DE102019204564A1

DE102019204564A1 - Ermitteln eines Parameters einer auf einen Roboter wirkenden Kraft

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Publication number: DE102019204564A1
Application number: DE102019204564.2A
Authority: DE
Inventors: Ewald Lutscher; Osama Shahin; Karolin Frick; Zoubir Benali; Florian Lochner; Dietmar Tscharnuter
Original assignee: KUKA Deutschland GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2020-10-01
Also published as: WO2020200717A1; EP3946827A1

Abstract

Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln eines Parameters (m, a) einer auf einen Roboter (10) wirkenden Kraft (F) auf Basis wenigstens eines Gelenkmoments (τ2, τ3) des Roboters in wenigstens einer, insbesondere stationären, Messpose des Roboters, wird das Gelenkmoment auf Basis einer Differenz zwischen einer antriebs- und einer abtriebsseitigen Stellung (qab,i- qan,i) eines Antriebsstrangs des Gelenks und/oder einer Differenz zwischen einer Messkonfiguration mit der auf den Roboter wirkenden Kraft und wenigstens einer vorab angefahrenen Referenzkonfiguration ohne diese auf den Roboter wirkenden Kraft ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Parameters einer auf einen Roboter wirkenden Kraft, insbesondere zum Betreiben des Roboters auf Basis des ermittelten Parameters, sowie ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
Durch die Kenntnis bzw. Berücksichtigung von auf Roboter wirkendenden externen Kräften kann der Betrieb der Roboter verbessert werden, die Roboter insbesondere präzise(r) gesteuert werden und/oder (sensitiv) mit ihrer Umgebung interagieren.
So kann insbesondere bei bekannter Nutzlast in einer modellgestützten Regelung ein genaue(er)s Robotermodell genutzt und dadurch die Regelung bzw. der Betrieb des Roboters verbessert werden.
Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, das Ermitteln eines Parameters einer auf einen Roboter wirkenden Kraft, insbesondere einen Betrieb des Roboters, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 10 gelöst. Ansprüche 11, 12 stellen ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein ein- oder mehrdimensionaler Parameter einer auf einen Roboter wirkenden Kraft auf Basis eines oder mehrerer Gelenkmomente des Roboters in einer oder mehreren, in einer Ausführung (jeweils) stationären, Messposen des Roboters ermittelt.
Der Roboter weist in einer Ausführung einen Roboterarm mit wenigstens drei, insbesondere wenigstens sechs, in einer Ausführung wenigstens sieben Drehgelenken bzw. -achsen und/oder einen Endflansch, insbesondere Endeffektor, auf.
Durch wenigstens drei Drehgelenke kann in einer Ausführung der Endflansch bzw. -effektor vorteilhaft beliebige Positionen anfahren, durch wenigstens sechs Drehgelenke beliebige Posen, durch wenigstens sieben Drehgelenke dieselbe Pose mit verschiedenen (Gelenk- bzw. Roboter)Stellungen. Eine Pose weist in einer Ausführung eine ein-, zwei- oder vorzugsweise dreidimensionale Position und/oder eine ein-, zwei- oder vorzugsweise dreidimensionale Orientierung auf.
Die auf den Roboter wirkende Kraft wirkt in einer Ausführung auf den bzw. an dem Endflansch bzw. -effektor. Dadurch kann in einer Ausführung eine Nutzlast oder Bearbeitungskraft berücksichtig und hierdurch der Betrieb des Roboters verbessert werden.
In einer Ausführung verharrt der Roboter in der bzw. einer oder mehrerer der Messposen (jeweils). Hierdurch können in einer Ausführung genaue(re) und/oder aussagefähige(re) Werte ermittelt werden. In einer Ausführung durchfährt der Roboter die bzw. eine oder mehrere der Messposen, wobei in einer Weiterbildung eine (maximale) Geschwindigkeit seines Endeffektors auf höchstens 250 mm/s beschränkt ist. Hierdurch können in einer Ausführung Werte schneller ermittelt und/oder Belastungen einer robotergeführten Nutzlast, insbesondere mit einem Patienten, reduziert werden.
In einer Ausführung weist ein Endeffektor des Roboters in zwei oder mehr der, insbesondere stationären Messposen dieselbe Orientierung auf. Hierdurch kann insbesondere ein Parameter einer robotergeführten Nutzlast mit einem Patienten vorteilhaft(er) ermittelt werden.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden das bzw. eines oder mehrere der Gelenkmomente, auf deren Basis der Parameter ermittelt wird, auf Basis einer Differenz zwischen einer antriebsseitigen und einer abtriebsseitigen Stellung, insbesondere Winkellage, in einem bzw. eines Antriebsstrang(s) (zum Verstellen) des (jeweiligen) Robotergelenks ermittelt, in dem das Gelenkmoment (jeweils) wirkt bzw. für das das Gelenkmoment (jeweils) ermittelt wird.
