DE102019108390B3 - Vorgeben von sicheren Geschwindigkeiten für einen Robotermanipulator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorgeben einer sicheren Geschwindigkeit eines Robotermanipulators (1), aufweisend die Schritte:- Bereitstellen (S1) einer Datenbank, wobei die Datenbank für eine Vielzahl von ausgewählten Oberflächenpunkten (5) am Robotermanipulator (1) einen jeweiligen Datensatz aufweist, wobei der jeweilige Datensatz für eine Vielzahl möglicher- Steifigkeiten und/oder Massen eines Objekts (3) aus der Umgebung des Robotermanipulators (1) eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) angibt, wobei die Normalgeschwindigkeit die zur Oberfläche eines jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) senkrecht stehende Komponente des Geschwindigkeitsvektors des jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) ist.- Erfassen (S2) einer tatsächlichen Steifigkeit und/oder einer tatsächlichen Masse des Objekts (3) aus der Umgebung des Robotermanipulators (1) durch Vorwissen oder durch sensorisches Erfassen oder unter Annahme von unendlich,- Zuordnen (S3) der erfassten tatsächlichen Steifigkeit und/oder der tatsächlichen Masse zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte (5), und- Vorgeben (S4) einer Geschwindigkeit für einen jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) auf einer aktuellen oder geplanten Bahn des Robotermanipulators (1), sodass die am jeweiligen der Oberflächenpunkte auftretende Normalgeschwindigkeit kleiner oder gleich der zugeordneten sicheren Normalgeschwindigkeit ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorgeben einer sicheren Geschwindigkeit eines Robotermanipulators, sowie einen Robotermanipulator mit einer Steuereinheit, die insbesondere zum Vorgeben einer sicheren Geschwindigkeit für den Robotermanipulator ausgeführt ist.
• Die DE 10 2015 011 910 A1 betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Roboteranordnung mit wenigstens einem Roboter. Hierbei erfolgt ein Überwachen der Roboteranordnung durch mehrere parallel aktivierte Sicherheitsüberwachungsfunktionen. Ferner erfolgen während eines Ausführens einer Applikation der Roboteranordnung mehrfach wiederholt die Schritte: Auswählen einer Untermenge von Prozessparametern aus einer vorgegebenen Menge von Prozessparametern auf Basis einer vorgegebenen Regelanordnung mit wenigstens einer Auswahlregel; und Anpassen dieser ausgewählten Untermenge von Prozessparametern zur Vermeidung einer Verletzung wenigstens einer der Sicherheitsüberwachungsfunktionen.
• Die DE 10 2014 224 122 B4 betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines robotischen Geräts mit einer kinematischen Kette von bewegbaren Komponenten, wobei die kinematische Kette an ihrem einen Ende einen funktionsspezifischen Endeffektor aufweist. Ausgeführt Schritte sind das Erfassen jeweiliger Sensorwerte mittels an der kinematischen Kette oder in einer Umgebung der kinematischen Kette angeordneter Sensoren des robotischen Geräts; das Vorgeben eines ersten Sicherheitsgrenzwertes in Abhängigkeit der erfassten Sensorwerte; das Ermitteln einer auf den Endeffektor oder eine andere Komponente der kinematischen Kette einwirkenden Kraft oder einer davon in vorgegebener Weise abhängigen Größe auf Basis der erfassten Sensorwerte; das Vergleichen der ermittelten Kraft oder Größe mit dem vorgegebenen ersten Sicherheitsgrenzwert durch eine Steuereinrichtung des robotischen Geräts; und das Anpassen von einer Charakteristik der kinematischen Kette oder des funktionsspezifischen Endeffektors, falls die ermittelte Kraft oder Größe in einer vorgegebenen Relation zu dem ersten Sicherheitsgrenzwert steht.
• Die DE 10 2014 011 012 A1 betrifft ein Verfahren zum Auslegen und/oder Betreiben eines Roboters, wobei mehrere potentielle Kontakte bestimmt und für diese Kontakte jeweils eine kontaktspezifische Größe ermittelt wird, die Kontakte verschiedenen Gruppen zugeordnet werden, und für insbesondere ausgewählte Gruppen jeweils wenigstens eine gruppenspezifische Größe auf Basis von kontaktspezifischen Größen von dieser Gruppe zugeordneten Kontakte ermittelt wird; wobei die kontaktspezifischen Größen und/oder die wenigstens eine gruppenspezifische Größe in Abhängigkeit von einem potentiellen medizinischen Schaden eines Menschen ermittelt wird.
