DE102021102509A1

DE102021102509A1 - Process for the compliant control of a robot

Info

Publication number: DE102021102509A1
Application number: DE102021102509.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Panzirsch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2022-08-04

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur nachgiebigen Regelung eines Roboters (10) mit mindestens einem Robotergelenk (IIa, 11b) für den Einsatz in einer aktiven Umgebung mit mindestens einem aktiven Element, wobei dem Roboter der Roboter eine Istpose P_t durch Folgen der vorgegebenen Sollpose P_S,t einnimmt, umfasst die Schritte:
a0) Vorgeben einer Sollpose P_S,t
a) Erkennen und bestimmen einer physischen Einwirkung des mindestens einen aktiven Elements der aktiven Umgebung auf den Roboter (10),
b) Bestimmen der physischen Einwirkung des mindestens einen aktiven Elements der aktiven Umgebung auf den Roboter (10),
c) Ändern der vorgegebenen Sollpose in Abhängigkeit von der bestimmten physischen Einwirkung,
d) Regeln des Roboters (10) durch Vorgeben der neuen geänderten Sollpose als Sollpose P_S,t.

The method according to the invention for the flexible control of a robot (10) with at least one robot joint (IIa, 11b) for use in an active environment with at least one active element, the robot giving the robot an actual pose P _t by following the specified target pose P _{S, t} includes the steps:
a0) Specification of a target pose P _S,t
a) detecting and determining a physical impact of the at least one active element of the active environment on the robot (10),
b) determining the physical impact of the at least one active element of the active environment on the robot (10),
c) changing the specified target pose depending on the determined physical impact,
d) Controlling the robot (10) by specifying the new modified target pose as target pose P _S,t .

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur nachgiebigen Regelung eines Roboters für den Einsatz in einer aktiven Umgebung.The invention relates to a method for compliance control of a robot for use in an active environment.

In klassischen Robotersimulationen wird oft angenommen, dass sich Umgebungen passiv verhalten, was nur für geschlossene statische Umgebungen gilt. Roboter, die sich ihren Arbeitsraum mit Menschen teilen, befinden sich beispielsweise in einer aktiven Umgebung. Auch Robotermanipulatoren in unbekannten Umgebungen, beispielsweise in einem Katastrophengebiet, können aktiven Elementen ausgesetzt sein, die sich ohne Einfluss des Roboters im nahen Umfeld des Roboters bewegen.In classical robot simulations, environments are often assumed to behave passively, which is only true for closed static environments. For example, robots that share their workspace with humans are in an active environment. Robot manipulators in unfamiliar surroundings, for example in a disaster area, can also be exposed to active elements that move in the immediate vicinity of the robot without the influence of the robot.

Um die Folgen von Kollisionen von Robotern mit aktiven Elementen aktiver Umgebungen, beispielsweise Menschen, abzumildern, gilt es Sicherheitsmaßnahmen zu treffen. Diese sind sowohl bei autonomen Robotern als auch bei teleoperativen Robotern wichtig, um durch Kollisionen entstehenden Schaden gering zu halten, beispielsweise wenn eine Kollision von einem Menschen zu spät wahrgenommen wird und nicht mehr zu vermeiden ist.Safety measures must be taken to mitigate the consequences of collisions between robots and active elements of active environments, such as people. These are important for both autonomous robots and teleoperative robots in order to minimize damage caused by collisions, for example if a collision is noticed by a human too late and can no longer be avoided.

Die aktuellen Sicherheitsnormen verlangen, dass ein Roboter stoppt, sobald ein Mensch in der Umgebung des Roboters erkannt wird. Je nach Masse oder maximaler Energie des Roboters müssen Menschen visuell oder mit Kraft-Momenten-Sensoren erkannt werden. Je nach Einsatzgebiet, lassen sich jedoch Menschen in unbekannten Umgebungen nicht zuverlässig erkennen, beispielsweise bei Assistenzrobotern im Gesundheitswesen. Ferner ist es je nach Einsatzgebiet für die Sicherheit von beispielsweise Menschen in der Umgebung des Roboters nicht ausreichend, wenn der Roboter stoppt, sobald eine Kollision erkannt wird. Ein bloßes Stoppen eines Roboters im Falle einer Kollision mit einem Menschen kann unter Umständen dazu führen, dass der Mensch aufgrund der Kollision stürzt und sich trotz des Stoppens des Roboters schwere Verletzungen zuzieht. Ferner verhält sich ein Roboter, der im Falle einer Kollision stoppt, im gestoppten Zustand im Allgemeinen steif, d. h. alle Robotergelenke werden, beispielsweise durch eine antriebsseitige Blockierung, arretiert und sind auch im Falle einer Kollision weitestgehend unbeweglich. Durch ein derartiges steifes Verhalten eines Roboters wird unter Umständen das Verletzungsrisiko bei Kollisionen, beispielsweise mit Menschen als aktive Elemente einer aktiven Umgebung, erhöht.Current safety standards require a robot to stop as soon as a human is detected in the robot's vicinity. Depending on the mass or maximum energy of the robot, humans must be recognized visually or with force-torque sensors. Depending on the area of application, however, people in unfamiliar surroundings cannot be reliably identified, for example in the case of assistance robots in healthcare. Furthermore, depending on the area of application, it is not sufficient for the safety of people in the vicinity of the robot, for example, if the robot stops as soon as a collision is detected. Merely stopping a robot in the event of a collision with a human can, under certain circumstances, lead to the human falling due to the collision and sustaining serious injuries despite the robot being stopped. Furthermore, a robot that stops in the event of a collision generally behaves stiffly in the stopped state, i. H. all robot joints are locked, for example by a blocking on the drive side, and are largely immobile even in the event of a collision. Such a stiff behavior of a robot may increase the risk of injury in collisions, for example with people as active elements in an active environment.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung eines Roboters bereitzustellen, durch das die Sicherheit beim Einsatz eines mit dem Verfahren geregelten Roboters in einer aktiven Umgebung verbessert ist.The object of the present invention is to provide a method for controlling a robot, which improves safety when using a robot controlled with the method in an active environment.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert.The method according to the invention is defined by the features of claim 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur nachgiebigen Regelung eines Roboters mit mindestens einem Robotergelenk für den Einsatz in einer aktiven Umgebung mit mindestens einem aktiven Element, wobei der Roboter eine Istpose P_t durch Folgen der vorgegebenen Sollpose P_S,t einnimmt, umfasst die Schritte:

a0) Vorgeben einer Sollpose P_S,t
1. a) Erkennen einer physischen Einwirkung des mindestens einen aktiven Elements der aktiven Umgebung auf den Roboter,
2. b) Bestimmen der physischen Einwirkung des mindestens einen aktiven Elements der aktiven Umgebung auf den Roboter
3. c) Ändern der vorgegebenen Sollpose in Abhängigkeit von der bestimmten physischen Einwirkung,
4. d) Regeln des Roboters durch Vorgeben der geänderten Sollpose als Sollpose Ps,t.

The method according to the invention for flexible control of a robot with at least one robot joint for use in an active environment with at least one active element, the robot assuming an actual pose P _t by following the specified target pose P _S,t , comprises the steps:

a0) Specification of a target pose P _S,t
1. a) detecting a physical impact of the at least one active element of the active environment on the robot,
2. b) determining the physical impact of the at least one active element of the active environment on the robot
3. c) changing the specified target pose depending on the determined physical impact,
4. d) Controlling the robot by specifying the changed target pose as target pose Ps,t.

Aktive Umgebungen können insbesondere unbekannte Umgebungen, beispielsweise Umgebungen im Weltraum, in Katastrophengebieten oder an abgelegenen Orten, oder Umgebungen mit sich unvorhersehbar bewegenden aktiven Elementen, beispielsweise Altenheime oder Kindertagesstätten, sein. Aktive Elemente können insbesondere Menschen, andere Roboter oder auch Tiere sein. Auch von Menschen bewegte Gegenstände, wie beispielsweise Türen, Fenster, o.ä. können aktive Elemente sein.In particular, active environments can be unfamiliar environments, for example environments in outer space, in disaster areas or in remote locations, or environments with unpredictably moving active elements, for example old people's homes or day-care centers. In particular, active elements can be people, other robots or also animals. Objects moved by people, such as doors, windows, etc., can also be active elements.

Aktive Elemente der aktiven Umgebung können physisch auf den Roboter einwirken. Im Falle des Einsatzes in einer Kindertagesstätte kann eine physische Einwirkung beispielsweise durch ein laufendes Kind als aktives Element, das während des Laufens mit dem Roboter kollidiert, erfolgen. Das Erkennen und Bestimmen einer derartigen physischen Einwirkung eines aktiven Elements auf den Roboter erfolgt in Schritten a) und b) des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Erkennen und Bestimmen einer physischen Einwirkung eines aktiven Elements kann beispielsweise über eine Kraft eines Impedanzreglers und eine Geschwindigkeit des Roboters erfolgen. Sowohl die Kraft eines Impedanzreglers als auch die Geschwindigkeit des Roboters sind Werte, die bereits bei herkömmlichen Regelungssteuerungen von Robotern bekannt sind oder zumindest ermittelbar sind. Alternativ oder zusätzlich kann das Erkennen und Bestimmen der physischen Einwirkung auch durch am Roboter angeordnete Sensoren oder durch entfernt vom Roboter angeordnete Sensoren erfolgen. Am Roboter angeordnete Sensoren können beispielsweise an Antrieben des Roboters angeordnet sein, wobei aufgrund der physischen Einwirkung in den Antrieben wirkende Kräfte gemessen werden. Vom Roboter entfernt angeordnete Sensoren können beispielsweise Bewegungssensoren im Umfeld des Roboters sein. Auch eine Strommessung in den Antrieben zur Bestimmung der physischen Einwirkung ist möglich. Eine physische Einwirkung, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erkannt wird, kann insbesondere eine physische Einwirkung sein, die den Roboter in Richtung der Einwirkung bewegt.Active elements of the active environment can physically affect the robot. In the case of use in a day care center, a physical impact can occur, for example, through a running child as an active element, which collides with the robot while running. Such a physical effect of an active element on the robot is recognized and determined in steps a) and b) of the method according to the invention. A physical effect of an active element can be detected and determined, for example, via a force of an impedance controller and a speed of the robot. Both the force of an impedance controller and the speed of the robot are values that are already known, or at least can be determined, in the case of conventional closed-loop control systems for robots. Alternatively or additionally, the detection and determination of the physical impact can also be performed by sensors arranged on the robot or by sensors arranged remotely from the robot. Sensors arranged on the robot can, for example, be attached to the drives of the Be arranged robot, due to the physical impact in the drives acting forces are measured. Sensors arranged at a distance from the robot can, for example, be movement sensors in the vicinity of the robot. A current measurement in the drives to determine the physical impact is also possible. A physical impact that is detected using the method according to the invention can in particular be a physical impact that moves the robot in the direction of the impact.

Der Roboter besitzt zu jedem Zeitpunkt eine Istpose P_t, durch die die aktuelle Position und Orientierung des Roboters definiert ist. Die Istpose P_t ist die Pose des Roboters zum Zeitpunkt t. Der Roboter nimmt die Istpose P_t durch Folgen der vorgegebenen Sollpose P_S,t ein. Dem Roboter wird zum Zeitpunkt t eine Sollpose P_S,t vorgegeben, die der Position und Orientierung entspricht, die gewünscht ist. Die Regelung erfolgt kontinuierlich. Somit können die Änderung der Istpose P_t über die Zeit als Ist-Geschwindigkeit angesehen werden und die Änderung der Sollpose P_S,t als Sollgeschwindigkeit. Aufgrund der physischen Einwirkung des mindestens einen aktiven Elements der aktiven Umgebung wird dann über die Zeit betrachtet eine Korrekturgeschwindigkeit zu der Sollgeschwindigkeit addiert und als geänderte Sollgeschwindigkeit für die Regelung verwendet.The robot has an actual pose P _t at all times, which defines the current position and orientation of the robot. The actual pose P _t is the pose of the robot at time t. The robot assumes the actual pose P _t by following the specified target pose P _S,t . At time t, the robot is given a target pose P _S,t that corresponds to the position and orientation that is desired. The regulation takes place continuously. Thus, the change in the actual pose P _t over time can be viewed as the actual speed and the change in the target pose P _S,t as the target speed. Due to the physical effect of the at least one active element of the active environment, a correction speed is then added to the target speed viewed over time and used as the changed target speed for the regulation.

