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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren einer Ausführung einer Anwendung eines Robotermanipulators sowie ein Robotersystem zum Optimieren einer Ausführung einer Anwendung eines Robotermanipulators.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das automatische Optimieren einer Ausführung einer Anwendung für einen Robotermanipulator zu verbessern.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren einer Ausführung einer Anwendung eines Robotermanipulators, wobei die Anwendung ein aneinander gleitendes Bewegen von zwei Komponenten umfasst, insbesondere das Fügen der zwei Komponenten zueinander oder das Bearbeiten einer der Komponenten als Werkstück mit der anderen der Komponenten als Endeffektor des Robotermanipulators, aufweisend die Schritte:
- - wiederholtes Ausführen der Anwendung durch den Robotermanipulator mittels eines auf einer Steuereinheit ausgeführten Steuerprogramms, wobei während der wiederholten Ausführungen der Anwendung zumindest ein Parameter des Steuerprogramms auf Basis von bei den Ausführungen auftretenden und erfassten Prozessgrößen angepasst wird,
- - für zumindest eine Teilmenge der wiederholten Ausführungen der Anwendung: Überprüfen zumindest einer der zwei Komponenten auf mechanischen Verschleiß durch die Steuereinheit, und
- - Ausgeben einer Warnung an einen Anwender durch eine Warneinheit oder Abbrechen der wiederholten Ausführungen der Anwendung, wenn ein Verschleiß zumindest der einen der zwei Komponenten festgestellt wird.
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Die Anwendung des Robotermanipulators umfasst in jedem Fall das aneinander gleitende Bewegen von zwei Komponenten. Die beiden Komponenten können dabei externe Bauteile oder Werkstücke sein, die nicht Teil des Robotermanipulators sind, oder alternativ dazu ist eine der Komponenten Teil des Robotermanipulators, insbesondere ein Endeffektor des Robotermanipulators.
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Das Steuerprogramm dient dabei zur konkreten Ausführung der Anwendung, und stellt Stellgrößen für die Aktuatoren des Robotermanipulators bereit, um das entsprechende Steuerprogramm auszuführen und somit die Anwendung auszuführen. Ein Parameter des Steuerprogramms ist dabei insbesondere eine relative Position der Komponenten zueinander, insbesondere dann, wenn die beiden Komponenten aneinander zu fügen sind, oder ein Parameter einer Impedanzregelung wie eine künstliche Steifigkeit oder eine künstliche Dämpfung der Impedanzregelung, alternativ dazu eine Geschwindigkeit des Robotermanipulators, eine Frequenz, mit der Bewegungen der Komponenten relativ zueinander erfolgen, oder Ähnliches.
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Die Prozessgrößen sind dabei insbesondere gemessene Größen, die bei einer Ausführung der Anwendung des Robotermanipulators auftreten. Für den Gedanken der Erfindung spielt es eine untergeordnete Rolle, welche Prozessgrößen konkret betrachtet werden, entscheidend ist, dass diese Prozessgrößen für das automatische Anpassen des zumindest einen Parameters des Steuerprogramms dienen, wobei die Prozessgrößen abhängig vom Verschleiß sind. Das heißt, dass im Falle von erhöhtem Verschleiß an zumindest einer der Komponenten der Verschleiß einen Einfluss auf die Prozessgrößen ausübt. Bevorzugt sind die Prozessgrößen eines aus: Widerstandskraft der beiden Komponenten gegeneinander beim Fügen der beiden Komponenten, Grenzwert in der Kraft beim Fügen der Komponenten zueinander, ab dem ein erfolgreiches Fügen festgestellt wird, eine binäre Größe zur Entscheidung, ob ein Fügen überhaupt stattfindet, und Ähnliches.
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Dadurch, dass die Anwendung wiederholt ausgeführt wird, bietet sich für die Steuereinheit die Möglichkeit, verschiedene Werte zumindest eines Parameters des Steuerprogramms zu evaluieren. Dabei werden verschiedene Werte variiert und die jeweilige Qualität der Anwendung des Robotermanipulators überprüft. Dies steht im größeren Zusammenhang der Optimierung der Ausführung der Anwendung, die insbesondere gemäß den ersten Aspekten der Erfindung vollautomatisch erfolgt. Die Wiederholung der Ausführung der Anwendung durch den Robotermanipulator erlaubt daher vorteilhaft ein maschinelles Lernen durch Experiment, welche Werte des zumindest einen Parameters des Steuerprogramms optimal zur Ausführung der Anwendung sind.
