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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem zum Steuern eines Industrieroboters, der einen Bewegungssteuerungsabschnitt aufweist, wobei der Bewegungssteuerungsabschnitt zum Betreiben des Roboters in Übereinstimmung mit einem Steuerprogramm und einem Satz von Bewegungssteuerungsparametern ausgelegt ist.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Steuern eines Industrieroboters, wobei der Roboter in Übereinstimmung mit einem Steuerprogramm und einem Satz von Bewegungssteuerungsparametern betrieben wird.
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STAND DER TECHNIK
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Ein Industrieroboter weist einen Manipulator und ein Steuersystem zum Steuern der Bewegungen des Manipulators in Übereinstimmung mit einem Steuerprogramm auf, das Informationen hinsichtlich eines gewünschten Pfads enthält, der durch den Manipulator während der Ausführung des Programms zu befolgen ist. Der Pfad weist Positionen und die Geschwindigkeit des Manipulators entlang des Pfads sowie möglicherweise auch weitere Anforderungen auf, beispielsweise benutzerseitige Beschleunigungsbeschränkungen. Das Steuerprogramm enthält eine Reihe von Programminstruktionen, die in einer Robotersprache geschrieben sind. Das Steuersystem umfasst einen Programmausführer, der zur Ausführung bzw. Abarbeitung des Steuerprogramms ausgelegt ist, und einen Bewegungssteuerungsabschnitt. Der Bewegungssteuerungsabschnitt umfasst einen Bewegungsbahn-Interpolator, der zum Empfangen von Instruktionen von dem Steuerprogramm und zur Erzeugung von Referenzwerten für die Bewegung auf der Basis der empfangenen Instruktionen ausgelegt ist, und eine Servosteuereinrichtung, die zum Erzeugen von Steuersignalen für den Manipulator auf der Basis der Referenzwerte und von dem Manipulator gemessenen Werten konfiguriert ist. Das Verhalten bzw. die Performance des Bewegungssteuerungsabschnitts wird durch eine Mehrzahl von Bewegungssteuerungsparametern wie etwa einer Steuerungsverstärkung, Modellparametern, maximales Motordrehmoment, maximales Getriebedrehmoment und maximale Stressbeanspruchung des mechanischen Aufbaus des Manipulators bestimmt.
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Ein Industrieroboter ist eine Vielzweckmaschine für industrielle Automatisierung. Die Anforderungen und Betriebsbedingungen variieren für unterschiedliche Arten von Einsätzen. Generell besteht die Anforderung hinsichtlich des Bewegungssteuerungssystems darin, einem gewünschten Pfad in Übereinstimmung mit einer Genauigkeitsspezifikation für die spezifische Anwendung zu folgen. Herkömmlicherweise wird der Bewegungssteuerungsabschnitt des Roboter-Steuersystems durch den Roboter-Lieferanten im Hinblick auf einen Haupteinsatz des Roboters, oder im Hinblick auf eine Gruppe von Applikationen bzw. Einsatzzwecken mit möglicherweise widerstreitenden Anforderungen optimiert. Die Optimierung des Bewegungssteuerungsabschnitts schließt das Bestimmen bzw. Festlegen von optimalen Bewegungssteuerungsparametern ein. Jedoch ist es schwierig, Bewegungsparameter zu finden, die für viele Einsatzarten optimal sind. Dies führt dazu, dass die Performance des Roboters für einen oder einige wenige Einsätze, nicht aber für alle Arten von Einsätzen optimal ist. Die Optimierung der Bewegungssteuerungsparameter ist für den Benutzer des Roboters nur mit Schwierigkeiten durchzuführen, da dies Expertenwissen hinsichtlich des Bewegungssteuerungsabschnitts des Roboters erfordert. Falls das Verhalten (Performance) des Roboters nicht zufriedenstellend ist, muss der Roboterlieferant derzeit eine Person mit speziellen Kenntnissen an den Einsatzort senden, um die Bewegungssteuerungsparameter abzustimmen bzw. einzustellen.
