DE102019204564A1 - Determining a parameter of a force acting on a robot - Google Patents
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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.According to a method according to the invention for determining a parameter (m, a) of a force (F) acting on a robot (10) on the basis of at least one joint torque (τ2, τ3) of the robot in at least one, in particular stationary, measuring pose of the robot, the Joint torque based on a difference between a drive-side and an output-side position (qab, i- qan, i) of a drive train of the joint and / or a difference between a measurement configuration with the force acting on the robot and at least one previously approached reference configuration without it the force acting on the robot is determined.
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.The present invention relates to a method for determining a parameter of a force acting on a robot, in particular for operating the robot on the basis of the determined parameter, as well as a system or computer program product for performing the method.
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.By knowing or taking into account external forces acting on robots, the operation of the robots can be improved, the robots in particular can be precisely (r) controlled and / or (sensitively) interact with their environment.
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.In particular, if the payload is known, a more precise robot model can be used in a model-based control, and the control or the operation of the robot can be improved as a result.
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.One object of an embodiment of the present invention is to improve the determination of a parameter of a force acting on a robot, in particular an operation of the robot.
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.This object is achieved by a method having the features of
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.According to one embodiment of the present invention, a one or more dimensional parameter of a force acting on a robot is determined on the basis of one or more joint moments of the robot in one or more, in one embodiment (each) stationary, measuring poses of the robot.
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.In one embodiment, the robot has a robot arm with at least three, in particular at least six, in one embodiment at least seven swivel joints or axes and / or an end flange, in particular an end effector.
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.With at least three swivel joints, the end flange or end effector can advantageously move to any position, with at least six swivel joints any poses, with at least seven swivel joints the same pose with different (joint or robot) positions. In one embodiment, a pose has a one-, two- or preferably three-dimensional position and / or one, two- or preferably three-dimensional orientation.
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 one embodiment, the force acting on the robot acts on the end flange or end effector. As a result, a payload or processing force can be taken into account in one embodiment and the operation of the robot can be improved as a result.
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 one embodiment, the robot remains in one or more of the measuring poses (in each case). In this way, exact (re) and / or meaningful (re) values can be determined in one embodiment. In one embodiment, the robot travels through the or one or more of the measurement poses, with a (maximum) speed of its end effector being limited to a maximum of 250 mm / s in a further development. As a result, in one embodiment, values can be determined more quickly and / or loads on a robot-guided payload, in particular with a patient, can be reduced.
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.In one embodiment, an end effector of the robot has the same orientation in two or more of the, in particular stationary, measuring poses. In this way, in particular, a parameter of a robot-guided payload with a patient can advantageously be determined.
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.According to one embodiment of the present invention, the or one or more of the joint torques, on the basis of which the parameter is determined, are determined on the basis of a difference between a drive-side and an output-side position, in particular an angular position, in one or a drive train (s) (for Adjustment) of the (respective) robot joint in which the joint torque (in each case) acts or for which the joint torque (in each case) is determined.
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.This is based on the idea that forces and moments that act in a drive train to adjust a joint on the output side, due to elasticities, play and the like, lead to a difference compared to a drive-side position of this drive train, so that conversely based on such a difference in Forces and / or torques acting on the drive train or joint on the output side can be determined. In one embodiment, a drive-side position of a drive train is a position, in particular an angular position, (within or at a point) of the drive train that is closer to a drive, in particular a motor, of the drive train than (at) an output-side (s) Position.
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.As a result, joint torques or forces acting on the robot can be advantageously determined in one embodiment, in particular precisely and / or with little expenditure on equipment, in particular in comparison to a (pure) determination based on electrical drive variables, which can be insufficient due to friction, especially in stationary poses.
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.In one embodiment, one or the drive-side position of the (respective) drive train is a position of a drive and / or in front of or at a transmission input and / or is detected by means of a (first) angle sensor. Additionally or alternatively, one or the output-side position of the (respective) drive train in one embodiment is a position of a robot link or the joint and / or at or after a transmission output and / or is detected by means of a (second) angle sensor.
