Verfahren zur Minimierunq von Belastungen der Gelenkverbindungen eines Method for minimizing loads on the articulated joints of a
Manipulators manipulator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimierung der Belastung mindestens einer Gelenkverbindung eines Manipulators, der mittels eines Werkzeugs auf ein Arbeitsobjekt oder seine Umgebung eine Kraft und/ oder ein Drehmoment ausübt oder ausüben soll. Die Erfindung betrifft weiter einen Manipulator, der mindestens eine bewegliche Gelenkverbindung und ein Werkzeug umfasst. The invention relates to a method for minimizing the load of at least one articulated connection of a manipulator, which is intended to exert or exert a force and / or a torque by means of a tool on a work object or its surroundings. The invention further relates to a manipulator comprising at least one movable articulation and a tool.
Industrielle Manipulatoren können unterschiedliche Gelenkverbindungen haben. Es gibt beispielsweise Drehgelenke. Dort ist der limitierende Faktor bei Manipulations- aufgaben oft das Drehmoment, das ein einzelnes Drehgelenk abgeben kann. Es gibt auch beispielsweise prismatische Gelenke, das sind Verschiebungsgelenke. Bei dieser Gelenkart ist der limitierende Faktor bei Manipulationsaufgaben oft die Kraft, die das Gelenk abstützen muss. Es gibt Manipulatoren, die ausschließlich Drehgelenke haben, und solche, die ausschließlich prismatische Gelenke haben, und solche, die sowohl Dreh- als auch prismatische Gelenke haben. Industrial manipulators can have different joints. For example, there are swivel joints. There, the limiting factor in manipulation tasks is often the torque that a single pivot can deliver. There are also, for example, prismatic joints, which are displacement joints. In this type of joint, the limiting factor in manipulation tasks is often the force that must support the joint. There are manipulators that have only swivel joints, and those that have only prismatic joints, and those that have both swivel and prismatic joints.
Drehmomente, die von Drehgelenkverbindungen eines Manipulators, insbesondere eines Robotermanipulators oder Roboterarms, geleistet werden können, begrenzen oft dessen Manipulationsfähigkeit. Torques that may be provided by pivot joints of a manipulator, particularly a robotic manipulator or robotic arm, often limit its ability to manipulate.
Besonders bei leichtgewichtigen Robotern und Manipulatoren für geringe Nutzlasten, beispielsweise bei einem Manipulator des Typs„YuMi" (Marke), begrenzen geringe Maximaldrehmomente der Gelenkverbindungen die erzielbaren Kräfte, insbesondere die Kontaktkräfte, und/ oder Drehmomente, die ein Roboter oder ein Roboterarm auf die Umgebung, insbesondere ein Arbeitsobjekt, ausüben kann. Especially with lightweight robots and manipulators for low payloads, such as a "YuMi" (brand) manipulator, low maximum torques of the hinges limit the achievable forces, particularly the contact forces, and / or torques that a robot or robotic arm exerts on the environment , in particular a work object, can exercise.
Wenn ein Roboter oder Roboterarm dieser Art zur Fertigung oder in einer Anordnung
verwendet wird, können Überlastungsfehler von Gelenkverbindungen als Fehler auftreten. Diese Fehler beenden typischerweise eine Operation und führen zum Verlust von Produktivität. Eine weitere wichtige Anwendung ist das Anheben von Gegenständen, bei welcher Drehmomente einer Gelenkverbindung häufig ebenfalls limitierende Faktoren darstellen. If a robot or robotic arm of this kind for manufacturing or in an arrangement overload errors of articulated joints may occur as faults. These errors typically end an operation and result in the loss of productivity. Another important application is the lifting of objects in which torques of a joint are often also limiting factors.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Manipulator so zu betreiben, dass dessen Manipulationsfähigkeit durch seinen individuellen konstruktiven Aufbau und seine individuelle Leistungsfähigkeit möglichst nicht störend beeinträchtigt wird. Weiter ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Belastung in einer Gelenkverbindungen bei einer gegebenen äußeren Belastung am Werkzeug zu minimieren, also die Drehmomentbelastung in einem Drehgelenk oder die Kraftbelastung in einem Verschiebungsgelenk. The invention is therefore based on the object to operate a manipulator so that its manipulation capability is not disturbed by its individual structural design and individual performance as possible disruptive. Further, it is the object of the present invention to minimize the load in a joint at a given external load on the tool, so the torque load in a rotary joint or the force load in a displacement joint.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. According to the invention the above object is achieved by a method having the features of claim 1.
Danach ist das eingangs genannte Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die nachfolgenden Schritte ausgeführt werden: Thereafter, the method mentioned above is characterized in that the following steps are carried out:
- Festlegen des Betrags und/ oder der Richtung der Maximalkraft und/ oder des Maximaldrehmoments, mit welcher bzw. mit welchem die mindestens eine Gelenkverbindung maximal belastet werden soll, Determining the amount and / or the direction of the maximum force and / or the maximum torque with which or with which the at least one articulated connection is to be subjected to maximum load,
- Vorgeben des Betrags und/ oder der Richtung der erwarteten Kraft und/ o- der des erwarteten Drehmoments, welche bzw. welches das Werkzeug aus- üben soll und/ oder auf dieses einwirkt, Predetermining the amount and / or the direction of the expected force and / or the expected torque which the tool is to and / or has an effect on,
- Vorgeben mindestens einer ersten räumlichen Orientierung und/ oder räumlichen Position des Werkzeugs, die sich während des Ausübens oder Ein- wirkens der Kraft und/ oder des Drehmoments nicht ändern soll, und - Specifying at least a first spatial orientation and / or spatial position of the tool, which should not change during the application or application of force and / or torque, and
- Ermitteln einer Konfiguration der Gelenkverbindung, welche diese einnimmt, wenn das Werkzeug unter Einhaltung der vorgegebenen ersten räumlichen Orientierung und/ oder räumlichen Position die vorgegebene Kraft und/ oder das vorgegebene Drehmoment ausübt und/ oder erfährt derart, dass der festgelegte Betrag und/ oder die festgelegte Richtung der Maximalkraft und/
oder des Maximaldrehmoments, mit welcher bzw. mit welchem die mindestens eine Gelenkverbindung maximal belastet werden soll, nicht überschritten wird. Determining a configuration of the articulated connection, which assumes these, when the tool in compliance with the predetermined first spatial orientation and / or spatial position, the predetermined force and / or the predetermined torque exerts and / or learns such that the specified amount and / or fixed direction of maximum force and / or the maximum torque with which or with which the at least one articulated connection is to be loaded to the maximum, is not exceeded.