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Eine Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
US 2007/0244599 offenbart ein Gerät und ein Verfahren zum Optimieren eines Roboterverhaltens mit Hilfe eines externen Computers, der mit dem Robotersteuersystem zum Empfangen von Leistungsverhaltens-Daten des Roboters, während die Steuerung ein Pfadprogramm abarbeitet, verbunden ist. Der externe Computer benutzt die Leistungsverhaltens-Daten, benutzerseitig spezifizierte Optimierungs-Zielvorgaben und Beschränkungen sowie einen kinematischen/dynamischen Simulator zur Erzeugung eines neuen Satzes von Bewegungssystemparametern, die den fehlerhaften Satz in dem Steuersystem ersetzen. Der Computer wiederholt den Prozess, bis der neue Satz von Steuerungsparametern optimiert ist. Die Parameter werden in Abhängigkeit von dem aktuellen Robotersystem und den Betriebsbedingungen optimiert. Einige Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, dass es einen externen Computer erfordert, der mit dem Roboter verbunden ist, dass es aufgrund des iterativen Ansatzes einige Zeit benötigt, und dass es das existierende Expertenwissen für einen gewissen Einsatztyp nicht benutzt.
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AUFGABEN UND KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Benutzer mit einer Möglichkeit zur einfachen Optimierung des Leistungsverhaltens des Bewegungssteuerungsabschnitts des Roboters für den aktuellen Einsatzzweck des Roboters zu versehen.
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In Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Steuersystem gemäß der Definition im Anspruch 1 gelöst.
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Ein solches Steuersystem weist einen Datenspeicher zum Speichern einer Mehrzahl von optionalen Sätzen von Bewegungssteuerungsparametern auf, die für unterschiedliche Arten von Einsätzen bzw. Anwendungen angepasst sind, und es ist das Steuersystem zum Empfangen von Informationen hinsichtlich eines ausgewählten Einsatz- bzw. Anbindungstyps konfiguriert, und es ist der Bewegungssteuerungsabschnitt zum Betreiben des Roboters in Übereinstimmung mit dem Satz von Bewegungssteuerungsparametern ausgelegt, der zu dem ausgewählten Einsatztyp gehört.
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Eine Mehrzahl von Sätzen von Bewegungssteuerungsparametern ist vorab für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Einsatztypen optimiert. Jeder Einsatztyp ist mit einem Satz von Bewegungssteuerungsparametern versehen, die für den Einsatztyp optimiert sind. Als Beispiel sind die Einsatztypen ein diskreter Prozesstyp, ein kontinuierlicher Hochgeschwindigkeits-Prozesstyp und ein kontinuierlicher Niedriggeschwindigkeits-Prozesstyp. Alternativ können die Einsatztypen auch noch spezifischer sein, wie etwa Punktschweißen, Zeichnen bzw. Farbaufbringen, Verkleben, Wasserschneiden bzw. Schneiden mittels Wasser und Laserschneiden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Steuerungssystem ist es nicht länger erforderlich, dass der Roboter-Lieferant eine Person zu der Roboter-Einsatzstelle sendet, um die Bewegungssteuerungsparameter abzustimmen. Das Leistungsverhalten des Roboters kann durch den Benutzer mit einem einzigen Befehl geändert werden. Ein Vorteil bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass es für den Benutzer einfach ist, das Leistungsverhalten des Roboters in Abhängigkeit von dem gegenwärtigen Einsatz zu optimieren, ohne irgendwelche speziellen Kenntnisse hinsichtlich des Bewegungssteuerungsabschnitts des Roboters zu haben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass kein externer Computer für die Optimierung erforderlich ist.
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In Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten die Sätze von Bewegungssteuerungsparametern Beschränkungen hinsichtlich der Bewegungsbahn-Interpolation, wie etwa eines maximalen Motordrehmoments, einer maximalen Geschwindigkeit und einer maximalen Beschleunigungsableitung.
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In Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten die Sätze von Bewegungssteuerungsparametern Servosteuerungsparameter, d. h. Parameter in der Rückkopplungs- und Vorwärtskopplungs-Steuerung, wie Steuerungsverstärkungsfaktoren, und Modellparameter.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Sätze von Bewegungssteuerungsparametern Beschränkungen hinsichtlich der Bewegungsbahn-Interpolation und weiterhin auch Servosteuerungsparameter auf. Folglich ist es möglich, die Bewegungsbahn-Interpolation und auch die Servosteuerung des Roboters zu optimieren.