Die Sollpose P_S,t kann, wenn der Roboter nicht bewegt wird, der Istpose P_t entsprechen. Beispielsweise durch einen Impedanzregler wird der Roboter in Richtung Sollpose bewegt. Die aktive Umgebung kann dabei eine physische Einwirkung auf den Roboter ausüben, die ihn von der Sollpose wegdrückt. Wird eine physische Einwirkung sensiert, wird zum Erreichen einer Nachgiebigkeit des Roboters die Sollpose des Roboters geändert, wobei die Änderung der Sollpose in Abhängigkeit und infolge der physischen Einwirkung erfolgt. Mit anderen Worten: Beim Vorliegen der physischen Einwirkung auf den Roboter wird dieser mit einer geänderten Sollpose als neue Sollpose P_S,t geregelt, die eine höhere Nachgiebigkeit bewirkt. Dadurch wird die Sicherheit beim Betrieb des Roboters zusätzlich erhöht. Wenn in Schritt a) keine physische Einwirkung erkannt wird, wird der Roboter weiter mit unveränderter Sollpose P_S,t geregelt.If the robot is not moving, the setpoint pose P _S,t can correspond to the actual pose P _t . For example, the robot is moved in the direction of the target pose by an impedance controller. The active environment can exert a physical influence on the robot that pushes it away from the target pose. If a physical impact is sensed, the target pose of the robot is changed in order to achieve compliance of the robot, with the target pose being changed as a function of and as a result of the physical impact. In other words: When the physical impact on the robot is present, it is controlled with a changed target pose as the new target pose P _S,t , which causes greater flexibility. This further increases safety when operating the robot. If no physical influence is detected in step a), the robot continues to be controlled with an unchanged target pose P _S,t .

Vorzugsweise ist nach Schritt b) Schritt b1) vorgesehen:

Überprüfen, der durch die physische Einwirkung auf den Roboter wirkende Energie und/oder Leistung, wobei
wenn die durch die physische Einwirkung auf den Roboter wirkende Energie und/oder Leistung mindestens einen vordefinierten Energieschwellenwert Es und/oder mindestens einen vordefinierten Leistungsschwellenwert L_S überschreitet, die Schritte c) und d) durchgeführt wird, und
wenn die durch die physische Einwirkung auf den Roboter wirkende Energie und/oder Leistung mindestens einen vordefinierten Energieschwellenwert Es und/oder mindestens einen vordefinierten Leistungsschwellenwert L_S nicht überschreitet oder keine physische Einwirkung erkannt wird, zu Schritt a0) zurückgekehrt wird und Verfahrensschritte erneut durchgeführt werden.

After step b), step b1) is preferably provided:

Check the energy and/or power applied to the robot by the physical impact, where
if the energy and/or power acting on the robot as a result of the physical impact exceeds at least one predefined energy threshold value Es and/or at least one predefined power threshold value L _S , steps c) and d) are carried out, and
if the energy and/or power acting on the robot as a result of the physical impact does not exceed at least one predefined energy threshold value Es and/or at least one predefined power threshold value L _S or no physical impact is detected, a return is made to step a0) and method steps are carried out again.

Somit erfolgt Schritt c) und somit ein Ändern der Sollpose des Roboters nur, wenn die durch die physische Einwirkung auf den Roboter wirkende Energie oder Leistung mindestens einen vordefinierten Energieschwellenwert Es und/oder mindestens einen vordefinierten Leistungsschwellenwert L_S überschreitet. Durch das Anpassen der Sollpose wird das Verhalten des Roboters nachgiebiger. Die physische Einwirkung kann somit, abhängig von der Implementierung des Roboters oder von der vorgesehenen Sensorik des Roboters, in Form einer Energie bzw. in Form einer Leistung sensiert werden. Das Nachgeben erfolgt nur unter der Bedingung, dass ein vordefinierter Energieschwellenwert Es bzw. ein vordefinierter Leistungsschwellenwert L_S überschritten wird, um zu vermeiden, dass der Roboter durch marginale physische Einwirkungen, beispielsweise durch Wind oder Messrauschen, in ungewünschter Weise reagiert. Wird durch die physische Einwirkung der Energieschwellenwert Es bzw. der Leistungsschwellenwert L_S überschritten, ändert der Roboter seine Sollpose P_S,t- Dabei wird die neue Sollpose P_S,t in Abhängigkeit von der Einwirkung festgelegt. Die Festlegung der neuen Sollpose kann erfolgen indem eine Roboter-Geschwindigkeit, die während der externen Leistungseinbringung, die durch die physische Einwirkung des mindestens einen aktiven Elements der aktiven Umgebung auf den Roboter hervorgerufen wird, gemessen wird, auf die Sollposition aufintegriert wird. Mit anderen Worten: In der Regelung des Roboters wird durch die physische Einwirkung, wenn deren Energie bzw. Leistung den vordefinierten Energieschwellenwert bzw. Leistungsschwellenwert überschreitet, eine neue Pose vorgegeben wodurch das durch den Roboter gebildete System nachgiebiger wird.Thus, step c) and thus a change in the target pose of the robot only occurs if the energy or power acting on the robot as a result of the physical impact exceeds at least one predefined energy threshold value Es and/or at least one predefined power threshold value L _S . Adjusting the target pose makes the robot's behavior more compliant. The physical impact can thus be sensed in the form of energy or in the form of power, depending on the implementation of the robot or on the sensors provided for the robot. Yielding occurs only under the condition that a predefined energy threshold value Es or a predefined power threshold value L _S is exceeded in order to prevent the robot from reacting in an undesired manner to marginal physical influences, for example wind or measurement noise. If the energy threshold value Es or the power threshold value L _S is exceeded as a result of the physical impact, the robot changes its setpoint pose P _S,t - the new setpoint pose P _S,t is defined as a function of the impact. The new target pose can be defined by integrating a robot speed, which is measured during the external power input caused by the physical impact of the at least one active element of the active environment on the robot, to the target position. In other words: In the regulation of the robot, a new pose is specified by the physical impact if its energy or power exceeds the predefined energy threshold or power threshold, so that the system formed by the robot becomes more flexible.