Unter einer Konfiguration der Gelenkverbindung soll hier die räumliche Orientierung und räumliche Position der Gelenkverbindung verstanden werden. A configuration of the articulated connection is to be understood here as the spatial orientation and spatial position of the articulated connection.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass eine Konfiguration der Gelenkverbindungen eines Manipulators optimiert werden kann, um die Belastung der Gelenkverbindungen durch Kräfte und/oder Drehmomente zu reduzieren, wenn Kräfte und Drehmomente, insbesondere Kontaktkräfte, und Kontaktdrehmomente auftreten. According to the invention, it has been recognized that a configuration of the articulated connections of a manipulator can be optimized in order to reduce the load on the articulated connections by forces and / or torques when forces and torques, in particular contact forces, and contact torques occur.
Erfindungsgemäß wird eine neue Art der Bedienung eines Manipulators vorgeschlagen. Diese neue Art erlaubt das Reduzieren ausgewählter Drehmomentbelastungen einer Verbindung, insbesondere einer Gelenkverbindung, bevorzugt bei einer erwarteten statischen externen Belastung. Als Reaktion hierauf werden die Kräfte und Drehmomente, die ein Manipulator auf seine Umgebung in spezifischen kartesischen Richtungen ausüben kann, basierend auf gegebenen Maximaldrehmomenten von Gelenkverbindungen maximiert. According to the invention, a new type of operation of a manipulator is proposed. This new type allows reducing selected torque loads of a connection, in particular a hinge connection, preferably with an expected static external load. In response, the forces and torques that a manipulator can exert on his environment in specific Cartesian directions are maximized based on given maximum torques of joint connections.
Aus anwendungstechnischer Sicht ist meistens das Minimieren von Belastungen an Gelenkverbindungen das Ziel. Das hier beschriebene Verfahren ist jedoch nicht auf Gelenkverbindungen beschränkt. Es erlaubt das Minimieren von Belastungen an be- liebig ausgewählten Verbindungen, insbesondere beweglichen Verbindungen, eines Manipulators. From an application point of view, minimizing loads on joints is usually the goal. However, the method described here is not limited to articulated joints. It allows the minimization of loads on any selected connections, in particular movable connections, of a manipulator.
Vorteilhaft werden die Schritte des Verfahrens ausgeführt, um die räumlichen Orientierungen und räumlichen Positionen von mehreren Verbindungen relativ zueinander zu ermitteln. So kann die bestmögliche Konfiguration, nämlich räumliche Anordnung, von Verbindungen, insbesondere von Gelenkverbindungen, hergestellt werden, um optimal Kräfte und/ oder Drehmomente durch ein Werkzeug ausüben zu können.
Das Verfahren ist bei redundant und nicht redundant arbeitenden Manipulatoren anwendbar. Advantageously, the steps of the method are performed to determine the spatial orientations and spatial locations of multiple links relative to each other. Thus, the best possible configuration, namely spatial arrangement, of connections, in particular of articulated joints, can be produced in order to optimally exert forces and / or torques by means of a tool. The method is applicable to redundant and non-redundant manipulators.
Bei redundant arbeitenden Manipulatoren kann die Konfiguration der Verbindungen, insbesondere der Gelenkverbindungen, optimiert werden, während eine konstante TCP-Stellung (Orientierung und Position) gegeben ist. With redundant manipulators, the configuration of the connections, in particular the articulated connections, can be optimized while maintaining a constant TCP position (orientation and position).
TCP steht für„Tool Center Point", diese Begriffskombination beschreibt in deutscher Sprache einen Referenzpunkt eines montierten Werkzeugs. TCP stands for "Tool Center Point", this term combination describes in German a reference point of a mounted tool.
Üblicherweise ist dieser Referenzpunkt der Ursprung eines karthesischen Koordinatensystems. Die TCP-Stellung beschreibt die mögliche räumliche Orientierung und räumliche Position eines Werkzeugs. Usually, this reference point is the origin of a Cartesian coordinate system. The TCP position describes the possible spatial orientation and spatial position of a tool.
Vor diesem Hintergrund werden weiter vorteilhaft mehrere räumliche Orientierungen und/ oder räumliche Positionen des Werkzeugs vorgegeben, die während des Ausübens und/ oder Einwirkens einer Kraft und/ oder eines Drehmoments zugelassen werden sollen. Hierdurch kann berücksichtigt werden, dass das Werkzeug, wenn es längs einer Achse eine Kraft ausüben soll, durchaus um diese Achse verdreht werden kann. Es können so Freiheitsgrade bei der Ausrichtung des Werkzeugs genutzt werden, um die optimale Konfiguration, nämlich räumliche Anordnung der Verbindungen, zu erhalten. Against this background, it is further advantageous to specify a plurality of spatial orientations and / or spatial positions of the tool which are to be permitted during the exertion and / or application of a force and / or a torque. In this way, it can be considered that the tool, if it is to exert a force along an axis, can certainly be rotated about this axis. It can be used as degrees of freedom in the alignment of the tool in order to obtain the optimal configuration, namely spatial arrangement of the compounds.
Bei einem nicht redundant arbeitenden Manipulator kann das Verfahren auch angewendet werden, wenn sich eine oder mehrere Komponenten der TCP-Stellung ver- ändern können. In a non-redundant manipulator, the method may also be used if one or more components of the TCP position may change.
