DE102021204495A1 - Verfahren und System zum Steuern eines Teleroboters - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Teleroboters (1) mithilfe einer Eingabevorrichtung, die ein bewegliches Stellmittel (3) aufweist, umfasst die, insbesondere mehrfach wiederholten, Schritte:- Kommandieren (S50) einer Soll-Pose des Teleroboters auf Basis einer erfassten Stellung des Stellmittels; und- Kommandieren (S50) einer Soll-Kraft des Stellmittels; wobei wenigstens eine virtuelle Begrenzung für den Teleroboter zwischen einem zulässigen und einem unzulässigen Bereich vorgegeben ist, und die Soll-Kraft ab dieser Begrenzung eine Rückstellkraftkomponente aufweist, die einer Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters von der Begrenzung weg in Richtung des unzulässigen Bereichs entgegenwirkt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Steuern eines Teleroboters mithilfe einer Eingabevorrichtung, die ein bewegliches Stellmittel aufweist, sowie ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
• Aus betriebsinterner Praxis ist es bekannt, einen Teleroboter mithilfe einer Eingabevorrichtung zu steuern, die ein bewegliches Stellmittel aufweist. Dabei werden Soll-Posenänderungen des Teleroboters, beispielsweise seines Endeffektors oder TCPs, auf Basis einer erfassten manuellen Verstellung des Stellmittels durch einen Bediener kommandiert und umgekehrt Soll-Kräfte des Stellmittels auf Basis sensorisch ermittelter externer Kräfte am Teleroboter kommandiert, so dass der Bediener eine haptische (Kraft)Rückkopplung am Stellmittel erfährt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Steuern eines Teleroboters mithilfe einer Betätigung eines Stellmittels einer Eingabevorrichtung zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 8, 9 stellen ein System bzw. Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
• Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Steuern eines Teleroboters mithilfe eines Eingabevorrichtung, die ein bewegliches Stellmittel aufweist, die, vorzugsweise mehrfach, in einer Ausführung zyklisch, wiederholten, Schritte auf:
• - Kommandieren einer Soll-Pose des Teleroboters, in einer Ausführung Kommandieren einer Soll-Pose einer roboterfesten Referenz des Teleroboters, auf Basis einer erfassten, in einer Ausführung manuell durch einen Bediener bewirkten, Stellung des Stellmittels; und
• - Kommandieren einer Soll-Kraft des Stellmittels, insbesondere auf das Stellmittel.
• Durch das Kommandieren von Soll-Posen kann der Teleroboter in einer Ausführung vorteilhaft präzise(r) gesteuert werden, durch das Kommandieren von Soll-Kräften in einer Ausführung eine vorteilhafte(re), insbesondere zuverlässige(re), ergonomische(re) und/oder intuitive(re) Bedienung des Stellmittels realisiert und so in einer Ausführung eine Teleoperation vereinfacht und/oder ihre Zuverlässigkeit verbessert werden.
• Der Teleroboter weist in einer Ausführung einen ((Tele)Roboter)Arm mit wenigstens drei, insbesondere wenigstens sechs, in einer Ausführung wenigstens sieben, Gelenken bzw. Bewegungsachsen auf. Die roboterfeste Referenz ist in einer Ausführung ortsfest bezüglich eines distalen Endflanschs des Teleroboter(arm)s, in einer Ausführung weist die roboterfeste Referenz einen Endeffektor oder TCP des Teleroboter(arm)s auf, kann insbesondere ein Endeffektor oder TCP des Teleroboter(arm)s sein.
• Das Stellmittel ist in einer Ausführung von dem Teleroboter und/oder einer (Roboter)Steuerung des Teleroboters räumlich beabstandet. In einer Ausführung ist die Eingabevorrichtung, insbesondere eine Eingabevorrichtungssteuerung, mit dem Teleroboter und/oder einer (Roboter)Steuerung des Teleroboters signalverbunden, in einer Weiterbildung drahtgebunden, was in einer Ausführung die Sicherheit erhöhen kann, in einer anderen Weiterbildung drahtlos, was in einer Ausführung die Flexibilität und/oder Reichweite erhöhen kann. Das Stellmittel ist in einer Ausführung beweglich, insbesondere über ein oder mehrere Gelenke, an einer Basis der Eingabevorrichtung gelagert, wobei eine Stellung des Stellmittels relativ zur Basis der Eingabevorrichtung in einer Ausführung, vorzugsweise sensorisch, erfasst wird.
• Eine Pose des Teleroboters umfasst in einer Ausführung eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Position und/oder eine ein-, zwei oder dreidimensionale Orientierung, in einer Ausführung einer bzw. der roboterfesten Referenz, insbesondere eines Endeffektors oder TCPs, des Teleroboters. Zusätzlich oder alternativ umfasst eine Pose des Teleroboters in einer Ausführung die Gelenkstellung von einem oder mehreren Gelenken des Teleroboters. Eine Stellung des Stellmittels umfasst in einer Ausführung eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Position und/oder eine ein-, zwei oder dreidimensionale Orientierung des Stellmittels relativ zu einer bzw. der Basis der Eingabevorrichtung und/oder die Gelenkstellung von einem oder mehreren Gelenken, über die das Stellmittel relativ zu einer bzw. der Basis der Eingabevorrichtung beweglich gelagert ist.
