EP3328595A2 - Method and system for controlling a robot - Google Patents

Method and system for controlling a robot

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Publication number
EP3328595A2
EP3328595A2 EP16744303.5A EP16744303A EP3328595A2 EP 3328595 A2 EP3328595 A2 EP 3328595A2 EP 16744303 A EP16744303 A EP 16744303A EP 3328595 A2 EP3328595 A2 EP 3328595A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
robot
force
collision
component
model
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16744303.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ricardo PÉREZ SILVA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KUKA Deutschland GmbH
Original Assignee
KUKA Roboter GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KUKA Roboter GmbH filed Critical KUKA Roboter GmbH
Publication of EP3328595A2 publication Critical patent/EP3328595A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1674Programme controls characterised by safety, monitoring, diagnostic
    • B25J9/1676Avoiding collision or forbidden zones
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/30Nc systems
    • G05B2219/37Measurements
    • G05B2219/37624Detect collision, blocking by measuring change of velocity or torque
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/30Nc systems
    • G05B2219/39Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39355Observer, disturbance observer
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/30Nc systems
    • G05B2219/40Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40201Detect contact, collision with human
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/30Nc systems
    • G05B2219/41Servomotor, servo controller till figures
    • G05B2219/41387Observe reference torque, position and feedback position, estimate contact force

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for controlling a robot as well as a robot arrangement with the system and a
  • robot-assisted sonography it may be desirable to detect a contact of the robot or robotic medical device and then provide a force feedback to a haptic input device of the robot.
  • Robotics May 9, 2014, propose two different methods for collision detection of robots: a method determines a fuzzy inference system ("Fuzzy inference system", FIS) from a position error, a commanded speed and the measured at joints
  • FIS fuzzy inference system
  • an autoregressive model (“AutoRegressive" AR)
  • AutoRegressive AR detects joint torques, where a collision is detected based on a deviation of the joint predicted from the AR from the measured joint torques.
  • the object of the present invention is to control a robot
  • Claims 7 to 9 provide a system or computer program product
  • a method for controlling a robot comprises the steps:
  • a collision of a robot can advantageously be detected in one embodiment.
  • a model-based determined external force resulting from an external load of the robot instead of a measured G (eticiang) elenkkraft detection can be improved, in particular by a fuzzy system, which then no longer the functionality of a model for determining the external force must comply with.
  • the robot has at least six, in particular at least seven, actuatable or actuated joints.
  • a medical application of the robot it carries a medical instrument, in particular an ultrasound head or the like.
  • an anti-parallel force pair or torque is generally referred to herein as a force.
  • a force in particular the determined collision force, the model-based determined external force and / or a feedback force explained below, can in particular be a Cartesian force with components in one or more Cartesian directions, in particular one Inertial or robot base fixed or robot end-member fixed coordinate system include, in particular.
  • a position error depends on a deviation between an actual, in particular measured, pose of the robot and a desired, in particular commanded, pose of the robot, in particular of one
  • Deviation between an actual position and a desired position and / or orientation of a robot-fixed reference, in particular of the TCP, can in particular indicate or be the deviation.
  • a pose of the robot depends on the position of its joints, in particular drives, and / or the position and / or orientation of a robot-fixed reference, in particular of the TCP, it can indicate or be particular. Generalizing is thus present for a more compact representation
  • a speed of the robot depends on the speed of its joints, in particular drives, and / or the
  • a speed of a robot-fixed reference is also understood here to be the speed of the robot.
  • the method in particular its step, comprises one
  • Components of the model-based determined external force (respectively) one or more, in particular at least two, in particular at least three, degrees of membership of one or more components of the position error of the robot and (respectively) one or more, in particular at least two, in particular at least three, degrees of affiliation one or more Components of the pose and / or velocity of the robot based on a fuzzy set or membership functions of a fuzzy system;
  • the system in particular its means for determining a collision force, in one embodiment:
  • a degree of affiliation can in a conventional manner based on a
  • Membership function of the fuzzy system can be determined.
  • the component (s) of the model-based determined external force the component (s) of the model-based determined external force
  • Pose / velocity assign a degree of affiliation to a first fuzzy set, eg "small” and a further degree of affiliation to a second fuzzy set, eg "large”, optionally also one or more further degrees of membership to further fuzzy sets, eg "medium” or similar
  • the fuzzy system is an FIS ("fuzzy inference system"), in particular Sugeno or Mamdani.
  • FIS fuzzy inference system
  • it includes the membership functions that map or fuzzify the input values to degrees of membership, rules, or a rule base, respectively
  • the FIS evaluates its output by weighting the rule base with the degrees of membership, and then weighting it into a different fuzzy set
  • the defuzzification is carried out by means of the weighting of the rule base and by means of the evaluation of a linear function of the input variables.
  • a component of the collision force in at least a first direction is dependent on one or more
  • Determining at least one component of the collision force means for determining a component of the collision force in at least a first direction (respectively) depending on one or more degrees of membership of a component of the model-based determined external force in this first direction, one or more degrees of membership of a component the position error of the robot in this first direction and / or one or more degrees of membership of a position of a robot-fixed reference in this first direction.
  • a first direction may in particular be a robot (member) or space-fixed and / or Cartesian direction, in particular of the working space of the robot.
  • a first direction is the vertical direction, a horizontal direction, or a direction inclined to the vertical and horizontal.
  • a first direction is a collision direction, in particular an anticipated and / or main collision direction, and / or perpendicular to a potential, in particular predetermined, collision plane.
  • a collision direction in particular an anticipated and / or main collision direction, and / or perpendicular to a potential, in particular predetermined, collision plane.
  • the vertical is the expected main collision direction. It has been found that for a favorable determination of a component of the collision force in certain directions, in particular in one
  • a component of the collision force in at least one second direction is one or more depending on one or more degrees of membership of a component of the model-based determined external force in that second direction
  • the system or its means for determining at least one component of the collision force additionally or alternatively comprises means for determining a component of the collision force in at least one second direction (respectively) in dependence on one or more
  • (Main) collision direction advantageously in addition to the position error and the component of the external force, the speed of a robot-fixed reference in this, in particular to the (main) direction of collision inclined direction is particularly suitable.
  • the second direction may in particular be a robot (member) or space-fixed and / or Cartesian direction, in particular of the working space of the robot.
  • the second direction is a horizontal direction, the vertical direction, or a direction inclined to the vertical and horizontal.
  • the second direction is inclined to the first direction, in particular perpendicular to this.
  • two second directions are perpendicular to each other and / or two first directions perpendicular to each other.
  • the fuzzy system in particular one or more of its membership functions and / or rules and / or its linear function, is or are parameterized by means of a neural network, in particular based on the method of the smallest error rate and / or the method the reverse propagation descending gradient.
  • the system comprises means for parameterizing the fuzzy system, in particular one or more of its membership functions and / or rules, by means of a neural network, in particular based on the method of the smallest error rate and / or the method of
  • the method or system can advantageously be adapted to different robots and / or applications, in particular rapidly, autonomously and / or robustly.
  • the external force is modeled based on a
  • dynamic model of the robot Accordingly includes in one
  • the driving forces T mot and / or the vector q and its time derivatives can be detected or detected in particular by means of sensors.
  • a (time) predictive model in particular an autoregressive model, can be used.
  • an AR model be provided to determine the external forces modeled.
  • a time delay through the fuzzy system can be compensated for, at least partially.
  • the external force is determined on the basis of a predictive model, in particular an autoregressive model.
  • the system comprises means for model-based determination of the external force on the basis of a predictive model, in particular an autoregressive
  • the predictive model in one embodiment, forms an external force, determined in one embodiment based on the dynamic model, on one
  • a feedback force is determined after detecting a collision of the robot without the fuzzy system and / or the predictive model based on, in particular the same, dynamic model of the robot.
  • the system includes means for switching upon detection of a collision based on the collision force to another determination to determine a feedback force, or means for determining a feedback force after detecting a collision of the robot without Fuzzy system and / or the predictive model based on, in particular the same, dynamic model of the robot.
  • the feedback force is a feedback force of a haptic input device of the robot or a force, which is impressed on an operating element of an input device of the robot, in particular by at least one actuator, in order to force the operator a contact of the robot,
  • the system or the robot assembly includes a haptic input device and means for applying the feedback force to an operating element of the input device to force feedback to a user a contact of the robot, in particular a guided by this tool, in particular medical instrument mediate, on.
