DE102021108417B3 - Ermitteln eines externen Kraftwinders an einem Robotermanipulator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Robotermanipulator (1) mit einer Recheneinheit (3) und mit einer Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern, wobei die Gelenke jeweils einen Drehmomentsensor (5) und einen Positionssensor (7) aufweisen, wobei die Recheneinheit (3) dazu ausgeführt ist, aus den Gelenkwinkeln eine invertierte Jacobimatrix zu berechnen und aus der Multiplikation dieser mit einem Vektor aus Gelenkmomenten einen vektoriellen externen Kraftwinder zu berechnen, wobei der Robotermanipulator (1) einen zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensor (9) aufweist und die Recheneinheit (3) dazu ausgeführt ist, einen modifizierten vektoriellen externen Kraftwinder zu ermitteln, indem ein jeweiliger entsprechender Eintrag des vektoriellen externen Kraftwinders durch die/das vom zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensor (9) erfasste Kraft und/oder Moment ersetzt wird oder mit der/dem vom zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensor (9) erfasste/n Kraft und/oder Moment in Datenfusion kombiniert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Robotermanipulator mit einer Recheneinheit, sowie ein Verfahren, jeweils zum Ermitteln eines modifizierten vektoriellen externen Kraftwinders an einem solchen Robotermanipulator.
• Die DE 10 2019 134 666 A1 aus dem Stand der Technik betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines virtuellen Kraftsensors eines Robotermanipulators, wobei der virtuelle Kraftsensor zum Ermitteln eines auf den Robotermanipulator wirkenden externen Kraftwinders auf Basis von durch Drehmomentsensoren in Gelenken des Robotermanipulators ermittelten Momenten dient, wobei der Robotermanipulator in eine Vielzahl von Posen verfahren oder manuell geführt wird und in jeder der Posen die folgenden Schritte ausgeführt werden: Aufbringen eines jeweiligen vorgegebenen externen Kraftwinders auf den Robotermanipulator, Ermitteln einer Schätzung des externen Kraftwinders auf Basis einer Inversen oder Pseudoinversen der Transponierten der für die aktuelle Pose geltenden Jacobimatrix und auf Basis eines Vektors externer Drehmomente, wobei der Vektor externer Drehmomente auf Basis der durch die Drehmomentsensoren in den Gelenken des Robotermanipulators ermittelten Momente und auf Basis von auf den Robotermanipulator wirkenden erwarteten Momenten ermittelt wird, Ermitteln einer jeweiligen ersten Kalibrierungsmatrix auf Basis der ermittelten Schätzung des externen Kraftwinders und auf Basis des vorgegebenen externen Kraftwinders, Ermitteln einer jeweiligen zweiten Kalibrierungsmatrix durch Invertieren der ersten Kalibrierungsmatrix, wobei die zweite Kalibrierungsmatrix zum Anpassen eines im späteren Betrieb aktuell ermittelten externen Kraftwinders dient, und Abspeichern der jeweiligen zweiten Kalibrierungsmatrix in einen Datensatz aller zweiten Kalibrierungsmatritzen unter Zuordnung der jeweiligen zweiten Kalibrierungsmatrix zu der jeweiligen Pose, für die die jeweilige zweite Kalibrierungsmatrix ermittelt wurde.