• Eine Kraft im Sinne der vorliegenden Erfindung kann auch ein gegensinnig paralleles Kräftepaar bzw. Drehmoment aufweisen, insbesondere sein. Ein Steuern im Sinne der vorliegenden Erfindung kann auch ein Regeln sein.
• In einer Ausführung verstellen Antriebe des Teleroboters dessen Achsen bzw. Gelenke, um die kommandierte(n) Soll-Pose(n) anzufahren, wobei entsprechende Soll-Gelenk-Verstellungen in einer Ausführung in an sich bekannter Weise mittels inverser Kinematik ermittelt werden, gegebenenfalls unter Redundanzauflösung in an sich bekannter Weise.
• In einer Ausführung aktuieren Antriebe der Eingabevorrichtung das Stellmittel, um die kommandierte Soll-Kraft auszuüben, insbesondere über das Stellmittel auf eine das Stellmittel manuell betätigende Bedienperson.
• Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist bzw. sind, insbesondere wird bzw. werden, eine oder mehrere virtuelle Begrenzung(en) für den Teleroboter zwischen (jeweils) einem zulässigen und einem unzulässigen Bereich vorgegeben.
• Die bzw. eine oder mehrere der virtuelle(n) Begrenzung(en) ist bzw. sind, insbesondere wird bzw. werden, in einer Ausführung (jeweils) als virtuelle, insbesondere gerade oder gekrümmte, Wand in einem Arbeitsraum des Teleroboters vorgegeben.
• Dadurch kann in einer Ausführung die Teleoperation verbessert, insbesondere eine Umgebung des Teleroboters geschützt und/oder ein Steuern des Teleroboters durch einen Bediener mithilfe der Eingabevorrichtung verbessert, insbesondere geführt, werden.
• In einer Ausführung ist bzw. sind, insbesondere wird bzw. werden, die bzw. eine oder mehrere der virtuelle(n) Begrenzungen jeweils) als virtueller Anschlag eines oder mehrerer Gelenke des Teleroboters vorgegeben.
• Dadurch kann in einer Ausführung der Teleroboter geschützt werden.
• Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist die kommandierte Soll-Kraft des Stellmittels ab dieser virtuellen Begrenzung eine Rückstellkraftkomponente auf, die einer Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters von der Begrenzung weg in Richtung des unzulässigen Bereichs entgegenwirkt bzw. derart ermittelt bzw. kommandiert wird.
• Dadurch wird in einer Ausführung dem Bediener, der den Teleroboter über das bzw. Verstellen des Stellmittel(s) steuert, eine vorteilhafte haptische Rückmeldung in Form einer künstlich bzw. zusätzlich erzeugten Gegenkraft vermittelt. Hierdurch kann in einer Ausführung das Steuern des Teleroboters mithilfe der Eingabevorrichtung bzw. durch einen das Stellmittel betätigenden Bediener verbessert werden, insbesondere der Bediener den Teleroboter einfach(er), zuverlässig(er), präzise(r), ergonomisch(er) und/oder intuitiv(er) steuern.
• In einer Ausführung simuliert die Rückstellkraftkomponente, vorzugsweise nur bzw. ausschließlich, einen Kontakt des Teleroboters mit einem Hindernis, in einer Ausführung einen Kontakt einer bzw. der roboterfesten Referenz des Teleroboters mit einem Umgebungshindernis. Das beinhaltet in einer Ausführung, dass ein Bediener des Stellmittels diese Rückstellkraftkomponente nur als Kraft(komponente) spürt, die, in einer Ausführung skaliert, einer externen Kraft am Teleroboter, insbesondere der roboterfesten Referenz, in einer Richtung entspricht, die senkrecht zu einer (virtuellen) Oberfläche des (virtuellen) Hindernisses steht und von dieser (virtuellen) Oberfläche weg (in den zulässigen Bereich) gerichtet ist, bzw. die Soll-Kraft bzw. Rückstellkraftkomponente entsprechend ermittelt bzw. kommandiert wird.
• Hierdurch kann in einer Ausführung das Steuern des Teleroboters mithilfe der Eingabevorrichtung bzw. durch einen das Stellmittel betätigenden Bediener verbessert werden, insbesondere der Bediener den Teleroboter einfach(er), zuverlässig(er), präzise(r), ergonomisch(er) und/oder intuitiv(er) steuern.
• In einer Ausführung ist die Rückstellkraftkomponente eine Kraft einer virtuellen Druckfeder, wobei diese virtuelle Druckfeder in einer Weiterbildung nur durch bzw. bei eine(r) Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters von der Begrenzung weg in Richtung des unzulässigen Bereichs und/oder eine(r) Bewegung des Teleroboters von der Begrenzung weg in Richtung des unzulässigen Bereichs (virtuell) gespannt bzw. gestaucht wird und/oder eine Feder(druck)kraft dieser virtuellen Druckfeder von einer aktuellen und/oder einer vorhergehenden Stellung des Stellmittels und/oder von einer aktuellen und/oder einer vorhergehenden Pose des Teleroboters, insbesondere der roboterfesten Referenz, abhängt, insbesondere auf Basis einer aktuellen und/oder einer vorhergehenden Stellung des Stellmittels und/oder einer aktuellen und/oder einer vorhergehenden Pose des Teleroboters, insbesondere der roboterfesten Referenz, ermittelt wird. Somit wirkt diese virtuelle Feder in einer Ausführung nur als Druck- und nicht als Zugfeder. In einer Ausführung vermittelt bzw. simuliert diese Rückstellkraftkomponente bzw. virtuelle Druckfeder nur eine Kraft am Teleroboter gegensinnig zu einer Kontakt- bzw. Eindringrichtung, welche von der Begrenzung weg in Richtung des unzulässigen Bereichs gerichtet ist, aber nicht in irgendeiner anderen Richtung, bzw. eine entsprechende Kraft(komponente) am Stellmittel.
