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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators sowie eine Steuereinheit zum Steuern eines Robotermanipulators.
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Im Stand der Technik sind verschiedenste Sicherheitsmechanismen insbesondere zum Schutz einer Person in der Nähe eines Robotermanipulators bekannt.
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So betrifft beispielsweise die
DE 10 2014 114 234 A1 ein Verfahren zur Steuerung/Regelung eines Roboter-Manipulators, der zur Erfassung einer mechanischen Wechselwirkung mit einer Umgebung einen Sensor aufweist, bei dem von dem Sensor ein Kraft-Zeitverlauf einer auf den Roboter-Manipulator wirkenden externen Kraft erfasst wird, und sofern der Betrag der erfassten Kraft größer als ein vorgegebener Grenzwert ist: ein Sicherheits-Modus des Roboter-Manipulators aktiviert wird, der eine Bewegungsgeschwindigkeit und/oder eine Bewegungsrichtung des Roboter-Manipulators in Abhängigkeit der erfassten Kraft steuert/regelt, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit und/oder die Bewegungsrichtung des Roboter-Manipulators vor dem Aktivieren des Sicherheits-Modus abhängig von vorgegebenen medizinischen Parametern gesteuert/geregelt wird/werden.
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Die
DE 10 2013 212 887 A1 betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern einer Robotereinrichtung aufweisend einen bewegbaren Manipulator und/oder Effektor, wobei eine Bewegungsgeschwindigkeit und/oder -richtung des Manipulators und/oder Effektors unter Berücksichtigung medizinischer Verletzungsparameter und einer Roboterdynamik überwacht und gegebenenfalls angepasst wird.
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Die
DE 10 2018 112 360 B3 betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines aktorisch angetriebenen Robotermanipulators mit einem Endeffektor, bei dem der Endeffektor eine vorgegebene Sollbewegung ausführt und während der Ausführung der Sollbewegung eine Aufgabe innerhalb eines vorgegebenen geometrischen Bereichs B um einen Ort P ausführt, aufweisend die Schritte: während der Ausführung der Sollbewegung Ermitteln eines in den Robotermanipulator eingebrachten externen Kraftwinders K
ext, wobei K
ext einen Vektor Fext zumindest einer externen Kraft und/oder einen Vektor Mext zumindest eines externen Moments aufweist, Detektieren einer unerwünschten Kollision des Robotermanipulators, wenn K
ext einen vordefinierten ersten Grenzwert überschreitet während sich der Endeffektor außerhalb des vorgegebenen geometrischen Bereichs B um den Ort P befindet, Detektieren einer fehlerhaften Ausführung der Aufgabe, wenn K
ext einen vordefinierten zweiten Grenzwert überschreitet oder wenn K
ext<K
des ist, jeweils während sich der Endeffektor innerhalb des vorgegebenen geometrischen Bereichs B um den Ort P befindet, wobei K
des ein erwarteter und/oder erwünschter Kraftwinder innerhalb des vorgegebenen geometrischen Bereichs B ist, wobei der ermittelte Kraftwinder K
ext um den erwarteten und/oder gewünschten Kraftwinder K
des kompensiert und der kompensierte Kraftwinder mit dem zweiten Grenzwert verglichen wird, und Ansteuern des Robotermanipulators in einem Fehlermodus, wenn eine unerwünschte Kollision des Robotermanipulators und/oder eine fehlerhafte Ausführung der Aufgabe detektiert wird.
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Die
DE 10 2007 060 680 A1 betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Manipulators, insbesondere eines Roboters, mit einem motorisch bewegbaren Arbeitspunkt, mit den Schritten: Bestimmen einer Lage des Arbeitspunktes, Bestimmen, ob die Lage des Arbeitspunktes in einem vorgegebenen Prozessbereich liegt oder nicht, und Reduzieren der im Arbeitspunkt von dem Manipulator aufbringbaren Kräften, falls die Lage des Arbeitspunktes nicht in dem vorgegebenen Prozessbereich liegt.
