DE102019111168B3 - Vom Messbereich eines Drehmomentsensors eines Robotermanipulators abhängig erzeugbare Kraft - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Robotersystem (1) aufweisend einen Robotermanipulator (3), eine Recheneinheit (5) und eine Anzeigeeinheit (7), wobei der Robotermanipulator (3) eine Vielzahl von durch Gelenke (9) miteinander verbundenen Glieder (11) aufweist und die Gelenke (9) jeweils einen Drehmomentsensor (13) und einen Positionssensor (15) aufweisen, wobei der jeweilige Drehmomentsensor (13) einen Messbereich aufweist mit einer unteren Grenze und einer oberen Grenze und zum Erfassen eines jeweiligen Moments und zum Übermitteln des jeweiligen Moments an die Recheneinheit (5) ausgeführt ist und der jeweilige Positionssensor (15) zum Erfassen eines jeweiligen Gelenkwinkels und zum Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit (5) ausgeführt ist, wobei die Recheneinheit (5) dazu ausgeführt ist, für zumindest einen ausgewählten Drehmomentsensor (13) auf Basis der unteren Grenze und der oberen Grenze des Messbereiches des ausgewählten Drehmomentsensors (13), des erfassten oder theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Drehmomentsensor, der zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor (13) und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator (3) ermittelten Gelenkwinkel,eine Komponente des dem ausgewählten Drehmomentsensor zugeordneten externen Kraftwinders zu ermitteln, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem ausgewählten Drehmomentsensor erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, und wobei die Recheneinheit (5) dazu ausgeführt ist, zumindest eine Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit (7) zum visuellen Ausgeben zu übermitteln.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Robotersystem aufweisend einen Robotermanipulator, eine Recheneinheit und eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen einer Kraft oder eines Moments, ein Verfahren zum Betreiben eines Robotermanipulators sowie ein Verfahren zum prädizierenden Betreiben eines Robotermanipulators.
• Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Robotermanipulatoren und -systeme bekannt.
• So betrifft die DE 10 2017 215 114 A1 ein Manipulatorsystem, mit einem robotischen Manipulator, wobei der Manipulator Sensoren zum Erkennen einer Kraft und/oder eines Drehmoments aufweist, die von außen auf den Manipulator aufgebracht wird, wobei durch ein Aufbringen einer Kraft und/oder eines Drehmoments von außen auf den Manipulator Befehle für den Manipulator erzeugbar sind, wobei das Manipulatorsystem ferner eine Augmented-Reality-Anzeigevorrichtung aufweist, durch die ein Anzeigen von Stellen am Manipulator erfolgt, an denen durch das Aufbringen einer Kraft und/oder eines Drehmoments von außen ein Befehl für den robotischen Manipulator erzeugt wird.
• Die DE 11 2017 001 645 T5 betrifft außerdem eine Steuervorrichtung mit einem Steuerabschnitt, der auf eine Intention einer externen Kraft auf Basis der externen Kraft schließt.
• Die DE 10 2015 012 232 A1 betrifft ein mit Menschen kollaborierendes Robotersystem, bei dem sich ein Roboter und ein Mensch einen Arbeitsraum teilen. Das Robotersystem umfasst eine Erfassungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine physikalische Größe direkt oder indirekt zu erfassen, welche sich in Antwort auf eine auf den Roboter ausgeübte Kontaktkraft ändert, wenn der Roboter mit einer externen Umgebung in Kontakt kommt, und eine Stoppbefehlseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die durch die Erfassungseinrichtung erfasste physikalische Größe mit einem ersten Schwellenwert und einem zweiten Schwellenwert zu vergleichen, welcher größer als der erste Schwellenwert ist, den Roboter gemäß einem vordefinierten Stoppverfahren anzuhalten, wenn die physikalische Größe gleich oder größer als der erste Schwellenwert und kleiner als der zweite Schwellenwert ist, und den Roboter innerhalb einer im Vergleich zu dem vordefinierten Stoppverfahren kürzeren Zeitspanne anzuhalten, wenn die physikalische Größe gleich oder größer als der zweite Schwellenwert ist.