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Die Komponenten gleiten insbesondere bei einer Fügebewegung der beiden Komponenten zueinander. Dabei entsteht zwangsläufig eine gewisse Reibung zwischen den Komponenten, die wiederum bei häufig wiederholten Ausführungen einen Verschleiß an zumindest einer der Komponenten erzeugen, je nachdem, welche Beschaffenheit die Komponenten zueinander aufweisen - die Komponente aus härterem Material verglichen mit der anderen Komponente wird dabei naturgemäß geringeren Verschleiß zeigen.
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Um jedoch zumindest eines aus: Änderungen an einer Oberfläche an zumindest einer der Komponenten, eine Veränderung der Elastizität des Materials der zumindest einen der zwei Komponenten, die Verformung von zumindest einer der zwei Komponenten, oder Ähnliches, zu erfassen, wird erfindungsgemäß in zumindest einer Teilmenge der wiederholten Ausführungen der Anwendung zumindest eine der zwei Komponenten auf einen ebensolchen mechanischen Verschleiß überprüft.
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Bevorzugt erfolgt für alle Ausführungen der Anwendung ein Überprüfen zumindest einer der zwei Komponenten auf mechanischen Verschleiß durch die Steuereinheit.
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Weiterhin wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung eine Warnung an einen Anwender durch eine Warneinheit ausgegeben oder das wiederholte Ausführen der Anwendung durch den Robotermanipulator unterbrochen, wenn ein solcher Verschleiß detektiert wird. Die Warneinheit ist bevorzugt eine akustische oder visuelle Warneinheit, insbesondere ein Lautsprecher und/oder ein Bildschirm.
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Es ist daher eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass beim automatischen Optimieren einer Ausführung einer Anwendung eines Robotermanipulators ein Verschleiß der Komponenten berücksichtigt wird, der auftritt, wenn in ausreichend hohen Zahlen von Wiederholungen die Anwendung ausgeführt wird. Dies verhindert vorteilhaft, dass der zumindest eine Parameter des Steuerprogramms auf Basis von verschlissenen Komponenten optimiert wird, und damit der so eingelernte zumindest eine Parameter des Steuerprogramms auf andere Robotermanipulatoren oder auf einen Betrieb des Robotermanipulators unter Ausführung der Anwendung mit stetig anderen Komponenten (Fließbandbetrieb) ausgeführt wird. Wird beispielsweise der zumindest eine Parameter des Steuerprogramms für das Fügen zweier elektronischer Komponenten zueinander automatisch optimiert, während der Optimierung aber immer dieselbe Steckvorrichtung als eine der Komponenten in immer dieselbe Aufnahme zum Aufnehmen der Steckvorrichtung als die andere der Komponenten verwendet, so kann bei einer sehr großen Zahl von Wiederholungen des Fügens der beiden Komponenten zueinander ein Verschleiß in dieser Steckverbindung auftreten und dieser Verschleiß sich in dem automatisch angepassten Parameter des Steuerprogramms widerspiegeln. Nimmt der Verschleiß einen zu hohen Einfluss auf die Anpassung des zumindest einen Parameters des Steuerprogramms ein, so wird vorteilhaft erfindungsgemäß zumindest eine Warnung ausgegeben, oder auch der Vorgang des automatischen Optimierens der Anwendung abg ebroch en.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Überprüfen auf Verschleiß durch Vergleichen eines bei der ersten Ausführung der Anwendung oder bei einer der ersten Ausführungen der Anwendung erfassten externen Kraftwinders und/oder Drehmomentvektors mit einem bei einer aktuellen Ausführung der Anwendung erfassten externen Kraftwinder und/oder Drehmomentvektor, wobei ein Verschleiß der zumindest einen der zwei Komponenten festgestellt wird, wenn eine Abweichung zwischen dem bei der ersten Ausführung der Anwendung oder dem bei der einen der ersten Ausführungen der Anwendung erfassten externen Kraftwinder und/oder Drehmomentvektor und den in der aktuellen Ausführung der Anwendung erfassten externen Kraftwinder und/oder Drehmomentvektor eine erste vorgegebene Metrik übersteigt. Der Ausdruck „bei einer der ersten Ausführungen der Anwendung“ bezeichnet insbesondere die zweite Ausführung der