DE102019102798A1

DE102019102798A1 - Kombinieren zweier einzelner Robotermanipulatoren zu einem Robotersystem durch Kalibrieren

Info

Publication number: DE102019102798A1
Application number: DE102019102798.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Wahrmann Lockhart; Andreas Spenninger; Mohamadreza Sabaghian; Christoph Jähne; Zheng Qu; Thore Goll; Ahmed Wafik; Benjamin Loinger
Original assignee: Franka Emika GmbH
Current assignee: Franka Emika GmbH
Priority date: 2019-02-05
Filing date: 2019-02-05
Publication date: 2020-08-06
Also published as: WO2020161037A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines ersten Robotermanipulators (10) zu einem zweiten Robotermanipulator (20), aufweisend die Schritte:- Unter Erfassung (S2) von Gelenkwinkeln durch eine erste Posenerfassungseinheit (12): Bewegen (S1) des ersten Robotermanipulators (10) über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib eines ersten Referenzpunktes (11) an einem vorgegebenen Kalibrierpunkt (30),- Unter Erfassung (S4) von Gelenkwinkeln durch eine zweite Posenerfassungseinheit (22): Bewegen (S3) des zweiten Robotermanipulators (20) über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib eines zweiten Referenzpunktes (21) an dem Kalibrierpunkt (30),- Für jede aus der Vielzahl der Posen: Ermitteln (S5) einer kinematischen Kette, welche von einem am ersten Robotermanipulators (10) fixierten Anfangspunkt entlang der Glieder des ersten Robotermanipulators (10) bis zum Kalibrierpunkt (30) und weiter entlang der Glieder des zweiten Robotermanipulators (20) zu einem am zweiten Robotermanipulator (20) fixierten Endpunkt verläuft, und Ermitteln einer relativen Position zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt und einer relativen Orientierung des Gliedes oder der Basis (13) des Anfangspunktes und des Gliedes oder der Basis (23) des Endpunktes, und- Ermitteln und Abspeichern (S6) einer ausgemittelten relativen Orientierung und einer ausgemittelten relativen Position.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Robotersystems mit einem ersten Robotermanipulator und mit einem zweiten Robotermanipulator sowie ein Robotersystem mit einem ersten Robotermanipulator und mit einem zweiten Robotermanipulator, und insbesondere mit einer Recheneinheit zum Kalibrieren des Robotersystems.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Robotersystem bestehend aus einem ersten Robotermanipulator und einem zweiten Robotermanipulator derart gegeneinander zu kalibrieren, sodass die Robotermanipulatoren des Robotersystems präzise kooperative Aufgaben erledigen können.
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 ein Verfahren zum Kalibrieren eines Robotersystems mit einem ersten Robotermanipulator und mit einem zweiten Robotermanipulator, aufweisend die Schritte:

- Bewegen des ersten Robotermanipulators über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib eines ersten Referenzpunktes des ersten Robotermanipulators an einem vorgegebenen Kalibrierpunkt,
- Erfassen von Gelenkwinkeln des ersten Robotermanipulators in jeder der Vielzahl der Posen des ersten Robotermanipulators durch eine erste Posenerfassungseinheit,
- Bewegen des zweiten Robotermanipulators über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib eines zweiten Referenzpunktes des zweiten Robotermanipulators an dem vorgegebenen Kalibrierpunkt,
- Erfassen von Gelenkwinkeln des zweiten Robotermanipulators in jeder der Vielzahl der Posen des zweiten Robotermanipulators durch eine zweite Posenerfassungseinheit,
- Für jede aus der Vielzahl der Posen des ersten Robotermanipulators und aus der Vielzahl der Posen des zweiten Robotermanipulators: Ermitteln einer durch die jeweiligen Gelenkwinkel und die jeweilige Geometrie von Gliedern des ersten Robotermanipulators und des zweiten Robotermanipulators bestimmte kinematischen Kette, wobei die kinematische Kette von einem an einem Glied oder an einer Basis des ersten Robotermanipulators fixierten Anfangspunkt entlang der Glieder des ersten Robotermanipulators in einer auf ein distales Ende des ersten Robotermanipulators zugewandten Richtung bis zum Kalibrierpunkt und vom Kalibrierpunkt entlang der Glieder des zweiten Robotermanipulators in einer zu einer Basis des zweiten Robotermanipulators zugewandten Richtung zu einem an einem Glied oder an der Basis des zweiten Robotermanipulators fixierten Endpunkt verläuft, und Ermitteln einer relativen Position zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt der kinematischen Kette und einer relativen Orientierung des Gliedes oder der Basis des Anfangspunktes und des Gliedes oder der Basis des Endpunktes,
- Ermitteln einer ausgemittelten relativen Orientierung und einer ausgemittelten relativen Position durch Mitteln der für die Posen des ersten Robotermanipulators und für die Posen des zweiten Robotermanipulators jeweils ermittelten relativen Positionen und relativen Orientierungen und Abspeichern der ausgemittelten relativen Orientierung und der ausgemittelten relativen Position.