• Hierdurch kann in einer Ausführung die Rückstellkraftkomponente besonders einfach, zuverlässig und/oder präzise ermittelt und/oder ein Kontakt des Teleroboters mit einem Hindernis besonders einfach und/oder realistisch simuliert werden.
• In einer Ausführung hängt die Feder(druck)kraft der virtuellen Druckfeder (auch) von einer vorgegebenen, in einer Ausführung durch einen Bediener der Eingabevorrichtung einstellbaren, Federsteifigkeit der virtuellen Druckfeder ab, wird insbesondere auf Basis einer vorgegebenen, in einer Ausführung durch einen Bediener der Eingabevorrichtung einstellbaren, Federsteifigkeit dieser virtuellen Feder ermittelt.
• Zusätzlich oder alternativ hängt die Feder(druck)kraft der virtuellen Druckfeder in einer Ausführung (auch) von einer vorgegebenen, in einer Ausführung durch einen Bediener der Eingabevorrichtung einstellbaren, Skalierung zwischen Verstellungen des Stellmittels und Bewegungen des Teleroboters, insbesondere der roboterfesten Referenz, ab, wird insbesondere auf Basis einer vorgegebenen, in einer Ausführung durch einen Bediener der Eingabevorrichtung einstellbaren, Skalierung zwischen Verstellungen des Stellmittels und Bewegungen des Teleroboters, insbesondere der roboterfesten Referenz, ermittelt.
• Hierdurch kann in einer Ausführung eine besonders vorteilhafte Federcharakteristik der virtuellen Feder bzw. Kontaktkraftkomponente bzw. des simulierten Kontakts realisiert und dadurch in einer Ausführung eine Teleoperation vereinfacht und/oder ihre Zuverlässigkeit verbessert werden.
• In einer Ausführung wird ein Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters ab der Begrenzung in Richtung des unzulässigen Bereichs während einer Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren dieser Bewegung des Teleroboters unterdrückt bzw. bei einer Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters eine Komponente dieser Bewegung ab der Begrenzung in Richtung des unzulässigen Bereichs ausgeblendet bzw. nicht kommandiert bzw. nur Komponenten dieser Bewegung in Richtung des zulässigen Bereichs und/oder entlang der Begrenzung kommandiert.
• Dadurch kann in einer Ausführung die Teleoperation verbessert, insbesondere eine Umgebung des Teleroboters geschützt und/oder ein Steuern des Teleroboters durch einen Bediener mithilfe der Eingabevorrichtung verbessert, insbesondere geführt, werden.
• In einer Ausführung weist die Soll-Kraft eine Kraftrückkopplungskomponente auf, die von einer externen Kraft an dem bzw. auf den Teleroboter, in einer Weiterbildung an dessen bzw. auf dessen roboterfeste Referenz, wirkenden externen Kraft abhängt, diese in einer Ausführung nachbildet, in einer Weiterbildung skaliert nachbildet.
• Die externe Kraft an dem bzw. auf den Teleroboter wird in einer Ausführung mithilfe wenigstens eines distalen bzw. endeffektorseitigen Kraftsensors des Teleroboters und/oder, vorzugsweise modellgestützt, auf Basis von Gelenkkräften des Teleroboters ermittelt.
• Dadurch kann in einer Ausführung eine vorteilhafte haptische Rückkopplung realisiert und hierdurch die Teleoperation verbessert werden, vorzugsweise der Bediener den Teleroboter einfach(er), zuverlässig(er), präzise(r), ergonomisch(er) und/oder intuitiv(er) steuern.
• In einer Ausführung weist die Soll-Kraft eine Dämpfungskomponente auf, die von einer Verstellgeschwindigkeit des Stellmittels abhängt, dieser in einer Ausführung entgegengerichtet ist.
• Dadurch kann in einer Ausführung der Bediener den Teleroboter einfach(er), zuverlässig(er), präzise(r) und/oder ergonomisch(er) steuern.
• In einer Ausführung wird, wenn der Teleroboter in dem zulässigen Bereich bzw. nicht an der Begrenzung oder in dem unzulässigen Bereich ist, eine Soll-Kraft f_d,HD des Stellmittels ermittelt, die eine Kraftrückkopplungskomponente, die von einer externen Kraft f_e an dem Teleroboter, in einer Ausführung an einer bzw. der roboterfesten Referenz, insbesondere also dem Endeffektor bzw. TCP, abhängt, diese insbesondere (skaliert) nachbildet, und in einer Ausführung zusätzlich eine Dämpfungskomponente, die von einer (aktuellen) Verstellgeschwindigkeit (dX/dt)_c,HD des Stellmittels abhängt, aufweist: $$f_{\text{d},\text{HD}}=f_{\text{e}}-D\cdot {\left(\text{d}X\text{/d}t\right)}_{\text{c},\text{HD}}$$

