EP4106958A1 - Steuerung eines robotermanipulators bei kontakt mit einer person - Google Patents

Steuerung eines robotermanipulators bei kontakt mit einer person

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Publication number
EP4106958A1
EP4106958A1 EP21709341.8A EP21709341A EP4106958A1 EP 4106958 A1 EP4106958 A1 EP 4106958A1 EP 21709341 A EP21709341 A EP 21709341A EP 4106958 A1 EP4106958 A1 EP 4106958A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
person
robot manipulator
contact
contact pressure
determined
Prior art date
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Pending
Application number
EP21709341.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas SPENNINGER
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.)
Franka Emika GmbH
Original Assignee
Franka Emika 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 Franka Emika GmbH filed Critical Franka Emika GmbH
Publication of EP4106958A1 publication Critical patent/EP4106958A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B25J13/089—Determining the position of the robot with reference to its environment
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    • G05B2219/40201—Detect contact, collision with human

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a robot manipulator and a control unit for controlling a robot manipulator.
  • the object of the invention is to improve the behavior of a robot manipulator in the event of a contact event between the robot manipulator and a person and, in particular, to make it safer.
  • a first aspect of the invention relates to a method for controlling a robot manipulator, comprising the steps:
  • the body zones include in particular zones on the surface of the person's body, such as the thighs, lower legs, hands, feet, stomach, chest, upper back, lower back, face and / or sections of the face such as the eyes, nose, etc.
  • body zones that are detached from these body parts are preferably used.
  • the body zones as they are stored in the database are preferably generally valid for people, so that they are not limited to a specific individual. In particular, however, when a certain group of people, such as children, come into contact with the robot manipulator, it is It is expedient to provide a special database in each case with body zones specifically defined for the group of people.
  • Each of these body zones has an associated value according to the database, which indicates a maximum permissible contact pressure on the respective body zone.
  • the contact pressure is defined in particular in the direction of a normal to the surface of the body zone.
  • the contact pressure refers to the pressure that acts externally on the person's body.
  • the terms contact pressure and a contact force are interchangeable, since a pressure is defined by a force per area.
  • the term “contact pressure” is consistently replaced above and below by the term “contact force”.
  • the database preferably has a respective value for a shear stress as a tangential component of a force and / or an acting moment acting on the respective body zone.
  • the contact event is preferably determined by a prediction, in particular by means of a simulation.
  • a prediction in particular by means of a simulation.
  • a future pose of the robot manipulator or the person is used to predict the movement path of the robot manipulator .
  • a predetermined target movement path of the robot manipulator and / or a speed and / or an acceleration of the robot manipulator is used to predict the movement path of the robot manipulator .
  • the same is preferably done with the person.
  • a planned path of the person cannot generally be assumed, since firstly the person's will is not necessarily known and, moreover, the person’s movements can often be involuntarily controlled, in particular by reflex. Instead, a current pose of the person and / or a movement of the person (in particular speed / acceleration) is recorded, in particular by a camera, and a possible future pose of the person is deduced from the current pose and / or the current movement of the person .
  • a current contact event can also be detected via a common collision detection, for example via the determination of an external power winch based on the Joints can be done by torque sensors of the robot manipulators detected joint torque vector.
  • such detection also provides information about which of the body zones defined in the database on the person is or will actually be affected by the contact event. Since each of the body zones is assigned its own individual maximum permissible value of contact pressure according to the information in the database, a maximum permissible contact pressure that may result from the contact event is also known, depending on the location of the contact event of the robot manipulator with the person's body.
  • a reference position is defined which, in relation to the person, in particular to the surface of the person's body, is intended to be fixedly arranged on the person.
  • This reference position fixed to the body therefore naturally corresponds to the location on the surface of the person at which the contact of the robot manipulator can be felt by the person.
  • the person's tissue is impressed, which the person perceives as contact pressure.
  • the person's tissue is naturally viscous attenuating and also at least partially elastic (and under certain circumstances at least temporarily plastic in parts, without this representing a permanent, irreversible deformation of the tissue causing injury).
  • the robot manipulator is controlled in an impedance-controlled manner at least from the beginning of the local course of the indentation of the person's tissue during the contact event.
  • the person's tissue has resilient elements and, on the other hand, the impedance control of the robot manipulator contains an artificial spring component, which, starting from the reference point, at least in the normal component builds up an increasing restoring force on the surface of the person's body and thus the kinetic energy at least degrades in the direction of this normal component.
  • the impedance control is carried out in particular on the basis of the relative position between the reference position and a predefined location on the robot manipulator.
  • the value of the length of this position vector determines in particular the Deflection, through which a deflection-dependent drag force is generated with the help of the artificial spring component.
  • the impedance control is preferably carried out on the basis of a two-channel determined relative position starting from the current position of a location on the robot manipulator relative to the reference position on the person.
  • the two-channel system is in particular obtained through a robot's own set of sensors, including, in particular, joint angle sensors, on the one hand, and an external sensor unit, preferably a camera unit. Two or more camera units can also be used.