Das Bewegen des ersten Robotermanipulators über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib des ersten Referenzpunktes des ersten Robotermanipulators an dem vorgegebenen Kalibrierpunkt erfolgt insbesondere durch Bewegen von Gliedern des ersten Robotermanipulators zwischen der Basis des ersten Robotermanipulators und dem ersten Referenzpunkt, und das Bewegen des zweiten Robotermanipulators über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib des zweiten Referenzpunktes des zweiten Robotermanipulators an einem vorgegebenen Kalibrierpunkt erfolgt insbesondere durch Bewegen von Gliedern des zweiten Robotermanipulators zwischen der Basis des zweiten Robotermanipulators und dem zweiten Referenzpunkt. Die jeweilige durch Bewegung sich ändernde Pose anderer Glieder wird nicht in der kinematischen Kette berücksichtigt, sodass die Bewegung der Glieder zum distalen Ende hin gesehen nach dem Referenzpunk des jeweiligen Robotermanipulators für das Verfahren irrelevant ist. Befindet sich jedoch der jeweilige Referenzpunkt vorteilhaft am jeweiligen distalen Ende des jeweiligen Robotermanipulators, insbesondere an dem jeweiligen Endeffektor des jeweiligen Robotermanipulators, und der Anfangspunkt und der Endpunkt in einer jeweiligen Basis, so sind automatisch die Posen aller Glieder des jeweiligen Robotermanipulators im kinematische Sinne Teil der kinematischen Kette.
Bevorzugt weist der erste Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundene Glieder und die erste Posenerfassungseinheit zum Erfassen von Gelenkwinkeln des ersten Robotermanipulators auf und der zweite Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundene Glieder und die zweite Posenerfassungseinheit zum Erfassen von Gelenkwinkeln des zweiten Robotermanipulators. Bevorzugt weisen die Gelenke Aktuatoren zum Verkippen oder Verdrehen von an einem jeweiligen Gelenk angeordneten Gliedern auf. Die Aktuatoren an den Gelenken sind bevorzugt elektrische Motoren. Durch Ansteuern der Aktuatoren werden die durch ein jeweiliges Gelenk miteinander verbundenen Glieder des Robotermanipulators gegeneinander verkippt oder verdreht. Die Gelenke sind daher insbesondere durch eine mit dem Robotermanipulator verbundene Recheneinheit ansteuerbar. Eine Pose des jeweiligen Robotermanipulators umfasst hierbei einen Satz aus Position und Orientierung für die Gelenke und weitere Elemente eines jeweiligen Robotermanipulators, wobei ein jeweiliger Satz aus Position und Orientierung insbesondere über die Gelenkwinkel von Gelenken, die die jeweiligen Glieder des jeweiligen Robotermanipulators miteinander verbinden, eindeutig bestimmt ist.
Das Bewegen des ersten Robotermanipulators und das Bewegen des zweiten Robotermanipulators erfolgen insbesondere durch manuelles Führen des jeweiligen Robotermanipulators. Bevorzugt ist der jeweilige Robotermanipulator beim manuellen Führen schwerkraftkompensiert angesteuert, sodass der jeweilige Robotermanipulator frei im Raum bewegbar ist, die Schwerkraft aber keine Beschleunigung des jeweiligen Robotermanipulators nach sich zieht. Alternativ dazu erfolgt bevorzugt das Bewegen des ersten Robotermanipulators und des zweiten Robotermanipulators durch eine entsprechende Ansteuerung der jeweiligen Aktuatoren des jeweiligen Robotermanipulators durch eine jeweilige Steuereinheit und gemäß einem vorgegebenen Steuerprogramm.
Bevorzugt ist der erste Referenzpunkt auf einem Endeffektor des ersten Robotermanipulators angeordnet, das heißt am distalen Ende des ersten Robotermanipulators. Weiterhin bevorzugt ist der zweite Referenzpunkt auf einem Endeffektor des zweiten Robotermanipulators angeordnet, das heißt am distalen Ende des zweiten Robotermanipulators.
Bevorzugt ist der Anfangspunkt der kinematischen Kette an einer Basis des ersten Robotermanipulators angeordnet. Weiterhin bevorzugt ist der Endpunkt der kinematischen Kette an einer Basis zweiten Robotermanipulators angeordnet.
Der Anfangspunkt und der Endpunkt der kinematischen Kette sind dabei beliebig vertauschbar, da die kinematische Kette nicht auf einer Richtungsinformation zur Laufrichtung auf der kinematischen Kette beruht, sondern lediglich auf den geometrischen Zusammenhängen zwischen den Gliedern und den Gelenkwinkeln zwischen den Gliedern.
Bevorzugt erfolgt das Abspeichern der ausgemittelten relativen Orientierung und der ausgemittelten relativen Position in einer Speichereinheit.
Eine kinematische Kette im Sinne der Erfindung gibt insbesondere die Verknüpfung der Geometrie der Glieder eines jeweiligen Robotermanipulators mit den aktuellen Zuständen in den Freiheitsgraden an, in denen die Glieder gegeneinander bewegbar sind. In anderen Worten liefert die Information über die Position eines Anfangspunktes der kinematischen Kette zusammen mit allen Gelenkwinkeln zwischen den Gliedern und mit der Information über die Geometrie der Glieder, insbesondere eine jeweilige Länge der Glieder, eindeutig die Position eines Endpunktes der kinematischen Kette. Die kinematische Kette dient daher auch als Grundlage zur Koordinatensystemtransformation, insbesondere nach der Denavit-Hartenberg Konvention, welche eine Verschiebung und eine Orientierungsänderung in die Transformation mit einschließt, zwischen zwei körperfest an einem der Robotermanipulatoren oder auf unterschiedlichen Robotermanipulatoren gedacht angeordneten Koordinatensystemen. Die kinematische Kette verläuft insbesondere entlang der Glieder eines jeweiligen Robotermanipulators entsprechend der aktuellen Gelenkwinkel des jeweiligen Robotermanipulators.