  • Feedback force without fuzzy system and / or predictive model in one embodiment advantageously distortions, in particular filtering, the force that can be useful for detecting a collision, reduced, and so a force feedback can be improved.
  • the feedback force prior to detecting a collision of the robot, the feedback force may be at least substantially equal to zero based on the determined collision force. Also, this can be a force feedback can be improved.
  • the feedback force in an embodiment prior to detecting a collision of the robot can also be determined on the basis of the determined collision force, in particular corresponding thereto.
  • a means in the sense of the present invention may be designed in terms of hardware and / or software, in particular a data or signal-connected, in particular digital, processing, in particular microprocessor unit (CPU) and / or a memory and / or bus system or multiple programs or program modules.
  • the CPU may be configured to execute instructions implemented as a program stored in a memory system, to capture input signals from a data bus, and / or
  • a storage system may comprise one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid state and / or other non-volatile media.
  • the program may be such that it is capable of embodying or executing the methods described here, so that the CPU can carry out the steps of such methods and thus, in particular, operate the robot or
  • one or more of the steps described herein are at least partially automated, in particular by the system or means described herein.
  • the invention is particularly in medical applications in which a robot-guided medical instrument temporarily contacts a patient, particularly in robot-assisted sonography or other imaging
  • FIG. 1 shows a robot arrangement with a robot and a system for controlling the robot according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 shows a robot arrangement with a robot 30, which carries an ultrasound head 31, and a system for controlling the robot 30 or a medical application of the robot in the form of a robot controller 10, which communicates with a haptic input device 20 for controlling the robot 30 respectively.
  • the robot controller 10 executes a method explained below with reference to FIGS. 1, 2 according to an embodiment of the present invention and has a corresponding computer program product for this purpose.
  • a first step S10 the controller 10 determines joint angles and
  • the ones from the dynamic model are based on the joint angles and their time derivatives
  • this external force F e determined on the basis of the dynamic model 1 1 is determined by an ARMA model 12
  • model-based predictive determines an external force [F 'ex, F' E, Y, F 'ez] resulting from an external stress of the robot 30th
  • step S30 in the subsystems 13X, 13Y also for horizontal components ⁇ , Ay of a position error and horizontal
  • step S30 in the subsystem 13Z also for a vertical component Az of the position error and a vertical component z of a position of the TCP of the robot 30 are respectively based on
  • Component F cz or horizontal components F cx , F cy of a collision force Component F cz or horizontal components F cx , F cy of a collision force.
  • the rules and / or membership functions Bi of the fuzzy system 13 are parameterized in advance by a neural network. As long as the thus determined collision force [F cx , F cy , F c , 2 ] remains below a predetermined threshold, a switching means 14 of the controller 10 in a step S50 to the haptic input device 20, a feedback force F ⁇ equal to zero , alternative
  • the collision force [F c , x , F c, y , F c , z ] thus determined can also be output to the haptic input device 20 itself as a feedback force F ft .
  • the switching means 14 to the haptic input device 20 in step S50 a feedback force F «, which determines the controller 10 based on the dynamic model 1 1 without the predictive model 12 or the fuzzy system 13, in a simple Case directly the external force F e . It can also output a corresponding, for example optical and / or acoustic, signal
  • the switching means 14 switches back again and the controller 10 detects the next collision of the ultrasonic head 31 in the manner described above.

Description

Beschreibung  description
Verfahren und System zum Steuern eines Roboters Method and system for controlling a robot
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Steuern eines Roboters sowie eine Roboteranordnung mit dem System und ein The present invention relates to a method and a system for controlling a robot as well as a robot arrangement with the system and a
Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens. Computer program product for carrying out the method.
Insbesondere bei medizinischen Applikationen wie beispielsweise der Especially in medical applications such as the
robotergestützten Sonographie kann es wünschenswert sein, einen Kontakt des Roboters bzw. robotergeführten medizinischen Geräts zu erfassen und anschließend ein Kraftfeedback an einem haptischen Eingabegerät des Roboters zur Verfügung zu stellen. robot-assisted sonography, it may be desirable to detect a contact of the robot or robotic medical device and then provide a force feedback to a haptic input device of the robot.
F. Dimeas et al.,„Human-robot collision detection and Identification based on fuzzy and time series modelling", Robotica, 9. Mai 2014 schlagen zur Kollisionserfassung von Robotern zwei verschiedene Verfahren vor: nach einem Verfahren ermittelt ein Fuzzy-Inferenz-System („fuzzy inference System", FIS) aus einem Positionsfehler, einer kommandierten Geschwindigkeit und den an Gelenken gemessenen Robotics, May 9, 2014, propose two different methods for collision detection of robots: a method determines a fuzzy inference system ("Fuzzy inference system", FIS) from a position error, a commanded speed and the measured at joints
Gesamtdrehmomenten gelenkweise externe Gelenkmomente, da die Ermittlung externer Kräfte aus einem dynamischen Modell des Roboters problematisch sei. Nach einem anderen Verfahren ermittelt ein autoregressives Modell („AutoRegressive " AR), wiederum ohne dynamisches Modell des Roboters, Gelenkdrehmomente, wobei eine Kollision auf Basis einer Abweichung der von dem AR vorhergesagten von den gemessenen Gelenkdrehmomenten erfasst wird.  Total torques joint external joint moments, as the determination of external forces from a dynamic model of the robot is problematic. According to another method, an autoregressive model ("AutoRegressive" AR), again without a dynamic model of the robot, detects joint torques, where a collision is detected based on a deviation of the joint predicted from the AR from the measured joint torques.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Steuerung eines Roboters zu The object of the present invention is to control a robot
verbessern. improve.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 7 bis 9 stellen ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur This object is achieved by a method having the features of claim 1. Claims 7 to 9 provide a system or computer program product
Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens bzw. eine Roboteranordnung mit einem hier beschriebenen System unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen. Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Roboters, insbesondere einer medizinischen Applikation, die Schritte:Implementation of a method described here or a robot arrangement with a system described here under protection. The subclaims relate to advantageous developments. According to an embodiment of the present invention, a method for controlling a robot, in particular a medical application, comprises the steps:
- Ermitteln einer Kollisions-Kraft auf Basis einer modellgestützt ermittelten externen Kraft, die aus einer externen Belastung des Roboters resultiert, eines Determining a collision force on the basis of a model-based determined external force resulting from an external load of the robot, a
Positionsfehlers des Roboters und einer Pose und/oder Geschwindigkeit des Roboters; und  Positional error of the robot and a pose and / or speed of the robot; and
- Erfassen einer Kollision des Roboters auf Basis dieser Kollisions-Kraft.  Detecting a collision of the robot based on this collision force.
Ein System zum Steuern eines Roboters, insbesondere einer medizinischen A system for controlling a robot, in particular a medical
Applikation, nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, insbesondere hard- und/oder Software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf: Application, according to an embodiment of the present invention, in particular hardware and / or software, in particular program technology, set up for carrying out a method described herein and / or has:
- Mittel zum Ermitteln einer Kollisions-Kraft auf Basis einer modellgestützt  - Means for determining a collision force based on a model-based
ermittelten externen Kraft, die aus einer externen Belastung des Roboters resultiert, eines Positionsfehlers des Roboters und einer Pose und/oder  detected external force resulting from an external load of the robot, a position error of the robot and a pose and / or
Geschwindigkeit des Roboters; und  Speed of the robot; and
- Mittel zum Erfassen einer Kollision des Roboters auf Basis dieser Kollisions-Kraft,  Means for detecting a collision of the robot on the basis of this collision force,
Hierdurch kann in einer Ausführung eine Kollision eines Roboters vorteilhaft erfasst werden. Insbesondere kann durch die Berücksichtigung einer modellgestützt ermittelten externen Kraft, die aus einer externen Belastung des Roboters resultiert, anstelle einer gemessenen G(esamtg)elenkkraft die Erfassung verbessert werden, insbesondere durch ein Fuzzy-System, das dann nicht mehr die Funktionalität eines Modells zur Ermittlung der externen Kraft mit erfüllen muss. As a result, a collision of a robot can advantageously be detected in one embodiment. In particular, by taking into account a model-based determined external force resulting from an external load of the robot, instead of a measured G (esamtg) elenkkraft detection can be improved, in particular by a fuzzy system, which then no longer the functionality of a model for determining the external force must comply with.