Das Verfahren realisiert eine neue Art der Nutzung einer Redundanz. Bei Manipulatoren mit sieben oder mehr Freiheitsgraden kann eine unbegrenzte Anzahl von Konfigurationen der Verbindungen, insbesondere der Gelenkverbindungen, existieren, welche in der gleichen TCP-Stellung resultieren. The method realizes a new way of using redundancy. For manipulators having seven or more degrees of freedom, an unlimited number of configurations of the connections, especially the hinges, can exist which result in the same TCP position.
Das hier beschriebene Verfahren löst die Redundanz auf, indem eine Konfiguration der Verbindungen ausgewählt wird, die zu einer minimierten Belastung ausgewählter
Verbindungen bei einer gegebenen statischen externen Last führt. Es können beispielsweise konkrete Gelenkverbindungen ausgewählt werden. The method described here resolves the redundancy by selecting a configuration of the links selected to minimize the load Connections at a given static external load leads. For example, concrete joints can be selected.
Des Weiteren wird der Grad der Redundanz erhöht, wenn die TCP-Stellung nicht vollständig spezifiziert ist, beispielsweise dann, wenn nur bestimmte kartesische Übersetzungen oder Orientierungen festgelegt sind. In einer solchen Situation kann auch ein traditioneller Manipulator mit sechs Freiheitsgraden hinsichtlich der festgelegten Komponenten der TCP-Stellung zu einem redundant arbeitenden werden. Furthermore, the degree of redundancy is increased if the TCP position is not fully specified, for example, if only certain Cartesian translations or orientations are specified. In such a situation, even a traditional six-degree-of-freedom manipulator may become redundant with respect to the specified components of the TCP position.
Es wird automatisch die bestmögliche Konfiguration der Verbindungen, insbesondere der Gelenkverbindungen, berechnet, um die Manipulationsfähigkeit eines gegebenen Manipulators, insbesondere eines Roboters oder eines Roboterarms, zu maximieren bzw. zu optimieren. The best possible configuration of the connections, in particular the hinges, is automatically calculated to maximize the manipulation capability of a given manipulator, particularly a robot or robotic arm.
Akademische Ergebnisse im Bereich der Online-Redundanzauflösung zur Minimie- rung von Belastungen von Gelenkverbindungen sind bereits bekannt. Beispielhaft hierfür seien die Dokumente [1 ] bis [4] am Ende der Figurenbeschreibung genannt. Jedoch zielen diese Lösungsvorschläge auf eine dynamische Redundanzauflösung während der Laufzeit ab und erfordern das direkte Kontrollieren eines Drehmoments. Academic results in the field of online redundancy resolution to minimize stress on joints are already known. By way of example, the documents [1] to [4] are mentioned at the end of the description of the figures. However, these approaches are aimed at dynamic redundancy resolution during runtime and require direct control of torque.
Vorteilhaft werden die Schritte des Verfahrens an einer Vorrichtung, insbesondere einem Computer, ausgeführt, die vom Manipulator unabhängig betreibbar ist. Bei dem hier beschriebenen, besonders einfachen Verfahren wird auf eine Minimierung der statischen Drehmomente abgestellt, die vollständig offline durchgeführt werden kann und zu einer optimierten Konfigurierung der Verbindungen, insbesondere der Gelenkverbindungen, vor dem Hintergrund einer gegebenen Aufgabe resultiert. The steps of the method are advantageously carried out on a device, in particular a computer, which can be operated independently by the manipulator. The particularly simple method described here is based on minimizing the static torques which can be carried out completely off-line and result in optimized configuration of the connections, in particular the articulated connections, against the background of a given task.
„Offline" bedeutet im Gegensatz zu„online", dass ein Programm an einem Computer entwickelt werden kann, der vom Manipulator unabhängig ist. Während der Entwicklung kann deshalb der Manipulator weiter betrieben werden, sodass Stillstandzeiten des Manipulators vermieden werden. Hierdurch kann ein Robotersystem mit verbesserter Manipulationsfähigkeit bereitgestellt werden. "Offline", unlike "online", means that a program can be developed on a computer that is independent of the manipulator. During development, therefore, the manipulator can continue to operate, so that downtime of the manipulator can be avoided. As a result, a robot system having improved manipulability can be provided.
Es ist insbesondere eine Erhöhung der maximalen Kraft und/ oder eines Drehmo-
ments eines Manipulators ermöglicht, welche auf die Umgebung ausgeübt werden kann bzw. können, wobei gleichbleibende Maximaldrehmomente der Gelenkverbindungen gegeben sind. Dies ist insbesondere bei Manipulatoren mit relativ kleinen Drehmomenten der Gelenkverbindungen wichtig, wie beispielsweise bei einem Manipulator des Typs YuMi (Marke). In particular, it is an increase in the maximum force and / or a torque ment of a manipulator allows, which can be applied to the environment or can, with constant maximum torques of the joints are given. This is particularly important in manipulators with relatively small torques of the articulated joints, such as in a manipulator of the type YuMi (trademark).
Bei Aufgaben in der Fertigung kann das Erhöhen der Kontaktkräfte und Drehmomente, die auf die Umgebung ausgeübt werden, von großem Vorteil sein. Des Weiteren ist das hier beschriebene Verfahren vorteilhaft, um Drehmomente von Gelenkverbindungen bei Hebeaufgaben zu minimieren. In manufacturing tasks, increasing the contact forces and torques exerted on the environment can be of great benefit. Furthermore, the method described here is advantageous in order to minimize the torque of joints in lifting tasks.
Es ist eine vereinfachte Verwendung von Manipulatoren angegeben, die einen nicht vernachlässigbaren Umgebungskontakt haben. Der Benutzer muss eine Konfiguration nicht manuell auffinden, um die Belastungen von Verbindungen, insbesondere Gelenkverbindungen, zu minimieren. Der Benutzer ist vielmehr von dieser Aufgabe befreit. Es ist denkbar, eine Software zu einem Manipulator anzubieten, welche das beschriebene Verfahren ausführt. It is given a simplified use of manipulators, which have a non-negligible environmental contact. The user does not have to manually locate a configuration to minimize the stress on connections, especially articulations. The user is rather freed from this task. It is conceivable to offer a software to a manipulator, which executes the described method.
