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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboter und ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Roboters.
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Mittels Roboter, insbesondere auch Roboter der Leichtbauweise, können unterschiedliche Tätigkeiten verrichtet werden. Das Spektrum reicht von einfachen Pick & Place-Tätigkeiten über Bearbeitungen von Werkstücken und das Heben bzw. Tragen von Gegenständen bis zu Interaktionen mit dem menschlichen Körper, wie beispielsweise in der Chirurgie.
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Grundsätzlich ist es auch bekannt, dass Roboter, sei es positionsgeregelte Industrieroboter oder kraft- und/oder momentgeregelte Manipulatoren, zusätzliche Kraftsensoren oder Kraftmesseinrichtungen aufweisen, die ausgebildet und eingerichtet sind, beim Teachen, bei der Positionsregelung oder bei der Bewegungssteuerung in einer entsprechenden Weise Einfluss zu nehmen.
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Aus der
DE 10 2015 004 484 A1 ist beispielweise ein positionsgeregeltes Robotersystem bekannt, bei dem am Ende des Roboterarms ein Kraftsensor vorgesehen ist, der in der Lage ist, eine durch einen Benutzer an diesem Ende aufgebrachte Eingabekraft zu erfassen mit dem Ziel, dadurch die Sollposition des Roboterarms zu ändern. Entsprechende Informationen in Bezug auf das Gewicht bzw. die Masse eines durch den Roboterarm gehaltenen Gegenstands bzw. Werkzeugs müssen der Steuerung des Robotersystems vorab mitgeteilt werden, damit die Positionssteuerung überhaupt durchführbar ist.
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Des Weiteren ist es aus der
DE 10 2015 214 170 A1 bekannt, für zumindest ein Glied eines mehrgliedrigen Roboterarms eine Kraftmesseinrichtung vorzusehen, die mit Strukturbauteilen des Glieds oder von angrenzenden Gliedern zusammenwirkt und ausgebildet ist, eine Kraft an dem Glied in einer vorgegebenen Richtung zu messen mit dem Ziel, die Positioniergenauigkeit des Roboters zu verbessern.
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Aus der
DE 10 2012 017 328 B4 ist ein Industrieroboter bekannt, der ausgebildet ist, die Masse eines durch diesen gehaltenen Objekts zu bestimmen, indem der Roboter eigenständige Bewegungen ausführt und die Beschleunigungen in Bezug auf das Objekt als Berechnungsgrundlage für die Masse herangezogen werden.
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Allgemein sind aus dem Stand der Technik bei Robotern diverse Kraftsensoren bekannt, die in der Lage sind, die von außen auf den Roboter einwirkenden Kräfte zu messen. Keines der bekannten Systeme ist jedoch ausgelegt, derartige Kräfte zur Bestimmung der Eigenschaften eines von dem Roboterarm gegriffenen oder gehaltenen Objekts oder eines Objekts, mit dem der Roboterarm interagiert, insbesondere in Kontakt tritt, weitergehend, insbesondere im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kollaboration zu nutzen.
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Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Kraftmesseinrichtung, die mit einem Roboterarm zusammenwirkt, einer neuen Auswertungsmöglichkeit zuzuführen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein entsprechendes Steuerverfahren zur Verfügung zu stellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Roboter nach Anspruch 1 sowie mit einem Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Roboters nach Anspruch 11.
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In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Roboter mit einem Roboterarm, der zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Achsen bzw. Glieder aufweist und ausgebildet ist, mit einem Objekt zu interagieren, und der zumindest eine Sensoreinrichtung zur Kraft- und/oder Momenterfassung aufweist, wobei zumindest eine Kraftmessvorrichtung vorgesehen ist, die ausgebildet ist, eine Kraft in Bezug auf das Objekt zu messen, die resultiert, wenn ein Benutzer den Roboterarm im Freiraum führt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kraftmessvorrichtung ausgebildet, eine durch das Objekt resultierende bzw. ausgeübte Gravitationskraft zu messen, wenn der Benutzer den Roboterarm in seinem gravitationskompensierten Zustand im Freiraum führt, wodurch sich dann die Masse bzw. das Gewicht des Objekts bestimmen lässt.
