-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Robotermanipulators während des manuellen Führens des Robotermanipulators durch einen Anwender, sowie einen Robotermanipulator mit einer Steuereinheit, die zusammen mit weiteren Elementen des Robotermanipulators zum Ausführen dieses Verfahrens ausgeführt ist.
-
Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansteuerungsverfahren für Robotermanipulatoren bekannt.
-
So betrifft die
DE 10 2016 004 841 A1 ein Verfahren zur Festlegung eines Bewegungsablaufs für einen mehrachsigen Manipulator eines Robotersystems, der mehrere, unterschiedliche Drehachsen bildende Glieder und ein Endglied für ein Zusammenwirken mit einem Effektor aufweist, wobei der Effektor in einem Arbeitsraum zumindest eine beliebige Operation durchführen soll, und wobei das Endglied des Manipulators zur Durchführung der zumindest einen beliebigen Operation in eine beliebige Soll-Pose in Bezug auf den Arbeitsraum überführt werden soll.
-
Die
DE 10 2015 009 048 B3 betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern eines nachgiebig geregelten Roboters, mit dem Schritt: Durchführen einer Grenzüberwachung des Roboters; wobei eine erste Rückstellkraft, die den Roboter aus einer aktuellen Position (x0) in einem gesperrten Bereich (S: x > s) zu einer Grenze (s) dieses Bereichs zurücktreibt, steuerungstechnisch vorgegeben wird, sofern der Roboter sich bei Aktivierung der Grenzüberwachung bereits in dieser Position in dem gesperrten Bereich befindet, und eine zweite Rückstellkraft, die den Roboter aus der Position (x0) zu der Grenze (s) zurücktreibt, steuerungstechnisch vorgegeben wird, sofern der Roboter erst nach Aktivierung der Grenzüberwachung diese Position in dem gesperrten Bereich einnimmt, wobei die erste Rückstellkraft wenigstens zeitweise kleiner als die zweite Rückstellkraft, insbesondere gleich Null, ist.
-
Die
DE 10 2015 008 144 A1 betrifft ein Verfahren zum Umschalten einer Steuerung eines Roboters in einen Handführ-Betriebsmodus zum Bewegen des Roboters durch manuelles Aufprägen von Kräften und/oder Drehmomenten auf den Roboter, wobei infolge des Umschaltens und in Abhängigkeit von erfassten Gelenkkräften und/oder -drehmomenten (τmess) und/oder Soll-Gelenkkräften und/oder -drehmomenten und/oder einer Pose des Roboters eine Fehlerreaktion ausgelöst wird.
-
Die
DE 10 2014 222 809 B3 betrifft außerdem ein Verfahren zum Steuern eines handgeführten mehrachsigen Manipulators, insbesondere Gelenkarmroboters, dessen Achsen mit Momentsensoren zur Erfassung der an den Achsen wirkenden Drehmomente versehen sind, wobei der Manipulator mindestens einen redundanten Freiheitsgrad hat, wobei der Manipulator einen Werkzeugmittelpunkt aufweist.
-
Ferner betrifft die
DE 10 2014 216 514 B3 ein Verfahren zum Programmieren eines Industrieroboters, welcher einen Manipulatorarm und eine den Manipulatorarm ansteuernde Steuervorrichtung aufweist, die ausgebildet ist, den Manipulatorarm gemäß eines in einem Programmiermodus editierbaren und in einem Ausführungsmodus ausführbaren Roboterprogramms zu bewegen, das wenigstens einen Programmbefehl enthält, dem wenigstens ein Steifigkeitsparameter zugeordnet ist, durch den die Steuervorrichtung während eines im Ausführungsmodus automatischen Ausführens des Roboterprogramms veranlasst wird, den Manipulatorarm dem wenigstens einen Steifigkeitsparameter entsprechend kraft- und/oder momentengeregelt automatisch anzusteuern.
-
Schließlich betrifft die
DE 10 2013 218 823 A1 ein Verfahren zum manuell geführten Verstellen der Pose eines Manipulatorarms eines Industrieroboters.