Vorteilhaft können beim Ermitteln der räumlichen Orientierung und räumlichen Position der Verbindung geometrische oder räumliche Beschränkungen berücksichtigt werden. Beispielsweise können Winkel oder Strecken vorgegeben werden, die Bauteile des Manipulators nicht überschreiten dürfen. Hierdurch können Überlastungen oder zu steife Konfigurierungen vermieden werden. Advantageously, geometrical or spatial constraints can be taken into account when determining the spatial orientation and spatial position of the connection. For example, angles or distances can be specified, which must not exceed components of the manipulator. As a result, overloads or too rigid configurations can be avoided.
Bevorzugt wird als Verbindung eine Gelenkverbindung verwendet. Gelenkverbindun- gen sind besonders häufig Belastungen unterworfen. Preferably, a joint is used as the compound. Articulated joints are particularly frequently subjected to stress.
Weiter bevorzugt wird als Manipulator ein Roboterarm mit mehreren Verbindungen verwendet, wobei die Verbindungen als Gelenkverbindungen ausgestaltet sind, an denen Segmente des Roboterarms relativ zueinander beweglich angebunden sind. Ein Roboterarm muss besonders beweglich und kraftoptimiert arbeiten können. Further preferred as a manipulator, a robot arm is used with multiple connections, wherein the compounds are designed as articulated joints on which segments of the robot arm are connected relative to each other movable. A robotic arm must be able to work in a particularly flexible and power-optimized manner.
Vorteilhaft wird mindestens eine Verbindung aus mehreren Verbindungen ausgewählt, deren Belastung minimiert werden soll. So können manche Verbindungen, die
besonders empfindlich sind, bevorzugt geschont werden. Advantageously, at least one compound is selected from a plurality of compounds whose load is to be minimized. So can some connections, the are particularly sensitive, preferably be spared.
Weiter vorteilhaft wird mindestens eine Verbindung aus mehreren Verbindungen besonders gewichtet, wenn das Ermitteln der räumlichen Orientierung und räumlichen Position der Verbindung durchgeführt wird. Hierdurch können einzelne Verbindun- gen, die besonders beeinträchtigt werden oder in ihrem maximalen Drehmoment stark eingeschränkt sind, bevorzugt behandelt werden Further advantageously, at least one compound of several compounds is particularly weighted when determining the spatial orientation and spatial position of the compound is performed. As a result, individual compounds which are particularly impaired or severely limited in their maximum torque can be treated preferentially
Ein erfindungsgemäßer Manipulator, der die Aufgabe auch löst, umfasst mindestens eine bewegliche Verbindung und ein Werkzeug, wobei die räumliche Anordnung der Verbindung durch das hier beschriebene Verfahren ermittelt bzw. bestimmt ist. Bevorzugt sind alle Verbindungen optimiert konfiguriert. A manipulator according to the invention, which also solves the problem, comprises at least one movable connection and a tool, wherein the spatial arrangement of the connection is determined or determined by the method described here. Preferably, all connections are optimally configured.
In der Zeichnung zeigen Fig. 1 eine anfängliche Konfiguration der Gelenkverbindungen eines In the drawing, Fig. 1 shows an initial configuration of the articulated joints of a
Manipulators gemäß einer ersten Ausführungsform, nämlich eines Roboterarms mit einem Werkzeug, Manipulator according to a first embodiment, namely a robot arm with a tool,
Fig. 2 die schlechteste Konfiguration der Gelenkverbindungen des Roboterarms gemäß Fig. 1 , FIG. 2 shows the worst case configuration of the articulated joints of the robot arm according to FIG. 1, FIG.
Fig. 3 die beste Konfiguration der Gelenkverbindungen des Roboterarms gemäß Fig. 3 shows the best configuration of the joints of the robot arm according to
Fig. 1 , Fig. 4 die anfängliche Konfiguration der Gelenkverbindungen des Roboterarms mit einem Werkzeug, 1, 4 the initial configuration of the articulated joints of the robot arm with a tool,
Fig. 5 die beste Konfiguration der Gelenkverbindungen des Roboterarms gemäß Fig. 5 shows the best configuration of the joints of the robot arm according to
Fig. 4, wenn eine Rotation des Werkzeugs um die x-Achse möglich ist, und
die beste Konfiguration der Gelenkverbindungen des Roboterarms gemäß Fig. 4, wenn eine Translationsbewegung des Werkzeugs längs der y- Achse und der z-Achse möglich ist. Fig. 4, when a rotation of the tool about the x-axis is possible, and the best configuration of the joints of the robot arm of FIG. 4, when a translational movement of the tool along the y-axis and the z-axis is possible.
Fig. 7 schematisch und beispielhaft einen Manipulator in einer zweiten Fig. 7 schematically and by way of example a manipulator in a second
Ausführungsform, embodiment,
Fig. 8 schematisch und beispielhaft einen Manipulator in einer dritten Fig. 8 schematically and by way of example a manipulator in a third
Ausführungsform. Embodiment.
Das Verfahren basiert auf einem ein Eingabe-Ausgabe-Diagramm: The method is based on an input-output diagram:
Die beabsichtigte Funktion zur Minimierung von Belastungen von Verbindungen bei einem Robotersystem akzeptiert die folgenden Eingaben eines Benutzers: Eingabe 1 : The intended function to minimize load on connections in a robotic system accepts the following inputs from a user: Input 1:
Eine gewünschte TCP-Stellung, die wie folgt beschrieben wird:
A desired TCP position, which is described as follows:
Eingabe 2: Input 2:
Eine Beschreibung dahingehend, welche Komponenten der TCP-Stellung fixiert sein sollen. Dies wird in einer diagonalen Matrix wie folgt kodiert: A description of which components of the TCP position should be fixed. This is encoded in a diagonal matrix as follows:
TlJ j '—■ i . . ,. TlJ j '- ■ i. , .