Anwendung, die dritte Ausführung der Anwendung oder die vierte Ausführung der Anwendung. Insbesondere bezeichnet der Ausdruck eine Ausführung in der zuerst ausgeführten Hälfte aller Ausführungen der Anwendung. Besonders bevorzugt bezeichnet dieser Ausdruck eine Ausführung der Anwendung in den ersten 10 % der Gesamtzahl der Ausführungen der Anwendung, alternativ insbesondere innerhalb der ersten 20 % der Gesamtzahl der Ausführungen der Anwendung. Eine solche Änderung im externen Kraftwinder, das heißt dem Vektor aufweisend im Allgemeinen: Kräfte und Momente, die zwischen dem Robotermanipulator und der Umgebung des Robotermanipulators wirken, oder dem Drehmomentvektor, der insbesondere einen Vektor von in den Gelenken des Robotermanipulators erfassten Drehmomenten angibt, deutet unmittelbar auf einen Verschleiß der Komponenten hin. Denn dann ändert sich insbesondere die Kraft und/oder das Moment, die/das zwischen dem Robotermanipulator und zumindest einer der Komponenten in der Umgebung des Robotermanipulators wirkt. Beispielsweise fällt die Kraft zwischen einer ersten elektronische Komponente als Steckvorrichtung und einer zweiten elektronischen Komponente als Aufnahme für die Steckvorrichtung mit zunehmender Zahl von wiederholten Ausführungen der Anwendung ab, da die Steckverbindung zunehmend lockerer wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird für jede aktuelle Ausführung der Anwendung eine Abweichung ermittelt, wobei die jeweils aktuelle Abweichung zur Anpassung des zumindest einen Parameters des Steuerprogramms zur Ausführung der Anwendung verwendet wird. Beim Verwenden einer solchen Abweichung kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass trotz Verschleißerscheinungen der zumindest eine Parameter des Steuerprogramms dennoch zur Ausführung der Anwendung günstige Werte annimmt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Überprüfen auf Verschleiß durch Ermitteln eines virtuellen Energietanks, wobei ein Wert des virtuellen Energietanks ein Integral der vom Robotermanipulator zumindest auf die eine der zwei Komponenten aufgebrachten Kraft und/oder Energie und/oder Moment angibt, wobei ein Verschleiß zumindest der einen der zwei Komponenten festgestellt wird, wenn der Wert des virtuellen Energietanks über einen vorgegebenen Grenzwert steigt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Überprüfen auf Verschleiß durch Vergleichen einer bei der ersten Ausführung der Anwendung oder bei einer der ersten Ausführungen der Anwendung ermittelten spektralen Leistungsdichte eines Kraftsignals und/oder eines Momentensignals beim Bewegen der zwei Komponenten zueinander mit einer bei einer aktuellen Ausführung der Anwendung ermittelten spektralen Leistungsdichte eines Kraftsignals und/oder eines Momentensignals beim Bewegen der zwei Komponenten zueinander, wobei ein Verschleiß der zumindest einen der zwei Komponenten festgestellt wird, wenn eine Abweichung zwischen dem bei der ersten Ausführung der Anwendung oder dem bei der einen der ersten Ausführungen der Anwendung ermittelten spektralen Leistungsdichte des Kraftsignals und/oder des Momentensignals beim Bewegen der zwei Komponenten zueinander und der in der aktuellen Ausführung der Anwendung ermittelten spektralen Leistungsdichte des Kraftsignals und/oder des Momentensignals beim Bewegen der zwei Komponenten zueinander eine zweite vorgegebene Metrik übersteigt. Zur Interpretation des Ausdrucks „bei einer der ersten Ausführungen der Anwendung“: Siehe obige Ausführungsform. Die spektrale Leistungsdichte wird dabei insbesondere auf Basis einer Fourier-Transformation des Kraftsignals und/oder des Momentensignals beim Bewegen der zwei Komponenten zueinander erzeugt. Der Begriff des Kraftsignals und der Begriff des Momentensignals geben dabei den jeweiligen zeitlichen Verlauf der Kraft bzw. des Moments im Sinne der Signaltheorie an. Diese können entsprechend transformiert und auf ihr Spektrum analysiert werden, und aus dem transformierten Signal kann eine entsprechende Leistungsdichte ermittelt werden. Sinkt die entsprechende spektrale Leistungsdichte für insbesondere relevante Frequenzen, welche nicht im Bereich von Meeresrauschen liegen, so liegt eine entsprechende geringe Leistung bei der relativen Bewegung zwischen den beiden Komponenten vor - dies deutet auf erhöhten Verschleiß zumindest einer der beiden Komponenten hin.