Dem liegt die Idee zugrunde, dass Kräfte und Momente, die in einem Antriebsstrang zum Verstellen eines Gelenks abtriebsseitig wirken, aufgrund von Elastizitäten, Spiel und dergleichen, zu einer Differenz gegenüber einer antriebsseitigen Stellung dieses Antriebsstrangs führen, so dass umgekehrt auf Basis einer solchen Differenz im Antriebsstrang bzw. Gelenk abtriebsseitig wirkende Kräfte und/oder Momente ermittelt werden können. Eine antriebsseitige Stellung eines Antriebsstrangs ist in einer Ausführung eine Stellung, insbesondere Winkellage, (innerhalb bzw. an einer Stelle) des Antriebsstrangs, die näher an einem Antrieb, insbesondere Motor, des Antriebsstrangs liegt als (bei) eine(r) abtriebsseitige(n) Stellung.
Hierdurch können Gelenkmomente bzw. auf den Roboter wirkende Kräfte in einer Ausführung vorteilhaft, insbesondere präzise(r) und/oder mit geringe(re)m apparativen Aufwand ermittelt werden, insbesondere im Vergleich zu einer (reinen) Ermittlung auf Basis von elektrischen Antriebsgrößen, die reibungsbedingt insbesondere in stationären Posen unzureichend sein kann.
In einer Ausführung ist eine bzw. die antriebsseitige Stellung des (jeweiligen) Antriebsstrangs eine Stellung eines Antriebs und/oder vor oder an einem Getriebeeingang und/oder wird mittels eines (ersten) Winkelsensors erfasst. Zusätzlich oder alternativ ist eine bzw. die abtriebsseitige Stellung des (jeweiligen) Antriebsstrangs in einer Ausführung eine Stellung eines Roboterglieds bzw. des Gelenks und/oder an oder nach einem Getriebeausgang und/oder wird mittels eines (zweiten) Winkelsensors erfasst.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden das bzw. eines oder mehrere der Gelenkmomente, auf deren Basis der Parameter ermittelt wird, auf Basis einer Differenz zwischen einer Messkonfiguration, in der die Kraft, deren Parameter ermittelt werden soll, auf den Roboter wirkt, und einer oder mehrerer vorab, in einer Ausführung für die Ermittlung des Parameters (gegebenenfalls erneut), angefahrener Referenzkonfigurationen, in denen diese Kraft (jeweils) nicht auf den Roboter wirkt, ermittelt, in einer Ausführung auf Basis einer Differenz zwischen der Messkonfiguration und einer Referenzkonfiguration, in der der Roboter lastfrei bzw. nicht durch eine externe Kraft beaufschlagt ist, und/oder auf Basis wenigstens einer Differenz zwischen der Messkonfiguration und einer Referenzkonfiguration, in der der Roboter (nur) durch eine bekannte externe Kraft in gleicher Weise beaufschlagt ist wie durch die Kraft, deren Parameter ermittelt werden soll.
Dem liegt die Erkenntnis, dass auch das Eigengewicht des Roboters und dergleichen Gelenkmomentanteile bewirkt, die sich zu den Gelenkmomentanteilen hinzuaddieren, die sich durch eine auf den Roboter wirkende externe Kraft ergeben, insbesondere durch die auf den Roboter wirkende Kraft, deren Parameter ermittelt werden soll, und die darauf aufbauende Idee zugrunde, diese aus dem Eigengewicht des Roboters und dergleichen resultierenden bzw. von der auf den Roboter wirkenden Kraft, deren Parameter ermittelt werden soll, unabhängigen Gelenkmomentanteile mittels einer oder mehrerer Referenzkonfigurationen zu ermitteln und dann von den ermittelten Gesamtgelenkmomenten abzuziehen, so dass auf Basis der verbleibenden Gelenkmomente dieser Parameter ermittelt werden kann.
Hierdurch kann der Parameter der auf den Roboter wirkenden Kraft in einer Ausführung (noch) vorteilhaft(er), insbesondere präzise(r) und/oder mit geringe(re)m, insbesondere apparativen, Aufwand ermittelt werden.
Die vorliegende Erfindung kann mit besonderem Vorteil zur Identifikation einer robotergeführten Nutzlast verwendet werden, mit ganz besonderem Vorteil zur Identifikation einer robotergeführten Nutzlast mit einem (durch den Roboter transportierten und/oder positionierten) Patienten.
In einer Ausführung hängt der Parameter entsprechend von einer Masse und/oder Schwerpunktlage einer robotergeführten Nutzlast, insbesondere einer robotergeführten Nutzlast mit einem (durch den Roboter transportierten und/oder positionierten) Patienten, ab.
In einer Weiterbildung hängt der Parameter nur von einer Masse und/oder Schwerpunktlage dieser Nutzlast ab. Eine Schwerpunktlage umfasst in einer Ausführung einen ein- oder zweidimensionalen Abstand von einer Achse, insbesondere einer distal(st)en Gelenkachse.
Dem liegt die Idee zugrunde, dass Masse und Schwerpunktlage im Gegensatz zu Trägheitssensoren einerseits auch mittels langsamer(er) Roboterbewegungen und insbesondere auch stationärer oder langsam durchfahrender Messposen (präzise(r)) ermittelt werden können und andererseits insbesondere zum Transportieren und/oder Positionieren von Patienten ausreichen, die wiederum nicht schnell(er) bewegt werden sollen.