-
Die folgenden Informationen stammen nicht notwendigerweise aus vorbekanntem Stand der Technik, sondern stellen allgemeine Gedanken und Überlegungen dar:
- Beim manuellen Führen eines Robotermanipulators kann es notwendig werden, eine Orientierung eines Endeffektors des Robotermanipulators zu begrenzen. Sollten beispielsweise beim Überschreiten eines vorgegebenen Bereichs mechanische Bremsen aktiviert werden, wird die Bewegung des Robotermanipulators auf nicht sehr intuitive Weise für den Anwender unterbrochen, sodass erst nach dem Lösen der mechanischen Bremsen das manuelle Führen fortgesetzt werden kann.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das manuelle Führen eines Robotermanipulators durch einen Anwender unter Berücksichtigung von Bereichen bzw. Grenzen in der Orientierung des Endeffektors des Robotermanipulators zu verbessern.
-
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 Ansteuern eines Robotermanipulators während des manuellen Führens des Robotermanipulators durch einen Anwender. Der Robotermanipulator weist eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern auf und ein Endeffektor ist durch ein weiteres Gelenk mit dem distalen Glied verbunden. An allen Gelenken sind Aktuatoren angeordnet. Das Verfahren weist hierbei die folgenden Schritte auf:
- - Ansteuern der Aktuatoren zum Kompensieren einer auf den Robotermanipulator wirkenden Schwerkraft durch eine Steuereinheit, sodass der Robotermanipulator ohne externe Krafteinwirkung ausgehend von einer stationären Pose beschleunigungsfrei in der stationären Pose verbleibt aber manuell geführt werden kann,
- - Während des manuellen Führens: Erfassen einer Orientierung des Endeffektors gegenüber dem distalen Glied oder gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem durch eine Lagewinkelerfassungseinheit, und
- - Ansteuern zumindest eines Teils der Aktuatoren des Robotermanipulators durch die Steuereinheit so, dass beim manuellen Führen des Endeffektors der Endeffektor:
- a) innerhalb eines ersten Bereichs einer ersten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des ersten Bereichs einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die erste Endeffektordrehung eine Drehung des Endeffektors um eine Längsachse des Endeffektors ist, und
- b) innerhalb eines zweiten Bereichs einer zweiten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des zweiten Bereichs einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors von seiner ursprünglich ausgerichteten Längsachse oder einer vertikalen Achse ist.
-
Beim manuellen Führen eines Robotermanipulators bringt ein Anwender des Robotermanipulators insbesondere durch Handkraft eine externe Kraft auf den Robotermanipulator auf. Dabei bezieht sich der erste Aspekt der Erfindung insbesondere auf den Fall, dass der Anwender einen Endeffektor des Robotermanipulators durch manuelles Führen in seiner Orientierung ändert. Der Endeffektor des Robotermanipulators ist am distalen Glied des Robotermanipulators, das heißt am freien Ende des Robotermanipulators, das heißt das zur der Basis des Robotermanipulators gegenüberliegende Ende des Robotermanipulators, angeordnet. Der Endeffektor ist dasjenige Element des Robotermanipulators, das mit einem Werkstück oder mit einem anderen Objekt aus der Umgebung des Robotermanipulators in Kontakt tritt.
-
Der Robotermanipulator ist insbesondere ein Industrieroboter, der durch mehrere Gelenke, die die verschiedenen Glieder des Robotermanipulators verbinden, mehrere Freiheitsgrade aufweist, insbesondere bezüglich des Endeffektors gegenüber einem erfesten Koordinatensystem. Der Endeffektor ist beweglich durch zumindest ein weiteres Gelenk mit dem distalen Glied verbunden, wobei der Endeffektor als dasjenige Ende des Robotermanipulators bezeichnet wird, das als letztes durch ein Gelenk und insbesondere auch einen entsprechenden Aktuator an diesem Gelenk mit dem restlichen Manipulatorarm verbunden ist. Somit weisen insbesondere sämtliche Gelenke des Robotermanipulators Aktuatoren auf, die von der Steuereinheit ansteuerbar sind, um ein Moment oder eine Kraft jeweils zwischen zwei Gliedern des Robotermanipulators bzw. zwischen dem distalen Glied des Robotermanipulators und dem Endeffektor zu erzeugen.