Der Roboter weist in einer Ausführung wenigstens sechs, insbesondere wenigstens sieben, aktuierbare bzw. aktuierte Gelenke auf. In einer Ausführung, in der eine medizinische Applikation des Roboters gesteuert wird, führt er ein medizinisches Instrument, insbesondere einen Ultraschallkopf oder dergleichen. In one embodiment, the robot has at least six, in particular at least seven, actuatable or actuated joints. In an embodiment in which a medical application of the robot is controlled, it carries a medical instrument, in particular an ultrasound head or the like.
Zur kompakteren Darstellung wird vorliegend auch ein antiparalleles Kräftepaar bzw. Drehmoment verallgemeinernd als Kraft bezeichnet. Eine Kraft, insbesondere die ermittelte Kollisions-Kraft, die modellgestützt ermittelte externe Kraft und/oder eine nachfolgend erläuterte Feedback-Kraft, kann insbesondere eine kartesische Kraft mit Komponenten in einer oder mehreren kartesischen Richtungen insbesondere eines inertialen bzw. roboterbasisfesten oder roboterendgliedfesten Koordinatensystems umfassen, insbesondere sein. For a more compact representation, an anti-parallel force pair or torque is generally referred to herein as a force. A force, in particular the determined collision force, the model-based determined external force and / or a feedback force explained below, can in particular be a Cartesian force with components in one or more Cartesian directions, in particular one Inertial or robot base fixed or robot end-member fixed coordinate system include, in particular.
Ein Positionsfehler hängt in einer Ausführung von einer Abweichung zwischen einer tatsächlichen, insbesondere gemessenen, Pose des Roboters und einer Soll-, insbesondere kommandierten, Pose des Roboters ab, insbesondere von einerIn one embodiment, a position error depends on a deviation between an actual, in particular measured, pose of the robot and a desired, in particular commanded, pose of the robot, in particular of one
Abweichung zwischen einer tatsächlichen und einer Soll-Lage und/oder -Orientierung einer roboterfesten Referenz, insbesondere des TCPs, er kann insbesondere die Abweichung angeben bzw. sein. Deviation between an actual position and a desired position and / or orientation of a robot-fixed reference, in particular of the TCP, can in particular indicate or be the deviation.
Eine Pose des Roboters hängt in einer Ausführung von der Stellung seiner Gelenke, insbesondere Antriebe, und/oder der Lage und/oder Orientierung einer roboterfesten Referenz, insbesondere des TCPs, ab, sie kann diese insbesondere angeben bzw. sein. Verallgemeinernd wird vorliegend somit zur kompakteren Darstellung In one embodiment, a pose of the robot depends on the position of its joints, in particular drives, and / or the position and / or orientation of a robot-fixed reference, in particular of the TCP, it can indicate or be particular. Generalizing is thus present for a more compact representation
insbesondere auch eine Lage und/oder Orientierung einer roboterfesten Referenz, insbesondere des TCPs, als Pose des Roboters verstanden. Entsprechend hängt in einer Ausführung eine Geschwindigkeit des Roboters von der Geschwindigkeit seiner Gelenke, insbesondere Antriebe, und/oder der in particular also understood a position and / or orientation of a robot-fixed reference, in particular of the TCPs, as a pose of the robot. Accordingly, in one embodiment, a speed of the robot depends on the speed of its joints, in particular drives, and / or the
translatorischen und/oder rotatorischen Geschwindigkeit einer roboterfesten Referenz, insbesondere des TCPs, ab, sie kann diese insbesondere angeben bzw. sein. translational and / or rotational speed of a robot-fixed reference, in particular of the TCP, from, they can specify or be this particular.
Verallgemeinernd wird vorliegend somit zur kompakteren Darstellung insbesondere auch eine Geschwindigkeit einer roboterfesten Referenz als Geschwindigkeit des Roboters verstanden. In general, for the purpose of a more compact representation, a speed of a robot-fixed reference is also understood here to be the speed of the robot.
In einer Ausführung umfasst das Verfahren, insbesondere sein Schritt eines In one embodiment, the method, in particular its step, comprises one
Ermitteins einer Kollisions-Kraft, die Schritte: Determining a collision force, the steps:
- Ermitteln Qeweils) eines oder mehrerer, insbesondere wenigstens zweier,  - Determine Qeweils) one or more, in particular at least two,
insbesondere wenigstens dreier, Zugehörigkeitsgrade einer oder mehrerer  in particular at least three degrees of membership of one or more
Komponenten der modellgestützt ermittelten externen Kraft, (jeweils) eines oder mehrerer, insbesondere wenigstens zweier, insbesondere wenigstens dreier, Zugehörigkeitsgrade einer oder mehrerer Komponenten des Positionsfehlers des Roboters und (jeweils) eines oder mehrerer, insbesondere wenigstens zweier, insbesondere wenigstens dreier, Zugehörigkeitsgrade einer oder mehrerer Komponenten der Pose und/oder Geschwindigkeit des Roboters auf Basis von einer Fuzzy-Menge bzw. Zugehörigkeitsfunktionen eines Fuzzy-Systems; undComponents of the model-based determined external force, (respectively) one or more, in particular at least two, in particular at least three, degrees of membership of one or more components of the position error of the robot and (respectively) one or more, in particular at least two, in particular at least three, degrees of affiliation one or more Components of the pose and / or velocity of the robot based on a fuzzy set or membership functions of a fuzzy system; and
- Ermitteln einer oder mehrerer Komponenten der Kollisions-Kraft auf Basis des Fuzzy-Systems in Abhängigkeit von diesen Zugehörigkeitsgraden. Entsprechend weist das System, insbesondere sein Mittel zum Ermitteln einer Kollisions-Kraft, in einer Ausführung auf: Determining one or more components of the collision force on the basis of the fuzzy system as a function of these degrees of membership. Accordingly, the system, in particular its means for determining a collision force, in one embodiment:
- Mittel zum Ermitteln (jeweils) eines oder mehrerer, insbesondere wenigstens  - means for determining (in each case) one or more, in particular at least
zweier, insbesondere wenigstens dreier, Zugehörigkeitsgrade einer oder mehrerer Komponenten der modellgestützt ermittelten externen Kraft, (jeweils) eines oder mehrerer, insbesondere wenigstens zweier, insbesondere wenigstens dreier, two, in particular at least three, degrees of membership of one or more components of the model-based determined external force, (in each case) one or more, in particular at least two, in particular at least three,
Zugehörigkeitsgrade einer oder mehrerer Komponenten des Positionsfehlers des Roboters und (jeweils) eines oder mehrerer, insbesondere wenigstens zweier, insbesondere wenigstens dreier, Zugehörigkeitsgrade einer oder mehrerer Komponenten der Pose und/oder Geschwindigkeit des Roboters auf Basis von Zugehörigkeitsfunktionen eines Fuzzy-Systems; und Degrees of membership of one or more components of the positional error of the robot and (respectively) one or more, in particular at least two, in particular at least three, degrees of membership of one or more components of the pose and / or speed of the robot on the basis of membership functions of a fuzzy system; and
- Mittel zum Ermitteln einer oder mehrerer Komponenten der Kollisions-Kraft auf Basis des Fuzzy-Systems in Abhängigkeit von diesen Zugehörigkeitsgraden.  - Means for determining one or more components of the collision force based on the fuzzy system as a function of these degrees of membership.
