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Die Erfindung betrifft ein Robotersystem mit einem Robotermanipulator zum Unterstützen des manuellen Führens des Robotermanipulators.
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Wird beim manuellen Führen eines Robotermanipulators durch einen Anwender eine bestimmte Position, bevorzugt bezüglich eines erdfesten, insbesondere kartesischen, Koordinatensystems eingelernt, indem der Anwender einen Referenzpunkt des Robotermanipulators an diese bestimmte Position von Hand bewegt und dem Robotermanipulator bzw. seiner Steuereinheit signalisiert, dass diese bestimmte Position als eingelernte Position abzuspeichern ist, und bewegt der Anwender den Robotermanipulator anschließend von dieser bestimmten Position wieder weg, so kann es für den Anwender schwierig sein, die eben eingelernte Position des Referenzpunkts des Robotermanipulators durch manuelles Führen wiederzufinden. Im Gegensatz dazu kann es für den Anwender hilfreich sein, darin unterstützt zu werden, bestimmte Positionen im Raum nicht ein zweites Mal einzulernen oder nicht in der Nähe einer bereits eingelernten Position im Raum eine weitere Position einzulernen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das manuelle Führen eines Robotermanipulators und das Einlernen von Positionen eines Referenzpunktes des Robotermanipulators für einen Anwender zu verbessern.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Robotersystem mit einem Robotermanipulator, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist und an den Gliedern Aktuatoren zum Bewegen der Glieder gegeneinander angeordnet sind, wobei das Robotersystem eine Steuereinheit zum Ansteuern der Aktuatoren, eine Posenerfassungseinheit zum Erfassen einer Pose des Robotermanipulators, und eine Speichereinheit zum Abspeichern von durch manuelles Führen des Robotermanipulators eingelernten Posen bezüglich eines Referenzpunktes des Robotermanipulators aufweist, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, die Aktuatoren des Robotermanipulators so anzusteuern, dass zumindest eine der abgespeicherten Posen das Optimum einer lokalen Quelle oder lokalen Senke ist, und die lokale Quelle und die lokale Senke jeweils ein Kraftfeld definieren, sodass der Referenzpunkt des Robotermanipulators beim erneuten manuellen Führen zur zumindest einen der abgespeicherten Posen im Falle der Senke von der jeweiligen zumindest einen der abgespeicherten Posen angezogen und im Falle der Quelle von der jeweiligen zumindest einen der abgespeicherten Posen abgestoßen wird.
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Bevorzugt ist das jeweilige Kraftfeld radialsymmetrisch, das heißt, in alle Richtungen um das Optimum der Quelle bzw. der Senke ist im gleichen Abstand der gleiche Betrag des Gradienten des Krfatfeldes definiert. Das Optimum einer Quelle bzw. einer Senke bezeichnet dabei jeweils den Extrempunkt, das heißt Maximum oder Minimum, bei dessen Durchlaufen sich insbesondere ein Wechsel der Richtung der durch das Kraftfeld erzeugten Kraft ergibt. Bei einer Quelle wird beim Überschreiten des Optimums der Referenzpunkt des Robotermanipulators in die entgegengesetzte Richtung abgestoßen, bei einer Senke in die entgegengesetzte Richtung angezogen.
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Der Referenzpunkt des Robotermanipulators ist ein vorgegebener Ort auf dem Robotermanipulator, wahlweise auf einem Endeffektor des Robotermanipulators. Durch eine bekannte Geometrie des Robotermanipulators und durch die durch die Posenerfassungseinheit erfasste Pose des Robotermanipulators, insbesondere die Gesamtheit aller Gelenkwinkel des Robotermanipulators, ist somit zu jedem aktuellen Zeitpunkt ein Koordinatensatz des Referenzpunkts des Robotermanipulators insbesondere auch gegenüber einem erdfesten, bevorzugt kartesischen, Koordinatensystem bekannt.