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Unter Roboter im Sinne der Erfindung kann ein Industrieroboter oder auch ein Knickarmroboter der Leichtbauweise mit insbesondere zumindest sechs seriell aufeinander folgenden Drehachsen verstanden werden. Gemäß der Erfindung soll es sich jedoch vorzugsweise um einen Roboter handeln, der kraft- und/oder momentengeregelt statt lediglich positionsgeregelt betrieben werden kann und für eine Mensch-Roboter-Kollaboration ausgelegt ist.
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Derartige Leichtbauroboter sind in der Regel über die Sensoreinrichtung ausgelegt, auf diverse externe Krafteinwirkungen in geeigneter Weise zu reagieren, wobei die Sensoreinrichtung durch jeweils an den Gelenken angeordnete bzw. in den Antrieben der Gelenke implementierte Drehmomentsensoren gebildet wird, wodurch Drehmomente und/oder Kräfte in mehreren Raumrichtungen erfasst bzw. gemessen werden können. Alternativ oder ergänzend können die externen Kräfte auch anhand der gemessenen Motorströme der Antriebe an den Gelenken des Leichtbauroboters abgeschätzt werden. Als Regelungskonzepte können beispielsweise eine indirekte Kraftregelung durch Modellierung des Leichtbauroboters als mechanischer Widerstand (Impedanzregelung) oder eine direkte Kraftregelung verwendet werden.
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Der Roboter ist des Weiteren dazu eingerichtet, eine für die sichere Mensch-Roboter-Kollaboration geeignete Nachgiebigkeit des Roboterarms bei Bedarf zur Verfügung zu stellen, was einen Handfahrbetrieb durch den Benutzer ermöglicht, d.h. der Roboterarm kann durch den Benutzer im freien Raum beliebig manuell bewegt und dadurch gezielt geführt werden, wobei sich die Gelenke, ggfs. in Abhängigkeit vorgegebener Steifigkeitsparametrierungen, und damit die Glieder des Roboterarms entsprechend verstellen lassen.
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Des Weiteren ist unter Freiraum im Sinne der Erfindung derjenige freie Raum zu verstehen, innerhalb von welchem der Roboterarm in Bezug auf seinen gesamten, durch seine Kinematik abdeckbaren Bewegungsraum frei beweglich ist, ohne mit stationären Strukturen, bspw. einer Ablage, entweder unmittelbar oder mittelbar über ein durch diesen gegriffenes Objekt in einen Kontakt zu gelangen.
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Der Kern der Erfindung liegt folglich darin, dass die zumindest eine weitere Kraftmesseinrichtung, die prinzipiell beliebig ausgestaltet sein kann, ausgebildet ist, eine durch den Benutzer auf den Roboterarm und nicht auf ein durch diesen gehaltenes Objekt ausgeübte Kraft zu messen, und zwar nur, während der Benutzer den Roboterarm gleichzeitig im Freiraum manuell führt.
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Hierzu ist eine Robotersteuerung vorgesehen, die ausgebildet ist, die mittels der Kraftmessvorrichtung gemessene Kraft zu erfassen und darüber hinaus die durch den Roboterarm im Rahmen der Interaktion mit dem Objekt ausgeübten Antriebskräfte und/oder Antriebsmomente der Antriebe in den Gelenken zwischen den Achsen bzw. Gliedern von der mittels der Kraftmessvorrichtung gemessenen Kraft zu unterscheiden.
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Die Kraftmesseinrichtung kann in jeder bekannten Ausführung eines Kraftsensors realisiert sein und insbesondere mehrere Freiheitsgrade umfassen. Kraftmessung im Sinne der Erfindung kann hierbei auch eine Momentenmessung beinhalten.
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In einer Ausführungsform kann die zumindest eine Kraftmessvorrichtung an der äußeren Gehäusestruktur des Roboterarms angeordnet sein, bspw. an den Gehäuseschalen eines Manipulators. Weist der Roboterarm einen Endeffektor zur Interaktion mit dem Objekt auf, kann die Kraftmessvorrichtung an dem Endeffektor angeordnet oder vorzugsweise in diesem integriert sein. Denkbar ist auch, dass der Roboterarm, vorzugsweise an seinem distalen Ende, eine Eingabevorrichtung für den Benutzer zur Steuerung und/oder Programmierung des Roboters aufweist, wobei die Kraftmessvorrichtung an der Eingabevorrichtung angeordnet oder vorzugsweise in dieser integriert sein kann.
