DE202020102438U1 - Assistenzroboter - Google Patents

Abstract

Assistenz-Roboter mit
einer Rollstuhlbasis, wobei die Rollstuhlbasis mindestens drei Räder zur Fortbewegung und Drehung aufweist,
einem mit der Rollstuhlbasis verbundenen Roboterarm mit einem Endeffektor zur Ausführung von Tätigkeiten, wobei insbesondere der Endeffektor ausgebildet ist als Greifer,
einer mit der Rollstuhlbasis und dem Roboterarm verbundene Steuerungseinheit zur gemeinsamen Bewegungssteuerung der Rollstuhlbasis und des Roboterarms,
wobei die Steuerungseinheit konfiguriert ist, derart, dass mindestens ein Bewegungsbereich und/oder ein Sperrbereich vorgegeben ist, und durch die Steuerungseinheit eine Bewegung des Endeffektors im Bewegungsbereich nur durch den Roboterarm ausgeführt wird und eine Bewegung der Rollstuhlbasis in den Sperrbereich verhindert wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Assistenzroboter.
• Bekannte Assistenzroboter ermöglichen es Menschen mit eingeschränkten motorischen Funktionen zumindest teilweise wieder eine gewisse Unabhängigkeit zu erlangen. So können beispielsweise elektrisch betriebene Rollstühle helfen die Mobilität der Personen zu verbessern. Jedoch erfordern bereits einfache Aufgaben wie beispielsweise das Öffnen einer Tür oder das Drücken eines Fahrstuhlknopfs bzw. Lichtschalters bereits weitere Unterstützung, da oft die manuellen Manipulationsmöglichkeiten, wie beispielsweise das Greifen für Personen mit eingeschränkten motorischen Möglichkeiten mit großen Problemen verbunden sind.
• So ist es bekannt robotische Manipulatoren für Personen mit eingeschränkter Beweglichkeit des Arms und/oder der Hand einzusetzen zur Erfüllung dieser grundlegenden manuellen Funktion. Hierbei kann es sich bei den robotischen Manipulatoren um speziell für eine Tätigkeit angepasste Roboter handeln. In einem allgemeineren Ansatz wird hierzu ein Mehrachsen-Roboterarm verwendet.
• Darüber hinaus sind Ansätze bekannt, bei denen elektrisch betriebene Rollstühle mit solchen robotischen Manipulatoren kombiniert werden, um einerseits die Mobilität andererseits die manuellen Möglichkeiten der Personen zu verbessern.
• Hieraus resultiert jedoch das Problem eine gemeinsame Ansteuerung sowohl des Roboterarms als auch des elektrischen Rollstuhls bereit zu stellen, um einerseits den Endeffektor des Roboterarms zu steuern und so die Einsatzmöglichkeiten des Roboters zu verbessern und andererseits Aufgaben, die eine großen Umfang an Beweglichkeit erfordern, zu erfüllen. Hierzu reicht es nicht aus einerseits die Position des elektrischen Rollstuhls anzupassen und andererseits den Endeffektor des Roboterarms unabhängig voneinander zu steuern, sondern eine gemeinsame Steuerung der Plattform und des Roboterarms ist erforderlich. Ein typisches Beispiel hierfür ist das Öffnen und hindurchfahren durch eine Tür. Hierbei bleibt der Endeffektor an einer festen Position insbesondere über die Türklinke mit der Tür verbunden. Gleichzeitig jedoch muss der elektrische Rollstuhl durch die Tür fahren.
• Bei bekannten gemeinsamen Steuerungen des Roboterarms und des elektrischen Rollstuhls ist jedoch für den Benutzer oft unklar, welches Element sich bewegt bei der Ansteuerung bewegt. So kann ein Ziel bzw. zu greifendes Objekt vor dem Benutzer einerseits durch den Endeffektor erreicht werden durch ein Strecken des Roboterarms, wobei der elektrische Rollstuhl an seiner Position verbleibt. Alternativ hierzu kann die Vorwärtsbewegung durch den elektrischen Rollstuhl erfolgen. Als dritte Alternative besteht die Möglichkeit einer kombinierten Bewegung umfassen das Ausstrecken des Roboterarms und die Vorwärtsbewegung des elektrischen Rollstuhls. Welche dieser Alternativen durch die gemeinsame Steuerung des elektrischen Rollstuhls und des Roboterarms gewählt wird, ist für den Benutzer nicht ersichtlich, wodurch eine intransparente Bewegung überraschend erfolgen kann und somit, aufgrund fehlender Vorhersehbarkeit, auch Kollisionen beispielsweise mit einem Türrahmen, anderen Personen oder dergleichen, nicht ausgeschlossen werden können.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Assistenzroboter zu schaffen mit einem transparenten Bewegungsverhalten.
