DE102021133929A1

DE102021133929A1 - Effektor, Roboter, Verfahren zum Kontrollieren eines Roboters und/oder eines Effektors und Computerprogramm

Info

Publication number: DE102021133929A1
Application number: DE102021133929.4A
Authority: DE
Inventors: Maged Iskander; Werner Friedl
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Effektor (100) für einen Roboter, der Effektor (100) aufweisend ein Effektorbasismodul (102), wenigstens ein Fingermodul (104, 106) und wenigstens einen Kraft-/Momentsensor (108, 110), bei dem der wenigstens eine Kraft-/Momentsensor (108, 110) zwischen dem Effektorbasismodul (102) und dem wenigstens einen Fingermodul (104, 106) wirksam ist, Roboter mit einer Kontrolleinrichtung und einem derartigen Effektor (100), Verfahren zum Kontrollieren eines derartigen Effektors (1009 und/oder eines derartigen Roboters, wobei zwischen dem wenigstens einen Fingermodul (104, 106) und einem externen Objekt (156) wirksame Kontaktpunkte, Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente unter Berücksichtigung von Signalen des wenigstens einen realen Kraft-/Momentsensors (108, 110) und/oder mithilfe eines modellierten Systems bestimmt werden, und Computerprogramm, das Computerprogramm Programmcodeabschnitte umfasst, mit denen ein derartiges Verfahren ausführbar ist, wenn das Computerprogramm mithilfe einer Kontrolleinrichtung eines derartigen Effektors (100) und/oder mithilfe einer Kontrolleinrichtung eines derartigen Roboters ausgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Effektor für einen Roboter, der Effektor aufweisend ein Effektorbasismodul, wenigstens ein Fingermodul und wenigstens einen Kraft-/Momentsensor. Außerdem betrifft die Erfindung einen Roboter mit einer Kontrolleinrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kontrollieren eines Effektors und/oder eines Roboters. Außerdem betrifft die Erfindung Computerprogramm.
Die am 26.05.2021 angemeldete deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2021 113 636.9 betrifft ein Verfahren zum Bestimmen externer Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente eines Roboters mithilfe wenigstens eines realen Kraft- und/oder Momentsensors und eines Modells des wenigstens einen Kraft- und/oder Momentsensors, einen Roboter mit wenigstens einem Glied, wenigstens einem Gelenk, wenigstens einem Kraft- und/oder Momentsensor und einer Kontrolleinrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt, und schlägt vor, den wenigstens einen realen Kraft- und/oder Momentsensor als passives mechanisch gebundenes Gelenk zusammen mit einer Roboterdynamik und einer Roboterkinematik zu modellieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Effektor strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Roboter strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Computerprogramm strukturell und/oder funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Effektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Roboter mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 19. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Effektor kann eine Endeffektor sein. Dem Effektor können/kann ein Tool-Koordinatensystem und/oder ein Tool Center Point (TCP) zugeordnet sein. Der Effektor kann als Greifsystem ausgeführt sein. Das Effektorbasismodul kann mit einem Roboterglied oder einem Robotergelenk verbindbar sein. Das wenigstens eine Fingermodul kann ein Fingerbasismodul, wenigstens ein Fingerglied, wenigstens ein Fingergelenk und/oder eine Fingerspitze aufweisen. Das wenigstens eine Fingermodul kann eine offene kinematische Kette bilden. Das Fingerbasismodul kann ein festes Ende der kinematischen Kette bilden. Die Fingerspitze kann ein freies Ende der kinematischen Kette bilden. Das wenigstens eine Fingergelenk kann dazu ausgelegt sein, das Fingerbasismodul und ein Fingerglied miteinander gelenkig zu verbinden. Das wenigstens eine Fingergelenk kann dazu ausgelegt sein, zwei Fingerglieder miteinander gelenkig zu verbinden. Das wenigstens eine Fingerglied und/oder das wenigstens eine Fingergelenk können/kann bewegbar sein. Das wenigstens eine Fingermodul und das Effektorbasismodul können miteinander fest verbunden sein. „Fest verbunden“ bezeichnet vorliegend insbesondere eine Verbindung, die nicht zur Bewegung ausgelegt ist. Der Effektor kann mehrere Fingermodule und mehrere Kraft-/Momentsensoren aufweisen. Der Effektor kann für jedes Fingermodul einen Kraft-/Momentsensor aufweisen. Die Fingermodule können einzeln oder gruppenweise gesondert kontrollierbar sein. Die Fingermodule können aufeinander abgestimmt kontrollierbar sein. „Kontrollieren“ bezeichnet in diesem Zusammenhang vorliegend insbesondere ein regelungstechnisches und/oder steuerungstechnisches Kontrollieren.
Der wenigstens eine Kraft-/Momentsensor kann dazu ausgelegt sein, Kräfte in wenigstens einer Translationsrichtung und/oder Momente um wenigstens eine Rotationsachse aufzunehmen. Der wenigstens eine Kraft-/Momentsensor kann dazu ausgelegt sein, Kräfte in drei Translationsrichtungen und Momente um drei Rotationsachsen aufzunehmen. Der wenigstens eine Kraft-/Momentsensor kann ein Sechs-Achsen Kraft-/Momentsensor sein. Der wenigstens eine Kraft-/Momentsensor kann einerseits an dem Effektorbasismodul und andererseits an dem wenigstens einen Fingermodul, insbesondere an dem Fingerbasismodul des wenigstens einen Fingermoduls, angeordnet sein. Der wenigstens eine Kraft-/Momentsensor kann dazu ausgelegt sein, Kräfte und/oder Momente in weiterverarbeitbare Signale, insbesondere in elektrische Signale, umzuformen.
Der Effektor kann wenigstens einen Fingerantrieb aufweisen. Die Fingermodule können jeweils wenigstens einen Fingerantrieb aufweisen. Der wenigsten eine Fingerantrieb kann zum Beaufschlagen und/oder Bewegen des wenigstens einen Fingermoduls ausgelegt sein. Der wenigsten eine Fingerantrieb kann zum Beaufschlagen und/oder Bewegen wenigstens eines Fingerglieds und/oder wenigstens eines Fingergelenks des wenigstens einen Fingermoduls ausgelegt sein. Der wenigstens eine Fingerantrieb kann an dem Fingerbasismodul angeordnet sein. Das Fingerbasismodul kann ein Gehäuse für den wenigstens einen Fingerantrieb bilden. Der wenigstens eine Fingerantrieb kann wenigstens einen Motor, wenigstens ein Getriebe, wenigstens ein Zugmittel und/oder wenigstens eine Umlenkung für das wenigstens eine Zugmittel aufweisen. Der Effektor kann für jedes bewegbare Fingerglieds und für jedes bewegbare Fingergelenk einen Fingerantrieb aufweisen. Der Effektor kann für jede Bewegungsrichtung einen Fingerantrieb aufweisen. Der wenigstens eine Fingerantrieb kann kontrollierbar sein. „Kontrollieren“ bezeichnet in diesem Zusammenhang vorliegend insbesondere ein regelungstechnisches und/oder steuerungstechnisches Kontrollieren.