Ein Zugehörigkeitsgrad kann in an sich bekannter Weise auf Basis einer A degree of affiliation can in a conventional manner based on a
Zugehörigkeitsfunktion des Fuzzy-Systems ermittelt werden. Mit anderen Worten werden die Komponente(n) der modellgestützt ermittelten externen Kraft, des Membership function of the fuzzy system can be determined. In other words, the component (s) of the model-based determined external force, the
Positionsfehlers, der Pose und/oder Geschwindigkeit fuzzifiziert und aus diesen fuzzifizierten Größen bzw. Zugehörigkeitsgraden insbesondere regelbasiert durch das Fuzzy-System die, insbesondere wieder defuzzifizierten, Komponente(n) der Position error, the pose and / or speed fuzzifiziert and from these fuzzified sizes or degrees of membership in particular rule-based by the fuzzy system, in particular again defuzzified, component (s) of
Kollisions-Kraft ermittelt. Hierzu wird ergänzend insbesondere auf die eingangs genannte Veröffentlichung F. Dimeas et al.,„Human-robot collision detection andCollision force determined. For this purpose, reference is made in particular to the above-mentioned publication F. Dimeas et al., "Human-robot collision detection and
Identification based on fuzzy and time series modelling", Robotica, 9. Mai 2014, Bezug genommen und deren Inhalt vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung Identification based on fuzzy and time series modeling, "Robotica, 9 May 2014, and incorporated by reference in its entirety into the present disclosure
einbezogen. Beispielsweise kann eine erste Zugehörigkeitsfunktion einer Komponente der modellgestützt ermittelten externen Kraft/des Positionsfehlers/der included. For example, a first membership function of a component of the model-based determined external force / position error /
Pose/Geschwindigkeit (jeweils) einen Zugehörigkeitsgrad zu einer ersten Fuzzy- Menge, z.B.„klein" und einen weiteren Zugehörigkeitsgrad zu einer zweiten Fuzzy- Menge, z.B.„groß", zuordnen, gegebenenfalls auch einen oder mehrere weitere Zugehörigkeitsgrade zu weiteren Fuzzy-Mengen, z.B.„mittel" o.ä. Das Fuzzy-System ist in einer Ausführung ein FIS („fuzzy inference System"), insbesondere nach Sugeno oder Mamdani. Es umfasst in einer Ausführung die Zugehörigkeitsfunktionen, die die Eingangsgrößen auf Zugehörigkeitsgrade abbilden bzw. fuzzifizieren, Regeln bzw. eine Regelbasis, die die fuzzifizierten Eingangsgrößen auf Ausgangsgrößen abbilden, und/oder (inverse) Zugehörigkeitsfunktionen, die die fuzzifizierten Ausgangsgrößen defuzzifizieren. In einer Ausführung wertet das FIS seinen Ausgang durch Gewichtung der Regelbasis mit den Zugehörigkeitsgraden aus. Diese Gewichtung kommt anschließend in eine andere Fuzzy-Menge zur Pose / velocity (in each case) assign a degree of affiliation to a first fuzzy set, eg "small" and a further degree of affiliation to a second fuzzy set, eg "large", optionally also one or more further degrees of membership to further fuzzy sets, eg "medium" or similar In one embodiment, the fuzzy system is an FIS ("fuzzy inference system"), in particular Sugeno or Mamdani. In one embodiment, it includes the membership functions that map or fuzzify the input values to degrees of membership, rules, or a rule base, respectively In one embodiment, the FIS evaluates its output by weighting the rule base with the degrees of membership, and then weighting it into a different fuzzy set
Defuzzifizierung und daraus ergibt sich der Ausgang des FIS (Mamdani). In einer anderen Ausführung (Sugeno) wird die Defuzzifizierung mittels der Gewichtung der Regelbasis und mittels der Auswertung einer linearen Funktion der Eingangsgrößen ausgeführt. Defuzzification and this results in the outcome of the FIS (Mamdani). In another embodiment (Sugeno) the defuzzification is carried out by means of the weighting of the rule base and by means of the evaluation of a linear function of the input variables.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass ein Fuzzy-System mit den genannten Eingangsgrößen externe Kraft, Positionsfehler und Pose bzw. Geschwindigkeit besonders vorteilhaft zur Erfassung von Kollisionen ist, da hierdurch insbesondere nicht kollisionsbedingte Variationen in der externen Kraft vorteilhaft gefiltert werden können. It has surprisingly been found that a fuzzy system with the input variables mentioned external force, position error and pose or speed is particularly advantageous for detecting collisions, since in particular non-collision-related variations in the external force can be advantageously filtered.
In einer Ausführung wird eine Komponente der Kollisions-Kraft in wenigstens einer ersten Richtung (jeweils) in Abhängigkeit von einem oder mehreren In one embodiment, a component of the collision force in at least a first direction (respectively) is dependent on one or more
Zugehörigkeitsgraden einer Komponente der modellgestützt ermittelten externen Kraft in dieser ersten Richtung, einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Belonging degrees of a component of the model-based determined external force in this first direction, one or more degrees of membership of a
Komponente des Positionsfehlers des Roboters in dieser ersten Richtung und/oder einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Position einer roboterfesten Component of the position error of the robot in this first direction and / or one or more degrees of membership of a position of a robot-fixed
Referenz in dieser ersten Richtung ermittelt. Entsprechend umfasst in einer Ausführung das System bzw. dessen Mittel zum Reference determined in this first direction. Accordingly, in one embodiment, the system or its means for
Ermitteln wenigstens einer Komponente der Kollisions-Kraft Mittel zum Ermitteln einer Komponente der Kollisions-Kraft in wenigstens einer ersten Richtung (jeweils) in Abhängigkeit von einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Komponente der modellgestützt ermittelten externen Kraft in dieser ersten Richtung, einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Komponente des Positionsfehlers des Roboters in dieser ersten Richtung und/oder einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Position einer roboterfesten Referenz in dieser ersten Richtung. Eine erste Richtung kann insbesondere eine roboter(glied)- oder raumfeste und/oder kartesische Richtung, insbesondere des Arbeitsraums der Roboters, sein. In einer Ausführung ist eine erste Richtung die vertikale Richtung, eine horizontale Richtung oder eine gegen die Vertikale und die Horizontale geneigte Richtung. In einer Determining at least one component of the collision force means for determining a component of the collision force in at least a first direction (respectively) depending on one or more degrees of membership of a component of the model-based determined external force in this first direction, one or more degrees of membership of a component the position error of the robot in this first direction and / or one or more degrees of membership of a position of a robot-fixed reference in this first direction. A first direction may in particular be a robot (member) or space-fixed and / or Cartesian direction, in particular of the working space of the robot. In one embodiment, a first direction is the vertical direction, a horizontal direction, or a direction inclined to the vertical and horizontal. In a
Ausführung ist eine erste Richtung eine Kollisionsrichtung, insbesondere eine voraussichtliche und/oder Hauptkollisionsrichtung, und/oder senkrecht zu einer potentiellen, insbesondere vorgegebenen, Kollisionsebene. Beispielsweise ist bei einer sonographischen Untersuchung eines horizontal liegenden Patienten die Vertikale die voraussichtliche Hauptkollisionsrichtung. Es hat sich herausgestellt, dass für eine vorteilhafte Ermittlung einer Komponente der Kollisions-Kraft in bestimmten Richtungen, insbesondere in einer A first direction is a collision direction, in particular an anticipated and / or main collision direction, and / or perpendicular to a potential, in particular predetermined, collision plane. For example, in an ultrasound examination of a patient lying horizontally, the vertical is the expected main collision direction. It has been found that for a favorable determination of a component of the collision force in certain directions, in particular in one
(Haupt)Kollisionsrichtung, vorteilhaft neben dem Positionsfehler und der Komponente der externen Kraft die Position einer roboterfesten Referenz in dieser Richtung besonderes geeignet ist. Zusätzlich oder alternativ wird in einer Ausführung eine Komponente der Kollisions- Kraft in wenigstens einer zweiten Richtung (jeweils) in Abhängigkeit von einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Komponente der modellgestützt ermittelten externen Kraft in dieser zweiten Richtung, einem oder mehreren (Main) collision direction, advantageous in addition to the position error and the component of the external force, the position of a robot-fixed reference in this direction is particularly suitable. Additionally or alternatively, in one embodiment, a component of the collision force in at least one second direction (respectively) is one or more depending on one or more degrees of membership of a component of the model-based determined external force in that second direction
Zugehörigkeitsgraden einer Komponente des Positionsfehlers des Roboters in dieser zweiten Richtung und/oder einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Degrees of membership of a component of the positional error of the robot in this second direction and / or one or more degrees of membership of a robot
Geschwindigkeit einer roboterfesten Referenz in dieser zweiten Richtung, ermittelt.  Speed of a robot-fixed reference in this second direction, determined.