• Die DE 10 2012 205 279 A1 betrifft ein Verfahren zum Steuerung eines Roboters, der mindestens ein Drehmoment- und/oder kraftgeregeltes Gelenk aufweist, wobei das tatsächlich an dem Gelenk auftretende Drehmoment oder die tatsächlich an dem Gelenk auftretende Kraft gemessen und/oder bestimmt wird.
• Die DE 10 2007 050 232 A1 betrifft einen Handhabungsroboter mit einer Roboterbasis und einem darauf beweglich angeordneten Manipulator mit mehreren Bewegungsachsen, denen jeweils ein Aktor und mindestens ein Achsensensor zugeordnet ist, wobei eine mehrachsige Redundanz-Sensoranordnung vorgesehen ist, die mehrere Redundanzsensoren aufweist.
• Die US 2014 / 0 236 565 A1 betrifft außerdem einen Robotersimulator.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einem Anwender beim Betrieb eines Robotermanipulators möglichst intuitiv mitzuteilen, inwieweit die vom Anwender eingeleitete Anwendung hinsichtlich einer Kraft oder eines Moments ausgeführt werden kann, sodass der jeweilige Messbereich zumindest eines an einem jeweiligen Gelenk des Robotermanipulators angeordneten Drehmomentsensors nicht überschritten wird.
• 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 Robotersystem aufweisend einen Robotermanipulator, eine Recheneinheit und eine Anzeigeeinheit, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist und die Gelenke jeweils einen Drehmomentsensor und einen Positionssensor aufweisen, wobei der jeweilige Drehmomentsensor einen Messbereich aufweist mit einer unteren Grenze und einer oberen Grenze und zum Erfassen eines jeweiligen Moments und zum Übermitteln des jeweiligen Moments an die Recheneinheit ausgeführt ist und der jeweilige Positionssensor zum Erfassen eines jeweiligen Gelenkwinkels und zum Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit ausgeführt ist, wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, für zumindest einen ausgewählten Drehmomentsensor auf Basis
• - der unteren Grenze und der oberen Grenze des Messbereiches des ausgewählten Drehmomentsensors,
• - des erfassten oder theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Drehmomentsensor, und
• - der zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator ermittelten Gelenkwinkel,
zumindest eine Komponente eines dem ausgewählten Drehmomentsensor zugeordneten externen Kraftwinders zu ermitteln, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem ausgewählten Drehmomentsensor erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, und wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, die zumindest eine Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit zum visuellen Ausgeben zu übermitteln.
• Die Gelenke des Robotermanipulators weisen bevorzugt elektrische Motoren als Aktuatoren zum Bewegen der Glieder um die jeweiligen Gelenke auf. Die elektrischen Motoren selbst können als Drehmomentsensoren dienen, indem insbesondere die elektrische Stromstärke in einem jeweiligen der Motoren gemessen wird, oder aber, alternativ bevorzugt, ein mechanischer Drehmomentsensor ist am jeweiligen der Gelenke angeordnet. Bei einem solchen mechanischen Drehmomentsensor wird insbesondere eine Dehnung eines reversibel elastischen Materials erfasst, beispielsweise in Speichen des jeweiligen Drehmomentsensors, wobei durch Kenntnis der Materialkonstanten auf ein anliegendes Moment geschlossen werden kann. Es können prinzipiell alle im Stand der Technik bekannten Drehmomentsensoren verwendet werden. Der ausgewählte Drehmomentsensor ist ein beliebiger der Drehmomentsensoren, insbesondere ein speziell vom Anwender ausgesuchter Drehmomentsensor. Alternativ bevorzugt ist der ausgewählte Drehmomentsensor ein vordefinierter oder mehrere vordefinierte, insbesondere alle, der Drehmomentsensoren.