Befindet sich der Kalibrierpunkt nicht körperfest an einem der Robotermanipulatoren, sondern in einer Umgebung der beiden Robotermanipulatoren und ortsbekannt insbesondere bezüglich eines erdfesten Koordinatensystems, so kann dennoch eine kinematische Kette von der Basis des ersten Robotermanipulators zum Referenzpunkt des ersten Robotermanipulators und weiter über den zweiten Referenzpunkt über die Glieder des zweiten Robotermanipulators zur Basis des zweiten Robotermanipulators gebildet werden, wenn die entsprechenden Gelenkwinkel in Posen des jeweiligen Robotermanipulators erfasst werden, während der erste Referenzpunkt sich am Kalibrierpunkt befindet und auch der zweite Referenzpunkt am Kalibrierpunkt sich befindet. Hierzu müssen sich zwar nicht notwendigerweise der erste Referenzpunkt und der zweite Referenzpunkt zur gleichen Zeit am Kalibrierpunkt befinden, sondern dies kann auch zeitlich versetzt erfolgen. In diesem Fall, nämlich dass sich der Kalibrierpunkt in der Umgebung des ersten Robotermanipulators und des zweiten Robotermanipulators befindet, müssen allerdings der erste Robotermanipulator und der zweite Robotermanipulator jeweils als redundante Robotermanipulatoren ausgeführt sein. Das heißt, dass jeder der Robotermanipulatoren eine Vielzahl von Gelenken aufweist, von denen zumindest eine Teilmenge zueinander redundante Freiheitsgrade aufweist. Dann können Glieder eines jeweiligen Robotermanipulators in einem Nullraum bewegt werden, das heißt insbesondere dann, wenn der erste Referenzpunkt an einem Endeffektor des ersten Robotermanipulators angeordnet ist, und wenn der zweite Referenzpunkt an einem zweiten Endeffektor des zweiten Robotermanipulators angeordnet ist, können die jeweiligen Glieder des jeweiligen Robotermanipulators bewegt werden, nämlich in ihrem Nullraum, ohne dass sich dabei die Position des jeweiligen Referenzpunktes ändert. Dementsprechend kann der erste Referenzpunkt am Kalibrierpunkt bleiben, während für jeden Zeitpunkt einer sich ändernden Pose des ersten Robotermanipulators Gelenkwinkel erfasst werden und über die kinematische Kette ein Zusammenhang von insbesondere der ersten Basis des ersten Robotermanipulators zum ersten Referenzpunkt über die jeweiligen Gelenkwinkel gebildet wird. Ebenso kann der zweite Referenzpunkt am Kalibrierpunkt verbleiben, während für jeden Zeitpunkt einer sich ändernden Pose des zweiten Robotermanipulators Gelenkwinkel erfasst werden und eine kinematische Kette von insbesondere der zweiten Basis des zweiten Robotermanipulators zum zweiten Referenzpunkt über die jeweiligen Gelenkwinkel des zweiten Robotermanipulators gebildet wird. Da nur ein einziger Kalibrierpunkt vorgesehen ist, ist dies ein gemeinsamer Punkt für den ersten Referenzpunkt und den zweiten Referenzpunkt während der Bewegung des jeweiligen Robotermanipulators. So kann vorteilhaft eine kinematische Kette entlang der Glieder des ersten Robotermanipulators abhängig von den Gelenkwinkeln des ersten Robotermanipulators bis zum Kalibrierpunkt gebildet werden, und nachdem dieser eine Kalibrierpunkt auch mit dem zweiten Referenzpunkt übereinstimmt, während der zweite Robotermanipulator bewegt wird, die kinematische Kette am Kalibrierpunkt weitergeführt werden bis zu einem Endpunkt der kinematischen Kette auf dem zweiten Robotermanipulator, insbesondere an der zweiten Basis des zweiten Robotermanipulators.
Liegt jedoch im Gegensatz zum oben beschriebenen Fall der Kalibrierpunkt nicht in einer Umgebung des ersten und zweiten Robotermanipulators, sondern körperfest auf einem der Robotermanipulatoren, und die Position des Kalibrierpunktes stimmt mit der Position einer der Referenzpunkte überein, so ist die Bedingung, dass der erste Referenzpunkt oder der zweite Referenzpunkt am Kalibrierpunkt verbleibt, für genau einen der Robotermanipulatoren per Definition immer erfüllt. Denn der Kalibrierpunkt stimmt in diesem Fall mit einem der Referenzpunkte immer überein. Damit auch der andere Referenzpunkt mit dem Kalibrierpunkt übereinstimmt, während der Bewegung des anderen Robotermanipulators, werden beide Referenzpunkte während der Bewegung des ersten Robotermanipulators und des zweiten Robotermanipulators immer aneinander verbleibend gehalten. In diesem Fall ist es nicht notwendig, dass der erste Robotermanipulator und/oder der zweite Robotermanipulator redundant ausgeführt sind, denn dann werden die beiden Referenzpunkte gemeinsam und zur gleichen Zeit im Raum bewegt. In diesem Fall liegt die kinematische Kette intuitiv ersichtlich immer zu einem jeweiligen Zeitpunkt über den Verlauf der beiden Robotermanipulatoren vollständig vor. Die kinematische Kette kann insbesondere von einer Basis des ersten Robotermanipulators entlang der Glieder des ersten Robotermanipulators bis zum Kalibrierpunkt am ersten Refernzpunkt, der sich bevorzugt am ersten Endeffektor des ersten Robotermanipulators befindet, weiter laufend über die Glieder des zweiten Robotermanipulators bevorzugt bis hin zur Basis des zweiten Robotermanipulators erstrecken.