Gleichermaßen kann die vorliegende Erfindung auch mit besonderem Vorteil zum Ermitteln einer Kontaktkraft, insbesondere ihrer Richtung, ihres Betrags und/oder Angriffspunktes, in einem Umgebungskontakt des Roboters, insbesondere seines Endeffektors, verwendet werden bzw. der Parameter, insbesondere nur, von dieser Kontaktkraft, insbesondere ihrer Richtung, ihrem Betrag und/oder Angriffspunkt, abhängen.
In einer Ausführung wird der Parameter auf Basis der Gelenkmomente einer Anzahl von Robotergelenken in derselben, insbesondere stationären, Messpose des Roboters ermittelt, wobei die Anzahl in einer Ausführung wenigstens zwei beträgt.
Dem liegt die Idee zugrunde, dass durch wenigstens zwei Gelenkmomente sowohl eine Masse als auch eine Schwerpunktlage bzw. sowohl ein Betrag als auch ein Angriffspunkt, insbesondere ein Abstand von einer Achse, insbesondere einer distal(st)en Gelenkachse, ermittelt werden kann.
Zusätzlich oder alternativ ist die Anzahl gleich der Gesamtzahl der Gelenke des Roboters und/oder gleich sechs. Hierdurch kann in einer Ausführung der Parameter präzise(r) ermittelt werden und/oder mehr Komponenten bzw. Dimensionen aufweisen.
In einer alternativen Ausführung ist die Anzahl kleiner als die Gesamtzahl der Gelenke des Roboters und/oder kleiner als sechs. Hierdurch kann der Parameter der auf den Roboter wirkenden Kraft in einer Ausführung vorteilhaft(er), insbesondere mit geringe(re)m apparativen Aufwand, ermittelt werden, wobei die vorstehend erläuterte Idee genutzt wird, dass bereits durch zwei Gelenkmomente sowohl eine Masse als auch eine Schwerpunktlage bzw. sowohl ein Betrag als auch ein Angriffspunkt, insbesondere ein Abstand von einer Achse, insbesondere einer distal(st)en Gelenkachse, ermittelt werden kann.
In einer Ausführung wird der Parameter auf Basis der Gelenkmomente des- bzw. derselben Robotergelenke in zwei oder mehr, insbesondere stationären, Messposen des Roboters ermittelt, wobei der Roboter bzw. diese Robotergelenke in einer Ausführung in diesen Messposen unterschiedliche Stellungen aufweisen.
Dem liegt die Idee zugrunde, dass dieselbe auf den Roboter wirkende Kraft, insbesondere dieselbe robotergeführte Nutzlast, in unterschiedlichen Messposen bzw. Roboterstellungen unterschiedliche Gelenkmomente in den einzelnen Robotergelenken bewirken, so dass auf Basis von in bzw. für mehrere(n) Messposen bzw. Roboterstellungen ermittelte Gelenkmomente der Parameter (noch) vorteilhaft(er), insbesondere präzise(r) und/oder mit geringe(re)m, insbesondere apparativen, Aufwand ermittelt werden kann.
In einer Ausführung wird der Parameter mithilfe eines Ausgleichsproblemlösungsverfahrens ermittelt. Dazu werden in einer Ausführung mehr Gelenkmomente ermittelt als die Dimension des Parameters beträgt, also insbesondere in einer Stellung Gelenkmomente von mehr Robotergelenken und/oder Gelenkmomente in mehr Stellungen oder entlang einer Bahn. Soll beispielsweise die Masse und die ein-, zwei- oder dreidimensionale Schwerpunktlage einer robotergeführten Nutzlast ermittelt werden (Dimension des Parameters = 2, 3 bzw. 4), so werden hierzu in einer Ausführung mehr Gelenkmomente verwendet, beispielsweise also wenigstens 3, 4 bzw. 5, in einer Ausführung also beispielsweise für die Masse und den eindimensionalen Schwerpunktabstand einer robotergeführten Nutzlast zu einer Achse die Gelenkmomente von wenigstens zwei Gelenken in wenigstens zwei Messposen oder die Gelenkmomente von einem Gelenk in wenigstens drei Messposen oder die Gelenkmomente von wenigstens drei Gelenken in wenigstens einer Messpose.
Zusätzlich oder alternativ wird der Parameter in einer Ausführung auf Basis von Mittelwerten, insbesondere des bzw. eines oder mehrerer der Gelenkmomente und/oder der Differenzen der Antriebsstrangstellungen und/oder Mess-und Referenzkonfigurationen, ermittelt. In einer Ausführung werden hierzu die Messpose(n), Messkonfiguration(en) und/oder Referenzkonfiguration(en jeweils) mehrfach angefahren und dabei bzw. hierfür jeweils das bzw. die Gelenkmomente, insbesondere die Differenz(en), ermittelt und das bzw. die Gelenkmomente auf Basis von Mittelwerten der dabei ermittelten Differenzen bzw. der Parameter auf Basis von Mittelwerten der, insbesondere solcherart, ermittelten Gelenkmomente ermittelt.
Hierdurch kann der Parameter in einer Ausführung (noch) vorteilhaft(er), insbesondere zuverlässig(er), ermittelt werden.