Das wenigstens eine Fingermodul kann eine variable Steifigkeit aufweist. Die variable Steifigkeit kann sich auf eine Bewegbarkeit des wenigstens einen Fingermoduls beziehen. Die variable Steifigkeit kann sich auf eine Bewegbarkeit des wenigstens eines Fingerglieds und/oder wenigstens eines Fingergelenks des wenigstens einen Fingermoduls beziehen. Das wenigstens eine Fingermodul kann wenigstens ein Federelement aufweisen. Das wenigstens eine Federelement kann eine einstellbare und/oder änderbare Federkraft aufweisen. Das wenigstens eine Federelement kann Teil des wenigstens einen Fingerantriebs sein. Das wenigstens eine Federelement kann an dem wenigstens einen Zugmittel wirksam sein. Das wenigstens eine Federelement kann als flexibles antagonistisches Federelement ausgeführt sein. Das wenigstens eine Federelement kann dazu ausgelegt sein, eine an dem wenigstens einen Zugmittel anliegende Kraft zu erfassen.
Der Effektor kann modular aufgebaut sein. Der Effektor kann wenigstens zwei Fingermodule aufweisen. Der Effektor kann wenigstens zwei Fingermodule aufweisen. Der Effektor kann wenigstens drei Fingermodule aufweisen. Der Effektor kann mehr als drei Fingermodule aufweisen. Der Effektor kann fünf Fingermodule aufweisen. Der Effektor kann als Roboterhand ausgeführt sein.
Der Roboter kann eine Roboterbasis, wenigstens ein Roboterglied und/oder wenigstens ein Robotergelenk aufweisen. Der Roboter kann eine kann eine offene kinematische Kette bilden. Die Roboterbasis kann ein festes Ende der kinematischen Kette bilden. Die Roboterbasis kann einem Standort des Roboters zugeordnet sein. Der Roboterbasis kann ein Basiskoordinatensystem zugeordnet sein. Der Effektor kann ein freies Ende der kinematischen Kette bilden.
Die Roboterbasis kann einem Standort des Roboters zugeordnet sein. Die Roboterbasis kann einen festen Bezugspunkt des Roboters bilden. Das wenigstens eine Robotergelenk kann dazu ausgelegt sein, ein Roboterglied mit der Roboterbasis, jeweils zwei Roboterglied miteinander und/oder den Effektor mit einem Roboterglied gelenkig zu verbinden. Der Roboter kann wenigstens einen Roboterantrieb aufweisen. Der wenigstens eine Roboterantrieb kann einen Motor und ein Getriebe aufweisen. Der wenigstens eine Roboterantrieb kann dazu ausgelegt sein, das wenigstens eine Roboterglied und/oder den Effektor zu bewegen. Der wenigstens eine Roboterantrieb kann steuerungstechnisch und/oder regelungstechnisch kontrollierbar sein. Der Roboter kann wenigstens einen Kraft- und/oder Momentsensor aufweisen.
Der Effektor und/oder Roboter können/kann wenigstens eine Kontrolleinrichtung aufweisen. Die wenigstens eine Kontrolleinrichtung kann zum Ausführen eines Computerprogramms ausgelegt sein. Die wenigstens eine Kontrolleinrichtung kann zum Kontrollieren des wenigstens einen Fingerantriebs und/oder des wenigstens einen Roboterantriebs ausgelegt sein. Die wenigstens eine Kontrolleinrichtung kann wenigstens einen Prozessor, einen Arbeitsspeicher, einen Datenspeicher, wenigstens einen Signaleingang und/oder wenigstens einen Signalausgang aufweisen. Der wenigstens eine Kraft- und/oder Momentsensor kann mit dem wenigstens einen Signaleingang signalleitend verbunden sein. Der wenigstens eine Signalausgang kann mit dem wenigstens einen Fingerantrieb und/oder mit dem wenigstens einen Roboterantrieb signalleitend verbunden sein. Der Effektor und/oder der Roboter können/kann eine Benutzerschnittstelle aufweisen. Die Benutzerschnittstelle kann zur Eingabe von Anweisungen durch einen Benutzer und/oder Ausgabe von Informationen an einen Benutzer ausgelegt sein. Der wenigstens eine Kraft- und/oder Momentsensor des Roboters kann der Roboterbasis, der Benutzerschnittstelle, dem Effektor, einem Roboterglied und/oder einem Robotergelenk zugeordnet sein. Der Roboter kann ein autonomer mobiler Roboter, ein humanoider Roboter, ein Portalroboter, ein Industrieroboter, ein Leichtbauroboter, ein Medizinroboter, ein Personal Robot, ein Serviceroboter und/oder ein Transportroboter sein. Der Roboter kann ein kraft- und/oder momentgeregelter Roboter sein. Der Roboter kann dazu ausgelegt sein, mit einem in einem gemeinsamen Arbeitsraum mit einem Menschen zusammenzuarbeiten.
Das Verfahren kann in Zusammenhang mit einem Kontrollieren des Effektors und/oder des Roboters ausgeführt werden. „Kontrollieren“ bezeichnet in diesem Zusammenhang vorliegend insbesondere ein regelungstechnisches und/oder steuerungstechnisches Kontrollieren. Das Verfahren kann mithilfe eines regelungstechnischen Modells, insbesondere mithilfe eines regelungstechnischen Beobachters, oder in einem regelungstechnischen Modell, insbesondere in einem regelungstechnischen Beobachter, umgesetzt sein/werden. Insofern kann die Erfindung auch ein regelungstechnisches Modell, insbesondere einen regelungstechnischen Beobachter, betreffen. Das Verfahren kann als Computerprogramm implementiert sein.