Wen inn r ^ t 4 ,, i isstt ddiie korrespondierende kartesische Richtung festgelegt. Wen inn r ^ t 4 ,, i isstt set ddiie corresponding Cartesian direction.
\ - — \ - -
Wenn l. 0 , kann die korrespondierende Richtung modifiziert werden, umIf l. 0, the corresponding direction can be modified to
Belastungen von Verbindungen, insbesondere Gelenkverbindungen, zu reduzieren.
Eingabe 3: Reduce stress on compounds, in particular joints. Input 3:
Die erwartete kartesische Kraft- bzw. Momentenbelastung, die durch einen sechsdimensionalen Vektor beschrieben wird, der aus den vorhergesehenen Kontaktkräften und Drehmomenten bei der TCP-Stellung besteht. Dies wird wie folgt bezeichnet:
The expected Cartesian force loading, described by a six-dimensional vector consisting of the anticipated contact forces and torques at the TCP position. This is designated as follows:
Optional kann eingegeben werden: Optionally you can enter:
Die Beschreibung von Punkten, die zur Minimierung der Belastung von Verbindungen berücksichtigt werden sollen. Dies wird in der nachfolgenden diagonalen Matrix kodiert: The description of items to be considered to minimize the load on connections. This is encoded in the following diagonal matrix:
Λ = diag(Älf
, Xt > 0 Vi = 1, ... , JV. Λ = diag (Ä lf , X t > 0 Vi = 1, ..., JV.
Dabei ist N die Zahl der Freiheitsgrade und t spezifiziert, wie stark eine individuelle Verbindung gewichtet wird. Where N is the number of degrees of freedom and t specifies how much an individual connection is weighted.
Durch eine Standardeinstellung kann die wichtende Matrix in folgender Weise vorgeschlagen werden: By default, the weighting matrix can be proposed in the following way:
Λ = d giQßß lß) Λ = d giQßß lß)
Hierbei werden alle Gelenkverbindungen gleich gewichtet. Here, all joints are weighted equally.
Die erwartete kartesische Kraft- bzw. Momentenbelastung f ' e. x^ muss nicht in exakter Weise spezifiziert werden. Es ist ausreichend, die Richtung des Vektors anzugeben. Bei einfachen Einsteck- oder Hebeaufgaben weist die erwartete Verschiebung typischerweise nur eine Komponente auf, die nicht null ist, nämlich die Kraft in der Richtung der Bewegung. The expected Cartesian force or moment load f ' e . x ^ does not have to be specified exactly. It is sufficient to indicate the direction of the vector. For simple insertion or lifting tasks, the expected displacement typically has only one component, which is not zero, namely the force in the direction of movement.
Die ausgegebene Funktion umfasst eine Konfiguration der Verbindungen, welche die spezifizierten Beschränkungen der TCP-Stellung berücksichtigt und die Belastungen der Verbindungen gemäß der spezifizierten Gewichtung bei der vorgegebenen karte- sischen Verschiebung minimiert.
Um die optimierte Stellung zu berechnen, wird das folgende Optimierungsproblem gelöst: mimmizeThe output function includes a configuration of the connections which takes into account the specified limitations of the TCP position and minimizes the stresses of the connections according to the specified weighting at the given Cartesian displacement. To calculate the optimized position, the following optimization problem is solved: mimmize
Hierbei wird das gewichtete quadratische Mittel der Belastung der Verbindung f Here, the weighted root mean square of the stress of the compound f
minimiert, welches aus der externen Belastung * ex^ und der Schwerkraft resultiert. minimized, which results from the external load * ex ^ and gravity.
Der Satz bezeichnet den Nullraum mit Bezug auf die gegebene TCP-Stellung The sentence denotes the null space with respect to the given TCP position
^TCP Und die spezifizierten festgelegten Richtungen, die in kodiert sind. TCP ^ nd the specified predetermined directions which are coded.
x = Φ(σ) x = Φ (σ)
Wenn genutzt wird, um Vorwärtskinematik eines Manipulators zu beschreiben kann der Nullraum beschrieben werden durch:
When used to describe forward kinematic of a manipulator, the null space can be described by:
Mit einem beliebig kleinen c . With an arbitrarily small c .
Ein Satz umfasst alle zulässigen Konfigurationen der Verbindungen. Dies berücksichtigt einen ausreichenden Abstand zu Winkelgrenzen von Verbindungen und Singularitäten. Das heißt: c ϊ ■ c ljointlimits ^ ^ Singular ities>One set contains all permissible configurations of the connections. This takes into account a sufficient distance to angular limits of connections and singularities. That is: c ϊ ■ c ljointlimits ^ ^ singular ities>
~ ~
^ Singular ities ~ {θ. I ^min ^ ζΐ · ^ Singular ities ~ {θ. I ^ min ^ ζΐ ·
Je größer der Wert von ^ 1 ist, desto mehr Abstand muss zu Grenzen von Verbindungen eingehalten werden. In einfacher Weise vergrößert ein größerer Wert von
den Abstand zu Singularitäten. The larger the value of ^ 1, the more distance must be kept to limits of connections. Simply increases a larger value of the distance to singularities.
Das Lösen des Optimierungsproblems gemäß Gleichung (1 ) ist aufgrund dessen Nichtkonvexität im Allgemeinen nicht trivial. Bei eindimensionalen Nullräumen, beispielsweise bei einem Manipulator mit sieben Solving the optimization problem according to equation (1) is generally not trivial because of its non-convexity. For one-dimensional null spaces, for example a manipulator with seven
Freiheitsgraden und Ψ = lr ° , wird ein einfaches diskretisiertesDegrees of freedom and Ψ = lr °, becomes a simple discretized
Nullraumtraversal (Liniensuche) verwendet werden können. Nullraumtraversal (line search) can be used.
