EP4469246A1 - Steuern eines teleroboters - Google Patents

Steuern eines teleroboters

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Publication number
EP4469246A1
EP4469246A1 EP23701044.2A EP23701044A EP4469246A1 EP 4469246 A1 EP4469246 A1 EP 4469246A1 EP 23701044 A EP23701044 A EP 23701044A EP 4469246 A1 EP4469246 A1 EP 4469246A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
telerobot
drives
operating mode
component
increase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23701044.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Giuseppe Monetti
Juan David Munoz Osorio
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KUKA Deutschland GmbH
Original Assignee
KUKA Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KUKA Deutschland GmbH filed Critical KUKA Deutschland GmbH
Publication of EP4469246A1 publication Critical patent/EP4469246A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1628—Program controls characterised by the control loop
    • B25J9/1633—Program controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1679—Program controls characterised by the tasks executed
    • B25J9/1689—Teleoperation
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39346—Workspace impedance control
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40184—Compliant teleoperation, operator controls motion, system controls contact, force
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40194—Force reflective, impedance shaping tele operation

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for controlling a telerobot and a computer program or computer program product for carrying out the method.
  • telerobots are controlled with the aid of an input device which has a movable adjusting means, with adjustments of the adjusting means being converted into drive loads of the drives of the telerobot by means of control technology.
  • a possible variant is to detect a displacement of the actuating means, to determine from this a target displacement x d of a robot-fixed reference of the telerobot, for example its TCP, and to control the drives of the telerobot in such a way that drive loads ⁇ of the drives increase in a difference between actual displacement x and target displacement x d of the robot-fixed reference increase to reduce this difference, for example in the simple form with the transposed Jacobian matrix J T the joint velocities and velocities the robot-fixed reference linked together and the stiffness matrix K d .
  • the telerobot can be precisely (tele)controlled.
  • this can be disadvantageous in the case of environmental contact, for example, in which a (more) flexible behavior is desirable, in particular in order to avoid damage.
  • An object of an embodiment of the present invention is to improve the control of a telerobot.
  • Claims 9, 10 represent a system or computer program or Computer program product for carrying out a method described here under protection.
  • the dependent claims relate to advantageous developments.
  • a method for controlling a telerobot using an input device that has a movable actuating means has the steps, preferably repeated several times:
  • a first mode of operation is performed if the detected load is within a first range and a second mode of operation is performed if the detected load is within a second range.
  • the drives of the telerobot are controlled in the first operating mode in such a way or with the proviso that drive loads of the drives increase with or as a result of an increase in a one-dimensional or multi-dimensional component of the difference between actual and target adjustment to reduce this component of the difference, and controlled in the second mode of operation in such a way or with the proviso that drive loads of the drives also increase at or as a result of the same increase in this component of the difference between the actual and target displacement, by this To reduce component of the difference, but less (strong) increase than in the first mode of operation.
  • the telerobot can be switched or controlled more softly in one or more directions or degrees of freedom. In this way, in one embodiment, loads on the robot and/or the environment can advantageously be reduced. Accordingly, the telerobot can In one embodiment, if the corresponding situation is not determined on the basis of the detected load, in particular no environmental contact of the telerobot, it can be switched or controlled more rigidly in terms of control technology. In this way, in one embodiment, it can be advantageously, in particular more precisely, controlled.
  • the telerobot has a ((tele)robot) arm with at least three, in particular at least six, in one embodiment at least seven, joints or axes of movement.
  • the robot-fixed reference is stationary with respect to a distal end flange of the telerobot (arm), in one embodiment the robot-fixed reference has an end effector or TCP of the telerobot (arm), can in particular be an end effector or TCP of the telerobot (arm). be.
  • the actuating means is spatially spaced apart from the telerobot and/or a (robot) controller of the telerobot.
  • the input device in particular an input device controller, is signal-connected to the telerobot and/or a (robot) controller of the telerobot, wired in one embodiment, which can increase safety in one embodiment, wireless in another embodiment, which in one embodiment which can increase flexibility and/or reach.
  • the adjusting means is movably mounted, in particular via one or more joints, on a base of the input device, wherein in one embodiment a pose x M of the adjusting means relative to the base of the input device and/or a change in pose, in particular speed v M , of the adjusting means is detected relative to the base of the input device, preferably by sensors, as an adjustment of the actuating means.
  • an adjustment in the sense of the present invention generally includes a pose and/or a, in particular temporal, pose change, in particular the first and/or higher time derivation of a pose, in one embodiment a speed, can in particular a pose and/or, in particular temporal , pose change, in particular first and/or higher time derivation, in one embodiment speed.
  • a pose within the meaning of the present invention has a one-, two- or three-dimensional position and/or a one-, two- or three-dimensional orientation.
  • a pose that is always (also) an adjustment compared to an initial or reference pose generally referred to as adjustment.
  • the actual adjustment, in particular an actual pose and/or actual speed, of the robot-fixed reference is detected by sensors in one embodiment, in a further development on the basis of detected positions and/or changes in position of joints or drives of the telerobot.
  • a load within the meaning of the present invention can have, in particular be, a force in one or more directions and/or a torque, in particular (in each case) in one or more directions, in particular spatial directions.
  • an external load acting on the telerobot does not include drive loads of the drives of the telerobot and/or loads that are not induced by its own weight, in particular weight and/or inertial forces or torques resulting therefrom, of the telerobot.
  • the external load acting on the telerobot is detected by sensors, in a further development using a single- or multi-axis load sensor, in particular a force and/or torque sensor, on an end effector or flange of the telerobot and/or based on detected data Loads on joints and/or drives of the telerobot, preferably using a mathematical model of the telerobot.
  • a single- or multi-axis load sensor in particular a force and/or torque sensor
  • Controlling within the meaning of the present invention preferably includes regulating.
  • the drives of the telerobot are controlled in the first operating mode in such a way or with the proviso that drive loads of the drives increase with or as a result of an increase in at least one other one- or multi-dimensional component of the difference between the actual and target adjustment, to (also) reduce this other component of the difference, and controlled in the second operating mode in such a way or with the proviso that drive loads of the drives (just) increase with the same increase in this other component of the difference between actual and target adjustment as in the first mode of operation to reduce this other component.
  • the telerobot can be switched or controlled in the direction or degrees of freedom of one component of the difference between the actual and target adjustment in terms of control technology in the first operating mode soft(er) or stiff(er) in the second operating mode and in this way, advantageously, loads on the robot and/or the environment are reduced, with the telerobot simultaneously being controlled with equal rigidity in the direction or degrees of freedom of the other component of the difference between the actual and target adjustment in the first and second operating mode and can be advantageously controlled in this way, in particular more precisely.
  • the detected external load acting on the telerobot acts in the direction of one component and in a further development not in the direction of the other component, in one embodiment the one and possibly other components are selected or defined accordingly.
  • one component of the difference is that component of the difference in the direction of the external load and the other component of the difference is a complementary component of the difference, for example a component perpendicular to the one component, in one embodiment are or become the one and optionally other components selected or defined accordingly.