  

  mit dem Dämpfungskoeffizienten D.
• In einer Ausführung wird eine Soll-Pose X_d,r des Teleroboters, in einer Ausführung einer bzw. der roboterfesten Referenz, insbesondere also des Endeffektors bzw. TCPs, gemäß $$X_{\text{d},\text{r}}=\left(X_{\text{c},\text{HD}}-X_{\text{ini},\text{HD}}\right)\cdot s+X_{\text{ini},\text{r}}$$

  

  mit der aktuellen Stellung X_c,HD des Stellmittels, der vorhergehenden Stellung X_ini,HD des Stellmittels, der vorhergehenden Pose X_ini,r des Teleroboters bzw. der roboterfesten Referenz und einer vorgegebenen Skalierung s zwischen Verstellungen des Stellmittels und Bewegungen des Teleroboters bzw. der roboterfesten Referenz ermittelt, wenn der Teleroboter in dem zulässigen Bereich bzw. nicht an der Begrenzung oder in dem unzulässigen Bereich ist.
• In einer Ausführung wird für eine oder mehrere virtuelle Begrenzungen jeweils eine unzulässige bzw. Begrenzungsrichtung u_L, vorzugsweise senkrecht zu der virtuellen Begrenzung und in Richtung des unzulässigen Bereichs, ermittelt. Ist beispielsweise eine virtuelle Begrenzung in Form einer virtuellen Wand bei ymax im kartesischen Arbeitsraum vorgegeben, so ist diese die unzulässige bzw. Begrenzungsrichtung u_L = [010]^τ.
• In einer Ausführung wird eine Rotationsmatrix ⁰R_L, die ein Koordinatensystem 0 des kartesischen Raums und ein Koordinatensystem L, das an der unzulässigen bzw. Begrenzungsrichtung ausgerichtet ist, in einer Ausführung eine mit dieser fluchtende z-Achse aufweist, ineinander transformiert, ermittelt, wobei eine Rotationsachse U und ein Rotationswinkel 0 dieser Transformation bzw. Rotationsmatrix in einer Ausführung aus $$U={\left[001\right]}^{\text{T}}\times u_L$$