Es können wirksame Kontaktpunkte, Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente zwischen dem wenigstens einen Fingermodul und einem externen Objekt bestimmt werden. „Bestimmen“ bezeichnet vorliegend insbesondere ein Erfassen und/oder Berechnen insbesondere von Messgrößen, Zustandsgrößen und/oder deren Werten. Die Kontaktpunkte, Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente können unter Berücksichtigung von Signalen des wenigstens einen Kraft-/Momentsensors und/oder mithilfe eines modellierten Systems bestimmt werden. Ein physisch vorhandener Kraft-/Momentsensor des Effektors kann in Abgrenzung zu einem modellierten Kraft-/Momentsensor auch als realer Kraft-/Momentsensor bezeichnet werden. Das modellierte System kann ein regelungstechnisches Modell sein. Das modellierte System kann dazu ausgelegt sein, eine Referenzsystem zu beobachten. Das modellierte System kann ein regelungstechnischer Beobachter sein. Das modellierte System kann das beobachtete Referenzsystem als Modell nachbilden. Das modellierte System kann dazu ausgelegt sein, mithilfe eines Reglers messbare und/oder mit dem Referenzsystem vergleichbare Zustandsgrößen nachzuführen. Das modellierte System kann dazu ausgelegt sein, aus bekannten Eingangsgrößen und/oder Ausgangsgrößen des beobachteten Referenzsystems nicht messbare Größen (Zustände) zu rekonstruieren. Das beobachtete Referenzsystem kann den Roboter und/oder den Effektor mit dem wenigstens einen Fingermodul und dem wenigstens einen Kraft-/Momentsensor umfassen.
In dem modellierten System kann der Effektor als bewegliches System modelliert werden/sein. In dem modellierten System kann der Effektor mit einem Freiheitsgrad f = 6 modelliert werden/sein. Den Freiheitsgraden zugeordnete Positionen und Geschwindigkeiten können unter Berücksichtigung einer Roboterdynamik und/oder einer Roboterkinematik vorgegeben werden.
In dem modellierten System kann der wenigstens eine Kraft-/Momentsensor als passives mechanisch gebundenes Gelenk modelliert werden. Das modellierte passive mechanisch gebundene Gelenk kann auch als virtuelles Gelenk bezeichnet werden.
In dem Referenzsystem kann wenigstens ein virtueller weiterer Kraft-/Momentsensor modelliert werden. Der wenigstens eine virtuelle weitere Kraft-/Momentsensor kann zusätzlich zu dem wenigstens einen Kraft-/Momentsensor modelliert werden. Der wenigstens eine modellierte Kraft-/Momentsensor kann einen realen Kraft-/Momentsensor abbilden. Der wenigstens eine virtuelle weitere Kraft-/Momentsensor kann ohne korrespondierenden realen Kraft-/Momentsensor modelliert werden.
Unter Berücksichtigung von Signalen des wenigstens einen realen Kraft-/Momentsensors, des wenigstens einen modellierten Kraft-/Momentsensors und/oder des wenigstens einen virtuellen weiteren Kraft-/Momentsensors können in dem wenigstens einen Fingermodul wirkende interne antriebsbedingte Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente isoliert werden. Unter Berücksichtigung von Signalen des wenigstens einen realen Kraft-/Momentsensors, des wenigstens einen modellierten Kraft-/Momentsensors und/oder des wenigstens einen virtuellen weiteren Kraft-/Momentsensors können an dem wenigstens einen Fingermodul wirkende externe Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente isoliert werden. In dem wenigstens einen Fingermodul wirkende interne antriebsbedingte Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente einerseits und an dem wenigstens einen Fingermodul wirkende externe Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente andererseits können voneinander gesondert bestimmt werden.
Unter Berücksichtigung von Signalen des wenigstens einen realen Kraft-/Momentsensors, des wenigstens einen modellierten Kraft-/Momentsensors und/oder des wenigstens einen virtuellen weiteren Kraft-/Momentsensors können an beliebigen vorgegebenen Kontaktpunkten des wenigstens einen Fingermoduls externe Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente bestimmt werden. Für an dem wenigstens einen Fingermodul wirkende externe Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente können Kontaktpunkte bestimmt werden.
Das Verfahren kann auch ohne Beschleunigungsschätzung ausführbar sein oder ausgeführt werden. Das Erfordernis einer Beschleunigungsschätzung zum Ausführen des Verfahrens kann entfallen. Das Verfahren kann auch ohne Nutzung einer Jacobi-Matrix dynamisch ausführbar sein oder ausgeführt werden. Das Erfordernis einer Jacobi-Matrix zum dynamischen Ausführen des Verfahrens kann entfallen.
Das wenigstens eine Fingermodul kann basierend auf seiner tatsächlichen Geometrie modelliert werden/sein. Das wenigstens eine Fingermodul kann basierend auf geometrischen Grundkörpern, wie Würfel, Quader, Zylinder, Kegel, Kugel, Pyramide, Prisma, modelliert werden/sein.
Das Verfahren kann ausgeführt werden, um ein externes Objekt in Bezug auf das wenigstens eine Fingermodul zu lokalisieren. Das Verfahren kann ausgeführt werden, um ein externes Objekt mit vorgegebenen Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente zu beaufschlagen. Das Verfahren kann in Zusammenhang mit einer beabsichtigten Interaktion durch einen Benutzer ausgeführt werden. Das Verfahren kann in Zusammenhang mit einer Kollisionserkennung und -lokalisierung ausgeführt werden. Das Verfahren kann in Zusammenhang mit einem Ausführen einer Aufgabe durch den Roboter ausgeführt werden. Das Verfahren kann mithilfe des Roboters, des Effektors, des modellierten Systems, des regelungstechnischen Beobachters und/oder des Computerprogramms ausgeführt werden/ausführbar sein. Insofern kann die Erfindung auch ein modelliertes System und/oder einen regelungstechnischen Beobachter betreffen. Das Verfahren kann mithilfe eines Computerprogramms implementiert sein.
Das Computerprogramm kann als Computerprogrammprodukt vorliegen. Das Computerprogramm kann in gespeicherter, installierbarer, installierter, übertragbarer und/oder ausführbarer Form vorliegen. Das Computerprogramm kann auf einer Kontrolleinrichtung eines Effektors und/oder auf einer Kontrolleinrichtung eines Roboters installierbar, installiert und/oder ausführbar sein.