In einer Ausführung werden die Messkonfiguration und die Referenzkonfiguration(en) gleichartig angefahren, insbesondere durch Verstellen wenigstens der Gelenke, deren Gelenkmomente bei der Ermittlung des Parameters verwendet werden, (jeweils bzw. gelenkweise) aus bzw. in derselben Richtung.
Dem liegt die Idee zugrunde, dass hierdurch Spiel- und/oder Reibungseffekte vorteilhaft kompensiert werden können.
In einer Ausführung wird das (jeweilige) Gelenkmoment auf Basis einer Differenz zwischen einer antriebs- und einer abtriebsseitigen Stellung des Antriebsstrangs des (jeweiligen) Gelenks und einer Steifigkeit dieses Antriebsstrangs (zwischen dieser antriebs- und abtriebsseitigen Stellung) ermittelt.
Diese Steifigkeit kann in einer Ausführung vorgegeben sein, insbesondere aus einem Maschinendatensatz übernommen werden.
In einer Ausführung wird die (jeweilige) Steifigkeit auf Basis einer Differenz zwischen einer oder mehreren ersten Referenzkonfigurationen, in der bzw. denen (jeweils) eine (unterschiedliche, jeweils) bekannte, insbesondere vorgegebene oder gemessene, erste Kraft auf den Roboter wirkt, in einer Ausführung (jeweils) eine (unterschiedliche) bekannte Nutzlast an seinem Endeffektor befestigt ist, und einer oder mehreren zweiten Referenzkonfigurationen ermittelt, in der (jeweils) eine (andere, gegebenenfalls hierzu unterschiedliche) bekannte, insbesondere vorgegebene oder gemessene, zweite Kraft bzw. Nutzlast oder keine (externe) Kraft auf den Roboter wirkt bzw. der Roboter lastfrei ist, in einer Ausführung keine Nutzlast an seinem Endeffektor befestigt ist. Die Steifigkeit kann in einer Ausführung somit auf Basis von einer, zwei oder mehr unterschiedlichen bekannten, nacheinander auf den Roboter wirkenden Kräften, insbesondere einer, zwei oder mehr unterschiedlichen bekannten, nacheinander an seinem Endeffektor befestigten Nutzlasten, ermittelt bzw. vorgegeben sein bzw. werden, insbesondere auf Basis von jeweils zwei unterschiedlichen bekannten, nacheinander auf den Roboter wirkenden Kräften, insbesondere an seinem Endeffektor befestigten, Nutzlasten, bereichsweise ermittelt bzw. vorgegeben sein bzw. werden. In einer Ausführung wird auf Basis der ermittelten bzw. vorgegebenen Steifigkeitswerte, in einer Ausführung linear, inter- und/oder extrapoliert. Der Roboter weist in einer Ausführung in der bzw. den ersten und zweiten Referenzkonfiguration(en) (jeweils) dieselbe (Gelenk)Stellung auf.
In einer Ausführung ist bzw. wird die (jeweilige) Steifigkeit des Antriebsstrangs jeweils für eine spezifische Stellung des Roboters bzw. seiner Gelenke, insbesondere die Stellung des Roboters bzw. seiner Gelenke in der bzw. den ersten und zweiten Referenzkonfiguration(en), ermittelt bzw. vorgegeben. In einer Ausführung wird für die Messpose(n) auf Basis mehrerer stellungsspezifischer Steifigkeiten, in einer Ausführung linear, inter- und/oder extrapoliert.
Hierdurch kann in einer Ausführung die Steifigkeit des Antriebsstrangs zwischen an- und abtriebsseitiger Stellung aktuell(er) und/oder präzise(r) ermittelt und dann auf Basis dieser Steifigkeit und der ermittelten Differenz zwischen an- und abtriebsseitiger Stellung in der (jeweiligen) Messpose das aktuelle Gelenkmoment ermittelt, insbesondere inter- bzw. extrapoliert werden. In einer anderen Ausführung kann diese Steifigkeit auch auf andere Weise ermittelt werden bzw. sein.
In einer Ausführung werden das bzw. ein oder mehrere der Gelenkmomente, auf deren Basis der Parameter ermittelt wird, (jeweils auch) auf Basis einer elektrischen Antriebsgröße eines Antriebs, insbesondere Elektromotors, des entsprechenden Antriebsstrangs ermittelt, in einer Ausführung eines Motorstroms und/oder einer Motorspannung, bzw. diese Antriebsgröße bei der Ermittlung des bzw. der Gelenkmomente mitberücksichtigt, insbesondere durch Mittelwertbildung oder Abgleich aufeinander in sonstiger Weise.
Hierdurch kann der Parameter in einer Ausführung (noch) vorteilhaft(er), insbesondere präzise(r) und/oder zuverlässig(er), ermittelt werden.
In einer Ausführung wird der Roboter auf Basis des ermittelten Parameters betrieben, in einer Ausführung gesteuert, insbesondere geregelt, und/oder überwacht und/oder eine Bahn des Roboters geplant.