-
Beim Ansteuern der Aktuatoren zum Kompensieren einer auf den Robotermanipulator wirkenden Schwerkraft durch die Steuereinheit werden die Aktuatoren des Robotermanipulators so angesteuert, dass im Fall, dass keine externe Kraft insbesondere vom Anwender auf den Robotermanipulator ausgeübt wird, abgesehen von der Schwerkraft, der Robotermanipulator sich aus einer stationären Pose nicht bewegt. Dies wird insbesondere über ein geometrisches Modell und ein Modell einer Massenverteilung über den Robotermanipulator erreicht, welches abhängig von aktuell erfassten Gelenkwinkeln oder einer anderweitig erfassten Pose des Robotermanipulators die aktuellen Momente auf die Gelenke des Robotermanipulators ermittelt, sodass der Schwerkrafteinfluss bekannt ist und daher auch bekannt ist, welches Gegenmoment an den Aktuatoren des Robotermanipulators einzustellen ist, sodass sich der Robotermanipulator nicht durch Schwerkraft beeinflusst bewegt. Der Robotermanipulator wird daher sozusagen künstlich in Schwerelosigkeit versetzt, wobei insbesondere eine Admittanzregelung aktiv ist, sodass der Robotermanipulator durch den Anwender insbesondere manuell weiterhin bewegbar ist, insbesondere um am Robotermanipulator und insbesondere am Endeffektor des Robotermanipulators Positionen und Orientierungen einzulernen.
-
Die Lagewinkelerfassungseinheit umfasst insbesondere die Gesamtheit aller Gelenkwinkelsensoren, einschließlich des Gelenks zwischen dem distalen Glied und dem Endeffektor. Die Gelenkwinkelsensoren dienen insbesondere zum Erfassen eines Winkels zwischen zwei jeweiligen Gliedern des Robotermanipulators, sodass zumindest eine relative Orientierung des Endeffektors gegenüber dem distalen Glied des Robotermanipulators, bevorzugt aber zusätzlich zu der relativen Orientierung auch eine Orientierung des Endeffektors gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem, bekannt ist. Für die Ausführung des Verfahrens ist es unerheblich, in welchem Koordinatensystem die Auslenkung oder der Drehwinkel notiert werden; denn die Notation dieser Größen ändert nichts am Bezug dieser Größen. Ferner können bekannte Winkel-Systeme verwendet werden, insbesondere Kardanwinkel, Eulerwinkel oder zur Vermeidung von Singularitäten Quaternionen.
-
Eine Längsachse des Endeffektors liegt insbesondere auf einer Geraden, die die Glieder des Robotermanipulators definieren, wenn alle Glieder und der Endeffektor des Robotermanipulators maximal gestreckt sind, und dabei insbesondere jeweils um 180° zueinander ausgerichtet sind. Die Längsachse des Endeffektors entspricht ferner beispielsweise bei der Verwendung eines Bohrers am Endeffektor der Rotationsachse des Bohrers. Ferner kann die Längsachse des Endeffektors definiert werden über eine gedachte Verbindungslinie von einer distalen Spitze des Endeffektors zum Gelenk, das den Endeffektor mit dem distalen Glied verbindet.
-
Ein geschwindigkeitsabhängiger Widerstand wird typischerweise auch als Dämpfung bezeichnet. Im ersten Bereich bei einer Drehung des Endeffektors durch den Anwender um seine Längsachse spürt der Anwender eine geschwindigkeitsabhängige Widerstandskraft, wohingegen der Anwender im zweiten Bereich einen auslenkungsabhängigen Widerstand verspürt. Bevorzugt sind die Bereiche über eine Nulllage des Endeffektors definiert, wobei die Nulllage des Endeffektors bevorzugt gegenüber dem distalen Glied des Robotermanipulators oder gegenüber einer Richtung, definiert in einem erdfesten globalen Koordinatensystem, vorgegeben ist.