  

  $$\text{cos}\mathrm{\theta }=\left({\left[001\right]}^{\text{T}}\cdot u_L\right)\text{/}\Vert u_L\Vert$$

  

  ermittelt wird und die Rotationsmatrix ⁰R_L vom Koordinatensystem L in das Koordinatensystem 0 transformiert, ihre Transponierte (⁰R_L)^T entsprechend vom Koordinatensystem 0 in das Koordinatensystem L. Natürlich kann anstelle der z-Achse auch eine andere Achse verwendet und dies in den entsprechenden Gleichungen berücksichtigt werden.
• Ab der virtuellen Begrenzung wird in einer Ausführung der Soll-Kraft f_d,HD des Stellmittels gemäß Gleichung (1) eine Rückstellkraftkomponente $${}^{L}e{}_{HD}={\left({}^{0}R{}_L\right)}^{\text{T}}\cdot \left(X_{d,HD}-X_{c,HD}\right)$$

  

  $${}^{L}f{}_{imp,HD}=0$$

  

  $${}^{L}e{}_{HD}\left[3\right]<0\Rightarrow \text{setze }{}^{L}f{}_{imp,HD}\left[3\right]=K\cdot {}^{L}e{}_{HD}\left[3\right]$$

  

  $$f_{imp,HD}={}^{0}R{}_L\cdot {}^{L}f{}_{imp,HD}$$

  

  einer virtuellen Druckfeder hinzugefügt: $$f_{\text{d},\text{HD}}=f_e+f_{imp,HD}-D\cdot {\left(\text{d}X\text{/d}t\right)}_{\text{c},\text{HD}}$$

  
• Dabei ist K eine Federsteifigkeit der virtuellen Feder und X_d,HD eine Soll-Stellung des Stellmittels, insbesondere gemäß: $$X_{\text{d},\text{HD}}=\left(X_{\text{c},\text{r}}-X_{\text{ini},\text{r}}\right)\text{/}s+X_{\text{ini},\text{HD}}$$

  

  mit der aktuellen Pose X_c,r der roboterfesten Referenz. Man erkennt, dass die Federkraft der virtuellen Druckfeder von der aktuellen und der vorhergehenden Stellung des Stellmittels und der aktuellen und der vorhergehenden Pose des Teleroboters abhängt: $$K\cdot \left(X_{d,HD}-X_{c,HD}\right)=K\cdot \left[\left(X_{\text{c},\text{r}}-X_{\text{ini},\text{r}}\right)\text{/}s+\left(X_{\text{ini},\text{HD}}-X_{c,HD}\right)\right]$$

  

  und nur einer Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters von der Begrenzung weg in Richtung des unzulässigen Bereichs entgegenwirkt (^Le_HD[3] < 0). Der Index *[3] bezeichnet die z-Komponente des entsprechenden Vektors.
• Ist beispielsweise eine virtuelle Begrenzung in Form einer virtuellen Wand im Arbeitsraum bei ymax vorgegeben, so wird ab der Begrenzung, d. h. für y_d,r > y_max mit der y-Komponente y_d,r der kartesischen Position des Endeffektors bzw. TCPs, ein Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters in Richtung des unzulässigen Bereichs während einer Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren dieser Bewegung des Teleroboters unterdrückt $$y_{d,r}>y_{\text{max}}\Rightarrow \text{setze }{y}_{d,r}=y_{\text{max}}$$

  

  und der Soll-Kraft f_d,HD des Stellmittels gemäß Gleichung (1) die Rückstellkraftkomponente $$f_{imp,HD}=K\cdot {\left[0\left(y_{d,HD}-y_{\text{c},\text{HD}}\right)0\right]}^{\text{T}}$$

