DE102019118263B3

DE102019118263B3 - Ausgeben einer Güteinformation über eine Krafterfassung am Robotermanipulator

Info

Publication number: DE102019118263B3
Application number: DE102019118263.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Spenninger
Original assignee: Franka Emika GmbH
Current assignee: Franka Emika GmbH
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2039-07-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgeben einer Information über eine Güte einer durch Momentensensoren (2) des Robotermanipulators (1) erfassten oder erfassbaren Kraft und/oder Moments, aufweisend die Schritte:- Ermitteln (S1) von aktuellen Gelenkwinkeln des Robotermanipulators (1) durch Gelenkwinkelsensoren (3) des Robotermanipulators (1),- Ermitteln (S2) einer zu den aktuellen Gelenkwinkeln zugehörigen Jacobimatrix,- Ermitteln (S3) einer Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix,- für jede Zeile der Pseudoinversen: Ermitteln (S4) eines Maßes auf Basis der Beträge der Komponenten der jeweiligen Zeile der Pseudoinversen,- Bewerten (S5) zumindest einer jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung abhängig von der Höhe des Maßes zumindest einer jeweiligen Zeile der Pseudoinversen, wobei jeder Zeile der Pseudoinversen entweder eine Kraftrichtung oder eine Referenzrichtung zugeordnet ist, und- Ausgeben (S6) einer Information über die jeweilige Bewertung der jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung an einer Ausgabeeinheit (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgeben einer Information über eine von einer aktuellen Pose eines Robotermanipulators abhängige Güte einer durch einen oder mehrere Momentensensoren des Robotermanipulators erfassten oder erfassbaren Kraft und/oder Moments sowie ein Robotersystem zum Ausgeben einer Information über eine von einer aktuellen Pose eines Robotermanipulators des Robotersystems abhängige Güte einer durch einen oder mehrere Momentensensoren erfassten oder erfassbaren Kraft und/oder Moments.
Aus dem Stand der Technik sind diverse Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators bekannt.
So betrifft die DE 10 2018 200 864 B3 ein Verfahren zum Steuern eines Roboters in Abhängigkeit von einer auf den Roboter aufgeprägten externen Kraft, wobei der Roboter in einem ersten Betriebsmodus in Abhängigkeit von einer Oberfläche derart gesteuert wird, dass er einer Tangentialkomponente dieser Kraft senkrecht zu einer nach außen gerichteten Normalen auf der Oberfläche in einem Kontaktpunkt einer roboterfesten Referenz mit der Oberfläche stärker zu folgen versucht als einer Normalkomponente der Kraft in Richtung dieser Oberflächennormale.
Die DE 10 2016 212 958 A1 betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern eines redundanten Manipulators, wobei der Manipulator mehrere Bewegungsachsen aufweist, wobei das Verfahren die Reduzierung der effektiven Masse und/oder der effektiven Trägheit, insbesondere der effektiven Masse und/oder der effektiven Trägheit eines Endeffektors des Manipulators, umfasst.
Die DE 10 2016 000 754 A1 betrifft ein Verfahren zur wenigstens teilweise automatisierten Bahnplanung eines mehrachsigen Roboters, mit dem Schritt: Auflösen einer Redundanz des Roboters bezüglich einer in einem Arbeitsraum des Roboters vorgegebenen Bahn derart, dass ein gemischtes Gütekriterium, das eine effektive Masse des Roboters und einen Betrag einer minimalen Kollisionskraft des Roboters umfasst, die auf Basis vorgegebener Detektions-Grenzwerte für Achskräfte des Roboters detektierbar ist, minimal 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 und/oder Soll-Gelenkkräften und/oder -drehmomenten und/oder einer Pose des Roboters eine Fehlerreaktion ausgelöst wird .
Die DE 10 2013 010 290 A1 betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines kinematisch redundanten Roboters, mit den Schritten: Erfassen von Gelenkkräften, die in Gelenken des Roboters wirken; Ermitteln von einer externen Wirkkraft zwischen einer roboterfesten Referenz und einer Umgebung auf Basis der erfassten Gelenkkräfte; Ermitteln von einer weiteren Überwachungsgröße, die wenigstens im Wesentlichen unabhängig von einer auf die roboterfeste Referenz wirkenden externen Kraft ist, auf Basis der erfassten Gelenkkräfte; und Überwachen der ermittelten externen Wirkkraft und der ermittelten weiteren Überwachungsgröße.