Entsprechend umfasst in einer Ausführung das System bzw. dessen Mittel zum Ermitteln wenigstens einer Komponente der Kollisions-Kraft zusätzlich oder alternativ Mittel zum Ermitteln einer Komponente der Kollisions-Kraft in wenigstens einer zweiten Richtung (jeweils) in Abhängigkeit von einem oder mehreren Accordingly, in one embodiment, the system or its means for determining at least one component of the collision force additionally or alternatively comprises means for determining a component of the collision force in at least one second direction (respectively) in dependence on one or more
Zugehörigkeitsgraden einer Komponente der modellgestützt ermittelten externen Kraft in dieser zweiten Richtung, einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer  Belonging degrees of a component of the model-based determined external force in this second direction, one or more degrees of membership of a
Komponente des Positionsfehlers des Roboters in dieser zweiten Richtung und/oder einem oder mehreren Zugehörigkeitsgraden einer Geschwindigkeit einer Component of the position error of the robot in this second direction and / or one or more degrees of membership of a speed
roboterfesten Referenz in dieser zweiten Richtung. Es hat sich herausgestellt, dass für eine vorteilhafte Ermittlung einer Komponente der Kollisions-Kraft in bestimmten Richtungen, insbesondere schräg zu einer robot-fixed reference in this second direction. It has been found that for a favorable determination of a component of the collision force in certain directions, in particular obliquely to a
(Haupt)Kollisionsrichtung, vorteilhaft neben dem Positionsfehler und der Komponente der externen Kraft die Geschwindigkeit einer roboterfesten Referenz in dieser, insbesondere zur (Haupt)Kollisionsrichtung geneigten, Richtung besonderes geeignet ist.  (Main) collision direction, advantageously in addition to the position error and the component of the external force, the speed of a robot-fixed reference in this, in particular to the (main) direction of collision inclined direction is particularly suitable.
Die zweite Richtung kann insbesondere eine roboter(glied)- oder raumfeste und/oder kartesische Richtung, insbesondere des Arbeitsraums der Roboters, sein. In einer Ausführung ist die zweite Richtung eine horizontale Richtung, die vertikale Richtung oder eine gegen die Vertikale und die Horizontale geneigte Richtung. In einer The second direction may in particular be a robot (member) or space-fixed and / or Cartesian direction, in particular of the working space of the robot. In one embodiment, the second direction is a horizontal direction, the vertical direction, or a direction inclined to the vertical and horizontal. In a
Ausführung ist die zweite Richtung zu der ersten Richtung geneigt, insbesondere senkrecht zu dieser. In einer Ausführung sind zwei zweite Richtungen zueinander senkrecht und/oder zwei erste Richtungen zueinander senkrecht. Embodiment, the second direction is inclined to the first direction, in particular perpendicular to this. In one embodiment, two second directions are perpendicular to each other and / or two first directions perpendicular to each other.
In einer Ausführung wird bzw. ist das Fuzzy-System, insbesondere eine oder mehrere seiner Zugehörigkeitsfunktionen und/oder Regeln und/oder seiner linearen Funktion, mittels eines neuronalen Netzes parametriert, insbesondere auf Basis der Methode der kleinsten Feh lerquad rate und/oder der Methode der Rückwärtspropagierung absteigenden Gradients. In one embodiment, the fuzzy system, in particular one or more of its membership functions and / or rules and / or its linear function, is or are parameterized by means of a neural network, in particular based on the method of the smallest error rate and / or the method the reverse propagation descending gradient.
Entsprechend umfasst in einer Ausführung das System Mittel zum Parametrieren des Fuzzy-Systems, insbesondere eines oder mehrerer seiner Zugehörigkeitsfunktionen und/oder Regeln, mittels eines neuronalen Netzes, insbesondere auf Basis der Methode der kleinsten Feh lerquad rate und/oder der Methode der Correspondingly, in one embodiment, the system comprises means for parameterizing the fuzzy system, in particular one or more of its membership functions and / or rules, by means of a neural network, in particular based on the method of the smallest error rate and / or the method of
Rückwärtspropagierung absteigenden Gradients. Backward propagation descending gradient.
Hierdurch kann in einer Ausführung das Verfahren bzw. System vorteilhaft, insbesondere rasch, autonom und/oder robust, an unterschiedliche Roboter und/oder Applikationen angepasst werden. As a result, in one embodiment, the method or system can advantageously be adapted to different robots and / or applications, in particular rapidly, autonomously and / or robustly.
In einer Ausführung wird die externe Kraft modellgestützt auf Basis eines In one embodiment, the external force is modeled based on a
dynamischen Modells des Roboters ermittelt. Entsprechend umfasst in einer dynamic model of the robot. Accordingly includes in one
Ausführung das System Mittel zum modellgestützten Ermitteln der externen Kraft auf Basis eines dynamischen Modells des Roboters. Das dynamische Modell bildet in einer Ausführung eine Pose, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Roboters und auf diesen wirkende Kräfte aufeinander ab, insbesondere entsprechend einer Relation M(q) d2q/dt2 + h(q, dq/dt) = Tmot - Te mit der Massenmatrix M, den Gelenkkoordinaten oder der Lage und Orientierung einer roboterfesten Referenz q bzw. deren Zeitableitungen, dem Kraftvektor h, den Antriebskräften Tmot und den externen Kräften Te. Es kann gleichermaßen im kartesischen oder Gelenkkoordinatenraum implementiert sein. Die Antriebskräfte Tmot und/oder der Vektor q und dessen Zeitableitungen können insbesondere mittels Sensoren erfasst bzw. -mittelt werden. Wie vorstehend erwähnt, kann insbesondere die Kombination einer modellgestützten Ermittlung von externen Kräften auf Basis eines dynamischen Modells mit der Execution of the system Means for model-based determination of the external force on the basis of a dynamic model of the robot. In one embodiment, the dynamic model maps a pose, speed and / or acceleration of the robot and forces acting thereon, in particular corresponding to a relation M (q) d 2 q / dt 2 + h (q, dq / dt) = T mo t - T e with the mass matrix M, the joint coordinates or the position and orientation of a robot-fixed reference q or their time derivatives, the force vector h, the driving forces T mo t and the external forces T e . It can equally be implemented in Cartesian or joint coordinate space. The driving forces T mot and / or the vector q and its time derivatives can be detected or detected in particular by means of sensors. As mentioned above, in particular the combination of a model-based determination of external forces on the basis of a dynamic model with the
Ermittlung einer Kontakt-Kraft auf Basis dieser externen Kräfte auf Basis eines bzw. durch ein Fuzzy-System(s) eine Erfassung einer Kollision verbessern. Determining a contact force based on these external forces on the basis of or by a fuzzy system (s) to improve detection of a collision.
Alternativ oder zusätzlich, insbesondere dem dynamischen Modell nachgeschaltet, kann ein (zeit)prädiktives Modell, insbesondere ein autoregressives Modell Alternatively or additionally, in particular following the dynamic model, a (time) predictive model, in particular an autoregressive model, can be used
insbesondere ein AR-Modell, vorgesehen sein, um die externen Kräfte modellgestützt zu ermitteln. Hierdurch kann insbesondere vorteilhaft eine Zeitverzögerung durch das Fuzzy-System, wenigstens teilweise, kompensiert werden. In particular, an AR model, be provided to determine the external forces modeled. As a result, a time delay through the fuzzy system can be compensated for, at least partially.
Entsprechend wird in einer Ausführung die externe Kraft auf Basis eines prädiktiven Modells, insbesondere eines autoregressiven Modells ermittelt. Entsprechend umfasst in einer Ausführung das System Mittel zum modellgestützten Ermitteln der externen Kraft auf Basis eines prädiktiven Modells, insbesondere eines autoregressiven Accordingly, in one embodiment, the external force is determined on the basis of a predictive model, in particular an autoregressive model. Accordingly, in one embodiment, the system comprises means for model-based determination of the external force on the basis of a predictive model, in particular an autoregressive
Modells. Model.
Das prädiktive Modell bildet in einer Ausführung eine externe Kraft, die in einer Ausführung auf Basis des dynamischen Modells ermittelt worden ist, auf eine The predictive model, in one embodiment, forms an external force, determined in one embodiment based on the dynamic model, on one
(vorausgesagte) externe Kraft ab. Auch zu einem prädiktiven Modell wird ergänzend insbesondere auf die eingangs genannte Veröffentlichung F. Dimeas et al.,„Humanrobot collision detection and Identification based on fuzzy and time series modelling", Robotica, 9. Mai 2014, Bezug genommen und deren Inhalt vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung einbezogen. In einer Ausführung wird nach Erfassen einer Kollision auf Basis der Kollisions-Kraft in eine andere Ermittlung umgeschaltet, um eine Feedback-Kraft zu ermitteln, wobei diese andere Ermittlung in einer Ausführung auch schon parallel zur Ermittlung der Kollisions-Kraft durchgeführt werden kann, um das Umschalten zu verbessern, insbesondere eine hierdurch bedingte Verzögerung zu reduzieren. (predicted) external force. In addition to a predictive model, reference is additionally made in particular to the above-cited publication F. Dimeas et al., "Robot Robot Collision Detection and Identification based on fuzzy and time series modeling", Robotica, May 9, 2014, and its contents are fully incorporated into the present disclosure included. In one embodiment, after detection of a collision based on the collision force is switched to another determination to determine a feedback force, this other determination can be carried out in an embodiment even parallel to the determination of the collision force to the To improve switching, in particular to reduce a delay caused thereby.