  • the stiffness of a virtual spring in the second operating mode is reduced compared to the first operating mode, in a further development the stiffness of the virtual spring in the second operating mode is reduced compared to the first operating mode, preferably only in the directions of the external load and in a further development not reduced in at least one direction perpendicular thereto.
  • a component is understood to mean a proportion in a translational direction and/or a proportion in a rotational direction in a manner customary in the art.
  • one component of the difference is a (translational) component of a translational difference between one-, two- or three-dimensional actual and target adjustment, in particular position or displacement, and/or a (rotatory) component of a rotational difference between one-, two- or three-dimensional actual and target adjustment, in particular orientation or rotation.
  • the direction of the one component changes with or as a result of (a change in) the direction of the sensed load and/or the direction of the one component coincides with the direction of the sensed load.
  • one component of the Difference or the translational part of a component of the difference ⁇ x in one embodiment, the drives of the telerobot are controlled in the first and second operating mode such that drive loads of the drives increase with an increase in ⁇ x in order to reduce this component, but increase less in the second operating mode than in the first operating mode.
  • the drives of the telerobot are controlled in the first and second operating mode in such a way that the drive loads of the drives increase with an increase in ⁇ y in the second operating mode as in the first operating mode in order to reduce this component.
  • This can be implemented or realized in particular by a corresponding reduction in the stiffness of a virtual spring (only) in the x-direction. This applies analogously to a rotary component or a rotary part of a component.
  • the telerobots can be controlled in the direction of the external load acting on the telerobot, in particular a contact load acting on the telerobot from the environment as a result of environmental contact of the telerobot, soft(er) in the first operating mode or stiff(er) in the second operating mode ) is switched or controlled and in this way advantageously loads on the robot and/or the environment are reduced, with the telerobot simultaneously being controlled in the other or non-contact directions or degrees of freedom in the first and second operating mode in the same way ( stiff) controlled and in this way advantageously, in particular more precisely (r), can be controlled.
  • a reduced rigidity in a direction perpendicular to a direction of the external load and thus a reduced precision are also deliberately accepted in order to realize a simple(r) and/or quicker(er) implementation in an embodiment and/or to react more flexibly to environmental contact.
  • the detected load is in the first range if it falls below a lower limit, and/or the detected load is in the second range if it exceeds an upper limit, which in one embodiment is equal to the lower limit, in another further development is greater than the lower limit value, in one embodiment the first or second range is or are selected or defined accordingly or the first or second operating mode is carried out accordingly.
  • a contact can advantageously be established, in particular simply, precisely and/or reliably, and a hysteresis can be provided if necessary.
  • the drives are controlled in the first and second operating mode on the basis of a virtual spring between an actual and a target pose of the robot-fixed reference, with a stiffness of this virtual spring in at least one direction, in a further development also or only in direction the sensed external load, is reduced in the second mode of operation compared to the first mode of operation.
  • the reduction in the increase in the drive loads of the drives in the second operating mode compared to the first operating mode can be implemented or realized particularly advantageously, in particular simply, robustly and/or adapted to the situation.
  • the drives are controlled in the first and second operating mode based on a mathematical model of the telerobot and/or based on a virtual damper between an actual and a target pose change of the robot-fixed reference.
  • the mathematical model and the corresponding proportions of the driving forces compensate for the dynamics and the weight of the telerobot, and the virtual damper reduces vibrations.
  • the control of the telerobot can be (further) improved, in particular the telerobot can be operated or controlled more simply, more precisely, more reliably and/or more safely.
  • the drives are controlled with the aid of an impedance control, in a further development a Cartesian impedance control, and/or passivity control, in a further development passivity control in the time domain.
  • the (Cartesian) impedance control allows the telerobot to be operated or controlled in a particularly simple, precise, reliable and/or safe manner.
  • the telerobot can be operated or controlled in a particularly simple, precise, reliable and/or safe manner through the passiveness control, in particular the passiveness control in the time domain ("time domain passiveness approach").
  • time domain passiveness approach the passiveness control in the time domain.
  • a system for controlling a telerobot with the aid of an input device that has a movable actuating means, in particular hardware and/or software, in particular programming is set up to carry out a method described here and/or has:
  • Means for controlling drives of the telerobot on the basis of a difference between a detected actual displacement of the robot-fixed reference and the determined target displacement which has:
  • the means for carrying out a first operating mode has means for controlling the drives of the telerobot in the first operating mode in such a way that the drive loads of the drives increase when there is an increase in a one-dimensional or multi-dimensional component of the difference between the actual and target adjustment by this component to reduce; and the means for carrying out a second operating mode has means for controlling the drives of the telerobot in the second operating mode in such a way that the drive loads of the drives also increase with the same increase in this component of the difference between the actual and target displacement, in order to reduce this component, however, increase less than in the first mode of operation.
  • system or its means(s) has:
  • the means for carrying out a first operating mode has means for controlling the drives of the telerobot in the first operating mode in such a way that the drive loads of the drives increase in at least one other one-dimensional or multi-dimensional component of the difference between the actual and target adjustment increase to reduce this other component; and the means for performing a second operating mode has means for controlling the drives of the telerobot in the second operating mode such that in the second operating mode the drives of the telerobot are controlled such that drive loads of the drives with the same increase in this other component of the difference between Actual and desired displacement increase as in the first mode of operation to reduce this other component.
  • the means for carrying out a first operating mode and the means for carrying out a second operating mode have means for controlling the drives of the telerobot in the first and second operating mode, respectively, in such a way that the drives in the first and second operating mode are based on a virtual spring be controlled between an actual and a target pose of the robot-fixed reference, wherein a stiffness of this virtual spring is reduced in at least one direction, in particular also or only in the direction of the detected external load, in the second operating mode compared to the first operating mode.
  • the means for carrying out a first operating mode and the means for carrying out a second operating mode have means for controlling the drives of the telerobot in the first or second operating mode on the basis of a mathematical model of the telerobot and/or also on the basis of a virtual one Dampener between an actual and a target pose change of the robot-fixed reference.
  • the means for carrying out a first operating mode and the means for carrying out a second operating mode have means for controlling the drives of the telerobot in the first or second operating mode using an impedance and/or passivity control, in particular a Cartesian impedance control and/or Passivity rule in the time domain.
  • a system and/or a means within the meaning of the present invention can be designed in terms of hardware and/or software, in particular at least one, in particular digital, processing unit, in particular microprocessor unit ( CPU), graphics card (GPU) or the like, and / or have one or more programs or program modules.
  • the processing unit can be designed to process commands that are implemented as a program stored in a memory system, to acquire input signals from a data bus and/or to output output signals to a data bus.
  • a storage system can have one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid-state and/or other non-volatile media.
  • a computer program product can have, in particular, be a, in particular, computer-readable and/or non-volatile storage medium for storing a program or instructions or with a program or with instructions stored thereon.