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In einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung kann die Kraftmessvorrichtung im Inneren der Gehäusestruktur des Roboterarms angeordnet sein. Denkbar ist die Anordnung an Strukturbauteilen im Inneren von Gehäuseschalen eines Manipulators. Vorzugsweise kann die Kraftmessvorrichtung in die bestehende Sensoreinrichtung in den Gelenken zwischen Achsgliedern integriert sein, wobei entweder hierfür zusätzliche Sensoren zum Einsatz kommen oder die bestehenden Drehmoment- und/oder Kraftsensoren in den Gelenken regelungstechnisch über entsprechende Algorithmen eine Auswertung zulassen derart, dass die Robotersteuerung in die Lage versetzt wird, zwischen der extern von dem Benutzer ausgeübten Kraft bzw. dem ausgeübten Moment u.a. beim Führen des Roboterarms und den jeweils vorherrschenden Antriebskräften und/oder Antriebsmomenten, auch in Bezug auf eine aktivierte Gravitationskompensation, eindeutig zu unterscheiden.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung daher ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Roboters mit einem Roboterarm, der zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Achsen bzw. Glieder aufweist und ausgebildet ist, mit einem Objekt zu interagieren, und der zumindest eine Sensoreinrichtung zur Kraft- und/oder Momentenerfassung aufweist, wobei zumindest eine Kraftmessvorrichtung vorgesehen ist, mit den Schritten:
- - Aktivieren eines gravitationskompensierten Zustands für den Roboterarm;
- - Greifen des Objekts durch den Roboterarm;
- - Führen des Roboterarms in einem Freiraum mittels einer von einem Benutzer auf den Roboterarm aufgebrachten Kraft und/oder mittels eines von dem Benutzer auf den Roboterarm aufgebrachten Moments; und
- - Erfassen des Gewichts des Objekts durch die Kraftmessvorrichtung, wenn der Benutzer den Roboterarm im Freiraum bewegt oder hält.
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Wurde das Gewicht des gegriffenen bzw. gehaltenen Objekts erstmalig, einmalig oder fortlaufend, durch die implementierte Robotersteuerung erfasst, wird der so gesteuerte Roboter in die Lage versetzt, durch den Roboterarm in Bezug auf das gemessene Gewicht des Objekts eine aktive Gewichtskompensation auszuüben. Hierzu werden die Antriebe in den Gelenken des Roboterarms so angesteuert, ggfs. zusätzlich zu einer aktivierten Gravitationskompensation, dass der Benutzer den Roboterarm zusammen mit dem durch diesen gegriffenen Objekt mühelos im freien Raum bspw. zwischen verschiedenen Positionen führen kann. Bei aktivierter Gewichtskompensation ist der Roboterarm darüber hinaus auch in der Lage, eigenständige Operationen in Verbindung mit dem Objekt (z. Bsp. eigengesteuerte Bewegungen, Entlangführen des Objekts an Flächen, Bewegung des Objekts relativ zu einem Werkzeug usw.) durchzuführen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Roboterarm so ausgebildet, dass beim Führen des Roboterarms durch den Benutzer im Freiraum durch den Roboterarm eine Kraftverstärkung nach Maßgabe von vorbestimmten Umwandlungsfaktoren ausgeübt werden kann, die sowohl auf das freie Führen im Raum zum Zweck der Gewichtsermittlung des Objekts als auch auf ein Führen zur Ausführung bzw. Realisierung von Arbeitsschritten mittels des Objekts angewandt werden kann, wobei sich die Umwandlungsfaktoren u.a. auch aus dem gemessenen Gewicht des Objekts bestimmen. Eine derartige Kraftverstärkung kann beispielsweise realisiert werden, wie diese in dem nicht-veröffentlichten
Deutschen Patent Nr. 10 2017 124 356.9 der Anmelderin beschrieben ist, auf dessen Offenbarungsgehalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die mittels der Kraftmessvorrichtung gemessenen Gewichtswerte des Objekts mit für das definierte Objekt hinterlegten Gewichtssoll- und/oder-Gewichtstoleranzbereichswerten verglichen werden, die in einem Speicher der Robotersteuerung abgelegt sind. Auf diese Art und Weise kann der Roboterarm als eine Wägezelle fungieren, um vorgebebene Gewichtswerte oder -bereiche zu überprüfen. Die Ergebnisse einer solchen Überprüfung können dem Benutzer, vorzugsweise über eine Eingabevorrichtung, audiovisuell oder haptisch, bspw. durch Vibrieren des Roboterarms, übermittelt werden.