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Die
DE 10 2011 111 758 A1 betrifft ein Steuerverfahren für einen Roboter mit mehreren beweglichen Roboterachsen, insbesondere für einen Lackierroboter oder einen Handhabungsroboter, wobei die Roboterachsen jeweils in einer bestimmten Schwenkebene schwenkbar sind, a) Vorgabe einer Roboterbahn durch mehrere Bahnpunkte, die von einem Referenzpunkt des Roboters durchfahren werden sollen, b) Ansteuerung von Antriebsmotoren der einzelnen Roboterachsen entsprechend der vorgegebenen Roboterbahn, so dass der Referenzpunkt des Roboters die vorgegebene Roboterbahn durchfährt, gekennzeichnet durch folgende Schritte: c) Vorausberechnung einer mechanischen Belastung, die beim Durchfahren der bevorstehenden Roboterbahn quer zu der Schwenkebene der jeweiligen Roboterachse auftritt, d) Anpassung der Ansteuerung der Antriebsmotoren der Roboterachsen in Abhängigkeit von der vorausberechneten mechanischen Belastung, so dass eine mechanische Überlastung vermieden wird.
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Die
DE 10 2015 016 341 A1 betrifft schließlich eine Robotersteuervorrichtung, die einen Roboter steuert, der einen Kraftdetektor, um mindestens entweder eine Kraft oder ein Drehmoment zu detektieren, die bzw. das auf den Roboter ausgeübt wird, und einen Zustandsdetektor, um eine Position und eine Lage des Roboters zu detektieren, beinhaltet, umfassend: eine Masseparameter-Einstelleinheit, die einen Masseparameter einstellt, der die Masse des Roboters und die Masse eines Werkstücks beinhaltet; und eine Stoppbefehlseinheit, die einen Befehl sendet, um den Roboter in einen Stoppzustand zu versetzen; wobei die Stoppbefehlseinheit eine Einheit zum Schätzen einer internen Kraft, welche die interne Kraft, die durch eine Betätigung des Roboters generiert wird, auf der Grundlage der Position und der Lage des Roboters, die von dem Zustandsdetektor detektiert werden, und des Masseparameters schätzt, und eine Einheit zum Schätzen einer externen Kraft, welche die externe Kraft, die durch die Kraft generiert wird, die von außerhalb des Roboters auf den Roboter ausgeübt wird, durch Subtrahieren der internen Kraft von der Ausgabe des Kraftdetektors schätzt, beinhaltet, erste obere Grenzwerte bezüglich der externen Kraft zum Anhalten des Roboters, wenn eine Person oder ein Objekt mit dem Roboter in Kontakt gekommen ist, und ein zweiter oberer Grenzwert, der kleiner als die ersten oberen Grenzwerte ist, im Voraus eingestellt wurden, und die Stoppbefehlseinheit ausgebildet ist, um den Roboter anzuhalten, wenn die externe Kraft, die von der Einheit zum Schätzen der externen Kraft während eines Betätigungszeitraums des Roboters geschätzt wird, die ersten oberen Grenzwerte überschreitet, die im Voraus eingestellt wurden, und den Roboter in den Stoppzustand versetzt, wenn ein durchschnittlicher Wert der externen Kraft in einer Zeitdauer, über die im Voraus entschieden wird, während des Betätigungszeitraums oder eines Stoppzeitraums des Roboters den zweiten oberen Grenzwert überschreitet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Verhalten eines Robotermanipulators bei einem Kontaktereignis zwischen dem Robotermanipulator und einer Person zu verbessern und insbesondere sicherer zu gestalten.
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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 Steuern eines Robotermanipulators, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen einer Datenbank mit Körperzonen einer Person, wobei jeder der Körperzonen ein jeweiliger höchst zulässiger Wert von Kontaktdruck zugeordnet ist,
- - Ermitteln eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses des Robotermanipulators mit der Person und Ermitteln der kontaktierten Körperzone der Person,
- - Ermitteln einer relativ zur Person körperfesten Referenzposition, wobei die Referenzposition den Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens von Gewebe der Person bei dem Kontaktereignis mit der Person angibt, und
- - impedanzgeregeltes Ansteuern des Robotermanipulators so, dass die ermittelte Referenzposition als Nullstellung einer künstlichen Federkomponente der Impedanzregelung des Robotermanipulators dient und der höchstzulässige Kontaktdruck als Grenzwert nicht überschritten wird.