-
Ebenso wird der zweite Bereich bevorzugt relativ zu einer Nullstellung des Endeffektors definiert, wobei die Nullstellung des Endeffektors über die aktuelle Ausrichtung seiner körperfesten Längsachse gegenüber der ursprünglichen Ausrichtung seiner Längsachse definiert ist, von der der Endeffektor ausgelenkt wird. Die ursprüngliche Ausrichtung der Längsachse des Endeffektors ist dabei diejenige, die mit der körperfesten Längsachse des Endeffektors in einer neutralen Stellung, insbesondere Mittelstellung, insbesondere ausgerichtet an einer durch die Glieder definierten Geraden, die entsteht, wenn alle Glieder maximal voneinander gestreckt sind, insbesondere im 180° Winkel, übereinstimmt. Dementsprechend wird außerhalb des zweiten Bereichs gegenüber der ursprünglichen Ausrichtung der Längsachse des Endeffektors ein auslenkungsabhängiger Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt. Die Auslenkung des Endeffektors besteht in diesem Fall darin, dass ein körperfester Punkt des Endeffektors oder ein gedachter Punkt außerhalb des Endeffektors, der jedoch relativ zum Endeffektor ortsfest ist, gegenüber der ursprünglichen Ausrichtung der Längsachse bei Auslenkung bleibt, die Längsachse des Endeffektors sich aber in radialer Richtung von der ursprünglichen Ausrichtung der Längsachse weg kippt. Im zweidimensionalen Fall entspricht die zweite Endeffektordrehung daher einer Bewegung innerhalb eines gedachten Dreiecks, im dreidimensionalen Fall entspricht die zweite Endeffektordrehung daher einer Bewegung innerhalb eines gedachten Kegels. Die zweite Endeffektordrehung ist in einer ersten Alternative eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors von seiner ursprünglich Ausrichtung der Längsachse, in einer zweiten Alternative die Auslenkung von einer vertikalen Achse. Im Gegensatz zur ursprünglichen Ausrichtung der Längsachse des Endeffektors ist eine vertikale Achse relativ zur Erde definiert und beschreibt in einem erdfesten Koordinatensystem eine Hochachse, in dessen Richtung die Schwerkraft wirkt.
-
Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass beim manuellen Führen des Robotermanipulators der Robotermanipulator und insbesondere der Endeffektor des Robotermanipulators eine intuitive Rückmeldung zur gegenwärtigen Orientierung des Endeffektors ausgeben. Insbesondere werden vorgegebene Grenzen weich implementiert, sodass der Anwender beim Führen des Endeffektors eine taktile Rückmeldung mit weichen Übergängen und sofort verständlichen Reizen erhält. Insbesondere dann, wenn der Endeffektor über die Grenze des ersten Bereichs bzw. des zweiten Bereichs ausgelenkt wird und dort eine künstliche Federkraft erfährt, hat dies zur Folge, dass beim Loslassen des Endeffektors außerhalb des ersten bzw. außerhalb des zweiten Bereichs der Endeffektor zurück in seine ursprüngliche Lage strebt, dabei kinetische Energie aufnimmt und beim Eintreten in den ersten Bereich bzw. in den zweiten Bereich durch die künstliche Dämpfung verlangsamt wird und verzögert zur Ausgangslage zurückkehrt.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors von der ursprünglichen Längsachse oder einer vertikalen Achse in einer vorgegebenen Ebene. In diesem Fall erfolgt die Auslenkung gemäß dem Gedanken des ersten Aspekts der Erfindung in einer Ebene, wobei offenstehen kann, welche Reaktion der Endeffektor gegenüber einem Orientierungswechsel des Endeffektors durch manuelles Führen in den anderen Richtungen von der ursprünglichen Ausrichtung der Längsachse weg, das heißt außerhalb der vorgegebenen Ebene, ausführt.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die vorgegebenen Ebene eine vertikale Ebene und die zweite Endeffektordrehung ist um eine horizontale Achse definiert, wobei die horizontale Achse auch bei einer Drehung des Robotermanipulators um eine vertikale Achse ihre Orientierung bezüglich der erdfesten Umgebung des Robotermanipulators beibehält. Insbesondere wenn die vorgegebene Ebene eine richtungsfeste vertikale Ebene ist, die sich zwar mit dem Endeffektor translatorisch mit bewegt, aber ihre Orientierung gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem invariant ist, kann das Verhalten des ersten Aspekts der Erfindung in dieser Ebene immer gegenüber einer bestimmten Richtung in einem erdfesten Koordinatensystem garantiert werden, wobei für andere Richtungen beliebige Optionen der Reaktion des Endeffektors offenstehen, insbesondere eine Sperrung gegenüber einer rotatorischen Auslenkung des Endeffektors gegenüber seiner ursprünglichen ausgerichteten Längsachse.