Zu weiteren technischen Merkmalen der Erfindung wird auf die am 26.05.2021 angemeldete deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2021 113 636.9 verwiesen, deren Merkmale auch zur Lehre der vorliegenden Erfindung gehören und die vollständig in die Offenbarung der vorliegenden Erfindung einbezogen ist.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine vollständig sensorgesteuerte Roboterhand. Die Kraft-Drehmoment-Informationen der Kraft-/Momentsensoren können direkt zur Extraktion einzelner Kontaktpunkte und Kontaktkräfte mit einem Objekt verwendet werden. Der Effektor ermöglicht eine Trennung zwischen internen Interaktionskräften, die von den Fingerantrieben erzeugt werden, und reinen Umgebungskräften. Die Platzierung der Kraft-/Momentsensoren an der Fingerbasis jedes Fingermoduls ermöglicht eine Messung von Kontaktkräften an jeder beliebigen Stelle entlang des Fingermoduls und nicht nur an der Fingerspitze. Der erfindungsgemäße Effektor kann auch eine Betätigung mit variabler Steifigkeit beinhalten. Der erfindungsgemäße Effektor kann modular sein, sodass beispielsweise eine vollständig sensorgesteuerte, sehnengetriebene Drei-Finger-Roboterhand leicht konstruiert werden kann. Jedes Fingermodul kann mit einem Kraft-/Momentsensor an seiner Fingerbasis ausgestattet sein, sodass die Roboterhand eine vollständig integrierte Kraft-/Momenterfassung ermöglichen kann. Die Kraft-/Momentinformationen der Kraft-/Momentsensoren können direkt zur Extraktion einzelner Kontaktpunkte und Kontaktkräfte mit Objekten und der Umgebung verwendet werden.
Das Gesamtsystem kann einschließlich der Sensoren unter Verwendung des Konzepts der virtuellen Gelenke modelliert werden. Der Effektor kann als schwebendes System mit 6 DOF (mit drei Translationen und drei Rotationen) betrachtet werden. Wenn der Effektor mit einem Roboter/Manipulator verbunden ist, können die 6D-Position und -Geschwindigkeit direkt durch eine Kinematik des Roboters, insbesondere eines Roboterarms, vorgegeben werden. Die 6D-Positionen und -Geschwindigkeiten helfen dabei, die Gravitationskräfte und die dynamischen Effekte zu berücksichtigen.
Ein externer Kraftbeobachter kann so gestaltet werden, dass er Kraft- und Drehmomentsensoren umfasst. Dies kann durch die Modellierung aller Sensoren zusammen mit der Roboterdynamik und -kinematik geschehen, insbesondere durch die Modellierung des Kraft-/Momentsensors als passives, nicht bewegliches Gelenk (blockiertes oder mechanisch gebundenes Gelenk). Diese Zwangsgelenl<e können von einem einzelnen Dreh- oder Lineargelenk bis zu sechs Freiheitsgraden (häufiger) reichen. Das einzelne Zwangsgelenk kann einen Kraft- oder Drehmomentsensor darstellen, das Zwangsgelenk (6 DOF) kann einen Kraft-Drehmoment-Sensor (FTS) mit 6 DOF darstellen. Der Ort dieser Sensoren kann an der Fingerbasis sein. Auf diese Weise stammen die vom Sensor gemessenen Kräfte und Momente von einer Kontaktkraft, die an einer beliebigen Stelle entlang des Roboterfingers wirkt. Ist der Sensor dagegen an der Fingerspitze angebracht, können nur Wechselwirkungskräfte an dieser Stelle gemessen werden. Beides kann kombiniert werden.
Durch detailliertes Berücksichtigen der tatsächlichen Geometrie der Fingermodule kann eine leistungsstarke Berechnung zur Lösung des Schnittpunktproblems erfolgen. Bei Annahme einfacher Formen (z. B. Zylinder, Kugel, Kegel und Würfel) für die einzelnen Fingerglieder kann die Berechnung beschleunigt werden, da die Lösung analytisch ausgedrückt und gelöst werden kann. Beispielsweise kann ein Kreuzungsalgorithmus automatisch ausgeführt werden, $| τ_{b,i}^{ext} | > ϵ_{i},$
wobei $τ_{b, i}^{e x t} = {[ƒ_{i}^{e x t} m_{i}^{e x t}]}^{T}$

die externen Kräfte und Momente eines Fingermoduls i mit den aufgebrachten Kontaktkräften $ƒ_{i}^{e x t}$
und dem resultierenden Moment $m_{i}^{e x t}$
beschreibt und der Parameter ∈_i einen Schwellenwert darstellt, um eine Robustheit einer Kontakterkennung gegenüber nicht modellierten Dynamiken zu erhöhen, und er eliminiert falsch positive Ergebnisse.
Mit der Erfindung wird eine Messung von Kontakten insbesondere in praktischen Szenarien verbessert. Ein Aufwand, wie Hardwareaufwand, Kostenaufwand und/oder Zeitaufwand, Unsicherheiten und/oder Fehler werden/wird reduziert. Eine Qualität, beispielsweise in Bezug auf Robustheit, Wiedergabetreue, Reproduzierbarkeit, und/oder eine Flexibilität, beispielsweise in Bezug auf eine Anwendbarkeit, werden/wird erhöht. Kontakte können an jedem Fingermodul gesondert dynamisch erkannt und isoliert werden. Ein Greifen und physische Interaktion mit der Umgebung werden auch in herausfordernden praktischen Szenarien erfolgreich ermöglicht.
Die Erfindung kann als vollständig sensorisierte und elastisch angetriebene Roboterhand umgesetzt werden. Die Erfindung kann die Messung der externen Kräfte und die Lokalisierung der Kontaktpunkte entlang der einzelnen Finger ermöglichen. Daraus ergeben sich viele praktische Anwendungsfälle, z.B. eine Manipulation mit der Hand, die direkt von dem vorgeschlagenen Design profitieren können. Dies ermöglicht eine hohe Wiedergabetreue der Kontaktinformationen. Eine große Einschränkung bei der Betrachtung des Problems der Messung/Schätzung der Kontaktkräfte in Roboterhänden ist die Anzahl der beteiligten Gelenke in jedem Finger, die nicht immer ausreicht, um eine vollwertige Jacobi-Matrix zu erstellen.