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Die Körperzonen umfassen insbesondere Zonen auf der Oberfläche des Körpers der Person, wie beispielsweise an Oberschenkel, Unterschenkel, Hände, Füße, Bauch, Brust, oberer Rücken, unterer Rücken, Gesicht und/oder Abschnitte des Gesichts, wie die Augen, Nase, etc., Alternativ bevorzugt werden von diesen Körperteilen losgelöste Körperzonen verwendet. Die Körperzonen, wie sie in der Datenbank abgelegt sind, sind bevorzugt für Personen generell gültig, sodass diese nicht auf eine bestimmtes Individuum begrenzt sind. Insbesondere dann jedoch, wenn ein bestimmter Personenkreis, wie Kinder, mit dem Robotermanipulator in Kontakt treten, ist es zweckmäßig, eine jeweils spezielle Datenbank mit spezifisch für den Personenkreis definierten Körperzonen zur Verfügung zu stellen.
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Jede dieser Körperzonen weist einen zugehörigen Wert gemäß der Datenbank auf, der einen höchstzulässigen Kontaktdruck an der jeweiligen Körperzone angibt. Der Kontaktdruck ist dabei insbesondere in Richtung einer Normalen auf die Oberfläche der Körperzone definiert. Der Kontaktdruck bezeichnet denjenigen Druck, der extern auf den Körper der Person wirkt. Die Begriffe des Kontaktdrucks und einer Kontaktkraft sind dabei prinzipiell austauschbar, da ein Druck über eine Kraft je Fläche definiert ist. In einer Ausführungsform wird dabei der Begriff des Kontaktdrucks im Vorhergehenden und im Folgenden durchgehend durch den Begriff der „Kontaktkraft“ ersetzt. Bevorzugt weist die Datenbank zusätzlich zu jedem Wert des Kontaktdrucks einen jeweiligen Wert für eine Scherspannung als tangentiale Komponente einer auf die jeweilige Körperzone wirkenden Kraft und/oder eines wirkenden Moments auf.
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Das Ermitteln des Kontaktereignisses erfolgt bevorzugt durch eine Prädiktion, insbesondere mittels einer Simulation. Hierfür sind ständige Informationen über die Pose des Robotermanipulators, insbesondere die zukünftige Pose des Robotermanipulators, sowie eine Pose der Person, insbesondere eine zukünftige Pose der Person notwendig. Um von einer aktuellen Pose des Robotermanipulators oder der Person auf eine zukünftige Pose des Robotermanipulators bzw. der Person zu schließen, wird insbesondere ein vorgegebener Sollbewegungspfad des Robotermanipulators und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung des Robotermanipulators verwendet, um den Bewegungspfad des Robotermanipulators vorherzusagen. Ähnliches wird bevorzugt auch mit der Person durchgeführt. Im Falle der Person kann im Allgemeinen nicht von einer geplanten Bahn der Person ausgegangen werden, da erstens der Wille der Person nicht zwangsläufig bekannt ist und außerdem die Bewegungsabläufe der Person oft auch unwillentlich insbesondere per Reflex gesteuert werden können. Bevorzugt wird stattdessen eine aktuelle Pose der Person und/oder ein Bewegung der Person (insbesondere Geschwindigkeit/Beschleunigung), insbesondere durch eine Kamera, erfasst, und aus der aktuellen Pose und/oder der aktuellen Bewegung der Person auf eine mögliche künftige Pose der Person geschlossen.
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Im Falle eines aktuell erkannten Kontaktereignisses ist keine Prädiktion oder Simulation notwendig, da ein aktuelles Kontaktereignis auch über eine gängige Kollisionsdetektion, beispielsweise über die Ermittlung eines externen Kraftwinders auf Basis des in den Gelenken durch Drehmomentsensoren des Robotermanipulatoren erfassten Gelenkmomentvektors erfolgen kann.
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Unabhängig von der Art der Erkennung eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses steht über eine solche Erkennung insbesonderee auch eine Information zur Verfügung, welche der in der Datenbank definierten Körperzonen an der Person tatsächlich von dem Kontaktereignis betroffen ist bzw. sein wird. Da jede der Körperzonen gemäß den Informationen der Datenbank einen eigenen individuellen höchstzulässigen Wert von Kontaktdruck zugeordnet wird, ist damit abhängig von dem Ort des Kontaktereignisses des Robotermanipulators mit dem Körper der Person auch ein höchstzulässiger Kontaktdruck bekannt, der aus dem Kontaktereignis resultieren darf.