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Die Pose des Robotermanipulators ist im Sinne der Erfindung als Datensatz zu verstehen, der es zumindest ermöglicht, die Position des Referenzpunktes des Robotermanipulators in einem beliebigen Koordinatensystem anzugeben, insbesondere einem erdfesten und weiteren bevorzugt kartesischen Koordinatensystem. Weiterhin bevorzugt gibt der Begriff der Pose einen vollständigen Datensatz wieder, um sämtliche Gelenkwinkel an den Gelenken des Robotermanipulators zu bestimmen, sodass auch bei redundanten Robotermanipulatoren die Winkel aller Glieder zueinander bestimmbar sind. Weiterhin bevorzugt kann, aber nicht zwingend, im Begriff der Pose auch eine Orientierung zumindest eines Gliedes des Robotermanipulators oder eines Endeffektor des Robotermanipulators inbegriffen sein, bevorzugt desjenigen Gliedes, an dem der Referenzpunkt des Robotermanipulators angeordnet ist. So kann auch der Begriff der Quelle und der Senke im rotatorischen Sinne definiert sein, um eine entsprechend eingelernte Orientierung des Robotermanipulators oder eines Gliedes des Robotermanipulators oder auch seines Endeffektors durch eine entsprechende Quelle abzustoßen oder durch eine entsprechende Senke anzuziehen.
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Die Aktuatoren des Robotermanipulators sind bevorzugt elektrische Aktuatoren, die durch die Steuereinheit durch entsprechende Steuersignale ansteuerbar sind. Die Aktuatoren können dabei Momente erzeugen (im Fall von linearer Aktuatoren auch direkt Kräfte). Durch entsprechende Transformationen, insbesondere basierend auf einer aktuellen Jacobi Matrix bezogen auf den Referenzpunkt des Robotermanipulators, können die Aktuatoren des Robotermanipulator so angesteuert werden, dass sich aus Sicht des Anwenders beim manuellen Führen des Robotermanipulators ein Verhalten einer künstlichen Feder, oder einer künstlichen Dämpfung, oder einer künstlichen Schwerkraft und andere, prinzipiell beliebige, Effekte ergeben. Eine solche Rückmeldung des Robotermanipulators wirkt insbesondere haptisch, das heißt, die Kraft, die zwischen dem Anwender, insbesondere seiner Hand, und dem Robotermanipulator wirkt, ist insbesondere posenabhängig oder auch geschwindigkeitsabhängig.
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Das jeweilige Kraftfeld der Quelle bzw. der Senke hat für den Anwender den Effekt, dass der Referenzpunkte des Robotermanipulators oder auch das Glied, an dem der Referenzpunkt des Robotermanipulators angeordnet ist, von der Senke angezogen und von der Quelle abgestoßen wird, sodass die Position des Referenzpunktes des Robotermanipulator bzw. die Orientierung eines bestimmten Gliedes oder des Endeffektors des Robotermanipulator im Falle der Quelle nur gegen einen Widerstand zur ursprünglich eingelernten Pose (Position und/oder Orientierung) manuell führbar ist oder im Falle der Senke gerade zu dieser angezogen wird.
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Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass beim manuellen Führen eines Robotermanipulators durch einen Anwender der Anwender eine haptische Rückmeldung über bereits eingelernte Positionen und/oder Orientierungen erhält. Im Falle der Senke ist es für den Anwender daher sehr einfach, den bereits eingelernten Punkt im Raum oder die bereits eingelernte Orientierung eines Gliedes oder des Endeffektors des Robotermanipulators wiederzufinden, auch nachdem der Anwender nach dem Einlernen den Robotermanipulator in eine beliebige Pose verschiebt. Im Falle der Quelle wird der Anwender ferner vorteilhaft von bereits eingelernten Punkten und/oder Orientierungen haptisch weggeführt. Im Fall der Quelle kann somit vorteilhaft insbesondere ein Bauteil, an das der Referenzpunkt des Robotermanipulators herangeführt wurde, um an der Oberfläche des Bauteils Positionen einzulernen, beim weiteren manuellen Führen des Robotermanipulators vor Kollisionen des Robotermanipulators mit dem Bauteil geschützt werden, da der Anwender eine