Entsprechend wird in einer Ausführung eine Feedback-Kraft nach Erfassen einer Kollision des Roboters ohne das Fuzzy-System und/oder das prädiktive Modell auf Basis eines, insbesondere desselben, dynamischen Modells des Roboters ermittelt. Accordingly, in one embodiment, a feedback force is determined after detecting a collision of the robot without the fuzzy system and / or the predictive model based on, in particular the same, dynamic model of the robot.
Entsprechend weist das System in einer Ausführung Mittel zum Umschalten nach Erfassen einer Kollision auf Basis der Kollisions-Kraft in eine andere Ermittlung, um eine Feedback-Kraft zu ermitteln, bzw. Mittel zum Ermitteln einer Feedback-Kraft nach Erfassen einer Kollision des Roboters ohne das Fuzzy-System und/oder das prädiktive Modell auf Basis eines, insbesondere desselben, dynamischen Modells des Roboters auf. Die Feedback-Kraft ist in einer Ausführung eine Feedback-Kraft eines haptischen Eingabegeräts des Roboters bzw. eine Kraft, die, insbesondere durch wenigstens einen Aktuator, auf ein Bedienelement eines Eingabegeräts des Roboters aufgeprägt wird, um einem Bediener ein Kraftfeedback eines Kontakts des Roboters, Accordingly, in one embodiment, the system includes means for switching upon detection of a collision based on the collision force to another determination to determine a feedback force, or means for determining a feedback force after detecting a collision of the robot without Fuzzy system and / or the predictive model based on, in particular the same, dynamic model of the robot. In one embodiment, the feedback force is a feedback force of a haptic input device of the robot or a force, which is impressed on an operating element of an input device of the robot, in particular by at least one actuator, in order to force the operator a contact of the robot,
insbesondere eines von diesem geführten Werkzeugs, insbesondere medizinischen Instruments, zu vermitteln. Entsprechend weist in einer Ausführung das System bzw. die Roboteranordnung ein haptisches Eingabegerät und Mittel zum Aufprägen der Feedback-Kraft auf ein Bedienelement des Eingabegeräts, um einem Bediener ein Kraftfeedback eines Kontakts des Roboters, insbesondere eines von diesem geführten Werkzeugs, insbesondere medizinischen Instruments, zu vermitteln, auf. Durch die Umschaltung nach Erfassen des Kontakts bzw. die Ermittlung der in particular to convey a guided by this tool, in particular medical instrument. Accordingly, in one embodiment, the system or the robot assembly includes a haptic input device and means for applying the feedback force to an operating element of the input device to force feedback to a user a contact of the robot, in particular a guided by this tool, in particular medical instrument mediate, on. By switching after detecting the contact or the determination of
Feedback-Kraft ohne Fuzzy-System und/oder prädiktives Modell, können in einer Ausführung vorteilhaft Verfälschungen, insbesondere Filterungen, der Kraft, die zum Erfassen einer Kollision zweckmäßig sein können, reduziert und so ein Kraftfeedback verbessert werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Feedback-Kraft vor Erfassen einer Kollision des Roboters auf Basis der ermittelten Kollisions-Kraft, wenigstens im Wesentlichen, gleich Null sein. Auch hierdurch kann ein Kraftfeedback verbessert werden. Feedback force without fuzzy system and / or predictive model, in one embodiment advantageously distortions, in particular filtering, the force that can be useful for detecting a collision, reduced, and so a force feedback can be improved. Additionally or alternatively, prior to detecting a collision of the robot, the feedback force may be at least substantially equal to zero based on the determined collision force. Also, this can be a force feedback can be improved.
Alternativ kann die Feedback-Kraft in einer Ausführung vor Erfassen einer Kollision des Roboters auch auf Basis der ermittelten Kollisions-Kraft ermittelt werden, insbesondere dieser entsprechen. Alternatively, the feedback force in an embodiment prior to detecting a collision of the robot can also be determined on the basis of the determined collision force, in particular corresponding thereto.
Eine Roboteranordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst einen bzw. den Roboter und ein hier beschriebenes System zum Steuern des A robot assembly according to an embodiment of the present invention includes a robot and a system for controlling the same described herein
Roboters. Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, insbesondere mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Robot. A means in the sense of the present invention may be designed in terms of hardware and / or software, in particular a data or signal-connected, in particular digital, processing, in particular microprocessor unit (CPU) and / or a memory and / or bus system or multiple programs or program modules. The CPU may be configured to execute instructions implemented as a program stored in a memory system, to capture input signals from a data bus, and / or
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 CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere den Roboter betreiben bzw. Output signals to a data bus. A storage system may comprise one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid state and / or other non-volatile media. The program may be such that it is capable of embodying or executing the methods described here, so that the CPU can carry out the steps of such methods and thus, in particular, operate the robot or
steuern kann. can control.
In einer Ausführung werden einer oder mehrere der hier beschriebenen Schritte wenigstens teilweise automatisiert, insbesondere durch das hier beschriebene System bzw. dessen Mittel, ausgeführt. In one embodiment, one or more of the steps described herein are at least partially automated, in particular by the system or means described herein.
Die Erfindung ist insbesondere bei medizinischen Applikationen, in denen ein robotergeführtes medizinisches Instrument einen Patienten temporär kontaktiert, insbesondere bei robotergestützter Sonographie oder anderen bildgebenden The invention is particularly in medical applications in which a robot-guided medical instrument temporarily contacts a patient, particularly in robot-assisted sonography or other imaging
Verfahren, vorteilhaft, so dass diese eine bevorzugte Verwendung darstellen und für die daher insbesondere Schutz beansprucht wird. Denn hier ist insbesondere eine zuverlässige, frühzeitige und/oder sanfte Erfassung eines Kontakts und/oder ein anschließendes präzises Kraftfeedback wichtig. Sie kann jedoch gleichermaßen auch bei anderen Applikationen verwendet werden und ist daher nicht auf medizinische Applikationen beschränkt. Process, advantageous, so that these represent a preferred use and for which is therefore claimed in particular protection. For here in particular a reliable, early and / or gentle detection of a contact and / or a subsequent precise power feedback is important. However, it can equally be used in other applications and is therefore not limited to medical applications.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert,: Further advantages and features emerge from the subclaims and the exemplary embodiments. This shows, partially schematized ,:
Fig. 1 : eine Roboteranordnung mit einem Roboter und einem System zum Steuern des Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden 1 shows a robot arrangement with a robot and a system for controlling the robot according to an embodiment of the present invention
Erfindung; und  Invention; and
Fig. 2: den Ablauf eines Verfahrens nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. 2 shows the sequence of a method according to an embodiment of the present invention.
Fig. 1 zeigt eine Roboteranordnung mit einem Roboter 30, der einen Ultraschallkopf 31 führt, und einem System zum Steuern des Roboters 30 bzw. einer medizinischen Applikation des Roboters in Form einer Robotersteuerung 10, die mit einem haptischen Eingabegerät 20 zum Steuern des Roboters 30 kommuniziert bzw. 1 shows a robot arrangement with a robot 30, which carries an ultrasound head 31, and a system for controlling the robot 30 or a medical application of the robot in the form of a robot controller 10, which communicates with a haptic input device 20 for controlling the robot 30 respectively.
signalverbunden ist. is signal-connected.
Die Robotersteuerung 10 führt ein nachfolgend mit Bezug auf Fig. 1 , 2 erläutertes Verfahren nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung aus und weist hierzu ein entsprechendes Computerprogrammprodukt auf. The robot controller 10 executes a method explained below with reference to FIGS. 1, 2 according to an embodiment of the present invention and has a corresponding computer program product for this purpose.