Hierdurch kann der Betrieb des Roboters verbessert werden, der Roboter in einer Ausführung präzise(r) gesteuert werden und/oder (sensitiv) mit seiner Umgebung interagieren.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Ermitteln eines Parameters einer auf einen Roboter wirkenden Kraft auf Basis wenigstens eines Gelenkmoments des Roboters in wenigstens einer, insbesondere stationären, Messpose des Roboters, insbesondere hard- und/oder software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf: Mittel zum Ermitteln des Gelenkmoments auf Basis einer Differenz zwischen einer antriebs- und einer abtriebsseitigen Stellung eines Antriebsstrangs des Gelenks und/oder einer Differenz zwischen einer Messkonfiguration mit der auf den Roboter wirkenden Kraft und wenigstens einer vorab angefahrenen Referenzkonfiguration ohne diese auf den Roboter wirkenden Kraft.
In einer Ausführung weist das System bzw. sein(e) Mittel auf:

- Mittel zum Ermitteln des Parameters auf Basis der Gelenkmomente einer Anzahl von Robotergelenken in derselben, insbesondere stationären, Messpose des Roboters, wobei die Anzahl wenigstens zwei beträgt und/oder kleiner oder gleich der Gesamtzahl der Gelenke des Roboters und/oder kleiner oder gleich sechs ist; und/oder
- Mittel zum Ermitteln des Parameters auf Basis der Gelenkmomente desselben Robotergelenks in wenigstens zwei, insbesondere stationären, Messposen des Roboters; und/oder
- Mittel zum Ermitteln des Parameters mithilfe eines Ausgleichsproblemlösungsverfahrens und/oder auf Basis von Mittelwerten; und/oder
- Mittel zum gleichartigen Anfahren der Messkonfiguration und wenigstens einen Referenzkonfiguration; und/oder
- Mittel zum Ermitteln des Gelenkmoments auf Basis einer Steifigkeit des Antriebsstrangs, insbesondere zum Ermitteln der Steifigkeit auf Basis einer Differenz zwischen wenigstens einer ersten Referenzkonfiguration mit einer ersten auf den Roboter wirkenden Kraft und wenigstens einer zweiten Referenzkonfiguration mit keiner oder einer zweiten auf den Roboter wirkenden Kraft; und/oder
- Mittel zum Ermitteln des Gelenkmoments auf Basis einer elektrischen Antriebsgröße; und/oder
- Mittel zum Betreiben des Roboters auf Basis eines Parameters einer auf den Roboter wirkenden Kraft, wobei der Parameter mittels eines hier beschriebenen Verfahrens bzw. Systems bzw. dessen Mittel ermittelt wird bzw. ist.

Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU), Graphikkarte (GPU) oder dergleichen, und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die Verarbeitungseinheit kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die Verarbeitungseinheit die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere den Parameter ermitteln bzw. den Roboter betreiben kann. Ein Computerprogrammprodukt kann in einer Ausführung ein, insbesondere nicht-flüchtiges, Speichermedium zum Speichern eines Programms bzw. mit einem darauf gespeicherten Programm aufweisen, insbesondere sein, wobei ein Ausführen dieses Programms ein System bzw. eine Steuerung, insbesondere einen Computer, dazu veranlasst, ein hier beschriebenes Verfahren bzw. einen oder mehrere seiner Schritte auszuführen.
In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch das System bzw. sein(e) Mittel.
In einer Ausführung weist das System den Roboter auf.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:

1: ein System zum Ermitteln eines Parameters einer auf einen Roboter wirkenden Kraft nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2: einen Antriebsstrang des Roboters; und
3: ein Verfahren zum Ermitteln des Parameters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt einen Roboter 10 mit sechs Drehgelenken in einer ersten Messpose (ausgezogen in 1; α=0°) und einer zweiten Messpose (gestrichelt in 1; α≠0°) sowie eine Robotersteuerung 20, die das nachfolgend erläuterte Verfahren durchführt bzw. hierzu eingerichtet ist.
Jedes der sechs Drehgelenke weist jeweils einen in 2 gezeigten Antriebsstrang mit einem Elektromotor 11 und einem Getriebeabtrieb 12 auf, der einerseits mit dem Elektromotor bzw. dessen (Ausgangs)Welle und andererseits (dreh)fest mit einem durch den Antriebstrang aktuierten bzw. zu verstellenden Glied des Roboters verbunden ist.
Ein erster Winkelsensor 1 erfasst die (Stellung der Elektromotorwelle als) antriebsseitige Stellung q_{an, i} des i-ten Antriebsstrangs, ein zweiter Winkelsensor 2 die (Stellung des Getriebeabtriebs bzw. Relativstellung des Roboterglieds zum vorhergehenden Roboterglied als) abtriebsseitige Stellung q_ab, _i des Antriebsstrangs i.
An einem Endflansch 13 des Roboters wirkt eine Kraft F, die um einen Abstand a von der Drehachse des Endflanschs (vertikal in 1) beabstandet ist. Sie kann insbesondere die Gewichtskraft m·g einer robotergeführten Nutzlast sein, deren Schwerpunkt den Abstand a von der Drehachse des Endflanschs 13 aufweist.
In einem ersten Schritt S10 (vgl. 3) werden die in 1 gezeigten Messposen angefahren, ohne dass am Endflansch 13 eine externe Kraft angreift.