• Die DE 10 2019 128 591 A1 betrifft ferner ein Verfahren zum Vorgeben und Ausführen eines Kommandos an einem Robotermanipulator durch einen Anwender, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist, aufweisend die Schritte: Ermitteln eines externen Drehmomentvektors auf Basis von durch Drehmomentsensoren an den Gelenken ermittelten Gelenkmomenten, wobei der externe Drehmomentvektor einen Vektor von Momenten an den Gelenken angibt, die mit einer extern, insbesondere vom Anwender, auf den Robotermanipulator aufgebrachten Kraft und/oder Moment korrelieren, Ermitteln eines Gelenkwinkelvektors des Robotermanipulators und Ermitteln einer von dem Gelenkwinkelvektor abhängigen Jacobimatrix, Vergleichen des externen Drehmomentvektors mit einem oder mehreren Vergleichstermen, wobei der jeweilige Vergleichsterm auf Basis einer Matrixmultiplikation der Transponierten der Jacobimatrix mit einer jeweiligen konstanten Vorgabe ermittelt wird, und wobei einem jeweiligen Ergebnis des Vergleichs ein jeweiliges Kommando für den Robotermanipulator durch eine vordefinierte Vermittlungsfunktion zugeordnet ist, und Ausführen des dem jeweiligen Ergebnis zugeordneten Kommandos durch Ansteuern des Robotermanipulators durch eine Steuereinheit.
• Die DE 10 2019 118 263 B3 betrifft außerdem ein Verfahren zum Ausgeben einer Information über eine von einer aktuellen Pose eines Robotermanipulators abhängige Güte einer durch einen oder mehrere Momentensensoren des Robotermanipulators erfassten oder erfassbaren Kraft und/oder Moments, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist, aufweisend die Schritte: Ermitteln von aktuellen Gelenkwinkeln des Robotermanipulators durch Gelenkwinkelsensoren des Robotermanipulators, Ermitteln einer zu den aktuellen Gelenkwinkeln zugehörigen Jacobimatrix, Ermitteln einer Pseudoinversen der transponierten Jacobimatrix, für jede Zeile der Pseudoinversen: Ermitteln eines Maßes auf Basis der Beträge der Komponenten der jeweiligen Zeile der Pseudoinversen, Bewerten zumindest einer jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung abhängig von der Höhe des Maßes zumindest einer jeweiligen Zeile der Pseudoinversen, wobei jeder Zeile der Pseudoinversen entweder eine Kraftrichtung oder eine Referenzrichtung zugeordnet ist, und Ausgeben einer Information über die jeweilige Bewertung der jeweiligen Kraftrichtung und/oder Referenzrichtung an einer Ausgabeeinheit.
• Die DE 10 2019 111 168 B3 betrifft darüber hinaus ein Robotersystem aufweisend einen Robotermanipulator, eine Recheneinheit und eine Anzeigeeinheit, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Glieder aufweist und die Gelenke jeweils einen Drehmomentsensor und einen Positionssensor aufweisen, wobei der jeweilige Drehmomentsensor einen Messbereich mit einer unteren Grenze und einer oberen Grenze aufweist und zum Erfassen eines jeweiligen Moments und zum Übermitteln des jeweiligen Moments an die Recheneinheit ausgeführt ist und der jeweilige Positionssensor zum Erfassen eines jeweiligen Gelenkwinkels und zum Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit ausgeführt ist, wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, für zumindest einen ausgewählten Drehmomentsensor auf Basis der unteren Grenze und der oberen Grenze des Messbereiches des ausgewählten Drehmomentsensors, des erfassten oder theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Drehmomentsensor, der zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator ermittelten Gelenkwinkel, zumindest eine Komponente eines dem ausgewählten Drehmomentsensor zugeordneten externen Kraftwinders zu ermitteln, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem ausgewählten Drehmomentsensor erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, und wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, die zumindest eine Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit zum visuellen Ausgeben zu übermitteln.