Und die DE 10 2011 106 321 A1 betrifft ein Verfahren zum Steuern eines, insbesondere humankollaborierenden, Roboters, wobei eine roboter- oder aufgabenspezifische Redundanz des Roboters aufgelöst wird, wobei zur Auflösung der Redundanz eine posenabhängige Trägheitsgröße des Roboters minimiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einem Anwender eines Robotermanipulators, insbesondere beim manuellen Führen des Robotermanipulators, eine Information zu übermitteln, in welchen Richtungen eine auf den Robotermanipulator aufgebrachte äußere Kraft von Momentensensoren des Robotermanipulators mit welcher Güte erfasst werden können, insbesondere wenn die Momentensensoren des Robotermanipulators in den Gelenken des Robotermanipulators selbst angeordnet sind.
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 Ausgeben einer Information über eine von einer aktuellen Pose eines Robotermanipulators abhängige Güte einer durch einen oder mehrere Momentensensoren des Robotermanipulators erfassten oder erfassbaren Kraft und/oder Moments, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist, aufweisend die Schritte:

- Ermitteln von aktuellen Gelenkwinkeln des Robotermanipulators durch Gelenkwinkelsensoren des Robotermanipulators,
- Ermitteln einer zu den aktuellen Gelenkwinkeln zugehörigen Jacobimatrix,
- Ermitteln einer Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix,
- für jede Zeile der Pseudoinversen: Ermitteln eines Maßes auf Basis der Beträge der Komponenten der jeweiligen Zeile der Pseudoinversen,
- Bewerten zumindest einer jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung abhängig von der Höhe des Maßes zumindest einer jeweiligen Zeile der Pseudoinversen, wobei jeder Zeile der Pseudoinversen entweder eine Kraftrichtung oder eine Referenzrichtung zugeordnet ist, und
- Ausgeben einer Information über die jeweilige Bewertung der jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung an einer Ausgabeeinheit.

Die Gelenkwinkelsensoren des Robotermanipulators sind insbesondere dazu ausgeführt, einen Winkel zwischen zwei um das jeweilige Gelenk angeordnete Glieder zu erfassen. Durch die Kenntnis aller einzelnen Gelenkwinkel des Robotermanipulators ist mittels Vorwärtskinematik auch eine Position des Endeffektors gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem bekannt. Die jeweiligen Winkel zwischen den einzelnen Gliedern des Robotermanipulators bestimmen daher eindeutig eine Pose des Robotermanipulators, wobei der Begriff der Pose im Allgemeinen eine Position auf einem definierten Referenzpunkt des Robotermanipulators sowie bevorzugt auch eine Orientierung eines bestimmten vordefinierten Referenzgliedes des Robotermanipulators umfasst.
Bevorzugt sind die Momentensensoren des Robotermanipulators an den jeweiligen Gelenken des Robotermanipulators angeordnet, wobei die Gelenke des Robotermanipulators die Glieder des Robotermanipulators zueinander beweglich miteinander verbinden. Die Momentensensoren können dabei bekannte Sensoren sein, bevorzugt mechanische Drehmomentsensoren, an denen mittels einer Materialdehnung auf eine Materialspannung und daraus wiederum auf ein Moment am Drehmomentsensor geschlossen wird, oder aber es wird über die am jeweiligen elektrischen Motor am jeweiligen Gelenk erfasste elektrische Stromstärke auf das am Motor anliegende Moment geschlossen. Weitere Ausführungsarten eines Momentensensors sind möglich. Es spielt für die Ausführung des Verfahrens keine Rolle, ob die externe Kraft mittelbar durch die Momentensensoren an den Gelenken des Robotermanipulators bereits erfasst wurde, gegenwärtig erfasst wird, oder nur prinzipiell erfassbar ist, da es lediglich auf den Zusammenhang zwischen der Pose und der entsprechenden Information an der Ausgabeeinheit ankommt.
Um von den so ermittelten externen Momenten auf einen externen Kraftwinder mit beliebigem Bezug zu schließen, ist die Pseudoinverse der transformierten Jacobimatrix erforderlich. Die Pseudoinverse (anstelle der Inversen selbst) 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. Obige und folgende Erklärung sind auf die Pseudoeinverse anstatt lediglich auf eine Inverse und daher für einen redundanten Robotermanipulator gerichtet, da die Pseudoinverse den allgemeineren Fall darstellt und die Pseudoeinverse auch eine reguläre Inverse der transponierten Jacobimatrix mit einschließt.