In einem ersten Schritt S10 ermittelt die Steuerung 10 aus Gelenkwinkeln und In a first step S10, the controller 10 determines joint angles and
Antriebskräften, insbesondere Drehmomenten, des Roboters 30 auf Basis eines dynamischen Modells 1 des Roboters 30 eine externe Kraft Fe, die aus einer externen Belastung des Roboters resultiert. Hierzu werden von den aus dem dynamischen Modell auf Basis der Gelenkwinkel und ihrer Zeitableitungen Driving forces, in particular torques, of the robot 30 based on a dynamic model 1 of the robot 30, an external force F e , resulting from an external load of the robot. To do this, the ones from the dynamic model are based on the joint angles and their time derivatives
bestimmten Gesamtgelenkkräften die Antriebskräfte abgezogen und diese Differenz mittels der Jacobimatrix in den kartesischen Raum projiziert, in dem die Kraft Fe drei Komponenten in x-, y- und z-Richtung eines Koordinatensystems aufweist, dessen z- Achse vertikal bzw. entgegen der Gravitationsrichtung orientiert ist. Anschließend wird in einem Schritt S20 aus dieser auf Basis des dynamischen Modells 1 1 ermittelten externen Kraft Fe durch ein ARMA-Modell 12 determined total joint forces subtracted the driving forces and projected this difference by means of the Jacobian matrix in the Cartesian space in which the force F e has three components in the x-, y- and z-direction of a coordinate system whose z-axis oriented vertically or against the gravitational direction is. Subsequently, in a step S20, this external force F e determined on the basis of the dynamic model 1 1 is determined by an ARMA model 12
komponentenweise eine voraussichtliche externe Kraft [F'e,x, F'e,y, F'e,z] ermittelt. component-wise a probable external force [F ' e , x , F' e , y , F ' e , z ] determined.
Somit wird auf Basis des dynamischen Modells 11 und des prädiktiven Modells 12 modellgestützt eine externe Kraft [F'e x, F'e,y, F'e z] ermittelt, die aus einer externen Belastung des Roboters 30 resultiert. Thus, on the basis of the dynamic model 11 and the model 12 model-based predictive determines an external force [F 'ex, F' E, Y, F 'ez] resulting from an external stress of the robot 30th
In einem nächsten Schritt S30 werden für die Komponenten F'e x, F'e,y und F'e,z dieser externen Kraft jeweils durch FIS 13X, 13Y bzw. 13Z, die Subsysteme eines FIS 13 bilden, Zugehörigkeitsgrade B auf Basis von Zugehörigkeitsfunktionen Bi des Fuzzy- Systems 13 ermittelt, wie dies in Fig. 1 schematisiert angedeutet ist. In a next step S30, for the components F ' ex , F' e , y and F ' e , z of this external force respectively by FIS 13X, 13Y and 13Z forming subsystems of an FIS 13, membership degrees B based on membership functions Bi of the fuzzy system 13 determines, as indicated schematically in FIG. 1.
In analoger Weise werden in Schritt S30 in den Subsystemen 13X, 13Y auch für horizontale Komponenten Δχ, Ay eines Positionsfehlers sowie horizontale In an analogous manner, in step S30 in the subsystems 13X, 13Y also for horizontal components Δχ, Ay of a position error and horizontal
Komponenten dx/dt, dy/dt einer Geschwindigkeit des TCPs des Roboters 30 jeweils auf Basis von Zugehörigkeitsfunktionen Bi des Fuzzy-Systems 13 Components dx / dt, dy / dt a speed of the TCPs of the robot 30 each based on membership functions Bi of the fuzzy system 13th
Zugehörigkeitsgrade B ermittelt. Membership degrees B determined.
In analoger Weise werden in Schritt S30 in dem Subsystem 13Z auch für eine vertikale Komponente Az des Positionsfehlers sowie eine vertikale Komponente z einer Position bzw. Lage des TCPs des Roboters 30 jeweils auf Basis von Analogously, in step S30 in the subsystem 13Z, also for a vertical component Az of the position error and a vertical component z of a position of the TCP of the robot 30 are respectively based on
Zugehörigkeitsfunktionen Bi des Fuzzy-Systems 13 Zugehörigkeitsgrade B ermittelt. Aus diesen ermittelten Zugehörigkeitsgraden B ermitteln die Subsysteme 13X, 13Y, 13Z des Fuzzy-Systems 13 in einem Schritt S40 regelbasiert eine vertikale Membership Functions Bi of the Fuzzy System 13 Membership degrees B determined. From these ascertained degrees of membership B, the subsystems 13X, 13Y, 13Z of the fuzzy system 13 determine a vertical rule in a step S40 in a rule-based manner
Komponente Fc z bzw. horizontale Komponenten Fc x, Fc y einer Kollisions-Kraft. Component F cz or horizontal components F cx , F cy of a collision force.
Die Regeln und/oder Zugehörigkeitsfunktionen Bi des Fuzzy-Systems 13 sind vorab durch ein neuronales Netz parametriert. Solange die so ermittelte Kollisions-Kraft [Fc x, Fc y, Fc,2] unter einem vorgegebenen Schwellwert bleibt, gibt ein Umschaltmittel 14 der Steuerung 10 in einem Schritt S50 an das haptische Eingabegerät 20 eine Feedback-Kraft F^ gleich Null aus. Alternativ kann auch die so ermittelte Kollisions-Kraft [Fc,x, Fc,y, Fc,z] selber als Feedback-Kraft Fft an das haptische Eingabegerät 20 ausgegeben werden. The rules and / or membership functions Bi of the fuzzy system 13 are parameterized in advance by a neural network. As long as the thus determined collision force [F cx , F cy , F c , 2 ] remains below a predetermined threshold, a switching means 14 of the controller 10 in a step S50 to the haptic input device 20, a feedback force F ^ equal to zero , alternative The collision force [F c , x , F c, y , F c , z ] thus determined can also be output to the haptic input device 20 itself as a feedback force F ft .
Überschreitet die Kollisions-Kraft [Fc x, Fc,y, Fc z] hingegen den vorgegebenen On the other hand, the collision force [F cx , F c, y , F cz ] exceeds the given one
Schwellwert, gibt das Umschaltmittel 14 an das haptische Eingabegerät 20 in Schritt S50 eine Feedback-Kraft F«, aus, die die Steuerung 10 auf Basis des dynamischen Modells 1 1 ohne das prädiktive Modell 12 oder das Fuzzy-System 13 ermittelt, in einem einfachen Fall direkt die externe Kraft Fe. Es kann zudem ein entsprechendes, beispielsweise optisches und/oder akustisches, Signal ausgeben Threshold, the switching means 14 to the haptic input device 20 in step S50 a feedback force F «, which determines the controller 10 based on the dynamic model 1 1 without the predictive model 12 or the fuzzy system 13, in a simple Case directly the external force F e . It can also output a corresponding, for example optical and / or acoustic, signal
Fällt deren Betrag unter einen, insbesondere denselben, Schwellwert, schaltet das Umschaltmittel 14 wieder zurück und die Steuerung 10 erfasst in der vorstehend beschriebenen Weise die nächste Kollision des Ultraschallkopfes 31 . If the amount falls below one, in particular the same, threshold value, the switching means 14 switches back again and the controller 10 detects the next collision of the ultrasonic head 31 in the manner described above.