Vorzugsweise wird das Verfahren in einer Schleife ausgeführt indem die Schritte b) bis d) wiederholt werden. Dadurch kann kontinuierlich die Sollpose in Abhängigkeit von der physischen Einwirkung geändert werden. Wenn bei der Wiederholung zusätzlich Schritt b1) durchgeführt wird, kann eine Beendigung der physischen Einwirkung festgestellt werden, so dass dann zu Schritt a0) zurückgekehrt wird und die weitere Regelung ohne Änderung der Sollpose erfolgt, solange bis erneut eine physische Einwirkung erkannt wird.Preferably, the method is performed in a loop by repeating steps b) through d). This allows the target pose to be continuously changed depending on the physical impact. If step b1) is also carried out during the repetition, an end to the physical impact can be determined, so that a return is then made to step a0) and further regulation without changing the Target pose takes place until another physical impact is detected.

Bei der Wiederholung der Verfahrensschritte b) bis d) mit Schritt b1) kann der Roboter auf einfache Weise in Schritt b1) überprüfen, ob die physische Einwirkung beendet ist und wenn dies der Fall ist, die Regelung anhand der dann geltenden Sollpose P_S,t ohne weitere durch die Einwirkung bedingte Änderung der Sollpose vornehmen. Zu diesem Zwecke ist dem Roboter eine Beendigungsbedingung vorgegeben, durch die, wenn diese erfüllt ist, erkannt werden kann, dass die physische Einwirkung auf den Roboter beendet ist. Die Beendigungsbedingung kann vorliegen, wenn keine auf den Roboter wirkende Energie oder Leistung sensiert wird, oder wenn die sensierte Energie oder Leistung den mindestens einen vordefinierten Energieschwellenwert Es und/oder den mindestens einen vordefinierten Leistungsschwellenwert L_S nicht mehr überschreitet. Beispielweise, wenn ein Roboter in einer Umgebung mit starkem Wind betrieben wird und eine Kollision mit einem aktiven Element auftritt (physische Einwirkung mit einer Energie oder Leistung oberhalb des vordefinierten Energieschwellenwerts Es und/oder vordefinierten Leistungsschwellenwerts L_S), und anschließend die physische Einwirkung entfällt, soll der Roboter in den Regelbetrieb übergehen und die Beendigung der physischen Einwirkung ungeachtet der windigen Umgebung erkennen. Zu diesem Zwecke werden anderweitige physische Einwirkungen unterhalb des Energieschwellenwerts Es bzw. des Leistungsschwellenwerts L_S außer Acht gelassen (beispielsweise Wind). Auf diese Weise kann die Effizienz des Roboters in vorteilhafter Weise erhöht werden.When repeating method steps b) to d) with step b1), the robot can easily check in step b1) whether the physical action has ended and, if this is the case, control using the target pose P _S,t then applicable without making any further changes to the target pose caused by the action. For this purpose, the robot is given a termination condition which, when this is met, can be used to recognize that the physical impact on the robot has ended. The termination condition can be present when no energy or power acting on the robot is sensed, or when the sensed energy or power no longer exceeds the at least one predefined energy threshold value Es and/or the at least one predefined power threshold value L _S . For example, when a robot is operating in a strong wind environment and a collision with an active element occurs (physical impact with an energy or power above the predefined energy or power threshold Es and/or predefined power threshold L _S ), and then the physical impact is eliminated, the robot should go into regular operation and recognize the end of the physical impact regardless of the windy environment. For this purpose, other physical actions below the energy threshold Es or the power threshold L _S are ignored (e.g. wind). In this way, the efficiency of the robot can advantageously be increased.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die nachgiebige Regelung als Kraftregelung ausgebildet ist. Insbesondere kann die Kraftregelung als indirekte Kraftreglung, vorzugsweise als Impedanzregelung, ausgebildet sein. Alternativ kann die Kraftregelung als direkte Kraftreglung, vorzugsweise als Kombination einer Kraft- und Positionsregelung, ausgebildet sein.Furthermore, it can be provided that the flexible control is designed as a force control. In particular, the force control can be designed as an indirect force control, preferably as an impedance control. Alternatively, the force control can be designed as a direct force control, preferably as a combination of a force and position control.

Eine Kraftregelung ist die Regelung der Kraft, mit welcher der Roboter auf seine Umgebung einwirkt. Durch eine Kraftregelung können Beschädigungen am Roboter sowie an der Umgebung verhindert werden. Ferner kann durch eine Kraftregelung Verschleiß am Roboter verringert werden.A force control is the control of the force with which the robot acts on its environment. A force control can prevent damage to the robot and the environment. Furthermore, wear and tear on the robot can be reduced by force control.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Kraftregelung als indirekte Kraftregelung, vorzugsweise als Impedanzregelung herausgestellt. Bei einer Impedanzregelung wird die Nachgiebigkeit des Roboters, d.h. die Verknüpfung zwischen Kraft und Position bei einer physischen Einwirkung, geregelt. Die Impedanz ist dabei die Fähigkeit des Roboters, Kontaktkräften der Umgebung entgegenzuwirken.A force regulation as an indirect force regulation, preferably as an impedance regulation, has proven particularly advantageous. In the case of impedance control, the compliance of the robot, i.e. the link between force and position in the event of a physical impact, is controlled. The impedance is the ability of the robot to counteract contact forces from the environment.