So sind in beiden Fällen, nämlich dass der Kalibrierpunkt mit einem der Referenzpunkte übereinstimmt und dass der Kalibrierpunkt sich in einer Umgebung des ersten Robotermanipulators und des zweiten Robotermanipulators befindet, kinematische Ketten ermittelbar. Mittels dieser Kenntnis der jeweiligen kinematischen Kette über die Vielzahl der Posen der Robotermanipulatoren sind dementsprechend auch die relative Position des Anfangspunkt und des Endpunktes der jeweiligen kinematischen Kette ermittelbar. Insbesondere werden die über die Vielzahl der Posen ermittelten relativen Positionen zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt der jeweiligen kinematischen Kette ausgemittelt, sodass Ungenauigkeiten in der Messung der Gelenkwinkel für jede der Posen ausgemittelt werden. Insbesondere wenn der Anfangspunkt der kinematischen Kette und der Endpunkt der kinematischen Kette in einer jeweiligen Basis der Robotermanipulatoren liegen, insbesondere der Anfangspunkt in der Basis des ersten Robotermanipulators und der Endpunkt in der Basis des zweiten Robotermanipulators, so ist auch über die kinematische Kette eine relative Orientierung der Basis des ersten Robotermanipulators, an dem der Anfangspunkt der kinematischen Kette definiert ist zur Orientierung der Basis des zweiten Robotermanipulators, an dem der Endpunkt der kinematischen Kette definiert ist, bekannt. Auch hier erfolgt vorteilhaft ein Ausmitteln der ermittelten relativen Orientierungen über die Vielzahl der kinematischen Ketten, die durch die Vielzahl der Posen der Bewegung des ersten Robotermanipulators des zweiten Robotermanipulators erhalten wird.
Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass ein erster Robotermanipulator und ein zweiter Robotermanipulator, die jeweils beide für sich genommen eine eigenständige Robotereinheit darstellen können und eigenständig Aufgaben erledigen können, zu einem Robotersystem zusammengeschlossen werden können. Insbesondere dadurch, dass das erfindungsgemäße Verfahren von einem Anwender ohne tiefere technische Kenntnisse und auch durch manuelles Führen der Robotermanipulatoren durchführbar ist, bietet sich das Verfahren als eine technische einfache Lösung an. Ferner werden durch das Ausmitteln Ungenauigkeiten in der Erfassung von Gelenkwinkeln und andere Ungenauigkeiten wie Hystereseeffekte wirkungsvoll ausgeglichen. Indem als Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens die relative Orientierung und die relative Position eines Gliedes und insbesondere der Basis des ersten Robotermanipulators gegenüber einem Glied und insbesondere der Basis des zweiten Robotermanipulators bekannt ist, können vorteilhaft beliebige Koordinatensystemtransformationen zwischen Koordinatensystemen des ersten Robotermanipulators und Koordinatensystemen des zweiten Robotermanipulators durchgeführt werden. Aus der Information der Gelenkwinkel des ersten Robotermanipulators ist also auch die Position eines Referenzpunktes des ersten Robotermanipulators in Koordinatensystemen des zweiten Robotermanipulators bekannt, und umgekehrt. Dies ermöglicht vorteilhaft eine genaue Koordination zwischen dem ersten Robotermanipulator und dem zweiten Robotermanipulator, sodass von den beiden Robotermanipulatoren sehr präzise eine Aufgabe kooperativ durchgeführt werden kann. Insbesondere bei Aufgaben, bei der die Genauigkeit der gewünschten und auch tatsächlichen relativen Position der Endeffektoren der Robotermanipulatoren eine entscheidende Rolle spielt, ist die genaue Kenntnis der relativen Orientierung und der relativen Position zwischen zwei Gliedern, insbesondere zwischen den Basen der Robotermanipulatoren, von großem Vorteil. Vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf Robotersysteme mit mehreren Robotermanipulatoren hochskalieren - so können jeweils zwei Robotermanipulatoren paarweise gegeneinander kalibriert werden. Auch wenn insbesondere die Referenzpunkte insbesondere an den Endeffektoren von mehr als zwei Robotermanipulatoren ortsfest miteinander im Raum geführt werden, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der erste Referenzpunkt am distalen Glied des ersten Robotermanipulators angeordnet und/oder der zweite Referenzpunkt an einem distalen Glied des zweiten Robotermanipulators angeordnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Kalibrierpunkt der erste Referenzpunkt oder der zweite Referenzpunkt, wobei der erste Robotermanipulator und der zweite Robotermanipulator gleichzeitig bewegt werden während der erste Referenzpunkt und der zweite Referenzpunkt aneinander liegend verbleiben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen zumindest eine Teilmenge von Gelenken des ersten Robotermanipulators zueinander redundante Freiheitsgrade auf, sodass zumindest eine Teilmenge der Glieder des ersten Robotermanipulators in einem ersten Nullraum bewegbar ist, wobei zumindest eine Teilmenge von Gelenken des zweiten Robotermanipulators zueinander redundante Freiheitsgrade aufweisen sodass zumindest eine Teilmenge der Glieder des zweiten Robotermanipulators in einem zweiten Nullraum bewegbar ist, wobei der Kalibrierpunkt in einer Umgebung des ersten Robotermanipulators und des zweiten Robotermanipulators angeordnet ist, und wobei das Bewegen des ersten Robotermanipulators im Nullraum des ersten Robotermanipulators erfolgt und das Bewegen des zweiten Robotermanipulators im Nullraum des zweiten Robotermanipulators erfolgt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Kalibrierpunkt an einer externen Sensoreinheit angeordnet. Bevorzugt ist die Sensoreinheit eine externe Kameraeinheit.