  • Such a two-channel arrangement leads in particular to the position information being obtained from at least two sources, which information is then checked for data consistency, in particular by a comparison unit. If there is an inconsistency between the two sources, at least one of the sensor units is faulty and the safe operation of the robot manipulator can no longer be guaranteed. In such a case, a warning is preferably output and / or the operation of the robot manipulator is stopped immediately.
  • the reference position is preferably used in a radially symmetrical manner as a zero position for the impedance control, in particular for the artificial spring component of the impedance control.
  • the impedance control treats every deflection from the zero position in the same way, regardless of the direction of the deflection.
  • the impedance control is preferably carried out in a direction-dependent manner starting from the reference position as a zero position, in particular the artificial spring component of the impedance control.
  • the artificial spring component of the impedance control is only normal for one direction, i. H.
  • the nominal control is preferably used, which the robot manipulator applied before applying the impedance control until the reference position was reached.
  • this can be an impedance control itself, on the other hand, a force control, a position control, an admittance control, or other control forms known in the prior art.
  • the impedance control of the robot manipulator preferably also includes an artificial damping component which, by definition, naturally generates a speed-dependent drag force.
  • the force (/ pressure) exerted on the person by the robot manipulator is limited so that the maximum permissible value of the contact pressure for the body zone affected by the contact event is not exceeded. This takes place in particular within the possibilities of the bandwidth of the actuators of the robot manipulator, which is typically sufficiently high to ensure such a reaction sufficiently quickly.
  • the method also has the step: Determining an edge geometry of that location on the robot manipulator which comes into contact with the person, the maximum permissible contact pressure being determined or adapted as a function of the edge geometry determined.
  • the database preferably has a set of values for each of the body zones, each of the elements from the set of values being assigned to a specific edge geometry or at least approximately to the edge geometry of that location on the robot manipulator that comes into contact with the person.
  • each of the elements from the set of values being assigned to a specific edge geometry or at least approximately to the edge geometry of that location on the robot manipulator that comes into contact with the person.
  • a fixed value is dependent on each body zone from the database adapted from the determined edge geometry. This is preferably done by multiplying by a factor that reflects the inverse degree of sharpness of the edge geometry, so that a sharper edge is associated with a higher real contact pressure compared to a constant maximum permissible contact pressure.
  • the maximum permissible contact pressure is determined or reduced relative to the person depending on a speed of the location of the robot manipulator that comes into contact with the person.
  • This embodiment advantageously takes into account the fact that rapid indenting movements of the tissue of a person are perceived as more unpleasant than slow ones. Therefore, analogously to the previous embodiment, instead of an edge geometry, the speed in the event of a contact event between the robot manipulator and the person is taken into account.
  • there may be various entries in the database which, according to this embodiment, apply to a finite set of speeds or are approximated to them.
  • the single database entry in each case is adapted accordingly, in particular by means of a factor or another function.
  • the impedance-regulated actuation of the robot manipulator takes place in such a way that a predetermined braking distance is not exceeded in the course of the pressing in of the person's tissue.
  • the braking distance is particularly dependent on the impulse transmission between the robot manipulator and the person's tissue and correlates with an indentation depth of the person's tissue by the robot manipulator.
  • the limit value of the braking distance it is ensured that the person's tissue is not pressed in beyond the specified limit value. This is done in particular by a corresponding control of the actuators of the robot manipulator, so that the robot manipulator performs a retraction movement when the limit value is reached.
  • the predetermined braking distance is determined by a prediction of the distance from the reference position at which the maximum permissible contact pressure is reached in the course of the pressing in of tissue from the person.
  • the contact pressure actually exerted therefore advantageously corresponds to the maximum permissible contact pressure and at the same time correlates with the limit value in the braking distance, so that the behavior of the robot manipulator that appears as natural as possible for the person is used in the entire permissible range.
  • the impedance-controlled actuation of the robot manipulator takes place by means of an impedance control with respect to a fixed-earth coordinate system, so that the relative position vector between the location on the robot manipulator that comes into contact with the person and the current reference position on the person is determined as a connection vector in the fixed-earth coordinate system will.
  • the earth-fixed coordinate system is in particular a Cartesian coordinate system.
  • the method also has the step:
  • the degree of hardness determines the resistance to penetration by a body and is preferably given in Vickers units.
  • the modulus of elasticity describes a stress constant that indicates under which stress which degree of elongation occurs in the material of the robot manipulator.
  • this material property or material properties of the location of the robot manipulator, which is in contact with is advantageous either via a set of values from data in the database or by adapting a respective valid value from the database, in particular by multiplying by a factor or another function the person occurs, because these material property (s) have a significant influence on how the contact event is perceived subjectively by the person.
  • the method also has the step:
  • the temperature of the component at that location of the robot manipulator that comes into contact with the person also has a corresponding influence on the subjective perception of the contact event between the person and the robot manipulator. At extreme temperatures, the person perceives the contact event as rather unpleasant.
  • different values can be found in the database for a respective body zone for different temperatures can be stored, or the individual value of the database for each body zone is adjusted accordingly.
  • the impedance control has a non-linear artificial spring component, so that with increasing deflection, a counterforce that increases disproportionately with the deflection acts on the robot manipulator.