Daher gibt es in diesen Fällen keine direkte Abbildung zwischen der Kontaktkraft und den externen Gelenkmomenten. Dieser Fall ist eine gültige Einschränkung für jeden Roboterfinger/jede Roboterhand, insbesondere für unterbetätigte Hände, bei denen die Anzahl der Aktoren geringer als die Freiheitsgrade der Hand ist, aber auch für vollbetätigte Hände. Ein weiterer klarer Vorteil ist, dass mithilfe eines externen Stoßes, der Kräfte und Momente umfasst, an den Sensorstellen der Hebelarm der Umgebungskontakte direkt ermittelt werden kann. Das bedeutet, dass nicht nur die Amplitude der Kontaktkräfte bestimmt werden kann, sondern auch die genaue Position an jedem Fingermodul. Wenn ein Fingermodul die Fähigkeit hat, seine Steifigkeit zu ändern, ist somit eine Messung externer Kontakte und deren Lokalisierung ohne zusätzliche Berechnungen ermöglicht. Dies bietet einen breiteren Anwendungsbereich, vereinfacht die Systemanforderungen und kann mit Modellierungsunsicherheiten/-fehlern umgehen. Die Erfindung ermöglicht eine Isolierung zwischen den internen Interaktionskräften, die von den Fingerantrieben erzeugt werden, und den reinen Umgebungskräften, die auf die einzelnen Fingermodule einwirken. Die Erfindung vermeidet die Notwendigkeit eines detaillierten dynamischen Modells für die Finger der Roboterhand, das in der Praxis sehr anspruchsvoll ist, da es mehrere nichtlineare Effekte beinhaltet. Zu diesen Effekten gehört die Veränderung der internen Interaktionskräfte in Abhängigkeit von der Konfiguration, wodurch sich die Reibung des Systems nichtlinear verändert. Wenn der Roboter weniger als sechs Gelenken aufweist, ist eine Schätzung der Kontaktkräfte anhand des externen Drehmoments der Gelenke eingeschränkt. Dies ist auf den Verlust des Ranges in der Jacobi-Matrix zurückzuführen, die die externen Kontakte auf die Gelenkmomente abbildet. Dieses Problem wird hier gelöst, da es immer eine direkte Zuordnung zwischen den aufgebrachten Kräften und den von den Fingerbasissensoren gemessenen Kräften gibt. Aufgrund des Modellierungskonzepts kann dieser Prozess dynamisch durchgeführt werden, ohne dass eine Beschleunigungsschätzung erforderlich ist, die eine Inversion der Massenmatrix beinhaltet, die einen Kopplungseffekt bei der Schätzung der externen Kräfte einführt. Darüber hinaus stützt sich die vorgeschlagene Idee nicht auf die Jacobi-Matrix, was den Ansatz unempfindlich gegenüber kinematischen Singularitäten macht. Dies ermöglicht eine reine Messung der externen (Kontakt- oder Kollisions-) Kräfte, die von den anderen Fingermodulen entkoppelt sind. Nehmen wir als Beispiel die externen Kräfte und Drehmomente eines Fingermoduls i als $τ_{b, i}^{e x t} = {[ƒ_{i}^{e x t} m_{i}^{e x t}]}^{T},$
wobei $ƒ_{i}^{e x t}$
die aufgebrachten Kontaktkräfte und $m_{i}^{e x t}$
die resultierenden Drehmomente sind. Die Kontaktstelle kann unter der Annahme gefunden/bestimmt werden, dass das lokale Drehmoment an der Kontaktstelle gleich Null ist, was der typische Fall für impulsive Kontaktkräfte ist. Bei Fingermodulen ist diese Annahme jedoch fast immer gültig. Der Kontaktpunkt entlang der Struktur kann mit Hilfe des erhaltenen externen Stoßes $τ_{b, i}^{e x t}$
extrahiert werden. Dementsprechend kann der Kontaktpunkt durch den Schnittpunkt der Kraftwirkungslinie und der Fingergeometrie gefunden werden. Verschiedene Anwendungen und Szenarien können von der Schätzung der Kontaktkräfte in Roboterhänden profitieren, darunter Manipulation in der Hand und Lokalisierung von Objekten in der Hand. Die Kenntnis der Position des Kontaktpunktes ermöglicht es, die Position und Orientierung des Objekts in der Hand zu schätzen, ohne dass Bildverarbeitungssysteme oder taktile Sensoren erforderlich sind. Außerdem können die Informationen über die Kontaktkräfte genutzt werden, um eine gewünschte Interaktion mit dem Objekt/Umfeld zu erreichen, beispielsweise die Interaktion/Handhabung mit zerbrechlichen Objekten. Der vorgeschlagene Ansatz erfordert nicht unbedingt Gelenl<drehmomentsensoren oder elastische Gelenke, wie sie in einigen Fällen nicht vorhanden sind.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:

1 einen vollständig sensorgesteuerten Effektor für einen Roboter mit zwei Fingermodulen und zwischen einer Fingerbasis und den Fingermodulen wirksamen Kraft-/Momentsensoren,
2 einen vollständig sensorgesteuerten Effektor für einen Roboter mit drei Fingermodulen und zwischen einer Fingerbasis und den Fingermodulen wirksamen Kraft-/Momentsensoren,
3 einen als Roboterhand ausgeführten vollständig sensorgesteuerten Effektor mit fünf Fingermodulen und zwischen einer Fingerbasis und den Fingermodulen wirksamen Kraft-/Momentsensoren bei Interaktion mit zwei Objekten,
4 einen als Roboterhand ausgeführten vollständig sensorgesteuerten Effektor mit fünf Fingermodulen und zwischen einer Fingerbasis und den Fingermodulen wirksamen Kraft-/Momentsensoren bei Interaktion mit einem Objekt und
5 einen als Roboterhand ausgeführten vollständig sensorgesteuerten Effektor mit drei Fingermodulen mit variabler Steifigkeit und zwischen einer Fingerbasis und den Fingermodulen wirksamen Kraft-/Momentsensoren in unterschiedlichen Ansichten.

1 zeigt einen vollständig sensorgesteuerten Effektor 100 mit einem Effektorbasismodul 102, zwei Fingermodulen 104, 106 und zwei Kraft-/Momentsensoren 108, 110. Der Effektor 100 ist zur Verwendung als Endeffektor mit einem hier nicht dargestellten Roboter ausgelegt.
Das Fingermodul 104 weist ein Fingerbasismodul 112, Fingerglieder 114, 116, Fingergelenke 118, 120 und eine Fingerspitze 122 auf. Das Fingergelenk 118 verbindet das Fingerbasismodul 112 und das Fingerglied 114 miteinander gelenkig. Das Fingergelenk 120 verbindet die Fingerglieder 114, 116 miteinander gelenkig. Der Kraft-/Momentsensor 108 ist zwischen dem Effektorbasismodul 102 und dem Fingerbasismodul 112 angeordnet und wirksam. Das Fingermodul 106 weist ein Fingerbasismodul 124, Fingerglieder 126, 128, Fingergelenke 130, 132 und eine Fingerspitze 134 auf. Das Fingergelenk 130 verbindet das Fingerbasismodul 124 und das Fingerglied 126 miteinander gelenkig. Das Fingergelenk 132 verbindet die Fingerglieder 126, 128 miteinander gelenkig. Der Kraft-/Momentsensor 110 ist zwischen dem Effektorbasismodul 102 und dem Fingerbasismodul 124 angeordnet und wirksam.
Das Effektorbasismodul 102 weist einen Anschlussflansch 136 als mechanische Schnittstelle zur festen Verbindung mit dem Roboter auf. Außerdem weist das Effektorbasismodul 102 eine elektrische Signal- und/oder Leistungsschnittstelle auf, die zur Verbindung mit einer korrespondierenden Schnittstelle des Roboters ausgelegt ist. Damit ist auch der Effektor 100 mithilfe einer Kontrolleinrichtung des Roboters kontrollierbar, wobei der Effektor seinerseits eine Kontrolleinrichtung aufweisen kann, die mit der Kontrolleinrichtung des Roboters zusammenarbeitet.