• Die Aufgabe wird gelöst durch einen Assistenzroboter gemäß Anspruch 1.
• Der erfindungsgemäße Assistenzroboter weist eine Rollstuhlbasis auf, wobei die Rollstuhlbasis mindestens drei Räder zur Fortbewegung und Drehung aufweist. Insbesondere ist die Rollstuhlbasis elektrisch angetrieben und weist hierzu mindestens einen elektrischen Aktuator auf. Weiterhin ist mit der Rollstuhlbasis ein Roboterarm verbunden mit einem Endeffektor zur Ausführung von Tätigkeiten, wobei insbesondere der Endeffektor ausgebildet ist als Greifer zur Ausführung einfacher manueller Tätigkeiten. Weiterhin ist erfindungsgemäß mit der Rollstuhlbasis und dem Roboterarm eine Steuerungseinheit verbunden zur gemeinsamen Bewegungsteuerung der Rollstuhlbasis und des Roboterarms. Dabei ist die Steuerungseinheit konfiguriert derart das mindestens ein Bewegungsbereich und/oder ein Sperrbereich vorgegeben ist und durch die Steuerungseinheit eine Bewegung des Endeffektors im Bewegungsbereich nur durch den Roboterarm ausgeführt wird und eine Bewegung der Roboterbasis in dem Sperrbereich verhindert wird. Solange der Endeffektor innerhalb des Bewegungsbereiches bewegt wird, ist somit durch den Benutzer erwartbar, dass diese Bewegung ausschließlich von dem Roboterarm durchgeführt wird. Gleichzeitig ist hinsichtlich dem Sperrbereich sichergestellt, dass eine Bewegung der Rollstuhlbasis in den Sperrbereich verhindert wird. Somit ist die Steuerungseinheit derart konfiguriert, dass eine vorhersagbare Bewegung innerhalb des Bewegungsbereichs durch den Roboterarm erfolgt, wobei zum Erhalt der Sicherheit eine Bewegung in dem Sperrbereich durch die Rollstuhlbasis verhindert wird.
• Vorzugsweise ist die Steuereinheit konfiguriert, dass bei einer Bewegung des Endeffektors über den Bewegungsbereich hinaus eine Mitbewegung der Rollstuhlbasis erfolgt. Erst dann, wenn der Endeffektor aus den Bewegungsbereich hinausbewegt werden soll, beispielsweise bei Erreichen eines Objektes wie einer Türklinke, einem Fahrstuhlknopf, einem Lichtschalter oder dergleichen, erfolgt eine Mitbewegung der Rollstuhlbasis. Diese Mitbewegung der Rollstuhlbasis ist durch den Benutzer erwartbar und somit stellt sich das Bewegungsverhalten des Assistenzroboters transparent für den Benutzer dar. Unvorhergesehene Bewegungen erfolgen hierbei nicht.
• Vorzugsweise ist der mindestens eine Bewegungsbereich und/oder der mindestens eine Sperrbereich mitbewegt mit der Rollstuhlbasis. Bewegt sich somit die Rollstuhlbasis, bewegt sich beispielsweise der Bewegungsbereich ebenfalls mit. Somit erfolgt keine Einschränkung des Bewegungsbereichs auf eine absolute Position. Verfährt die Rollstuhlbasis von einem ersten Ort zu einem neuen Ort, so gilt an dem neuen Ort ebenfalls derselbe Bewegungsbereich. Alternativ oder zusätzlich bewegt sich ebenso der Sperrbereich mit.
• Vorzugsweise ist der mindestens eine Bewegungsbereich und/oder der mindestens eine Sperrbereich anpassbar an die auszuführende Tätigkeit. So kann beispielsweise der Sperrbereiche vorgegeben sein durch einen Türrahmen, welcher durchfahren werden soll. Somit wird sichergestellt, dass die Rollstuhlbasis nicht gegen den Türrahmen verfährt, da der Türrahmen vom Sperrbereich umfasst ist. Gleiches gilt für das Drücken beispielsweise eines Lichtschalters, welcher sich üblicherweise an einer Wand befindet. So wird der Sperrbereich definiert durch die Wand und somit wird verhindert, dass der Assistenzroboter gegen die Wand fährt bzw. zu nah an die Wand verfährt, wodurch eine Verletzung des Benutzers entstehen könnte.