  • this program or these instructions are executed by a system or a controller, in particular a computer or a Arrangement of several computers, the system or the controller, in particular the computer or computers, to carry out a method described here or one or more of its steps, or the program or the instructions are set up for this purpose.
  • one or more, in particular all, steps of the method are carried out fully or partially automatically, in particular by the system or its means.
  • the system includes the telerobot.
  • FIG. 1 shows a system for controlling a tele-robot using an input device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a method for controlling the telerobot using the input device according to an embodiment of the present invention.
  • 1, 2 show a system and method according to an embodiment of the present invention for controlling a telerobot (arm) 1 using an input device, which has a base 2.1, an actuating means 3 movable relative to the base 2.1, and an input device controller 2.2 a robot controller 4, which communicates wirelessly or by wire with the input device controller 2.2.
  • the input device controller 2.2 can be integrated into the base 2.1.
  • a step S10 an adjustment of the adjusting means 3 is detected, for example its speed with the aid of and in relation to or relative to the base 2.1 measured.
  • step S10 an external force F ext acting on the telerobot is recorded, for example with the aid of a force-torque sensor 6 or also on the basis detected loads on joints and / or drives 1.1 - 1.6 of the telerobot, preferably using a mathematical model of the telerobot.
  • a target displacement x d of a robot-fixed reference 5 is determined.
  • adjustments of the adjusting means can also be mapped to target adjustments of the robot-fixed reference differently than identically, for example scaled, in preferred directions or the like.
  • step S20 an actual adjustment x of the robot-fixed reference 5 is also recorded, for example on the basis of the positions of the joints or drives 1.1-1.6 and forward kinematics of the telerobot.
  • a step S30 the direction u fe of the detected external force F ext acting on the telerobot, preferably in the general form
  • a rotation matrix 0 R f determined which is a rotation about an axis u, which is oriented perpendicular to the unit vector of the z-axis and perpendicular to the illegal direction -u fe , around the angle conveyed, and the Cartesian errors rotated with this rotation matrix in a coordinate system aligned with the external force, preferably in the general form
  • the value of the element k becomes 3.3 of the stiffness matrix determined for the time or sample step n as follows: with the constant, predetermined values k high > k low and F high > F low .
  • the specified values of the elements k 1,1 , k 2 2 of the stiffness matrix remain constant.
  • Working space based on a virtual damper between an actual and a desired pose change of the robot-fixed reference, preferably in the general form with the damping matrix D d , and using a Cartesian impedance control, preferably in the general form determined and the drives on the basis, in particular for achieving or exercising, controlled this target drive loads, which for simplification can be chosen.
  • a first operating mode is carried out in which the drives of the telerobot 1 are controlled in such a way that the drive loads of the drives increase in a Increase the difference between the actual and target adjustment in order to reduce this difference.
  • a second operating mode is carried out in which the drives of the telerobot 1 are also controlled in such a way that drive loads of the drives increase in a difference between the actual and Increase command displacement to reduce this difference.
  • the stiffness of a virtual spring in the component that corresponds to the external force F ext is reduced compared to the first operating mode, so that the drive loads of the drives increase less with the same increase in this component of the difference between the actual and target adjustment than in the first mode of operation.
  • the stiffness matrix remains constant in the other, complementary component of the difference, so that the drive loads of the drives in the first and second operating modes increase here at the same time. It can also be seen that a hysteresis is provided between switching between the two values k high , k low .

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Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Teleroboters (1) mithilfe einer Eingabevorrichtung, die ein bewegliches Stellmittel (3) aufweist, umfasst die Schritte: Erfassen (S10) einer Verstellung des Stellmittels und einer externen, auf den Teleroboter wirkenden Last; Ermitteln (S20) einer Soll-Verstellung einer roboterfesten Referenz (5) des Teleroboters auf Basis der erfassten Verstellung des Stellmittels; Erfassen (S20) einer Ist-Verstellung der roboterfesten Referenz; und Steuern (S40) von Antrieben (1.1-1.6) des Teleroboters auf Basis einer Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung; wobei ein erster Betriebsmodus durchgeführt wird, falls die erfasste Last in einem ersten Bereich liegt; und ein zweiter Betriebsmodus durchgeführt wird, falls die erfasste Last in einem zweiten Bereich liegt; wobei in dem ersten Betriebsmodus die Antriebe des Teleroboters derart gesteuert werden, dass Antriebslasten der Antriebe bei einer Zunahme in einer ein- oder mehrdimensionalen Komponente der Differenz zunehmen,um diese Komponente zu reduzieren; und in dem zweiten Betriebsmodus die Antriebe des Teleroboters derart gesteuert werden, dass Antriebslasten der Antriebe bei der gleichen Zunahme in dieser Komponente der Differenz ebenfalls zunehmen, um diese Komponente zu reduzieren, jedoch weniger zunehmen als in dem ersten Betriebsmodus.

Description

Beschreibung
Steuern eines Teleroboters
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Steuern eines Teleroboters sowie ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
Teleroboter werden nach betriebsinterner Praxis mithilfe einer Eingabevorrichtung gesteuert, die ein bewegliches Stellmittel aufweist, wobei Verstellungen des Stellmittels regelungstechnisch in Antriebslasten der Antriebe des Teleroboters umgesetzt werden.
Eine mögliche Variante ist dabei, eine Verstellung des Stellmittels zu erfassen, hieraus eine Soll-Verstellung xd einer roboterfesten Referenz des Teleroboters, beispielsweise seines TCPs, zu ermitteln, und die Antriebe des Teleroboters derart zu steuern, dass Antriebslasten τ der Antriebe bei einer Zunahme in einer Differenz zwischen Ist-Verstellung x und Soll-Verstellung xd der roboterfesten Referenz zunehmen, um diese Differenz zu reduzieren, beispielsweise in der einfachen Form mit der transponierten Jacobimatrix JT die Gelenkgeschwindigkeiten und Geschwindigkeiten der roboterfesten Referenz miteinander verknüpft und der Steifigkeitsmatrix Kd.
Nehmen dabei die Antriebslasten bei einer Zunahme in der Differenz stark zu bzw. ist in obigem einfachen Beispiel die Steifigkeit hoch, kann der Teleroboter präzise(r) (tele)gesteuert werden. Auf der anderen Seite kann dies beispielsweise bei einem Umgebungskontakt nachteilig sein, bei dem ein nachgiebige(re)s Verhalten wünschenswert ist, insbesondere, um Beschädigungen zu vermeiden.
Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, das Steuern eines Teleroboters zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 9, 10 stellen ein System bzw. Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Steuern eines Teleroboters mithilfe einer Eingabevorrichtung, die ein bewegliches Stellmittel aufweist, die, vorzugsweise mehrfach wiederholten, Schritte auf:
- Erfassen einer Verstellung des Stellmittels und einer externen, auf den Teleroboter wirkenden Last;
- Ermitteln einer Soll-Verstellung einer roboterfesten Referenz des Teleroboters auf Basis der erfassten Verstellung des Stellmittels;
- Erfassen einer Ist-Verstellung der roboterfesten Referenz; und
- Steuern von Antrieben des Teleroboters auf Basis einer Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein erster Betriebsmodus durchgeführt, falls die erfasste Last in einem ersten Bereich liegt, und ein zweiter Betriebsmodus durchgeführt, falls die erfasste Last in einem zweiten Bereich liegt.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden die Antriebe des Teleroboters in dem ersten Betriebsmodus derart bzw. mit der Maßgabe gesteuert, dass Antriebslasten der Antriebe bei bzw. infolge einer Zunahme in einer ein- oder mehrdimensionalen Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung zunehmen, um diese Komponente der Differenz zu reduzieren, und in dem zweiten Betriebsmodus derart bzw. mit der Maßgabe gesteuert, dass Antriebslasten der Antriebe bei bzw. infolge der gleichen Zunahme in dieser Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung ebenfalls zunehmen, um diese Komponente der Differenz zu reduzieren, allerdings weniger (stark) zunehmen als in dem ersten Betriebsmodus.
Dadurch kann in einer Ausführung dann, wenn anhand der erfassten Last eine entsprechende Situation, in einer Ausführung ein Umgebungskontakt des Teleroboters, festgestellt wird, der Teleroboter in einer oder mehreren Richtungen bzw. Freiheitsgraden regelungstechnisch weich(er) geschaltet bzw. gesteuert werden. Auf diese Weise können in einer Ausführung vorteilhaft Belastungen des Roboters und/oder der Umgebung reduziert werden. Entsprechend kann der Teleroboter in einer Ausführung dann, wenn anhand der erfassten Last die entsprechende Situation nicht, insbesondere kein Umgebungskontakt des Teleroboters, festgestellt wird, regelungstechnisch steif(er) geschaltet bzw. gesteuert werden. Auf diese Weise kann er in einer Ausführung vorteilhaft, insbesondere präzise(r), gesteuert werden.
Der Teleroboter weist in einer Ausführung einen ((Tele)Roboter)Arm mit wenigstens drei, insbesondere wenigstens sechs, in einer Ausführung wenigstens sieben, Gelenken bzw. Bewegungsachsen auf. Die roboterfeste Referenz ist in einer Ausführung ortsfest bezüglich eines distalen Endflanschs des Teleroboter(arm)s, in einer Ausführung weist die roboterfeste Referenz einen Endeffektor oder TCP des Teleroboter(arm)s auf, kann insbesondere ein Endeffektor oder TCP des Teleroboter(arm)s sein.
Das Stellmittel ist in einer Ausführung von dem Teleroboter und/oder einer (Roboter)Steuerung des Teleroboters räumlich beabstandet. In einer Ausführung ist die Eingabevorrichtung, insbesondere eine Eingabevorrichtungssteuerung, mit dem Teleroboter und/oder einer (Roboter)Steuerung des Teleroboters signalverbunden, in einer Weiterbildung drahtgebunden, was in einer Ausführung die Sicherheit erhöhen kann, in einer anderen Weiterbildung drahtlos, was in einer Ausführung die Flexibilität und/oder Reichweite erhöhen kann. Das Stellmittel ist in einer Ausführung beweglich, insbesondere über ein oder mehrere Gelenke, an einer Basis der Eingabevorrichtung gelagert, wobei in einer Ausführung eine Pose xM des Stellmittels relativ zur Basis der Eingabevorrichtung und/oder eine Posenänderung, insbesondere Geschwindigkeit vM, des Stellmittels relativ zur Basis der Eingabevorrichtung, vorzugsweise sensorisch, als Verstellung des Stellmittels erfasst wird.
Eine Verstellung im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst in einer Ausführung allgemein eine Pose und/oder eine, insbesondere zeitliche, Posenänderung, insbesondere erste und/oder höhere Zeitableitung einer Pose, in einer Ausführung eine Geschwindigkeit, kann insbesondere eine Pose und/oder, insbesondere zeitliche, Posenänderung, insbesondere erste und/oder höhere Zeitableitung, in einer Ausführung Geschwindigkeit, sein. Eine Pose im Sinne der vorliegenden Erfindung weist in einer Ausführung eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Position und/oder eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Orientierung auf. Entsprechend wird zur kompakteren Darstellung insbesondere eine Pose, die stets (auch) eine Verstellung gegenüber einer Ausgangs- bzw. Referenzpose darstellt, verallgemeinernd als Verstellung bezeichnet.
Die Ist-Verstellung, insbesondere also eine Ist-Pose und/oder Ist-Geschwindigkeit, der roboterfesten Referenz wird in einer Ausführung sensorisch erfasst, in einer Weiterbildung auf Basis erfasster Stellungen und/oder Stellungsänderungen von Gelenken bzw. Antrieben des Teleroboters.
Eine Last im Sinne der vorliegenden Erfindung kann in einer Ausführung eine Kraft in einer oder mehreren Richtungen und/oder ein Drehmoment, insbesondere (jeweils) in einer oder mehreren Richtungen, insbesondere Raumrichtungen, aufweisen, insbesondere sein. Eine externe, auf den Teleroboter wirkende Last im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst in einer Ausführung nicht Antriebslasten der Antriebe des Teleroboters und/oder nicht eigengewichtsinduzierte Lasten, insbesondere Gewichts- und/oder Trägheitskräfte bzw. hieraus resultierende Drehmomente, des Teleroboters.
Die externe, auf den Teleroboter wirkende Last wird in einer Ausführung sensorisch erfasst, in einer Weiterbildung mithilfe eines ein- oder mehrachsigen Lastsensors, insbesondere also Kraft- und/oder Drehmomentsensors, an einem Endeffektor bzw. -flansch des Teleroboters und/oder auf Basis erfasster Lasten an Gelenken und/oder Antrieben des Teleroboters, vorzugsweise mithilfe eines mathematischen Modells des Teleroboters.
Ein Steuern im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise ein Regeln.
In einer Ausführung werden die Antriebe des Teleroboters in dem ersten Betriebsmodus derart bzw. mit der Maßgabe gesteuert, dass Antriebslasten der Antriebe bei bzw. infolge einer Zunahme in wenigstens einer anderen ein- oder mehrdimensionalen Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung zunehmen, um diese andere Komponente der Differenz (ebenfalls) zu reduzieren, und in dem zweiten Betriebsmodus derart bzw. mit der Maßgabe gesteuert, dass Antriebslasten der Antriebe bei derselben Zunahme in dieser anderen Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung (eben)so zunehmen wie in dem ersten Betriebsmodus, um diese andere Komponente zu reduzieren. Dadurch können in einer Ausführung der Teleroboter in der bzw. den Richtungen bzw. Freiheitsgraden der einen Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll- Verstellung regelungstechnisch im ersten Betriebsmodus weich(er) bzw. im zweiten Betriebsmodus steif(er) geschaltet bzw. gesteuert und auf diese Weise vorteilhaft Belastungen des Roboters und/oder der Umgebung reduziert werden, wobei der Teleroboter zugleich in der bzw. den Richtungen bzw. Freiheitsgraden der anderen Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung regelungstechnisch im ersten und zweiten Betriebsmodus gleich steif gesteuert und auf diese Weise vorteilhaft, insbesondere präzise(r), gesteuert werden kann.