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Indem der Roboter, insbesondere ergänzend zu Drehmoment- und/oder Kraftmesssensoren in den Gelenken des Roboterarms, zumindest eine erfindungsgemäße, insbesondere separate Kraftmesseinrichtung aufweist, die sich an beliebiger Stelle inner- oder außerhalb der kinematischen und Gehäusestruktur des Roboterarms anbringen lässt, kann im Prinzip in Bezug auf Kräfte, die auf den Roboterarm wirken, unterschieden werden, ob diese künstlich durch einen Benutzer oder im Betrieb von einem Objekt oder einer Umgebung, bspw. bei Kontakt, aufgebracht werden.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Roboters mit einer autark, d.h. getrennt von der bereits im Roboter implementierten separaten Sensorvorrichtung, die sich aus der Gesamtheit aller in den Gelenken zwischen den Gliedern angeordneten Dreh- und/oder Kraftsensoren zusammensetzen kann, fungierenden Kraftmesseinrichtung wird es erstmalig möglich, die auf den Roboterarm wirkenden externen Kräfte in eine benutzerinduzierte, d.h. menschliche Kraft und eine objektabhängige Umgebungskraft zu zerlegen.
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Diese erfindungsgemäße Unterscheidung in Bezug auf die externen Kräfte ermöglicht unterschiedliche Anwendungen für einen solchen Roboter.
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Beispielsweise kann ein derart kraft- und/oder drehmomentgeregelter, d.h. nachgiebigkeitsgeregelter Roboter mit zumindest einer zusätzlichen autarken Kraftmesseinrichtung in der Funktion einer Wägezelle bei der Qualitätskontrolle eingesetzt werden, bei der das Gewicht bzw. die Masse eines zu fassenden und bewegenden Objekts als qualitätsbestimmender Parameter herangezogen werden soll.
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So ist es möglich, dass ein Benutzer den Roboterarm in seinem gravitationskompensierten Zustand führt, so dass durch einen Greifer am Ende des Roboterarms ein Gegenstand aufgenommen wird, und der Benutzer den Roboterarm zusammen mit dem gegriffenen Gegenstand in den Freiraum anhebt. Der Roboterarm insgesamt fungiert sozusagen als Greifmittel, mit Hilfe von welchem der Benutzer den Gegenstand anhebt. Dies kann optional auch bei aktivierter Kraftverstärkung durch den Roboterarm durchgeführt werden. Im Freiraum kann das Gewicht des aufgenommenen Gegenstandes dann durch die Kraftmesseinrichtung detektiert oder im Rahmen einer anschließenden Auswertung in Abhängigkeit des durch die Kraftmesseinrichtung aufgenommenen Wertes geschätzt werden. Liegt dann das Gewicht außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereiches, der in einem Speicher der Robotersteuerung abgelegt ist, kann das Objekt direkt als mangelhaft aussortiert werden.
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Beispielhaft lässt sich dieses Vorgehen anwenden bei der Überprüfung der Anzahl von Einzelteilen (wie Schrauben), wobei ein vorab definierter Massewert mit einer richtigen Anzahl von Einzelteilen korreliert, während der Überführung in eine hierfür vorgesehene Verpackung (wie Schraubenbox) oder bei der Überprüfung der Füllmenge eines Flüssigkeitsbehälters beim Überführen oder Anheben mittels des Roboterarms. Somit wird es u.a. möglich, eine derartige Qualitätskontrolle quasi automatisch durchzuführen, wenn ein Produkt umgeladen oder in eine Verpackung für den Weitertransport angehoben werden soll.
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Ein weiterer Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Systems betrifft die automatische Kompensation von durch den Roboterarm aufgenommenen Lasten.
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Auch hier führt der Benutzer den Roboterarm in seinem gravitationskompensierten Modus derart, dass ein Gegenstand aufgenommen und angehoben wird, was wiederum optional bei aktivierter Kraftverstärkung erfolgen kann. Im Freiraum kann das Gewicht des aufgenommenen Gegenstandes wieder gemessen oder geschätzt werden, wobei das so erhaltene Gewicht des Objektes dann im weiteren Bewegungsverlauf des Roboterarms durch diesen, und zwar durch die Aufbringung entsprechender Gegenkräfte und/oder -momente in den Antrieben der Gelenke, aktiv kompensiert werden kann. Dabei bringt der Roboterarm eine der Gewichtskraft des Objekts entgegengesetzt wirkende, roboterseitige Betätigungskraft auf. Bei aktiver Kompensation des Gewichtes kann der Roboter dann mühelos vom Benutzer durch den Raum geführt werden oder der Roboterarm führt unter Anwendung der so erzielten Gewichtskompensation eigenständig Operationen aus.