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In Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten die Sätze von Bewegungssteuerungsparametern einen Standard-Satz von Bewegungssteuerungsparametern, und es ist das Steuerungssystem so konfiguriert, dass es eine Änderung des Satzes von Bewegungssteuerungsparametern auf eine Anforderung hin aktiviert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Änderung des Satzes von Parametern auf eine Ausführung eines spezifischen Befehls in dem Steuerungsprogramm hin aktiviert. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht es, den Satz von Bewegungssteuerungsparametern on-line bzw. direkt während der Ausführung des Steuerprogramms und während des Betriebs des Roboters zu ändern. Falls beispielsweise ein Einsatz bzw. eine Anwendung widerstreitende Anforderungen hat, ist es möglich, den Einsatztyp einmal oder mehrere Male während des Roboterzyklus zu ändern.
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In Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Steuersystem eine Konfigurationsdatenbank auf, die Informationen hinsichtlich des Typs des von dem Roboter durchgeführten Einsatzes enthält, und es ist das Steuersystem so konfiguriert, dass es die Änderungen des Satzes von Bewegungssteuerungsparametern dadurch aktiviert, dass es den Typ des Einsatzes in der Konfigurationsdatenbank ändert. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht es dem Benutzer, die Bewegungssteuerungsparameter für einen neuen Einsatz zu optimieren, indem einfach der Typ des Einsatzes in der Konfigurationsdatenbank geändert wird. Als Beispiel wird durch das Steuerungssystem eine Benutzer-Schnittstelle bereitgestellt, die dem Benutzer die Auswahl des Typs des Einsatzes erlaubt.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Gesichtspunkt wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Steuern des Roboters gelöst, wie es im Anspruch 9 definiert ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung noch näher erläutert.
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1 zeigt ein Steuersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt einen Manipulator 1 und ein Steuerungssystem zum Steuern der Bewegungen des Manipulators in Überstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Steuerungssystem enthält einen Programm-Ausführer 2, der zur Durchführung bzw. Abarbeitung von Steuerprogrammen einschließlich von Informationen hinsichtlich eines gewünschten Pfads ausgelegt ist, und einen Bewegungssteuerungsabschnitt 3. Der Bewegungssteuerungsabschnitt 3 umfasst einen Bewegungsbahn-Interpolator 5, der zum Empfangen von Instruktionen p von dem Programm-Ausführer 2 und zum Erzeugen von Referenzwerten r für die Bewegung ausgelegt ist, und eine Servosteuerung 6, die zum Erzeugen von Steuersignalen y für den Manipulator 1 auf der Basis der Referenzwerte r und gemessener Werte u von dem Manipulator ausgelegt ist. Der Bewegungsbahn-Interpolator plant, wie die befohlene Bewegung ausgeführt werden sollte, indem eine Interpolation der befohlenen Bewegung ausgeführt. Die Interpolation enthält das Unterteilen der befohlenen Bewegung in eine Vielzahl von kleinen Inkrementen, und das Berechnen von Verbindungswinkeln für alle Achsen des Manipulators für jedes Inkrement. Die Verbindungswinkel werden dann in Servosteuerungs-Referenzen r konvertiert. Die Servosteuerungs-Referenzen r werden zu der Servosteuerung 6 übertragen. Der Manipulator ist mit verschiedenen Messeinrichtungen ausgestattet, z. B. mit Winkelmesseinrichtungen zum Freistellen von Motorpositions-Rückkopplungssignalen und mit Beschleunigungsmesseinrichtungen zum Messen der Beschleunigungen des Roboterarms ausgestattet. Die von den Messeinrichtungen stammenden Rückkopplungssignale u werden zu der Servosteuerung 6 geleitet. Die Servosteuerung 6 enthält eine Rückkopplungssteuerung und möglicherweise auch eine Vorwärtskopplungs-Steuereinrichtung.