Ferner hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Kraftregelung als direkte Kraftregelung, vorzugsweise als Kombination einer Kraftregelung und Positionsregelung, auszubilden. Dabei wird sowohl die Kraft als auch die Position in der Regelung berücksichtigt.Furthermore, it has proven to be advantageous to design the force control as a direct force control, preferably as a combination of a force control and a position control. Both the force and the position are taken into account in the control.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass in Schritten a) und b) das Erkennen und Bestimmen einer physischen Einwirkung auf den Roboter anhand von durch einen Impedanzregler ermittelten Kräften und einer Geschwindigkeit des Roboters erfolgt. Die Geschwindigkeit kann beispielsweise über abgeleitete Encoderwerte an Gelenken des Roboters bestimmt werden.It can also be provided that in steps a) and b) a physical effect on the robot is detected and determined using forces determined by an impedance controller and a speed of the robot. The speed can be determined, for example, via derived encoder values on the robot's joints.

Durch ein derartiges Bestimmen von physischen Einwirkungen basierend auf durch die Steuerung des Roboters ermittelten Werten kann auf kostspielige Sensorik am Roboter verzichtet werden. Das Sensieren von physischen Einwirkungen kann somit auf einfache Weise und kostengünstig realisiert werden.Such a determination of physical effects based on values determined by the controller of the robot means that expensive sensors on the robot can be dispensed with. Physical influences can thus be sensed in a simple and cost-effective manner.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt b1) das Erkennen einer Beendigung einer durch physische Einwirkung auf den Roboterverursachten Positionsänderung durch ein Erkennen der Änderung der Leistungsflussrichtung (resultierend aus Geschwindigkeit und Kraft) an einem Impedanzregler des Roboters erfolgt.It is preferably provided that in step b1) the end of a change in position caused by physical influence on the robot is recognized by recognizing the change in the power flow direction (resulting from speed and force) at an impedance controller of the robot.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass für das mindestens eine Robotergelenk oder für einen kartesischen Freiheitsgrad des Roboters ein Energieschwellenwert und/oder ein Leistungsschwellenwert vorgegeben ist, wobei in Schritt c) die Sollpose geändert wird, wenn in Schritt b1) die durch die physische Einwirkung auf den Roboter, an dem mindestens einen Robotergelenk oder in Bezug auf den kartesischen Freiheitsgrad wirkende Energie oder Leistung den Energieschwellenwert und/oder Leistungsschwellenwert des mindestens einen Robotergelenks überschreitet. Bei einem Roboter mit mehreren Robotergelenken kann jeweils ein Energieschwellenwert und/oder ein Leistungsschwellenwert entsprechend für mehrere der Robotergelenke oder für jedes Robotergelenk oder für jeden Freiheitsgrad im kartesischen Raum vorgegeben werden wobei in Schritt c) eine Änderung der Sollpose erfolgt, wenn durch die physische Einwirkung auf den Roboter, an zumindest einem der Robotergelenke oder an einem kartesischen Freiheitsgrad wirkende Energie oder Leistung den entsprechenden Energieschwellenwert und/oder Leistungsschwellenwert des mindestens einen Robotergelenks überschreitet.Provision is particularly preferably made for an energy threshold value and/or a power threshold value to be specified for the at least one robot joint or for a Cartesian degree of freedom of the robot, with the target pose being changed in step c) if in step b1) the physical impact on the Robot on which at least one robot joint or energy or power acting in relation to the Cartesian degree of freedom exceeds the energy threshold value and/or power threshold value of the at least one robot joint. In the case of a robot with several robot joints, an energy threshold value and/or a power threshold value can be specified for several of the robot joints or for each robot joint or for each degree of freedom in Cartesian space, with the target pose changing in step c) if the physical impact on the robot, energy or power acting on at least one of the robot joints or on a Cartesian degree of freedom exceeds the corresponding energy threshold value and/or power threshold value of the at least one robot joint.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass für jeweils einige oder jeden kartesischen Freiheitsgrad ein Energieschwellenwert und/oder ein Leistungsschwellenwert vorgegeben ist, wobei in Schritt c) die Sollpose bezüglich eines kartesischen Freiheitsgrads geändert wird, wenn die durch die physische Einwirkung auf den Roboter bezüglich dieses kartesischen Freiheitsgrads wirkende Energie oder Leistung den jeweiligen Energieschwellenwert und/oder Leistungsschwellenwert des jeweiligen kartesischen Freiheitsgrads überschreitet.Provision can preferably be made for an energy threshold value and/or a power threshold value to be specified for some or each Cartesian degree of freedom, with the target pose being changed in step c) with regard to a Cartesian degree of freedom if the physical impact on the robot with regard to this Cartesian degree of freedom acting energy or power exceeds the respective energy threshold value and/or power threshold value of the respective Cartesian degree of freedom.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass ein Zuweisen eines Energieschwellenwerts und/oder Leistungsschwellenwerts zu dem mindestens einen oder jedem Robotergelenk des Roboters und/oder zu jedem kartesischen Freiheitsgrad des des Roboters erfolgt, wobei die Energieschwellenwerte bzw. Leistungsschwellenwerte aus vordefinierten Energieschwellenwerten bzw. Leistungsschwellenwerten ausgewählt und zugewiesen werden.Provision can also be made for an energy threshold value and/or power threshold value to be assigned to the at least one or each robot joint of the robot and/or to each Cartesian degree of freedom of the robot, with the energy threshold values or power threshold values being selected from predefined energy threshold values or power threshold values and be assigned to.