  • human tissue in particular also has non-linear mechanical properties (blood is a non-Newtonian fluid and the resistance when pressing tissue suddenly increases when it hits tendons and / or bones and / or ligaments), this property becomes the Body of the person in particular also reflected by the impedance control. In this way, the behavior of the robot manipulator in the event of a contact event is advantageously perceived as significantly more pleasant by the person.
  • Another aspect of the invention relates to a control unit for controlling a robot manipulator, having an interface to a database with body zones of a person, each of the body zones being assigned a respective maximum permissible value of contact pressure, and a computing unit, the computing unit being used to determine a current or future contact event of the robot manipulator with the person and determining the body zone of the person contacted, for determining a reference position fixed to the body relative to the person, the reference position indicating the beginning of the local course of the impression of tissue of the person during the contact event with the person, and for impedance-controlled actuation of the robot manipulator is designed so that the determined reference position serves as a zero setting for an artificial spring component for the impedance control of the robot manipulator and the maximum permissible contact pressure is not exceeded as a limit value.
  • FIG. 1 shows a method for controlling a robot manipulator according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a control unit for carrying out the method according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a method for controlling a robot manipulator 1.
  • the method is carried out on a control unit 3.
  • the method steps shown below can therefore also be transferred to FIG. 2 and the reference symbols of FIG. 2 can be used.
  • the procedure consists of the following steps:
  • FIG. 2 shows a control unit 3 for controlling a robot manipulator 1, having an interface 5 to a database with body zones of a person, each of the body zones being assigned a respective highest permissible value of contact pressure, and a computing unit 7, the computing unit 7 for determining a current or future contact event of the robot manipulator 1 with the person and determining the body zone contacted by the person.
  • the computing unit 7 determines a reference position that is fixed to the body relative to the person, the reference position indicating the beginning of the local course of the indentation of tissue from the person during the contact event with the person. This is done by simulating the future movement sequences by extrapolating the current movement sequences of both the person and the robot manipulator 1. Furthermore, the computing unit 7 controls the robot manipulator 1 in an impedance-controlled manner so that the determined reference position serves as a zero position for an artificial spring component for the impedance control of the robot manipulator 1 and the maximum permissible contact pressure is not exceeded as a limit value.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators (1), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen (S1) einer Datenbank mit Körperzonen einer Person, wobei jeder der Körperzonen ein jeweiliger höchst zulässiger Wert von Kontaktdruck zugeordnet ist, - Ermitteln (S2) eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses des Robotermanipulators (1) mit der Person und Ermitteln der kontaktierten Körperzone der Person, - Ermitteln (S3) einer relativ zur Person körperfesten Referenzposition, wobei die Referenzposition den Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens von Gewebe der Person bei dem Kontaktereignis mit der Person angibt, und - impedanzgeregeltes Ansteuern (S4) des Robotermanipulators (1) so, dass die ermittelte Referenzposition als Nullstellung einer künstlichen Federkomponente der Impedanzregelung des Robotermanipulators (1) dient und der höchstzulässige Kontaktdruck als Grenzwert nicht überschritten wird.

Description

STEUERUNG EINES ROBOTERMANIPULATORS BEI KONTAKT MIT EINER
PERSON
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators sowie eine Steuereinheit zum Steuern eines Robotermanipulators.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Verhalten eines Robotermanipulators bei einem Kontaktereignis zwischen dem Robotermanipulator und einer Person zu verbessern und insbesondere sicherer zu gestalten.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators, aufweisend die Schritte:
- Bereitstellen einer Datenbank mit Körperzonen einer Person, wobei jeder der Körperzonen ein jeweiliger höchst zulässiger Wert von Kontaktdruck zugeordnet ist,
- Ermitteln eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses des Robotermanipulators mit der Person und Ermitteln der kontaktierten Körperzone der Person,
- Ermitteln einer relativ zur Person körperfesten Referenzposition, wobei die Referenzposition den Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens von Gewebe der Person bei dem Kontaktereignis mit der Person angibt, und
- impedanzgeregeltes Ansteuern des Robotermanipulators so, dass die ermittelte Referenzposition als Nullstellung einer künstlichen Federkomponente der Impedanzregelung des Robotermanipulators dient und der höchstzulässige Kontaktdruck als Grenzwert nicht überschritten wird.
Die Körperzonen umfassen insbesondere Zonen auf der Oberfläche des Körpers der Person, wie beispielsweise an Oberschenkel, Unterschenkel, Hände, Füße, Bauch, Brust, oberer Rücken, unterer Rücken, Gesicht und/oder Abschnitte des Gesichts, wie die Augen, Nase, etc., Alternativ bevorzugt werden von diesen Körperteilen losgelöste Körperzonen verwendet. Die Körperzonen, wie sie in der Datenbank abgelegt sind, sind bevorzugt für Personen generell gültig, sodass diese nicht auf eine bestimmtes Individuum begrenzt sind. Insbesondere dann jedoch, wenn ein bestimmter Personenkreis, wie Kinder, mit dem Robotermanipulator in Kontakt treten, ist es zweckmäßig, eine jeweils spezielle Datenbank mit spezifisch für den Personenkreis definierten Körperzonen zur Verfügung zu stellen.