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der ausgemittelten relativen Orientierung und der ausgemittelten relativen Position durch jeweiliges arithmetisches Mitteln der für die Posen des ersten Robotermanipulators und für die Posen des zweiten Robotermanipulators ermittelten relativen Orientierungen und relativen Positionen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der ausgemittelten relativen Orientierung und der ausgemittelten relativen Position durch jeweiliges gewichtetes Mitteln der für die Posen des ersten Robotermanipulators und für die Posen des zweiten Robotermanipulators ermittelten relativen Orientierungen und relativen Positionen, wobei diejenigen in Posen innerhalb eines bevorzugten Arbeitsraums ermittelten relativen Orientierungen und relativen Positionen höher gewichtet werden als diejenigen in Posen außerhalb des bevorzugten Arbeitsraums ermittelten. Der bevorzugte Arbeitsraum ist insbesondere eine Teilmenge des grundsätzlich möglichen Arbeitsraumes, von dem erwartet wird, dass sich darin ein Großteil aller Aufgaben abspielen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Erfassen von Gelenkwinkeln des ersten Robotermanipulators und von Gelenkwinkeln des zweiten Robotermanipulators jeweils auf ein an einer Eingabeeinheit eingegebenes Eingabesignal hin.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird als Eingabeeinheit ein Schalter verwendet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Robotersystem mit einem ersten Robotermanipulator und einem zweiten Robotermanipulator, wobei eine erste Posenerfassungseinheit dazu ausgeführt ist, Gelenkwinkel des ersten Robotermanipulators über eine Vielzahl von Posen des ersten Robotermanipulators zu erfassen, während der erste Robotermanipulator über die Vielzahl von Posen des ersten Robotermanipulators unter Verbleib eines ersten Referenzpunktes des ersten Robotermanipulators an einem vorgegebenen Kalibrierpunkt bewegt wird, wobei eine zweite Posenerfassungseinheit dazu ausgeführt ist, Gelenkwinkel des zweiten Robotermanipulators über eine Vielzahl von Posen des zweiten Robotermanipulators zu erfassen, während der zweite Robotermanipulator über die Vielzahl von Posen des zweiten Robotermanipulators unter Verbleib eines zweiten Referenzpunktes des zweiten Robotermanipulators an dem vorgegebenen Kalibrierpunkt bewegt wird, und wobei eine Recheneinheit dazu ausgeführt ist, für jede aus der Vielzahl der Posen des ersten Robotermanipulators und aus der Vielzahl der Posen des zweiten Robotermanipulators eine durch die jeweiligen Gelenkwinkel und die jeweilige Geometrie von Gliedern des ersten Robotermanipulators und des zweiten Robotermanipulators bestimmte kinematische Kette zu ermitteln, wobei die kinematische Kette von einem an einem Glied oder an einer Basis des ersten Robotermanipulators fixierten Anfangspunkt entlang der Glieder des ersten Robotermanipulators in einer auf ein distales Ende des ersten Robotermanipulators zugewandten Richtung bis zum Kalibrierpunkt und vom Kalibrierpunkt entlang der Glieder des zweiten Robotermanipulators in einer zu einer Basis des zweiten Robotermanipulators zugewandten Richtung zu einem an einem Glied oder an der Basis des zweiten Robotermanipulators fixierten Endpunkt verläuft, und Ermitteln einer relativen Position zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt der kinematischen Kette und einer relativen Orientierung des Gliedes oder der Basis des Anfangspunktes und des Gliedes oder der Basis des Endpunktes, und wobei die Recheneinheit weiterhin dazu ausgeführt ist, eine ausgemittelte relative Orientierung und eine ausgemittelte relative Position durch Mitteln der für die Posen des ersten Robotermanipulators und für die Posen des zweiten Robotermanipulators jeweils ermittelten relativen Positionen und relativen Orientierungen zu ermitteln und abzuspeichern.
Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Robotersystems ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren 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 ein Verfahren an einem Robotersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 ein Verfahren an einem Robotersystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
3 ein Verfahren zum Kalibrieren eines Robotersystems mit einem ersten Robotermanipulator und mit einem zweiten Robotermanipulator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
1 zeigt ein Verfahren anhand eines Robotersystems 1, wobei das Robotersystem 1 kalibriert wird. Das Robotersystem 1 weist einen ersten Robotermanipulator 10 und einen zweiten Robotermanipulator 20 auf. Die Schritte werden wie in 3 gezeigt, ausgeführt. Es erfolgt das Bewegen S1 des ersten Robotermanipulators 10 über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib eines ersten Referenzpunktes 11 des ersten Robotermanipulators 10 an einem vorgegebenen Kalibrierpunkt 30 und gleichzeitig das Bewegen S3 des zweiten Robotermanipulators 20 über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib eines zweiten Referenzpunktes 21 des zweiten Robotermanipulators 20 an dem vorgegebenen Kalibrierpunkt 30. Währenddessen erfolgen das Erfassen S2 von Gelenkwinkeln des ersten Robotermanipulators 10 in jeder der Vielzahl der Posen des ersten Robotermanipulators 10 durch eine erste Posenerfassungseinheit 12 und das Erfassen S4 von Gelenkwinkeln des zweiten Robotermanipulators 20 in jeder der Vielzahl der Posen des zweiten Robotermanipulators 20 durch eine zweite Posenerfassungseinheit 22. Der Kalibrierpunkt 30 stimmt mit dem ersten Referenzpunkt 11 überein, wobei der erste Robotermanipulator 10 und der zweite Robotermanipulator 20 gleichzeitig durch manuelles Führen bewegt werden, während der erste Referenzpunkt 11 und der zweite Referenzpunkt 21 aneinander liegend