Durch das Vorsehen verschiedener Energieschwellenwerte und/oder Leistungsschwellenwerte für einzelne Robotergelenke bzw. kartesische Freiheitsgrade des Roboters kann die Sicherheit beim Einsatz des Roboters zusätzlich erhöht werden, da zwischen von einer physischen Einwirkung stark betroffenen Gliedem und von einer physischen Einwirkung geringfügig betroffenen Gliedern unterschieden werden kann bzw. zwischen stark betroffenen kartesischen Freiheitsgraden und geringfügig betroffenen kartesischen Freiheitsgraden. Mit anderen Worten: Auf einen Roboter wirkt in der Regel nicht gleichzeitig in jede kartesischem Freiheitsgrad und/oder Gelenk eine Kraft von außen als physische Einwirkung, sodass es bereits genügt, wenn Robotergelenke, die die Position des betroffenen Teils bestimmen, nachgiebig reagieren.By providing different energy threshold values and/or power threshold values for individual robot joints or Cartesian degrees of freedom of the robot, safety when using the robot can be additionally increased, since a distinction can be made between limbs that are severely affected by a physical impact and limbs that are slightly affected by a physical impact between heavily affected Cartesian degrees of freedom and slightly affected Cartesian degrees of freedom. In other words: An external force does not usually act on a robot as a physical effect in every Cartesian degree of freedom and/or joint at the same time, so that it is sufficient if the robot joints, which determine the position of the affected part, react flexibly.

Insbesondere wenn für verschiedene kartesische Freiheitsgrade des Roboters verschiedene Energieschwellenwerte bzw. Leistungsschwellenwerte vorgesehen sind, kann die Nachgiebigkeit des Roboters besonders gezielt geregelt werden und an eine konkrete physische Einwirkung angepasst werden. Ferner hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, eine größere Anzahl vordefinierter Energieschwellenwerte bzw. Leistungsschwellenwerte vorzugeben, aus denen, beispielsweise in Abhängigkeit von der Einsatzumgebung des Roboters oder den Eigenschaften des Roboters (aktuell montiertes Werkzeug am Endeffektor o.ä.), Energieschwellenwerte bzw. Leistungsschwellenwerte ausgewählt und jedem Robotergelenk und/oder jedem kartesischen Freiheitsgrad Roboters zugewiesen werden.In particular, if different energy threshold values or power threshold values are provided for different Cartesian degrees of freedom of the robot, the flexibility of the robot can be regulated in a particularly targeted manner and adapted to a specific physical impact. Furthermore, it has proven to be particularly advantageous to specify a larger number of predefined energy threshold values or performance threshold values from which, for example depending on the operational environment of the robot or the properties of the robot (currently mounted tool on the end effector or similar), energy threshold values or performance threshold values selected and assigned to each robot joint and/or each robot Cartesian degree of freedom.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der oder die Energieschwellenwerte bzw. der oder die Leistungsschwellenwerte diskret und/oder kontinuierlich änderbar sind.Provision is preferably made for the energy threshold value(s) or the power threshold value(s) to be changeable discretely and/or continuously.

Insbesondere in Umgebungen mit Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Wind, hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, Energieschwellenwerte bzw. Leistungsschwellenwerte diskret und/oder kontinuierlich änderbar vorzusehen. So kann beispielsweise durch einen am Roboter oder entfernt vom Roboter angeordneten Windgeschwindigkeitssensor eine wirkende Windgeschwindigkeit in Echtzeit gemessen werden, wobei die Energieschwellenwerte bzw. Leistungsschwellenwerte an die gemessene Windgeschwindigkeit anpassbar sind. Dadurch werden Fehlfunktionen des Roboters vermieden und die Zuverlässigkeit und Effizienz des Verfahrens erhöht.Particularly in environments with environmental influences, such as wind, it has proven particularly advantageous to provide energy threshold values or power threshold values that can be changed discretely and/or continuously. For example, an effective wind speed can be measured in real time by a wind speed sensor arranged on the robot or at a distance from the robot, with the energy threshold values or power threshold values being adaptable to the measured wind speed. This avoids malfunctions of the robot and increases the reliability and efficiency of the process.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass die nachgiebige Regelung unter anderem auch in einzelnen oder mehreren Gelenken oder kartesischen Richtungen aktivierbar und deaktivierbar ist, wobei bei deaktivierter nachgiebiger Regelung, der Roboter steif bzw. rein über einen Impedanzregler geregelt ist.It can also be provided that the flexible control can also be activated and deactivated in one or more joints or Cartesian directions, with the robot being controlled rigidly or purely via an impedance controller when the flexible control is deactivated.

Durch die Aktivierbarkeit bzw. Deaktivierbarkeit der nachgiebigen Regelung kann der Roboter in vorteilhafter Weise an die Umgebung, in der der Roboter eingesetzt wird, angepasst werden. Wird der Roboter beispielsweise in einer passiven Umgebung betrieben, kann die Ausführung des Verfahrens deaktiviert werden, um die Effizienz des Roboters zu erhöhen.Because the flexible control can be activated or deactivated, the robot can advantageously be adapted to the environment in which the robot is used. For example, if the robot is operated in a passive environment, the execution of the method can be disabled to increase the efficiency of the robot.

Das Verfahren kann ferner eine Korrektur des Einflusses der Schwerkraft umfassen.The method may further include correcting for the influence of gravity.

Die Gewichtskraft der Glieder des Roboters infolge der einwirkenden Schwerkraft sollte nicht zu einer fehlerhaften Detektion einer physischen Einwirkung führen. Daher ist eine Korrektur der Wirkung der Schwerkraft, wenn der Roboter in einer Umgebung mit Schwerkraft eingesetzt wird, von Vorteil.The weight of the robot's limbs due to the applied gravity should not result in erroneous detection of a physical impact. Therefore, correction for the effect of gravity is beneficial when the robot is used in a gravity environment.

Der erfindungsgemäße Roboter weist eine Regelvorrichtung auf, wobei die Regelvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung eingerichtet ist.The robot according to the invention has a control device, the control device being set up to carry out a method according to the present invention.

