EP4543636A1 - Verfahren und system zum betreiben eines roboters - Google Patents

Verfahren und system zum betreiben eines roboters

Info

Publication number
EP4543636A1
EP4543636A1 EP23732045.2A EP23732045A EP4543636A1 EP 4543636 A1 EP4543636 A1 EP 4543636A1 EP 23732045 A EP23732045 A EP 23732045A EP 4543636 A1 EP4543636 A1 EP 4543636A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
robot
load
values
joint
action
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
EP23732045.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Keibel
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 EP4543636A1 publication Critical patent/EP4543636A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • B25J9/1674—Program controls characterised by safety, monitoring, diagnostic
    • 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
    • B25J9/1638—Program controls characterised by the control loop compensation for arm bending/inertia, pay load weight/inertia
    • 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
    • G05B2219/40229—Analytical redundancy, use available funcional redundancy of model

Definitions

  • the present invention relates to a method and system for operating a robot and a computer program or computer program product for carrying out the method.
  • Robots have various components, for example kinematic structural bodies, drive motors, gears, brakes, bearings, sensors and the like, which each have different load limits with regard to different loads and are also loaded differently depending on the current pose and movement of the robot.
  • the object of the present invention is to improve the operation of a robot.
  • Claims 13, 14 represent a system or computer program or
  • a robot which in one embodiment has a robot arm, in one embodiment is a robot arm, has several, preferably at least three, in one embodiment at least six, in one embodiment at least seven, joints, in one embodiment swivel joints, on which are adjustable or adjusted by, preferably electric, joint drives in order to cause the robot to move.
  • a current one- or multi-dimensional load value is determined for the respective joint or joint-specific; and based on this current load magnitude value and a one- or multi-dimensional predetermined limit value for the respective joint, in one embodiment based on a difference between the limit and load magnitude value for the respective joint, a one- or multi-dimensional load value is determined for the respective joint or joint-specific .
  • components or dimensions of the load magnitude values, limit values and load values are assigned to one another in one embodiment, preferably in such a way that the component j of the load value for the joint i is based on the corresponding dimension or component j of the load magnitude value for the Joint i and the corresponding dimension or component j of the limit value for joint i is determined or in general form:
  • B(i,j) Component j of the load value for joint i
  • L(i,j) Component j of the load magnitude value for joint i
  • G(i,j) component j of the limit value for joint i;
  • the limit value is or is specified in one embodiment (in each case) based on permissible loads of one or more components, in particular at least one kinematics structural body, drive motor, bearing, sensor, gear and/or at least one brake, of the robot.
  • One embodiment of the present invention is based on the idea of specifying joint or axle-specific limit values for various components based on permissible loads and comparing current values with these. In this way, it can be determined in which joints or axes loads are currently how far away from their permissible maximum values, and an advantageous reaction can be made to this in order to influence the operation of the robot, preferably to avoid unwanted overloads.
  • the load magnitude value and/or load value for a joint depends (in each case) on a torque at the (respective) joint; in particular, a component of the load value can indicate such a torque.
  • mechanical loads can be advantageously taken into account in one embodiment.
  • the load magnitude value and/or load value for a joint in one embodiment depends (in each case) on a speed at the (respective) joint; in particular, a component of the load value can indicate such a speed.
  • dynamic loads can be advantageously taken into account in one embodiment.
  • the load magnitude value and/or load value for a joint depends on both a torque and a speed at the (respective) joint.
  • the load magnitude value and/or load value in particular a component of the load magnitude value or load value, can depend on, and in particular indicate, a product of torque and (rotational) speed, in particular a power.
  • wear can be advantageously taken into account in one embodiment.
  • the multidimensional load value can be a component that depends on a torque at the (respective) joint, this in particular, and / or a component that depends on speed at the (respective) joint, this in particular and/or have a component that depends on a product of torque at the (respective) joint and speed at the (respective) joint, indicates this in particular. This means that different loads can advantageously be taken into account together.
  • a torque or a speed at a joint includes a torque or a speed between two mutually rotatable members of the joint, in particular a torque or a speed of a joint drive, in particular a motor and/or gearbox, of the joint, and/or between two mutually rotatable structural members of the joint.
  • At least one component of the load magnitude values for the joints is measured by the corresponding sensors, for example torques by torque sensors and/or (rotational) speeds by (rotational) speed sensors, with the measured values being further processed in a further development, for example by filtering, averaging , smoothing, scaling or the like.
  • load magnitude or load values can be determined precisely in one version.
  • At least one component of the load magnitude values for the joints is determined based on a mathematical model or observer, for example torques using a model or observer based on measured positions, speeds, temperatures, currents and / or voltages of drive motors or the like.
  • a mathematical model or observer for example torques using a model or observer based on measured positions, speeds, temperatures, currents and / or voltages of drive motors or the like.
  • an action of the robot is carried out to reduce one or more components of the load values or with the proviso or in such a way that (through this action) these component(s) are reduced.
  • One embodiment of the present invention is therefore based on the idea of carrying out different actions depending on how far the loads in the individual joints of the robot are from their permissible limit values, thereby preferably preventing unwanted overloading of the robot to be avoided if possible. In this way, the robot can be brought closer to its permissible joint- and component-specific load limits in one version, thereby improving its operation.
  • a load situation of the robot is signaled based on the load values, in one embodiment optically and /or acoustically to an operator who cooperates with the robot in one execution, and/or data-technically to an application program, which in a further development in response to this causes the robot to carry out an application program-specific (predetermined action, in one execution an action).
  • the load values temporarily exceed specified limit values.
  • signaling a load situation of the robot is according to an embodiment of the present Invention based on the load values, a load situation of the robot is stored and, in a further development, the stored load situation of the robot after execution of at least one work process, in one embodiment after execution of several process cycles, of the robot, during which the load size values have been determined, for an analysis , in particular damage and/or wear analysis.