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.According to one embodiment of the present invention, the one or more of the joint torques, on the basis of which the parameter is determined, based on a difference between a measurement configuration in which the force, the parameter of which is to be determined, acts on the robot, and a or several reference configurations approached beforehand, in one embodiment for the determination of the parameter (possibly again), in which this force (in each case) does not act on the robot, determined, in one embodiment on the basis of a difference between the measurement configuration and a reference configuration, in which the robot is load-free or not acted upon by an external force, and / or based on at least one difference between the measurement configuration and a reference configuration in which the robot is (only) acted upon by a known external force in the same way as by the force whose parameters are to be determined.
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.This is based on the knowledge that the robot's own weight and the like also cause joint torque components that are added to the joint torque components that result from an external force acting on the robot, in particular the force acting on the robot, the parameters of which are to be determined, and the underlying idea of determining these joint torque components resulting from the dead weight of the robot and the like or independent of the force acting on the robot whose parameters are to be determined by means of one or more reference configurations and then subtracting them from the determined total joint torques, so that these parameters can be determined on the basis of the remaining joint torques.
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.As a result, the parameter of the force acting on the robot can be determined in one embodiment (still) advantageously, in particular precisely and / or with little (re) m, in particular in terms of apparatus, outlay.
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.The present invention can be used with particular advantage for the identification of a robot-guided payload, with very particular advantage for the identification of a robot-guided payload with a patient (transported and / or positioned by the robot).
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 one embodiment, the parameter depends accordingly on a mass and / or center of gravity of a robot-guided payload, in particular a robot-guided payload with a patient (transported and / or positioned by the robot).
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.In a further development, the parameter depends only on a mass and / or center of gravity of this payload. In one embodiment, a center of gravity comprises a one- or two-dimensional distance from an axis, in particular a distal (st) joint axis.
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.This is based on the idea that, in contrast to inertial sensors, the mass and center of gravity can be determined (precisely) on the one hand by means of slow (er) robot movements and in particular also stationary or slowly traversing measuring positions and on the other hand in particular for transporting and / or positioning patients sufficient, which in turn should not be moved (er) fast.
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.Equally, the present invention can also be used with particular advantage to determine a contact force, in particular its direction, its magnitude and / or point of attack, in a contact with the environment of the robot, in particular its end effector, or the parameters, in particular only, of this contact force, in particular their direction, their amount and / or point of attack depend.
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.In one embodiment, the parameter is determined on the basis of the joint torques of a number of robot joints in the same, in particular stationary, measuring pose of the robot, the number in one embodiment being at least two.
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.This is based on the idea that both a mass and a center of gravity or both an amount and an application point, in particular a distance from an axis, in particular a distal (st) joint axis, can be determined by at least two joint torques.
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.Additionally or alternatively, the number is equal to the total number of joints of the robot and / or equal to six. As a result, the parameter (s) can be determined precisely and / or have more components or dimensions in one embodiment.
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 an alternative embodiment, the number is less than the total number of joints of the robot and / or less than six. As a result, the parameter of the force acting on the robot can advantageously be determined in one embodiment, in particular with little (more) expenditure on equipment, using the idea explained above, that both a mass and a center of gravity or both an amount and a point of application, in particular a distance from an axis, in particular a distal (st) joint axis, can be determined by two joint moments.
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.In one embodiment, the parameter is determined on the basis of the joint torques of the same robot joint in two or more, in particular stationary, measuring poses of the robot, the robot or these robot joints in one embodiment having different positions in these measuring poses.
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.This is based on the idea that the same force acting on the robot, in particular the same robot-guided payload, causes different joint torques in the individual robot joints in different measuring poses or robot positions, so that on the basis of in or for several measuring poses or robot positions determined joint torques of the parameters (still) advantageously (more), in particular precisely (r) and / or with little (re) m, in particular with regard to equipment, can be determined.
