DE102019134664A1

DE102019134664A1 - Konfigurieren eines Robotermanipulators beim Aufstellen

Info

Publication number: DE102019134664A1
Application number: DE102019134664.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Spenninger; Jonas Rümping
Original assignee: Franka Emika GmbH
Current assignee: Franka Emika GmbH
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: DE102019134664B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konfigurieren eines Robotermanipulators (1) beim Aufstellen an einem Arbeitsplatz, aufweisend die Schritte:- Erfassen (S1) einer Vorgabe eines Anwenders zu Situationsparametern,- Ermitteln (S2) von Restriktionen für den späteren Betrieb auf Basis der Situationsparameter so, dass der spätere Betrieb ohne Beschädigung des Robotermanipulators (1) und/oder ohne Verletzung des Anwenders und/oder gegenüber der Umgebung des Robotermanipulators (1) kolllisionsfrei erfolgt,- Ausgeben (S3) von Informationen über die Restriktionen oder Ausführen von vorgegebenen Bewegungselementen (1) unter Beachtung der Restriktionen,- Erfassen (S4) einer Eingabe an der Eingabeeinheit (3) bezüglich einer Auswahl oder einer Anpassung der Restriktionen, und- Abspeichern (S5) der ausgewählten und/oder angepassten Restriktionen zur Verwendung im späteren Betrieb.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konfigurieren eines Robotermanipulators beim Aufstellen des Robotermanipulators an einem Arbeitsplatz sowie ein System zum Konfigurieren eines Robotermanipulators beim Aufstellen des Robotermanipulators an einem Arbeitsplatz.
Ein Robotermanipulator ist eine potentiell gefährliche Maschine. Zur Reduktion der Risiken, die von einem Robotermanipulator insbesondere bei seinem Betrieb ausgehen, ist bereits bei der Herstellung des Robotermanipulators auf eine Minimierung von Risiken durch eine entsprechende Konstruktionsweise zu achten. Außerdem wird durch Methoden der Verifikation und Validierung seine Konstruktionsweise analysiert und überprüft. Manche der im Betrieb des Robotermanipulators auftretenden Risiken können aber nicht alleine konstruktionsbedingt gelöst werden, sondern sind ferner durch entsprechende Ansteuerungsmethoden zu minimieren. Letztendlich können aber auch die Ansteuerungsmethoden nur so gut die Risiken beim Betrieb des Robotermanipulators minimieren, wie dies kategorisch möglich ist, da bei der Herstellung des Robotermanipulators Randbedingungen im späteren Betrieb des Robotermanipulators noch nicht bekannt sind. Daher muss auch beim Aufstellen des Robotermanipulators dieser durch entsprechende Risikominimierung so konfiguriert werden, dass die Konfiguration entsprechend der gegebenen Randbedingungen den dadurch entstehenden Risiken Rechnung trägt.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei möglichen Kollisionen des Robotermanipulators mit einem menschlichen Anwender nicht nur den übertragenen Impuls sondern auch die Oberflächengeometrie des Robotermanipulators zu berücksichtigen und entsprechende Einwirkungen auf bestimmte Körperregionen des Menschen zu unterscheiden. Dazu betrifft die DE 10 2013 212 887 B4 ein Verfahren zum Steuern einer Robotereinrichtung aufweisend einen bewegbaren Manipulator und/oder Endeffektor, bei dem zur Überwachung und Anpassung einer Bewegungsgeschwindigkeit und/oder -richtung des Manipulators und/oder des Endeffektors eine Roboterdynamik, eine Kollisionsmasse für vorgegebene relevante Punkten des Manipulators und/oder des Endeffektors, eine Kollisionsgeschwindigkeit für die Punkte, Kollisions-Kontakt-Geometrie für die Punkte, Kennwerte, die einen Zusammenhang zwischen der Kollisionsmasse, der Kollisionsgeschwindigkeit und/oder Kollisions-Kontakt-Geometrien des Manipulators und/oder des Endeffektors einerseits und medizinischer Verletzungsparameter andererseits abbilden, berücksichtigt werden, wobei die Verletzungsparameter medizinische Informationen beinhalten, die für eine Auswirkung einer Kollision zwischen dem Robotermanipulator und/oder Endeffektor und einem menschlichen Körper repräsentativ sind.
Solche relevanten Punkte können auch automatisch identifiziert werden. In diesem Zusammenhang betrifft die DE 10 2014 113 179 B4 ein Verfahren zum Ermitteln von repräsentativen Punkten für erhabene Kanten und von repräsentativen Punkten für erhabene Ecken einer 3D-Form eines Objekts.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen derartigen Robotermanipulator und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, um einem Anwender das Konfigurieren des Robotermanipulators beim Aufstellen des Robotermanipulators an einem Arbeitsplatz zu erleichtern.
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 Konfigurieren eines Robotermanipulators beim Aufstellen des Robotermanipulators an einem Arbeitsplatz, aufweisend die Schritte:

- Erfassen einer Vorgabe eines Anwenders zu Situationsparametern des Arbeitsplatzes und/oder einer durch den Robotermanipulator auszuführenden Aufgabe oder Aufgabenklasse, an einer Eingabeeinheit des Robotermanipulators,
- Ermitteln von Restriktionen für den späteren Betrieb des Robotermanipulators durch eine Recheneinheit auf Basis der Situationsparameter so, dass der spätere Betrieb des Robotermanipulators auf Basis der Vorgabe der Situationsparameter ohne Beschädigung des Robotermanipulators und/oder ohne Verletzung des Anwenders und/oder gegenüber der Umgebung des Robotermanipulators kolllisionsfrei erfolgt,
- Ausgeben von Informationen über die ermittelten Restriktionen an einer Ausgabeeinheit des Robotermanipulators oder Ausführen von vorgegebenen Bewegungselementen durch den Robotermanipulator unter Beachtung der ermittelten Restriktionen,
- Erfassen einer Eingabe an der Eingabeeinheit des Robotermanipulators bezüglich einer Auswahl oder einer Anpassung durch einen Anwender bezüglich der ermittelten Restriktionen, und
- Abspeichern der ausgewählten und/oder angepassten Restriktionen in einer Speichereinheit zur Verwendung im späteren Betrieb des Robotermanipulators.