In einer Ausführung wirkt die erfasste externe, auf den Teleroboter wirkende Last in Richtung der einen Komponente und in einer Weiterbildung nicht in Richtung der anderen Komponente, in einer Ausführung sind bzw. werden die eine und gegebenenfalls andere Komponente entsprechend ausgewählt bzw. definiert. In einer Weiterbildung ist somit die eine Komponente der Differenz diejenige Komponente der Differenz in Richtung der externen Last und die andere Komponente der Differenz eine hierzu komplementäre Komponente der Differenz, beispielsweise eine zu der einen Komponente senkrechte Komponente, in einer Ausführung sind bzw. werden die eine und gegebenenfalls andere Komponente entsprechend ausgewählt bzw. definiert. Wenn in einer Ausführung die Steifigkeit einer virtuellen Feder im zweiten Betriebsmodus gegenüber dem ersten Betriebsmodus reduziert wird, wird entsprechend in einer Weiterbildung die Steifigkeit der virtuellen Feder im zweiten Betriebsmodus gegenüber dem ersten Betriebsmodus, vorzugsweise nur, in Richtungen der externen Last reduziert und in einer Weiterbildung in wenigstens einer hierzu senkrechten Richtung nicht reduziert.
Unter einer Komponente wird in einer Ausführung in fachüblicher Weise ein Anteil in einer translatorischen und/oder ein Anteil in einer rotatorischen Richtung verstanden. Entsprechend ist in einer Ausführung die eine Komponente der Differenz eine (translatorische) Komponente einer translatorischen Differenz zwischen ein-, zwei- oder dreidimensionaler Ist- und Soll-Verstellung, insbesondere Position bzw. Verschiebung, und/oder eine (rotatorische) Komponente einer rotatorischen Differenz zwischen ein-, zwei- oder dreidimensionaler Ist- und Soll-Verstellung, insbesondere Orientierung bzw. Verdrehung. In einer Ausführung ändert sich die Richtung der einen Komponente mit bzw. infolge (einer Änderung) der Richtung der erfassten Last und/oder stimmt die Richtung der einen Komponente mit der Richtung der erfassten Last überein.
Bezeichnet exemplarisch zur Verdeutlichung Δ = [ Δx Δy ΔZ]T die translatorische Differenz zwischen Soll- und Ist-Verstellung der roboterfesten Referenz und wirkt die externe Kraft (nur) in x-Richtung, so ist in einer Ausführung die eine Komponente der Differenz bzw. der translatorische Anteil der einen Komponente der Differenz Δx. Dann werden in einer Ausführung die Antriebe des Teleroboters im ersten und zweiten Betriebsmodus derart gesteuert, dass Antriebslasten der Antriebe bei einer Zunahme von Δx zunehmen, um diese Komponente zu reduzieren, im zweiten Betriebsmodus jedoch weniger zunehmen als im ersten Betriebsmodus. In einer Weiterbildung werden die Antriebe des Teleroboters im ersten und zweiten Betriebsmodus derart gesteuert, dass Antriebslasten der Antriebe bei einer Zunahme von Δy im zweiten Betriebsmodus ebenso zunehmen wie im ersten Betriebsmodus, um diese Komponente zu reduzieren. Dies kann insbesondere durch eine entsprechende Reduzierung einer Steifigkeit einer virtuellen Feder (nur) in x-Richtung implementiert bzw. realisiert werden. Für eine rotatorische Komponente bzw. einen rotatorischen Anteil einer Komponente gilt dies entsprechend analog.
Dadurch können in einer Ausführung der Teleroboter in Richtung der externen, auf den Teleroboter wirkenden Last, insbesondere einer infolge eines Umgebungskontakts des Teleroboters von der Umgebung auf den Teleroboter wirkenden Kontaktlast, regelungstechnisch im ersten Betriebsmodus weich(er) bzw. im zweiten Betriebsmodus steif(er) geschaltet bzw. gesteuert und auf diese Weise vorteilhaft Belastungen des Roboters und/oder der Umgebung reduziert werden, wobei der Teleroboter zugleich in der bzw. den anderen bzw. Nicht-Kontakt- Richtungen bzw. -Freiheitsgraden regelungstechnisch im ersten und zweiten Betriebsmodus gleich (steif) gesteuert und auf diese Weise vorteilhaft, insbesondere präzise(r), gesteuert werden kann.
Gleichermaßen kann es auch vorteilhaft sein, die Antriebe des Teleroboters im ersten und zweiten Betriebsmodus derart zu steuern, dass Antriebslasten der Antriebe bei einer Zunahme der erfassten externen Last zunehmen, um die Differenz zwischen Soll- und Ist-Verstellung der roboterfesten Referenz zu reduzieren, im zweiten Betriebsmodus jedoch weniger zunehmen als im ersten Betriebsmodus, und zwar unabhängig von der Richtung der externen Last und/oder in allen (translatorischen und/oder rotatorischen) Richtungen.
Damit wird in einer Ausführung bewusst auch eine reduzierte Steifigkeit in zu einer Richtung der externen Last senkrechten Richtung und damit eine reduzierte Präzision in Kauf genommen, um in einer Ausführung eine einfache(re) und/oder schnelle(re) Implementierung zu realisieren und/oder bei Umgebungskontakt flexibler zu reagieren.
In einer Ausführung liegt die erfasste Last in dem ersten Bereich, falls sie einen unteren Grenzwert unterschreitet, und/oder die erfasste Last liegt in dem zweiten Bereich, falls sie einen oberen Grenzwert überschreitet, der in einer Weiterbildung gleich dem unteren Grenzwert, in einer anderen Weiterbildung größer als der untere Grenzwert ist, in einer Ausführung sind bzw. werden der erste bzw. zweite Bereich entsprechend ausgewählt bzw. definiert bzw. der erste bzw. zweite Betriebsmodus entsprechend durchgeführt.
Dadurch kann in einer Ausführung vorteilhaft, insbesondere einfach, präzise und/oder zuverlässig, ein Kontakt festgestellt und gegebenenfalls eine Hysterese vorgesehen sein bzw. werden.
In einer Ausführung ist, insbesondere in der Zunahme der Antriebslasten bei einer Zunahme in der einen Komponente einer Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung, regelungstechnisch eine Hysterese zwischen einem Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus und einem Übergang von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus vorgesehen bzw. implementiert. In einer Weiterbildung wird aus dem ersten und/oder in den zweiten Betriebsmodus (um)geschaltet, wenn die erfasste Last einen oberen Grenzwert überschreitet, und/oder aus dem zweiten und/oder in den ersten Betriebsmodus (um)geschaltet, wenn die erfasste Last einen, insbesondere kleineren, unteren Grenzwert unterschreitet.