Im Folgenden wird stellvertretend das Fingermodul 104 beschrieben, Die Fingermodule 104, 106 sind vorliegend gleichartig ausgeführt, sodass mit dem Fingermodul 104 entsprechend auch das Fingermodul 106 beschrieben wird. Das Fingermodul 104 weist einen Fingerantrieb mit Motoren 137, 138, 140, 142, Federelementen 144, 146, 148, 150 und Zugmitteln 152, 154 auf. Die Federelemente 144, 146 sind zwischen den Motoren 137, 138 und dem Zugmittel 152 wirksam. Die Motoren 137, 138 und das Zugmittel 152 bilden einen Antrieb für das Fingergelenk 118. Die Federelemente 148, 150 sind zwischen den Motoren 140, 142 und dem Zugmittel 154 wirksam. Die Motoren 140, 142 und das Zugmittel 154 bilden einen Antrieb für das Fingergelenk 120. Das wenigstens eine Federelement 148, 150 sind flexible antagonistisch angeordnet und dazu ausgelegt, eine an dem Zugmittel 154 anliegende Kraft zu erfassen. Das Fingermodul 104 weist damit eine variable Steifigkeit auf.
Die Kraft-/Momentsensoren 108, 110 sind als Sechs-Achsen Kraft-/Momentsensoren dazu ausgelegt, Kräfte in drei Translationsrichtungen und Momente um drei Rotationsachsen aufzunehmen und in weiterverarbeitbare elektrische Signale umzuformen. Der Effektor 100 ermöglicht es, zwischen den Fingermodulen 104, 106 und einem externen Objekt 156 wirksame Kontaktpunkte, Interaktionskräfte und Interaktionsmomente unter Berücksichtigung von Signalen Kraft-/Momentsensoren 108, 110 zu bestimmen, wobei außerdem ein regelungstechnischer Beobachter bzw. ein modelliertes Systems verwendet wird.
Die Informationen der Kraft-/Momentsensoren 108, 110 werden direkt zur Extraktion der einzelnen Kontaktpunkte und Kontaktkräfte mit dem externen Objekt 156 verwendet. Der Effektor 100 ermöglicht eine voneinander gesonderte Bestimmung interner Interaktionskräfte, die von den Motoren 137, 138, 140, 142 des Fingermoduls 104 und den Motoren des Fingermoduls 106 erzeugt werden, einerseits und reiner Umgebungskräfte 158, 160, die auf die Fingermodule 104, 106 wirken, andererseits. Der Effektor 100 ermöglicht eine Messung der gesamten Interaktionskräfte an jeder Fingerbasis. Der Effektor 100 ermöglicht es, die Kontaktkräfte entlang der Fingerstruktur zu identifizieren und zu lokalisieren, ohne einen taktilen Sensor zu verwenden, was neue Anwendungsfelder eröffnet. Eine Möglichkeit besteht darin, zu wissen, wo genau sich das gegriffene Objekt in der Hand befindet, und eine andere könnte darin bestehen, bestimmte gewünschte Interaktionskräfte auf die Umgebung anzuwenden.
2 zeigt einen vollständig sensorgesteuerten Effektor 200 mit einem Effektorbasismodul 202, drei Fingermodulen 204, 206, 208 und drei Kraft-/Momentsensoren 210, 212, 214.
Das Fingermodul 204 weist ein Fingerbasismodul 216, Fingerglieder 218, 220, Fingergelenke 222, 224 und eine Fingerspitze 226 auf. Das Fingergelenk 222 verbindet das Fingerbasismodul 216 und das Fingerglied 218 miteinander gelenkig. Das Fingergelenk 224 verbindet die Fingerglieder 218, 220 miteinander gelenkig. Der Kraft-/Momentsensor 210 ist zwischen dem Effektorbasismodul 202 und dem Fingerbasismodul 216 angeordnet und wirksam. Das Fingermodul 206 weist ein Fingerbasismodul 228, Fingerglieder 230, 232, Fingergelenke 234, 236 und eine Fingerspitze 238 auf. Das Fingergelenk 234 verbindet das Fingerbasismodul 228 und das Fingerglied 230 miteinander gelenkig. Das Fingergelenk 236 verbindet die Fingerglieder 230, 232 miteinander gelenkig. Der Kraft-/Momentsensor 212 ist zwischen dem Effektorbasismodul 202 und dem Fingerbasismodul 228 angeordnet und wirksam. Das Fingermodul 208 weist ein Fingerbasismodul 240, Fingerglieder 242, 244, Fingergelenke 246, 248 und eine Fingerspitze 250 auf. Das Fingergelenk 246 verbindet das Fingerbasismodul 240 und das Fingerglied 242 miteinander gelenkig. Das Fingergelenk 248 verbindet die Fingerglieder 246, 248 miteinander gelenkig. Der Kraft-/Momentsensor 214 ist zwischen dem Effektorbasismodul 202 und dem Fingerbasismodul 240 angeordnet und wirksam.
Die Informationen der Kraft-/Momentsensoren 210, 212, 214 werden direkt zur Extraktion der einzelnen Kontaktpunkte und Kontaktkräfte mit externen Objekten verwendet. Der Effektor 200 ermöglicht eine voneinander gesonderte Bestimmung interner Interaktionskräfte, die von den Motoren der Fingermodule erzeugt werden, einerseits und reiner Umgebungskräfte, die auf die Fingermodule 204, 206, 208 wirken, andererseits. Der Effektor 200 ermöglicht eine Messung der gesamten Interaktionskräfte an jeder Fingerbasis. Der Effektor 200 ermöglicht es, die Kontaktkräfte entlang der Fingerstruktur zu identifizieren und zu lokalisieren, ohne einen taktilen Sensor zu verwenden, was neue Anwendungsfelder eröffnet. Eine Möglichkeit besteht darin, zu wissen, wo genau sich das gegriffene Objekt in der Hand befindet, und eine andere könnte darin bestehen, bestimmte gewünschte Interaktionskräfte auf die Umgebung anzuwenden. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
3 zeigt einen als Roboterhand ausgeführten vollständig sensorgesteuerten Effektor 300 mit einem Effektorbasismodul 302, fünf Fingermodulen 304, 306, 308, 310, 312 und fünf Kraft-/Momentsensoren 314, 316, 318, 320, 322. Der Kraft-/Momentsensor 314 ist zwischen dem Effektorbasismodul 302 und dem Fingermodul 304 angeordnet und wirksam. Der Kraft-/Momentsensor 316 ist zwischen dem Effektorbasismodul 302 und dem Fingermodul 306 angeordnet und wirksam. Der Kraft-/Momentsensor 318 ist zwischen dem Effektorbasismodul 302 und dem Fingermodul 308 angeordnet und wirksam. Der Kraft-/Momentsensor 320 ist zwischen dem Effektorbasismodul 302 und dem Fingermodul 310 angeordnet und wirksam. Der Kraft-/Momentsensor 322 ist zwischen dem Effektorbasismodul 302 und dem Fingermodul 312 angeordnet und wirksam.