• Vorzugsweise ist mehr als ein Bewegungsbereich vorgesehen. Somit können durch den mehr als einen Bewegungsbereich Bewegungen in diesem allein durch den Roboterarm ausgeführt werden und die Bewegungsbereiche geeignet an die auszuführende Tätigkeit angepasst werden.
• Vorzugsweise ist mehr als ein Sperrbereich vorgesehen. Somit können durch die mehr als einen Sperrbereich Bewegungen in diesen Sperrbereichen verhindert werden und die Sperrbereiche geeignet an die auszuführende Tätigkeit angepasst werden.
• Vorzugsweise ist die Steuereinheit ausgebildet, dass der Roboterarm nicht in den Sperrbereich eindringt. Somit wird auch für den Roboterarm sichergestellt, dass dieser eine Bewegung nicht im Sperrbereich ausführt und so Kollisionen zwischen dem Roboterarm und beispielsweise einem Objekt verhindert werden.
• Vorzugsweise ist die Steuereinheit ausgebildet bei Verlassen des Bewegungsbereichs durch den Endeffektor eine potentielle Energie vorzugeben, die eine virtuelle Feder definiert, wobei die auftretende virtuelle Federkraft durch eine Bewegung der Rollstuhlbasis ausgeglichen wird. Somit wird ein kontinuierlicher Übergang der Bewegung des Endeffektors auf die Rollstuhlbasis gewährleistet. Bewegt sich der Endeffektor aus dem Bewegungsbereich heraus, wird durch die Steuerungseinheit eine potenzielle Energie vorgegeben, welche als virtuelle Federkraft auf die Bewegung der Rollstuhlbasis wirkt. Hierdurch werden abrupte Bewegungen durch die Rollstuhlbasis bei Verlassen des Endeffektors des Bewegungsbereichs vermieden.
• Vorzugsweise weist die virtuelle Feder eine Steifigkeit k_WB auf. Dabei ist die Steifigkeit k_WB der virtuellen Feder anpassbar an die auszuführende Tätigkeit. Somit ist es möglich je nach auszuführender Tätigkeit den Übergang von einer Bewegung des Endeffektors auf eine Bewegung der Rollstuhlbasis anzupassen.
• Nachfolgend wird die Erfindung bevorzugter Ausführungsraum unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung des Assistenzroboters,
• 2 eine schematische Darstellung mit einem eingetragenen Bewegungsbereich und Sperrbereich,
• 3 exemplarische Bewegungstrajektorie beim Öffnen einer Tür und
• 4 Bewegung von Roboterarm und Rollstuhlbasis sowie Federspannung der virtuellen Feder für die Trajektorie der 3.
• In einer Ausführungsform gemäß der 1 weist der Assistenzroboter 10 einen elektrisch betriebene Rollstuhlbasis 12 sowie einen Roboterarm 14 auf, welcher in der rechten Seite der Rollstuhlbasis 12 gemäß 1 montiert ist. In dem dargestellten Beispiel weist die Rollstuhlbasis 12 einen Vorderradantrieb auf, sowie drehbare Hinterräder. Die Rotation der einzelnen Fronträder wird ermittelt mit magnetischen Ring-Encodern zur Messung der Rotation ϕ₁ und ϕ₂ der Vorderräder.
• Als Roboterarm 14 wird ein DLR Light-Weight Robot III (LWR 3) verwendet, welcher eine zusätzliche acht Achse als Armbasis 16 aufweist, sodass durch den Roboterarm 14 ebenfalls der Boden erreicht wird. In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist der Endeffektor 18 ausgebildet als Fünf-Finger Hand „DLR-HIT“, welche ausgebildet ist für Greifen und Manipulieren von Objekten. Die Steuerung des Assistenzroboters 10 kann durch einen Joystick erfolgen oder kann erfolgen durch ein EMG (Elektromyographie)-Interface. Weiterhin weist der Assistenzroboter 10 eine Kamera auf zur Bildererfassung. Der Assistenzroboter 10 gezeigt in 1 weist dabei eine Vielzahl von Freiheitsgraden auf. Die Bewegung dieses dynamischen Systems kann durch die dynamische Gleichungen beschrieben werden $$\begin{array}{l}M\left(y\right)\ddot{y}+C\left(y,\dot{y}\right)\dot{y}+g\left(y\right)=H\tau +{\tau }^{ext}+A{\left(y\right)}^T\lambda \\ A\left(y\right)\dot{y}=\mathrm{0,}\end{array}$$