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Überprüfen auf Verschleiß durch Ermitteln eines Verschleißmaßes, wobei das Verschleißmaß eine Kumulation aus den bis zu einer aktuellen Ausführung der Anwendung aufgebrachten Drehmomentzyklen und/oder Materialspannungen und/oder Materialdehnungen an zumindest der einen der zwei Komponenten angibt, wobei ein Verschleiß festgestellt wird, wenn das Verschleißmaß eine vorgegebene dritte Metrik übersteigt. Gemäß dieser Ausführungsform wird anstelle des Verschleißes explizit insbesondere modellbasiert von der Historie von aufgebrachten Kräften und/oder Momenten und/oder Energie zwischen den Komponenten bei ihrem Aneinandergleiten auf einen Verschleiß geschlossen, wenn dieser Verschleiß gemäß Modell auch in der Realität auftreten müsste. Hierzu wird insbesondere eine Wöhlerkurve verwendet, die durch oben genannte Zählung von Lastzyklen auf einen Verschleiß schließt, der an zumindest einer der Komponenten dem Modell nach Auftritt. Vorteilhaft muss somit keine explizite Analyse zumindest einer der Komponenten durchgeführt werden, sondern der Verschleiß wird durch leichter messbare Größen und modellbasiert ermittelt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die zwei Komponenten zueinander zu fügende elektronische Komponenten, wobei die Anwendung das Fügen der beiden elektronischen Komponenten aneinander umfasst, wobei die eine der zwei Komponenten eine Steckvorrichtung aufweist und die andere der zwei Komponenten eine Aufnahme zum Aufnehmen der Steckvorrichtung aufweist. Insbesondere sind die elektronischen Komponenten ein Arbeitsspeicher, der auf einen entsprechenden Steckplatz auf einem Mainboard aufgesteckt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird bei zumindest einer Teilmenge der wiederholten Ausführungen der Anwendung zumindest ein Parameter einer Impedanzregelung des Steuerprogramms des Robotermanipulators angepasst. Eine Impedanzregelung des Steuerprogramms dient insbesondere durch einen Anteil, der eine künstliche Feder darstellt, sowie einen Anteil, der eine künstliche Dämpfung darstellt, zur nachgiebigen Regelung des Robotermanipulators. Insbesondere wird so ein künstliches System zweiter Ordnung, das heißt ein Feder- Masse- Dämpfungssystem erzeugt, dass sich insbesondere zum Aneinanderfügen der beiden Komponenten eignet, da wie beim manuellen Fügen der Komponenten die Nachgiebigkeitstoleranzen und Ungenauigkeiten und Unsicherheiten zu einer optimalen Relativposition der beiden Komponenten zueinander ausgleichen lassen. Dabei gibt es für jeden Füge-Vorgang und jeden individuellen Satz von Komponenten optimale Parameter für die künstliche Steifigkeit und die künstliche Dämpfung der Impedanzregelung, die erfindungsgemäß somit angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Verschleiß der Steckvorrichtung und/oder der Aufnahme auf Basis der Fügekraft in Fügerichtung überprüft und festgestellt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Robotersystem zum Optimieren einer Ausführung einer Anwendung eines Robotermanipulators, wobei die Anwendung ein aneinander gleitendes Bewegen von zwei Komponenten umfasst, insbesondere das Fügen der zwei Komponenten zueinander oder das Bearbeiten zumindest einer der Komponenten als Werkstück mit der anderen der Komponenten als Endeffektor des Robotermanipulators, aufweisend:
- - eine Steuereinheit des Robotermanipulators, die zum wiederholten Ausführen der Anwendung durch den Robotermanipulator mittels der Ausführung eines Steuerprogramms, und zum Anpassen von zumindest einem Parameter des Steuerprogramms über die Wiederholungen der Ausführung der Anwendung auf Basis von bei den Ausführungen auftretenden und erfassten Prozessgrößen, und für zumindest eine Teilmenge der Wiederholungen der Ausführung der Anwendung zum Überprüfen zumindest einer der zwei Komponenten auf mechanischen Verschleiß ausgeführt ist, und
- - eine Warneinheit, die zum Ausgeben einer Warnung an einen Anwender ausgeführt ist, wenn ein Verschleiß zumindest der einen der zwei Komponenten festgestellt wird.