Die Jacobimatrix verknüpft grundsätzlich die Winkelgeschwindigkeiten an den Gelenken zu der translatorischen und rotatorischen Geschwindigkeit an einem beliebigen Punkt, insbesondere an 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 jeweiligen beliebigen Punkt verwendet werden, wobei auch für diesen Anwendungsfall der Jacobimatrix die Jacobimatrix in Abhängigkeit von den aktuellen Gelenkwinkeln des Robotermanipulators und bezogen auf einen vorgegebenen Referenzpunkt insbesondere am Robotermanipulator selbst definiert ist. Die transponierte der Jacobimatrix J , nämlich J^T , vermittelt zwischen dem externen Kraftwinder F_ext zu dem ermittelten externen Drehmoment τ_ext wie folgt: $τ_{e x t} = J^{T} F_{e x t}$
Eine transponierte einer Matrix wird dabei insbesondere dadurch erhalten, dass Spalten und Zeilen der ursprünglichen Matrix so vertauscht werden, dass die erste Spalte der ursprünglichen Matrix zur ersten Zeile der transponierten wird usw.. Nach Umstellung dieser Gleichung mit Hilfe der Pseudoinversen der Transponierten von J , bezeichnet als (J^T)^# , gilt: $F_{e x t} = {(J^{T})}^{#} τ_{e x t}$
In singulären Posen des Robotermanipulators ist jeweils zumindest ein Gelenkwinkel so, dass bei einer extern auf den Robotermanipulator aufgebrachten Kraft in beliebiger Höhe an dem diesem Gelenkwinkel zugeordneten Momentensensor kein oder nur ein sehr geringes Drehmoment mit hohem Rausch-zu-Signal-Verhältnis erfasst werden kann. Wenn beispielsweise zwei ungebogene Glieder des Robotermanipulators durch ein Gelenk miteinander verbunden sind und das Gelenk auf den beiden zentralen Längsachsen der beiden betrachteten Glieder gleichzeitig liegt (die Längsachsen beider Glieder liegen dann auf einer gemeinsamen Geraden), so wird zumindest im mathematisch idealisierten Fall beim Aufbringen einer externen Kraft auf das Ende einer der beiden Glieder in Richtung der Längsachse dieses Gliedes auf den Momentensensor keine erfassbare Kraft bzw. kein erfassbares Moment wirken. Dieser Effekt spiegelt sich auch in der Jacobimatrix wider, welche, wenn sich der Robotermanipulator in einer singulären Pose befindet, eine singuläre Matrix ist. Diese singuläre Matrix ist dann nicht invertierbar und auch nicht pseudo-invertierbar.
Ein notwendiges und hinreichendes Kriterium um festzustellen, ob eine Matrix invertierbar ist, ist die Berechnung ihrer Determinante, die jedoch nur für eine quadratische Matrix bestimmbar ist. Da die Jacobimatrix im Allgemeinen keine quadratische Matrix ist, wäre Invertierbarkeit der Jacobimatrix jedenfalls aus der Determinante der Jacobimatrix multipliziert mit der transponierten Jacobimatrix bestimmbar, welche ebenfalls für ein hinreichendes und gleichzeitig notwendiges Kriterium für die Invertierbarkeit herangezogen werden kann. Wird im Rahmen der numerischen Möglichkeiten eine solche singuläre Jacobimatrix dennoch (pseudo-)invertiert, so ergeben sich in der (Pseudo-)inversen der transponierten Jacobimatrix Werte, die sehr groß sein können und insbesondere gegen unendlich gehen können. In einem realen Rechensystem des Robotermanipulators werden insbesondere solche gegen unendlich gehende Werte als eine größt möglich vom Rechensystem handhabbare numerische Zahl angezeigt, beispielsweise 10¹⁶. Wie aus der bereits oben genannten folgenden Gleichungen ersichtlich, $F_{e x t} = {(J^{T})}^{#} τ_{e x t}$
dient jede Zeile der Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix einer Abbildung des den Gelenken zugeordneten externen Drehmoments auf den insbesondere gegenüber dem erdfesten Raum definierten externen Kraftwinder. Befindet sich also der Robotermanipulator in einer solchen singulären Pose, so würde zumindest eine Komponente einer jeweiligen Zeile der Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix sehr große Werte und insbesondere gegen unendlich gehende Werte aufweisen. Anschaulich betrachtet korreliert ein solcher Fall mit der Tatsache, dass in genau dieser Komponente bzw. Richtung des externen Kraftwinders, die der jeweiligen Zeile zugeordnet ist, eine Kraft oder ein Moment durch den jeweiligen Momentensensor an dem jeweiligen Gelenk, dessen Stellung für die singuläre Pose verantwortlich ist, nicht oder nur sehr schlecht gemessen werden kann.