  

  wobei die Konfiguration des Systems gegeben ist durch $$y=\left(\begin{array}{c}{q}_b\\ q_m\end{array}\right)$$

  

  mit der Konfiguration q_b ∈ ℝ⁹ für die Rollstuhlbasis 12 und die Konfiguration q_m ∈ ℝ⁸ für den Roboterarm 14. Die gravitativen Einflüsse sind dabei gegeben durch g(y) ∈ ℝ¹⁷ und die Beschleunigungs- und Coriolis-/Zentrifugal-Matrizen sind gegeben durch M(y),C(y,y) ∈ ℝ^17×17. Dabei können die Konfigurationskoordinaten für die Rollstuhlbasis definiert werden als $${\mathbf{q}}_b=\left[\begin{array}{c}\xi \\ \beta \\ \varphi \end{array}\right]$$

  

  mit der Stellungskoordinaten ξ = [x_c y_c θ_c]^T definiert im Koordinatensystem C im Verhältnis zum Koordinatensystem

  

  wie in 1 dargestellt. Die Orientierungskoordinaten für die Off-Center Hinterräder ist gegeben durch β = [β₃ β₄]^T, wobei die Rotationskoordinaten für die einzelnen Räder gegeben ist durch Φ = [ϕ₁ ϕ_z ϕ₃ ϕ₄]^T. Sei τ ∈ ℝ¹⁰ die Aktivierungskräfte und H ∈ ℝ^17×10 beschreiben die Abbildung von den Situationskräften zu den generalisierten Kräften, welche gemeinsam auf ẏ wirken. Zusätzlich sei τ^ext ∈ ℝ¹⁷ die externen Kräfte und A(y) ∈ ℝ^2×17 die Jacobi-Matrix, welche die Randbedingung gegeben durch die unbeweglichen Vorderräder ergeben. Die Endeffektordrehung ergibt sich dabei zu $$\dot{x}=\left({\mathbf{J}}_b{\mathbf{J}}_m\right)\dot{y}$$

  

  mit dem entsprechenden Jacobi-Matrizen J_m ∈ ℝ^6×8 und J_b ∈ ℝ^6×9. Zusätzlich sind λ ∈ ℝ² die Lagrange Faktoren, welche die unmöglichen Bewegungsrichtungen limitieren.
• Das kinematische Modell für die Rollstuhlbasis kann dabei geschrieben werden als $${\dot{q}}_b=\underset{s\left(q_b\right)}{\underbrace{\left[\begin{array}{c}R{\left({\theta }_c\right)}^T\mathrm{\Sigma }\\ B\left(\beta \right)\mathrm{\Sigma }\\ E\left(\beta \right)\mathrm{\Sigma }\end{array}\right]}}\underset{\eta }{\underbrace{\left[\begin{array}{c}r/2\text{ r/2}\\ r/l-r\text{/}l\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\dot{\varphi }}_1\\ {\dot{\varphi }}_2\end{array}\right]}}.$$