• Das am ausgewählten Drehmomentsensor erfasste Moment setzt sich typischerweise aus einer Vielzahl von Ursachen zusammen. Ein erster Teil des Moments ergibt sich aus den kinematischen Kräften und Momenten, insbesondere der Coriolisbeschleunigung sowie der Zentrifugalbeschleunigung beim bewegten Betrieb des Robotermanipulators. Ein weiterer Teil des erfassten Moments ist einem Schwerkrafteinfluss zuzurechnen und ein nochmals weiterer Teil einer extern aufgebrachten Kraft oder einem extern aufgebrachten Moment wie durch Kontaktkräfte verursacht. Da jeder der Drehmomentsensoren jedoch einen begrenzten Messbereich aufweist, können nur Drehmomente zwischen einer unteren Grenze und einer oberen Grenze vom jeweiligen Drehmomentsensor erfasst werden. Ist beispielsweise bereits durch den Einfluss der auf die Glieder des Robotermanipulators wirkenden Schwerkraft der ausgewählte Drehmomentsensor mit einem bestimmten statischen Moment beaufschlagt, wird im Allgemeinen im auswählten Drehmomentsensor ein Moment ungleich Null erfasst, und je nach Einbaurichtung und Vorzeichendefinition rückt entweder die obere Grenze oder die unteren Grenze des Messbereiches des ausgewählten Drehmomentsensors alleine hierdurch näher. Es kann also nicht mehr in beide Richtungen im Freiheitsgrad des Gelenks, an dem der ausgewählte Drehmomentsensor angeordnet ist, ein gleich hohes Zusatzmoment bis zum Erreichen der oberen bzw. der unteren Grenze erfasst werden. Dieses reduzierte erfassbare Moment am Drehmomentsensor selbst kann einerseits selbst ausgegeben werden, erfindungsgemäß wird jedoch eine diesem möglichen Zusatzmoment zugeordnete Kraft oder Moment aus einem insoweit noch aufbringbarem externen Kraftwinder für einen Bezugspunkt am Robotermanipulator ermittelt.
• Bevorzugt ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, zumindest eine Komponente eines solchen externen Kraftwinders zu ermitteln. Weiterhin bevorzugt werden von der Recheneinheit alle Komponenten des externen Kraftwinders ermittelt, wobei der externe Kraftwinder insbesondere sechs Komponenten aufweist, wovon die ersten drei Komponenten Kräfte in einem kartesischen Koordinatensystem angeben und wovon die weiteren drei Komponenten Momente um die Achsen des kartesischen Koordinatensystems angeben.
• Um einen solchen externen Kraftwinder mit einem bestimmten Bezugspunkt aus einem bekannten möglichen Zusatzmoment am ausgewählten Gelenk zu ermitteln, ist die Pseudoinverse der transformierten Jacobimatrix erforderlich. Aus der bekannten Geometrie der Glieder des Robotermanipulators sowie den zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator ermittelten Gelenkwinkeln ist ein relativer Positionsvektor zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor und dem Bezugspunkt bestimmbar. Aus dieser relativen Position kann die Jacobi Matrix ermittelt werden. Die Pseudoinverse (anstelle der Inversen selbst) der Jacobi Matrix ist insbesondere dann erforderlich, wenn es sich bei dem Robotermanipulator um einen redundanten Manipulator handelt, das heißt, dass zumindest zwei der die Glieder verbindenden Gelenke zueinander redundante Freiheitsgrade aufweisen. In einem redundanten Robotermanipulator können insbesondere Glieder des Robotermanipulators bewegt werden, ohne dass sich eine Orientierung und eine Position des Endeffektors des Robotermanipulators bewegen würde. Die Jacobimatrix verknüpft grundsätzlich die Winkelgeschwindigkeiten an den Gelenken zu der translatorischen und rotatorischen Geschwindigkeit an einem beliebigen Punkt, insbesondere dem Endeffektor des Robotermanipulators. Prinzipiell ist es jedoch unerheblich, ob tatsächlich Geschwindigkeiten betrachtet werden; so kann die Jacobimatrix auch für den Zusammenhang zwischen den Momenten an den Gelenken und den Kräften und Momenten an dem Bezugspunkt verwendet werden.
• Die Transponierte der Jacobimatrix J , nämlich J^T , vermittelt zwischen dem externen Kraftwinder F_ext zu dem möglichen Zusatzmoment τ im Gelenkraum wie folgt: $$\tau =J^T{F}_{ext}$$