Dadurch können in einer Ausführung vorteilhaft unerwünschte Oszillationen reduziert bzw. vermieden werden. In einer Ausführung werden die Antriebe in dem ersten und zweiten Betriebsmodus auf Basis einer virtuellen Feder zwischen einer Ist- und einer Soll-Pose der roboterfesten Referenz gesteuert, wobei eine Steifigkeit dieser virtuellen Feder in wenigstens einer Richtung, in einer Weiterbildung auch oder nur in Richtung der erfassten externen Last, in dem zweiten Betriebsmodus gegenüber dem ersten Betriebsmodus reduziert ist.
Dadurch kann in einer Ausführung die, vorzugsweise komponentenweise, Reduzierung der Zunahme der Antriebslasten der Antriebe in dem zweiten Betriebsmodus gegenüber dem ersten Betriebsmodus besonders vorteilhaft, insbesondere einfach, robust und/oder situationsangepasst, implementiert bzw. realisiert werden.
Zusätzlich oder alternativ werden die Antriebe in einer Ausführung in dem ersten und zweiten Betriebsmodus auch auf Basis eines mathematischen Modells des Teleroboters und/oder auch auf Basis eines virtuellen Dämpfers zwischen einer Ist- und einer Soll-Posenänderung der roboterfesten Referenz gesteuert.
In einer Ausführung kompensiert das mathematische Modell bzw. die entsprechenden Anteile der Antriebskräfte die Dynamik und das Gewicht des Teleroboters, der virtuelle Dämpfer reduziert Schwingungen. Hierdurch kann in einer Ausführung das Steuern des Teleroboters (weiter) verbessert, insbesondere der Teleroboter einfach(er), präzise(r), zuverlässig(er) und/oder sicherer betrieben bzw. gesteuert werden.
Zusätzlich oder alternativ werden die Antriebe in einer Ausführung mithilfe einer Impedanzregelung, in einer Weiterbildung einer kartesischen Impedanzregelung, und/oder Passivitätsregelung, in einer Weiterbildung Passivitätsregelung im Zeitbereich, gesteuert.
Durch die (kartesische) Impedanzregelung kann in einer Ausführung der Teleroboter besonders einfach, präzise, zuverlässig und/oder sicher betrieben bzw. gesteuert werden. Durch die Passivitätsregelung, insbesondere die Passivitätsregelung im Zeitbereich („Time Domain Passivity Approach“), kann in einer Ausführung der Teleroboter besonders einfach, präzise, zuverlässig und/oder sicher betrieben bzw. gesteuert werden. Hierzu wird ergänzend Bezug auf Hannaford, Blake; Ryu, Jee-Hwan, Timedomain passivity control of haptic interfaces, IEEE transactions on Robotics and Automation, 2002, vol. 18, no 1 , p. 1-10; Emmanuel Nuno, Luis Basariez, Romeo Ortega, Passivity-based control for bilateral teleoperation: A tutorial. Automatica, Elsevier, 2011 , 47 (3), pp.485-495 und Ryu, Jee-Hwan, Artigas, Jordi Preusche, Carsten, A passive bilateral control scheme for a teleoperator with time-varying communication delay, Mechatronics (2010), 20 (7), pp. 812-823. Elsevier Bezug genommen, deren Inhalt vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung einbezogen wird.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Steuern eines Teleroboters mithilfe einer Eingabevorrichtung, die ein bewegliches Stellmittel aufweist, insbesondere hard- und/oder software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:
- Mittel zum Ermitteln einer Soll-Verstellung einer roboterfesten Referenz des Teleroboters auf Basis einer erfassten Verstellung des Stellmittels; und
- Mittel zum Steuern von Antrieben des Teleroboters auf Basis einer Differenz zwischen einer erfassten Ist-Verstellung der roboterfesten Referenz und der ermittelten Soll-Verstellung, welches aufweist:
- Mittel zum Durchführen eines ersten Betriebsmodus, falls eine erfasste externe, auf den Teleroboter wirkende Last in einem ersten Bereich liegt; und
- Mittel zum Durchführen eines zweiten Betriebsmodus, falls die erfasste Last in einem zweiten Bereich liegt; wobei das Mittel zum Durchführen eines ersten Betriebsmodus Mittel aufweist zum Steuern der Antriebe des Teleroboters in dem ersten Betriebsmodus derart, dass Antriebslasten der Antriebe bei einer Zunahme in einer ein- oder mehrdimensionalen Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung zunehmen, um diese Komponente zu reduzieren; und das Mittel zum Durchführen eines zweiten Betriebsmodus Mittel aufweist zum Steuern der Antriebe des Teleroboters in dem zweiten Betriebsmodus derart, dass Antriebslasten der Antriebe bei der gleichen Zunahme in dieser Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung ebenfalls zunehmen, um diese Komponente zu reduzieren, jedoch weniger zunehmen als in dem ersten Betriebsmodus.
In einer Ausführung weist das System bzw. sein(e) Mittel auf:
- Mittel zum Erfassen einer bzw. der Verstellung des Stellmittels; und/oder
- Mittel zum Erfassen einer bzw. der externen, auf den Teleroboter wirkenden Last; und/oder
- Mittel zum Erfassen einer bzw. der Ist-Verstellung der roboterfesten Referenz.
In einer Ausführung weist das Mittel zum Durchführen eines ersten Betriebsmodus Mittel auf zum Steuern der Antriebe des Teleroboters in dem ersten Betriebsmodus derart, dass Antriebslasten der Antriebe bei einer Zunahme in wenigstens einer anderen ein- oder mehrdimensionalen Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung zunehmen, um diese andere Komponente zu reduzieren; und das Mittel zum Durchführen eines zweiten Betriebsmodus weist Mittel auf zum Steuern der Antriebe des Teleroboters in dem zweiten Betriebsmodus derart, dass in dem zweiten Betriebsmodus die Antriebe des Teleroboters derart gesteuert werden, dass Antriebslasten der Antriebe bei derselben Zunahme in dieser anderen Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung ebenso zunehmen wie in dem ersten Betriebsmodus, um diese andere Komponente zu reduzieren.
In einer Ausführung weisen das Mittel zum Durchführen eines ersten Betriebsmodus und das Mittel zum Durchführen eines zweiten Betriebsmodus Mittel auf zum Steuern der Antriebe des Teleroboters in dem ersten bzw. zweiten Betriebsmodus derart, dass die Antriebe in dem ersten und zweiten Betriebsmodus auf Basis einer virtuellen Feder zwischen einer Ist- und einer Soll-Pose der roboterfesten Referenz gesteuert werden, wobei eine Steifigkeit dieser virtuellen Feder in wenigstens einer Richtung, insbesondere auch oder nur in Richtung der erfassten externen Last, in dem zweiten Betriebsmodus gegenüber dem ersten Betriebsmodus reduziert ist. In einer Ausführung weisen das Mittel zum Durchführen eines ersten Betriebsmodus und das Mittel zum Durchführen eines zweiten Betriebsmodus Mittel auf zum Steuern der Antriebe des Teleroboters in dem ersten bzw. zweiten Betriebsmodus auch auf Basis eines mathematischen Modells des Teleroboters und/oder auch auf Basis eines virtuellen Dämpfers zwischen einer Ist- und einer Soll-Posenänderung der roboterfesten Referenz.