  
• Dabei repräsentiert der Vektor η die generalisierten Geschwindigkeiten, welche die Richtung und die Winkelgeschwindigkeiten enthalten. Zusätzlich ist r der Radius der Vorderräder und l ist der Abstand der Vorderräder zum Zentrum wie gezeigt in 1.
• Wie gezeigt in der 1 sind in der beschriebenen Ausführungsform keine Steuerräder vorgesehen. Die Steuerung erfolgt durch unterschiedlichen Abtrieb der Vorderräder. Somit ist die Matrix Σ ∈ ℝ^3×2 konstant. Weiterhin beschriebt R(θ_c) die Rotationsmatrix berechnet aus dem Winkeln θ_c. B(β) beschreibt die Beschränkung des Seitenversatzes der Hinterräder und E(β) beschreibt die Drehbedingung für die vier Räder. Die Drehung des Endeffektors kann somit geschrieben werden zu $$\dot{x}={\text{Ad}}_{g_{c\epsilon }^{-1}}{v}_b+{\mathbf{J}}_m{\dot{q}}_m$$

  
• Mit A $A{d}_{gc{\epsilon }^{-1}}$

  

  der Transformation von dem Koordinatensystem ε zu dem Koordinatensystem

  

  . Weiterhin kann die Geschwindigkeit v_b der Rollstuhlbasis 12 ermittelt werden von dem Geschwindigkeitsvektor ξ.
• Durch die Steuerungseinheit wird die Rollstuhlbasis derart angesteuert, dass ein Geschwindigkeitsfehler η̃ minimiert wird mit η̃ = η - η_d, wobei η _d die gewünschte Geschwindigkeit beschreibt.
• Zur Adaption der Dimensionen der Systemgleichungen wird eine Koordinatentransformation angewendet mit $$\dot{y}=\underset{S}{\underbrace{\left[\begin{array}{cc}s& 0\\ 0& I\end{array}\right]}}\left[\begin{array}{c}\eta \\ {\dot{q}}_m\end{array}\right].$$

  
• Dabei wird die Eigenschaft SA = 0 ausgenutzt sodass die Bewegungsgleichung reduziert werden kann zu $$\overline{M}\left[\begin{array}{c}\dot{\eta }\\ {\ddot{q}}_m\end{array}\right]+\overline{C}\left[\begin{array}{c}\eta \\ {\dot{q}}_m\end{array}\right]+\overline{g}=\left[\begin{array}{c}{\tau }_b\\ {\tau }_m\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{{\displaystyle \tau }}_b^{\text{ext}}\\ {{\displaystyle \tau }}_m^{\text{ext}}\end{array}\right]$$

  

  mit $$\begin{array}{l}\overline{M}=S^{T}MS\\ \overline{C}=S^T\left(M\dot{S}+CS\right)\\ \overline{g}=S^{T}g.\end{array}$$

  
• Dabei beschreibt τ_b die Kraft bzw. Drehmoment der Rollstuhlbasis 12 und τ_b ^ext die extern auf die Rollstuhlbasis 12 wirkende Kraft. τ_m ∈ ℝ⁸ beschreibt die Kraft bzw. das Drehmoment für den Roboterarm. M, C ∈ ℝ^(10×10) beschreiben die Ganzkörper- bzw. Coriolis-/Zentrifugal-Matrizen und g ∈ ℝ¹⁰ beschreibt den Gravitationsanteil.
• Hierbei ist es die Aufgabe, eine Ganzkörperkoordinationssteuerung anzuwenden, um Aufgaben durchzuführen, welche großen Bewegungsumfang erfordern, wie beispielsweise das Öffnen oder Schließen einer Tür. Wenn ein entsprechendes Verhalten am Endeffektor erforderlich ist, kann eine hierarchische Impedanzregelung eingesetzt werden. Die gemeinsamen Steuerungsdrehmomente in dem Manipulator können als $${\tau }_m={\tau }_{imp}+{\tau }_{null}+g_m,$$