Um systematisch eine solche Konstellation zu erfassen, wird zeilenweise die Pseudoinverse der transponierten Jacobimatrix analysiert und aus jeder Zeile ein entsprechendes Maß berechnet. Die Größe dieses Maß ist umso höher, je näher sich der Robotermanipulator bezüglich dieser Richtung bzw. Referenzrichtung in einer singulären Pose befindet. Insbesondere dann, wenn der Anwender eine Kraft oder ein Drehmoment beim manuellen Führen des Robotermanipulators am Robotermanipulator Einlernen will, diese aber nicht messbar ist, wird der Einlernvorgang des Anwenders keinen oder nur mäßigen Erfolg haben.
Es ist deshalb eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass dem Anwender beim manuellen Führen des Robotermanipulators eine Information darüber ausgegeben wird, mit welcher Güte (Bewertung) in welcher Richtung an einem vordefinierten Punkt des Robotermanipulators eine Kraft oder ein Moment am Robotermanipulator eingelernt werden kann. Weiterhin vorteilhaft erhält der Anwender daher auch eine Information, wie er die Pose des Robotermanipulators ändern müsste, um in einer gewünschten Richtung ein Kraft oder ein Moment am Robotermanipulator einzulernen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Maß eine Vektornorm der jeweiligen Zeile. Eine Vektornorm als Maß für eine jeweilige Zeile der Pseudoinversen bietet sich insoweit an, als dass die Pseudoinverse eine Matrix ist, die im Wesentlichen eine Aneinanderreihung von Zeilenvektoren darstellt. Die Verwendung einer Vektornorm bietet insoweit einen Vorteil, als dass jede Zeile der Pseudoinversen eine physikalische Interpretation erfährt und damit ein numerisch leicht anwendbares Verfahren gewählt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Vektornorm eine p-Norm, wobei p aus einer der folgenden Möglichkeiten gewählt wird: p=1, p=2, p=∞.
Eine p-Norm des Vektors x ist dabei definiert als ${‖ \underline{x} ‖}_{p} : = {(\sum_{i = 1}^{n} {| x_{i} |}^{p})}^{p},$
wobei p die Art der Norm angibt und x_i die Komponenten des Vektors x, welche im vorliegenden Fall der Erfindung der jeweilige Zeilenvektor der Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix ist. So bezeichnet die 1-Norm (p=1) die Summe der Beträge aller Komponenten eines jeweiligen Zeilenvektors. Ferner gibt die 2-Norm (p=2) eine andere Art als Maß für die „Größe“ des Zeilenvektors an, indem alle Komponenten des jeweiligen Zeilenvektors quadriert werden, anschließend aufsummiert werden, und aus dieser Summe die Quadratwurzel gezogen wird. Die ∞-Norm (p=∞) dagegen bildet einen Spezialfall der p-Norm und gibt als Ergebnis die betragsmäßig größte Komponente eines jeweiligen Zeilenvektors an. Ferner können im Stand der Technik bekannte weitere Normen oder Abbildungen verwendet werden, um das Maß für den jeweiligen Zeilenvektor der Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix zu ermitteln. Vorteilhaft steht jedoch dem Anwender durch die Nutzung einer p-Norm ein numerisch leicht ausführbares und in gängigen Algebrasystemen vorprogrammierten Verfahren zur Verfügung, welches ein anschauliches Ergebnis liefert und damit auch eine realitätsnahe Bewertung der gegenwärtigen Situation bezüglich der Nähe an einer singulären Pose des Robotermanipulators erlaubt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird vor dem Ermitteln der Pseudoinversen die Jacobimatrix in Faktoren faktorisiert und unterhalb eines vorgegebenen Invertierbarkeitsmaßes liegende Elemente aus zumindest einem der Faktoren identifiziert und auf einen vorgegebenen Mindestwert gesetzt und die so modifizierten Faktoren zum Ermitteln der Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix verwendet. Die Zerlegung der Jacobimatrix in Faktoren erfolgt bevorzugt mittels Singulärwertzerlegung. Im Allgemeinen ist nicht garantiert, dass für alle Posen des Robotermanipulators die Transponierte der Jacobimatrix (pseudo-)invertierbar ist, ohne in numerische Probleme durch eine Singularität zu laufen. Das Verfahren gemäß dieser Ausführungsform