  

  bzw. in allgemeiner Form $$f_{imp,HD}=K\cdot \left(X_{d,HD}-X_{c,HD}\right)$$

  

  hinzugefügt.
• Falls eine virtuelle Begrenzung als virtueller Anschlag eines oder mehrerer Gelenke vorgegeben ist, werden in einer Ausführung in einer Eins-Matrix die Zeilen bzw. Spalten der Gelenke mit Null belegt, die am Anschlag bzw. der virtuellen Begrenzung sind, beispielsweise bei einem Teleroboter mit sieben Gelenken und dem zweiten und sechsten Gelenk am virtuellen Anschlag: $$P=\left[\begin{array}{ccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  

  und eine Singulärwertzerlegung („Singular Value Decomposition“ SVD) der Matrix J·P·(J·P)^T mit der Jacobimatrix J der roboterfesten Referenz in eine unitäre Matrix U, die Adjungierte V* einer unitären Matrix V und die Matrix S der Singulärwerte durchgeführt {U·S·V* = J·P(J·P)^T). Für die Singulärwerte gleich Null, d. h. die Werte S[m, m] der Matrix S, die gleich Null sind, ist eine unzulässige bzw. Begrenzungsrichtung durch den zugehörigen Spaltenvektor U[:,m] der Matrix U bestimmt. Der Index *[m,m] bezeichnet den Wert in Spalte m und Zeile m der entsprechenden Matrix, der Index *[:,m] den m. Spaltenvektor.
• Zusätzlich wird eine Geschwindigkeitsrichtung gemäß $$\text{d}{X}_e\text{/d}t=J\cdot \left(1-P\right)\cdot J^{\#}\cdot {\left(\text{d}X\text{/d}t\right)}_{\text{d},\text{r}}$$

  

  $$u_{vel}=\text{d}{X}_{\text{e}}\text{/d}t\text{/}\Vert \text{d}{X}_{\text{e}}\text{/d}t\Vert$$

  

  mit der Pseudoinversen J^# und der kartesischen Soll-Geschwindigkeit zur Erreichung der Soll-Pose unter der Annahme, dass keine Gelenkanschläge vorhanden sind, ermittelt und der (jeweilige) Winkel 0 zwischen dieser Geschwindigkeitsrichtung und dem bzw. den entsprechenden Spaltenvektor(en) U[:,m] der Matrix U ermittelt: $$\text{cos}\mathrm{\theta }=\left(u_{vel}\cdot U\left[;,\text{m}\right]\right)\text{/}\Vert U\left[:,\text{m}\right]\Vert$$

  
• Ist dieser Winkel größer als 90°, wird als unzulässige bzw. Begrenzungsrichtung u_L der negative (normierte) Spaltenvektor(en) U[:,m] der Matrix U verwendet, andernfalls der (normierte) Spaltenvektor(en) U[:,m] der Matrix U: $$u_L=\{\begin{array}{l}U\left[:,\text{m}\right],\text{ falls }\mathrm{\theta }\le 90°\hfill \\ -U\left[:,\text{m}\right],\text{ sonst}\hfill \end{array}$$