In diesen Messposen erfassen die Winkelsensoren 1, 2 jeweils die an- bzw. abtriebsseitigen Stellungen der Antriebsstränge wenigstens des dritten Gelenks, insbesondere des zweiten und dritten Gelenks, in einer Ausführung auch weiterer Gelenke.
In einer Ausführung werden die Messposen jeweils mehrfach angefahren, dabei die Antriebsstrangstellungen erfasst und hieraus bzw. aus den Differenzen Δ_i = (q_ab, _i - q_an, _i) der an- bzw. abtriebsseitigen Stellungen Mittelwerte gebildet und diese weiter verwendet. Das mehrfache Anfahren dient insbesondere der Kompensierung von etwaigen Messfehlern, ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
In einem zweiten Schritt S20 werden die in 1 gezeigten Messposen in gleicher Weise, insbesondere aus derselben Richtung, erneut angefahren, wobei am Endflansch 13 nun eine bekannte externe Kraft angreift, insbesondere eine Nutzlast mit bekannter Masse und Schwerpunktlage am Endflansch 13 befestigt ist. In einer Ausführung werden die Messposen nacheinander mit unterschiedlichen bekannten externen Kräften, insbesondere verschiedenen Nutzlasten mit unterschiedlichen, jeweils bekannten Massen und/oder Schwerpunktlagen angefahren.
Wieder erfassen die Winkelsensoren 1, 2 jeweils die an- bzw. abtriebsseitigen Stellungen, wobei in einer Ausführung die Messposen (mit den jeweils bekannten externen Kräften, insbesondere verschiedenen Nutzlasten) jeweils mehrfach angefahren, dabei die Antriebsstrangstellungen erfasst und hieraus bzw. aus den Differenzen der an- bzw. abtriebsseitigen Stellungen Mittelwerte gebildet und diese weiter verwendet werden.
Dann werden in einem dritten Schritt S30 Steifigkeiten c_i der einzelnen Gelenke auf Basis dieser Differenzen bzw. Mittelwerte ermittelt, in einer Ausführung gemäß $J^{T} \cdot h = τ = K \cdot (Δ_{L 1} - Δ_{L 0})$
mit der transponierten Jacobimatrix J^T, dem Winder h der bekannte externen Kraft und des durch sie bewirkten Drehmoments, dem VektorΔ_L1 der Antriebsstrangstellungsdifferenzen bei der bekannten externen Kraft aus Schritt S20, dem VektorΔ_L0 der Antriebsstrangstellungsdifferenzen aus Schritt S10 ohne externe Kraft und der Steifigkeitsmatrix K mit den Gelenksteifigkeiten c_i. Zusätzlich oder alternativ können die Steifigkeiten in analoger Weise auch auf Basis der unterschiedlichen bekannten Nutzlasten ermittelt werden.
Dem liegt zum Einen die Idee zugrunde, Gelenkmomente auf Basis von Antriebsstrangstellungsdifferenzen zu ermitteln (τ-= K·Δ), zum Anderen, diejenigen Gelenkmomente, die aus einer auf den Roboter wirkenden Kraft resultieren, deren Parameter ermittelt werden soll, auf Basis der Differenz zwischen einer Messkonfiguration mit dieser auf den Roboter wirkenden Kraft und einer vorab angefahrenen Referenzkonfiguration ohne diese auf den Roboter wirkenden Kraft, insbesondere einer lastfreien Referenzkonfiguration, zu ermitteln, insbesondere von auf Basis von Antriebsstrangstellungsdifferenzen ermittelten Gesamtgelenkmomenten die Gelenkmomentanteile abzuziehen, die nicht aus dieser auf den Roboter wirkenden Kraft resultieren (τ_L0 = K·Δ_L0), wobei die hierfür berücksichtigte Steifigkeit des jeweiligen Antriebsstrangs ihrerseits auf Basis der Differenz zwischen der in Schritt S20 angefahrenen ersten Referenzkonfiguration mit der bekannten externen (ersten) Kraft und der in Schritt S10 angefahrenen zweiten Referenzkonfiguration ohne auf den Roboter wirkenden Kraft bzw. einer lastfreien Referenzkonfiguration ermittelt wird bzw. ist.
In einem vierten Schritt S40 werden die in 1 gezeigten Messposen in gleicher Weise, insbesondere aus derselben Richtung, erneut angefahren, wobei am Endflansch 13 nun die (unbekannte) Nutzlast befestigt ist, deren Masse m und Schwerpunktabstand a ermittelt werden soll. Wieder erfassen die Winkelsensoren 1, 2 jeweils die an- bzw. abtriebsseitigen Stellungen, wobei in einer Ausführung die Messposen jeweils mehrfach angefahren, dabei die Antriebsstrangstellungen erfasst und hieraus bzw. aus den Differenzen der an- bzw. abtriebsseitigen Stellungen Mittelwerte gebildet und diese weiter verwendet werden.