Der Arbeitsplatz des Robotermanipulators bezeichnet insbesondere einen Aufstellort, wie einen Boden, einen Tisch, ein Gestell oder ähnliches, wobei jeder individuelle Arbeitsplatz auch individuelle Randbedingungen mit sich bringt. Solche in Situationsparametern beschriebenen Randbedingungen können gewisse Einschränkungen im Bewegungsspielraum des Robotermanipulators oder Gefahrenquellen darstellen. Die Einschränkungen und Gefahrenquellen sind beim Aufstellen, das heißt beim initialen Konfigurieren, des Robotermanipulators zu berücksichtigen.
Durch die Vorgabe des Anwenders zu den Situationsparametern werden mittels der Eingabeeinheit des Robotermanipulators der Recheneinheit Informationen über Randbedingungen und aktuelle mögliche Quellen für ein Risiko im Betrieb des Robotermanipulators abhängig von der aktuellen Situation am Arbeitsplatz und/oder abhängig von erwarteten Aufgaben oder Aufgabenklassen, die durch den Robotermanipulator an seinem Arbeitsplatz auszuführen sein werden, übermittelt.
Ein Risiko beim Betrieb des Robotermanipulators bezeichnet dabei einen Schadensfall am Robotermanipulator bzw. einen Verletzungsfall des Anwenders, wobei die Intensität eines möglichen Schadens bzw. einer Verletzung in das Risiko eingeht, genauso wie die Wahrscheinlichkeit, dass ein solcher Schadensfall bzw. Verletzungsfall des Anwenders überhaupt eintritt. Somit sind zur Minimierung des Risikos beim Betrieb des Robotermanipulators zum einen die Wahrscheinlichkeiten zu senken, dass es zu einem solchen Schadensfall bzw. Verletzungsfall des Anwenders kommt, andererseits sind die Konsequenzen beim Eintreten eines solchen Schadensfalls bzw. Verletzungsfalls zu minimieren.
Eine Aufgabenklasse umfasst eine Vielzahl von einzelnen möglichen Aufgaben, die im späteren Betrieb des Robotermanipulators auszuführen sein werden, wobei alle Aufgaben einer Aufgabenklasse gewisse Gemeinsamkeiten aufweisen, die zu einem gemeinschaftlichen Risiko oder einer gemeinschaftlichen Risikoklasse führen. Beispielsweise betreffen alle Aufgaben das Schweißen eines Gegenstands, wodurch allen Aufgaben in dieser Aufgabenklasse die Risiken gemeinsam sind, die durch den Stromfluss des elektrischen Lichtbogenschweißen sowie die dabei emittierte ultraviolette Strahlung und das entstehende Rauchgas entstehen.
Die Eingabeeinheit des Robotermanipulators ist bevorzugt eines aus: Tastatur, Maus, berührempfindliche Bildschirm (Touchscreen). Alternativ bevorzugt kann der Roboterarm des Robotermanipulators selbst als Eingabeeinheit dienen, was insbesondere bei der Vorgabe von physischen Situationsparameter am Arbeitsplatz durch den Anwender die bevorzugte Ausführungsform darstellt. Der Roboterarm kann dabei sämtliche Komponenten und Bauelemente des Robotermanipulators umfassen oder alternativ bevorzugt nur einen Teil des Robotermanipulators, insbesondere sämtliche gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem beweglichen Teile des Robotermanipulators, wie Glieder oder Haltegriffe oder ein Endeffektor des Robotermanipulators.
Eine Vorgabe eines Anwenders mit dem Roboterarm zum Vorgeben von geometrischen Konturen eines Objekts oder von physischen Grenzen des Arbeitsplatzes erfolgt dabei insbesondere wie beim manuellen Führen eines Robotermanipulators zum Einlernen von Positionen und/oder Orientierungen (sogenanntes „Teaching“), wobei insbesondere durch Berühren eines Referenzpunktes an einem distalen Ende des Robotermanipulators, insbesondere einem Endeffektor, und eines Punkts auf dem Objekt oder der physischen Grenze des Arbeitsplatzes, der Recheneinheit unmittelbar ein Stützpunkt einer Oberflächengeometrie mitgeteilt wird, wo Kollisionen potenziell auftreten können. Die Recheneinheit nutzt insbesondere eine Vielzahl von Stützpunkten zur Interpolation eines Modells dieser Oberflächengeometrie.
Die Recheneinheit ist insbesondere eine Steuereinheit des Robotermanipulators, sodass vorteilhaft keine separate Recheneinheit beim Aufstellen des Robotermanipulators bereitgestellt werden muss.
Die Ausgabeeinheit des Robotermanipulators ist insbesondere ein Bildschirm, besonders bevorzugt ein berührempfindlicher Bildschirm (Touchscreen), auf dem die ermittelten Restriktionen für den Robotermanipulator angezeigt werden. Eine solche Anzeige von Restriktionen kann insbesondere die Anzeige von restringierten Bewegungsräumen wie virtuelle Wände, Bereiche mit verminderter Geschwindigkeit oder Beschleunigung, sowie die Anzeige von numerischen Werten, farbigen Werten oder symbolische Anzeigen umfassen. Alternativ bevorzugt führt der Robotermanipulator in einem Demonstrationsmodus vorgegebene Bewegungselemente von möglichen oder vordefinierten Aufgaben durch, um für den Anwender durch Vorführung die ermittelten Restriktionen zu demonstrieren. Die vorgegebenen Bewegungselemente können dabei aus einer Datenbank von Bewegungselementen entnommen sein, alternativ bevorzugt werden sie durch den Anwender im Hinblick auf die Rolle des Robotermanipulators an seinem Arbeitsplatz ausgewählt, weiterhin bevorzugt können die vorgegebenen Bewegungselemente durch die Recheneinheit ermittelt werden, insbesondere auf Basis von vorgegebenen auszuführenden Aufgaben oder einer vorgegebenen auszuführenden Aufgabe oder einer vorgegebenen Aufgabenklasse, sodass die Bewegungselemente insbesondere kritische Abschnitte von später auszuführenden Trajektorien oder anderen Aufgabenelementen widerspiegeln.
Je nachdem, welchen Umstand bezüglich des Arbeitsplatzes die Situationsparameter betreffen, ist eine spezielle Lösung zur Ermittlung von Restriktionen durch die Recheneinheit notwendig. Werden beispielsweise als Situationsparameter geometrische und physische Grenzen vorgegeben, so betreffen die Restriktionen für den späteren Betrieb des Robotermanipulators insbesondere Grenzen für Trajektorien, Bewegungsbahnen, sowie virtuelle Wände, wobei letzteres insbesondere vorteilhaft beim schwerkraftkompensierten manuellen Führen des Robotermanipulators durch einen Anwender verwendet wird, sodass die virtuellen Wände insbesondere eine Gegenkraft gegen das manuelle Führen des Anwenders rechtzeitig vor einer Kollision des Robotermanipulators mit einer tatsächlichen physischen Grenze erzeugen. Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung von Restriktionen bestimmt sich durch mögliche Positionen eines menschlichen Arbeiters im Bereich des Arbeitsplatzes, sodass auch hier die geometrischen Trajektorien und Bahnverläufe des Robotermanipulators durch die Restriktionen zu begrenzen sind. Ein weiteres Beispiel umfasst die Begrenzung von elektrischen Strömen in einem Endeffektor des Robotermanipulators, insbesondere wenn die Umgebung am Arbeitsplatz des Robotermanipulators elektrisch leitend ist.
Sämtliche Restriktionen werden aber dem Anwender vor der endgültigen Definition und Abspeicherung zur Kontrolle angezeigt bzw. demonstriert. Somit erhält der Anwender vorteilhaft eine Rückmeldung im Sinne von Vorschlägen durch die Recheneinheit selbst, sodass ihm vorteilhaft beim Aufstellen des Robotermanipulators nicht die alleinige Arbeitsleistung zur Ermittlung von Restriktionen überlassen wird.
Es ist daher eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass der Anwender beim Aufstellen des Robotermanipulators bei seinem Ziel der Risikominimierung abhängig von den Randbedingungen und der Situation am Arbeitsplatz, ausgedrückt durch die Situationsparameter, durch die Recheneinheit unterstützt wird, insbesondere durch das automatische Ermitteln von Restriktionen für den späteren Betrieb des Robotermanipulators. Weiterhin vorteilhaft werden die vorgeschlagenen Restriktionen als Rückmeldung für den Anwender ausgegeben, sodass dieser vorteilhaft diese anpassen bzw. auswählen kann. Es wird dadurch vorteilhaft die benötigte Zeitdauer zum Aufstellen des Robotermanipulators einschließlich der Risikominimierung insbesondere zum Zweck der Zertifizierung reduziert und ein bisherig manuell auszuführender Satz von Arbeitsschritten wird durch eine Recheneinheit automatisch ausgeführt. Die so ermittelten und unter Umständen ausgewählten und/oder angepassten Restriktionen werden im späteren Betrieb des Robotermanipulators verwendet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Situationsparameter zumindest einen der folgenden:

- eine erwartete Position eines Anwenders;
- eine erwartete Interaktion zwischen dem Anwender und dem Robotermanipulator;
- eine erwartete Körperhaltung eines Anwenders;
- eine elektrische Quelle im Bereich des Arbeitsplatzes des Robotermanipulators;
- eine thermische Quelle im Bereich des Arbeitsplatzes des Robotermanipulators;
- physische Grenzen und/oder Objekte im Bereich des Arbeitsplatzes des Robotermanipulators, insbesondere ein Boden, eine Tischoberfläche, eine Wand;
- mögliche Winkel und/oder Abstände von Gliedern des Robotermanipulators bezüglich einer Klemmung eines Körperteils des Anwenders;
- mögliche Eigenkollisionen von Komponenten, insbesondere Gliedern, des Robotermanipulators, untereinander;

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Restriktionen zumindest eines aus den folgenden:

- eine maximale Geschwindigkeit des Robotermanipulators;
- eine maximale Beschleunigung des Robotermanipulators;
- eine maximale Geschwindigkeitskomponente des Robotermanipulators;
- eine maximale Beschleunigungskomponente des Robotermanipulators;
- ein virtueller Raum, insbesondere eine virtuelle Wand, die von zumindest einem Referenzpunkt des Robotermanipulators, insbesondere von einem Endeffektor des Robotermanipulators, nicht durchdrungen werden darf;
- ein höchstzulässiger geometrischer Bewegungsbereich im Bezug auf den Arbeitsplatz;
- ein Maximalwert eines Prozessparameters des Endeffektors des Robotermanipulators, insbesondere eines aus: maximale Stromstärke, maximale Drehzahl, maximaler Fluiddruck;
- ein Erfordernis einer externen Sensoreinheit, insbesondere eines aus: Lichtschranke, Näherungssensor, Notausknopf;
- ein Erfordernis einer externen Anzeigeeinheit zum Anzeigen eines Zustands des Robotermanipulators und/oder des Endeffektors,
- ein Erfordernis eines Bestätigungselements zum Erfassen einer Bestätigung einer Eingabe des Anwenders;