• Die DE 20 2019 102 430 U1 betrifft schließlich ein Robotersystem aufweisend einen Robotermanipulator und eine mit dem Robotermanipulator verbundene Recheneinheit, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist und wobei ein jeweiliges der Gelenke einen Drehmomentsensor aufweist, wobei der jeweilige Drehmomentsensor zum Erfassen eines jeweiligen Moments zwischen den jeweiligen beiden am jeweiligen Gelenk anliegenden Gliedern des Robotermanipulators und zum Übermitteln des jeweiligen erfassten Moments an die Recheneinheit ausgeführt ist, wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist: einen Vektor aus den erfassten Momenten mit erwarteten Momenten zu einem Vektor aus externen Momenten zu kompensieren, eine vorgegebene Jacobimatrix zu faktorisieren und unterhalb eines vorgegebenen Invertierbarkeitsmaßes liegende Elemente aus zumindest einem der Faktoren zu identifizieren, die identifizierten Elemente des zumindest einen Faktors auf einen vorgegebenen Wert zu setzen zum Erzeugen von modifizierten Faktoren, aus den modifizierten Faktoren eine modifizierte Pseudoinverse einer Transponierten der Jacobimatrix zu ermitteln, den Vektor der externen Momente mittels der modifizierten Pseudoinversen in einen Vektor eines externen Kraftwinders zu transformieren, und ein Steuerprogramm auf Basis des externen Kraftwinders auszuführen und Aktuatoren des Robotermanipulators anhand des Steuerprogramms anzusteuern.
• Die DE 10 2018 214 257 B3 betrifft dazu ein Verfahren zur Regelung eines Roboters, wobei wenigstens ein Gelenkregler zur Verstellung eines Gelenks des Roboters auf Basis einer Pose des Roboters und einer vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung wenigstens eines kartesischen Freiheitsgrades einer roboterfesten Referenz verstellt wird, wobei die Kraft- und Positions-Gewichtung mithilfe wenigstens einer Selektionsmatrix vorgegeben ist, wobei wenigstens eine Selektionsmatrix für eine Positions-Gewichtung und eine Selektionsmatrix für eine Kraft-Gewichtung vorgegeben ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Genauigkeit der Ermittlung eines externen Kraftwinders an einem Robotermanipulator ohne große damit verbundene Kostensteigerungen zu verbessern.
• Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Robotermanipulator mit einer Recheneinheit und mit einer Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern, wobei die Gelenke jeweils einen Drehmomentsensor und einen Positionssensor aufweisen, wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, aus den durch die Positionssensoren erfassten aktuellen Gelenkwinkeln eine invertierte Jacobimatrix zu berechnen und aus der Multiplikation der invertierten Jacobimatrix mit einem Vektor aus den durch die Drehmomentsensoren erfassten aktuellen Gelenkmomenten einen vektoriellen externen Kraftwinder zu berechnen, wobei der Robotermanipulator einen zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensor aufweist und die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, einen modifizierten vektoriellen externen Kraftwinder zu ermitteln, indem ein jeweiliger entsprechender Eintrag des vektoriellen externen Kraftwinders durch die/das vom zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensor erfasste Kraft und/oder Moment ersetzt wird oder mit der/dem vom zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensor erfasste/n Kraft und/oder Moment in Datenfusion kombiniert wird.
• Der externe Kraftwinder gibt an, welche externen Kräfte und/oder Momente auf den Robotermanipulator wirken. Davon ausgenommen ist insbesondere die Schwerkraft sowie Trägheitskräfte. Ein externer Kraftwinder ist beispielsweise dann ungleich null, wenn der Robotermanipulator gegen ein Objekt in der Umgebung des Robotermanipulators drückt.