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors von der ursprünglichen Längsachse oder einer vertikalen Achse in beliebige Auslenkungsrichtungen mit einem gemeinsamen Drehpunkt. Gemäß dieser Ausführungsform ergibt sich ein gedachter Kegel, der den ersten Bereich aufgespannt. Die rotatorische Auslenkung erfolgt dabei gegenüber der ursprünglich ausgerichteten Längsachse in einer beliebigen Richtung von dieser weg, jedoch mit einem gemeinsamen Rotationspunkt aller Auslenkungen auf der ursprünglich ausgerichteten Längsachse, die einer Rotationssymmetrieachse des Kegels entspricht. Alternativ dazu entspricht die Rotationssymmetrieachse des Kegels einer vertikalen Achse, wobei die vertikale Achse mit einer Schwerkraftrichtung übereinstimmt. In beiden Fällen ergibt sich der Vorteil, dass die rotatorische Auslenkung des Endeffektors symmetrisches Verhalten bezüglich einer unendlichen Vielzahl von Richtungen zeigt.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ansteuern zumindest eines Teils der Aktuatoren des Robotermanipulators so, dass beim manuellen Führen des Endeffektors der Endeffektor außerhalb des ersten Bereichs und/oder außerhalb des zweiten Bereichs einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt. Gemäß dieser Ausführungsform erfährt der Endeffektor beim manuellen Führen durch einen Anwender zusätzlich zum auslenkungsabhängigen bzw. drehwinkelabhängigen Widerstand des Endeffektors gegen eine Bewegung des Anwenders einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand, sodass außerhalb des ersten Bereichs bzw. des zweiten Bereiches eine künstliche Feder und ein künstlicher Dämpfer wirken, welche in Kombination üblicherweise mit einem PD-Regler implementiert werden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der auslenkungsabhängige Widerstand außerhalb des zweiten Bereiches nichtlinear zur Auslenkung und/oder der drehwinkelabhängige Widerstand außerhalb des ersten Bereiches nichtlinear zum Drehwinkel. Durch den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Auslenkung bzw. Drehwinkel und dem jeweiligen Widerstand lassen sich vorteilhaft leichter vorgegebene Grenzen implementieren, insbesondere dann, wenn die Abbildung vom Drehwinkel bzw. der Auslenkung auf den jeweiligen Widerstand mit zunehmender Auslenkung bzw. mit zunehmenden Drehwinkel überproportional höhere Werte liefert.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine jeweilige nichtlineare Funktion zwischen Auslenkung und Widerstand und/oder zwischen Drehwinkel und Widerstand jeweils eine aus den folgenden:
- - sigmoide Funktion,
- - Polynomfunktion,
- - trigonometrische Funktion,
- - Exponentialfunktion,
- - logarithmische Funktion.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform saturieren der auslenkungsabhängige Widerstand und/oder der drehwinkelabhängige Widerstand jeweils an einer vorgegebenen Obergrenze. Die Obergrenze, die vom Endeffektor bezüglich des jeweiligen zugehörigen Aktuatormoments nicht überschritten wird, liegt vorteilhaft genau oder etwas unterhalb der natürlichen Obergrenze der Aktuatoren des Robotermanipulators oder zumindest des Aktuators, der am Gelenk zwischen dem Endeffektor und dem distalen Glied angeordnet ist, wobei eine natürliche Obergrenze beispielsweise ein höchst zulässiges Moment auf ein Getriebe des jeweiligen Aktuators oder das maximal aufbringbare Moment von einem Aktuator ist. Vorteilhaft wird so eine Überlastung des Robotermanipulators, insbesondere von einem Getriebe oder einem Aktuator oder einem Strukturbauteil des Robotermanipulators, vermieden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ansteuern des zumindest einen Teils der