Bei höherdimensionalen Nullräumen kann eine suboptimale Lösung gefunden werden, indem beispielsweise sogenannte Bergsteigeralgorithmen verwendet werden. For higher-dimensional null spaces, a suboptimal solution can be found by using, for example, so-called mountaineering algorithms.
Beide Lösungsansätze erfordern eine anfängliche Konfiguration der Verbindungen Both approaches require an initial configuration of the connections
Qinit ^ welche die Beschränkungen der TCP-Stellungen berücksichtigt. Solch eine Konfiguration kann jede Lösung der inversen Kinematik sein. Qinit ^ which takes into account the limitations of TCP positions. Such a configuration can be any inverse kinematics solution.
Es sei hier angemerkt, dass die Optimierung offline gelöst wird, um eine neue Zielanordnung der Verbindungen aufzufinden. Es ist keine Optimierung notwendig, die online durchgeführt wird. It should be noted here that the optimization is solved offline to find a new destination arrangement of the connections. There is no need for optimization, which is done online.
Alternativ kann das folgende Problem gelöst werden: Alternatively, the following problem can be solved:
(2) minimize max λ,- qe rrvi} i=i,...,N τ τηαχ,ι (2) minimize max λ, - qe rrvi} i = i, ..., N τ τηαχ, ι
Hierbei ist τ max.i das maximale Drehmoment, welches eine Verbindung erzeu- gen Kann, una
und G 1 · sind Zeilenvektoren, die mit individuellen Verbindungen korrespondieren. Die Parameter λ 1' sind die diagonalen Elemente von Ä , wie mit Bezug zu Glei-
chung (1 ) eingeführt. Daher ist die Gleichung (2) darauf ausgerichtet, die Belastung einer Verbindung im jeweils schlechtesten Fall zu minimieren. Here τ is max. i d as maximum torque which erzeu- a compound gene may una and G 1 · are row vectors corresponding to individual connections. The parameters λ 1 'are the diagonal elements of λ as described with reference to introduced (1). Therefore, the equation (2) is designed to minimize the load of a compound in the worst case.
Die Figuren 1 bis 6 zeigen einen Manipulator 1 , nämlich einen Roboterarm mit Gelenkverbindungen. Figures 1 to 6 show a manipulator 1, namely a robot arm with joints.
Mit Bezug zu den Figuren 1 bis 6 umfasst ein Verfahren zur Minimierung der Belastung mindestens einer Verbindung 3 des Manipulators 1 , der mittels eines Werkzeugs 2 auf ein Arbeitsobjekt oder seine Umgebung eine Kraft und/ oder ein Drehmoment ausübt, die nachfolgenden Schritte: With reference to FIGS. 1 to 6, a method for minimizing the loading of at least one connection 3 of the manipulator 1, which exerts a force and / or a torque on a work object or its surroundings by means of a tool 2, comprises the following steps:
- Festlegen des Betrags und/ oder der Richtung der Maximalkraft und/ oder des Maximaldrehmoments, mit welcher bzw. mit welchem die Verbindung 3 maximal belastet werden soll, Determining the amount and / or the direction of the maximum force and / or the maximum torque with which or with which the connection 3 is to be loaded to the maximum,
- Vorgeben des Betrags und/ oder der Richtung der erwarteten Kraft und/ oder des erwarteten Drehmoments, welche bzw. welches das Werkzeug 2 ausüben soll und/ oder auf dieses einwirkt, Predetermining the amount and / or the direction of the expected force and / or the expected torque which is to be exerted and / or acted upon by the tool 2,
- Vorgeben mindestens einer räumlichen Orientierung und/ oder räumlichen - Specify at least one spatial orientation and / or spatial
Position des Werkzeugs 2, die während des Ausübens oder Einwirkens der Kraft und/ oder des Drehmoments zugelassen werden soll, und Position of the tool 2 to be permitted during the application or application of force and / or torque, and
- Ermitteln einer räumlichen Orientierung und räumlichen Position der Determining a spatial orientation and spatial position of the
Verbindung 3, welche diese einnimmt, wenn das Werkzeug 2 die Kraft und/ oder das Drehmoment ausübt und/ oder erfährt. Compound 3, which this assumes when the tool 2 exerts and / or experiences the force and / or the torque.
Die Schritte werden ausgeführt, um die räumlichen Orientierungen und räumlichen Positionen von mehreren Verbindungen 3 relativ zueinander zu ermitteln. Es werden mehrere räumliche Orientierungen und räumliche Positionen des Werkzeugs 2 vorgegeben, die während des Ausübens und/ oder Einwirkens der Kraft und/ oder des Drehmoments zugelassen werden sollen. The steps are performed to determine the spatial orientations and spatial locations of multiple links 3 relative to one another. Several spatial orientations and spatial positions of the tool 2 are specified which are to be permitted during the exertion and / or the action of the force and / or the torque.
Die Schritte werden„offline", nämlich an einer Vorrichtung ausgeführt, die vom Manipulator 1 unabhängig betrieben wird. The steps are carried out "offline", namely on a device which is operated independently by the manipulator 1.
Beim Ermitteln der räumlichen Orientierung und räumlichen Position der Verbindung
3 werden geometrische oder räumliche Beschränkungen berücksichtigt. When determining the spatial orientation and spatial position of the connection 3, geometric or spatial constraints are taken into account.
Als Verbindung 3 wird eine Gelenkverbindung verwendet. Als Manipulator 1 wird ein Roboterarm mit mehreren Verbindungen 3 verwendet, wobei die Verbindungen 3 als Gelenkverbindungen ausgestaltet sind, an denen Segmente des Roboterarms relativ zueinander beweglich angebunden sind. Mindestens eine Verbindung 3 wird aus mehreren Verbindungen ausgewählt, deren Belastung minimiert werden soll. As compound 3, a hinge connection is used. As a manipulator 1, a robot arm is used with multiple connections 3, wherein the compounds 3 are designed as articulated joints on which segments of the robot arm are connected relative to each other movable. At least one connection 3 is selected from several connections whose load is to be minimized.