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.In one implementation, the parameter is determined using an equalization problem solving technique. To this end, in one embodiment, more joint torques are determined than the dimension of the parameter is, that is to say in particular in one position joint torques from more robot joints and / or joint moments in more positions or along a path. For example, if the mass and the one-, two- or three-dimensional center of gravity of a robot-guided payload are to be determined (dimension of the parameter = 2, 3 or 4), more joint torques are used in one embodiment, for example at least 3, 4 or 5, in one embodiment, for example, for the mass and the one-dimensional center of gravity distance of a robot-guided payload to an axis, the joint moments of at least two joints in at least two measuring positions or the joint moments of one joint in at least three measuring positions or the joint moments of at least three joints in at least one Measuring pose.
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. Additionally or alternatively, the parameter is determined in one embodiment on the basis of mean values, in particular the or one or more of the joint torques and / or the differences in the drive train positions and / or measurement and reference configurations. In one embodiment, for this purpose, the measurement pose (s), measurement configuration (s) and / or reference configuration (s) are each approached several times and the joint torque (s), in particular the difference (s), are determined and the joint torque (s) Joint torques are determined on the basis of mean values of the differences ascertained or the parameters are determined on the basis of mean values of the joint torques ascertained, in particular such.
Hierdurch kann der Parameter in einer Ausführung (noch) vorteilhaft(er), insbesondere zuverlässig(er), ermittelt werden.As a result, the parameter can (still) be determined advantageously (more), in particular reliably (more), in one embodiment.
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.In one embodiment, the measurement configuration and the reference configuration (s) are approached in the same way, in particular by adjusting at least the joints whose joint torques are used in determining the parameter (each or jointly) from or in the same direction.
Dem liegt die Idee zugrunde, dass hierdurch Spiel- und/oder Reibungseffekte vorteilhaft kompensiert werden können.This is based on the idea that backlash and / or friction effects can be advantageously compensated for.
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.In one embodiment, the (respective) joint torque is determined on the basis of a difference between a drive-side and an output-side position of the drive train of the (respective) joint and a stiffness of this drive train (between this drive-side and output-side position).
Diese Steifigkeit kann in einer Ausführung vorgegeben sein, insbesondere aus einem Maschinendatensatz übernommen werden.This rigidity can be specified in one embodiment, in particular taken from a machine data record.
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 one embodiment, the (respective) stiffness is determined on the basis of a difference between one or more first reference configurations in which a (different, respectively) known, in particular predetermined or measured, first force acts on the robot in a Execution (each) a (different) known payload is attached to its end effector, and one or more second reference configurations are determined in which (each) a (different, possibly different) known, in particular predetermined or measured, second force or payload or no (external) force acts on the robot or the robot is load-free, in one embodiment no payload is attached to its end effector. In one embodiment, the rigidity can thus be determined or predetermined on the basis of one, two or more different known forces acting one after the other on the robot, in particular one, two or more different known payloads attached one after the other to its end effector, in particular on the basis of two different known forces acting one after the other on the robot, in particular payloads attached to its end effector, can be determined or predetermined in certain areas. In one embodiment, based on the determined or specified stiffness values, in one embodiment linear, interpolation and / or extrapolation is performed. In one version, the robot has the or the first and second reference configuration (s) (each) the same (joint) position.
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.In one embodiment, the (respective) rigidity of the drive train is or is determined for a specific position of the robot or its joints, in particular the position of the robot or its joints in the first and second reference configuration (s) . specified. In one embodiment, the measurement pose (s) are based on several position-specific stiffnesses, in one embodiment linear, interpolated and / or extrapolated.
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.As a result, in one embodiment, the rigidity of the drive train between the input and output-side position can be currently (more) and / or precisely determined and then based on this rigidity and the determined difference between the input and output-side position in the (respective) measurement pose current joint torque determined, in particular interpolated or extrapolated. In another embodiment, this rigidity can also be determined or be determined in another way.
