (2) nach Σ^P $J_{P}^{T} (q) W_{(P, e x t)}$
wird somit auf Basis des jeweiligen Lagermoments/ Lagerkraft, des Kraftwinders W, und der Benutzerkraft und/oder des Benutzermoments eine erste Sollkraft und/oder ein erstes Sollmoment zur Verschiebung der Roboterglieder GL_n und eine zweite Sollkraft und/oder ein zweites Sollmoment zum Ausüben auf ein externes Objekt durch den Endeffektor 5 ermittelt.

2 zeigt ein Verfahren zum Ermitteln und Abspeichern einer ersten und/oder einer zweiten Sollkraft und/oder eines ersten und/oder eines zweiten Sollmoments aus einem manuellen Anlernvorgang an einem Robotermanipulator 1, wobei der Robotermanipulator 1 eine Anzahl N Roboterglieder GL_n , mit n = 1, ..., N und N > 2 aufweist, wobei das Roboterglied GL_n=1 mit einer Roboterbasis 3 verbunden ist, und das Roboterglied GLN ein distales Endglied des Robotermanipulators 1 ist, und zum Aufnehmen eines Endeffektors 5 ausgeführt ist, und wobei die Roboterglieder GLn paarweise mittels aktuatorisch ansteuerbarer Lager 7 gegeneinander bewegbar sind und ein jeweiliges der Lager 7 einen rotatorischen und/oder translatorischen Freiheitsgrad aufweist, aufweisend die Schritte:

- Erfassen S1 einer Lagerposition und eines Lagermoments/Lagerkraft jeweils in Richtung eines jeweiligen Freiheitsgrades eines jeweiligen der Lager 7 durch an den Lagern 7 angeordnete Lagersensoren 9,
- Erfassen S2 eines Kraftwinders W durch einen an einem der Roboterglieder GL_N-a , mit a ∈ {0,1,2}, angeordneten ersten Sensor 11,
- Erfassen S3 einer auf ein Bediengehäuse 13 aufgebrachten Benutzerkraft und/oder eines Benutzermoments durch einen zweiten Sensor 15, wobei das Bediengehäuse 13 an einem Roboterglied GL_N-b , mit b≥a, angeordnet ist,
- Mittels eines Dynamikmodells des Robotermanipulators 1 und auf Basis des jeweiligen Lagermoments/Lagerkraft, des Kraftwinders W, und der Benutzerkraft und/oder des Benutzermoments: Ermitteln S4 einer ersten Sollkraft und/oder eines ersten Sollmoments zur Verschiebung der Roboterglieder GL_n und einer zweiten Sollkraft und/oder eines zweiten Sollmoments zum Ausüben auf ein externes Objekt durch den Endeffektor 5 durch eine mit den Lagersensoren 9 und mit dem ersten Sensor 11 und mit dem zweiten Sensor 15 verbundene Recheneinheit 17, wobei das Dynamikmodell auf Basis der jeweiligen Lagerposition zumindest Schwerkräfte und Trägheitskräfte umfasst, und
- Abspeichern S5 der ersten und/oder der zweiten Sollkraft und/oder des ersten und/oder des zweiten Sollmoments in einer Speichereinheit 19.

Bezugszeichenliste

1: Robotermanipulator
3: Roboterbasis
5: Endeffektor
7: Lager
9: Lagersensoren
11: erster Sensor
13: Bediengehäuse
15: zweiter Sensor
17: Recheneinheit
19: Speichereinheit
S1: Erfassen
S2: Erfassen
S3: Erfassen
S4: Ermitteln
S5: Abspeichern