  

  Nach Umstellung dieser Gleichung mit Hilfe der Pseudoinversen der Transponierten von J , bezeichnet als (J^T)^#, gilt: $$F_{ext}={\left(J^T\right)}^{⧣}\tau$$

  

  Ein externer Kraftwinder weist grundsätzlich einen Bezugspunkt auf. Der externe Kraftwinder ist daher grundsätzlich nur für diesen Bezugspunkt gültig. Der Bezugspunkt bestimmt unmittelbar die Komponenten der Jacobimatrix. Bevorzugt ist der Bezugspunkt auf ein Endeffektorkoordinatensystem, insbesondere dessen Ursprung, bezogen. Ein Ursprung eines Endeffektorkoordinatensystems als Bezugspunkt weist insbesondere den Vorteil auf, dass die zumindest eine Komponente des externen Kraftwinders mit Bezug auf den Endeffektor ermittelt werden. Mit einer entsprechenden Koordinatensystemtransformation zur Notation des externen Kraftwinders ebenfalls in das Endeffektorkoordinatensystem wird ein externer Kraftwinder erhalten, der intuitiv relativ zum Endeffektor vom Anwender verstanden werden kann, vor dem Hintergrund, dass der Endeffektor das typischerweise häufigste Element eines Robotermanipulators darstellt, an dem eine externe Kraft oder ein externes Moment auf den Robotermanipulator einwirkt.
• Die Anzeigeeinheit ist bevorzugt ein Bildschirm, der mit der Recheneinheit des Robotermanipulators verbunden ist. Bevorzugt kann über diesen Bildschirm zumindest eine Funktion des Robotermanipulators eingestellt und aktiviert werden. Der Bildschirm kann neben dem Robotermanipulator angeordnet sein, oder auch auf dem Robotermanipulator selbst angeordnet sein.
• Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass durch das Anzeigen einer Kraft oder eines Moments, welche am Bezugspunkt bis zum Erreichen der oberen oder unteren Grenze des Drehmomentsensors noch aufbringbar ist, eine intuitiv erfassbare und verstehbare Größe angezeigt wird, die von einem Anwender ohne Umrechnung oder gedanklicher Transformation nachvollzogen werden kann. Letztendlich führt dies vorteilhaft zu einem sicheren Betrieb und einer genaueren Ausführung einer jeweiligen Aufgabe am Robotermanipulators.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, neben der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders zumindest eine der folgenden Größen für das ausgewählte Gelenk oder den ausgewählten Drehmomentsensor zu ermitteln:
• - (effektive) Auflösung der Kräfte/Momente am jeweiligen Drehmomentsensor,
• - (relative) Genauigkeit der Kräfte/Momente am jeweiligen Drehmomentsensor,
• - Rauschen (RMS oder Spitze-Spitze) der Signale des jeweiligen Drehmomentsensors,
• - Wiederholgenauigkeit der Kräfte/Momente am jeweiligen Drehmomentsensor,
• - minimale aufbringbare Kräfte/Momente am jeweiligen Drehmomentsensor ,
• - Reglerbandbreite,
• - Kräfte, um den Roboter manuell zu führen.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, einen Betrag der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit zum visuellen Ausgeben zu übermitteln. In dieser Ausführungsform wird lediglich ein Betrag der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit zum Anzeigen übermittelt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft besonders einfach vom Anwender zu verstehen, wenn die Richtung und die Orientierung der Kraft aus der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders sich aus der Anwendung und der aktuellen Situation des Robotermanipulators von sich aus ergibt, beispielsweise dann wenn der Endeffektor als Bohrer verwendet wird, der nur in einer vertikalen Richtung eine Bewegung ausführen kann, sodass es für den Anwender klar und eindeutig ist, auf welche Richtung sich die angezeigte Kraft bezieht. Analog dazu kann lediglich ein Betrag eines Moments am Endeffektor angezeigt werden, beispielsweise dann, wenn der Endeffektor als Schraubenschlüssel zum Eindrehen einer Schraube verwendet wird. Bevorzugt wird der Betrag der zumindest einen Komponente durch eine Ausdehnung eines Symbols dargestellt, oder alternativ bevorzugt dazu durch eine farblich variierende Anzeige eines Symbols, wobei insbesondere der Farbwert mit einem Betrag der zumindest einen Komponente korreliert.