• Die DE 10 2013 019 450 A1 betrifft ein Verfahren zum Vermeiden einer Kollision eines wenigstens zwei Bewegungsachsen aufweisenden Roboters mit einem vom Roboter unterschiedlichen Objekt, mit den Schritten: Erfassen wenigstens eines eine auf den Roboter an einer ersten der Bewegungsachsen wirkende Kraft charakterisierenden ersten Werts mittels zumindest eines ersten Sensors, Erfassen wenigstens eines eine auf den Roboter an der zweiten Bewegungsachse wirkende Kraft charakterisierenden zweiten Werts mittels zumindest eines zweiten Sensors, Beziehen der Werte auf wenigstens einen in einem kartesischen Koordinatensystem liegenden Punkt, Aufsummieren der auf den Punkt bezogenen Werte, und Vermeiden der Kollision, wenn die Summe der aufsummierten Werte einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
• Die DE 10 2005 054 575 B3 betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Roboterarms beim Einsatz in der Medizin, bei welchem ein Roboterarm mit redundanter Gelenkanzahl verwendet wird, ein mit dem Roboterarm verbundenes Instrument durch eine Öffnung geführt ist, und ein in einem ersten und zweiten Gelenk wirkendes Drehmoment erfasst wird.
• Die DE 102 26 853 B3 betrifft ein Verfahren zum Begrenzen der Krafteinwirkung eines Roboterteils, wie eines Roboterarms, auf ein externes Objekt bei einer Kollision, wobei aufgrund einer bei einer Kollision auf das Objekt wirkenden maximal zugelassenen Kraft eine korrespondierende maximal zugelassene kinetische Energie des Roboterteils bestimmt wird, fortwährend in hinreichend kleinen Zeitintervallen die tatsächliche kinetische Energie des Roboterteils bestimmt wird, und bei Überschreiten der maximal zulässigen Energie die tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit des Roboters reduziert wird.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Robotermanipulator so zu betreiben, dass er bei einer unerwarteten Kollision mit einem Objekt aus der Umgebung des Robotermanipulators nur begrenzten Schaden nimmt.
• 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 Vorgeben einer sicheren Geschwindigkeit eines Robotermanipulators, aufweisend die Schritte:
• - Bereitstellen einer Datenbank, wobei die Datenbank für eine Vielzahl von ausgewählten Oberflächenpunkten am Robotermanipulator einen jeweiligen Datensatz aufweist, wobei der jeweilige Datensatz für eine Vielzahl möglicher Steifigkeiten und/oder Massen eines Objekts aus der Umgebung des Robotermanipulators eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte angibt, wobei die Normalgeschwindigkeit die zur lokalen Oberfläche des Robotermanipulators an einem jeweiligen der Oberflächenpunkte senkrecht stehende Komponente des Geschwindigkeitsvektors des jeweiligen der Oberflächenpunkte ist,
• - Erfassen einer tatsächlichen Steifigkeit und/oder einer tatsächlichen Masse des Objekts aus der Umgebung des Robotermanipulators durch Vorwissen oder durch sensorisches Erfassen oder unter Annahme von unendlich,
• - Zuordnen der erfassten tatsächlichen Steifigkeit und/oder der tatsächlichen Masse zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte, und
• - Vorgeben einer Geschwindigkeit für einen jeweiligen der Oberflächenpunkte auf einer aktuellen oder geplanten Bahn des Robotermanipulators, sodass die am jeweiligen der Oberflächenpunkte auftretende Normalgeschwindigkeit kleiner oder gleich der zugeordneten sicheren Normalgeschwindigkeit ist.
• Unter dem Robotermanipulator wird insbesondere ein Manipulator bestehend aus einer Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern verstanden. Insbesondere gehört ebenfalls ein Endeffektor zum Robotermanipulator. Nicht notwendigerweise müssen, weiterhin bevorzugt, die Glieder des Robotermanipulators in einer zusammenhängenden kinematischen Kette angeordnet sein - das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in einem Zweiarmsystem und in einem humanoiden Robotersystem angewendet werden.