• Die Recheneinheit ist in jedem Fall mit den jeweiligen Drehmomentsensoren und Positionssensoren verbunden und erhält von diesen Sensoren kontinuierlich einen Datenstrom mit den aktuellen Messwerten oder modifizierten Messwerten. Modifizierte Messwerte werden dann von den jeweiligen Sensoren erhalten, wenn ein jeweiliger Sensor beispielsweise bereits einen Frequenzfilter auf die rohen Sensordaten anwendet. Nicht notwendigerweise ist jedoch die Recheneinheit am Robotermanipulator selbst angeordnet, kann dies jedoch sein. Bevorzugt ist die Recheneinheit in einer Basis des Robotermanipulators oder physisch unweit der Basis angeordnet und mit der Basis des Robotermanipulators verbunden.
• Die invertierte Jacobimatrix ist als Pseudoinvertierte der Jacobimatrix dann zu berechnen, wenn ein Robotermanipulator mit redundanten Freiheitsgraden verwendet wird. Dann können sich insbesondere die Glieder des Robotermanipulators in einem Nullraum so bewegen, sodass zwar die Pose des Robotermanipulators verändert wird, nicht aber insbesondere eine Position des Endeffektors des Robotermanipulators.
• In jedem Fall wird im obigen und im folgenden Text vereinfacht auch dann nur die Invertierte der Jacobimatrix als Begriff verwendet, auch wenn die Invertierte der Transponierten der Jacobimatrix anzuwenden ist. Da die Transposition der Jacobimatrix jedoch keinen eigentlichen Rechenschritt darstellt sondern lediglich von Konvention abhängig ist, wird darauf nicht an jeder Stelle speziell eingegangen.
• Die Jacobimatrix ist unmittelbar eine Funktion von einer aktuellen Pose des Robotermanipulators, das heißt von den Gelenkwinkeln. Für jeden aktuellen Zustand des Robotermanipulators kann eine aktuelle Jacobimatrix berechnet werden und damit eine invertierte Jacobimatrix.
• Durch eine Matrix-Vektor Multiplikation der Invertierten der Transponierten der Jacobimatrix mit dem Vektor aus den zugehörigen Gelenkmomenten, die von den Drehmomenten so erfasst werden, wird der externe Kraftwinder erhalten.
• Der externe Kraftwinder weist insbesondere sechs Komponenten auf, wovon die ersten drei Komponenten Kräfte in einem kartesischen Koordinatensystem angeben und wovon die weiteren drei Komponenten Momente um die Achsen des kartesischen Koordinatensystems angeben.
• Um einen solchen externen Kraftwinder mit einem bestimmten Bezugspunkt am Robotermanipulator zu ermitteln, ist die (Pseudo-)inverse der transformierten Jacobimatrix erforderlich. Aus der bekannten Geometrie der Glieder des Robotermanipulators sowie dem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator und den ermittelten Gelenkwinkeln ist eine jeweils aktuelle Jacobimatrix ermittelbar. Die Pseudoinverse (anstelle der Inversen selbst) der Jacobimatrix ist insbesondere dann erforderlich, wenn es sich bei dem Robotermanipulator um einen redundanten Robotermanipulator handelt, das heißt, dass zumindest zwei der die Glieder verbindenden Gelenke zueinander redundante Freiheitsgrade aufweisen. In einem redundanten Robotermanipulator können insbesondere Glieder des Robotermanipulators bewegt werden, ohne dass sich eine Orientierung und eine Position des Endeffektors des Robotermanipulators bewegen würde. Die Jacobimatrix verknüpft grundsätzlich die Winkelgeschwindigkeiten an den Gelenken zu der translatorischen und rotatorischen Geschwindigkeit an einem beliebigen Punkt, insbesondere dem Endeffektor des Robotermanipulators. Prinzipiell ist es jedoch unerheblich, ob tatsächlich Geschwindigkeiten betrachtet werden; so kann die Jacobimatrix auch für den Zusammenhang zwischen den Momenten an den Gelenken und den Kräften und Momenten an dem Bezugspunkt verwendet werden.
• Die Transponierte der Jacobimatrix J , nämlich J^T , vermittelt zwischen dem externen Kraftwinder F_ext zu dem möglichen Zusatzmoment τ im Gelenkraum wie folgt: $$\tau =J^T{F}_{ext}$$