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, eine Orientierung der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit zum visuellen Ausgeben zu übermitteln. In dieser Ausführungsform wird vorteilhaft zum Betrag der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders insbesondere zusätzlich eine Orientierung, das heißt eine Richtung, der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders von der Anzeigeeinheit angezeigt. Bevorzugt wird die Richtung bzw. die Orientierung der zumindest einen Komponente symbolisch dargestellt, beispielsweise in Form einer Kompassnadel, eines Pfeils, oder einem anderen dafür geeigneten Symbol.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, das theoretisch ermittelte Moment am ausgewählten Drehmomentsensor durch die zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor und dem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator ermittelten Gelenkwinkel und mittels abgespeicherten Masseinformationen der Glieder des Robotermanipulators zu ermitteln. Im Gegensatz zur oben erläuterten Messung eines jeweiligen Moments an einem jeweiligen Drehmomentsensor kann das erwartete Moment auch geschätzt werden. Dies erfolgt bevorzugt auf Grundlage der oben erklärten bekannten Schwerkrafteinflüsse, Coriolis-Beschleunigungen, Fliehkräfte und anderen bekannten Einflüssen auf den Robotermanipulator. Vorteilhaft können durch Zusammenrechnen von bekannten oder auch erwarteten Einflüssen auch zukünftige Einflüsse in Betracht gezogen werden, sodass nicht nur aktuelle verbleibende Komponenten des externen Kraftwinders ermittelt werden können, wie es bei dem Erfassen der Momente in den Gelenken durch Messung der Fall ist, sondern auch zukünftige verbleibende Komponenten des externen Kraftwinders, die auf den Bezugspunkt aufgebracht werden können, ohne dass der zumindest eine ausgewählte Drehmomentsensor an die untere Grenze bzw. die Obergrenze seines möglichen Messbereiches für Momente anschlägt.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Bezugspunkt des externen Kraftwinders ein distales Ende des Robotermanipulators.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das distale Ende des Robotermanipulators ein Endeffektor des Robotermanipulators.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der zumindest eine ausgewählte Drehmomentsensor dazu ausgeführt, die untere Grenze und die obere Grenze seines Messbereichs an die Recheneinheit zu übermitteln.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die untere Grenze und die obere Grenze des Messbereichs des zumindest einen ausgewählten Drehmomentsensors in der Recheneinheit abgespeichert.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Anzeigeeinheit zum Anzeigen einer Orientierung der zumindest einen Komponente des Kraftwinders durch Ausrichten eines auf der Anzeigeeinheit angezeigten Symbols ausgeführt.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Robotermanipulators, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist und die Gelenke jeweils einen Drehmomentsensor und einen Positionssensor aufweisen, aufweisend die Schritte:
• - Erfassen eines jeweiligen Gelenkwinkels zwischen zumindest einem ausgewählten Gelenk und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator durch den jeweiligen Positionssensor, und Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit,
• - Ermitteln eines jeweiligen tatsächlich an dem zumindest einem ausgewählten Gelenk anliegenden Moments durch den Drehmomentsensor am ausgewählten Gelenk oder eines theoretischen an dem zumindest einen ausgewählten Gelenk anliegenden Moments, und Übermitteln des Moments an eine Recheneinheit,