stellt mittels des vorgegebenen Invertierbarkeitsmaßes sicher, dass alle Werte der betrachteten Elemente in einem numerischen handhabbaren Bereich bleiben, insbesondere unterhalb der Größenordnung 10⁶, 10⁹, 10¹², 10¹⁵, oder 10¹⁶. Die modifizierten Faktoren stellen somit sicher, dass eine Pseudoinverse einer Transponierten der vorgegebenen Jacobimatrix keine gegen unendlich gehenden Werte aufweist. Das Invertierbarkeitsmaß wird dabei bevorzugt mit einem gewissen Abstand von Null gewählt, bevorzugt zu 10^-3, 10^-6, 10^-9, 10^-12, 10^-15 oder 10^-16. Vorteilhaft wird hierdurch sichergestellt, dass beim Invertieren der transponierten Jacobimatrix alle Werte in einem numerischen handhabbaren Bereich verbleiben, ohne dass eine numerische Singularität auftritt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Ausgabeeinheit eine visuelle Anzeigeeinheit. Die visuelle Anzeigeeinheit ist bevorzugt eines aus: Bildschirm, Projektor, Touchscreen, holographische Darstellung, am Robotermanipulator angeordnete Leuchtdioden. Vorteilhaft wird hierdurch dem Anwender intuitiv eine Information über die Bewertung der jeweiligen Richtung angegeben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird zum Bewerten zumindest einer jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung das jeweilige Maß mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Der Grenzwert ist bevorzugt konstant für alle Zeilen, das heißt Richtungen für die extern am Robotermanipulator aufgebrachte Kraft bzw. Referenzrichtung eines aufgebrachten Moments. Alternativ dazu wird bevorzugt der Grenzwert der Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix je Zeile unterschiedlich definiert, das heißt dass insbesondere sechs unterschiedliche Grenzwerte (drei für die kartesischen Kraftrichtungen, weitere drei für Achsen um die ein Moment wirkt bzw. wirken kann) definiert sind. Insbesondere wird beim Überschreiten des jeweiligen Maßes über den zugeordneten Grenzwert eine Warnung durch die Ausgabeeinheit ausgegeben, sodass der Anwender vorteilhaft unmittelbar darüber informiert wird, dass das Aufbringen einer Kraft oder eines Moments an einem Referenzpunkt des Robotermanipulators nicht von allen Momentensensoren mit ausreichend hoher Genauigkeit oder überhaupt nicht erfasst werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Bewerten der zumindest einen jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung nur dann, wenn eine aus der Jacobimatrix ermittelte Schranke unterschritten wird. Vorteilhaft wird durch die Vorabprüfung der Jacobimatrix selbst erkannt, ob der Robotermanipulator grundsätzlich in einer singulären Pose ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform basiert die vorgegebene Schranke auf der Determinanten des Matrixprodukts der Jacobimatrix mit der invertierten Jacobimatrix. Obwohl erst durch das zeilenweise Überprüfen, das heißt des jeweiligen Maßes, eine Aussage über die Richtung getroffen wird, in der eine Kraft oder ein Moment von den Momentensensoren des Robotermanipulators schlecht oder gar nicht erfasst werden kann, kann die Vorabprüfung der Jacobimatrix dazu dienen, numerische Probleme zu verhindern, beispielsweise wenn in der folgenden Gleichung eine Singularität festgestellt wird: $\sqrt{d e t (J \cdot J^{T})}$

Resultiert diese Gleichung in genau Null, so befindet sich der Robotermanipulator in einer singulären Pose und numerische Berechnungen können scheitern, wobei unter den numerischen Berechnungen insbesondere die zeilenweise Analyse, das heißt Berechnung des jeweiligen Maßes, zu verstehen ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin die Schritte auf:

- Ermitteln einer geforderten Änderung bezüglich einer Pose des Robotermanipulators oder einer Position eines vorgegebenen Punkts auf dem Robotermanipulator oder einer Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung, für welche die Bewertung gegenüber der aktuellen Pose des Robotermanipulators oder der aktuellen Position des vorgegebenen Punkts auf dem Robotermanipulator oder der Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung einer aktuell aufgebrachten Kraft und/oder eines Moments steigen würde, und