• Die jeweiligen Oberflächenpunkte des Robotermanipulators werden dabei insbesondere im Vorhinein so ausgewählt, dass die Datenbankgröße nicht größer als notwendig wird, jedoch für mögliche Kollisionen des Robotermanipulators mit einem Objekt aus der Umgebung des Robotermanipulators eine ausreichend große Anzahl von Oberflächenpunkten auf der Oberfläche des Robotermanipulators berücksichtigt wird.
• Die zur Oberfläche an einem jeweiligen der Oberflächenpunkte senkrecht stehende Komponente des Geschwindigkeitsvektors ist insbesondere senkrecht zur lokalen Oberfläche desjenigen Bauelements des Robotermanipulators, an dem der jeweilige der Oberflächenpunkte angeordnet ist. Die Oberflächenpunkte sind bevorzugt auf einer Oberfläche des Robotermanipulators gedacht angeordnet, sodass am jeweiligen Ort eines jeden der Oberflächenpunkte eine Tangentialebene auf den Robotermanipulator eindeutig definiert ist.
• Ein Datensatz weist für jede aus einer Vielzahl möglicher Steifigkeiten und/oder Massen eine dafür zugeordnete sichere Normalgeschwindigkeit auf. Insbesondere ist die Vielzahl möglicher Steifigkeiten und/oder Massen durch ein äquidistantes Raster vorgegeben. So kann durch Erfassen der tatsächlich vorliegenden Steifigkeit und/oder der Masse des Objekts der Umgebung der Datensatz dafür verwendet werden, um durch einen Vergleich der tatsächlich vorliegenden Steifigkeit und/oder der tatsächlichen Masse des Objekts der Umgebung mit der Vielzahl möglicher Steifigkeiten und/oder Massen des jeweiligen Datensatzes den am ehesten passenden der Einträge zu finden, um zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit, wie in dem Datensatz vorgegeben, zu gelangen. Indem eine Steifigkeit des Objekts berücksichtigt wird, wird bei einer Kollision der Weg berücksichtigt, den der Robotermanipulator beim Auftreffen auf das Objekt unter Widerstand des Objekts zurücklegen kann, bis seine Geschwindigkeit den kleinsten Wert erreicht hat. Ist das Objekt kein festes Objekt, wie es durch eine unendliche Masse angenähert werden kann, beispielsweise eine Mauer, ein Stahlgerüst, ein schweres Fahrzeug oder andere Objekte, deren Masse im Vergleich zu der Masse des Robotermanipulators deutlich höher ist, oder Objekte, die mit der Umgebung des Robotermanipulators fest verbunden sind, wie eine Stützsäule, die fest im Boden eingelassen ist, sondern ein kleines bewegliches Objekt, so resultierte durch die Kollision ein elastischer oder plastischer Stoß zweier Massen, wovon die erste Masse durch insbesondere eine reflektierte Masse des Roboters ausgebildet wird, und eine zweite Masse durch das Objekt ausgebildet wird, wobei die reflektierte Masse derjenige Massenanteil des Robotermanipulators ist, der tatsächlich einen Impuls durch seine Bewegung auf das Objekt bei der Kollision mit dem Objekt ausübt. Ein solcher elastischer oder plastischer Stoß wird den Robotermanipulator als Ganzes typischerweise nicht zum Stillstand bringen, sondern je nachdem, ob der Stoß eher plastisch oder elastisch erfolgt, unter Umständen auch nur zu einer geringen Geschwindigkeitsreduktion des Robotermanipulators, was die Belastung auf die Glieder des Robotermanipulators und auf die Gelenke des Robotermanipulators, insbesondere eines Getriebes an einem der Gelenke, deutlich mindert. Im Falle des elastischen oder plastischen Stoßes, wofür die Masse des Objektes berücksichtigt wird, ist also die Masse des Objekts und die Steifigkeit des Objekts zur genauen Erfassung einer Wirkung durch die Kollision zu berücksichtigen.
• Bevorzugt wird die Robotermanipulator nur mit der sicheren Normalgeschwindigkeit oder mit einer Geschwindigkeit unterhalb der jeweiligen sicheren Normalgeschwindigkeit am jeweiligen der Oberflächenpunkte betrieben. Die sichere Normalgeschwindigkeit betrifft dabei eine Komponente des aktuellen Geschwindigkeitsvektors des jeweiligen der Oberflächenpunkte im dreidimensionalen Raum, die senkrecht zur jeweiligen Oberfläche, auf der sich der jeweilige der Oberflächenpunkte befindet, ist. Die Normalgeschwindigkeit ist dabei insbesondere auch senkrecht zu einer Tangentialgeschwindigkeit eines jeweiligen der Oberflächenpunkte, die jedoch hier nicht betrachtet wird.