• - Ermitteln zumindest einer Komponente eines dem Drehmomentsensor am ausgewählten Gelenk zugeordneten externen Kraftwinders auf Basis einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Messbereiches des Drehmomentsensors am ausgewählten Gelenk, auf Basis des erfassten oder theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Gelenk, und auf Basis der ermittelten Gelenkwinkel, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem Drehmomentsensor des ausgewählten Gelenks erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht,
• - Übermitteln der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an eine Anzeigeeinheit, und
• - visuelles Ausgeben der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders durch die Anzeigeeinheit.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum prädizierenden Betreiben eines Robotermanipulators mit einer Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern, aufweisend die Schritte:
• - Ermitteln eines jeweiligen Gelenkwinkels zwischen zumindest einem ausgewählten Gelenk und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator aus einer Simulation oder durch eine Vorgabe, und Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit,
• - Theoretisches Ermitteln eines an dem zumindest einen ausgewählten Gelenk anliegenden Moments aus den jeweiligen Gelenkwinkeln,
• - Ermitteln zumindest einer Komponente eines dem Drehmomentsensor am ausgewählten Gelenk zugeordneten externen Kraftwinders auf Basis einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Messbereiches des Drehmomentsensors am ausgewählten Gelenk, auf Basis des theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Gelenk, und auf Basis der ermittelten Gelenkwinkel, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem Drehmomentsensor des ausgewählten Gelenks erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht,
• - Übermitteln der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an eine Anzeigeeinheit, und
• - visuelles Ausgeben der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders durch die Anzeigeeinheit.
• Das theoretisches Ermitteln eines an zumindest einem ausgewählten Gelenk anliegenden Moments auf Basis der jeweiligen Gelenkwinkel erfolgt insbesondere wie oben erläutert auf Basis des bekannten Schwerkrafteinflusses.
• Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Robotersystem vorstehend gemachten Ausführungen.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezugspunkt 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 Robotersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 2 ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
• 3 ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
• 1 zeigt ein Robotersystem 1 aufweisend einen Robotermanipulator 3, eine Recheneinheit 5 und eine Anzeigeeinheit 7 eines mit der Steuereinheit 5 des Robotermanipulators 3 verbundenen Anwenderrechners. Der Robotermanipulator 3 weist eine Vielzahl von durch Gelenke 9 miteinander verbundenen Glieder 11 auf und die Gelenke 9 weisen jeweils einen Drehmomentsensor 13 und einen Positionssensor 15 auf, wobei der jeweilige Drehmomentsensor 13 einen Messbereich aufweist mit einer unteren Grenze und einer oberen Grenze und ein jeweiliges Moment erfasst und dieses an die Recheneinheit 5 übermittelt. Der jeweilige Positionssensor 15 erfasst einen jeweiligen Gelenkwinkel und übermittelt den jeweiligen Gelenkwinkel an die Recheneinheit 5. Symbolisch sind in 1 vier Gelenke dargestellt, wobei der ausgewählte, das heißt interessierende Drehmomentsensor 13, am vom Endeffektor aus gerechnet dritten Gelenk angeordnet ist. Am Endeffektor ist auch der Bezugspunkt des externen Kraftwinders, da der Anwender den Robotermanipulator am Endeffektor manuell führt. Die Recheneinheit 5 ermittelt laufend für den ausgewählten Drehmomentsensor 13 auf Basis der unteren Grenze und der oberen Grenze des Messbereiches des ausgewählten Drehmomentsensors 13, auf Basis des erfassten Moments am ausgewählten Drehmomentsensor 13, und auf Basis der zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor 13 und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator 3 ermittelten Gelenkwinkel, einen Betrag und eine Orientierung einer Kraft-Komponente Fext des dem ausgewählten Drehmomentsensor 13 zugeordneten externen Kraftwinders. Diese Kraft-Komponente Fext gibt an, welche Kraft auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem ausgewählten Drehmomentsensor erfasste Moment M die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht. Die Recheneinheit 5 übermittelt ferner diese Kraft-Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit 7 zum visuellen Ausgeben. Die Anzeigeeinheit 7 gibt hierbei die Orientierung und den Betrag der Kraft-Komponente auf ihrem Bildschirm als gestrichelt gezeichneten Pfeil aus, wobei die Strichelung für eine Farbe des Pfeils steht und der Winkel des Pfeils gegenüber einer horizontalen Linie für eine Orientierung der Kraft-Komponente gegenüber einer horizontalen Ebene in einer vertikalen Ebene steht.
• 2 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Robotermanipulators 3, wobei der Robotermanipulator 3 eine Vielzahl von durch Gelenke 9 miteinander verbundenen Gliedern 11 aufweist und die Gelenke 9 jeweils einen Drehmomentsensor 13 und einen Positionssensor 15 aufweisen, aufweisend die Schritte:
• - Erfassen S1 eines jeweiligen Gelenkwinkels zwischen zumindest einem ausgewählten Gelenk 9 und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator 3 durch den jeweiligen Positionssensor 15, und Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit 5,
• - Ermitteln S2 eines jeweiligen tatsächlich an dem zumindest einem ausgewählten Gelenk 9 anliegenden Moments durch den Drehmomentsensor 13 am ausgewählten Gelenk 9 oder eines theoretischen an dem zumindest einen ausgewählten Gelenk 9 anliegenden Moments, und Übermitteln des Moments an eine Recheneinheit 5,
• - Ermitteln S3 zumindest einer Komponente eines dem Drehmomentsensor 13 am ausgewählten Gelenk zugeordneten externen Kraftwinders auf Basis einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Messbereiches des Drehmomentsensors 13 am ausgewählten Gelenk 9, auf Basis des erfassten oder theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Gelenk 9, und auf Basis der ermittelten Gelenkwinkel, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem Drehmomentsensor 13 des ausgewählten Gelenks 9 erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht,
• - Übermitteln S4 der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an eine Anzeigeeinheit 7, und
• - visuelles Ausgeben S5 der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders durch die Anzeigeeinheit 7.
• 3 zeigt ein Verfahren zum prädizierenden Betreiben eines Robotermanipulators 3 mit einer Vielzahl von durch Gelenke 9 miteinander verbundenen Gliedern 11, aufweisend die Schritte:
• - Ermitteln H1 eines jeweiligen Gelenkwinkels zwischen zumindest einem ausgewählten Gelenk 9 und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator 3 aus einer Simulation oder durch eine Vorgabe und Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit 5,
• - Theoretisches Ermitteln H2 eines an dem zumindest einen ausgewählten Gelenk 9 anliegenden Moments aus den jeweiligen Gelenkwinkeln,
• - Ermitteln H3 zumindest einer Komponente eines dem Drehmomentsensor 13 am ausgewählten Gelenk 9 zugeordneten externen Kraftwinders auf Basis einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Messbereiches des Drehmomentsensors 13 am ausgewählten Gelenk 9, auf Basis des theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Gelenk 9, und auf Basis der ermittelten Gelenkwinkel, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem Drehmomentsensor 13 des ausgewählten Gelenks 9 erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht,
• - Übermitteln H4 der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an eine Anzeigeeinheit 7, und
• - visuelles Ausgeben H5 der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders durch die Anzeigeeinheit 7.
• Bezugszeichenliste