Vorzugsweise ist der Roboter ein teleoperierter Roboter. Alternativ ist der Roboter ein autonomer Roboter.Preferably the robot is a teleoperated robot. Alternatively, the robot is an autonomous robot.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Figuren näher erläutert.The method according to the invention is explained in more detail below with reference to figures.

Es zeigen:

1a und 1b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Roboters in einer aktiven Umgebung, und
2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Show it:

1a and 1b a schematic representation of a robot according to the invention in an active environment, and
2 a flowchart of the method according to the invention.

In den 1a und 1b ist jeweils ein Roboter 10 mit Robotergelenken 11a, 11b und Robotergliedern 12a, 12b und einem Endeffektor 13 dargestellt. Ferner bildet ein Mensch ein aktives Element 20 einer aktiven Umgebung, in der sich der Roboter 10 befindet. Der Roboter 10 weist eine Istpose P_t zum Zeitpunkt t auf, die durch die Position und Orientierung des Roboters 10 festgelegt ist. Mit anderen Worten: Die Istpose P_t umfasst die Position des Endeffektors 13 sowie die Stellung der einzelnen Robotergelenke 11a, 11b und Roboterglieder 12a, 12b. Ferner ist dem Roboter 10 jeweils eine Sollpose 14 vorgegeben. Die vorgegebene Sollpose 14 ist diejenige Pose, in die der Roboter 10 ausgehend von seiner Istpose P_t wechseln soll und umfasst unter anderem eine Änderung der Position des Endeffektors 13 in x-Richtung um Δx und in z-Richtung um Δz unter der Annahme eines zweidimensionalen Koordinatensystems, wie in den 1a und 1b schematisch dargestellt. Zum Erreichen der Sollposition 14 wird der Endeffektor in die entsprechenden Richtungen bewegt.In the 1a and 1b a robot 10 with robot joints 11a, 11b and robot limbs 12a, 12b and an end effector 13 is shown in each case. Furthermore, a human forms an active element 20 of an active environment in which the robot 10 is located. The robot 10 has an actual pose P _t at time t that is defined by the position and orientation of the robot 10 . In other words: the actual pose P _t includes the position of the end effector 13 and the position of the individual robot joints 11a, 11b and robot limbs 12a, 12b. Furthermore, a target pose 14 is specified for the robot 10 in each case. The specified target pose 14 is the pose into which the robot 10 should change based on its actual pose P _t and includes, among other things, a change in the position of the end effector 13 in the x-direction by Δx and in the z-direction by Δz, assuming a two-dimensional one coordinate system, as in the 1a and 1b shown schematically. To reach the target position 14, the end effector is moved in the appropriate directions.

Das aktive Element 20 bewegt sich mit einer Geschwindigkeit v, wie in 1a ersichtlich, in Richtung des Roboters 10 und kollidiert mit dem Endeffektor 13 des Roboters 10. Der Roboter 10 sensiert die Kollision als physische Einwirkung eines aktiven Elements 20 über eine Kraft eines nicht dargestellten Impedanzreglers und der Geschwindigkeit der Einwirkung. In Bezug auf die physische Einwirkung soll der Roboter 10 nachgiebig reagieren, sobald der Leistungsfluss aus der Umgebung zu einer Bewegung des Roboters in gleicher Richtung führt. Zum Nachgeben des Roboters 10 wird die Sollpose 14 infolge der physischen Einwirkung zu einer neuen Sollpose 14' entsprechend der aus der Einwirkung der Umgebung resultierenden Bewegung verändert, wie in 1b dargestellt ist. Dadurch folgt die Istpose P_t des Roboters der neuen Sollpose 14' des Roboters 10. Die Änderung der Sollpose bewirkt, dass eine Änderung der Position des Endeffektors 13, die erforderlich ist, um die Sollpose 14' zu erreichen, nun in x-Richtung Δx' und in z-Richtung Δz beträgt. Dadurch wird die Kraft des Roboters für die Veränderung der Position des Endeffektors 13 und somit die Nachgiebigkeit des Roboters verändert wird. Die Änderung der Sollpose erfolgt in Abhängigkeit der physischen Einwirkung. Für die Robustheit der Regelung ist es von Vorteil, wenn die durch die physische Einwirkung auf den Roboter 10 wirkende Energie und/oder Leistung mit einem vordefinierten Energieschwellenwert Es und/oder vordefinierten Leistungsschwellenwert L_S verglichen wird und nur bei Überschreitung des oder der Schwellenwerte die Änderung der Sollpose erfolgt.The active element 20 moves with a speed v, as in FIG 1a evident, in the direction of the robot 10 and collides with the end effector 13 of the robot 10. The robot 10 senses the collision as a physical impact of an active element 20 via a force of an impedance controller, not shown, and the speed of the impact. In terms of physical impact, the robot 10 should respond compliantly as soon as the flow of power from the environment causes the robot to move in the same direction. In order to yield the robot 10, the target pose 14 is changed as a result of the physical impact to a new target pose 14' corresponding to the movement resulting from the impact of the environment, as in FIG 1b is shown. As a result, the actual pose P _t of the robot follows the new target pose 14' of the robot 10. Changing the target pose causes a change in the position of the end effector 13, which is required to reach the target pose 14', now in the x-direction Δx ' and in the z-direction is Δz. As a result, the force of the robot for changing the position of the end effector 13 and thus the flexibility of the robot is changed. The target pose is changed depending on the physical impact. It is advantageous for the robustness of the control if the energy and/or power acting on the robot 10 as a result of the physical influence is compared with a predefined energy threshold value Es and/or predefined power threshold value L _S and the change is made only when the threshold value or values are exceeded the target pose takes place.