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.In one embodiment, the or one or more of the joint torques on the basis of which the parameter is determined are (in each case also) determined on the basis of an electrical drive variable of a drive, in particular an electric motor, of the corresponding drive train, in one embodiment a motor current and / or a Motor voltage, or this drive variable, also taken into account when determining the joint torque (s), in particular by averaging or comparing them to one another in some other way.
Hierdurch kann der Parameter in einer Ausführung (noch) vorteilhaft(er), insbesondere präzise(r) und/oder zuverlässig(er), ermittelt werden.As a result, the parameter can (still) be determined advantageously, in particular precisely and / or reliably (more) in one embodiment.
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.In one embodiment, the robot is operated on the basis of the determined parameter, in one embodiment it is controlled, in particular regulated, and / or monitored and / or a path of the robot is planned.
Hierdurch kann der Betrieb des Roboters verbessert werden, der Roboter in einer Ausführung präzise(r) gesteuert werden und/oder (sensitiv) mit seiner Umgebung interagieren.As a result, the operation of the robot can be improved, the robot can be precisely (r) controlled in one embodiment and / or (sensitively) interact with its environment.
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.According to one embodiment of the present invention, a system for determining a parameter of a force acting on a robot on the basis of at least one joint torque of the robot in at least one, in particular stationary, measuring pose of the robot, in particular in hardware and / or software, in particular in programming, is for Implementation of a method described here set up and / or comprises: Means for determining the joint torque on the basis of a difference between a drive-side and an output-side position of a drive train of the joint and / or a difference between a measurement configuration with the force acting on the robot and at least a previously approached reference configuration without this force acting on the robot.
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.
- Means for determining the parameter based on the joint torques of a number of robot joints in the same, in particular stationary, measuring pose of the robot, the number being at least two and / or less than or equal to the total number of joints of the robot and / or less than or equal to six ; and or
- - Means for determining the parameter on the basis of the joint moments of the same robot joint in at least two, in particular stationary, measuring poses of the robot; and or
- - Means for determining the parameter with the aid of a compensation problem solving method and / or on the basis of mean values; and or
- - Means for similar approach to the measurement configuration and at least one reference configuration; and or
- Means for determining the joint torque on the basis of a rigidity of the drive train, in particular for determining the rigidity on the basis of a difference between at least one first reference configuration with a first force acting on the robot and at least one second reference configuration with no force or a second force acting on the robot ; and or
- - Means for determining the joint torque on the basis of an electrical drive variable; and or
- Means for operating the robot on the basis of a parameter of a force acting on the robot, the parameter being or being determined by means of a method or system or its means described here.
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.A means within the meaning of the present invention can be designed in terms of hardware and / or software, in particular a processing, in particular microprocessor unit (CPU), graphics card (GPU), preferably a data or signal connected to a memory and / or bus system, in particular a digital processing unit ) or the like, and / or one or more programs or program modules. The processing unit can be designed to process commands that are implemented as a program stored in a memory system, process, acquire input signals from a data bus and / or deliver output signals to a data bus. A storage system can have one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid-state and / or other non-volatile media. The program can be designed in such a way that it embodies or is able to execute the methods described here, so that the processing unit can execute the steps of such methods and thus in particular can determine the parameter or operate the robot. In one embodiment, a computer program product can have, in particular a non-volatile, storage medium for storing a program or with a program stored on it, wherein the execution of this program causes a system or a controller, in particular a computer, to create a to carry out the method described here or one or more of its steps.
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 one embodiment, one or more, in particular all, steps of the method are carried out completely or partially automatically, in particular by the system or its means.
In einer Ausführung weist das System den Roboter auf.In one embodiment, the system has the robot.
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 : a system for determining a parameter of a force acting on a robot according to an embodiment of the present invention; -
2 : a drive train of the robot; and -
3 : a method for determining the parameter according to an embodiment of the present invention.