Die maximale Geschwindigkeit sowie die maximale Beschleunigung des Robotermanipulators sind bevorzugt gegenüber einem kartesischen erdfesten Koordinatensystem definiert, wobei bevorzugt ein oder mehrere Referenzpunkte auf dem Robotermanipulator bezüglich ihrer Geschwindigkeit und/oder ihrer Beschleunigung überwacht werden. Eine maximale Geschwindigkeitskomponente bzw. maximale Beschleunigungskomponente des Robotermanipulators betrifft dagegen jeweils nur eine gewisse Geschwindigkeitskomponente. Der Begriff der jeweiligen „Komponente“ gibt dabei insbesondere wieder, dass nicht der ganze Geschwindigkeitsvektor in seinem Betrag bzw. der ganze Beschleunigungsvektor in seinem Betrag berücksichtigt werden muss, sondern nur eine einzelne Komponente, das heißt eine Projektion des Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsvektors auf eine vorgegebene Richtung betrachtet wird. Dies ist insbesondere dann bedeutsam, wenn eine Auftreffgeschwindigkeit eines Referenzpunktes des Robotermanipulators an einer Oberfläche begrenzt werden soll, eine tangentiale Komponente des Referenzpunktes zur Oberfläche jedoch irrelevant ist.
Eine virtuelle Wand, wie oben angedeutet, ist eine geometrische, insbesondere flächige, Struktur, die abstrakt in einer Steuereinheit, insbesondere der Recheneinheit, des Robotermanipulators definiert wird. Ein vorgegebener Referenzpunkt des Robotermanipulators wird bevorzugt auf einen Abstand gegenüber dieser virtuellen Wand laufend überwacht, wobei beim Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestabstands oder alternativ bevorzugt beim Erreichen der virtuellen Wand vom Robotermanipulator ein künstlicher Widerstand gegen eine Bewegungsrichtung in Richtung der virtuellen Wand erzeugt wird. Somit erzeugt der Robotermanipulator vorteilhaft virtuelle geometrische Grenzen, die jedoch nicht zu einer tatsächlichen Kollision mit einem physischen Impulsübertrag zwischen Robotermanipulator und einem Objekt am Arbeitsplatz führen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der Restriktionen durch die Recheneinheit unter Berücksichtigung von möglichen Relativpositionen zwischen einem Anwender und dem Robotermanipulator und unter Berücksichtigung möglicher Kollisionspositionen am Anwender und der von der jeweiligen Kollisionsposition abhängigen physischen Konsequenzen am Anwender bei einer Kollision. Insbesondere dann, wenn die Situationsparameter bestimmte Bereiche oder Wahrscheinlichkeiten eines möglichen Aufenthaltsorts des Anwenders angeben, kann von der Recheneinheit ein entsprechender Satz von Restriktionen erzeugt werden, der das Risiko einer Verletzung beim Anwender minimiert. Wie im oben genannten Stand der Technik erläutert, sind verschiedene Auftreffpositionen des Robotermanipulators am Anwender in ihren Konsequenzen nicht immer gleich - abhängig davon, ob eine scharfe Kante des Robotermanipulators einen leicht verletzlichen Körperteil des Anwenders treffen kann, oder oder ob eine relativ stumpfe und weiche Komponente des Robotermanipulators einen unempfindlichen Teil am Körper des Anwenders trifft, werden die physischen Konsequenzen am Anwender völlig unterschiedlich sein. Ist beispielsweise bekannt, dass sich der Anwender mit seinem Kopfbereich, insbesondere mit dem Bereich seiner Augen sehr nahe im Bereich des Endeffektors des Robotermanipulators aufhalten wird, kann eine entsprechende Restriktion die Begrenzung der Maximalgeschwindigkeit auf sehr kleine Geschwindigkeiten das Risiko einer Verletzung des Anwenders deutlich reduzieren. Vorteilhaft wird damit ein Satz von Restriktionen ermittelt, der einen optimalen Kompromiss zwischen Risiko und Leistung beim Erfüllen einer Aufgabe darstellt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ausgeben von Informationen über die ermittelten Restriktionen durch Ausführen der Bewegungselemente des Robotermanipulators innerhalb der zulässigen Grenzen bis zum Erreichen der jeweiligen Restriktion. Bei einer solchen Demonstration der Restriktionen wird der Robotermanipulator insbesondere so bewegt, dass für den Anwender die Restriktionen ersichtlich sind. Vorteilhaft wird die Ausgabe von Restriktionen durch eine laufende Demonstration von Bewegungen des Robotermanipulators mit einer visuellen Ausgabe an einer Anzeigeeinheit verbunden, sodass für den Anwender möglichst eindeutig aufgezeigt ist, um welche aktuelle Restriktionen es sich bei der Vorführung von entsprechenden Bewegungen des Robotermanipulators handelt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Eingabeeinheit Glieder des Robotermanipulators, sodass das Erfassen der Vorgabe und/oder der Eingabe am Robotermanipulator durch Erfassen eines manuellen Führens des Robotermanipulators erfolgt. Wird der Robotermanipulator selbst als Eingabeeinheit verwendet, insbesondere wie oben beschrieben der Roboterarm des Robotermanipulators, der insbesondere sämtliche bewegliche Teile wie Glieder und einen Endeffektor des Robotermanipulators umfasst, so sind einerseits vorteilhaft unter Umständen intuitiver die Situationsparameter der Recheneinheit mitteilbar, andererseits erleichtert dies das Anpassen oder die Auswahl der vorgeschlagenen Restriktionen durch einen Anwender erheblich, insbesondere wenn vorgegebene geometrische Restriktionen durch manuelles Führen des Robotermanipulators korrigiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform Bildschirm ist die Eingabeeinheit des Robotermanipulators eins aus: Berührempfindlicher, Maus, Tastatur, Sprachsteuerungsei n heit.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Bewegungselemente auf Basis der Situationsparameter vorgegeben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System zum Konfigurieren eines Robotermanipulators beim Aufstellen des Robotermanipulators an einem Arbeitsplatz, aufweisend:

- eine Eingabeeinheit, wobei die Eingabeeinheit zum Erfassen einer Vorgabe eines Anwenders zu Situationsparametern des Arbeitsplatzes und/oder einer durch den Robotermanipulator auszuführenden Aufgabe oder Aufgabenklasse ausgeführt ist,
- eine Recheneinheit, die zum Ermitteln von solchen Restriktionen für den späteren Betrieb des Robotermanipulators auf Basis der Situationsparameter ausgeführt ist, dass der spätere Betrieb des Robotermanipulators auf Basis der Vorgabe der Situationsparameter ohne Beschädigung des Robotermanipulators und/oder ohne Verletzung des Anwenders und/oder gegenüber der Umgebung des Robotermanipulators kolllisionsfrei erfolgt,
- eine Ausgabeeinheit, die zum Ausgeben von Informationen über die ermittelten Restriktionen oder Ansteuern des Robotermanipulators zum Ausführen von vorgegebenen Bewegungselementen unter Beachtung der ermittelten Restriktionen ausgeführt ist, wobei die Eingabeeinheit zum Erfassen einer Eingabe bezüglich einer Auswahl oder einer Anpassung durch einen Anwender bezüglich der ermittelten Restriktionen ausgeführt ist und die Recheneinheit zum Abspeichern der ausgewählten und/oder angepassten Restriktionen in einer Speichereinheit zur Verwendung im späteren Betrieb des Robotermanipulators ausgeführt ist.

Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Systems ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren vorstehend gemachten Ausführungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
2 ein System, an dem das Verfahren der 1 ausgeführt wird.

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
1 zeigt ein Verfahren zum Konfigurieren eines Robotermanipulators 1 beim Aufstellen des Robotermanipulators 1 an einem Arbeitsplatz. Das Verfahren wird auf einem Robotersystem 100, wie in der 2 dargestellt, ausgeführt. Die folgenden Erläuterungen und Verfahrensschritte beziehen sich daher insbesondere mit ihren Bezugszeichen auch auf die 2. In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt das Erfassen S1 einer Vorgabe eines Anwenders zu Situationsparametern des Arbeitsplatzes und einer durch den Robotermanipulator 1 auszuführenden Aufgabe. Dies erfolgt durch manuelles Führen des Robotermanipulators 1 sowie durch Eingeben numerischer Werte an einem Anwenderrechner als Recheneinheit 5. Somit dienen der Robotermanipulator 1 und Komponenten der Recheneinheit 5 selbst als Eingabeeinheit 3. Die Situationsparameter umfassen hierbei die durch eine reale Wand gegebenen physischen Grenzen des Arbeitsplatzes des Robotermanipulators 1 sowie mögliche Winkel und Abstände von Gliedern des Robotermanipulators 1 bezüglich einer Eigenkollision des Robotermanipulators 1. Im weiteren Schritt erfolgt das Ermitteln S2 von Restriktionen für den späteren Betrieb des Robotermanipulators 1 durch die Recheneinheit 5 auf Basis der Situationsparameter so, dass der spätere Betrieb des Robotermanipulators 1 auf Basis der Vorgabe der Situationsparameter ohne Beschädigung des Robotermanipulators 1 und gegenüber der Wand am Arbeitsplatz kolllisionsfrei erfolgt. Dies erfolgt durch Vorgeben einer virtuellen Wand, deren Oberfläche einen konstanten Abstand von fünf Zentimeter über der realen Wand aufweist. Während die Vorgabe der Situationsparameter in Bezug auf die Oberfläche der Wand durch manuelles Führen des distalen Endes des Robotermanipulators 1 mit seinem Endeffektor 11 auf mehrere Oberflächenpunkte der Wand erfolgt, und über die Tastatur des Anwenderrechners 5 eingegeben wird, dass es sich um eine ebene glatte Wand handelt, erfolgt die Definition einer virtuellen Wand als Restriktion durch die Recheneinheit 5 alleine. Hierauf folgt das Ausgeben S3 von Informationen über die ermittelten Restriktionen an einer Ausgabeeinheit 7 des Robotermanipulators 1 sowie das Ausführen von vorgegebenen Bewegungselementen durch den Robotermanipulator 1 unter Beachtung der ermittelten Restriktion. Das heißt, dass einerseits auf der Anzeigeeinheit 7 die Information der fünf Zentimeter und der parallelen virtuellen Wand zur realen physischen Wand angezeigt wird, sowie dass das distale Ende des Robotermanipulators 1 mit seinem Endeffektor 11 entlang der virtuellen Wand verfahren wird. Die virtuelle Wand dient im späteren Betrieb des Robotermanipulators 1 als softwareimplementierter Schutz gegen eine Kollision des distalen Endes des Robotermanipulators 1 mit seinem Endeffektor 5 mit der tatsächlichen physischen Wand. Außerdem werden die späteren Trajektorien des Endeffektors 11 so restringiert, dass eine Eigenkollision der Glieder des Robotermanipulators 1 mit vor definiertem Sicherheitsabstand ausgeschlossen ist. Hierauf erfolgt das Erfassen S4 einer Eingabe an der Eingabeeinheit 3 des Robotermanipulators 1 bezüglich einer Anpassung durch einen Anwender bezüglich der ermittelten virtuellen Wand als Restriktion und bezüglich der Restriktionen der Trajektorie als Schutz gegen eine Eigenkollision der Glieder untereinander. Schließlich erfolgt das Abspeichern S5 der angepassten Restriktionen in einer Speichereinheit 9 zur Verwendung im späteren Betrieb des Robotermanipulators 1.
2 zeigt ein System 100 zum Konfigurieren eines Robotermanipulators 1 beim Aufstellen des Robotermanipulators 1 an einem Arbeitsplatz. An diesem System 100 wird das Verfahren der 1 ausgeführt. Die einzelnen Verfahrensschritte werden daher nicht noch einmal wiederholt, sondern es wird auf die obigen Erläuterungen zur 1 verwiesen. Das System 100 weist dabei die folgenden Elemente auf:

- eine Eingabeeinheit 3, wobei die Eingabeeinheit 3 zum Erfassen einer Vorgabe eines Anwenders zu Situationsparametern des Arbeitsplatzes und/oder einer durch den Robotermanipulator 1 auszuführenden Aufgabe oder Aufgabenklasse ausgeführt ist,
- eine Recheneinheit 5, die zum Ermitteln von solchen Restriktionen für den späteren Betrieb des Robotermanipulators 1 auf Basis der Situationsparameter ausgeführt ist, dass der spätere Betrieb des Robotermanipulators 1 auf Basis der Vorgabe der Situationsparameter ohne Beschädigung des Robotermanipulators 1 und gegenüber der Umgebung des Robotermanipulators 1 kolllisionsfrei erfolgt,
- eine Ausgabeeinheit 7, die zum Ausgeben von Informationen über die ermittelten Restriktionen oder Ansteuern des Robotermanipulators 1 zum Ausführen von vorgegebenen Bewegungselementen unter Beachtung der ermittelten Restriktionen ausgeführt ist,

3

5

9

1

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

1: Robotermanipulator
3: Eingabeeinheit
5: Recheneinheit
7: Ausgabeeinheit
9: Speichereinheit
11: Endeffektor
100: System
S1: Erfassen
S2: Ermitteln
S3: Ausgeben
S4: Erfassen
S5: Abspeichern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013212887 B4 [0003]
DE 102014113179 B4 [0004]