• Tritt eine unerwartete Kollision des Robotermanipulators mit einem Objekt aus der Umgebung des Robotermanipulators auf, so wird der Robotermanipulator in kurzer Zeit von seiner aktuellen Geschwindigkeit gebremst. Hierbei erfährt der Robotermanipulator eine gewisse (negative) Beschleunigung. In welcher Zeit der Robotermanipulator dabei abgebremst wird, das heißt welche Beschleunigung auf den Robotermanipulator wirkt, hängt insbesondere von der unmittelbar vor der Kollision vorherrschenden Geschwindigkeit ab, aber auch insbesondere auch von der Steifigkeit der ganzen Struktur des Robotermanipulators, insbesondere von dem Material an demjenigen Bauelement, das unmittelbar mit dem Objekt kollidiert, sowie einer Steifigkeit des Objekts selbst. Intuitiv ist klar, dass der Robotermanipulator bei einer Kollision mit einer Betonwand eine deutlich höhere Beschleunigung bei der Kollision erfährt, als bei einer Kollision mit weichem Holz oder Kunststoff.
• Die Steifigkeit des Objekts aus der Umgebung des Robotermanipulators gibt insbesondere einen Widerstand gegen Verformung des Objekts an, wobei sich dieser Widerstand zum einen aus Materialkonstanten des Materials zusammensetzt, aus dem das Objekt besteht, sowie auch aus einer Form des Objekts; beispielsweise besteht eine metallische Spiralfeder üblicherweise aus einem Material mit hohem E-Modul und hoher Zugfestigkeit, kann aber durch die entsprechende Formgebung mit relativ geringer Kraft in Richtung der Achse der Spiralfeder verformt werden.
• Bevorzugt ist die Steifigkeit des Objekts aus der Umgebung des Robotermanipulators durch Vorwissen bekannt. Das Erfassen einer tatsächlichen Steifigkeit und/oder einer tatsächlichen Masse des Objekts aus der Umgebung des Robotermanipulators durch Vorwissen erfolgt insbesondere durch eine Eingabe eines Anwenders. Da insbesondere durch betriebliche Unsicherheiten und in einer variablen Umgebung des Robotermanipulators dies nicht immer möglich ist, wird alternativ bevorzugt dazu die Umgebung des Roboters mit Sensoren erfasst, insbesondere Kameras, woraus insbesondere durch Zuordnen des erfassten Objekts aus der Umgebung des Robotermanipulators zu einem aus einer Vielzahl von abgespeicherten Objekten das jeweilige Objekt identifiziert wird. Liegt keine Information durch die oben genannten Möglichkeiten über die Steifigkeit des Objekts vor, so wird die Steifigkeit des Objekts bevorzugt als unendlich angenommen, was vorteilhaft eine konservative Schätzung als den extremen Wert annimmt, sodass für den Robotermanipulator immer eine sichere Geschwindigkeit gefunden wird, unabhängig von der tatsächlichen Steifigkeit des Objekts aus der Umgebung des Robotermanipulators. Eine unendlich hohe Steifigkeit bedeutet, dass das Objekt bei einer Kollision keinerlei Nachgiebigkeit aufweist und die Kollision daher ausschließlich durch die Elastizität im Robotermanipulator abgefedert wird. Eine unendliche hohe Masse bedeutet, dass anstatt einer Betrachtung von zwei Massen im elastischen oder plastischen Stoß, wonach beide Massen nach dem Stoß eine Geschwindigkeit aufweisen, die zweite der Massen, nämlich das Objekt, nach dem Stoß genauso wie vor dem Stoß keine Geschwindigkeit aufweist.
• Bevorzugt werden die Datensätze der Datenbank experimentell ermittelt. Alternativ bevorzugt dazu wird die zulässige Geschwindigkeit für die Datenbank theoretisch ermittelt. Hierfür wird zunächst ein oberstes zulässiges Drehmoment τ_max, welches auf ein Getriebe eines Gelenks wirken darf, bestimmt. Positionssensoren in allen Gelenken des Robotermanipulators erlauben eine vollständige Posen-Bestimmung des Robotermanipulators, da insoweit alle Gelenkswinkel bekannt sind. Dies wiederum erlaubt die Herleitung einer für diese Pose des Robotermanipulators gültige und in der Robotik gut bekannte Jacobi Matrix J . Mittels der Jacobi Matrix kann das vorbestimmte höchstzulässige Drehmoment für das Getriebe des Gelenks in eine externe Kraft F_max umgerechnet werden, sodass mit der Pseudoinversen der Transponierten von J , bezeichnet als (J^T)^#, gilt: $$F_{max}={\left(J^T\right)}^{\text{\#}}{\tau }_{max}$$