Jedes der sechs Drehgelenke weist jeweils einen in
Ein erster Winkelsensor
An einem Endflansch
In einem ersten Schritt
In diesen Messposen erfassen die Winkelsensoren
In einer Ausführung werden die Messposen jeweils mehrfach angefahren, dabei die Antriebsstrangstellungen erfasst und hieraus bzw. aus den Differenzen Δi = (qab, i - qan, 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 one embodiment, the measuring poses are approached several times, the drive train positions are recorded and mean values are formed from this or from the differences Δ i = (q ab, i - q an, i ) of the input and output positions and these are used further. The repeated approach serves in particular to compensate for any measurement errors, but is not absolutely necessary.
In einem zweiten Schritt
Wieder erfassen die Winkelsensoren
Dann werden in einem dritten Schritt
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 (τL0 = K·ΔL0), wobei die hierfür berücksichtigte Steifigkeit des jeweiligen Antriebsstrangs ihrerseits auf Basis der Differenz zwischen der in Schritt
In einem vierten Schritt
Dann wird in Schritt
Dabei wird somit die Differenz (ΔN - ΔL0) zwischen der Messkonfiguration des Schrittes
Außerdem wird dabei somit die Differenz zwischen an- und abtriebsseitigen Antriebsstrangstellungen Δ = [Δ1,..., Δ6] T, Δi = (qab, i - qan, i) verwendet und mithilfe der vorab in Schritt
Dabei kann in einer Ausführung in Schritt
In einem Schritt
Dabei stellen die Schritte
Insbesondere, wenn nur die Masse
Dabei wird davon ausgegangen, dass die Steifigkeit c3 und ggfs. c2 sowie die Differenz Δ3,L0 = (qab, 3 - qan, 3)L0 und ggfs. Δ2,L0 = (qab, 2 - qan, 2)L0 zwischen einer antriebs- und einer abtriebsseitigen Stellung des Antriebsstrangs dieser beiden Gelenke bei unbelastetem Roboter wie vorstehend mit Bezug auf Schritte
Soll nur die in
Soll andererseits nur ein Gelenk verwendet werden (ggfs. unter mehrfachem Anfahren und Mittelwertbildung), so ergibt sich für die beiden in
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist.Although exemplary embodiments have been explained in the preceding description, it should be pointed out that a large number of modifications are possible.
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.In the exemplary embodiment, the mass and center of gravity of a robot-guided payload was determined, which is particularly advantageous for robot-assisted patient positioning or the like due to the limited adjustment options for parameter identification. Nevertheless, parameters of contact forces that act on the robot can also be determined instead.
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.It should also be pointed out that the exemplary designs are merely examples that are not intended to restrict the scope of protection, the applications and the structure in any way. Rather, the preceding description provides a person skilled in the art with guidelines for the implementation of at least one exemplary embodiment, with various changes, in particular with regard to the function and arrangement of the components described, being able to be made without departing from the scope of protection as it emerges from the claims and these equivalent combinations of features.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- antriebsseitiger Winkelsensordrive-side angle sensor
- 22
- abtriebsseitiger Winkelsensoroutput-side angle sensor
- 1010
- Roboterrobot
- 1111
- ElektromotorElectric motor
- 1212th
- GetriebeabtriebGearbox output
- 1313
- EndflanschEnd flange
- 2020th
- RobotersteuerungRobot control
- qan, iq an, i
-
antriebsseitige Stellung des
i . Gelenksdrive-side position of thei . Joint - qab, iqab, i
-
abtriebsseitige Stellung des
i . Gelenksoutput side position ofi . Joint - τi τ i
- Gelenkmoment des i. Gelenks (i=1,2,...,6)Joint moment of the i. Joint (i = 1,2, ..., 6)
- I2, I3 I 2 , I 3
- Abstände (aus Roboterkinematik bekannt)Distances (known from robot kinematics)
- aa
-
Abstand F zu Achse
6 (Schwerpunktlage Nutzlast)Distance F to axis6th (Center of gravity payload) - FF.
- auf den Roboter(endflansch) wirkende Kraft (m·g)Force acting on the robot (end flange) (mg)
- mm
- Masse der NutzlastMass of the payload
Claims (12)
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