Aktuatoren des Robotermanipulators durch die Steuereinheit so, dass beim manuellen Führen des Endeffektors der Endeffektor innerhalb des zweiten Bereichs der zweiten Endeffektordrehung einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei der auslenkungsabhängige Widerstand innerhalb des zweiten Bereichs kleiner als die Hälfte des auslenkungsabhängigen Widerstands außerhalb des zweiten Bereichs je Auslenkung ist. Durch die künstliche Feder innerhalb des zweiten Bereichs in Kombination mit der künstlichen Dämpfung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ergibt sich ein künstliches Masse-Feder-Dämpfer-System, welches ein sehr intuitives Verhalten ermöglicht und gleichzeitig eine Rückkehr des Endeffektors beim Loslassen des Endeffektors in seine Ruhestellung, das heißt Ausgangsposition und Ausgangsorientierung, ermöglicht.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ansteuern des zumindest einen Teils der Aktuatoren des Robotermanipulators durch die Steuereinheit so, dass beim manuellen Führen des Endeffektors der Endeffektor innerhalb des ersten Bereichs der ersten Endeffektordrehung einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei der drehwinkelabhängige Widerstand innerhalb des ersten Bereichs kleiner als die Hälfte des auslenkungsabhängigen Widerstands außerhalb des ersten Bereichs je Auslenkung ist. Durch die künstliche Feder innerhalb des ersten Bereichs in Kombination mit der künstlichen Dämpfung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ergibt sich ein künstliches Masse-Feder-Dämpfer-System, welches ein sehr intuitives Verhalten ermöglicht und gleichzeitig eine Rückkehr des Endeffektors beim Loslassen des Endeffektors in seine Ruhestellung, das heißt Ausgangsposition und Ausgangsorientierung, ermöglicht.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Robotermanipulator, der eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist, wobei ein Endeffektor durch ein weiteres Gelenk mit dem distalen Glied verbunden ist, und an allen Gelenken Aktuatoren angeordnet sind, weiterhin aufweisend eine Steuereinheit und eine Lagewinkelerfassungseinheit, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, die Aktuatoren zum Kompensieren einer auf den Robotermanipulator wirkenden Schwerkraft so anzusteuern, dass der Robotermanipulator ohne externe Krafteinwirkung ausgehend von einer stationären Pose beschleunigungsfrei in der stationären Pose verbleibt aber manuell geführt werden kann, und wobei die Lagewinkelerfassungseinheit dazu ausgeführt ist, während des manuellen Führens: eine Orientierung des Endeffektors gegenüber dem distalen Glied oder gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem zu erfassen, und wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, auf Basis der erfassten Orientierung des Endeffektors zumindest einen Teil der Aktuatoren des Robotermanipulators so anzusteuern, dass beim manuellen Führen des Endeffektors der Endeffektor:
- a) innerhalb eines ersten Bereichs einer ersten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des ersten Bereichs einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die erste Endeffektordrehung eine Drehung des Endeffektors um eine Längsachse des Endeffektors ist, und
- b) innerhalb eines zweiten Bereichs einer zweiten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des zweiten Bereichs einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors von seiner ursprünglich ausgerichteten Längsachse oder einer vertikalen Achse 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 einen Robotermanipulator mit einer Steuereinheit zum Ausführen eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wie unter 2, und
- 2 das Verfahren zum Ansteuern eines Robotermanipulators während des manuellen Führens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
-