Jede dieser Körperzonen weist einen zugehörigen Wert gemäß der Datenbank auf, der einen höchstzulässigen Kontaktdruck an der jeweiligen Körperzone angibt. Der Kontaktdruck ist dabei insbesondere in Richtung einer Normalen auf die Oberfläche der Körperzone definiert. Der Kontaktdruck bezeichnet denjenigen Druck, der extern auf den Körper der Person wirkt. Die Begriffe des Kontaktdrucks und einer Kontaktkraft sind dabei prinzipiell austauschbar, da ein Druck über eine Kraft je Fläche definiert ist. In einer Ausführungsform wird dabei der Begriff des Kontaktdrucks im Vorhergehenden und im Folgenden durchgehend durch den Begriff der „Kontaktkraft“ ersetzt. Bevorzugt weist die Datenbank zusätzlich zu jedem Wert des Kontaktdrucks einen jeweiligen Wert für eine Scherspannung als tangentiale Komponente einer auf die jeweilige Körperzone wirkenden Kraft und/oder eines wirkenden Moments auf.
Das Ermitteln des Kontaktereignisses erfolgt bevorzugt durch eine Prädiktion, insbesondere mittels einer Simulation. Hierfür sind ständige Informationen über die Pose des Robotermanipulators, insbesondere die zukünftige Pose des Robotermanipulators, sowie eine Pose der Person, insbesondere eine zukünftige Pose der Person notwendig. Um von einer aktuellen Pose des Robotermanipulators oder der Person auf eine zukünftige Pose des Robotermanipulators bzw. der Person zu schließen, wird insbesondere ein vorgegebener Sollbewegungspfad des Robotermanipulators und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung des Robotermanipulators verwendet, um den Bewegungspfad des Robotermanipulators vorherzusagen. Ähnliches wird bevorzugt auch mit der Person durchgeführt. Im Falle der Person kann im Allgemeinen nicht von einer geplanten Bahn der Person ausgegangen werden, da erstens der Wille der Person nicht zwangsläufig bekannt ist und außerdem die Bewegungsabläufe der Person oft auch unwillentlich insbesondere per Reflex gesteuert werden können. Bevorzugt wird stattdessen eine aktuelle Pose der Person und/oder ein Bewegung der Person (insbesondere Geschwindigkeit/Beschleunigung), insbesondere durch eine Kamera, erfasst, und aus der aktuellen Pose und/oder der aktuellen Bewegung der Person auf eine mögliche künftige Pose der Person geschlossen.
Im Falle eines aktuell erkannten Kontaktereignisses ist keine Prädiktion oder Simulation notwendig, da ein aktuelles Kontaktereignis auch über eine gängige Kollisionsdetektion, beispielsweise über die Ermittlung eines externen Kraftwinders auf Basis des in den Gelenken durch Drehmomentsensoren des Robotermanipulatoren erfassten Gelenkmomentvektors erfolgen kann.
Unabhängig von der Art der Erkennung eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses steht über eine solche Erkennung insbesonderee auch eine Information zur Verfügung, welche der in der Datenbank definierten Körperzonen an der Person tatsächlich von dem Kontaktereignis betroffen ist bzw. sein wird. Da jede der Körperzonen gemäß den Informationen der Datenbank einen eigenen individuellen höchstzulässigen Wert von Kontaktdruck zugeordnet wird, ist damit abhängig von dem Ort des Kontaktereignisses des Robotermanipulators mit dem Körper der Person auch ein höchstzulässiger Kontaktdruck bekannt, der aus dem Kontaktereignis resultieren darf.
Dies wird erfindungsgemäß berücksichtigt. Dafür wird eine Referenzposition definiert, die relativ zur Person, insbesondere zur Oberfläche des Körpers der Person, gedacht körperfest an der Person angeordnet ist. Diese körperfeste Referenzposition stimmt daher naturgemäß mit dem Ort auf der Oberfläche der Person überein, an dem für die Person der Kontakt des Robotermanipulators spürbar wird. Im weiteren Verlauf der Bewegung des Robotermanipulators mit einer Normalenkomponente der Bewegung ungleich null im Verhältnis zur Oberfläche des Körpers der Person erfolgt ein Eindrücken des Gewebes der Person, das die Person als Kontaktdruck wahrnimmt. Das Gewebe der Person ist naturgemäß viskos dämpfend und auch zumindest teilelastisch federnd (und unter Umständen zumindest vorübergehend in Teilen plastisch, ohne dass dies eine dauerhafte verletzungsbegründende irreversible Deformation des Gewebes darstellt).
Erfindungsgemäß wird dabei der Robotermanipulator zumindest ab Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens des Gewebes der Person beim Kontaktereignis impedanzgeregelt angesteuert. Somit weist zum einen das Gewebe der Person federnde Elemente auf, zum anderen beinhaltet die Impedanzregelung des Robotermanipulators eine künstliche Federkomponente, die virtuell ausgehend von dem Referenzpunkt zumindest in der Komponente normal auf die Oberfläche des Körpers der Person eine zunehmende Rückstellkraft aufbaut und somit die kinetische Energie zumindest in Richtung dieser normalen Komponente abbaut.