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Dies wird erfindungsgemäß berücksichtigt. Dafür wird eine Referenzposition definiert, die relativ zur Person, insbesondere zur Oberfläche des Körpers der Person, gedacht körperfest an der Person angeordnet ist. Diese körperfeste Referenzposition stimmt daher naturgemäß mit dem Ort auf der Oberfläche der Person überein, an dem für die Person der Kontakt des Robotermanipulators spürbar wird. Im weiteren Verlauf der Bewegung des Robotermanipulators mit einer Normalenkomponente der Bewegung ungleich null im Verhältnis zur Oberfläche des Körpers der Person erfolgt ein Eindrücken des Gewebes der Person, das die Person als Kontaktdruck wahrnimmt. Das Gewebe der Person ist naturgemäß viskos dämpfend und auch zumindest teilelastisch federnd (und unter Umständen zumindest vorübergehend in Teilen plastisch, ohne dass dies eine dauerhafte verletzungsbegründende irreversible Deformation des Gewebes darstellt).
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Erfindungsgemäß wird dabei der Robotermanipulator zumindest ab Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens des Gewebes der Person beim Kontaktereignis impedanzgeregelt angesteuert. Somit weist zum einen das Gewebe der Person federnde Elemente auf, zum anderen beinhaltet die Impedanzregelung des Robotermanipulators eine künstliche Federkomponente, die virtuell ausgehend von dem Referenzpunkt zumindest in der Komponente normal auf die Oberfläche des Körpers der Person eine zunehmende Rückstellkraft aufbaut und somit die kinetische Energie zumindest in Richtung dieser normalen Komponente abbaut.
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Die Impedanzregelung wird dabei insbesondere auf Basis der Relativposition zwischen der Referenzposition und einem vordefinierten Ort auf dem Robotermanipulator ausgeführt. Der Wert der Länge dieses Ortsvektors bestimmt dabei insbesondere die Auslenkung, durch die mit Hilfe der künstlichen Federkomponente eine auslenkungsabhängige Widerstandskraft erzeugt wird.
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Bevorzugt wird die Impedanzregelung auf Basis einer zweikanalig ermittelten Relativposition ausgehend von der aktuellen Position eines Orts auf dem Robotermanipulator relativ zur Referenzposition an der Person ausgeführt. Die Zweikanaligkeit wird dabei insbesondere durch einen robotereigenen Satz von Sensoren, u.a. insbesondere von Gelenkwinkelsensoren, einerseits und einer externen Sensoreinheit, bevorzugt einer Kameraeinheit, erhalten. Auch können zwei oder mehr Kameraeinheiten verwendet werden. Eine solche Zweikanaligkeit führt insbesondere dazu, dass zumindest aus zwei Quellen die Positionsinformationen gewonnen werden, die dann insbesondere durch eine Vergleichseinheit auf Datenkonsistenz überprüft werden. Liegt eine Inkonsistenz der beiden Quellen vor, so ist zumindest eine der Sensoreinheiten fehlerhaft, und der sichere Betrieb des Robotermanipulators kann nicht mehr gewährleistet werden. In einem solchen Fall wird bevorzugt eine Warnung ausgegeben und/oder der Betrieb des Robotermanipulators umgehend gestoppt.
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Bevorzugt dient die Referenzposition radialsymmetrisch als Nullstellung für die Impedanzregelung, insbesondere für die künstliche Federkomponente der Impedanzregelung. In diesem Fall wird von der Impedanzregelung jede Auslenkung von der Nullstellung unabhängig von der Richtung der Auslenkung gleich behandelt. Alternativ bevorzugt wird die Impedanzregelung richtungsabhängig ausgehend von der Referenzposition als Nullstellung ausgeführt, insbesondere die künstliche Federkomponente der Impedanzregelung. Bevorzugt wird dabei die künstliche Federkomponente der Impedanzregelung nur für eine Richtung normal, d. h. rechtwinklig, auf die Oberfläche der betroffenen Körperzone der Person angewendet, wobei in anderen Richtungen abseits der normalen Komponente bevorzugt die nominale Regelung angewendet wird, die der Robotermanipulator vor Anwendung der Impedanzregelung bis zum Erreichen der Referenzposition angewendet hat. Dies kann einerseits eine Impedanzregelung selbst sein, andererseits eine Kraftregelung, eine Positionsregelung, eine Admittanzregelung, oder andere im Stand der Technik bekannten Regelungsformen.
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Bevorzugt umfasst die Impedanzregelung des Robotermanipulators zusätzlich zur künstlichen Federkomponente auch eine künstliche Dämpfungskomponente, die naturgemäß per Definition eine geschwindigkeitsabhängige Widerstandskraft erzeugt.