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 Although exemplary embodiments have been explained in the foregoing description, it should be understood that a variety of modifications are possible. It should also be noted that it is the exemplary
Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die The explanations are merely examples of the scope of protection
Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die  Applications and the structure should in no way limit. Rather, the expert is by the preceding description a guide for the
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 Implementation of at least one exemplary embodiment given, wherein various changes, in particular with regard to the function and arrangement of the described components, can be made without departing from the scope, as it is apparent from the claims and these equivalent
Merkmalskombinationen ergibt. Feature combinations results.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Robotersteuerung 10 robot control
11 dynamisches Modell  11 dynamic model
12 AR 12 AR
13,  13
13X-13Z FIS („Fuzzy Inference System")  13X-13Z FIS ("Fuzzy Inference System")
14 Umschaltmittel  14 switching means
20 haptisches Eingabegerät zum Fernsteuern des Roboters 30 Roboter  20 haptic input device for remote control of the robot 30 robot
31 Ultraschallkopf  31 ultrasound head
B Zugehörigkeitsgrad B membership degree
B, Zugehörigkeitsfunktion  B, membership function
Fe, F e ,
[F'e, x, F'e, y, F'e, z] externe Kraft [F'e, x, F ' e , y , F' e , z] external force
[Fc, x, Fc, y, Fc, z] Kollisions-Kraft [F c , x, F c , y , F c , z ] collision force
Ffb Feedback-Kraft  Ffb Feedback Force
[Δχ, Ay, Δζ] Positionsfehler  [Δχ, Ay, Δζ] position error
[dx/dt, dy/dt] horizontale Geschwindigkeit  [dx / dt, dy / dt] horizontal speed
z vertikale Position z vertical position

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Steuern eines Roboters (30), insbesondere einer medizinischen Applikation, mit den Schritten: A method of controlling a robot (30), in particular a medical application, comprising the steps of:
Ermitteln (S10-S40) einer Kollisions-Kraft ([Fc, x, Fc, y, Fc, z]) auf Basis einer modellgestützt ermittelten externen Kraft (Fe, [F'e, x, F'e, y> F'e, z]), die aus einer externen Belastung des Roboters resultiert, eines Positionsfehlers ([Δχ, Ay, Az]) des Roboters und einer Pose (z) und/oder Geschwindigkeit ([dx/dt, dy/dt]) des Roboters; und Determining (S10-S40) a collision force ([F c , x , F c , y , F c , z ]) on the basis of a model-based determined external force (F e , [F ' e , x , F' e , y> F ' e , z ]) resulting from an external load on the robot, a position error ([Δχ, Ay, Az]) of the robot and a pose (z) and / or velocity ([dx / dt, dy / dt]) of the robot; and
Erfassen (S50) einer Kollision des Roboters auf Basis dieser Kollisions-Kraft. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , mit den Schritten:  Detecting (S50) a collision of the robot based on this collision force. 2. The method of claim 1, comprising the steps of:
Ermitteln (S30) wenigstens eines Zugehörigkeitsgrads (B) wenigstens einer Komponente (F'e, x, F'e, y, F'e z) der modellgestützt ermittelten externen Kraft, wenigstens eines Zugehörigkeitsgrads (B) wenigstens einer Komponente (Ax, Ay, Az) des Positionsfehlers des Roboters und wenigstens eines Zugehörigkeitsgrads (B) wenigstens einer Komponente (z, dx/dt, dy/dt) der Pose und/oder Determining (S30) at least one degree of affiliation (B) of at least one component (F ' e , x , F' e , y , F ' ez ) of the model-based determined external force, at least one degree of affiliation (B) of at least one component (Ax, Ay, Az) of the positional error of the robot and at least one degree of affiliation (B) of at least one component (z, dx / dt, dy / dt) of the pose and / or
Geschwindigkeit des Roboters auf Basis von Zugehörigkeitsfunktionen (B,) eines Fuzzy-Systems (13, 13X-13Z); und  Speed of the robot based on membership functions (B,) of a fuzzy system (13, 13X-13Z); and
Ermitteln (S30) wenigstens einer Komponente (Fc x, Fc y, Fc, z) der Kollisions-Kraft auf Basis des Fuzzy-Systems in Abhängigkeit von diesen Zugehörigkeitsgraden. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Determining (S30) at least one component (F cx , F cy , F c , z ) of the collision force on the basis of the fuzzy system as a function of these membership degrees. 3. The method according to claim 2, characterized in that
eine Komponente (Fc z) der Kollisions-Kraft in wenigstens einer ersten, a component (F cz ) of the collision force in at least a first,
insbesondere vertikalen, Richtung in Abhängigkeit von wenigstens einem  in particular vertical, direction depending on at least one
Zugehörigkeitsgrad einer Komponente (F'e z) der modellgestützt ermittelten externen Kraft in der ersten Richtung, wenigstens einem Zugehörigkeitsgrad einer Komponente (Az) des Positionsfehlers des Roboters in der ersten Richtung und/oder wenigstens einem Zugehörigkeitsgrad einer Position (z) einer Membership degree of a component (F ' ez ) of the model-based determined external force in the first direction, at least one degree of membership of a component (Az) of the positional error of the robot in the first direction and / or at least one degree of membership of a position (z) of one
roboterfesten Referenz in der ersten Richtung ermittelt wird; und/oder  robot-fixed reference in the first direction is determined; and or
eine Komponente (Fc, x, Fc, y) der Kollisions-Kraft in wenigstens einer zweiten, insbesondere horizontalen, Richtung in Abhängigkeit von wenigstens einem Zugehörigkeitsgrad einer Komponente (F'e, x, F'e, y) der modellgestützt ermittelten externen Kraft in der zweiten Richtung, wenigstens einem Zugehörigkeitsgrad einer Komponente (Δχ, Ay) des Positionsfehlers des Roboters in der zweiten Richtung und/oder wenigstens einem Zugehörigkeitsgrad einer Geschwindigkeit ([dx/dt, dy/dt]) einer roboterfesten Referenz in der zweiten Richtung ermittelt wird. a component (F c , x , F c , y ) of the collision force in at least one second, in particular horizontal, direction as a function of at least one degree of membership of a component (F ' e, x , F' e, y ) of the model-based determined external force in the second direction, at least one degree of affiliation a component (Δχ, Ay) of the positional error of the robot in the second direction and / or at least one degree of membership of a speed ([dx / dt, dy / dt]) of a robot-fixed reference in the second direction is determined.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 3, dadurch Method according to one of the preceding claims 2 to 3, characterized
gekennzeichnet, dass das Fuzzy-System (13, 13X-13Z) mittels eines neuronalen Netzes parametriert wird.  characterized in that the fuzzy system (13, 13X-13Z) is parameterized by means of a neural network.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kraft auf Basis eines dynamischen Modells (11 ) des Roboters und/oder eines prädiktiven Modells, insbesondere eines autoregressiven Modells (12), ermittelt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the external force is determined on the basis of a dynamic model (11) of the robot and / or a predictive model, in particular an autoregressive model (12).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feedback-Kraft (Ffb), insbesondere eines haptischen Eingabegeräts (20) des Roboters, nach Erfassen einer Kollision des Roboters ohne das Fuzzy-System und/oder das prädiktive Modell auf Basis eines dynamischen Modells (1 1 ) des Roboters ermittelt wird und/oder vor Erfassen einer Kollision des Roboters auf Basis der ermittelten Kollisions-Kraft ([Fc x, Fc, y, Fc z]) ermittelt wird oder, wenigstens im Wesentlichen, gleich Null ist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a feedback force (F fb ), in particular a haptic input device (20) of the robot, after detecting a collision of the robot without the fuzzy system and / or the predictive model based on a dynamic model (1 1) of the robot is determined and / or detected before detecting a collision of the robot on the basis of the determined collision force ([F cx , F c, y , F cz ]) or, at least substantially, equal to zero is.
7. System (10, 20) zum Steuern eines Roboters (30), insbesondere einer 7. System (10, 20) for controlling a robot (30), in particular a
medizinischen Applikation, das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist:  medical application, which is set up to carry out a method according to one of the preceding claims and / or has:
Mittel (10) zum Ermitteln einer Kollisions-Kraft ([Fc x, Fc y, Fc, z]) auf Basis einer modellgestützt ermittelten externen Kraft (Fe, [F'e, x, F'e, y, F'e, z]), die aus einer externen Belastung des Roboters resultiert, eines Positionsfehlers ([Δχ, Ay, Δζ]) des Roboters und einer Pose (z) und/oder Geschwindigkeit ([x dt, dy/dt]) des Roboters; und Means (10) for determining a collision force ([F cx , F cy , F c , z ]) on the basis of a model-based determined external force (F e , [F ' e , x , F' e , y , F ' e , z ]) resulting from an external load of the robot, a position error ([Δχ, Ay, Δζ]) of the robot and a pose (z) and / or speed ([x dt, dy / dt]) of the robot ; and
Mittel (10) zum Erfassen einer Kollision des Roboters auf Basis dieser Kollisions- Kraft.  Means (10) for detecting a collision of the robot based on this collision force.
Roboteranordnung mit einem Roboter (30) und einem System (10, 20) zum Robot arrangement comprising a robot (30) and a system (10, 20) for
Steuern des Roboters nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Controlling the robot according to one of the preceding claims.
9. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche. A computer program product having a program code stored on a computer readable medium for carrying out a method according to any one of the preceding claims.
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