- Ausgeben einer Information über die geforderte Änderung auf der Ausgabeeinheit. Vorteilhaft wird durch diese Ausführungsform erreicht, dass der Anwender nicht nur die Tatsache einer singulären Pose erkennt, und insbesondere auch in welchen Richtungen von ihm aufgebrachte Kräfte oder Momente am Robotermanipulator nur eingeschränkt oder gar nicht erfasst werden können, sondern auch in welcher geänderten Richtung eine Kraft aufgebracht werden müsste oder um welche geänderte Achse ein Moment aufgebracht werden müsste, sodass die Momentensensoren des Robotermanipulators diese Kraft oder dieses Moment in korrekten Ergebnissen auch erfassen, bzw. wie die Pose des Robotermanipulators oder ein auf dem Robotermanipulator vordefinierte Referenzpunkt zu verändern ist, um die vom Anwender auf den Robotermanipulator aufgebrachte Kraft oder aufgebrachtes Moment in korrekten Ergebnissen erfassen zu können.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Robotersystem zum Ausgeben einer Information über eine von einer aktuellen Pose eines Robotermanipulators des Robotersystems abhängige Güte einer durch einen oder mehrere Momentensensoren des Robotermanipulators erfassten oder erfassbaren Kraft und/oder Moments, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern und Gelenkwinkelsensoren aufweist, wobei die Gelenkwinkelsensoren zum Ermitteln von aktuellen Gelenkwinkeln des Robotermanipulators ausgeführt sind, wobei das Robotersystem eine Recheneinheit aufweist, wobei die Recheneinheit zum Ermitteln einer zu den aktuellen Gelenkwinkeln zugehörigen Jacobimatrix, zum Ermitteln einer Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix, für jede Zeile der Pseudoinversen zum Ermitteln eines Maßes auf Basis der Beträge der Komponenten der jeweiligen Zeile der Pseudoinversen, und zum Bewerten zumindest einer jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung abhängig von der Höhe des Maßes zumindest einer jeweiligen Zeile der Pseudoinversen ausgeführt ist, wobei jeder Zeile der Pseudoinversen entweder eine Kraftrichtung oder eine Referenzrichtung zugeordnet ist, und wobei das Robotersystem eine Ausgabeeinheit aufweist, die zum Ausgeben einer Information über die jeweilige Bewertung der jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung ausgeführt ist.
Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Robotersystems ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren vorstehend gemachten Ausführungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 ein Robotersystem zum Ausgeben einer Information über eine von einer aktuellen Pose eines Robotermanipulators abhängige Güte einer erfassten/erfassbaren Kraft/Moments gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
2 ein Verfahren, welches zum Ausführungsbeispiel der 1 zugehörig ist.

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
1 zeigt ein Robotersystem 10 zum Ausgeben einer Information über eine von einer aktuellen Pose eines Robotermanipulators 1 des Robotersystems 100 abhängige Güte einer durch einen oder mehrere Momentensensoren 2 des Robotermanipulators 1 erfassten oder erfassbaren Kraft und/oder Moments. Der Robotermanipulator 1 weist eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern auf. An den Gelenken sind elektrische Aktuatoren zum Bewegen der Glieder gegeneinander angeordnet. Ferner umfassen die Gelenke Gelenkwinkelsensoren 3 zum Ermitteln von aktuellen Gelenkwinkeln des Robotermanipulators 1 sowie die Momentensensoren 2 zum Erfassen eines am jeweiligen Gelenk anliegenden Moments, das zwischen den beiden am Gelenk angeordneten Gliedern des Robotermanipulators 1 auftritt. Das Robotersystem 10 weist ferner eine Recheneinheit 5 auf, die insbesondere zum Ansteuern der elektrischen Aktuatoren des Robotermanipulators 1 dient. Ferner dient die Recheneinheit 5 zum Ermitteln