In einer Ausführung weisen das Mittel zum Durchführen eines ersten Betriebsmodus und das Mittel zum Durchführen eines zweiten Betriebsmodus Mittel auf zum Steuern der Antriebe des Teleroboters in dem ersten bzw. zweiten Betriebsmodus mithilfe einer Impedanz- und/oder Passivitätsregelung, insbesondere einer kartesischen Impedanzregelung und/oder Passivitätsregelung im Zeitbereich.
Ein System und/oder ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere wenigstens eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU), Graphikkarte (GPU) oder dergleichen, und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die Verarbeitungseinheit kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die Verarbeitungseinheit die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere den Teleroboter steuern kann. Ein Computerprogrammprodukt kann in einer Ausführung ein, insbesondere computerlesbares und/oder nicht-flüchtiges, Speichermedium zum Speichern eines Programms bzw. von Anweisungen bzw. mit einem darauf gespeicherten Programm bzw. mit darauf gespeicherten Anweisungen aufweisen, insbesondere sein. In einer Ausführung veranlasst ein Ausführen dieses Programms bzw. dieser Anweisungen durch ein System bzw. eine Steuerung, insbesondere einen Computer oder eine Anordnung von mehreren Computern, das System bzw. die Steuerung, insbesondere den bzw. die Computer, dazu, ein hier beschriebenes Verfahren bzw. einen oder mehrere seiner Schritte auszuführen, bzw. sind das Programm bzw. die Anweisungen hierzu eingerichtet.
In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch das System bzw. sein(e) Mittel.
In einer Ausführung weist das System den Teleroboter auf.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1 : ein System zum Steuern eines Teleroboters mithilfe einer Eingabevorrichtung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2: ein Verfahren zum Steuern des Teleroboters mithilfe der Eingabevorrichtung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 , 2 zeigen ein System bzw. Verfahren nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zum Steuern eines Teleroboter(arm)s 1 mithilfe einer Eingabevorrichtung, die eine Basis 2.1 , ein relativ zur Basis 2.1 bewegliches Stellmittel 3 und eine Eingabevorrichtungssteuerung 2.2 aufweist, über eine Robotersteuerung 4, die drahtlos oder drahtgebunden mit der Eingabevorrichtungssteuerung 2.2 kommuniziert. Die Eingabevorrichtungssteuerung 2.2 kann in die Basis 2.1 integriert sein.
In einem Schritt S10 wird eine Verstellung des Stellmittels 3 erfasst, beispielsweise dessen Geschwindigkeit mithilfe und gegenüber bzw. relativ zu der Basis 2.1 gemessen.
Außerdem wird in Schritt S10 eine externe, auf den Teleroboter wirkenden Kraft Fext erfasst, zum Beispiel mithilfe eines Kraft-Momenten-Sensors 6 oder auch auf Basis erfasster Lasten an Gelenken und/oder Antrieben 1.1 - 1.6 des Teleroboters, vorzugsweise mithilfe eines mathematischen Modells des Teleroboters.
In einem Schritt S20 wird aus der erfassten Verstellung des Stellmittels 3 mithilfe einer Zeitintegration und einer Projektion f, die insbesondere auch eine Identität sein kann, eine Soll-Verstellung xd einer roboterfesten Referenz 5 ermittelt. Natürlich können Verstellungen des Stellmittels auch anders als identisch auf Soll- Verstellungen der roboterfesten Referenz abgebildet werden, beispielsweise skaliert, in Vorzugsrichtungen oder dergleichen.
Außerdem wird in Schritt S20 eine Ist-Verstellung x der roboterfesten Referenz 5 erfasst, beispielsweise auf Basis der Stellungen der Gelenke bzw. Antriebe 1.1 - 1.6 und einer Vorwärtskinematik des Teleroboters.
In einem Schritt S30 werden die Richtung ufe der erfassten externen, auf den Teleroboter wirkenden Kraft Fext, vorzugsweise in der allgemeinen Form
, und eine Rotationsmatrix 0Rf ermittelt, die eine Drehung um eine Achse u, welche senkrecht zum Einheitsvektor der z-Achse und senkrecht zu der unzulässigen Richtung -ufe orientiert ist, um den Winkel vermittelt, und die kartesischen Fehler mit dieser Rotationsmatrix in ein zur externen Kraft ausgerichtetes Koordinatensystem gedreht, vorzugsweise in der allgemeinen Form
Dann wird der Wert des Elements k3,3 der Steifigkeitsmatrix für den Zeit- bzw. Sampleschritt n wie folgt ermittelt: mit den konstanten, vorgegebenen Werten khigh > klow und Fhigh > Flow. Die vorgegebenen Werte der Elemente k1,1, k2 2 der Steifigkeitsmatrix bleiben hingegen konstant.
Dann werden in einem Schritt S40 Soll-Antriebslaste τ auf Basis eines mathematischen Modells des Teleroboters, vorzugsweise in der allgemeinen Form mit der Trägheitsmatrix Λ(x) des Teleroboters, dem Vektor der Kreisel- bzw.
Coriolis- und Zentrifugallasten und den Gravitationslasten Fg(x) im kartesischen
Arbeitsraum, auf Basis eines virtuellen Dämpfers zwischen einer Ist- und einer Soll- Posenänderung der roboterfesten Referenz, vorzugsweise in der allgemeinen Form mit der Dämpfungsmatrix Dd, und mithilfe einer kartesischen Impedanzregelung, vorzugsweise in der allgemeinen Form ermittelt und die Antriebe auf Basis, insbesondere zum Erreichen bzw. Ausüben, dieser Soll-Antriebslasten gesteuert, wobei zur Vereinfachung gewählt sein kann.
Man erkennt, dass dann, wenn die externe, auf den Teleroboter wirkende Kraft Fext den unteren Grenzwert Flow unterschreitet, ein erster Betriebsmodus durchgeführt wird, in dem die Antriebe des Teleroboters 1 derart gesteuert werden, dass Antriebslasten der Antriebe bei einer Zunahme in einer Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung zunehmen, um diese Differenz zu reduzieren.
Wenn die externe, auf den Teleroboter wirkende Last Fext den oberen Grenzwert Fhigh überschreitet, wird ein zweiter Betriebsmodus durchgeführt, in dem die Antriebe des Teleroboters 1 ebenfalls derart gesteuert werden, dass Antriebslasten der Antriebe bei einer Zunahme in einer Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung zunehmen, um diese Differenz zu reduzieren. Allerdings ist hierbei die Steifigkeit einer virtuellen Feder in der Komponente, die der externen Kraft Fext entspricht, gegenüber dem ersten Betriebsmodus reduziert, so dass die Antriebslasten der Antriebe bei der gleichen Zunahme in dieser Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll- Verstellung weniger zunehmen als in dem ersten Betriebsmodus. In der anderen, komplementären Komponente der Differenz bleibt die Steifigkeitsmatrix hingegen konstant, so dass hier die Antriebslasten der Antriebe im ersten und zweiten Betriebsmodus gleich zunehmen. Man erkennt auch, dass zwischen dem Umschalten zwischen den beiden Werten khigh, klow eine Hysterese vorgesehen ist.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist.