Die Impedanzregelung wird dabei insbesondere auf Basis der Relativposition zwischen der Referenzposition und einem vordefinierten Ort auf dem Robotermanipulator ausgeführt. Der Wert der Länge dieses Ortsvektors bestimmt dabei insbesondere die Auslenkung, durch die mit Hilfe der künstlichen Federkomponente eine auslenkungsabhängige Widerstandskraft erzeugt wird.
Bevorzugt wird die Impedanzregelung auf Basis einer zweikanalig ermittelten Relativposition ausgehend von der aktuellen Position eines Orts auf dem Robotermanipulator relativ zur Referenzposition an der Person ausgeführt. Die Zweikanaligkeit wird dabei insbesondere durch einen robotereigenen Satz von Sensoren, u.a. insbesondere von Gelenkwinkelsensoren, einerseits und einer externen Sensoreinheit, bevorzugt einer Kameraeinheit, erhalten. Auch können zwei oder mehr Kameraeinheiten verwendet werden. Eine solche Zweikanaligkeit führt insbesondere dazu, dass zumindest aus zwei Quellen die Positionsinformationen gewonnen werden, die dann insbesondere durch eine Vergleichseinheit auf Datenkonsistenz überprüft werden. Liegt eine Inkonsistenz der beiden Quellen vor, so ist zumindest eine der Sensoreinheiten fehlerhaft, und der sichere Betrieb des Robotermanipulators kann nicht mehr gewährleistet werden. In einem solchen Fall wird bevorzugt eine Warnung ausgegeben und/oder der Betrieb des Robotermanipulators umgehend gestoppt.
Bevorzugt dient die Referenzposition radialsymmetrisch als Nullstellung für die Impedanzregelung, insbesondere für die künstliche Federkomponente der Impedanzregelung. In diesem Fall wird von der Impedanzregelung jede Auslenkung von der Nullstellung unabhängig von der Richtung der Auslenkung gleich behandelt. Alternativ bevorzugt wird die Impedanzregelung richtungsabhängig ausgehend von der Referenzposition als Nullstellung ausgeführt, insbesondere die künstliche Federkomponente der Impedanzregelung. Bevorzugt wird dabei die künstliche Federkomponente der Impedanzregelung nur für eine Richtung normal, d. h. rechtwinklig, auf die Oberfläche der betroffenen Körperzone der Person angewendet, wobei in anderen Richtungen abseits der normalen Komponente bevorzugt die nominale Regelung angewendet wird, die der Robotermanipulator vor Anwendung der Impedanzregelung bis zum Erreichen der Referenzposition angewendet hat. Dies kann einerseits eine Impedanzregelung selbst sein, andererseits eine Kraftregelung, eine Positionsregelung, eine Admittanzregelung, oder andere im Stand der Technik bekannten Regelungsformen.
Bevorzugt umfasst die Impedanzregelung des Robotermanipulators zusätzlich zur künstlichen Federkomponente auch eine künstliche Dämpfungskomponente, die naturgemäß per Definition eine geschwindigkeitsabhängige Widerstandskraft erzeugt. Außerdem wird erfindungsgemäß die vom Robotermanipulator auf die Person ausgeübte Kraft (/Druck) begrenzt, dass der höchstzulässige Wert des Kontaktdrucks für die vom Kontaktereignis betroffene Körperzone nicht überschritten wird. Dies erfolgt insbesondere innerhalb der Möglichkeiten der Bandbreite der Aktuatoren des Robotermanipulators, die typischerweise ausreichend hoch ist, um eine solche Reaktion ausreichend schnell zu gewährleisten.
Es ist daher eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass bei einem Kontaktereignis zwischen einem Robotermanipulator und einer Person die Bewegung des Robotermanipulators zum einen federnd und insbesondere auch gedämpft abgebaut wird, sodass die Person im Falle einer Impulsübertragung nur einen weichen Stoß verspürt. Durch die Begrenzung des Kontaktdrucks durch den Robotermanipulator selbst werden außerdem vorteilhaft Verletzungen vermieden. Hat der Robotermanipulator andererseits keine kinetische Energie, sondern erfolgt die Impulsübertragung aufgrund von kinetischer Energie der Person, so ist der gleiche Effekt wie oben beschrieben vorhanden, nur dass der Robotermanipulator in gegenteiliger Richtung von seiner Nullstellung der Impedanzregelung ausgelenkt wird, wobei die federnde und insbesondere auch dämpfende Natur der Impulsübertragung dabei erhalten bleibt. Auch bei quasi-statischen Kraftübertragungen zwischen der Person und dem Robotermanipulator ist vorteilhaft für die Person ein subjektiv weicher Kontakt zum Robotermanipulator gegeben, da die Impedanzregelung einen auslenkungsabhängigen Widerstand ausgehend von der Referenzposition an der Oberfläche des Körpers der Person nach sich zieht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf: - Ermitteln einer Kantengeometrie desjenigen Ortes am Robotermanipulator, der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von der ermittelten Kantengeometrie ermittelt oder angepasst wird.