  

  Die Anwendung des Energieerhaltungssatzes zur Gleichsetzung der kinetischen Energie mit Geschwindigkeit v und Masse m des Robotermanipulators zum Zeitpunkt unmittelbar vor der Kollision mit der Energieaufnahme der Kollision durch den Robotermanipulator und durch das Objekt selbst über einen Weg s mit der jeweiligen Steifigkeit k liefert: $$\begin{array}{cc}E=1/2\cdot m\cdot v_{max}^2=F_{max}\cdot s,& k=F_{max}/s\end{array}$$

  

  Und somit: $$F_{max}=v_{max}\cdot \sqrt{k/2\cdot m}$$

  

  Somit ist durch das höchst zulässig vorgegebene Moment auf das Getriebe des Gelenks des Robotermanipulators eine Kraft an einem bestimmten der Oberflächenpunkte ermittelt, und durch diese Kraft auch eine von der Masse und der Steifigkeit des Robotermanipulators und des Objekts abhängige höchstzulässige Normalgeschwindigkeit ermittelt.
• Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass der Robotermanipulator mit nur einer solchen Geschwindigkeit auf einem jeweiligen der Oberflächenpunkte angesteuert wird, dass eine unerwartete Kollision mit einem Objekt aus der Umgebung des Robotermanipulators zu keiner Beschädigung des Robotermanipulators führt. Die Beschädigung des Robotermanipulators betrifft dabei insbesondere eine Deformation eines der Glieder des Robotermanipulators sowie eine Überlastung des Getriebes, welches an einem zwei Glieder des Robotermanipulators verbindenden Gelenks angeordnet ist, welches bei Überlastung eine Welle-Nabe Verbindung zum Durchrutschen bringt oder auch das Überspringen von einem ersten Zahnrad über ein zweites Zahnrad nach sich zieht. Indem vorteilhaft die Normalgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeitskomponente des ganzen Geschwindigkeitsvektorw des jeweiligen der Oberflächenpunkte, die zur Oberfläche am jeweiligen der Oberflächenpunkte senkrecht steht, betrachtet wird, wird vorteilhaft ein genaueres Ergebnis zur Schadensvorhersage erreicht, da tangentiale Kräfte auf die jeweiligen der Oberflächenpunkte erfahrungsgemäß nur geringen Einfluss ausüben und unwesentlich zu Schaden führen.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform gibt der jeweilige Datensatz weiterhin für eine Vielzahl möglicher Posen und Massenverteilungen des Robotermanipulators eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte an, wobei das Verfahren weiterhin die Schritte aufweist:
• - Erfassen einer aktuellen oder künftigen Pose und einer tatsächlichen Massenverteilung des Robotermanipulators,
• - Zuordnen der aktuellen oder künftigen Pose und der tatsächlichen Massenverteilung des Robotermanipulators zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gibt der jeweilige Datensatz weiterhin für eine Vielzahl möglicher Steifigkeiten und/oder Flächenträgheitsmomente des jeweiligen Bauelements, an welchem der jeweilige der Oberflächenpunkte angeordnet ist, eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte an, wobei das Verfahren weiterhin die Schritte aufweist:
• - Erfassen einer tatsächlichen Steifigkeit und/oder eines tatsächlichen Flächenträgheitsmoments des jeweiligen Bauelements,
• - Zuordnen der tatsächlichen Steifigkeit und/oder des tatsächlichen Flächenträgheitsmoments des jeweiligen Bauelements zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte.
• Das Flächenträgheitsmoment des jeweiligen Bauelements gibt insbesondere dessen geometrisch bedingten Widerstand gegen Verformung an. Vorteilhaft werden durch diese Ausführungsform mehr Details des Robotermanipulators berücksichtigt, um noch genauer eine sichere Normalgeschwindigkeit, die möglichst hoch ist, vorzugeben.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gibt der jeweilige Datensatz weiterhin für eine Vielzahl möglicher Verhältnisse der Oberflächenform der Oberfläche des jeweiligen Bauelements, an welchem der jeweilige der Oberflächenpunkte angeordnet ist, zu einer geometrischen Form des Objekts eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte an, wobei das Verfahren weiterhin die Schritte aufweist:
• - Erfassen des tatsächlichen Verhältnisses der Oberflächenform der Oberfläche des jeweiligen Bauelements, an welchem der jeweilige der Oberflächenpunkte angeordnet ist, zu einer geometrischen Form des Objekts,
• - Zuordnen des erfassten tatsächlichen Verhältnisses zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte.
• Das Verhältnis dieser geometrischen Formen ist mitbestimmend für den Kraftstoß auf den Robotermanipulator bei einer Kollision mit dem Objekt. Im Vergleich zum Aufeinandertreffen einer konvexen Form mit einer konkaven Form wird bei gleichbleibenden Steifigkeiten das Aufeinandertreffen zweier konvexer Formen einen anderen Kraftstoß hervorrufen. Vorteilhaft kann durch die Berücksichtigung dieser Verhältnisse der Kraftstoß bei einer Kollision genauer abgeschätzt werden, was zur einer besseren Vorgabe einer sicheren Normalgeschwindigkeit führt.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Oberflächenform der Oberfläche des jeweiligen Bauelements und die geometrische Form des Objekts jeweils in einer der folgenden Kategorien angegeben:
• - konvex gewölbte Oberfläche mit Krümmungsradius r,
• - konkav gewölbte Oberfläche mit Krümmungsradius r,
• - keilförmig Oberfläche,