  

  ausgedrückt werden, wobei τ_imp die kartesische Impedanz an dem Endeffektor realisiert, der Term τ_null eine Null-Raum-Aufgabe ausführt, und g_m für die aktive (modellbasierte) Schwerkraftkompensation steht. Die klassische Struktur der kartesischen Regelungssteuerung kann als $${\tau }_{\text{imp}}=-{{\displaystyle \mathbf{J}}}_m^T\left(K\tilde{x}+D\dot{x}\right),$$

  

  ausgedrückt werden, wobei der Fehler x̃ = x - x_d die Abweichung zwischen tatsächlichen kartesischen Koordinaten x und den gewünschten kartesischen Koordinaten x_d des Roboterarms 14 definiert. Die kartesischen Steifigkeits- und Dämpfungsmatrizen werden durch K,D ∈ ℝ^6×6 wiedergegeben.
• Die auf die Rollstuhlbasis 12 aufgebrachten Kräfte werden durch das Einbringen eines Bewegungsbereichs und/oder Sperrbereichs berechnet, innerhalb welcher die Plattformbewegung erfolgen sollte. In 2 sind diese Grenzen 20 in der x-y-Ebene visualisiert und durch [x_min; r_x], [y_min; y_max] parametrisiert. Anhand dieser Parameter werden nichtlineare Totbereichsfunktionen h₁(x_ε, y_ε) als Bewegungsbereich 22 und h₂(h_ε) als Sperrbereich 24 definiert, um den Bewegungsbereich des Assistenz-Roboters festzulegen. Dabei sind in dem Beispiel der 2 die Bereiche parametrisiert durch: $$h_1\left(x_{\epsilon },y_{\epsilon }\right)=\{\begin{array}{l}\sqrt{{{\displaystyle x}}_{\epsilon }^2+{{\displaystyle y}}_{\epsilon }^2}-r_x\hfill \\ x_{\epsilon }-x_{min}\hfill \\ 0\hfill \end{array}\begin{array}{l}:if\sqrt{{{\displaystyle x}}_{\epsilon }^2+{{\displaystyle y}}_{\epsilon }^2}\ge r_x\hfill \\ :if{x}_{\epsilon }<x_{min}\hfill \\ :else\hfill \end{array}$$

  

  und $$h_2\left(y_{\epsilon }\right)=\{\begin{array}{l}{y}_{\epsilon }-y_{max}\hfill \\ y_{\epsilon }-y_{min}\hfill \\ 0\hfill \end{array}\begin{array}{l}:if{\text{ y}}_{\epsilon }\ge y_{max}\hfill \\ :if{y}_{\epsilon }<y_{min}\hfill \\ :else\hfill \end{array}$$

  

  wobei x_ε und y_ε die x- und y-Positionen des Endeffektors in Bezug auf das Koordinatensystem W der Armbasis 16 angeben. Infolgedessen bewegen sich die Grenzen mit der Plattform, wodurch ein für den Benutzer transparentes Verhalten erzeugt wird. Basierend auf h₁(x_ε, y_ε) und h₂(y_ε) wird die/das befohlene Plattformkraft/-drehmoment mittels einer Potenzialfunktion als $${\tau }_b=K_{\text{WB}}\left[\begin{array}{c}{h}_1\left(x_{\epsilon },y_{\epsilon }\right)\\ 0\end{array}\begin{array}{c}0\\ h_2\left(y_{\epsilon }\right)\end{array}\right]$$

  