  

  Nach Umstellung dieser Gleichung mit Hilfe der Pseudoinversen der Transponierten von J (welche sich für einen nicht-redundanten Robotermanipulator auf die analytisch berechenbare „Inverse“ reduziert) bezeichnet als (J^T)^# , gilt: $$F_{ext}={\left(J^T\right)}^{\#}\tau$$

  

  Der externe Kraftwinder ist grundsätzlich nur für seinen Bezugspunkt gültig. Der Bezugspunkt bestimmt unmittelbar die Komponenten der Jacobimatrix. Bevorzugt ist der Bezugspunkt auf ein Endeffektorkoordinatensystem, insbesondere dessen Ursprung, bezogen. Ein Ursprung eines Endeffektorkoordinatensystems als Bezugspunkt weist insbesondere den Vorteil auf, dass die zumindest eine Komponente des externen Kraftwinders mit Bezug auf den Endeffektor ermittelt werden. Mit einer entsprechenden Koordinatensystemtransformation zur Notation des externen Kraftwinders ebenfalls in das Endeffektorkoordinatensystem wird ein externer Kraftwinder erhalten.
• Die Genauigkeit der Komponenten des ermittelten externen Kraftwinders ist daher limitiert durch die Genauigkeit der Werte der Drehmomentsensoren sowie der Positionssensoren. Besonders in singulären Posen des Robotermanipulators oder bei anderen Störungen können hier auch größere Fehler im ermittelten Vektor des externen Kraftwinders auftreten.
• Indem erfindungsgemäß ein modifizierter vektorieller Kraftwinder ermittelt wird, kann die ermittelte externe Kraft und/oder das ermittelte externe Moment in bestimmten Richtungen (Komponenten des Kraftwinders), die für eine gewisse Anwendung oder Gruppe von Anwendungen am wichtigsten sind, verbessert werden. Hierzu wird eine unmittelbare Messung eines zusätzlichen, am Robotermanipulator angeordneten, Kraft- und/oder Drehmomentsensors verwendet. Die zusätzliche Messung kann wiederum wie oben beschrieben bereits im zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensor elementar aufbereitet werden, beispielsweise durch einen Frequenzfilter oder Rauschunterdrückung. Einerseits kann dabei die unmittelbare Messung die mithilfe der Jacobimatrix erhaltene Schätzung durch Ersetzen einer jeweiligen Komponente verbessern, alternativ dazu ist es möglich, dass die unmittelbare Messung durch Datenfusion als Ergänzung zur Schätzung auf Basis der Jacobimatrix dient.
• Es ist daher eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass die Schätzung des externen Kraftwinders auf Basis der Gelenkwinkel und auf Basis der Drehmomente an den Gelenken in Richtungen von besonders hohem Interesse für die Bestimmung eines externen Kraftvektors oder eines externen Momentenvektors verbessert wird. Während zusätzliche Kraft- und/oder Momenten-Sensoren grundsätzlich sehr teuer sind, muss durch den beschriebenen Aufbau nur in sehr wenigen Richtungen eine zusätzliche Kraft- und/oder Momentenmessung vorliegen, um die Schätzung des externen Kraftwinders wesentlich zu verbessern. Ein solcher modifizierter vektorieller externer Kraftwinder kann dann für eine Vielzahl weiterer Funktionen verwendet werden, insbesondere eine Kollisionsdetektion, eine Kraftregelung, eine Impedanzregelung und vieles mehr.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist am Robotermanipulator genau ein zusätzlicher Kraft- und/oder Drehmomentsensor angeordnet.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der zusätzliche Kraft- und/oder Drehmomentsensor dazu ausgeführt, höchstens eine Kraft und höchstens ein Moment zu erfassen. Beispielsweise ist der zusätzliche Kraft- und/oder Drehmomentsensor dazu ausgeführt, nur eine Kraft in Vortriebsrichtung des Endeffektors zu ermitteln. Alternativ dazu ist beispielsweise der zusätzliche Kraft- und/oder Drehmomentsensor dazu ausgeführt, nur ein Moment um eine Vortriebsrichtung des Endeffektors zu ermitteln.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der zusätzliche Kraft- und/oder Drehmomentsensor an einem Endeffektor oder an einer Basis des Robotermanipulators angeordnet. Insbesondere die Anordnung an einem Endeffektor des Robotermanipulators verbessert die Schätzung des externen Kraftwinders erheblich.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Datenfusion eine komplementäre Frequenz- Filterung. Die komplementäre Frequenz- Filterung filtert insbesondere das Signal eines Kanals mit einem Tiefpassfilter, während es das Signal eines anderen Kanals mit einem Hochpassfilter so filtert, dass die Kombination des Tiefpassfilters und des Hochpassfilters für alle Frequenzen eine Amplitudenverstärkung von 1 (= 0 dB) ergibt. Dann werden der Tiefpassfilters und der Hochpassfilter als komplementär zueinander bezeichnet. Liegt auf dem ersten Kanal beispielsweise ein sehr zuverlässiges Signal in tiefen Frequenzen, jedoch sehr großes Rauschen in hohen Frequenzen vor, können die Anteile des ersten Signals in tiefen Frequenzen verwendet werden und mit den hochfrequenten Anteilen des zweiten Signals kombiniert werden, wenn das zweite Signal in hohen Frequenzen eine bessere Qualität als das erste Signal aufweist.