• - Schärfegrad der Oberfläche.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Steifigkeit des Bauelements, an welchem der jeweilige der Oberflächenpunkte angeordnet ist, und die Steifigkeit am jeweiligen Ort der Oberflächenpunkte des Robotermanipulators jeweils zumindest eines der folgenden Elemente:
• - E-Modul,
• - Härtegrad,
• - Streckgrenze,
• - plastisches oder elastisches Verhalten,
• - Duktilität.
• Während der Härtegrad ein Maß für den Widerstand gegen Eindringen eines Körpers angibt, gibt der E-Modul einen Widerstand insbesondere bei einer Zugkraft des Materials an. Die Streckgrenze bezeichnet insbesondere diejenige Spannung, bis zu der ein Werkstoff bei einachsiger und momentenfreier Zugbeanspruchung keine dauerhafte plastische Verformung zeigt. Die Duktilität des Materials gibt insbesondere an, wie weit sich das Material plastisch verformt, bevor Versagen am Material auftritt. Vorteilhaft wird diese Größe mit berücksichtigt, um Schäden am jeweiligen Bauelement selbst insbesondere oberflächennah zu berücksichtigen.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die in der Datenbank angegebene jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit jeweils einem ersten Schadensmaß an einem jeweiligen Bauelement, an welchem der jeweilige der Oberflächenpunkte angeordnet ist, und/oder einem zweiten Schadensmaß an zumindest einem Gelenk des Robotermanipulators zugeordnet. Vorteilhaft werden durch diese Ausführungsform sowohl mögliche Schäden am jeweiligen Bauelement, insbesondere an einem Glied des Robotermanipulators, als auch mögliche Schäden an einem jeweiligen Gelenk des Robotermanipulators berücksichtigt. Insbesondere die Berücksichtigung möglicher Schäden an einem jeweiligen Gelenk ist insoweit vorteilhaft, als dass typischerweise an den Gelenken eines Robotermanipulators die Antriebe angeordnet sind, wobei die Antriebe typischerweise mit einem Getriebe verbunden sind. Ein solches Getriebe ist bei einer oben beschriebenen Kollision eine der häufigsten Ursachen von Beschädigungen am Robotermanipulator.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das zweite Schadensmaß an dem zumindest einen Gelenk eine Belastung auf ein Getriebe, wobei das Getriebe mit einem Motor an dem jeweiligen Gelenk verbunden ist und zum Bewegen von zwei durch das jeweilige Gelenk verbundene Roboterglieder um das jeweilige Gelenk dient.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Belastung auf das Getriebe einen ersten Kennwert und/oder einen zweiten Kennwert oder eine Summe aus dem ersten Kennwert und dem zweiten Kennwert, wobei der erste Kennwert ein von der aktuellen Geschwindigkeit der Roboterglieder abhängiger und durch die Trägheit der Roboterglieder verursachter Impuls auf das Getriebe bei einer Kollision der Roboterglieder mit dem Objekt ist, und wobei der zweite Kennwert auf dem durch die Rotation eines elektrischen Motors an einem jeweiligen Gelenk, an dem das jeweilige Getriebe angeordnet ist, basierender Drehimpuls ist, der bei der Kollision auf das Getriebe übertragen wird. In dieser Ausführungsform werden vorteilhaft zwei für das Getriebe schädliche Belastungsmechanismen berücksichtigt. Zum einen entsteht im Allgemeinen ein belastendes Moment dadurch, insbesondere wenn der Endeffektor oder ein anderes Glied des Robotermanipulators mit dem Objekt kollidiert, wenn der Robotermanipulator selbst und daher auch die über den Robotermanipulator verteilten Massen noch einen gewissen Impuls aufweisen und durch ihre Trägheit dazu geneigt sind, sich weiter zu bewegen, wobei dieses Weiterbewegen durch die Kollision mit dem Objekt gestoppt wird. Zum anderen wird im Allgemeinen jeder Antrieb des Robotermanipulators zwischen zwei sich bewegenden Gliedern des Robotermanipulators einen Drehimpuls aufweisen, beispielsweise der Drehimpuls des Motors eines elektrischen Motors, der durch den plötzlichen Stopp bei einer Kollision mit dem Objekt direkt auf das Getriebe übertragen wird. Der Drehimpuls des Motors kann sich daher mit dem oben beschriebenen Moment, welches aus der Trägheit des Robotermanipulators herrührt, überlagern und so zu einem Überlastungsmoment des Getriebes führen. Vorteilhaft werden daher in dieser Ausführungsform nur einer der beiden Schadensformen oder auch die Summe der beiden Schadensformen berücksichtigt, um eine Überlastung des jeweiligen betrachteten Getriebes vorteilhaft zu verhindern.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Robotermanipulator mit einer Steuereinheit, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist:
• - eine Datenbank bereitzustellen, wobei die Datenbank für eine Vielzahl von ausgewählten Oberflächenpunkten am Robotermanipulator einen jeweiligen Datensatz aufweist, wobei der jeweilige Datensatz für eine Vielzahl möglicher Steifigkeiten und/oder Massen eines Objekts aus der Umgebung des Robotermanipulators eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte angibt, wobei die Normalgeschwindigkeit die zur Oberfläche an einem jeweiligen der Oberflächenpunkte senkrecht stehende Komponente des Geschwindigkeitsvektors des jeweiligen der Oberflächenpunkte ist,