verbleiben. Der erste Referenzpunk 11 befindet sich an einer Frontseite eines Endeffektors des ersten Robotermanipulators 10, und der zweite Referenzpunk 21 befindet sich auf einem Endeffektor des zweiten Robotermanipulators 20. Damit sichergestellt ist, dass der erste Referenzpunkt 11 des ersten Robotermanipulators 10 und der zweite Referenzpunkt 21 des zweiten Robotermanipulators 20 während der Bewegung des ersten Robotermanipulators 10 und der Bewegung des zweiten Robotermanipulators 20 aneinander verbleiben, werden die beiden Endeffektoren an einer gemeinsamen Platte fixiert. Eine Recheneinheit 40 ermittelt S5 für jede aus der Vielzahl der Posen des ersten Robotermanipulators 10 und aus der Vielzahl der Posen des zweiten Robotermanipulators 20 eine durch die jeweiligen Gelenkwinkel und die jeweilige Geometrie von Gliedern des ersten Robotermanipulators 10 und des zweiten Robotermanipulators 20 bestimmte kinematische Kette, wobei die kinematische Kette von einem an einer Basis 13 des ersten Robotermanipulators 10 fixierten Anfangspunkt entlang der Glieder des ersten Robotermanipulators 10 in einer auf ein distales Ende des ersten Robotermanipulators 10 zugewandten Richtung bis zum Kalibrierpunkt 30 und vom Kalibrierpunkt 30 entlang der Glieder des zweiten Robotermanipulators 20 in einer zu einer Basis 23 des zweiten Robotermanipulators zugewandten Richtung zu einem an der Basis 23 des zweiten Robotermanipulators 20 fixierten Endpunkt verläuft, und wobei die Recheneinheit 40 eine relative Position zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt der kinematischen Kette und eine relative Orientierung zwischen der Basis 13 des Anfangspunktes, das heißt der Basis 13 des ersten Robotermanipulators 10, und der Basis des Endpunktes, das heißt der Basis 23 des zweiten Robotermanipulators 20, ermittelt. Schließlich ermittelt S6 die Recheneinheit 40 eine ausgemittelte relative Orientierung und eine ausgemittelte relative Position durch arithmetisches Mitteln der für die Posen des ersten Robotermanipulators 10 und für die Posen des zweiten Robotermanipulators 20 jeweils ermittelten relativen Positionen und relativen Orientierungen und speichert S6 diese in einer Speichereinheit ab.
2 zeigt ein Verfahren anhand eines Robotersystems 1, wobei das Robotersystem 1 kalibriert wird. Das Robotersystems 1 weist einen ersten Robotermanipulator 10 und einen zweiten Robotermanipulator 20 auf. Die Schritte werden wiederum wie in 3 gezeigt, ausgeführt. Es erfolgt das Bewegen S1 des ersten Robotermanipulators 10 über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib eines ersten Referenzpunktes 11 des ersten Robotermanipulators 10 an einem vorgegebenen Kalibrierpunkt 30 und gleichzeitig das Bewegen S3 des zweiten Robotermanipulators 20 über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib eines zweiten Referenzpunktes 21 des zweiten Robotermanipulators 20 an dem vorgegebenen Kalibrierpunkt 30. Währenddessen erfolgen das Erfassen S2 von Gelenkwinkeln des ersten Robotermanipulators 10 in jeder der Vielzahl der Posen des ersten Robotermanipulators 10 durch eine erste Posenerfassungseinheit 12 und das Erfassen S4 von Gelenkwinkeln des zweiten Robotermanipulators 20 in jeder der Vielzahl der Posen des zweiten Robotermanipulators 20 durch eine zweite Posenerfassungseinheit 22. Zumindest eine Teilmenge von Gelenken des ersten Robotermanipulators 10 weist zueinander redundante Freiheitsgrade auf, sodass zumindest eine Teilmenge der Glieder des ersten Robotermanipulators 10 in einem ersten Nullraum bewegbar ist. Auch am zweiten Robotermanipulator 20 weist zumindest eine Teilmenge von Gelenken des zweiten Robotermanipulators 20 zueinander redundante Freiheitsgrade auf, sodass zumindest eine Teilmenge der Glieder des zweiten Robotermanipulators 20 in einem zweiten Nullraum bewegbar ist. Der Kalibrierpunkt 30 ist hierbei in einer Umgebung des ersten Robotermanipulators 10 und des zweiten Robotermanipulators 20 an einer externen Sensoreinheit angeordnet. Das Bewegen des ersten Robotermanipulators 10 erfolgt nun im ersten Nullraum des ersten Robotermanipulators 10 und das Bewegen des zweiten Robotermanipulators 20 erfolgt im zweiten Nullraum des zweiten Robotermanipulators 20. Eine Recheneinheit 40 ermittelt S5 für jede aus der Vielzahl der Posen des ersten Robotermanipulators 10 und aus der Vielzahl der Posen des zweiten Robotermanipulators 20 eine durch die jeweiligen Gelenkwinkel und die jeweilige Geometrie von Gliedern des ersten Robotermanipulators 10 und des zweiten Robotermanipulators 20 bestimmte kinematische Kette, wobei die kinematische Kette von einem an einer Basis 13 des ersten Robotermanipulators 10 fixierten Anfangspunkt entlang der Glieder des ersten Robotermanipulators 10 in einer auf ein distales Ende des ersten Robotermanipulators 10 zugewandten Richtung bis zum Kalibrierpunkt 30 und vom Kalibrierpunkt 30 entlang der Glieder des zweiten Robotermanipulators 20 in einer zu einer Basis 23 des zweiten Robotermanipulators zugewandten Richtung zu einem an der Basis 23 des zweiten Robotermanipulators 20 fixierten Endpunkt verläuft, und wobei die Recheneinheit 40 eine relative Position zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt der kinematischen Kette und einer relativen Orientierung der Basis 13 des Anfangspunktes und der Basis 23 des Endpunktes ermittelt. Schließlich ermittelt S6 die Recheneinheit 40 eine ausgemittelte relative Orientierung und eine ausgemittelte relative Position durch arithmetisches Mitteln der für die Posen des ersten Robotermanipulators 10 und für die Posen des zweiten Robotermanipulators 20 jeweils ermittelten relativen Positionen und relativen Orientierungen.