1 zeigt einen Robotermanipulator 1, der eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist. Über ein weiteres Gelenk ist mit dem distalen Glied ein Endeffektor 3 verbunden. An allen Gelenken, einschließlich demjenigen, das das distale Glied mit dem Endeffektor 3 verbindet, sind Aktuatoren 5 angeordnet. Eine Steuereinheit 7 ist mit dem Robotermanipulator 1 verbunden, die zum Ansteuern der Aktuatoren 5 insbesondere auf Basis der von einer einer Lagewinkelerfassungseinheit 9 erfassten Gelenkwinkel dient. Die Lagewinkelerfassungseinheit 9 wird durch die Gesamtheit der Winkelsensoren gebildet, wobei sich an jedem Gelenk zumindest ein Winkelsensor befindet. Die Steuereinheit 7 dient dazu, das in 2 dargestellte Verfahren durch Ansteuerung der zumindest eines Teils der Aktuatoren 5 auszuführen. Zu diesem Zweck steuert die Steuereinheit 7 die Aktuatoren 5 zum Kompensieren einer auf den Robotermanipulator 1 wirkenden Schwerkraft so an, dass der Robotermanipulator 1 ohne externe Krafteinwirkung ausgehend von einer stationären Pose beschleunigungsfrei in der stationären Pose verbleibt aber manuell geführt werden kann. Die Lagewinkelerfassungseinheit 9 ermittelt dabei während des manuellen Führens eine Orientierung des Endeffektors 3 gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem. Die Steuereinheit 7 steuert ferner auf Basis der erfassten Orientierung des Endeffektors 3 zumindest einen Teil der Aktuatoren 5 des Robotermanipulators 1 so an, dass beim manuellen Führen des Endeffektors 3 der Endeffektor 3: a) innerhalb eines ersten Bereichs einer ersten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des ersten Bereichs einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die erste Endeffektordrehung eine Drehung des Endeffektors 3 um eine Längsachse des Endeffektors 3 ist, und b) innerhalb eines zweiten Bereichs einer zweiten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des zweiten Bereichs einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors 3 von einer vertikalen Achse in beliebige Auslenkungsrichtungen ist, wobei alle Auslenkungen einen gemeinsamen Drehpunkt auf der ursprünglich ausgerichteten Längsachse des Endeffektors 3 aufweisen. Die drehwinkelabhängige Auslenkung ist dabei durch einen gebogenen Pfeil in der 1 symbolisiert, und der sich ergebende Kegel um eine vertikale Achse durch ein gestricheltes Dreieck in der 1 symbolisiert ist.
-
2 zeigt ein Verfahren zum Ansteuern eines Robotermanipulators 1 während des manuellen Führens des Robotermanipulators 1 durch einen Anwender. Das Verfahren wird dabei auf einem Robotermanipulator 1 nach 1 ausgeführt. Der Robotermanipulator 1 weist eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern auf und ein Endeffektor 3 ist durch ein weiteres Gelenk mit dem distalen Glied verbunden, wobei an allen Gelenken Aktuatoren 5 angeordnet sind. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Ansteuern S1 der Aktuatoren 5 zum Kompensieren einer auf den Robotermanipulator 1 wirkenden Schwerkraft durch eine Steuereinheit 7, sodass der Robotermanipulator 1 ohne externe Krafteinwirkung ausgehend von einer stationären Pose beschleunigungsfrei in der stationären Pose verbleibt aber manuell geführt werden kann,
- - Während des manuellen Führens: Erfassen S2 einer Orientierung des Endeffektors 3 gegenüber dem distalen Glied oder gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem durch eine Lagewinkelerfassungseinheit 9, und
- - Ansteuern S3 zumindest eines Teils der Aktuatoren 5 des Robotermanipulators 1 durch die Steuereinheit 7 so, dass beim manuellen Führen des Endeffektors 3 der Endeffektor 3: a) innerhalb eines ersten Bereichs einer ersten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des ersten Bereichs einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die erste Endeffektordrehung eine Drehung des Endeffektors 3 um eine Längsachse des Endeffektors 3 ist, und b) innerhalb eines zweiten Bereichs einer zweiten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des zweiten Bereichs einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors 3 von seiner ursprünglich ausgerichteten Längsachse oder einer vertikalen Achse ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Robotermanipulator
- 3
- Endeffektor
- 5
- Aktuatoren
- 7
- Steuereinheit
- 9
- Lagewinkelerfassungseinheit
- S1
- Ansteuern
- S2
- Erfassen
- S3
- Ansteuern