• - eine tatsächliche Steifigkeit und/oder eine tatsächliche Masse des Objekts aus der Umgebung des Robotermanipulators durch Vorwissen oder durch sensorisches Erfassen oder unter Annahme von unendlich zu erfassen,
• - die erfasste tatsächliche Steifigkeit und/oder die tatsächliche Masse zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte zuzuordnen, und
• - eine Geschwindigkeit für einen jeweiligen der Oberflächenpunkte auf einer aktuellen oder geplanten Bahn des Robotermanipulators so vorzugeben, dass die am jeweiligen der Oberflächenpunkte auftretende Normalgeschwindigkeit kleiner oder gleich der zugeordneten sicheren Normalgeschwindigkeit ist.
• Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Robotermanipulators 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 zum Vorgeben einer sicheren Geschwindigkeit eines Robotermanipulators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
• 2 einen Robotermanipulator mit einer Steuereinheit um das Verfahren nach 1 auszuführen.
• Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
• 1 zeigt ein Verfahren zum Vorgeben einer sicheren Geschwindigkeit eines Robotermanipulators 1, aufweisend die Schritte:
• - Bereitstellen S1 einer Datenbank, wobei die Datenbank für eine Vielzahl von ausgewählten Oberflächenpunkten 5 am Robotermanipulator 1 einen jeweiligen Datensatz aufweist, wobei der jeweilige Datensatz für eine Vielzahl möglicher Steifigkeiten und/oder Massen eines Objekts 3 aus der Umgebung des Robotermanipulators 1 und für eine Vielzahl möglicher Posen und Massenverteilungen des Robotermanipulators 1 eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte 5 angibt, wobei die Normalgeschwindigkeit die zur Oberfläche eines jeweiligen der Oberflächenpunkte 5 senkrecht stehende Komponente des Geschwindigkeitsvektors des jeweiligen der Oberflächenpunkte 5 ist und jeweils einem ersten Schadensmaß an einem jeweiligen Bauelement, an welchem der jeweilige der Oberflächenpunkte 5 angeordnet ist, und einem zweiten Schadensmaß an zumindest einem Gelenk des Robotermanipulators 1 zugeordnet ist, wobei das zweite Schadensmaß an dem zumindest einem Gelenk eine Belastung auf ein Getriebe umfasst, wobei das Getriebe mit einem Motor an dem jeweiligen Gelenk verbunden ist und zum Bewegen von zwei durch das jeweilige Gelenk verbundene Roboterglieder um das jeweilige Gelenk dient, wobei die Belastung auf das Getriebe eine Summe aus einem ersten Kennwert und einem zweiten Kennwert umfasst. Der erste Kennwert ist hierbei ein von der aktuellen Geschwindigkeit der Roboterglieder abhängiger Impuls auf das Getriebe und durch die Trägheit der Roboterglieder verursachter bei einer Kollision der Roboterglieder mit dem Objekt 3, und der zweite Kennwert auf dem durch die Rotation eines elektrischen Motors an einem jeweiligen Gelenk, an dem das jeweilige Getriebe angeordnet ist, basierender Drehimpuls, der bei der Kollision auf das Getriebe übertragen wird. Ferner werden die Schritte ausgeführt:
• - Erfassen S2 einer tatsächlichen Steifigkeit und/oder einer tatsächlichen Masse des Objekts 3 aus der Umgebung des Robotermanipulators 1 durch Vorwissen oder durch sensorisches Erfassen oder unter Annahme von unendlich und einer aktuellen oder künftigen Pose und einer tatsächlichen Massenverteilung des Robotermanipulators 1,
• - Zuordnen S3 der erfassten tatsächlichen Steifigkeit und/oder der tatsächlichen Masse und der aktuellen oder künftigen Pose und der tatsächlichen Massenverteilung des Robotermanipulators 1 zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte 5, und
• - Vorgeben S4 einer Geschwindigkeit für einen jeweiligen der Oberflächenpunkte 5 auf einer aktuellen oder geplanten Bahn des Robotermanipulators 1, sodass die am jeweiligen der Oberflächenpunkte auftretende Normalgeschwindigkeit kleiner oder gleich der zugeordneten sicheren Normalgeschwindigkeit ist.
• 2 zeigt einen Robotermanipulator 1 mit einer Steuereinheit 7, wobei die Steuereinheit 7 dazu ausgeführt ist:
• - eine Datenbank bereitzustellen, wobei die Datenbank für eine Vielzahl von ausgewählten Oberflächenpunkten 5 am Robotermanipulator 1 einen jeweiligen Datensatz aufweist, wobei der jeweilige Datensatz für eine Vielzahl möglicher Steifigkeiten und/oder Massen eines Objekts 3 aus der Umgebung des Robotermanipulators 1 eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte 5 angibt, wobei die Normalgeschwindigkeit die zur Oberfläche eines jeweiligen der Oberflächenpunkte 5 senkrecht stehende Komponente des Geschwindigkeitsvektors des jeweiligen der Oberflächenpunkte 5 ist,
• - eine tatsächliche Steifigkeit und/oder eine tatsächliche Masse des Objekts 3 aus der Umgebung des Robotermanipulators 1 durch Vorwissen oder durch sensorisches Erfassen oder unter Annahme von unendlich zu erfassen,
• - die erfasste tatsächliche Steifigkeit und/oder die tatsächliche Masse zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte 5 zuzuordnen, und
• - eine Geschwindigkeit für einen jeweiligen der Oberflächenpunkte 5 auf einer aktuellen oder geplanten Bahn des Robotermanipulators 1 so vorzugeben, dass die am jeweiligen der Oberflächenpunkte auftretende Normalgeschwindigkeit kleiner oder gleich der zugeordneten sicheren Normalgeschwindigkeit ist.
• Bezugszeichenliste