  berechnet, wobei K_WB ∈ ℝ^2×2 eine diagonale Steifigkeitsmatrix ist. Sobald durch den Endeffektor die Grenzen 20 überschritten werden, wird von der Steuereinheit eine virtuelle potentielle Energie vorgegeben und die virtuelle Feder 26 beginnt Befehlskräfte für die Rollstuhlbasis 12 zu erzeugen, wie in 2 visualisiert. Das Potential wird durch das Ergebnis der Funktion h₁(x_ε, y_ε) in der linearen Vorwärts/Rückwärtsrichtung und h₂(y_ε) in der Drehrichtung initiiert. In diesem Fall kann der Benutzer Geschwindigkeitsbefehle an den Endeffektor ausgeben, ohne die Rollstuhlbewegung beachten zu müssen. Darüber hinaus ändern sich die Parameter der Funktionen h₁(x_ε, y_ε) und h₁(x_ε, y_ε) über die gemeinsame Steuerung basierend auf den Tätigkeitsanforderungen, um für den Arm Erreichbarkeit zu gewährleisten. Zusätzlich könnte τ_b auch aus verschiedenen Quellen kombiniert werden, um beispielsweise Kollisionen mit der Umgebung zu vermeiden.
• Im Zusammenhang der unterstützenden Robotik kann die erfindungsgemäße gemeinsame Steuerung von Rollstuhlbasis 12 und Roboterarm 14 am effizientesten bei Aufgaben eingesetzt werden, die eine Koordination zwischen Rollstuhlbasis 12 und Armbewegungen des Roboterarms 14 erfordern. Ein Beispiel hierfür ist das Öffnen einer Tür.
• Das nachgiebige Endeffektorverhalten erzeugt durch die virtuelle Feder 26 stellt dabei eine problemlose und sichere Interaktion mit der Umgebung sicher. Dabei lässt sich die Steifigkeit der virtuellen Feder anpassen an die jeweils zu erfüllende Aufgabe bzw. Tätigkeit. Die Aufgabe kann in drei Unteraufgaben unterteilt werden, nämlich das Erkennen der Tür und das Ausrichten des Rollstuhls, das Öffnen der Tür und das Durchfahren derselben, und schließlich das Schließen der Tür.
• Türerkennung und Ausrichtung:
• Die Kenntnis der Türposition ist für die automatische Ausrichtung des Rollstuhls und das gemeinsame Steuerverfahren erforderlich. Um dies zu erreichen, muss die Griffposition in Bezug auf das Koordinatensystem der Kamera

  

  geschätzt werden zur Erkennung der Position H_RGB des Griffs in einem RGB-Bild erzeugt durch die Kamera 28 (siehe 1) verwendet. Der Rollstuhl richtet sich sodann mittel der Steuereinheit senkrecht zur Tür aus, um den Ausrichtungsfehler 6 (die Ausrichtungsdifferenz zwischen der Rollstuhlbasis C und dem Griff zu minimieren.
• Passieren der Tür:
• Sobald die mobile Plattform senkrecht zur Türebene ausgerichtet ist, kann der Benutzer die Tür öffnen, indem er dem Manipulator einen Geschwindigkeitseingabebefehl gibt, welcher in Kombination mit der gemeinsamen Steuerung angewandt wird. Die erste Phase der gemeinsamen Steuerung führt den Benutzer zu einem Vor-Greif-Position. Während dieser Phase werden die Grenzen 22 angewendet und sobald der Bewegungsbereich durch den Endeffektor 18 überschritten wird, wird die Federkraft der virtuellen Feder 26 aktiviert, wodurch das Aufbringen einer befohlenen Geschwindigkeit auf die Rollstuhlbasis 12 resultiert. Die Bewegung der Rollstuhlbasis 12 und des Endeffektors 18 sind in 4(a) dargestellt. Die dabei erfolgte Federauslenkung der virtuellen Feder 28 ist in 4(b) wiedergegeben.
• Der Benutzer befiehlt dem Manipulator in der zweiten Phase, den Griff herunterzudrücken, und öffnet anschließend die Tür durch das Befehlen von Vorwärtsgeschwindigkeiten während der dritten Phase, in welcher die gemeinsame Steuerungseinheit den Endeffektor 18 zwingt, auf der von dem Griff der Tür beschriebenen Bahn zu bleiben. Während dieser Phase werden die Arm- und die Rollstuhlbewegungen gemeinsam auf Grund der vorgegebenen Bewegungsbereiche und Sperrbereiche koordiniert, und der Endeffektor 18 wird in Bezug auf