einer zu den aktuellen Gelenkwinkeln zugehörigen Jacobimatrix, zum Ermitteln einer Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix, für jede Zeile der Pseudoinversen zum Ermitteln eines Maßes auf Basis der Beträge der Komponenten der jeweiligen Zeile der Pseudoinversen, und zum Bewerten zumindest einer jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung abhängig von der Höhe des Maßes zumindest einer jeweiligen Zeile der Pseudoinversen, wobei jeder Zeile der Pseudoinversen entweder eine Kraftrichtung oder eine Referenzrichtung zugeordnet ist, und wobei das Robotersystem 10 eine als Bildschirm eines Nutzerrechners ausgeführte Ausgabeeinheit 4 aufweist, die zum Ausgeben einer Information über die jeweilige Bewertung der jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung ausgeführt ist. Der Nutzerrechner ist dabei mit der Recheneinheit 5 des Robotermanipulators 5 verbunden. Der in der 1 dargestellte Robotermanipulator 1 ist in einer derartigen Pose, dass die in der 1 gezeigte Kraftrichtung entlang der gleich ausgerichteten Glieder des Robotermanipulators 1 wirkt, wodurch in den drei vom distalen Ende des Robotermanipulators 1 angeordneten Gelenken, das heißt insbesondere durch die in diesen Gelenken angeordneten Momentensensoren 2, diese externe Kraft F nicht erfasst werden kann. Durch Ausführung des in 2 erläuterten Verfahrens wird daher an der Ausgabeeinheit 4 eine entsprechende Information darüber angezeigt, da zumindest eine Zeile der Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix, die von der Recheneinheit 5 ermittelt wurde, Einträge aufweist, die gegen unendlich gehen. Solche Einträge werden insbesondere von der Recheneinheit 5 durch Ermitteln einer Vektornorm für jede Zeile der Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix identifiziert, da entsprechend auch die Vektornorm für die entsprechende Zeile, die der Richtung der aufgebrachten Kraft F entspricht, gegen unendlich geht. Dies wird durch Überschreiten eines vordefinierten Grenzwertes von der Recheneinheit 5 erkannt. Der Einfachheit halber ist in der 1 nur ein Robotermanipulator 1 mit vier Freiheitsgraden dargestellt, der also nicht notwendigerweise redundante Freiheitsgrade aufweist, wobei obige und folgende Erklärungen im Allgemeinen für einen redundanten Robotermanipulator ausgeführt sind, da die Pseudoinverse den allgemeineren Fall darstellt und auch eine reguläre Inverse der transponierten Jacobimatrix mit einschließt.
2 zeigt ein zur 1 zugehöriges Verfahren zum Ausgeben einer Information über eine von einer aktuellen Pose eines Robotermanipulators 1 abhängige Güte einer durch einen oder mehrere Momentensensoren 2 des Robotermanipulators 1 erfassten oder erfassbaren Kraft und/oder Moments, wobei der Robotermanipulator 1 eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf:

- Ermitteln S1 von aktuellen Gelenkwinkeln des Robotermanipulators 1 durch Gelenkwinkelsensoren 3 des Robotermanipulators 1,
- Ermitteln S2 einer zu den aktuellen Gelenkwinkeln zugehörigen Jacobimatrix,
- Ermitteln S3 einer Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix,
- für jede Zeile der Pseudoinversen: Ermitteln S4 eines Maßes als ∞-Norm der jeweiligen Zeile der Pseudoinversen als Vektor,
- Bewerten S5 zumindest einer jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung abhängig von der Höhe des Maßes zumindest einer jeweiligen Zeile der Pseudoinversen, wobei jeder Zeile der Pseudoinversen entweder eine Kraftrichtung oder eine Referenzrichtung zugeordnet ist,
- Ausgeben S6 einer Information über die jeweilige Bewertung der jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung an einer Ausgabeeinheit 4.
- Ermitteln S7 einer geforderten Änderung bezüglich einer Pose des Robotermanipulators 1, für welche die Bewertung gegenüber der aktuellen Pose des Robotermanipulators 1 steigen würde, und
- Ausgeben S8 einer Information über die geforderte Änderung auf der Ausgabeeinheit 4. wobei das Maß eine Vektornorm der jeweiligen Zeile ist.