entsprechende abstoßende Rückmeldung des Robotermanipulators vom Bauteil weg verspürt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, die Aktuatoren des Robotermanipulators beim manuellen Führen schwerkraftkompensiert anzusteuern. Beim schwerkraftkompensierten Ansteuern eines Robotermanipulators werden die Aktuatoren des Robotermanipulators genau so angesteuert, das heißt, mit einem entsprechenden jeweiligen Moment, dass die auf alle Komponenten des Robotermanipulator wirkende Schwerkraft künstlich neutralisiert wird und der Robotermanipulator sich in einem künstlichen schwerelosen Feld bewegen lässt. Bevorzugt wird in Kombination zur schwerkraftkompensierten Ansteuerung des Robotermanipulators, welche insbesondere durch ein Massemodell und die aktuelle bekannte Pose des Robotermanipulators realisiert wird, die Gesamtheit der Aktuatoren zu angesteuert, dass sich der Robotermanipulator von Hand mit geringem Kraftaufwand führen lässt. Dies vereinfacht vorteilhaft den Vorgang des manuellen Führens, da insbesondere der Robotermanipulator ausgehend von einer stationären Pose in dieser Ruhelage verbleibt, wenn der Anwender keine Kraft auf den Robotermanipulator ausübt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, die Aktuatoren des Robotermanipulators beim manuellen Führen impedanzgeregelt anzusteuern. Bei der Impedanzregelung werden von der Steuereinheit die Aktuatoren so angesteuert, dass sich der Robotermanipulator als Feder-Masse-Dämpfer-System verhält, was vorteilhaft einem natürlichen Verhalten von dynamischen Systemen entspricht. Der Anwender kann somit intuitiv und ohne Übung den Robotermanipulator manuell leicht führen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das jeweilige Kraftfeld eine endliche Ausdehnung auf. Die endliche Ausdehnung des jeweiligen Kraftfeldes hat den Vorteil, dass der Robotermanipulator beim Führen in einem gewissen Abstand zum jeweiligen Optimum einer Quelle bzw. einer Senke ohne Einfluss der Quelle oder der Senke ist. Somit verspürt der Anwender bei manuellen Robotermanipulator in einem solchen ausreichenden Abstand zu einem jeweiligen Optimum keine derartige Rückmeldung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das jeweilige Kraftfeld eine unendliche Ausdehnung auf. Bei einer unendlichen Ausdehnung des jeweiligen Kraftfeldes wird im Gegensatz zur vorherigen Ausführungsform der Anwender beim manuellen Führen des Robotermanipulators in jeder Pose des Robotermanipulator eine Rückmeldung verspüren. Insbesondere im Falle einer Senke, wenn bereits eingelernte Positionen oder Orientierungen wiedergefunden werden sollen, vereinfacht die unendliche Ausdehnung eines jeweiligen Kraftfeldes das Wiederauffinden und erlaubt dies besonders intuitiv, da der Robotermanipulator und insbesondere sein Referenzpunkt in jeder Pose zur nächstgelegenen Senke strebt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Robotersystem eine Eingabeeinheit auf, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, das jeweilige Kraftfeld nur auf ein erstes Eingabesignal des Anwenders an der Eingabeeinheit zu aktivieren. Vorteilhaft erlaubt es die Eingabeeinheit, das Verhalten, insbesondere die haptische Rückmeldung des Robotermanipulator, bezüglich der Optima nur in besonderen Situationen zu aktivieren, insbesondere dann, wenn bereits eingelernte Positionen und/oder Orientierungen wiedergefunden werden sollen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zumindest eine der abgespeicherten Posen das Optimum einer lokalen Senke, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, auf ein zweites Eingabesignal des Anwenders an der Eingabeeinheit hin die zumindest eine der abgespeicherten Posen durch die jeweils aktuelle Pose zu überschreiben. Vorteilhaft kann gemäß dieser Ausführungsform der Anwender nach dem durch Anziehung unterstützten Anfahren der bereits eingelernten Pose bezüglich des Referenzpunktes des Robotermanipulators, insbesondere der Position des Referenzpunktes, die ursprünglich eingelernte Pose korrigieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Eingabeeinheit dazu ausgeführt, einen Wert für einen maßgeblichen Radius des jeweiligen Kraftfelds zu erfassen und den entsprechenden Wert an die Steuereinheit zu übermitteln, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, die Aktuatoren des Robotermanipulators so anzusteuern, dass sich das jeweilige Kraftfeld mit dem vorgegebenen Radius ergibt. Unabhängig davon, ob das Kraftfeld eine endliche Ausdehnung oder eine unendliche Ausdehnung aufweist, kann jedem Kraftfeld ein maßgeblicher Radius zugewiesen werden. Bei endlicher Ausdehnung ist der maßgebliche Radius der Radius der Ausdehnung selbst, bei unendlicher Ausdehnung wird insbesondere der maßgebliche Radius im Bezug auf die Abnahme oder Zunahme des Kraftfeldes definiert, insbesondere wird der maßgebliche Radius bei 50 %, 66 %, oder 75 % der betragsmäßig maximalen Amplitude des jeweiligen Kraftfeldes definiert. Auch andere Definitionen sind möglich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, die Aktuatoren so anzusteuern, dass dem jeweiligen Kraftfeld überlagert eine geschwindigkeitsabhängige Kraft und/oder ein geschwindigkeitsabhängiges Moment bezüglich des Referenzpunkts des Robotermanipulators einer Bewegung des Referenzpunkts des Robotermanipulators entgegenwirkt. Die geschwindigkeitsabhängige Kraft bzw. ein geschwindigkeitsabhängiges Moment auf den Robotermanipulator wird auch als künstliche Dämpfung bezeichnet. Dies erlaubt vorteilhaft bei einer freien Bewegung des Robotermanipulators, dass dieser nach endlichen Zeiten in einer Ruhestellung verharrt, ohne dass er (wie im ungedämpften Fall) in einer unendlich andauernden Schwingung mit konstanter Amplitude verbleiben würde.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Robotersystem weiterhin eine Anzeigeeinheit auf, wobei die Anzeigeeinheit dazu ausgeführt ist, eine Visualisierung der zumindest einen der abgespeicherten Posen und eine Visualisierung des jeweiligen Kraftfeldes und eine Visualisierung der aktuellen Position des Referenzpunktes auszugeben. Bevorzugt wird auf der Anzeigeeinheit ein dreidimensionales Bild dargestellt, sodass der Anwender vorteilhaft einen räumlichen Eindruck der Situation bekommt, insbesondere in welchem Abstand der Referenzpunkt des Robotermanipulators zu den jeweiligen Kraftfeldern ist. Die Anzeigeeinheit ist bevorzugt ein Bildschirm, aber auch eine Brille für Anwendungen der virtuellen Realität oder ein Projektor oder andere im Stand der Technik bekannten Anzeigemöglichkeiten sind möglich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, aus einer Vielzahl von abgespeicherten Posen eine virtuelle Fläche oder ein virtuelles Volumen zu erzeugen, und die Aktuatoren so anzusteuern, dass zumindest ein Optimum einer lokalen Quelle oder einer lokalen Senke innerhalb der virtuellen Fläche oder innerhalb des virtuellen Volumens ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterstützen des manuellen Führens eines Robotermanipulators eines Robotersystems, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist und an den Gliedern Aktuatoren zum Bewegen der Glieder gegeneinander angeordnet sind, aufweisend die Schritte:
- - Abspeichern von durch manuelles Führen des Robotermanipulators eingelernten Posen bezüglich eines Referenzpunktes des Robotermanipulators in einer Speichereinheit des Robotersystems, wobei die jeweilige Pose des Robotermanipulators durch eine Posenerfassungseinheit erfasst wird,
- - Ansteuern der Aktuatoren durch eine Steuereinheit so, dass zumindest eine der abgespeicherten Posen das Optimum einer lokalen Quelle oder lokalen Senke ist, und die lokale Quelle und die lokale Senke jeweils ein Kraftfeld definiert, sodass der Referenzpunkt des Robotermanipulators beim erneuten manuellen Führen auf die zumindest eine der abgespeicherten Posen hin im Falle der Senke von der jeweiligen zumindest einen der abgespeicherten Posen angezogen und im Falle der Quelle von der jeweiligen zumindest einen der abgespeicherten Posen abgestoßen wird.