Bevorzugt weist die Datenbank einen Wertesatz für jede der Körperzonen auf, wobei jedes der Elemente aus dem Wertesatz einer bestimmten Kantengeometrie oder zumindest näherungsweise der Kantengeometrie desjenigen Ortes am Robotermanipulator zugeordnet ist, der in Kontakt mit der Person trifft. Vorteilhaft wird damit nicht nur die Empfindlichkeit einer Körperzone der Person berücksichtigt, sondern auch die Empfindlichkeit im Bezug auf eine Kantengeometrie, die in Kontakt mit der Körperzone tritt. So sind naturgemäß dünne, scharfe, Konturen anfälliger für das Hervorrufen einer Verletzung, selbst wenn der Kontaktdruck gegenüber einem Kontaktereignis mit einer stumpfen Oberfläche nicht erhöht ist. Alternativ bevorzugt zum Wertesatz der Datenbank wird ein fixer Wert je Körperzone aus der Datenbank abhängig von der ermittelten Kantengeometrie angepasst. Dies erfolgt bevorzugt durch Multiplikation mit einem Faktor, der den inversen Schärfegrad der Kantengeometrie widerspiegelt, sodass eine schärfere Kante mit einem höheren realen Kontaktdruck gegenüber einem konstanten höchstzulässigen Kontaktdruck assoziiert wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird bei der Ausführung der Impedanzregelung bis zum höchstzulässigen Kontaktdruck der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von einer Geschwindigkeit des mit der Person in Kontakt tretenden Ortes des Robotermanipulators relativ zur Person ermittelt oder vermindernd angepasst. Diese Ausführungsform trägt vorteilhaft dem Umstand Rechnung, dass schnelle Eindrückbewegungen des Gewebes einer Person als unangenehmer empfunden werden, als langsame. Daher wird analog der vorhergehenden Ausführungsform anstelle einer Kantengeometrie die Geschwindigkeit im Falle eines Kontaktereignisses zwischen dem Robotermanipulator und der Person berücksichtigt. Wiederum können in der Datenbank verschiedene Einträge vorhanden sein, die gemäß dieser Ausführungsform für eine endliche Menge von Geschwindigkeiten gilt, bzw. diesen angenähert wird. Alternativ dazu wird insbesondere durch einen Faktor oder eine andere Funktion der jeweils einzige Datenbankeintrag entsprechend angepasst.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das impedanzgeregelte Ansteuern des Robotermanipulators so, dass ein vorgegebener Bremsweg im Verlauf des Eindrückens von Gewebe der Person nicht überschritten wird. Der Bremsweg ist dabei insbesondere abhängig von der Impulsübertragung zwischen dem Robotermanipulator und dem Gewebe der Person und korreliert mit einer Eindrücktiefe des Robotermanipulators des Gewebes der Person. Gemäß dem Grenzwert des Bremsweges wird sichergestellt, dass das Gewebe der Person nicht über den vorgegebenen Grenzwert hinweg eingedrückt wird. Dies erfolgt insbesondere durch eine entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren des Robotermanipulators, sodass der Robotermanipulator beim Erreichen des Grenzwertes eine Rückzugsbewegung durchführt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der vorgegebene Bremsweg durch eine Prädiktion ermittelt, an welchem Abstand von der Referenzposition im Verlauf des Eindrückens von Gewebe der Person der höchstzulässige Kontaktdruck erreicht wird. Vorteilhaft stimmt daher der tatsächlich ausgeübte Kontaktdruck mit dem höchstzulässigen Kontaktdruck überein, und korreliert gleichzeitig mit dem Grenzwert im Bremsweg, sodass ein für die Person möglichst natürlich wirkendes Verhalten des Robotermanipulators im ganzen zulässigen Bereich ausgenutzt wird. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das impedanzgeregelte Ansteuern des Robotermanipulators durch eine Impedanzregelung gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem, sodass der relative Positionsvektor zwischen dem Ort am Robotermanipulator, der in Kontakt mit der Person tritt, und der aktuellen Referenzposition an der Person als Verbindungsvektor im erdfesten Koordinatensystem ermittelt wird. Das erdfeste Koordinatensystem ist insbesondere ein kartesisches Koordinatensystem.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf:
- Ermitteln eines Härtegrads und/oder eines E-Moduls desjenigen Ortes am Robotermanipulator, der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von dem ermittelten Härtegrad und/oder dem E-Modul ermittelt oder angepasst wird. Der Härtegrad bestimmt einen Widerstand gegenüber Eindringen eines Körpers und wird bevorzugt in der Einheit Vickers angegeben. Der E-Modul dagegen bezeichnet eine Spannungskonstante, die angibt, unter welcher Spannung welcher Dehnungsgrad im Material des Robotermanipulators auftritt. Vorteilhaft wird gemäß dieser Ausführungsform entweder über einen Wertesatz von Daten in der Datenbank oder durch Anpassung eines jeweiligen gültigen Werts aus der Datenbank, insbesondere durch Multiplizieren mit einem Faktor oder einer anderen Funktion, diese Materialeigenschaft bzw. Materialeigenschaften des Orts des Robotermanipulators, der in Kontakt mit der Person tritt, berücksichtigt, denn diese Materialeigenschaft(en) weisen einen signifikanten Einfluss darauf auf, wie das Kontaktereignis von der Person subjektiv empfunden wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf:
- Ermitteln einer Temperatur des Bauelements mit demjenigen Ort am Robotermanipulator, der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von der ermittelten Temperatur ermittelt oder angepasst wird.