Dann wird in Schritt S50 der Winder h der Gewichtskraft der Nutzlast und des durch sie bewirkten Drehmoments auf Basis der Antriebsstrangstellungsdifferenzen Δ_L0 bei lastfreiem Roboter aus Schritt S10 und der Antriebsstrangstellungsdifferenzen Δ_N bei der Nutzlast aus Schritt S40 ermittelt, in einer Ausführung gemäß $h = {(J^{T})}^{- 1} \cdot τ = {(J^{T})}^{- 1} \cdot K \cdot (Δ_{N} - Δ_{L 0})$
Dabei wird somit die Differenz (Δ_N - Δ_L0) zwischen der Messkonfiguration des Schrittes S40, in der die unbekannte Kraft auf den Roboter wirkt, und der vorab angefahrenen Referenzkonfiguration des Schrittes S10, in der diese Kraft nicht auf den lastfreien Roboter wirkt, verwendet. Hierdurch kann sozusagen das Eigengewicht des Roboters ausgeblendet werden.
Außerdem wird dabei somit die Differenz zwischen an- und abtriebsseitigen Antriebsstrangstellungen Δ = [Δ₁,..., Δ_6] ^T, Δ_i = (q_ab, _i - q_an, _i) verwendet und mithilfe der vorab in Schritt S30 ermittelten Steifigkeit(en) c_i bzw. K die Gelenkmomente τ (die aus der Nutzlast resultieren) ermittelt. In einer Ausführung können hierzu ergänzend auch noch Motorströme der Antriebe der Antriebsstränge verwendet werden, insbesondere in analoger Weise unter Ermittlung der Motorströme bei lastfreiem Roboter (vgl. Schritt S10) und mit Nutzlast (vgl. Schritt S40), wobei die auf Basis der Antriebsstrangstellungsdifferenzen ermittelten Gelenkmomente und die auf Basis der Motorströme ermittelten Gelenkmomente miteinander gemittelt oder in sonstiger Weise aufeinander abgeglichen werden können.
Dabei kann in einer Ausführung in Schritt S50 bei ausreichender Anzahl von Messdaten ein Ausgleichsproblem $min ‖ J^{T} \cdot h - τ ‖$
gelöst werden, in einer Ausführung mit der Nebenbedingung C·h = b, durch die die bekannte Richtung der Gewichtskraft und das daraus resultierende Verschwinden wenigstens einer Kraft- und wenigstens einer Drehmomentkomponente des Winders berücksichtigt werden können, beispielsweise in einem Koordinatensystem mit zur Gravitationsrichtung paralleler bzw. in 1 senkrechter z-Achse und auf der Zeichenebene der 1 senkrecht stehender x-Achse: h = [0, 0, -m·g, -m·g·a,0, 0]^T.
In einem Schritt S60 wird dann der Roboter auf Basis der in Schritt S50 ermittelten Masse und Schwerpunktlage der aktuell geführten Nutzlast betrieben, beispielsweise eine Bahn geplant, der Roboter überwacht und/oder gesteuert, insbesondere geregelt, vorzugsweise auf Basis eines Modells des nutzlastführenden Roboters.
Dabei stellen die Schritte S10 - S30 eine Kalibrierung dar, welche vor einer Durchführung der Schritte S40 - S60 erfolgen kann, aber nicht durchgeführt werden muss.
Insbesondere, wenn nur die Masse m der Nutzlast und ihr Abstand a zur Drehachse des Endflanschs 13 ermittelt werden sollen, können hierzu ein Gelenk und zwei Messposen bzw. eine Messpose und zwei Gelenke ausreichen bzw. berücksichtigt werden, wie nachfolgend anhand der in 1 gezeigten Messposen und der beiden in 1 linken Gelenke mit auf der Zeichenebene der 1 senkrecht stehenden Drehachsen erläutert werden soll.
Dabei wird davon ausgegangen, dass die Steifigkeit c₃ und ggfs. c₂ sowie die Differenz Δ_3,L0 = (q_ab, ₃ - q_an, ₃)_L0 und ggfs. Δ_2,L0 = (q_ab, ₂ - q_an, ₂)_L0 zwischen einer antriebs- und einer abtriebsseitigen Stellung des Antriebsstrangs dieser beiden Gelenke bei unbelastetem Roboter wie vorstehend mit Bezug auf Schritte S10 bis S40 ermittelt worden sind.
Soll nur die in 1 ausgezogen dargestellte Messpose verwendet werden (ggfs. unter mehrfachem Anfahren und Mittelwertbildung), so ergibt sich aus $τ_{2} = C_{2} \cdot (Δ_{2, N} - Δ_{2, L 0}) = (I_{2} + a) \cdot m \cdot g$
$τ_{3} = C_{3} \cdot (Δ_{3, N} - Δ_{3, L 0}) = (I_{3} + a) \cdot m \cdot g$
mit der Gravitationskonstanten g und den mit der Nutzlast in der Messpose ermittelten Antriebsstrangstellungsdifferenzen Δ_2,N, Δ_3,N: $a = (I_{2} \cdot τ_{3} - I_{3} \cdot τ_{2}) / (τ_{2} - τ_{3})$
$m = τ_{3} / [(I_{3} + a) \cdot g]$
Soll andererseits nur ein Gelenk verwendet werden (ggfs. unter mehrfachem Anfahren und Mittelwertbildung), so ergibt sich für die beiden in 1 dargestellten Messposen $τ_{3, α = 0 °} = C_{3} \cdot {(Δ_{3, N} - Δ_{3, L 0})}_{α = 0 °} = (I_{3} + a) \cdot m \cdot g$
$τ_{3, α \neq 0 °} = C_{3} \cdot {(Δ_{3, N} - Δ_{3, L 0})}_{α \neq 0 °} = (cos α \cdot I_{3} + a) \cdot m \cdot g$
mit den Werten α=0° für die in 1 ausgezogen dargestellte Messpose und α≠0° für die in 1 gestrichelt dargestellte Messpose: $m = (τ_{3, α = 0 °} - τ_{3, α \neq 0 °}) / [g \cdot I_{3} \cdot (1 - cos α)]$
$a = τ_{3, α = 0 °} / (m \cdot g) - I_{3}$
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist.