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Das Leistungsverhalten des Bewegungssteuerungs-Abschnitts wird beispielsweise durch die Algorithmen, die für die Bewegungsbahn-Interpolation und für die Servosteuerung verwendet werden, und dadurch bestimmt, welche Modellstrukturen durch den Bewegungsbahn-Interpolator und die Servosteuerung verwendet werden, welche Modellparameter von dem kinematischen Modell und dem dynamischen Modell des Roboters verwendet werden, welche Beschränkungen hinsichtlich der Bewegungsbahn-Interpolation festgelegt sind, und welche Servosteuerungsparameter benutzt werden.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung ist eine Mehrzahl von Sätzen von Bewegungssteuerungsparametern, die für unterschiedliche Typen von Einsätzen bzw. Anwendungen optimiert sind, bestimmt und in dem Robotersteuerungssystem gespeichert oder an einer Stelle gespeichert, die für das Robotersteuerungssystem leicht zugänglich ist. Jeder Satz von Bewegungssteuerungsparametern wird zusammen mit Informationen hinsichtlich des Einsatztyps gespeichert, zu dem er gehört. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel weist das Steuerungssystem einen Datenspeicher 10 zum Speichern der Sätze von Bewegungssteuerungsparametern auf, die für unterschiedliche Arten von Einsätzen bzw. Anwendungen ausgelegt sind. Die Bewegungssteuerungsparameter bestimmen das Verhalten des Bewegungssteuerungsabschnitts und folglich das Leistungsverhalten des Roboters. Hierbei kann es bei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung unterschiedlich sein, welche Parameter der vorab definierte Satz von Bewegungssteuerungsparametern enthalten soll. Vorzugsweise sollen der Satz von Bewegungssteuerungsparametern zumindest Parameter, die Beschränkungen hinsichtlich der Bewegungsbahn-Interpolation definieren, und Steuerungsparameter für die Servosteuerung enthalten. In anderen Ausführungsbeispielen können die Sätze von Bewegungssteuerungsparametern Parameter zum Auswählen, welche Algorithmen für die Bewegungsbahn-Interpolation und für die Servosteuerung zu verwenden sind, Parameter zum Auswählen, welche Modellstrukturen für den Bewegungsbahn Interpolator und die Servosteuerung zu verwenden sind, und Modellparameter des kinematischen Modells und des dynamischen Modells des Roboters enthalten.
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Der Bewegungssteuerungsabschnitt ist für verschiedene Einsatztypen optimiert. Jede Optimierung erzeugt einen Satz von Bewegungssteuerungsparametern, der für den Einsatztyp optimiert ist. Das Ergebnis besteht in einer Anzahl von Sätzen von Bewegungssteuerungsparametern, wobei jeder Satz das Leistungsverhalten des Roboters für einen speziellen Einsatz- bzw. Anwendungstyp optimiert. Die Anzahl von Einsatztypen, und folglich die Anzahl von vorab definierten Sätzen von Bewegungssteuerungsparametern kann bei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung variieren. Als Beispiel beträgt die Anzahl von wählbaren Anwendungstypen drei: ein diskreter Prozess, ein kontinuierlicher Hochgeschwindigkeits-Prozess, und ein kontinuierlicher Niedriggeschwindigkeits-Prozess. Ein diskreter Prozess ist beispielsweise eine Materialhandhabung (Anwendungen für das Aufnehmen und Platzieren) und ein Punktschweißen. Ein diskreter Prozess hat üblicherweise hohe Anforderungen an die Zykluszeit, jedoch geringere Anforderungen hinsichtlich der Pfadgenauigkeit, was sich auf die Optimierung der Steuerungsparameter für den diskreten Prozess auswirkt. Beispiele für kontinuierliche Hochgeschwindigkeits-Prozesse sind Kleben, Malen bzw. Färben, Wasserstrahl-Schneiden und Schleifen. Die Anforderung an den Hochgeschwindigkeits-Prozess ist beispielsweise ein Pfadfehler von weniger als 1 mm, was die Optimierung der Steuerungsparameter für die kontinuierlichen Hochgeschwindigkeits-Prozesse beeinflusst. Die hauptsächliche Fehlerquelle für die kontinuierlichen Hochgeschwindigkeits-Prozesse ist die Elastizität des Getriebekastens bzw. des Getriebes und des Manipulator-Arms, die die Optimierung ebenfalls beeinflussen. Beispiele für kontinuierliche Niedriggeschwindigkeits-Prozesse sind Laser-Schneiden und Lichtbogenschweißen. Die Anforderung an die kontinuierlichen Niedriggeschwindigkeits-Prozesse besteht beispielsweise in einem Pfadfehler von weniger als 0,1 mm, was sich auf die Optimierung der Steuerungsparameter für die kontinuierlichen Niedriggeschwindigkeits-Prozesse auswirkt. Die Hauptfehlerquellen für die kontinuierlichen Niedriggeschwindigkeits-Prozesse sind Reibung und Motorrauhigkeit bzw. Motorwelligkeit oder Motorgeschwindigkeitsschwankungen, die die Optimierung ebenfalls beeinflussen.