1

Robotersystem

3

Robotermanipulator

5

Recheneinheit

7

Anzeigeeinheit

9

Gelenk

11

Glied

13

Drehmomentsensor

15

Positionssensor

S1

Erfassen

S2

Ermitteln

S3

Ermitteln

S4

Übermitteln

S5

Ausgeben

H1

Ermitteln

H2

Ermitteln

H3

Ermitteln

H4

Übermitteln

H5

Ausgeben

Claims (10)

1. Robotersystem (1) aufweisend einen Robotermanipulator (3), eine Recheneinheit (5) und eine Anzeigeeinheit (7), wobei der Robotermanipulator (3) eine Vielzahl von durch Gelenke (9) miteinander verbundenen Glieder (11) aufweist und die Gelenke (9) jeweils einen Drehmomentsensor (13) und einen Positionssensor (15) aufweisen, wobei der jeweilige Drehmomentsensor (13) einen Messbereich mit einer unteren Grenze und einer oberen Grenze aufweist und zum Erfassen eines jeweiligen Moments und zum Übermitteln des jeweiligen Moments an die Recheneinheit (5) ausgeführt ist und der jeweilige Positionssensor (15) zum Erfassen eines jeweiligen Gelenkwinkels und zum Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit (5) ausgeführt ist, wobei die Recheneinheit (5) dazu ausgeführt ist, für zumindest einen ausgewählten Drehmomentsensor (13) auf Basis - der unteren Grenze und der oberen Grenze des Messbereiches des ausgewählten Drehmomentsensors (13), - des erfassten oder theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Drehmomentsensor, - der zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor (13) und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator (3) ermittelten Gelenkwinkel, zumindest eine Komponente eines dem ausgewählten Drehmomentsensor (13) zugeordneten externen Kraftwinders zu ermitteln, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem ausgewählten Drehmomentsensor (13) erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, und wobei die Recheneinheit (5) dazu ausgeführt ist, die zumindest eine Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit (7) zum visuellen Ausgeben zu übermitteln.
2. Robotersystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Recheneinheit (5) dazu ausgeführt ist, einen Betrag der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit (7) zum visuellen Ausgeben zu übermitteln.
3. Robotersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (5) dazu ausgeführt ist, eine Orientierung der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit (7) zum visuellen Ausgeben zu übermitteln.
4. Robotersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (5) dazu ausgeführt ist, das theoretisch ermittelte Moment am ausgewählten Drehmomentsensor (13) durch die zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor (13) und dem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator (3) ermittelten Gelenkwinkel und mittels abgespeicherter Masseinformationen der Glieder (11) des Robotermanipulators (3) zu ermitteln.
5. Robotersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bezugspunkt ein distales Ende des Robotermanipulators (3) ist.
6. Robotersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zumindest eine ausgewählte Drehmomentsensor (13) dazu ausgeführt ist, die untere Grenze und die obere Grenze seines Messbereichs an die Recheneinheit (5) zu übermitteln.
7. Robotersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die untere Grenze und die obere Grenze des Messbereichs des zumindest einen ausgewählten Drehmomentsensors (13) in der Recheneinheit (5) abgespeichert sind.
8. Robotersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzeigeeinheit (7) zum Anzeigen einer Orientierung der zumindest einen Komponente des Kraftwinders durch Ausrichten eines auf der Anzeigeeinheit (7) angezeigten Symbols ausgeführt ist.
9. Verfahren zum Betreiben eines Robotermanipulators (3), wobei der Robotermanipulator (3) eine Vielzahl von durch Gelenke (9) miteinander verbundenen Gliedern (11) aufweist und die Gelenke (9) jeweils einen Drehmomentsensor (13) und einen Positionssensor (15) aufweisen, aufweisend die Schritte: - Erfassen (S1) eines jeweiligen Gelenkwinkels zwischen zumindest einem ausgewählten Gelenk (9) und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator (3) durch den jeweiligen Positionssensor (15), und Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit (5), - Ermitteln (S2) eines jeweiligen tatsächlich an dem zumindest einem ausgewählten Gelenk (9) anliegenden Moments durch den Drehmomentsensor (13) am ausgewählten Gelenk (9) oder eines theoretischen an dem zumindest einen ausgewählten Gelenk (9) anliegenden Moments, und Übermitteln des Moments an eine Recheneinheit (5), - Ermitteln (S3) zumindest einer Komponente eines dem Drehmomentsensor (13) am ausgewählten Gelenk zugeordneten externen Kraftwinders auf Basis einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Messbereiches des Drehmomentsensors (13) am ausgewählten Gelenk (9), auf Basis des erfassten oder theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Gelenk (9), und auf Basis der ermittelten Gelenkwinkel, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem Drehmomentsensor (13) des ausgewählten Gelenks (9) erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, - Übermitteln (S4) der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an eine Anzeigeeinheit (7), und - visuelles Ausgeben (S5) der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders durch die Anzeigeeinheit (7).
10. Verfahren zum prädizierenden Betreiben eines Robotermanipulators (3) mit einer Vielzahl von durch Gelenke (9) miteinander verbundenen Gliedern (11), aufweisend die Schritte: - Ermitteln (H1) eines jeweiligen Gelenkwinkels zwischen zumindest einem ausgewählten Gelenk (9) und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator (3) aus einer Simulation oder durch eine Vorgabe und Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit (5), - Theoretisches Ermitteln (H2) eines an dem zumindest einen ausgewählten Gelenk (9) anliegenden Moments aus den jeweiligen Gelenkwinkeln, - Ermitteln (H3) zumindest einer Komponente eines dem Drehmomentsensor (13) am ausgewählten Gelenk (9) zugeordneten externen Kraftwinders auf Basis einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Messbereiches des Drehmomentsensors (13) am ausgewählten Gelenk (9), auf Basis des theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Gelenk (9), und auf Basis der ermittelten Gelenkwinkel, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem Drehmomentsensor (13) des ausgewählten Gelenks (9) erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, - Übermitteln (H4) der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an eine Anzeigeeinheit (7), und - visuelles Ausgeben (H5) der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders durch die Anzeigeeinheit (7).

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