Claims

Verfahren zum Konfigurieren eines Robotermanipulators (1) beim Aufstellen des Robotermanipulators (1) an einem Arbeitsplatz, aufweisend die Schritte: - Erfassen (S1) einer Vorgabe eines Anwenders zu Situationsparametern des Arbeitsplatzes und/oder einer durch den Robotermanipulator (1) auszuführenden Aufgabe oder Aufgabenklasse, an einer Eingabeeinheit (3) des Robotermanipulators (1), - Ermitteln (S2) von Restriktionen für den späteren Betrieb des Robotermanipulators (1) durch eine Recheneinheit (5) auf Basis der Situationsparameter so, dass der spätere Betrieb des Robotermanipulators (1) auf Basis der Vorgabe der Situationsparameter ohne Beschädigung des Robotermanipulators (1) und/oder ohne Verletzung des Anwenders und/oder gegenüber der Umgebung des Robotermanipulators (1) kolllisionsfrei erfolgt, - Ausgeben (S3) von Informationen über die ermittelten Restriktionen an einer Ausgabeeinheit (7) des Robotermanipulators (1) oder Ausführen von vorgegebenen Bewegungselementen durch den Robotermanipulator (1) unter Beachtung der ermittelten Restriktionen, - Erfassen (S4) einer Eingabe an der Eingabeeinheit (3) des Robotermanipulators (1) bezüglich einer Auswahl oder einer Anpassung durch einen Anwender bezüglich der ermittelten Restriktionen, und - Abspeichern (S5) der ausgewählten und/oder angepassten Restriktionen in einer Speichereinheit (9) zur Verwendung im späteren Betrieb des Robotermanipulators (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Situationsparameter zumindest einen der folgenden umfassen: - eine erwartete Position eines Anwenders; - eine erwartete Körperhaltung eines Anwenders; - eine elektrische Quelle im Bereich des Arbeitsplatzes des Robotermanipulators (1); - eine thermische Quelle im Bereich des Arbeitsplatzes des Robotermanipulators (1); - physische Grenzen und/oder Objekte im Bereich des Arbeitsplatzes des Robotermanipulators (1), insbesondere ein Boden, eine Tischoberfläche, eine Wand; - mögliche Winkel und/oder Abstände von Gliedern des Robotermanipulators (1) bezüglich einer Klemmung eines Körperteils des Anwenders; - mögliche Eigenkollisionen von Komponenten, insbesondere Gliedern, des Robotermanipulators (1), untereinander;
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Restriktionen zumindest eine aus den folgenden umfassen: - eine maximale Geschwindigkeit des Robotermanipulators (1); - eine maximale Beschleunigung des Robotermanipulators (1); - eine maximale Geschwindigkeitskomponente des Robotermanipulators (1); - eine maximale Beschleunigungskomponente des Robotermanipulators (1); - ein virtueller Raum, insbesondere eine virtuelle Wand, die von zumindest einem Referenzpunkt des Robotermanipulators (1), insbesondere von einem Endeffektor (11) des Robotermanipulators (1), nicht durchdrungen werden darf; - ein höchstzulässiger geometrischer Bewegungsbereich im Bezug auf den Arbeitsplatz; - ein Maximalwert eines Prozessparameters des Endeffektors (11) des Robotermanipulators (1), insbesondere eines aus: maximale Stromstärke, maximale Drehzahl, maximaler Fluiddruck; - ein Erfordernis einer externen Sensoreinheit, insbesondere eines aus: Lichtschranke, Näherungssensor, Notausknopf; - ein Erfordernis einer externen Anzeigeeinheit zum Anzeigen eines Zustands des Robotermanipulators und/oder des Endeffektors, - ein Erfordernis eines Bestätigungselements zum Erfassen einer Bestätigung einer Eingabe des Anwenders;
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der Restriktionen durch die Recheneinheit (5) unter Berücksichtigung von möglichen Relativpositionen zwischen einem Anwender und dem Robotermanipulator (1) und unter Berücksichtigung möglicher Kollisionspositionen am Anwender und der von der jeweiligen Kollisionsposition abhängigen physischen Konsequenzen am Anwender bei einer Kollision erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausgeben von Informationen über die ermittelten Restriktionen durch Ausführen der Bewegungselemente des Robotermanipulators (1) innerhalb der zulässigen Grenzen bis zum Erreichen der jeweiligen Restriktion erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Eingabeeinheit (3) Glieder des Robotermanipulators (1) umfasst, sodass das Erfassen der Vorgabe und/oder der Eingabe am Robotermanipulator (1) durch Erfassen eines manuellen Führens des Robotermanipulators (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Eingabeeinheit (3) des Robotermanipulators (1) eins aus: Berührempfindlicher Bildschirm, Maus, Tastatur, Sprachsteuerungseinheit; ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bewegungselemente auf Basis der Situationsparameter vorgegeben werden.
System (100) zum Konfigurieren eines Robotermanipulators (1) beim Aufstellen des Robotermanipulators (1) an einem Arbeitsplatz, aufweisend: - eine Eingabeeinheit (3), wobei die Eingabeeinheit (3) zum Erfassen einer Vorgabe eines Anwenders zu Situationsparametern des Arbeitsplatzes und/oder einer durch den Robotermanipulator (1) auszuführenden Aufgabe oder Aufgabenklasse ausgeführt ist, - eine Recheneinheit (5), die zum Ermitteln von solchen Restriktionen für den späteren Betrieb des Robotermanipulators (1) auf Basis der Situationsparameter ausgeführt ist, dass der spätere Betrieb des Robotermanipulators (1) auf Basis der Vorgabe der Situationsparameter ohne Beschädigung des Robotermanipulators (1) und/oder ohne Verletzung des Anwenders und/oder gegenüber der Umgebung des Robotermanipulators (1) kolllisionsfrei erfolgt, - eine Ausgabeeinheit (7), die zum Ausgeben von Informationen über die ermittelten Restriktionen oder Ansteuern des Robotermanipulators (1) zum Ausführen von vorgegebenen Bewegungselementen unter Beachtung der ermittelten Restriktionen ausgeführt ist, wobei die Eingabeeinheit (3) zum Erfassen einer Eingabe bezüglich einer Auswahl oder einer Anpassung durch einen Anwender bezüglich der ermittelten Restriktionen ausgeführt ist und die Recheneinheit (5) zum Abspeichern der ausgewählten und/oder angepassten Restriktionen in einer Speichereinheit (9) zur Verwendung im späteren Betrieb des Robotermanipulators (1) ausgeführt ist.