Auch die Temperatur des Bauelements an demjenigen Ortes Robotermanipulators, deren Kontakt mit der Person tritt, weist einen entsprechenden Einfluss auf das subjektive Empfinden über das Kontaktereignis der Person mit dem Robotermanipulator auf. Bei extremen Temperaturen empfindet die Person das Kontaktereignis als eher unangenehm. Wiederum können verschiedene Werte in der Datenbank für eine jeweilige Körperzone für verschiedene Temperaturen abgelegt sein, oder der für jede Körperzone jeweils einzelne Wert der Datenbank wird entsprechend angepasst.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Impedanzregelung eine nichtlineare künstliche Federkomponente auf, sodass mit zunehmender Auslenkung eine überproportional mit der Auslenkung steigende Gegenkraft auf den Robotermanipulator wirkt. Da insbesondere auch das Gewebe von Menschen nichtlineare mechanische Eigenschaften aufweist (so ist Blut ein nicht Newton'sches Fluid und der Widerstand beim Eindrücken von Gewebe erhöht sich plötzlich durch das Auftreffen auf Sehnen und/oder Knochen und/oder Bänder), wird diese Eigenschaft des Körpers der Person insbesondere auch durch die Impedanzregelung widergespiegelt. Vorteilhaft wird dadurch das Verhalten des Robotermanipulators bei einem Kontaktereignis von der Person als deutlich angenehmer empfunden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuereinheit zum Steuern eines Robotermanipulators, aufweisend eine Schnittstelle zu einer Datenbank mit Körperzonen einer Person, wobei jeder der Körperzonen ein jeweiliger höchst zulässiger Wert von Kontaktdruck zugeordnet ist, und eine Recheneinheit, wobei die Recheneinheit zum Ermitteln eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses des Robotermanipulators mit der Person und Ermitteln der kontaktierten Körperzone der Person, zum Ermitteln einer relativ zur Person körperfesten Referenzposition, wobei die Referenzposition den Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens von Gewebe der Person bei dem Kontaktereignis mit der Person angibt, und zum impedanzgeregelten Ansteuern des Robotermanipulators ausgeführt ist so, dass die ermittelte Referenzposition als Nullstellung einer künstlichen Federkomponente der Impedanzregelung des Robotermanipulators dient und der höchstzulässige Kontaktdruck als Grenzwert nicht überschritten wird.
Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen der vorgeschlagenen Steuereinheit ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren vorstehend gemachten Ausführungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 2 eine Steuereinheit zum Ausführen des Verfahrens nach Fig. 1 .
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Fig. 1 zeigt ein Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators 1 . Das Verfahren wird auf einer Steuereinheit 3 ausgeführt. Daher können die im folgenden gezeigten Verfahrensschritte auch auf die Fig. 2 übertragen werden und die Bezugszeichen der Fig. 2 angewendet werden. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Bereitstellen S1 einer Datenbank mit Körperzonen einer Person, wobei jeder der Körperzonen ein jeweiliger höchst zulässiger Wert von Kontaktdruck zugeordnet ist,
- Ermitteln S2 eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses des Robotermanipulators 1 mit der Person und Ermitteln der kontaktierten Körperzone der Person,
- Ermitteln S3 einer relativ zur Person körperfesten Referenzposition, wobei die Referenzposition den Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens von Gewebe der Person bei dem Kontaktereignis mit der Person angibt,
- Ermitteln S5 einer Kantengeometrie desjenigen Ortes am Robotermanipulator 1 , der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von der ermittelten Kantengeometrie angepasst wird,
- Ermitteln S6 eines Härtegrads und eines E-Moduls desjenigen Ortes am Robotermanipulator 1 , der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von dem ermittelten Härtegrad und dem E-Modul angepasst wird, und
- Ermitteln S7 einer Temperatur des Bauelements mit demjenigen Ort am Robotermanipulator 1 , der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von der ermittelten Temperatur angepasst wird, und
- impedanzgeregeltes Ansteuern S4 des Robotermanipulators 1 so, dass die ermittelte Referenzposition als Nullstellung einer künstlichen Federkomponente der Impedanzregelung des Robotermanipulators 1 dient und der höchstzulässige Kontaktdruck als Grenzwert nicht überschritten wird. Fig. 2 zeigt eine Steuereinheit 3 zum Steuern eines Robotermanipulators 1 , aufweisend eine Schnittstelle 5 zu einer Datenbank mit Körperzonen einer Person, wobei jeder der Körperzonen ein jeweiliger höchst zulässiger Wert von Kontaktdruck zugeordnet ist, und eine Recheneinheit 7, wobei die Recheneinheit 7 zum Ermitteln eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses des Robotermanipulators 1 mit der Person und Ermitteln der kontaktierten Körperzone der Person dient. Ferner ermittelt die Recheneinheit 7 eine relativ zur Person körperfesten Referenzposition, wobei die Referenzposition den Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens von Gewebe der Person bei dem Kontaktereignis mit der Person angibt. Dies erfolgt durch Simulation der künftigen Bewegungsabläufe durch Extrapolation der gegenwärtigen Bewegungsabläufe sowohl der Person als auch des Robotermanipulators 1 . Ferner steuert die Recheneinheit 7 impedanzgeregelt den Robotermanipulator 1 so an, dass die ermittelte Referenzposition als Nullstellung einer künstlichen Federkomponente der Impedanzregelung des Robotermanipulators 1 dient und der höchstzulässige Kontaktdruck als Grenzwert nicht überschritten wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird. Bezugszeichenliste 1 Robotermanipulator