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, hohe Frequenzen der Werte des zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensors, und für zumindest eine entsprechende Komponente des vektoriellen externen Kraftwinders, relativ dazu niedrige Frequenzen der jeweiligen entsprechenden Komponente des ermittelten vektoriellen externen Kraftwinders zu kombinieren. Dadurch, dass die Drehmomentsensoren naturgemäß mit einem gewissen Hebelarm über die Glieder miteinander verbunden sind, können Strukturschwingungen und elektrische Rauschanteile insbesondere in singulären Posen oder in Posen nahe einer Singularität des Robotermanipulators besonders in hohen Frequenzen unerwünschte Anteile auf den gemessenen Drehmomenten der Gelenke aufbringen. Diese Ausführungsform trägt diesem Umstand insoweit Rechnung, als dass die hohen Frequenzen der Signale der Drehmomentsensoren an den Gelenken abgeschwächt werden und dafür die hohen Frequenzen in den Werten des zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomenten-Sensors am Robotermanipulator verwendet werden.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Datenfusion eine Kalman-Filterung. Die Verwendung einer Kalman-Filterung weist in diesem Zusammenhang besondere Eigenheiten auf: Der Kalman-Filter wird hierbei dazu verwendet, um Signale prinzipiell gleicher Kategorie miteinander zu kombinieren. Die Trägheit des Kalman-Filters sowie die Kombination der Eingangssignale werden verwendet, um Rauschanteile zu vermindern. Es ist daher bei der Verwendung der Kalman-Filterung für einen ausreichend beobachtbaren Teil in seiner C-Matrix zu achten und dieser entsprechend anzupassen.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, eine Kollisionsdetektion auf Basis eines Vergleichs der Werte des zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensors mit den entsprechenden Komponenten des ermittelten vektoriellen externen Kraftwinders auszuführen. Insbesondere dann, wenn die Werte des zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensors gegenüber der entsprechenden (zugehörigen) Komponente im ermittelten vektoriellen externen Kraftwinder voneinander stark abweichen, könnte eine Kollision vorliegen. Dies ist insbesondere dann ideal zu ermitteln, wenn der zusätzliche Kraft- und/oder Drehmomentsensor an einer Stelle am Robotermanipulator platziert wird, die direkt mit dem kollidierenden Objekt in Kontakt steht.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, auf Basis eines Vergleichs der Werte des zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensors mit den entsprechenden Komponenten des ermittelten vektoriellen externen Kraftwinders eine von einem Anwender während eines manuellen Führens des Robotermanipulators gewünschte Kraft oder ein gewünschtes Moment durch den Robotermanipulator auf ein Objekt der Umgebung zu ermitteln und abzuspeichern. Die oben genannte Kollisionsdetektion kann auch dazu verwendet werden, um das Einlernen vom gewünschten Kräften und/oder Momenten, die nach dem Wunsch des Anwenders vom Robotermanipulator auf ein Objekt in der Umgebung des Robotermanipulators wirken sollen, auszuführen.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines modifizierten vektoriellen externen Kraftwinders an einem Robotermanipulator, aufweisend die Schritte:
• - Erfassen von Gelenkwinkeln durch jeweilige Positionssensoren an Gelenken des Robotermanipulators und Erfassen von an den Gelenken anliegenden Momenten durch jeweilige Drehmomentsensoren an den Gelenken,
• - Ermitteln einer invertierten Jacobimatrix aus den erfassten Gelenkwinkeln und Multiplizieren der invertierten Jacobimatrix mit dem Vektor aus den erfassten Gelenkmomenten zum Berechnen eines vektoriellen externen Kraftwinders,
• - Ermitteln eines modifizierten vektoriellen externen Kraftwinders, indem ein jeweiliger entsprechender Eintrag des vektoriellen externen Kraftwinders durch die/das von einem zusätzlich am Robotermanipulator angeordneten Kraft- und/oder Drehmomentsensor ermittelte Kraft und/oder Moment ersetzt wird oder mit der/dem vom zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensor erfassten Kraft und/oder Moment in Datenfusion miteinander kombiniert wird.
• Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Robotermanipulator vorstehend gemachten Ausführungen.
• 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.
• Es zeigen:
• 1: Ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 2: Einen Robotermanipulator, an dem das Verfahren nach 1 ausgeführt wird.
• Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
• 1 zeigt ein Verfahren zum Ermitteln eines modifizierten vektoriellen externen Kraftwinders an einem Robotermanipulator 1, wie in 2 gezeigt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
• - Erfassen S1 von Gelenkwinkeln durch jeweilige Positionssensoren 7 an Gelenken des Robotermanipulators 1 und Erfassen von an den Gelenken anliegenden Momenten durch jeweilige Drehmomentsensoren 5 an den Gelenken.
• - Ermitteln S2 einer Invertierten der Transponierten der Jacobimatrix als (J^T)^-1 aus den erfassten Gelenkwinkeln, und Multiplizieren der Invertierten der Transponierten Jacobimatrix (J^T)^-1 mit dem Vektor aus den erfassten Gelenkmomenten τ zum Berechnen eines vektoriellen externen Kraftwinders F_ext, das heißt über: $$F_{ext}={\left(J^T\right)}^{-1}\tau ,$$
  