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Außerdem wird erfindungsgemäß die vom Robotermanipulator auf die Person ausgeübte Kraft (/Druck) begrenzt, dass der höchstzulässige Wert des Kontaktdrucks für die vom Kontaktereignis betroffene Körperzone nicht überschritten wird. Dies erfolgt insbesondere innerhalb der Möglichkeiten der Bandbreite der Aktuatoren des Robotermanipulators, die typischerweise ausreichend hoch ist, um eine solche Reaktion ausreichend schnell zu gewährleisten.
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Es ist daher eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass bei einem Kontaktereignis zwischen einem Robotermanipulator und einer Person die Bewegung des Robotermanipulators zum einen federnd und insbesondere auch gedämpft abgebaut wird, sodass die Person im Falle einer Impulsübertragung nur einen weichen Stoß verspürt. Durch die Begrenzung des Kontaktdrucks durch den Robotermanipulator selbst werden außerdem vorteilhaft Verletzungen vermieden. Hat der Robotermanipulator andererseits keine kinetische Energie, sondern erfolgt die Impulsübertragung aufgrund von kinetischer Energie der Person, so ist der gleiche Effekt wie oben beschrieben vorhanden, nur dass der Robotermanipulator in gegenteiliger Richtung von seiner Nullstellung der Impedanzregelung ausgelenkt wird, wobei die federnde und insbesondere auch dämpfende Natur der Impulsübertragung dabei erhalten bleibt. Auch bei quasi-statischen Kraftübertragungen zwischen der Person und dem Robotermanipulator ist vorteilhaft für die Person ein subjektiv weicher Kontakt zum Robotermanipulator gegeben, da die Impedanzregelung einen auslenkungsabhängigen Widerstand ausgehend von der Referenzposition an der Oberfläche des Körpers der Person nach sich zieht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf:
- - Ermitteln einer Kantengeometrie desjenigen Ortes am Robotermanipulator, der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von der ermittelten Kantengeometrie ermittelt oder angepasst wird.
Bevorzugt weist die Datenbank einen Wertesatz für jede der Körperzonen auf, wobei jedes der Elemente aus dem Wertesatz einer bestimmten Kantengeometrie oder zumindest näherungsweise der Kantengeometrie desjenigen Ortes am Robotermanipulator zugeordnet ist, der in Kontakt mit der Person trifft. Vorteilhaft wird damit nicht nur die Empfindlichkeit einer Körperzone der Person berücksichtigt, sondern auch die Empfindlichkeit im Bezug auf eine Kantengeometrie, die in Kontakt mit der Körperzone tritt. So sind naturgemäß dünne, scharfe, Konturen anfälliger für das Hervorrufen einer Verletzung, selbst wenn der Kontaktdruck gegenüber einem Kontaktereignis mit einer stumpfen Oberfläche nicht erhöht ist. Alternativ bevorzugt zum Wertesatz der Datenbank wird ein fixer Wert je Körperzone aus der Datenbank abhängig von der ermittelten Kantengeometrie angepasst. Dies erfolgt bevorzugt durch Multiplikation mit einem Faktor, der den inversen Schärfegrad der Kantengeometrie widerspiegelt, sodass eine schärfere Kante mit einem höheren realen Kontaktdruck gegenüber einem konstanten höchstzulässigen Kontaktdruck assoziiert wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird bei der Ausführung der Impedanzregelung bis zum höchstzulässigen Kontaktdruck der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von einer Geschwindigkeit des mit der Person in Kontakt tretenden Ortes des Robotermanipulators relativ zur Person ermittelt oder vermindernd angepasst. Diese Ausführungsform trägt vorteilhaft dem Umstand Rechnung, dass schnelle Eindrückbewegungen des Gewebes einer Person als unangenehmer empfunden werden, als langsame. Daher wird analog der vorhergehenden Ausführungsform anstelle einer Kantengeometrie die Geschwindigkeit im Falle eines Kontaktereignisses zwischen dem Robotermanipulator und der Person berücksichtigt. Wiederum können in der Datenbank verschiedene Einträge vorhanden sein, die gemäß dieser Ausführungsform für eine endliche Menge von Geschwindigkeiten gilt, bzw. diesen angenähert wird. Alternativ dazu wird insbesondere durch einen Faktor oder eine andere Funktion der jeweils einzige Datenbankeintrag entsprechend angepasst.