Bezugszeichenliste

1: Robotermanipulator
2: Momentensensoren
3: Gelenkwinkelsensoren
4: Ausgabeeinheit
5: Recheneinheit
10: Robotersystem
S1: Ermitteln
S2: Ermitteln
S3: Ermitteln
S4: Ermitteln
S5: Bewerten
S6: Ausgeben
S7: Ermitteln
S8: Ausgeben

Claims

Verfahren zum Ausgeben einer Information über eine von einer aktuellen Pose eines Robotermanipulators (1) abhängige Güte einer durch einen oder mehrere Momentensensoren (2) des Robotermanipulators (1) erfassten oder erfassbaren Kraft und/oder Moments, wobei der Robotermanipulator (1) eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist, aufweisend die Schritte: - Ermitteln (S1) von aktuellen Gelenkwinkeln des Robotermanipulators (1) durch Gelenkwinkelsensoren (3) des Robotermanipulators (1), - Ermitteln (S2) einer zu den aktuellen Gelenkwinkeln zugehörigen Jacobimatrix, - Ermitteln (S3) einer Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix, - für jede Zeile der Pseudoinversen: Ermitteln (S4) eines Maßes auf Basis der Beträge der Komponenten der jeweiligen Zeile der Pseudoinversen, - Bewerten (S5) zumindest einer jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung abhängig von der Höhe des Maßes zumindest einer jeweiligen Zeile der Pseudoinversen, wobei jeder Zeile der Pseudoinversen entweder eine Kraftrichtung oder eine Referenzrichtung zugeordnet ist, und - Ausgeben (S6) einer Information über die jeweilige Bewertung der jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung an einer Ausgabeeinheit (4).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Maß eine Vektornorm der jeweiligen Zeile ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Vektornorm eine p-Norm ist, wobei p aus einen der folgenden Möglichkeiten gewählt wird: p=1, p=2, p=∞.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Ermitteln der Pseudoinversen die Jacobimatrix in Faktoren faktorisiert wird und unterhalb eines vorgegebenen Invertierbarkeitsmaßes liegende Elemente aus zumindest einem der Faktoren identifiziert und auf einen vorgegebenen Mindestwert gesetzt werden und die so modifizierten Faktoren zum Ermitteln der Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgabeeinheit (4) eine visuelle Anzeigeeinheit ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bewerten zumindest einer jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung das jeweilige Maßes mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bewerten der zumindest einen jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung nur dann erfolgt, wenn eine aus der Jacobimatrix ermittelte Schranke unterschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die vorgegebene Schranke auf der Determinanten des Matrixprodukts der Jacobimatrix mit der invertierten Jacobimatrix basiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend die Schritte: - Ermitteln (S7) einer geforderten Änderung bezüglich einer Pose des Robotermanipulators (1) oder einer Position eines vorgegebenen Punkts auf dem Robotermanipulator (1) oder einer Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung, für welche die Bewertung gegenüber der aktuellen Pose des Robotermanipulators (1) oder der aktuellen Position des vorgegebenen Punkts auf dem Robotermanipulator (1) oder der Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung einer aktuell aufgebrachten Kraft und/oder eines Moments steigen würde, und - Ausgeben (S8) einer Information über die geforderte Änderung auf der Ausgabeeinheit (4).
Robotersystem (10) zum Ausgeben einer Information über eine von einer aktuellen Pose eines Robotermanipulators (1) des Robotersystems (10) abhängige Güte einer durch einen oder mehrere Momentensensoren (2) des Robotermanipulators (1) erfassten oder erfassbaren Kraft und/oder Moments, wobei der Robotermanipulator (1) eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern und Gelenkwinkelsensoren (3) aufweist, wobei die Gelenkwinkelsensoren (3) zum Ermitteln von aktuellen Gelenkwinkeln des Robotermanipulators (1) ausgeführt sind, wobei das Robotersystem (10) eine Recheneinheit (5) aufweist, wobei die Recheneinheit (5) zum Ermitteln einer zu den aktuellen Gelenkwinkeln zugehörigen Jacobimatrix, zum Ermitteln einer Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix, für jede Zeile der Pseudoinversen zum Ermitteln eines Maßes auf Basis der Beträge der Komponenten der jeweiligen Zeile der Pseudoinversen, und zum Bewerten zumindest einer jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung abhängig von der Höhe des Maßes zumindest einer jeweiligen Zeile der Pseudoinversen ausgeführt ist, wobei jeder Zeile der Pseudoinversen entweder eine Kraftrichtung oder eine Referenzrichtung zugeordnet ist, und wobei das Robotersystem (10) eine Ausgabeeinheit (4) aufweist, die zum Ausgeben einer Information über die jeweilige Bewertung der jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung ausgeführt ist.