  und
• - Ermitteln S3 eines modifizierten vektoriellen externen Kraftwinders, indem ein jeweiliger entsprechender Eintrag des vektoriellen externen Kraftwinders F_ext durch die von einem zusätzlich am Robotermanipulator angeordneten Kraftsensor 9 ermittelte Kraft ersetzt wird, wobei der zusätzliche Kraftsensor 9 am Endeffektor angeordnet ist und nur eine Kraft in Vortriebsrichtung des Endeffektors (F_z)_add ermitteln kann. Dabei wird der oben ermittelte externe Kraftwinder $F_{ext}=\left(\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ F_z\\ M_x\\ M_y\\ M_z\end{array}\right)$
  
  zu Grunde gelegt. Die geschätzte Komponente F_z dieses externen Kraftwinders wird dann durch die direkte Messung (F_z)_add des zusätzlichen Kraftsensors 9 ersetzt, sodass der modifizierte vektorielle externe Kraftwinder erhalten wird: $${\left(F_{ext}\right)}_{mod}=\left(\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ {\left(F_z\right)}_{add}\\ M_x\\ M_y\\ M_z\end{array}\right).$$
  
• Die bzgl. der 1 erwähnten Bezugszeichen, die insbesondere den Robotermanipulator und dessen Aufbau betreffen, sind der 2 zu entnehmen.
• 2 zeigt den Robotermanipulator 1, der im Verfahren nach 1 verwendet wird. Der Robotermanipulator 1 weist eine Recheneinheit 3 in seinem Sockel auf. An allen Gelenken des Robotermanipulators 1, die Glieder miteinander beweglich verbinden, sind Drehmomentsensoren 5 und Positionssensoren 7 angeordnet. Ein zusätzlicher Kraftsensor 9 ist am Endeffektor des Robotermanipulators 1 angeordnet. Mittels entsprechender Berechnungen der Recheneinheit 3 wird am Robotermanipulator 1 das in der 1 genannte Verfahren ausgeführt.
• Bezugszeichenliste

1

Robotermanipulator

3

Recheneinheit

5

jeweiliger Drehmomentsensor

7

jeweiliger Positionssensor

9

zusätzlicher Kraft- und/oder Drehmomentsensor

S1

Erfassen

S2

Ermitteln

S3

Ermitteln

Claims (10)