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Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Robotersystem vorstehend gemachten Ausführungen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1 ein Robotersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 2 ein Verfahren, das am Robotersystem der 1 ausgeführt wird.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt ein Robotersystem 100 mit einem Robotermanipulator 1. Der Robotermanipulator 1 weist eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern auf. An jedem der Gelenke ist einer der elektrischen Aktuatoren 3 zum Bewegen der Glieder gegeneinander durch Erzeugung von entsprechenden Momenten angeordnet. Das Robotersystem 100 weist außerdem eine Steuereinheit 5 zum Ansteuern der Aktuatoren 3 und eine Posenerfassungseinheit 9 zum Erfassen einer Pose des Robotermanipulators 1 auf. Die Posenerfassungseinheit 9 setzt sich dabei aus der Gesamtheit aus an den Gelenken angeordneten Winkelmesseinheiten zum Erfassen eines jeweiligen Gelenkwinkels zusammen. Die Pose berücksichtigt lediglich die Position des Referenzpunktes bezüglich eines erdfesten Koordinatensystems, wird jedoch über die Gelenkwinkel und die bekannte Geometrie der Glieder ermittelt. In einer Speichereinheit 7 werden so durch manuelles Führen des Robotermanipulators 1 angefahrene Positionen des Referenzpunktes des Robotermanipulators 1 abgespeichert. Die Steuereinheit 5 steuert daraufhin die elektrischen Aktuatoren 3 des Robotermanipulators 1 so an, dass die abgespeicherten Positionen jeweilige Optima von jeweiligen lokalen Senken sind. Jede der lokalen Senken bildet jeweils ein radialsymmetrisches Kraftfeld mit endlicher Ausdehnung und mit vorgegebenem Radius, sodass der Referenzpunkt des Robotermanipulators 1 beim erneuten manuellen Führen auf die abgespeicherten Positioneb hin von der jeweiligen abgespeicherten Position angezogen wird. Wenn der Robotermanipulator 1 manuell geführt wird, steuert außerdem die Steuereinheit 5 die elektrischen Aktuatoren 3 des Robotermanipulators 1 zum Neutralisieren der auf den Robotermanipulator 1 wirkenden Schwerkraft an. An einer Eingabeeinheit 11 des Robotersystems 100 kann der Anwender eingeben, wann das jeweilige Kraftfeld aktiviert werden soll. Hierzu stehen dem Anwender ein Knopf am Robotermanipulator 1 selbst, oder wahlweise die Tastatur an einem mit der Steuereinheit 5 verbundenen Anwenderrechner zu Verfügung. Außerdem weist der Anwenderrechner eine Anzeigeeinheit 13 auf, wobei die Anzeigeeinheit 13 dazu ausgeführt ist, eine Visualisierung der abgespeicherten Positionen und eine Visualisierung des jeweiligen Kraftfeldes und eine Visualisierung der aktuellen Position des Referenzpunktes auszugeben.
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2 zeigt ein Verfahren zum Unterstützen des manuellen Führens eines Robotermanipulators 1 eines Robotersystems 100, wie in 1 gezeigt. Der Robotermanipulator 1 weist daher eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern auf und an den Gliedern sind elektrische Aktuatoren 3 zum Bewegen der Glieder gegeneinander angeordnet. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Abspeichern S1 von durch manuelles Führen des Robotermanipulators 1 eingelernten Positionen eines Referenzpunktes des Robotermanipulators 1 in einer Speichereinheit 7 des Robotersystems 100, wobei die jeweilige Position des Robotermanipulators 1 durch eine Posenerfassungseinheit 9 erfasst wird,
- - Ansteuern S2 der Aktuatoren 3 durch eine Steuereinheit 5 so, dass die abgespeicherten Positionen die jeweiligen Optima von lokalen Senken sind, und jede der lokalen Senken jeweils ein Kraftfeld definieren, sodass der Referenzpunkt des Robotermanipulators 1 beim erneuten manuellen Führen auf die zumindest eine der abgespeicherten Posen hin von der jeweiligen abgespeicherten Positionen angezogen werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Robotermanipulator
- 3
- Aktuatoren
- 5
- Steuereinheit
- 7
- Speichereinheit
- 9
- Posenerfassungseinheit
- 11
- Eingabeeinheit
- 13
- Anzeigeeinheit
- 100
- Robotersystem
- S1
- Abspeichern
- S2
- Ansteuern