Die Informationen der Kraft-/Momentsensoren 314, 316, 318, 320, 322 werden direkt zur Extraktion der einzelnen Kontaktpunkte und Kontaktkräfte mit externen Objekten 324, 326 verwendet. Der Effektor 300 ermöglicht eine voneinander gesonderte Bestimmung interner Interaktionskräfte, die von den Motoren der Fingermodule erzeugt werden, einerseits und reiner Umgebungskräfte 328, 330, 332, 334, 336 die auf die Fingermodule 304, 306, 308, 310, 312 wirken, andererseits. Mit dem Effektor 300 ist eine vollsensorische, sehnengetriebene menschenähnliche Fünf-Finger-Roboterhand dargestellt. Der Effektor 300 ermöglicht eine Messung der gesamten Interaktionskräfte bzw. der Interal<tionskräfte an den externen Objekten 324, 326 an jeder Fingerbasis. Der Effektor 300 ermöglicht es, die Kontaktkräfte entlang der Fingerstruktur zu identifizieren und zu lokalisieren, ohne einen taktilen Sensor zu verwenden, was neue Anwendungsfelder eröffnet. Eine Möglichkeit besteht darin, zu wissen, wo genau sich das gegriffene Objekt 324, 326 in der Hand befindet, und eine andere könnte darin bestehen, bestimmte gewünschte Interaktionskräfte auf die Umgebung anzuwenden. 4 zeigt den Effektor 300 bei Interaktion mit einem Objekt 338, wobei an den Fingermodulen 304, 306, 308, 310, 312 Umgebungskräfte 340, 342, 344, 346, 348 wirken. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
5 zeigt einen auf Basis von DLR CLASH als Roboterhand mit variabler Steifigkeit ausgeführten vollständig sensorgesteuerten Effektor 400. Der Effektor 400 weist ein Effektorbasismodul 402, drei Fingermodule 404, 406, 408 und drei Kraft-/Momentsensoren 410, 412, 414 auf. Das Effektorbasismodul 402 weist Sensoradapter 416, 418, 420 für die Kraft-/Momentsensoren 410, 412, 414 auf. Die Fingerantriebe 422, 424, 426 der Fingermodule 404, 406, 408 und die Kraft-/Momentsensoren 410, 412, 414 sind in einem Gehäuse 428 angeordnet.
Der Kraft-/Momentsensor 410 ist als 6DOF-Kraft-Momentsensor ausgeführt, an dem Sensoradapter 416 angeordnet und zwischen dem Effektorbasismodul 402 und dem Fingermodul 404 angeordnet und wirksam. Der Kraft-/Momentsensor 412 ist als 6DOF-Kraft-Momentsensor ausgeführt, an dem Sensoradapter 418 angeordnet und zwischen dem Effektorbasismodul 402 und dem Fingermodul 406 angeordnet und wirksam. Der Kraft-/Momentsensor 414 ist als 6DOF-Kraft-Momentsensor ausgeführt, an dem Sensoradapter 420 angeordnet und zwischen dem Effektorbasismodul 402 und dem Fingermodul 408 angeordnet und wirksam.
Die Informationen der Kraft-/Momentsensoren 410, 412, 414 werden direkt zur Extraktion der einzelnen Kontaktpunkte und Kontaktkräfte mit externen Objekten verwendet. Der Effektor 400 ermöglicht eine voneinander gesonderte Bestimmung interner Interaktionskräfte, die von den Motoren der Fingermodule erzeugt werden, einerseits und reiner Umgebungskräfte, die auf die Fingermodule 404, 406, 408 wirken, andererseits. Der Effektor 400 ermöglicht eine Messung der gesamten Interaktionskräfte an jeder Fingerbasis. Der Effektor 400 ermöglicht es, die Kontaktkräfte entlang der Fingerstruktur zu identifizieren und zu lokalisieren, ohne einen taktilen Sensor zu verwenden, was neue Anwendungsfelder eröffnet. Eine Möglichkeit besteht darin, zu wissen, wo genau sich das gegriffene Objekt in der Hand befindet, und eine andere könnte darin bestehen, bestimmte gewünschte Interaktionskräfte auf die Umgebung anzuwenden. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.
Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funl<tionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.
Bezugszeichenliste

100: Effektor
102: Effel<torbasismodul
104: Fingermodul
106: Fingermodul
108: Kraft-/Momentsensor
110: Kraft-/Momentsensor
112: Fingerbasismodul
114: Fingerglied
116: Fingerglied
118: Fingergelenk
120: Fingergelenk
122: Fingerspitze
124: Fingerbasismodul
126: Fingerglied
128: Fingerglied
130: Fingergelenk
132: Fingergelenk
134: Fingerspitze
136: Anschlussflansch
137: Motor
138: Motor
140: Motor
142: Motor
144: Federelement
146: Federelement
148: Federelement
150: Federelement
152: Zugmittel
154: Zugmittel
156: Objekt
158: Umgebungskraft
160: Umgebungskraft
200: Effektor
202: Effektorbasismodul
204: Fingermodul
206: Fingermodul
208: Fingermodul
210: Kraft-/Momentsensor
212: Kraft-/Momentsensor
214: Kraft-/Momentsensor
216: Fingerbasismodul
218: Fingerglied
220: Fingerglied
222: Fingergelenk
224: Fingergelenk
226: Fingerspitze
228: Fingerbasismodul
230: Fingerglied
232: Fingerglied
234: Fingergelenk
236: Fingergelenk
238: Fingerspitze
240: Fingerbasismodul
242: Fingerglied
244: Fingerglied
246: Fingergelenk
248: Fingergelenk
250: Fingerspitze
300: Effektor
302: Effektorbasismodul
304: Fingermodul
306: Fingermodul
308: Fingermodul
310: Fingermodul
312: Fingermodul
314: Kraft-/Momentsensor
316: Kraft-/Momentsensor
318: Kraft-/Momentsensor
320: Kraft-/Momentsensor
322: Kraft-/Momentsensor
324: Objekt
326: Objekt
328: Umgebungskraft
330: Umgebungskraft
332: Umgebungskraft
334: Umgebungskraft
336: Umgebungskraft
338: Objekt
340: Umgebungskraft
342: Umgebungskraft
344: Umgebungskraft
346: Umgebungskraft
348: Umgebungskraft
400: Effektor
402: Effektorbasismodul
404: Fingermodul
406: Fingermodul
408: Fingermodul
410: Kraft-/Momentsensor
412: Kraft-/Momentsensor
414: Kraft-/Momentsensor
416: Sensoradapter
418: Sensoradapter
420: Sensoradapter
422: Fingerantrieb
424: Fingerantrieb
426: Fingerantrieb
428: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102021113636 [0002, 0024]

Claims

Effektor (100, 200, 300, 400) für einen Roboter, der Effektor (100, 200, 300, 400) aufweisend ein Effektorbasismodul (102, 202, 302, 402), wenigstens ein Fingermodul (104, 106, 204, 206, 208, 304, 306, 308, 310, 312, 404, 406, 408) und wenigstens einen Kraft-/Momentsensor (108, 110, 210, 212, 214, 314, 316, 318, 320, 322, 410, 412, 414), dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kraft-/Momentsensor (108, 110, 210, 212, 214, 314, 316, 318, 320, 322, 410, 412, 414) zwischen dem Effektorbasismodul (102, 202, 302, 402) und dem wenigstens einen Fingermodul (104, 106, 204, 206, 208, 304, 306, 308, 310, 312, 404, 406, 408) wirksam ist.