1. Robotermanipulator (1) mit einer Recheneinheit (3) und mit einer Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern, wobei die Gelenke jeweils einen Drehmomentsensor (5) und einen Positionssensor (7) aufweisen, wobei die Recheneinheit (3) dazu ausgeführt ist, aus den durch die Positionssensoren (7) erfassten aktuellen Gelenkwinkeln eine invertierte Jacobimatrix zu berechnen und aus der Multiplikation der invertierten Jacobimatrix mit einem Vektor aus den durch die Drehmomentsensoren (5) erfassten aktuellen Gelenkmomenten einen vektoriellen externen Kraftwinder zu berechnen, wobei der Robotermanipulator (1) einen zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensor (9) aufweist und die Recheneinheit (3) dazu ausgeführt ist, einen modifizierten vektoriellen externen Kraftwinder zu ermitteln, indem ein jeweiliger entsprechender Eintrag des vektoriellen externen Kraftwinders durch die/das vom zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensor (9) erfasste Kraft und/oder Moment ersetzt wird oder mit der/dem vom zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensor (9) erfasste/n Kraft und/oder Moment in Datenfusion kombiniert wird.
2. Robotermanipulator (1) nach Anspruch 1, wobei am Robotermanipulator (1) genau ein zusätzlicher Kraft- und/oder Drehmomentsensor (9) angeordnet ist.
3. Robotermanipulator (1) nach Anspruch 2, wobei der zusätzliche Kraft- und/oder Drehmomentsensor (9) dazu ausgeführt ist, höchstens eine Kraft und höchstens ein Moment zu erfassen.
4. Robotermanipulator (1) nach Anspruch 3, wobei der zusätzliche Kraft- und/oder Drehmomentsensor (9) an einem Endeffektor oder an einer Basis des Robotermanipulator (1) angeordnet ist.
5. Robotermanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Datenfusion eine komplementäre Frequenz- Filterung umfasst.
6. Robotermanipulator (1) nach Anspruch 5, wobei die Recheneinheit (3) dazu ausgeführt ist, hohe Frequenzen der Werte des zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensors (9), und für zumindest eine entsprechende Komponente des vektoriellen externen Kraftwinders, relativ dazu niedrige Frequenzen der jeweiligen entsprechenden Komponente des ermittelten vektoriellen externen Kraftwinders zu kombinieren.
7. Robotermanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Datenfusion eine Kalman-Filterung umfasst.
8. Robotermanipulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (3) dazu ausgeführt ist, eine Kollisionsdetektion auf Basis eines Vergleichs der Werte des zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensors (9) mit den entsprechenden Komponenten des ermittelten vektoriellen externen Kraftwinders auszuführen.
9. Robotermanipulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (3) dazu ausgeführt ist, auf Basis eines Vergleichs der Werte des zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensors (9) mit den entsprechenden Komponenten des ermittelten vektoriellen externen Kraftwinders eine von einem Anwender während eines manuellen Führens des Robotermanipulators (1) gewünschte Kraft oder ein gewünschtes Moment durch den Robotermanipulator (1) auf ein Objekt der Umgebung zu ermitteln und abzuspeichern.
10. Verfahren zum Ermitteln eines modifizierten vektoriellen externen Kraftwinders an einem Robotermanipulator (1), aufweisend die Schritte: - Erfassen (S1) von Gelenkwinkeln durch jeweilige Positionssensoren (7) an Gelenken des Robotermanipulators (1) und Erfassen von an den Gelenken anliegenden Momenten durch jeweilige Drehmomentsensoren (5) an den Gelenken, - Ermitteln (S2) einer invertierten Jacobimatrix aus den erfassten Gelenkwinkeln und Multiplizieren der invertierten Jacobimatrix mit dem Vektor aus den erfassten Gelenkmomenten zum Berechnen eines vektoriellen externen Kraftwinders, - Ermitteln (S3) eines modifizierten vektoriellen externen Kraftwinders, indem ein jeweiliger entsprechender Eintrag des vektoriellen externen Kraftwinders durch die/das von einem zusätzlich am Robotermanipulator (1) angeordneten Kraft- und/oder Drehmomentsensor (5) ermittelte Kraft und/oder Moment ersetzt wird oder mit der/dem vom zusätzlichen Kraft- und/oder Drehmomentsensor (9) erfassten Kraft und/oder Moment in Datenfusion miteinander kombiniert wird.

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