3 Steuereinheit
5 Schnittstelle
7 Recheneinheit S1 Bereitstellen
52 Ermitteln
53 Ermitteln
54 Ansteuern
55 Ermitteln S6 Ermitteln
S7 Ermitteln

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators (1 ), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen (S1) einer Datenbank mit Körperzonen einer Person, wobei jeder der
Körperzonen ein jeweiliger höchst zulässiger Wert von Kontaktdruck zugeordnet ist,
- Ermitteln (S2) eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses des Robotermanipulators (1) mit der Person und Ermitteln der kontaktierten Körperzone der Person, - Ermitteln (S3) einer relativ zur Person körperfesten Referenzposition, wobei die
Referenzposition den Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens von Gewebe der Person bei dem Kontaktereignis mit der Person angibt, und
- impedanzgeregeltes Ansteuern (S4) des Robotermanipulators (1) so, dass die ermittelte Referenzposition als Nullstellung einer künstlichen Federkomponente der Impedanzregelung des Robotermanipulators (1) dient und der höchstzulässige
Kontaktdruck als Grenzwert nicht überschritten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , weiterhin aufweisend den Schritt: - Ermitteln (S5) einer Kantengeometrie desjenigen Ortes am Robotermanipulator
(1), der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von der ermittelten Kantengeometrie ermittelt oder angepasst wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Ausführung der Impedanzregelung bis zum höchstzulässigen
Kontaktdruck der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von einer Geschwindigkeit des mit der Person in Kontakt tretenden Ortes des Robotermanipulators (1) relativ zur Person ermittelt oder vermindernd angepasst wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das impedanzgeregelte Ansteuern des Robotermanipulators (1) so erfolgt, dass ein vorgegebener Bremsweg im Verlauf des Eindrückens von Gewebe der Person nicht überschritten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der vorgegebene Bremsweg durch eine Prädiktion ermittelt wird, an welchem Abstand von der Referenzposition im Verlauf des Eindrückens von Gewebe der Person der höchstzulässige Kontaktdruck erreicht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das impedanzgeregelte Ansteuern des Robotermanipulators (1) durch eine Impedanzregelung gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem erfolgt, sodass der relative Positionsvektor zwischen dem Ort am Robotermanipulator (1), der in Kontakt mit der Person tritt, und der aktuellen Referenzposition an der Person als Verbindungsvektor im erdfesten Koordinatensystem ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend den Schritt:
- Ermitteln (S6) eines Härtegrads und/oder eines E-Moduls desjenigen Ortes am Robotermanipulator (1), der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von dem ermittelten Härtegrad und/oder dem E-Modul ermittelt oder angepasst wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend den Schritt:
- Ermitteln (S7) einer Temperatur des Bauelements mit demjenigen Ort am Robotermanipulator (1), der in Kontakt mit der Person tritt, wobei der höchstzulässige Kontaktdruck abhängig von der ermittelten Temperatur ermittelt oder angepasst wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Impedanzregelung eine nichtlineare künstliche Federkomponente aufweist, sodass mit zunehmender Auslenkung eine überproportional mit der Auslenkung steigende Gegenkraft auf den Robotermanipulator (1) wirkt.
10. Steuereinheit (3) zum Steuern eines Robotermanipulators (1), aufweisend eine Schnittstelle (5) zu einer Datenbank mit Körperzonen einer Person, wobei jeder der Körperzonen ein jeweiliger höchst zulässiger Wert von Kontaktdruck zugeordnet ist, und eine Recheneinheit (7), wobei die Recheneinheit zum Ermitteln eines aktuellen oder zukünftigen Kontaktereignisses des Robotermanipulators (1) mit der Person und Ermitteln der kontaktierten Körperzone der Person, zum Ermitteln einer relativ zur Person körperfesten Referenzposition, wobei die Referenzposition den Beginn des örtlichen Verlaufs des Eindrückens von Gewebe der Person bei dem Kontaktereignis mit der Person angibt, und zum impedanzgeregelten Ansteuern des Robotermanipulators (1) ausgeführt ist so, dass die ermittelte Referenzposition als Nullstellung einer künstlichen Federkomponente der Impedanzregelung des Robotermanipulators (1) dient und der höchstzulässige Kontaktdruck als Grenzwert nicht überschritten wird.
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