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das impedanzgeregelte Ansteuern des Robotermanipulators so, dass ein vorgegebener Bremsweg im Verlauf des Eindrückens von Gewebe der Person nicht überschritten wird. Der Bremsweg ist dabei insbesondere abhängig von der Impulsübertragung zwischen dem Robotermanipulator und dem Gewebe der Person und korreliert mit einer Eindrücktiefe des Robotermanipulators des Gewebes der Person. Gemäß dem Grenzwert des Bremsweges wird sichergestellt, dass das Gewebe der Person nicht über den vorgegebenen Grenzwert hinweg eingedrückt wird. Dies erfolgt insbesondere durch eine entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren des Robotermanipulators, sodass der Robotermanipulator beim Erreichen des Grenzwertes eine Rückzugsbewegung durchführt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der vorgegebene Bremsweg durch eine Prädiktion ermittelt, an welchem Abstand von der Referenzposition im Verlauf des Eindrückens von Gewebe der Person der höchstzulässige Kontaktdruck erreicht wird. Vorteilhaft stimmt daher der tatsächlich ausgeübte Kontaktdruck mit dem höchstzulässigen Kontaktdruck überein, und korreliert gleichzeitig mit dem Grenzwert im Bremsweg, sodass ein für die Person möglichst natürlich wirkendes Verhalten des Robotermanipulators im ganzen zulässigen Bereich ausgenutzt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das impedanzgeregelte Ansteuern des Robotermanipulators durch eine Impedanzregelung gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem, sodass der relative Positionsvektor zwischen dem Ort am Robotermanipulator, der in Kontakt mit der Person tritt, und der aktuellen Referenzposition an der Person als Verbindungsvektor im erdfesten Koordinatensystem ermittelt wird. Das erdfeste Koordinatensystem ist insbesondere ein kartesisches Koordinatensystem.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf:
- - Ermitteln eines Härtegrads und/oder eines E-Moduls desjenigen Ortes am Robotermanipulator, der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von dem ermittelten Härtegrad und/oder dem E-Modul ermittelt oder angepasst wird. Der Härtegrad bestimmt einen Widerstand gegenüber Eindringen eines Körpers und wird bevorzugt in der Einheit Vickers angegeben. Der E-Modul dagegen bezeichnet eine Spannungskonstante, die angibt, unter welcher Spannung welcher Dehnungsgrad im Material des Robotermanipulators auftritt. Vorteilhaft wird gemäß dieser Ausführungsform entweder über einen Wertesatz von Daten in der Datenbank oder durch Anpassung eines jeweiligen gültigen Werts aus der Datenbank, insbesondere durch Multiplizieren mit einem Faktor oder einer anderen Funktion, diese Materialeigenschaft bzw. Materialeigenschaften des Orts des Robotermanipulators, der in Kontakt mit der Person tritt, berücksichtigt, denn diese Materialeigenschaft(en) weisen einen signifikanten Einfluss darauf auf, wie das Kontaktereignis von der Person subjektiv empfunden wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf:
- - Ermitteln einer Temperatur des Bauelements mit demjenigen Ort am Robotermanipulator, der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von der ermittelten Temperatur ermittelt oder angepasst wird. Auch die Temperatur des Bauelements an demjenigen Ortes Robotermanipulators, deren Kontakt mit der Person tritt, weist einen entsprechenden Einfluss auf das subjektive Empfinden über das Kontaktereignis der Person mit dem Robotermanipulator auf. Bei extremen Temperaturen empfindet die Person das Kontaktereignis als eher unangenehm. Wiederum können verschiedene Werte in der Datenbank für eine jeweilige Körperzone für verschiedene Temperaturen abgelegt sein, oder der für jede Körperzone jeweils einzelne Wert der Datenbank wird entsprechend angepasst.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Impedanzregelung eine nichtlineare künstliche Federkomponente auf, sodass mit zunehmender Auslenkung eine überproportional mit der Auslenkung steigende Gegenkraft auf den Robotermanipulator wirkt. Da insbesondere auch das Gewebe von Menschen nichtlineare mechanische Eigenschaften aufweist (so ist Blut ein nicht Newton'sches Fluid und der Widerstand beim Eindrücken von Gewebe erhöht sich plötzlich durch das Auftreffen auf Sehnen und/oder Knochen und/oder Bänder), wird diese Eigenschaft des Körpers der Person insbesondere auch durch die Impedanzregelung widergespiegelt. Vorteilhaft wird dadurch das Verhalten des Robotermanipulators bei einem Kontaktereignis von der Person als deutlich angenehmer empfunden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuereinheit zum Steuern eines Robotermanipulators, aufweisend eine Schnittstelle zu einer Datenbank mit Körperzonen einer Person, wobei jeder der Körperzonen ein jeweiliger höchst zulässiger Wert von Kontaktdruck zugeordnet ist, und eine Recheneinheit, wobei die Recheneinheit zum Ermitteln eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses des Robotermanipulators mit der Person und Ermitteln der kontaktierten Körperzone der Person, zum Ermitteln einer relativ zur Person körperfesten Referenzposition, wobei die Referenzposition den Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens von Gewebe der Person bei dem Kontaktereignis mit der Person angibt, und zum impedanzgeregelten Ansteuern des Robotermanipulators ausgeführt ist so, dass die ermittelte Referenzposition als Nullstellung einer künstlichen Federkomponente der Impedanzregelung des Robotermanipulators dient und der höchstzulässige Kontaktdruck als Grenzwert nicht überschritten wird.