Claims

Robotermanipulator (1), aufweisend: - eine Anzahl N Roboterglieder GL_n, mit n = 1, ..., N und N > 3, wobei das Roboterglied GL_n=1 mit einer Roboterbasis (3) verbunden ist, und das Roboterglied GLN ein distales Endglied des Robotermanipulators (1) ist, und zum Aufnehmen eines Endeffektors (5) ausgeführt ist, und wobei die Roboterglieder GL_n paarweise mittels aktuatorisch ansteuerbarer Lager (7) gegeneinander bewegbar sind und ein jeweiliges der Lager (7) einen rotatorischen und/oder translatorischen Freiheitsgrad aufweist, - Lagersensoren (9), die an den Lagern (7) angeordnet sind und zum Erfassen einer Lagerposition und eines Lagermoments/Lagerkraft jeweils in Richtung eines jeweiligen Freiheitsgrades eines jeweiligen der Lager (7) ausgeführt sind, - einen ersten Sensor (11), der an einem der Roboterglieder GL_N-a, mit a ∈ {0,1,2}, angeordnet ist, und zum Erfassen eines Kraftwinders W ausgeführt ist, - ein Bediengehäuse (13), das an einem Roboterglied GL_N-b, mit b≥a, angeordnet ist, - einen zweiten Sensor (15), der am Bediengehäuse (13) angeordnet ist und zum Erfassen eines auf das Bediengehäuse (13) aufgebrachten Benutzermoments und/oder einer Benutzerkraft dient, - eine Recheneinheit (17), die mit den Lagersensoren (9) und mit dem ersten Sensor (11) und mit dem zweiten Sensor (15) verbunden ist, und dazu ausgeführt ist, mittels eines Dynamikmodells des Robotermanipulators (1) und auf Basis des jeweiligen Lagermoments/Lagerkraft, des Kraftwinders W, und des Benutzermoments und/oder der Benutzerkraft eine erste Sollkraft und/oder ein erstes Sollmoment zur Verschiebung der Roboterglieder GL_n und eine zweite Sollkraft und/oder ein zweites Sollmoment zum Ausüben auf ein externes Objekt durch den Endeffektor (5) zu ermitteln, wobei das Dynamikmodell auf Basis der jeweiligen Lagerposition zumindest Schwerkräfte und Trägheitskräfte umfasst, und - eine Speichereinheit (19), die zum Abspeichern der ersten und/oder der zweiten Sollkraft und/oder des ersten und/oder des zweiten Sollmoments ausgeführt ist.
Robotermanipulator (1) nach Anspruch 1, wobei der Kraftwinder W Kräfte und Momente auf und um paarweise orthogonal aufeinander stehende Achsen aufweist.
Robotermanipulator (1) nach Anspruch 2, wobei der Kraftwinder W Kräfte und Momente auf und um drei paarweise orthogonal aufeinander stehende Achsen aufweist.
Robotermanipulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Sensor (15) zum Erfassen eines auf das Bediengehäuse (13) aufgebrachten Benutzermoments dient.
Robotermanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Roboterglieder GL_N-a-1 bis GLN gegeneinander in/um eine Zahl c Bewegungsachsen bewegbar sind, und wobei der zweite Sensor (15) dazu ausgeführt ist, nur Benutzerkräfte/Benutzermomente in/um Achsen aus einer Linearkombination der c Bewegungsachsen zu erfassen.
Robotermanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Roboterglieder GL_N-a-1 bis GLN gegeneinander um eine Zahl c Rotationsachsen rotatorisch bewegbar sind, und wobei der zweite Sensor (15) dazu ausgeführt ist, nur Benutzermomente um Achsen aus einer Linearkombination der c Rotationsachsen zu erfassen.
Robotermanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Roboterglieder GL_N-a-1 bis GLN gegeneinander um eine Zahl c Rotationsachsen rotatorisch bewegbar sind, und wobei der zweite Sensor (15) dazu ausgeführt ist, nur Benutzermomente um zu zumindest einer der c Rotationsachsen parallelen Achse zu erfassen.
Robotermanipulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lager (7) jeweils Knickgelenke und/oder Drehlager und/oder Linearlager sind.
Robotermanipulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei gilt: b=a oder b=a+1.
Verfahren zum Ermitteln und Abspeichern einer ersten und/oder einer zweiten Sollkraft und/oder eines ersten und/oder eines zweiten Sollmoments aus einem manuellen Anlernvorgang an einem Robotermanipulator (1), wobei der Robotermanipulator (1) eine Anzahl N Roboterglieder GL_n, mit n = 1, ..., N und N > 3 aufweist, wobei das Roboterglied GL_n=1 mit einer Roboterbasis (3) verbunden ist, und das Roboterglied GLN ein distales Endglied des Robotermanipulators (1) ist, und zum Aufnehmen eines Endeffektors (5) ausgeführt ist, und wobei die Roboterglieder GL_n paarweise mittels aktuatorisch ansteuerbarer Lager (7) gegeneinander bewegbar sind und ein jeweiliges der Lager (7) einen rotatorischen und/oder translatorischen Freiheitsgrad aufweist, aufweisend die Schritte: - Erfassen (S1) einer Lagerposition und eines Lagermoments/Lagerkraft jeweils in Richtung eines jeweiligen Freiheitsgrades eines jeweiligen der Lager (7) durch an den Lagern (7) angeordnete Lagersensoren (9), - Erfassen (S2) eines Kraftwinders W durch einen an einem der Roboterglieder GL_N-a, mit a ∈ {0,1,2}, angeordneten ersten Sensor (11), - Erfassen (S3) einer auf ein Bediengehäuse (13) aufgebrachten Benutzerkraft und/oder eines Benutzermoments durch einen zweiten Sensor (15), wobei das Bediengehäuse (13) an einem Roboterglied GL_N-b, mit b≥a, angeordnet ist, - Mittels eines Dynamikmodells des Robotermanipulators (1) und auf Basis des jeweiligen Lagermoments/Lagerkraft, des Kraftwinders W, und der Benutzerkraft und/oder des Benutzermoments: Ermitteln (S4) einer ersten Sollkraft und/oder eines ersten Sollmoments zur Verschiebung der Roboterglieder GL_n und einer zweiten Sollkraft und/oder eines zweiten Sollmoments zum Ausüben auf ein externes Objekt durch den Endeffektor (5) durch eine mit den Lagersensoren (9) und mit dem ersten Sensor (11) und mit dem zweiten Sensor (15) verbundene Recheneinheit (17), wobei das Dynamikmodell auf Basis der jeweiligen Lagerposition zumindest Schwerkräfte und Trägheitskräfte umfasst, und - Abspeichern (S5) der ersten und/oder der zweiten Sollkraft und/oder des ersten und/oder des zweiten Sollmoments in einer Speichereinheit (19).