3 zeigt ein Verfahren zum Kalibrieren eines Robotersystems 1 mit einem ersten Robotermanipulator 10 und mit einem zweiten Robotermanipulator 20, aufweisend die Schritte:

- Bewegen S1 des ersten Robotermanipulators 10 über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib eines ersten Referenzpunktes 11 des ersten Robotermanipulators 10 an einem vorgegebenen Kalibrierpunkt 30,
- Erfassen S2 von Gelenkwinkeln des ersten Robotermanipulators 10 in jeder der Vielzahl der Posen des ersten Robotermanipulators 10 durch eine erste Posenerfassungseinheit 12,
- Bewegen S3 des zweiten Robotermanipulators 20 über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib eines zweiten Referenzpunktes 21 des zweiten Robotermanipulators 20 an dem vorgegebenen Kalibrierpunkt 30,
- Erfassen S4 von Gelenkwinkeln des zweiten Robotermanipulators 20 in jeder der Vielzahl der Posen des zweiten Robotermanipulators 20 durch eine zweite Posenerfassungseinheit 22,
- Für jede aus der Vielzahl der Posen des ersten Robotermanipulators 10 und aus der Vielzahl der Posen des zweiten Robotermanipulators 20: Ermitteln S5 einer durch die jeweiligen Gelenkwinkel und die jeweilige Geometrie von Gliedern des ersten Robotermanipulators 10 und des zweiten Robotermanipulators 20 bestimmte kinematischen Kette, wobei die kinematische Kette von einem an einem Glied oder an einer Basis des ersten Robotermanipulators 10 fixierten Anfangspunkt entlang der Glieder des ersten Robotermanipulators 10 in einer auf ein distales Ende des ersten Robotermanipulators 10 zugewandten Richtung bis zum Kalibrierpunkt 30 und vom Kalibrierpunkt 30 entlang der Glieder des zweiten Robotermanipulators 20 in einer zu einer Basis 23 des zweiten Robotermanipulators zugewandten Richtung zu einem an einem Glied oder an der Basis 23 des zweiten Robotermanipulators 20 fixierten Endpunkt verläuft, und Ermitteln einer relativen Position zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt der kinematischen Kette und einer relativen Orientierung des Gliedes oder der Basis des Anfangspunktes und des Gliedes oder der Basis des Endpunktes,
- Ermitteln und Abspeichern S6 einer ausgemittelten relativen Orientierung und einer ausgemittelten relativen Position durch Mitteln der für die Posen des ersten Robotermanipulators 10 und für die Posen des zweiten Robotermanipulators 20 jeweils ermittelten relativen Positionen und relativen Orientierungen.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Robotersystem
10: erster Robotermanipulator
11: erster Referenzpunkt
12: erste Posenerfassungseinheit
13: Basis des ersten Robotermanipulators
20: zweiter Robotermanipulator
21: zweiter Referenzpunkt
22: zweite Posenerfassungseinheit
23: Basis des zweiten Robotermanipulators
30: Kalibrierpunkt
40: Recheneinheit
S1: Bewegen
S2: Erfassen
S3: Bewegen
S4: Erfassen
S5: Ermitteln
S6: Ermitteln und Abspeichern

Claims

Verfahren zum Kalibrieren eines Robotersystems (1) mit einem ersten Robotermanipulator (10) und mit einem zweiten Robotermanipulator (20), aufweisend die Schritte: - Bewegen (S1) des ersten Robotermanipulators (10) über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib eines ersten Referenzpunktes (11) des ersten Robotermanipulators (10) an einem vorgegebenen Kalibrierpunkt (30), - Erfassen (S2) von Gelenkwinkeln des ersten Robotermanipulators (10) in jeder der Vielzahl der Posen des ersten Robotermanipulators (10) durch eine erste Posenerfassungseinheit (12), - Bewegen (S3) des zweiten Robotermanipulators (20) über eine Vielzahl von Posen unter Verbleib eines zweiten Referenzpunktes (21) des zweiten Robotermanipulators (20) an dem vorgegebenen Kalibrierpunkt (30), - Erfassen (S4) von Gelenkwinkeln des zweiten Robotermanipulators (20) in jeder der Vielzahl der Posen des zweiten Robotermanipulators (20) durch eine zweite Posenerfassungseinheit (22), - Für jede aus der Vielzahl der Posen des ersten Robotermanipulators (10) und aus der Vielzahl der Posen des zweiten Robotermanipulators (20): Ermitteln (S5) einer durch die jeweiligen Gelenkwinkel und die jeweilige Geometrie von Gliedern des ersten Robotermanipulators (10) und des zweiten Robotermanipulators (20) bestimmte kinematischen Kette, wobei die kinematische Kette von einem an einem Glied oder an einer Basis (13) des ersten Robotermanipulators (10) fixierten Anfangspunkt entlang der Glieder des ersten Robotermanipulators (10) in einer auf ein distales Ende des ersten Robotermanipulators (10) zugewandten Richtung bis zum Kalibrierpunkt (30) und vom Kalibrierpunkt (30) entlang der Glieder des zweiten Robotermanipulators (20) in einer zu einer Basis (23) des zweiten Robotermanipulators zugewandten Richtung zu einem an einem Glied oder an der Basis (23) des zweiten Robotermanipulators (20) fixierten Endpunkt verläuft, und Ermitteln einer relativen Position zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt der kinematischen Kette und einer relativen Orientierung des Gliedes oder der Basis (13) des Anfangspunktes und des Gliedes oder der Basis (23) des Endpunktes, - Ermitteln und Abspeichern (S6) einer ausgemittelten relativen Orientierung und einer ausgemittelten relativen Position durch Mitteln der für die Posen des ersten Robotermanipulators (10) und für die Posen des zweiten Robotermanipulators (20) jeweils ermittelten relativen Positionen und relativen Orientierungen.