Das Ablaufdiagramm in 2 zeigt die erfindungsgemäße nachgiebige Regelung. Der Roboter 10 wird zu Beginn steif geregelt, in dem die Istpose P_t mittels einer vorgegebenen Sollpose P_S,t zum Zeitpunkt t folgt (Schritt S101). Wird eine physische Einwirkung sensiert (Schritt S102), erfolgt eine Überprüfung, ob die Energie oder Leistung der sensierten physischen Einwirkung größer als ein vordefinierter Energieschwellenwert Es bzw. größer als ein vordefinierter Leistungsschwellenwert L_S ist (Schritt S103). Wird in Schritt S102 oder Schritt S103 keine physische Einwirkung sensiert bzw. festgestellt, dass die Energie oder Leistung der sensierten physischen Einwirkung kleiner oder gleich einem vordefinierten Energieschwellenwert Es bzw. einem vordefinierten Leistungsschwellenwert L_S ist, wird das Verfahren nach dem Ausführungsbeispiel der 2 mit Schritt S101 fortgesetzt und es erfolgt weiterhin eine steife Regelung anhand der ursprünglichen Sollpose P_S,t. Diese Regelung erfolgt solange keine oder nur eine geringe physische Einwirkung (kleiner als der vordefinierten Energieschwellenwert Es bzw. einem vordefinierten Leistungsschwellenwert L_S) festgestellt wird.The flow chart in 2 shows the flexible control according to the invention. At the beginning, the robot 10 is rigidly controlled, in that the actual pose P _t follows by means of a predetermined setpoint pose P _S,t at the time t (step S101). If a physical impact is sensed (step S102), a check is made as to whether the energy or power of the sensed physical impact is greater than a predefined energy threshold value Es or greater than a predefined power threshold value L _S (step S103). If no physical impact is sensed in step S102 or step S103 or it is determined that the energy or power of the sensed physical impact is less than or equal to a predefined energy threshold value Es or a predefined power threshold value L _S , the method according to the exemplary embodiment of 2 continues with step S101 and there is still a stiff control based on the original target pose P _S,t . This regulation takes place as long as no or only a small physical impact (smaller than the predefined energy threshold value Es or a predefined power threshold value L _S ) is detected.

Ist eine physische Einwirkung sensiert worden und die Energie oder Leistung der sensierten physischen Einwirkung größer als der vordefinierte Energieschwellenwert bzw. größer als der vordefinierte Leistungsschwellenwert L_S, soll eine Nachgiebigkeit des Roboters 10 erfolgen, wobei die Sollpose zu einer neuen Sollpose P_S,t geändert wird (Schritt S104). Die Änderung der Sollpose erfolgt in Abhängigkeit von der physischen Einwirkung. Anschließend erfolgt die Regelung des Roboters anhand der geänderten Sollpose P_S,t (Schritt S105). If a physical impact has been sensed and the energy or power of the sensed physical impact is greater than the predefined energy threshold or greater than the predefined power threshold L _S , a compliance of the robot 10 should take place, with the target pose being changed to a new target pose P _S,t (step S104). The target pose is changed depending on the physical impact. The robot is then controlled based on the changed setpoint pose P _S,t (step S105).

Das Erkennen und Bestimmen der physischen Einwirkung kann grundsätzlich über einen Impedanzregler erfolgen, in dem die Kraft und Geschwindigkeit des Roboters bestimmt wird. Selbstverständlich sind auch andere Varianten denkbar, wie besipielsweise zusätzliche Sensoren oder eine Strommessung in den Antrieben des Roboters.In principle, the physical impact can be recognized and determined using an impedance controller, in which the force and speed of the robot are determined. Of course, other variants are also conceivable, such as additional sensors or current measurement in the drives of the robot.

Claims

Method for the flexible control of a robot (10) with at least one robot joint (IIa, 11b) for use in an active environment with at least one active element, wherein the robot (10) has an actual pose P _t by following the predetermined target pose P _S,t occupies, with the steps: a0) specifying a target pose P _S,t , a) detecting and determining a physical effect of the at least one active element of active environment on the robot (10), b) determining the physical impact of the at least one active element of the active environment on the robot (10), c) changing the specified target pose depending on the determined physical impact, d) controlling the robot ( 10) by specifying the changed target pose as target pose P _S,t .

procedure after claim 1 , characterized by step b1) after step b): checking the energy and/or power acting on the robot (10) by the physical action, wherein if the energy and/or power acting on the robot (10) by the physical action Power exceeds at least one predefined energy threshold value Es and/or at least one predefined power threshold value L _S , steps c) and d) are carried out, and if the energy and/or power acting on the robot (10) through the physical action has at least one predefined energy threshold value It and/or does not exceed at least one predefined power threshold value L _S or no physical impact is detected, returning to step a0).

procedure after claim 1 or 2 , characterized by a repetition of steps b) to d).

Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the flexible control is designed as a force control.

procedure after claim 4 , characterized in that the force control is designed as an indirect force control, preferably as an impedance control.

procedure after claim 4 , characterized in that the force control is designed as a direct force control, preferably as a combination of a force and position control.

Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that in steps a) and b) the detection and determination of a physical effect on the robot (10) takes place using forces determined by an impedance controller and a speed of the robot (10).

Procedure according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that an energy threshold value and/or a power threshold value is specified for the at least one robot joint (IIa, 11b) or for a Cartesian degree of freedom of the robot (10), the target pose being changed in step c) if in step b1) the energy or power acting on the robot (10), on the at least one robot joint (IIa, 11b) or in relation to the Cartesian degree of freedom, exceeds the energy threshold value and/or power threshold value of the at least one robot joint (IIa, 11b).

Procedure according to one of claims 2 until 8th , characterized in that the energy threshold value(s) or the power threshold value(s) can be changed discretely and/or continuously.

Robot (10) with a control device, wherein the control device for carrying out a method according to one of Claims 1 until 9 is set up.

robot after claim 10 , characterized in that the robot is a teleoperated robot.

robot after claim 10 , characterized in that the robot is an autonomous robot.

robot after one of the Claims 10 until 12 , wherein the flexible control can be activated and deactivated.