  
• Diese unzulässige bzw. Begrenzungsrichtung u_L wird dann in oben beschriebener Weise verwendet, um bei einer virtuellen Begrenzung in Form eines virtuellen Anschlags eines oder mehrerer Gelenke des Teleroboters die zugehörige Rückstellkraftkomponente zu ermitteln bzw. kommandieren.
• Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System, insbesondere hard- und/oder software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:
• - Mittel zum Vorgeben wenigstens einer virtuellen Begrenzung für den Teleroboter zwischen einem zulässigen und einem unzulässigen Bereich;
• - Mittel zum Kommandieren einer Soll-Pose des Teleroboters auf Basis einer erfassten Stellung des Stellmittels; und
• - Mittel zum Kommandieren einer Soll-Kraft des Stellmittels,
wobei die Soll-Kraft ab der virtuellen Begrenzung eine Rückstellkraftkomponente aufweist, die einer Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters von der Begrenzung weg in Richtung des unzulässigen Bereichs entgegenwirkt.
• In einer Ausführung weist das System bzw. sein(e) Mittel auf:
• Mittel zum Unterdrücken eines Kommandierens einer Bewegung des Teleroboters ab der Begrenzung in Richtung des unzulässigen Bereichs während einer Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren dieser Bewegung des Teleroboters.
• Ein System und/oder ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere wenigstens eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU), Graphikkarte (GPU) oder dergleichen, und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die Verarbeitungseinheit kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die Verarbeitungseinheit die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere den Teleroboter steuern kann. Ein Computerprogrammprodukt kann in einer Ausführung ein, insbesondere computerlesbares und/oder nicht-flüchtiges, Speichermedium zum Speichern eines Programms bzw. von Anweisungen bzw. mit einem darauf gespeicherten Programm bzw. mit darauf gespeicherten Anweisungen aufweisen, insbesondere sein. In einer Ausführung veranlasst ein Ausführen dieses Programms bzw. dieser Anweisungen durch ein System bzw. eine Steuerung, insbesondere einen Computer oder eine Anordnung von mehreren Computern, das System bzw. die Steuerung, insbesondere den bzw. die Computer, dazu, ein hier beschriebenes Verfahren bzw. einen oder mehrere seiner Schritte auszuführen, bzw. sind das Programm bzw. die Anweisungen hierzu eingerichtet.
• In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch das System bzw. sein(e) Mittel.
• In einer Ausführung weist das System den Teleroboter und/oder dessen Robotersteuerung und/oder die Eingabevorrichtung auf.
• Unter einem Kontakt im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere in an sich bekannter Weise ein einseitiger Kontakt bzw. die Berührung von zwei Oberflächen verstanden.
• In einer Ausführung wird die Soll-Pose, in einer Weiterbildung das Kommandieren und/oder Anfahren der Soll-Pose, mithilfe einer Positions-, Geschwindigkeits- oder Kraftregelung im Gelenkraum bzw. Raum der Gelenkkoordinaten des Teleroboters realisiert. Dadurch kann der Teleroboter in einer Ausführung vorteilhaft, insbesondere präzise(r), einfach(er) und/oder zuverlässige(r), betrieben werden.Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
• 1: ein System zum Steuern eines Teleroboters mithilfe einer Eingabevorrichtung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
• 2: ein Verfahren zum Steuern des Teleroboters mithilfe der Eingabevorrichtung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
• 1, 2 zeigen ein System bzw. Verfahren nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zum Steuern eines Teleroboter(arm)s 1 mithilfe einer Eingabevorrichtung, die eine Basis 2.1, ein relativ zur Basis 2.1 bewegliches Stellmittel 3 und eine Eingabevorrichtungssteuerung 2.2 aufweist, über eine Robotersteuerung 4, die drahtlos oder drahtgebunden mit der Eingabevorrichtungssteuerung 2.2 kommuniziert. Die Eingabevorrichtungssteuerung 2.2 kann in die Basis 2.1 integriert sein.
• In einem Schritt S10 werden eine aktuelle Pose des Stellmittels 3 relativ zur Eingabevorrichtung 2.1 sowie, in einer Ausführung mithilfe wenigstens eines distalen bzw. endeffektorseitigen Kraftsensors 6 des Teleroboter(arm)s oder modellgestützt auf Basis von Gelenkkräften des Teleroboter(arm)s, eine externe Kraft f_e an einer roboterfesten Referenz in Form eines Endeffektors 5 sensorisch ermittelt. Zusätzlich werden eine aktuelle Stellung X_c,HD des Stellmittels und eine aktuelle Pose X_c,r des Endeffektors 5 ermittelt, wobei die (aktuelle) Verstellgeschwindigkeit (dX/dt)_c,HD in einer Ausführung durch Zeitdifferentiation der aktuellen Stellung X_c,HD ermittelt oder umgekehrt die aktuelle Stellung X_c,HD durch Zeitintegration ermittelt wird.
• In einem Schritt S20 wird ermittelt, ob der Teleroboter sich an einer oder mehreren vorgegebenen virtuellen Begrenzungen oder durch diese abgegrenzten unzulässigen Bereichen befindet.
• Ist dies nicht der Fall (S20: „N“) werden in einem Schritt S30 gemäß obiger Gleichungen (1), (2) eine neue Soll-Kraft f_d,HD des Stellmittels 3 und eine neue Soll-Pose X_d,r des Teleroboters, in einer Ausführung des Endeffektors 5, ermittelt.
• Andernfalls (S20: „Y“) werden in einem Schritt S34 gemäß obiger Gleichungen (2)-(13) eine neue Soll-Kraft f_d,HD des Stellmittels 3 und eine neue Soll-Pose X_d,r des Teleroboters, in einer Ausführung des Endeffektors 5, ermittelt, insbesondere also ein Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters während einer Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren dieser Bewegung des Teleroboters unterdrückt (vgl. Gleichung (8)) und die Soll-Kraft mit der bzw. den entsprechenden Rückstellkraftkomponente(n) ermittelt (vgl. Gleichung (5)), so dass ein Bediener des bzw. am Stellmittel 3 einen Kontakt des Teleroboters mit einem virtuellen Hindernis spürt.
• In einem Schritt S50 werden die jeweilige Soll-Pose und Soll-Kraft kommandiert.
• Dann kehrt das Verfahren zurück zu Schritt S10, wobei die bisherige aktuelle Stellung des Stellmittels 3 die neue vorhergehende Stellung des Stellmittels 3 und die bisherige aktuelle Pose des Endeffektor 5 die neue vorhergehende Pose des Endeffektors 5 bilden.
• Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
• Bezugszeichenliste