Effektor (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Fingermodul (104, 106, 204, 206, 208, 304, 306, 308, 310, 312, 404, 406, 408) ein Fingerbasismodul (112, 124, 216, 228, 240), wenigstens ein Fingerglied (114, 116, 126, 128, 218, 220, 230, 232, 242, 244) , wenigstens ein Fingergelenk (118, 120, 130, 132, 222, 224, 234, 236, 246, 248) und/oder eine Fingerspitze (122, 134, 226, 238, 250) aufweist.
Effektor (100, 200, 300, 400) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Effektor (100, 200, 300, 400) wenigstens einen Fingerantrieb (422, 424, 426) zum Beaufschlagen des wenigstens einen Fingermoduls (104, 106, 204, 206, 208, 304, 306, 308, 310, 312, 404, 406, 408) aufweist.
Effektor (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Fingerantrieb (422, 424, 426) an dem Fingerbasismodul (112, 124, 216, 228, 240) angeordnet ist.
Effektor (100, 200, 300, 400) nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Fingerantrieb (422, 424, 426) wenigstens einen Motor (137, 138, 140, 142) und wenigstens ein Zugmittel (152, 154) aufweist.
Effektor (100, 200, 300, 400) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Fingermodul (104, 106, 204, 206, 208, 304, 306, 308, 310, 312, 404, 406, 408) eine variable Steifigkeit aufweist.
Effektor (100, 200, 300, 400) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Effektor (100, 200, 300, 400) als Roboterhand ausgeführt ist.
Roboter mit einer Kontrolleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter einen Effektor (100, 200, 300, 400) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Verfahren zum Kontrollieren eines Effektors (100, 200, 300, 400) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eines Roboters nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem wenigstens einen Fingermodul (104, 106, 204, 206, 208, 304, 306, 308, 310, 312, 404, 406, 408) und einem externen Objekt (156, 324, 326, 338) wirksame Kontaktpunkte, Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente unter Berücksichtigung von Signalen des wenigstens einen realen Kraft-/Momentsensors (108, 110, 210, 212, 214, 314, 316, 318, 320, 322, 410, 412, 414) und/oder mithilfe eines modellierten Systems bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem modellierten System der Effektor (100, 200, 300, 400) als bewegliches System mit einem Freiheitsgrad f = 6 modelliert wird und den Freiheitsgraden zugeordnete Positionen und Geschwindigkeiten unter Berücksichtigung einer Roboterdynamik und einer Roboterkinematik vorgegeben werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem modellierten System der wenigstens eine Kraft-/Momentsensor (108, 110, 210, 212, 214, 314, 316, 318, 320, 322, 410, 412, 414) als passives mechanisch gebundenes Gelenk modelliert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem modellierten System wenigstens ein virtueller weiterer Kraft-/Momentsensor (108, 110, 210, 212, 214, 314, 316, 318, 320, 322, 410, 412, 414) modelliert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung von Signalen des wenigstens einen realen Kraft-/Momentsensors (108, 110, 210, 212, 214, 314, 316, 318, 320, 322, 410, 412, 414) und/oder des wenigstens einen modellierten Kraft-/Momentsensors in dem wenigstens einen Fingermodul (104, 106, 204, 206, 208, 304, 306, 308, 310, 312, 404, 406, 408) wirkende interne antriebsbedingte Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente und/oder an dem wenigstens einen Fingermodul (104, 106, 204, 206, 208, 304, 306, 308, 310, 312, 404, 406, 408) wirkende externe Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente isoliert werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung von Signalen des wenigstens einen realen Kraft-/Momentsensors (108, 110, 210, 212, 214, 314, 316, 318, 320, 322, 410, 412, 414) und/oder des wenigstens einen modellierten Kraft-/Momentsensors an beliebigen vorgegebenen Kontaktpunkten des wenigstens einen Fingermoduls (104, 106, 204, 206, 208, 304, 306, 308, 310, 312, 404, 406, 408) externe Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente bestimmt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für an dem wenigstens einen Fingermodul (104, 106, 204, 206, 208, 304, 306, 308, 310, 312, 404, 406, 408) wirkende externe Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente Kontaktpunkte bestimmt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ohne Beschleunigungsschätzung und/oder ohne Nutzung einer Jacobi-Matrix dynamisch ausgeführt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Fingermodul (104, 106, 204, 206, 208, 304, 306, 308, 310, 312, 404, 406, 408) basierend auf geometrischen Grundkörpern modelliert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ausgeführt wird, um ein externes Objekt (422, 424, 426) in Bezug auf das wenigstens eine Fingermodul (104, 106, 204, 206, 208, 304, 306, 308, 310, 312, 404, 406, 408) zu lokalisieren und/oder ein externes Objekt (422, 424, 426) mit vorgegebenen Interaktionskräfte und/oder Interaktionsmomente zu beaufschlagen.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm Programmcodeabschnitte umfasst, mit denen ein Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 18 ausführbar ist, wenn das Computerprogramm mithilfe einer Kontrolleinrichtung eines Effektors (100, 200, 300, 400) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder mithilfe einer Kontrolleinrichtung eines Roboters nach Anspruch 8 ausgeführt wird.