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Die Sätze von Bewegungssteuerungsparametern können einen Standard-Satz bzw. Vorgabe-Satz von Bewegungssteuerungsparametern enthalten, und es ist das Steuersystem dann so konfiguriert, dass es auf Anforderung hin eine Änderung des Satzes von Bewegungssteuerungsparametern aktiviert. Die Bewegungssteuerungsparameter können on-line bzw. während des Prozesses anhand der Roboter-Programmierungssprache, oder vor der Ausführung des Roboter-Steuerprogramms geändert werden, beispielsweise dadurch, dass ein Einsatztyp in einer Konfigurationsdatenbank, die in dem Datenspeicher 10 gespeichert ist, geändert wird. Das Roboter-Steuerungssystem ist mit einer Benutzer-Schnittstelle 10 versehen, beispielsweise mit einer sogenannten Handprogrammiereinheit oder einem externen Computer. Die Benutzer-Schnittstelle erlaubt es dem Benutzer, einen der Sätze von Parametern zu selektieren, indem einer der Einsatztypen gewählt wird. Beispielsweise werden die für die Auswahl zur Verfügung stehenden Einsatztypen auf einem Anzeigebildschirm der Benutzer-Schnittstelle 12 angezeigt, und es ändert der Benutzer den Satz von Bewegungssteuerungsparametern, indem er einen der angezeigten Einsatztypen selektiert. Das Steuerungssystem ist dazu ausgelegt, Informationen hinsichtlich eines ausgewählten Typs des Einsatzes zu empfangen und den ausgewählten Einsatztyp beispielsweise in einer Konfigurationsdatenbank zu speichern. Der Bewegungssteuerungsabschnitt ist derart konfiguriert, dass er den Roboter in Übereinstimmung mit dem Satz von Bewegungssteuerungsparametern, der zu dem ausgewählten Einsatztyp gehört, betreibt.
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Die Erfindung stellt für den Roboterbenutzer Bewegungssteuerungsparameter bereit, die einfach zu benutzen sind und die einsatzoptimiert sind. Der Benutzer muss keinerlei detaillierte Kenntnisse des Bewegungssteuerungsabschnitts aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche auch variiert und modifiziert werden. Als Beispiel können die Einsatztypen und die Parameter bei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung variieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem zum Steuern eines Industrieroboters, der einen Bewegungssteuerungsabschnitt (3) aufweist, wobei der Bewegungssteuerungsabschnitt zum Betreiben des Roboters in Übereinstimmung mit einem Steuerprogramm und einem Satz von Bewegungssteuerungsparametern ausgelegt ist. Das Steuersystem umfasst einen Datenspeicher (10) zum Speichern einer Mehrzahl von optionalen Sätzen von Bewegungssteuerungsparametern, die an unterschiedliche Typen von Einsätzen angepasst sind, wobei das Steuersystem zum Empfangen von Informationen hinsichtlich eines ausgewählten Einsatztyps konfiguriert ist und der Bewegungssteuerungsabschnitt zum Betreiben des Roboters in Übereinstimmung mit dem Satz von Bewegungssteuerungsparametern ausgelegt ist, die zu dem ausgewählten Einsatztyp gehören.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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