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Mit anderen Worten, wird der Roboterarm während der Erfassung des Gewichtes von der Bedienperson geführt und bewegt sich zunächst nicht eigenständig. Die Bedienperson muss also zu Beginn selbst die zusätzliche Kraft auf den Roboterarm aufbringen, um das Gewicht anheben zu können. Anschließend kann optional das gemessene Gewicht in die Gewichtskompensation mit einbezogen werden, sowohl für von der Bedienperson durchgeführte Bewegungen als auch für eigenständige Bewegungen des Roboterarms.
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Es wird deutlich, dass durch das Vorsehen zumindest einer weiteren Kraftmessvorrichtung und einer entsprechenden Auswertesteuerung das Einsatzspektrum einer Mensch-Roboter-Kollaboration insbesondere für derartige Roboter erweitert werden kann.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des anhand der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
- 1 schematisch einen Roboter gemäß der Erfindung;
- 2 schematisch ein manuelles Führen des Roboter zur Bestimmung des Gewichts eines Objekts; und
- 3 schematisch eine eigengesteuerte Bewegung des Roboters unter Kompensation des Gewichts des Objekts.
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In der 1 ist schematisch das Prinzip der Erfindung dargestellt.
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Ein 7-achsiger Gelenkarmroboter weist einen Roboterarm 1 bestehend aus mehreren Gliedern 2 und an seinem distalen Ende eine Eingabevorrichtung 3 auf, der gegenüberliegend ein Greifmechanismus 4 vorgesehen ist, mit Hilfe von welchem der Roboter 1 ein Objekt 7 greifen kann.
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Der Roboter 1 ist mit einer Steuerung 6 versehen, die mit einer Sensoreinrichtung (nicht gezeigt) zusammenwirkt, die sich aus der Gesamtheit aller Kraft- und/oder Drehmomentsensoren in den Antrieben in den Gelenken zwischen den einzelnen Gliedern 2 zusammensetzt und die eine Nachgiebigkeitsregelung des Roboterarms 1 ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung weist der Roboterarm 1 zumindest eine weitere Kraftmessvorrichtung 5 beliebiger Ausgestaltung auf, die an irgendeiner Stelle des Roboterarms 1 intern oder extern angebracht sein kann (hier exemplarisch gezeigt in Verbindung mit der Eingabevorrichtung 3).
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Der Roboterarm 1 ist in seinem gravitationskompensierten Modus durch einen Benutzer (Hand) im Freiraum S frei beweglich führbar, so dass das Objekt 7 gegriffen werden kann.
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Mit gegriffenem Objekt 7 ist der Benutzer in der Lage, mittels des Roboterarms 1 das Objekt 7 anzuheben und in den Freiraum S zu führen oder dort zu halten, wie die 2 exemplarisch zeigt. Da der Roboterarm 1 im gravitationskompensierten Zustand vorliegt, entspricht die manuell aufgebrachte Hebekraft FH damit der durch das Objekt 7 ausgeübten Gravitationskraft FO , die im Folgenden dann durch die Kraftmessvorrichtung 5 gemessen werden kann. Der Roboterarm 1 fungiert hier folglich als eine Wägezelle für das Objekt 7. So kann der so bestimmte Gewichtsparameter auf einfache Art und Weise im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kollaboration, bspw. zum Prüfen des Gewichts eines Bauteils beim Verpacken, Einfluss nehmen.
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Das durch die Kraftmessvorrichtung 5 bestimmte Gewicht kann im Folgenden jedoch auch herangezogen werden, um bei eigengesteuerten Bewegungen mittels des Roboterarms 1 eine aktive Gewichtskompensation zu bewirken, indem die Antriebe in den Gelenken über entsprechende Antriebskräfte und/oder - momente eine der Gewichtskraft des Objekts 7 entgegengesetzt wirkende Kompensationskraft FR ausüben, wie die 3 exemplarisch zeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015004484 A1 [0004]
- DE 102015214170 A1 [0005]
- DE 102012017328 B4 [0006]
- DE 102017124356 [0023]