1

Teleroboter(arm)

2.1

Eingabevorrichtungsbasis

2.2

Eingabevorrichtungssteuerung

3

Stellmittel

4

Robotersteuerung

5

Endeffektor (roboterfeste Referenz)

6

Kraftsensor

Claims (9)

1. Verfahren zum Steuern eines Teleroboters (1) mithilfe einer Eingabevorrichtung, die ein bewegliches Stellmittel (3) aufweist, mit den, insbesondere mehrfach wiederholten, Schritten: - Kommandieren (S50) einer Soll-Pose des Teleroboters auf Basis einer erfassten Stellung des Stellmittels; und - Kommandieren (S50) einer Soll-Kraft des Stellmittels; wobei wenigstens eine virtuelle Begrenzung für den Teleroboter zwischen einem zulässigen und einem unzulässigen Bereich vorgegeben ist, und die Soll-Kraft ab dieser Begrenzung eine Rückstellkraftkomponente aufweist, die einer Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters von der Begrenzung weg in Richtung des unzulässigen Bereichs entgegenwirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraftkomponente einen Kontakt des Teleroboters mit einem Hindernis simuliert.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraftkomponente eine Kraft einer virtuellen Druckfeder ist, insbesondere einer virtuellen Druckfeder, die nur durch eine Bewegung des Teleroboters von der Begrenzung weg in Richtung des unzulässigen Bereichs und/oder eine Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters von der Begrenzung weg in Richtung des unzulässigen Bereichs gespannt wird und/oder deren Federkraft von einer aktuellen und/oder einer vorhergehenden Stellung des Stellmittels und/oder von einer aktuellen und/oder einer vorhergehenden Pose des Teleroboters und/oder von einer vorgegebenen Federsteifigkeit der virtuellen Druckfeder und/oder von einer vorgegebenen Skalierung zwischen Verstellungen des Stellmittels und Bewegungen des Teleroboters abhängt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters ab der Begrenzung in Richtung des unzulässigen Bereichs während einer Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren dieser Bewegung des Teleroboters unterdrückt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Begrenzung als virtuelle Wand in einem Arbeitsraum des Teleroboters oder als virtueller Anschlag wenigstens eines Gelenks des Teleroboters vorgegeben ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Kraft eine Kraftrückkopplungskomponente aufweist, die von einer externen Kraft an dem Teleroboter abhängt, diese insbesondere, gegebenenfalls skaliert, nachbildet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Kraft eine Dämpfungskomponente aufweist, die von einer Verstellgeschwindigkeit des Stellmittels abhängt.
8. System zum Steuern eines Teleroboters (1) mithilfe einer Eingabevorrichtung, die ein bewegliches Stellmittel (3) aufweist, das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist: - Mittel zum Vorgeben wenigstens einer virtuellen Begrenzung für den Teleroboter zwischen einem zulässigen und einem unzulässigen Bereich; - Mittel zum Kommandieren einer Soll-Pose des Teleroboters auf Basis einer erfassten Stellung des Stellmittels; und - Mittel zum Kommandieren einer Soll-Kraft des Stellmittels, wobei die Soll-Kraft ab der virtuellen Begrenzung eine Rückstellkraftkomponente aufweist, die einer Betätigung des Stellmittels zum Kommandieren einer Bewegung des Teleroboters von der Begrenzung weg in Richtung des unzulässigen Bereichs entgegenwirkt.
9. Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt, wobei das Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt, insbesondere auf einem computerlesbaren und/oder nicht-flüchtigen Speichermedium gespeicherte, Anweisungen enthält, die bei der Ausführung durch einen oder mehrere Computer oder ein System nach Anspruch 8 den oder die Computer oder das System dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.

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