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Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Robotersystems ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren vorstehend gemachten Ausführungen.
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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.
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Es zeigen:
- 1 ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 2 ein Robotersystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt ein Verfahren zum Optimieren einer Ausführung einer Anwendung eines Robotermanipulators 1, wobei die Anwendung ein aneinander gleitendes Bewegen von zwei Komponenten 3 umfasst, insbesondere das Fügen der zwei Komponenten 3 zueinander oder das Bearbeiten zumindest einer der Komponenten 3 als Werkstück mit der anderen der Komponenten 3 als Endeffektor 2 des Robotermanipulators 1, aufweisend die Schritte:
- - wiederholtes Ausführen S1 der Anwendung durch den Robotermanipulator 1 mittels eines auf einer Steuereinheit 5 ausgeführten Steuerprogramms, wobei während der wiederholten Ausführungen der Anwendung zumindest ein Parameter des Steuerprogramms auf Basis von bei den Ausführungen auftretenden und erfassten Prozessgrößen angepasst wird,
- - für zumindest eine Teilmenge der wiederholten Ausführungen der Anwendung: Überprüfen S2 zumindest einer der zwei Komponenten 3 auf mechanischen Verschleiß durch die Steuereinheit 5, und
- - Ausgeben S3 einer Warnung an einen Anwender durch eine Warneinheit 7, wenn ein Verschleiß zumindest der einen der zwei Komponenten 3 festgestellt wird. Zur Zuordnung der Bezugszeichen kann auch die 2 herangezogen werden.
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2 zeigt ein Robotersystem 10 zum Optimieren einer Ausführung einer Steck-Anwendung zum Fügen von zwei externen Komponenten 3. Das Robotersystem 10 umfasst einen Robotermanipulator 1 mit einer Steuereinheit 5, sowie eine Warneinheit 7. Die Anwendung des ineinander Steckens von zwei Komponenten 3 führt zu einem aneinander gleitenden Bewegen der zwei Komponenten 3. Dabei führt die Steuereinheit 5 des Robotermanipulators 1 wiederholt ein Steuerprogramm aus. Das Steuerprogramm dient zum Ausführen der Anwendung durch den Robotermanipulator 1. Dabei werden die Komponenten 3 aneinander gefügt, das heißt ineinander gesteckt. Das Steuerprogramm weist außerdem einen Winkel-Parameter auf, der den Winkel beim Fügen der Komponenten 3 gegeneinander im Fügeprozess angibt. Dieser Parameter wird über die Wiederholungen der Ausführung der Anwendung angepasst, abhängig von auf Basis der bei den Ausführungen auftretenden und erfassten Fügekräften als Prozessgrößen. Für jede Ausführung der Anwendung werden außerdem die zwei Komponenten 3 auf mechanischen Verschleiß überprüft. Dies erfolgt durch Vergleichen eines bei der ersten Ausführung der Anwendung erfassten externen Kraftwinders mit einem bei einer aktuellen Ausführung der Anwendung erfassten externen Kraftwinders, wobei ein Verschleiß der zwei Komponenten 3 festgestellt wird, wenn eine Abweichung zwischen dem bei der ersten Ausführung der Anwendung erfassten externen Kraftwinder und dem in der aktuellen Ausführung der Anwendung erfassten externen Kraftwinder einen vordefinierten Schwellwert als erste Metrik übersteigt. Ein Warnsymbol auf dem als Warneinheit 7 fungierenden Anwenderrechner erscheint für einen Anwender, wenn der Verschleiß der zwei Komponenten 3 festgestellt wird.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Robotermanipulator
- 2
- Endeffektor
- 3
- Komponenten
- 5
- Steuereinheit
- 7
- Warneinheit
- 10
- Robotersystem
- S1
- Ausführen
- S2
- Überprüfen
- S3
- Ausgeben