So wurde im Ausführungsbeispiel die Masse und Schwerpunktlage einer robotergeführten Nutzlast ermittelt, was insbesondere für eine robotergestützte Patientenpositionierung oder dergleichen aufgrund der hierbei begrenzten Verstellmöglichkeiten zur Parameteridentifikation vorteilhaft ist. Gleichwohl können stattdessen insbesondere auch Parameter von Kontaktkräften ermittelt werden, die auf den Roboter wirken.
Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
Bezugszeichenliste

1: antriebsseitiger Winkelsensor
2: abtriebsseitiger Winkelsensor
10: Roboter
11: Elektromotor
12: Getriebeabtrieb
13: Endflansch
20: Robotersteuerung
q_an, i: antriebsseitige Stellung des i. Gelenks
qab, i: abtriebsseitige Stellung des i. Gelenks
τ_i: Gelenkmoment des i. Gelenks (i=1,2,...,6)
I₂, I₃: Abstände (aus Roboterkinematik bekannt)
a: Abstand F zu Achse 6 (Schwerpunktlage Nutzlast)
F: auf den Roboter(endflansch) wirkende Kraft (m·g)
m: Masse der Nutzlast

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Parameters (m, a) einer auf einen Roboter (10) wirkenden Kraft (F) auf Basis wenigstens eines Gelenkmoments (τ₂, τ₃) des Roboters in wenigstens einer, insbesondere stationären, Messpose des Roboters, wobei das Gelenkmoment auf Basis einer Differenz zwischen einer antriebs- und einer abtriebsseitigen Stellung (q_ab, _i - q_an, _i) eines Antriebsstrangs des Gelenks und/oder einer Differenz zwischen einer Messkonfiguration mit der auf den Roboter wirkenden Kraft und wenigstens einer vorab angefahrenen Referenzkonfiguration ohne diese auf den Roboter wirkenden Kraft ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter, insbesondere nur, von einer Masse (m) und/oder Schwerpunktlage (a) einer robotergeführten Nutzlast, insbesondere mit einem Patienten, oder einer Kontaktkraft in einem Umgebungskontakt des Roboters abhängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter auf Basis der Gelenkmomente (τ₂, τ₃) einer Anzahl von Robotergelenken in derselben, insbesondere stationären, Messpose des Roboters ermittelt wird, wobei die Anzahl wenigstens zwei beträgt und/oder kleiner oder gleich der Gesamtzahl der Gelenke des Roboters und/oder kleiner oder gleich sechs ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter auf Basis der Gelenkmomente (τ₃) desselben Robotergelenks in wenigstens zwei, insbesondere stationären, Messposen des Roboters ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter mithilfe eines Ausgleichsproblemlösungsverfahrens und/oder auf Basis von Mittelwerten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkmoment auf Basis einer Steifigkeit des Antriebsstrangs ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit auf Basis einer Differenz zwischen wenigstens einer ersten Referenzkonfiguration mit einer ersten auf den Roboter wirkenden Kraft und wenigstens einer zweiten Referenzkonfiguration mit keiner oder einer zweiten auf den Roboter wirkenden Kraft ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkonfiguration und wenigstens eine Referenzkonfiguration gleichartig angefahren werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkmoment auf Basis einer elektrischen Antriebsgröße ermittelt wird.
Verfahren zum Betreiben (S60) eines Roboters (10) auf Basis eines Parameters einer auf den Roboter wirkenden Kraft, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ermittelt wird (S10 - S50).
System zum Ermitteln eines Parameters (m, a) einer auf einen Roboter (10) wirkenden Kraft (F) auf Basis wenigstens eines Gelenkmoments (τ₂, τ₃) des Roboters in wenigstens einer, insbesondere stationären, Messpose des Roboters, wobei das System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist: Mittel zum Ermitteln des Gelenkmoments auf Basis einer Differenz zwischen einer antriebs- und einer abtriebsseitigen Stellung (q_ab, _i - q_an, _i) eines Antriebsstrangs des Gelenks und/oder einer Differenz zwischen einer Messkonfiguration mit der auf den Roboter wirkenden Kraft und wenigstens einer vorab angefahrenen Referenzkonfiguration ohne diese auf den Roboter wirkenden Kraft.
Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.