1

Robotermanipulator

3

Objekt

5

Oberflächenpunkte

7

Steuereinheit

S1

Bereitstellen

S2

Erfassen

S3

Zuordnen

S4

Vorgeben

Claims (10)

1. Verfahren zum Vorgeben einer sicheren Geschwindigkeit eines Robotermanipulators (1), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen (S1) einer Datenbank, wobei die Datenbank für eine Vielzahl von ausgewählten Oberflächenpunkten (5) am Robotermanipulator (1) einen jeweiligen Datensatz aufweist, wobei der jeweilige Datensatz für eine Vielzahl möglicher · Steifigkeiten und/oder Massen eines Objekts (3) aus der Umgebung des Robotermanipulators (1) eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) angibt, wobei die Normalgeschwindigkeit die zur lokalen Oberfläche des Robotermanipulators (1) an einem jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) senkrecht stehende Komponente des Geschwindigkeitsvektors des jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) ist, - Erfassen (S2) einer tatsächlichen Steifigkeit und/oder einer tatsächlichen Masse des Objekts (3) aus der Umgebung des Robotermanipulators (1) durch Vorwissen oder durch sensorisches Erfassen oder unter Annahme von unendlich, - Zuordnen (S3) der erfassten tatsächlichen Steifigkeit und/oder der tatsächlichen Masse zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte (5), und - Vorgeben (S4) einer Geschwindigkeit für einen jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) auf einer aktuellen oder geplanten Bahn des Robotermanipulators (1), sodass die am jeweiligen der Oberflächenpunkte auftretende Normalgeschwindigkeit kleiner oder gleich der zugeordneten sicheren Normalgeschwindigkeit ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der jeweilige Datensatz weiterhin für eine Vielzahl möglicher · Posen und Massenverteilungen des Robotermanipulators (1) eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) angibt, weiterhin aufweisend die Schritte: - Erfassen einer aktuellen oder künftigen Pose und einer tatsächlichen Massenverteilung des Robotermanipulators (1), - Zuordnen der aktuellen oder künftigen Pose und der tatsächlichen Massenverteilung des Robotermanipulators (1) zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte (5).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Datensatz weiterhin für eine Vielzahl möglicher · Steifigkeiten und/oder Flächenträgheitsmomente des jeweiligen Bauelements, an welchem der jeweilige der Oberflächenpunkte (5) angeordnet ist, eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) angibt, weiterhin aufweisend die Schritte: - Erfassen einer tatsächlichen Steifigkeit und/oder eines tatsächlichen Flächenträgheitsmoments des jeweiligen Bauelements, - Zuordnen der tatsächlichen Steifigkeit und/oder des tatsächlichen Flächenträgheitsmoments des jeweiligen Bauelements zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte (5).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Datensatz weiterhin für eine Vielzahl möglicher · Verhältnisse der Oberflächenform der Oberfläche des jeweiligen Bauelements, an welchem der jeweilige der Oberflächenpunkte (5) angeordnet ist, zu einer geometrischen Form des Objekts (3) eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) angibt, weiterhin aufweisend die Schritte: - Erfassen des tatsächlichen Verhältnisses von der Oberflächenform der Oberfläche des jeweiligen Bauelements, an welchem der jeweilige der Oberflächenpunkte (5) angeordnet ist, und einer geometrischen Form des Objekts (3), - Zuordnen des erfassten tatsächlichen Verhältnisses zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte (5).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Oberflächenform der Oberfläche des jeweiligen Bauelements und die geometrische Form des Objekts (3) jeweils in einer der folgenden Kategorien angegeben werden: - konvex gewölbte Oberfläche mit Krümmungsradius r, - konkav gewölbte Oberfläche mit Krümmungsradius r, - keilförmig Oberfläche, - Schärfegrad der Oberfläche.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Steifigkeit des Bauelements, an welchem der jeweilige der Oberflächenpunkte (5) angeordnet ist, und die Steifigkeit am jeweiligen Ort der Oberflächenpunkte (5) des Robotermanipulators (1) jeweils zumindest eines der folgenden Elemente umfassen: - E-Modul, - Härtegrad, - Streckgrenze, - plastisches oder elastisches Verhalten, - Duktilität.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in der Datenbank angegebene jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit jeweils einem ersten Schadensmaß an einem jeweiligen Bauelement, an welchem der jeweilige der Oberflächenpunkte (5) angeordnet ist, und/oder einem zweiten Schadensmaß an zumindest einem Gelenk des Robotermanipulators (1) zugeordnet ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das zweite Schadensmaß an dem zumindest einem Gelenk eine Belastung auf ein Getriebe umfasst, wobei das Getriebe mit einem Motor an dem jeweiligen Gelenk verbunden ist und zum Bewegen von zwei durch das jeweilige Gelenk verbundene Roboterglieder um das jeweilige Gelenk dient.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Belastung auf das Getriebe einen ersten Kennwert und/oder einen zweiten Kennwert oder eine Summe aus einem ersten Kennwert und einem zweiten Kennwert umfasst, wobei der erste Kennwert ein von der aktuellen Geschwindigkeit der Roboterglieder abhängiger Impuls auf das Getriebe und durch die Trägheit der Roboterglieder verursachter bei einer Kollision der Roboterglieder mit dem Objekt (3) ist, und wobei der zweite Kennwert auf dem durch die Rotation eines elektrischen Motors an einem jeweiligen Gelenk, an dem das jeweilige Getriebe angeordnet ist, basierender Drehimpuls ist, der bei der Kollision auf das Getriebe übertragen wird.
10. Robotermanipulator (1) mit einer Steuereinheit (7), wobei die Steuereinheit (7) dazu ausgeführt ist: - eine Datenbank bereitzustellen, wobei die Datenbank für eine Vielzahl von ausgewählten Oberflächenpunkten (5) am Robotermanipulator (1) einen jeweiligen Datensatz aufweist, wobei der jeweilige Datensatz für eine Vielzahl möglicher · Steifigkeiten und/oder Massen eines Objekts (3) aus der Umgebung des Robotermanipulators (1) eine jeweilige sichere Normalgeschwindigkeit des jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) angibt, wobei die Normalgeschwindigkeit die zur lokalen Oberfläche des Robotermanipulators (1) an einem jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) senkrecht stehende Komponente des Geschwindigkeitsvektors des jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) ist, - eine tatsächliche Steifigkeit und/oder eine tatsächliche Masse des Objekts (3) aus der Umgebung des Robotermanipulators (1) durch Vorwissen oder durch sensorisches Erfassen oder unter Annahme von unendlich zu erfassen, - die erfasste tatsächliche Steifigkeit und/oder die tatsächliche Masse zu einer sicheren Normalgeschwindigkeit eines jeweiligen Datensatzes für den jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) zuzuordnen, und - eine Geschwindigkeit für einen jeweiligen der Oberflächenpunkte (5) auf einer aktuellen oder geplanten Bahn des Robotermanipulators (1) so vorzugeben, dass die am jeweiligen der Oberflächenpunkte auftretende Normalgeschwindigkeit kleiner oder gleich der zugeordneten sicheren Normalgeschwindigkeit ist.

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