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Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen der vorgeschlagenen Steuereinheit 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 zum Steuern eines Robotermanipulators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 2 eine Steuereinheit zum Ausführen des Verfahrens nach 1.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt ein Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators 1. Das Verfahren wird auf einer Steuereinheit 3 ausgeführt. Daher können die im folgenden gezeigten Verfahrensschritte auch auf die 2 übertragen werden und die Bezugszeichen der 2 angewendet werden. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Bereitstellen S1 einer Datenbank mit Körperzonen einer Person, wobei jeder der Körperzonen ein jeweiliger höchst zulässiger Wert von Kontaktdruck zugeordnet ist,
- - Ermitteln S2 eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses des Robotermanipulators 1 mit der Person und Ermitteln der kontaktierten Körperzone der Person,
- - Ermitteln S3 einer relativ zur Person körperfesten Referenzposition, wobei die Referenzposition den Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens von Gewebe der Person bei dem Kontaktereignis mit der Person angibt,
- - Ermitteln S5 einer Kantengeometrie desjenigen Ortes am Robotermanipulator 1, der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von der ermittelten Kantengeometrie angepasst wird,
- - Ermitteln S6 eines Härtegrads und eines E-Moduls desjenigen Ortes am Robotermanipulator 1, der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von dem ermittelten Härtegrad und dem E-Modul angepasst wird, und
- - Ermitteln S7 einer Temperatur des Bauelements mit demjenigen Ort am Robotermanipulator 1, der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von der ermittelten Temperatur angepasst wird, und
- - impedanzgeregeltes Ansteuern S4 des Robotermanipulators 1 so, dass die ermittelte Referenzposition als Nullstellung einer künstlichen Federkomponente der Impedanzregelung des Robotermanipulators 1 dient und der höchstzulässige Kontaktdruck als Grenzwert nicht überschritten wird.
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2 zeigt eine Steuereinheit 3 zum Steuern eines Robotermanipulators 1, aufweisend eine Schnittstelle 5 zu einer Datenbank mit Körperzonen einer Person, wobei jeder der Körperzonen ein jeweiliger höchst zulässiger Wert von Kontaktdruck zugeordnet ist, und eine Recheneinheit 7, wobei die Recheneinheit 7 zum Ermitteln eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses des Robotermanipulators 1 mit der Person und Ermitteln der kontaktierten Körperzone der Person dient. Ferner ermittelt die Recheneinheit 7 eine relativ zur Person körperfesten Referenzposition, wobei die Referenzposition den Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens von Gewebe der Person bei dem Kontaktereignis mit der Person angibt. Dies erfolgt durch Simulation der künftigen Bewegungsabläufe durch Extrapolation der gegenwärtigen Bewegungsabläufe sowohl der Person als auch des Robotermanipulators 1. Ferner steuert die Recheneinheit 7 impedanzgeregelt den Robotermanipulator 1 so an, dass die ermittelte Referenzposition als Nullstellung einer künstlichen Federkomponente der Impedanzregelung des Robotermanipulators 1 dient und der höchstzulässige Kontaktdruck als Grenzwert nicht überschritten 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
- 3
- Steuereinheit
- 5
- Schnittstelle
- 7
- Recheneinheit
- S1
- Bereitstellen
- S2
- Ermitteln
- S3
- Ermitteln
- S4
- Ansteuern
- S5
- Ermitteln
- S6
- Ermitteln
- S7
- Ermitteln