So ist das Ausführungsbeispiel anhand einer externen Kraft und der z-Koordinate erläutert, ohne hierauf beschränkt zu sein. Dem Fachmann ist anhand obiger Ausführungen klar, dass beispielsweise auch ein externes Drehmoment und/oder andere Implementierungen, insbesondere Berücksichtigung der der externen Last entsprechenden Komponente der Differenz, analog möglich sind. Beispielsweise kann für ein externes Drehmoment analog eine Richtung und entsprechende Rotationsmatrix ermittelt und ein kartesischer Fehler damit transformiert werden.
Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
Bezugszeichenliste
1 Teleroboter
1.1 - 1.6 Antrieb 2.1 Eingabevorrichtungs-Basis
2.2 Eingabevorrichtungssteuerung
3 Stellmittel
4 Robotersteuerung
5 roboterfeste Referenz 6 Kraft-Momenten-Sensor

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern eines Teleroboters (1) mithilfe einer Eingabevorrichtung, die ein bewegliches Stellmittel (3) aufweist, mit den, insbesondere mehrfach wiederholten, Schritten:
- Erfassen (S10) einer Verstellung des Stellmittels und einer externen, auf den Teleroboter wirkenden Last;
- Ermitteln (S20) einer Soll-Verstellung einer roboterfesten Referenz (5) des Teleroboters auf Basis der erfassten Verstellung des Stellmittels;
- Erfassen (S20) einer Ist-Verstellung der roboterfesten Referenz; und
- Steuern (S40) von Antrieben (1 .1 -1 .6) des T eleroboters auf Basis einer Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung; wobei ein erster Betriebsmodus durchgeführt wird, falls die erfasste Last in einem ersten Bereich liegt; und ein zweiter Betriebsmodus durchgeführt wird, falls die erfasste Last in einem zweiten Bereich liegt; wobei in dem ersten Betriebsmodus die Antriebe des Teleroboters derart gesteuert werden, dass Antriebslasten der Antriebe bei einer Zunahme in einer ein- oder mehrdimensionalen Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung zunehmen, um diese Komponente zu reduzieren; und in dem zweiten Betriebsmodus die Antriebe des Teleroboters derart gesteuert werden, dass Antriebslasten der Antriebe bei der gleichen Zunahme in dieser Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung ebenfalls zunehmen, um diese Komponente zu reduzieren, jedoch weniger zunehmen als in dem ersten Betriebsmodus.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebsmodus die Antriebe des Teleroboters derart gesteuert werden, dass Antriebslasten der Antriebe bei einer Zunahme in wenigstens einer anderen ein- oder mehrdimensionalen Komponente der Differenz zwischen I st- und Soll-Verstellung zunehmen, um diese andere Komponente zu reduzieren; und in dem zweiten Betriebsmodus die Antriebe des Teleroboters derart gesteuert werden, dass Antriebslasten der Antriebe bei derselben Zunahme in dieser anderen Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung ebenso zunehmen wie in dem ersten Betriebsmodus, um diese andere Komponente zu reduzieren.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Last in Richtung der einen Komponente, insbesondere nicht in Richtung der anderen Komponente, wirkt, und/oder dadurch, dass die Richtung der einen Komponente sich mit der Richtung der erfassten Last ändert und/oder mit der Richtung der erfassten Last übereinstimmt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Last in dem ersten Bereich liegt, falls sie einen unteren Grenzwert unterschreitet, und/oder in dem zweiten Bereich liegt, falls sie einen oberen Grenzwert überschreitet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass regelungstechnisch eine Hysterese zwischen einem Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus und einem Übergang von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus vorgesehen ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe in dem ersten und zweiten Betriebsmodus auf Basis einer virtuellen Feder zwischen einer Ist- und einer Soll-Pose der roboterfesten
Referenz gesteuert werden, wobei eine Steifigkeit dieser virtuellen Feder in wenigstens einer Richtung, insbesondere auch oder nur in Richtung der erfassten externen Last, in dem zweiten Betriebsmodus gegenüber dem ersten Betriebsmodus reduziert ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe in dem ersten und zweiten Betriebsmodus auch auf Basis eines mathematischen Modells des Teleroboters und/oder auch auf Basis eines virtuellen Dämpfers zwischen einer Ist- und einer Soll-Posenänderung der roboterfesten Referenz gesteuert werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe mithilfe einer Impedanz- und/oder Passivitätsregelung, insbesondere einer kartesischen Impedanzregelung und/oder Passivitätsregelung im Zeitbereich, gesteuert werden.
9. System zum Steuern eines Teleroboters (1) mithilfe einer Eingabevorrichtung, die ein bewegliches Stellmittel (3) aufweist, wobei das System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist:
Mittel zum Ermitteln einer Soll-Verstellung einer roboterfesten Referenz (5) des Teleroboters auf Basis einer erfassten Verstellung des Stellmittels; und Mittel zum Steuern von Antrieben (1.1 -1.6) des Teleroboters auf Basis einer Differenz zwischen einer erfassten Ist-Verstellung der roboterfesten Referenz und der ermittelten Soll-Verstellung, welches aufweist:
- Mittel zum Durchführen eines ersten Betriebsmodus, falls eine erfasste externe, auf den Teleroboter wirkende Last in einem ersten Bereich liegt; und
- Mittel zum Durchführen eines zweiten Betriebsmodus, falls die erfasste
Last in einem zweiten Bereich liegt; wobei das Mittel zum Durchführen eines ersten Betriebsmodus Mittel aufweist zum
Steuern der Antriebe des Teleroboters in dem ersten Betriebsmodus derart, dass
Antriebslasten der Antriebe bei einer Zunahme in einer ein- oder mehrdimensionalen Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung zunehmen, um diese Komponente zu reduzieren; und das Mittel zum Durchführen eines zweiten Betriebsmodus Mittel aufweist zum
Steuern der Antriebe des Teleroboters in dem zweiten Betriebsmodus derart, dass Antriebslasten der Antriebe bei der gleichen Zunahme in dieser Komponente der Differenz zwischen Ist- und Soll-Verstellung ebenfalls zunehmen, um diese Komponente zu reduzieren, jedoch weniger zunehmen als in dem ersten Betriebsmodus.
10. Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt, wobei das Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt, insbesondere auf einem computerlesbaren und/oder nicht-flüchtigen Speichermedium gespeicherte, Anweisungen enthält, die bei der Ausführung durch einen oder mehrere Computer oder ein System nach Anspruch 9 den oder die Computer oder das System dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
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