Mindestens eine Verbindung 3 aus mehreren Verbindungen wird besonders gewichtet, wenn das Ermitteln der räumlichen Orientierung und räumlichen Position der Verbindung 3 durchgeführt wird. At least one connection 3 of several connections is particularly weighted when the determination of the spatial orientation and spatial position of the connection 3 is performed.
Der Manipulator 1 umfasst mindestens eine bewegliche Verbindung 3 und ein The manipulator 1 comprises at least one movable connection 3 and a
Werkzeug 2, wobei die räumliche Anordnung der Verbindung 3 durch das hier beschriebene Verfahren ermittelt bzw. bestimmt ist. Tool 2, wherein the spatial arrangement of the compound 3 is determined or determined by the method described here.
Beispielhaft werden nachfolgend Konfigurierungen, nämlich räumliche Anordnungen von Verbindungen 3, beschrieben, die in den Fig. 1 bis 6 dargestellt sind. By way of example, configurations, namely spatial arrangements of connections 3, which are illustrated in FIGS. 1 to 6, are described below.
In Fig. 1 ist eine anfängliche Konfiguration gezeigt, in Fig. 2 die schlechteste Konfiguration und in Fig. 3 die beste Konfigurierung eines Manipulators 1 , nämlich eines Roboterarms. In Fig. 1 an initial configuration is shown, in Fig. 2 the worst case configuration and in Fig. 3 the best configuration of a manipulator 1, namely a robot arm.
Fig. 2 zeigt die Minimierung der Belastung einer Verbindung 3, nämlich einer Gelenkverbindung, bei voll festgelegter TCP-Stellung. Der mittige offene Pfeil zeigt die Richtung der erwarteten kartesischen Verschiebung. Fig. 2 shows the minimization of the load of a connection 3, namely a hinge connection, with fully defined TCP position. The center open arrow shows the direction of the expected Cartesian shift.
In diesem Beispiel muss der Manipulator 1 , nämlich der Roboterarm, entlang der x- Achse seines Basiskoordinatensystems mit dem Werkzeug 2 eine Kraft ausüben, beispielsweise um ein Antippen oder Anstechen auszuführen. In this example, the manipulator 1, namely the robot arm, has to exert a force along the x-axis of its base coordinate system with the tool 2, for example to carry out a tapping or piercing action.
Die TCP-Stellung ' Lr ist vorgegeben und alle kartesischen Richtungen sind festgelegt. Das heißt Ψ = °.
Die erwartete kartesische Verschiebung ist ausschließlich entlang der x-Achse des Basiskoordinatens stems ausgerichtet.
The TCP position ' Lr is given and all Cartesian directions are fixed. That means Ψ = °. The expected Cartesian displacement is aligned only along the x-axis of the base coordinate stems.
Das Ziel ist es nun, das quadratische Mittel der Belastung der Verbindung 3 minimieren. Daher gilt: The goal now is to minimize the root mean square load of compound 3. Therefore:
Λ = diag(0,0,0,l,l,l,0) Λ = diag (0,0,0 , l , l, l, 0)
Die anfängliche Konfiguration ist in Fig. 1 gezeigt. Das quadratische Mittel der Belastung der Verbindung 3 bei dieser Konfigurierung bei einer gegebenen externen The initial configuration is shown in FIG. The quadratic load of compound 3 in this configuration at a given external
Belastung ist =0,2926 Newtonmeter. Load is = 0.2926 Newton meters.
Die schlechteste Konfiguration im Hinblick auf das quadratische Mittel der Belastung der Verbindung 3 für die gegebene externe Belastung ist in Fig. 2 gezeigt. The worst configuration with respect to the root mean square load of the connection 3 for the given external load is shown in FIG.
Dort gilt: RMS =o,2988 Newtonmeter. There applies: RMS = o, 2988 Newton meters.
Fig. 3 zeigt die bestmögliche Konfigurierung. Fig. 3 shows the best possible configuration.
T T
Dort gilt: =0,0787 Newtonmeter. There applies: = 0.0787 Newton meters.
Bemerkenswerterweise wirkt die schlechteste Konfiguration gemäß Fig. 2 intuitiv und menschlich, kommt aber in Bezug auf eine Gelenkbelastung bei gegebener externer Verschiebung dem schlechtesten Fall sehr nahe. Notably, the worst case configuration of FIG. 2 is intuitive and humane but, in terms of joint loading, given a given external displacement, it comes very close to the worst case.
Die optimierte Konfigurierung erlaubt das Reduzieren des quadratischen Mittels der Belastung der Verbindung 3 im Wesentlichen um 73%. The optimized configuration allows reducing the root mean square load of the connection 3 substantially by 73%.
Es sei angemerkt, dass dargestellte Abweichungen in der TCP-Stellung aufgrund unpräziser Kalibrierung gegeben sein können und diese schematisch eine Testanordnung beschreiben sollen. It should be noted that illustrated deviations in the TCP position may be due to imprecise calibration and they are intended to schematically describe a test arrangement.
Im Rahmen einer Erweiterung werden die Dimensionen des Nullraums auf zwei We-
gen vergrößert. Beim ersten Weg ist eine Rotation um die x-Achse des Basiskoordinatensystems nicht länger ausgeschlossen. Bei Andrück-, Antipp- oder Anstech- o- der Anschneideaufgaben ist dies vernünftig, da die Orientierung im Hinblick auf die x- Achse willkürlich ist. As part of an extension, the dimensions of null space are reduced to two enlarged. In the first path, rotation about the x-axis of the base coordinate system is no longer excluded. This is reasonable for pressing, tapping or piercing tasks, since orientation with respect to the x-axis is arbitrary.
Wenn ^ diag(l, 1,1,0, 1,1^ ist die neue optimierte Konfiguration in Fig. 5 gezeigt. If ^ diag (l, 1,1,0, 1,1 ^ the new optimized configuration is shown in FIG.