Verfahren nach Anspruch 1 wobei der erste Referenzpunkt (11) an einem distalen Glied des ersten Robotermanipulators (10) angeordnet ist und/oder der zweite Referenzpunkt (21) an einem distalen Glied des zweiten Robotermanipulators (20) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Kalibrierpunkt (30) der erste Referenzpunkt (11) oder der zweite Referenzpunkt (21) ist, wobei der erste Robotermanipulator (10) und der zweite Robotermanipulator (20) gleichzeitig bewegt werden, während der erste Referenzpunkt (11) und der zweite Referenzpunkt (21) aneinander liegend verbleiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei zumindest eine Teilmenge von Gelenken des ersten Robotermanipulators (10) zueinander redundante Freiheitsgrade aufweisen sodass zumindest eine Teilmenge der Glieder des ersten Robotermanipulators (10) in einem ersten Nullraum bewegbar ist, wobei zumindest eine Teilmenge von Gelenken des zweiten Robotermanipulators (20) zueinander redundante Freiheitsgrade aufweisen sodass zumindest eine Teilmenge der Glieder des zweiten Robotermanipulators (20) in einem zweiten Nullraum bewegbar ist, wobei der Kalibrierpunkt (30) in einer Umgebung des ersten Robotermanipulators (10) und des zweiten Robotermanipulators (20) angeordnet ist, und wobei das Bewegen des ersten Robotermanipulators (10) im ersten Nullraum des ersten Robotermanipulators (10) erfolgt und das Bewegen des zweiten Robotermanipulators (20) im zweiten Nullraum des zweiten Robotermanipulators (20) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Kalibrierpunkt (30) an einer externen Sensoreinheit angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der ausgemittelten relativen Orientierung und der ausgemittelten relativen Position durch jeweiliges arithmetisches Mitteln der für die Posen des ersten Robotermanipulators (10) und für die Posen des zweiten Robotermanipulators (20) ermittelten relativen Orientierungen und relativen Positionen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der ausgemittelten relativen Orientierung und der ausgemittelten relativen Position durch jeweiliges gewichtetes Mitteln der für die Posen des ersten Robotermanipulators (10) und für die Posen des zweiten Robotermanipulators (20) ermittelten relativen Orientierungen und relativen Positionen erfolgt, wobei diejenigen in Posen innerhalb eines bevorzugten Arbeitsraums ermittelten relativen Orientierungen und relativen Positionen höher gewichtet werden als diejenigen in Posen außerhalb des bevorzugten Arbeitsraums erm ittelten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen von Gelenkwinkeln des ersten Robotermanipulators (10) und von Gelenkwinkeln des zweiten Robotermanipulators (20) jeweils auf ein an einer Eingabeeinheit eingegebenes Eingabesignal hin erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei als Eingabeeinheit ein Schalter verwendet wird.
Robotersystem (1) mit einem ersten Robotermanipulator (10) und mit einem zweiten Robotermanipulator (20), wobei eine erste Posenerfassungseinheit (12) dazu ausgeführt ist, Gelenkwinkel des ersten Robotermanipulators (10) über eine Vielzahl von Posen des ersten Robotermanipulators (10) zu erfassen, während der erste Robotermanipulator (10) über die Vielzahl von Posen des ersten Robotermanipulators (10) unter Verbleib eines ersten Referenzpunktes (11) des ersten Robotermanipulators (10) an einem vorgegebenen Kalibrierpunkt (30) bewegt wird, wobei eine zweite Posenerfassungseinheit (22) dazu ausgeführt ist, Gelenkwinkel des zweiten Robotermanipulators (20) über eine Vielzahl von Posen des zweiten Robotermanipulators (20) zu erfassen, während der zweite Robotermanipulator (20) über die Vielzahl von Posen des zweiten Robotermanipulators (20) unter Verbleib eines zweiten Referenzpunktes (21) des zweiten Robotermanipulators (20) an dem vorgegebenen Kalibrierpunkt (30) bewegt wird, und wobei eine Recheneinheit (40) dazu ausgeführt ist, für jede aus der Vielzahl von Posen des ersten Robotermanipulators (10) und aus der Vielzahl von Posen des zweiten Robotermanipulators (20) eine durch die jeweiligen Gelenkwinkel und die jeweilige Geometrie von Gliedern des ersten Robotermanipulators (10) und des zweiten Robotermanipulators (20) bestimmte kinematische Kette zu ermitteln, wobei die kinematische Kette von einem an einem Glied oder an einer Basis (13) des ersten Robotermanipulators (10) fixierten Anfangspunkt entlang der Glieder des ersten Robotermanipulators (10) in einer auf ein distales Ende des ersten Robotermanipulators (10) zugewandten Richtung bis zum Kalibrierpunkt (30) und vom Kalibrierpunkt (30) entlang der Glieder des zweiten Robotermanipulators (20) in einer zu einer Basis (23) des zweiten Robotermanipulators zugewandten Richtung zu einem an einem Glied oder an der Basis (23) des zweiten Robotermanipulators (20) fixierten Endpunkt verläuft, und wobei die Recheneinheit (40) zum Ermitteln einer relativen Position zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt der kinematischen Kette und einer relativen Orientierung des Gliedes oder der Basis (13) des Anfangspunktes und des Gliedes oder der Basis (23) des Endpunktes ausgeführt ist, und wobei die Recheneinheit (40) weiterhin dazu ausgeführt ist, eine ausgemittelte relative Orientierung und eine ausgemittelte relative Position durch Mitteln der für die Posen des ersten Robotermanipulators (10) und für die Posen des zweiten Robotermanipulators (20) jeweils ermittelten relativen Positionen und relativen Orientierungen zu ermitteln und abzuspeichern.