  

  kontinuierlich nach dem gemeinsamen Steuerungsplan gesteuert. Beim Durchfahren der Tür ist die Rollstuhlbasis 12 im Wesentlichen auf eine DOF beschränkt, wodurch nur Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen möglich sind, um die Erreichbarkeit des Arms zu gewährleisten. Gleichzeitig wird die Winkelgeschwindigkeit durch einen Controller für die absolute Ausrichtung gesteuert, der dazu dient, die Drehung des Rollstuhls fixiert zu halten. Eine Bewegung der Rollstuhlbasis in einen der Sperrbereiche hinein wird somit verhindert. Das Erzwingen dieser Anfangsausrichtung (die senkrecht zur Tür gerichtet ist) ist für das Vermeiden von Kollisionen die der Durchfahrt essentiell. Ein zusätzlicher Sicherheitsschwellenwert zum Schutz des Benutzers wird dort eingestellt, wo die Steuerungseinheit die Rollstuhlbewegung deaktiviert, wenn der Endeffektor 18 dem Benutzer zu nahe kommt. Dies ist in 2 durch die virtuelle Sicherheitswand Die Positionen der Rollstuhlbasis 12 und des Endeffektors 18 sind in 3 dargestellt.
• Schließen der Tür:
• Der Benutzer steuert die Bewegung des Endeffektors 18 frei zum Schließen der Tür. Hierbei werden die Bewegungen der Rollstuhlbasis 12 durch die Steuerungseinheit gesteuert und koordiniert, so dass eine Bewegung innerhalb der Grenzen 22 bleibt.
• Dabei wird darauf hingewiesen, dass es sich bei dem oben beschriebenen Anwendungsfall um ein Beispiel handelt. Weitere Möglichkeiten zum Einsatz des erfindungsgemäßen Assistenz-Roboters sind nicht abschließend gegeben durch das Betätigen eines Lichtschalters oder eines Aufzugknopfes, das Öffnen einer Kühlschranktür, das Öffnen einer Schiebetür oder Garagentors oder dergleichen. In jedem Fall sind Bewegungsbereiche und/oder Sperrbereiche definiert, insbesondere angepasst an die jeweilige Tätigkeit, um dem Benutzer eine transparente Steuerung zu gewährleisten.

Claims (7)

1. Assistenz-Roboter mit einer Rollstuhlbasis, wobei die Rollstuhlbasis mindestens drei Räder zur Fortbewegung und Drehung aufweist, einem mit der Rollstuhlbasis verbundenen Roboterarm mit einem Endeffektor zur Ausführung von Tätigkeiten, wobei insbesondere der Endeffektor ausgebildet ist als Greifer, einer mit der Rollstuhlbasis und dem Roboterarm verbundene Steuerungseinheit zur gemeinsamen Bewegungssteuerung der Rollstuhlbasis und des Roboterarms, wobei die Steuerungseinheit konfiguriert ist, derart, dass mindestens ein Bewegungsbereich und/oder ein Sperrbereich vorgegeben ist, und durch die Steuerungseinheit eine Bewegung des Endeffektors im Bewegungsbereich nur durch den Roboterarm ausgeführt wird und eine Bewegung der Rollstuhlbasis in den Sperrbereich verhindert wird.
2. Assistenz-Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit konfiguriert ist derart, dass bei einer Bewegung des Endeffektors über den Bewegungsbereich hinaus eine Mitbewegung der Rollstuhlbasis erfolgt.
3. Assistenz-Roboter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bewegungsbereich und/oder der mindestens eine Sperrbereich mitbewegt ist mit der Rollstuhlbasis.
4. Assistenz-Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bewegungsbereich und/oder der mindestens eine Sperrbereich anpassbar sind an die auszuführende Tätigkeit.
5. Assistenz-Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ausgebildet ist derart, dass der Roboterarm nicht in den Sperrbereich eindringt.
6. Assistenz-Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinheit ausgebildet ist bei Verlassen des Bewegungsbereichs durch den Endeffektor eine potentielle Energie vorzugeben, die eine virtuelle Feder definiert, wobei die auftretende virtuelle Federkraft durch eine Bewegung des Rollstuhlbasis ausgeglichen wird.
7. Assistenz-Roboter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steifigkeit k_WB der virtuellen Feder anpassbar ist an die auszuführende Tätigkeit.

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