Das resultierende quadratische Mittel der Belastung der Verbindung 3 ist nur The resulting compound 3 stress mean is only
^RMS =0,0092 Newtonmeter, d.h. die Belastung der Verbindung 3 ist verglichen mit dessen Belastung bei der anfänglichen Konfiguration um 96,86 % reduziert worden. RMS = 0.0092 Newton meters, i. Compound 3 stress has been reduced by 96.86% as compared to its load in the initial configuration.
In Fig. 6 ist eine weitere optimierte Konfiguration bei einer festgelegten TCP-Stellung gezeigt, bei der eine willkürliche Translation entlang der y- und z-Achse möglich ist. Shown in Figure 6 is another optimized configuration at a fixed TCP position where arbitrary translation along the y and z axes is possible.
Es gilt: Ψ = diag( 1,0,0,1,1,1) The following applies: Ψ = diag (1,0,0,1,1,1)
Das resultierende quadratische Mittel der Belastung der Verbindung 3 beträgt The resulting root mean square of the stress of compound 3 is
Ai , J =0,1050 Newtonmeter. Dies stellt wieder eine wesentliche Reduzierung verglichen mit dem Wert bei der anfänglichen Konfiguration dar, nämlich eine Reduzierung um 96,40%. Ai, J = 0.1050 Newton meters. This again represents a significant reduction compared to the value at the initial configuration, namely a reduction of 96.40%.
Fig. 4 zeigt insoweit die anfängliche Konfiguration, in Fig. 5 ist eine beste Konfiguration gezeigt, wobei eine Rotation um die x-Achse ermöglicht ist, und in Fig. 6 ist die beste Konfiguration gezeigt, wobei eine Translation entlang der y- und z- Achse ermöglicht ist. Die Fig. 4 bis 6 zeigen eine Minimierung der Gelenkbelastung bei teilweise fixierter TCP-Stellung. Der offene Pfeil zeigt die Richtung der erwarteten karthesischen Verschiebung an.
Das hier beschriebene Verfahren könnte in einer Rapid-Befehlskette der folgenden Art eingebracht werden: Fig. 4 shows the initial configuration in this respect, in Fig. 5 a best configuration is shown allowing for rotation about the x-axis, and in Fig. 6 the best configuration is shown, with translation along the y and z - Axis is possible. FIGS. 4 to 6 show a minimization of the joint load with partially fixed TCP position. The open arrow indicates the direction of the expected Cartesian shift. The method described here could be implemented in a rapid chain of instructions of the following kind:
CalcBestConfig (TCP pose, fixed directions, Cartesian rench, [ joint weighting] ) Dies heißt in deutscher Sprache: Berechne beste Konfiguration (TCP-Stellung, fixierte Richtungen, kartesische Belastung, Wichtung von Gelenken). CalcBestConfig (TCP pose, fixed directions, Cartesian rench, [joint weighting]) This means in German language: Calculate best configuration (TCP position, fixed directions, Cartesian load, weighting of joints).
Anstelle des Spezifizierens der Beschränkungen der TCP-Stellungen, entweder durch eine Fixierung der Richtungen oder durch Zulassen, dass diese während der Optimierung modifiziert werden, könnte eine weitere Beschränkung gelten. Diese Beschränkung könnte Grenzen für das Maß der Änderung einer individuellen Richtung festlegen. Instead of specifying the limitations of the TCP positions, either by fixing the directions or by allowing them to be modified during optimization, another constraint could apply. This limitation could set limits to the degree of change in an individual direction.
Beispielsweise könnte eine Änderung der TCP-Stellung mit Bezug zur z-Achse des Werkzeugs 2 auf plus/ minus 25 % beschränkt werden, anstatt diese entweder vollständig festzulegen oder vollständig fließen zu lassen. For example, a change in TCP position with respect to the z-axis of tool 2 could be limited to plus / minus 25%, rather than either setting it completely or allowing it to flow completely.
Eine weitere zusätzliche Beschränkung könnte durch eine Limitierung des Armwinkels erfolgen, um eine steife Konfiguration, wie die optimierte gemäß Fig. 3 zu vermeiden. A further additional restriction could be made by limiting the arm angle in order to avoid a rigid configuration such as the optimized one according to FIG.
Die Annäherung könnte auch in Richtung einer iterativen Online-Optimierung erweitert werden. Das beschriebene Verfahren gemäß der Erfindung kann bei verschiedenen Manipulatortypen mit unterschiedlichen Arten von Gelenkverbindungen angewendet werden. The approach could also be extended towards iterative online optimization. The described method according to the invention can be applied to different types of manipulators with different types of articulated joints.
Das Verfahren ist oben am Beispiel eines in Figur 1 schematisch und beispielhaft dargestellten Manipulators 1 erläutert worden, der nur Drehgelenke 3 hat. The method has been explained above using the example of a manipulator 1 shown schematically and by way of example in FIG. 1, which only has pivots 3.
Ebenso lässt sich das Verfahren anwenden bei einem in der Figur 7 schematisch und beispielhaft dargestellten Manipulator 1 a, der nur prismatische, also Verschiebegelenke 3a, 3a' hat, anwenden.
Weiterhin ebenso lässt sich das Verfahren bei einem in der Figur 8 schematisch und beispielhaft gezeigten Manipulator 1 b anwenden, der sowohl Drehgelenke 3b als auch prismatische Gelenke 3b' hat.
Likewise, the method can be applied to a manipulator 1 a shown schematically and by way of example in FIG. 7, which has only prismatic, that is to say displacement, joints 3 a, 3 a '. Furthermore, the method can also be applied to a manipulator 1b shown schematically and by way of example in FIG. 8, which has both swivel joints 3b and prismatic joints 3b '.
Bezuqszeichenliste ManipulatorTag List Manipulator
a Manipulatora manipulator
b Manipulator b manipulator
Werkzeug Tool
Drehgelenk swivel
a Prismatisches Gelenka Prismatic joint
a' Prismatisches Gelenka 'Prismatic joint
b Drehgelenkb swivel
b' Prismatisches Gelenk
b 'Prismatic joint