  • the idea behind this is to document during operation whether, when and/or how long and/or how often which components or joints (how) have been operated close to their respective load limits or, if necessary, have exceeded them. This can be used advantageously, in particular, for predictive maintenance, to clarify damage to the robot and/or to plan future work processes.
  • an action of the robot which without limitation of generality is also referred to as the first action and in particular can be one of the actions described here, in particular a speed reduction, evasive movement or the like, and/or another action, is carried out , if a component of the load values, which is also referred to as the first component without loss of generality, lies in a predetermined range, which is also referred to as the first range without loss of generality, an action to reduce this (first) component in one execution Load values.
  • another action of the robot which is also referred to as a second action without limiting generality, and in particular one (other) of the actions described here, in particular a speed reduction, evasive movement or the like, and/or another action,
  • another action can be carried out to reduce the one or first component of the load values.
  • a disruption to or an intervention in a working operation(s) of the robot can be advantageously reduced.
  • an action of the robot is carried out when another component of the load values, which is also referred to as the second component without limiting generality, is in a predetermined range, in one embodiment in the one or first predetermined one area or another specified one area, lies.
  • This action can in particular be one of the actions described here, in particular a speed reduction, evasive movement or the like, and/or another action. It can be an action to reduce this other or second component.
  • it it is the one or first action
  • another execution is a different action or action different from the one or first action, which is also referred to as the second action without loss of generality.
  • the one or first action and/or the other or second action is or is predetermined by the application program to which the load situation of the robot is signaled and which, in response thereto, causes the robot to perform one or more of these application program-specific actions To carry out an action, wherein the action is or is selected from several predetermined actions in one execution based on user input.
  • the robot can react in a particularly suitable manner to stressful situations depending on the application program or the user can specify particularly suitable reactions of the robot to signaled stressful situations by appropriate input or configuration of the application program or the action(s) through or in the application program, so that a particularly advantageous operation of the robot can be realized.
  • the robot in one version reacts specifically to different loads or load situations and can thus preferably avoid or reduce overloads in a more targeted manner.
  • the robot can react in different applications or when executing different application programs in a manner specific to both the application (program) and the load value components and can thus avoid or reduce overloads particularly well in one embodiment, whereby, as explained elsewhere, overloads are also accepted in a specific application program manner can be taken.
  • the one or first and other or second components can be both components of the load value for be the same joint.
  • the robot can react differently to avoid or reduce overload either through a torque or through a speed of the joint, depending on which component of the corresponding load magnitude value is closer to a permissible maximum value.
  • the one or first and other or second components can also be components of load values for different joints.
  • the robot may react differently to avoid or reduce either an overload caused by a torque of one joint or an overload caused by a torque or speed of another joint, depending on which component of the corresponding load magnitude value is closer to an allowable maximum value .
  • the load value for a joint (each) has one or more current or momentary components. This is particularly advantageous in order to reduce load values during operation of the robot, in particular to avoid selective overloads due to peak loads, through an action of the robot that is determined or specified based on these current components.
  • the load value for a joint in one embodiment has one or more single or multiple time-integrated components. This is particularly advantageous in order to carry out an analysis after completing at least one work process, in one embodiment after completing several process cycles, and/or to signal a load situation on the robot, since in this way a cumulative load on the robot can be advantageously taken into account.
  • an action by the robot that is determined or specified based on such time-integrated components can also reduce load values during operation of the robot or current components can also be signaled, for example so that a user or application program can intervene during operation. or saved, for example, so that maximum values can be used for analysis.
  • a time-integrated component is determined in one embodiment for a predetermined time interval, in one embodiment since a predetermined point in time, for example commissioning, maintenance or the like, and/or for a predetermined period of time, in one embodiment a predetermined period of time up to a current or current time, for example for the last 1, 5 or 10 seconds or the like.
  • a time integration to form a time-integrated component only current load magnitude values or load magnitude value components are taken into account that have at least a predetermined minimum amount, which in one embodiment is or is predetermined based on the corresponding limit value or the corresponding limit value component.
  • cumulative loads can be taken into account particularly well in one embodiment, in particular in addition to or as an alternative to an acute overload caused by a current peak load, a cumulative overload can be taken into account by a corresponding load collective.
  • a speed of the robot that is predetermined, in particular in a work program, in particular when traveling along a path that has already been determined before the current load value values or by the work program is determined, is reduced in order to reduce at least one component of the load values.
  • this predetermined speed is a path speed or speed of a robot-fixed reference, in particular an end effector and/or TCP.
  • a load on the robot or a corresponding component of the load values can be reduced in a simple and/or safe manner.
  • the robot continues to follow the specified path (“track-true”) during this speed reduction, preferably with its robot-fixed reference. Additionally or alternatively, the robot stops at this speed reduction (if applicable). As a result, in one embodiment, the predetermined path can then advantageously be traveled further. Additionally or alternatively, particularly safe behavior of the robot can be achieved in one embodiment.
  • the robot in addition or as an alternative to a speed reduction, in a further development after the aforementioned speed reduction, the robot carries out an evasive movement that is dependent on the load values in order to reduce at least one component of the load values.
  • the robot preferably with its robot-fixed reference, deviates during this evasive movement from a path specified in one embodiment before the current load value values are determined or by the work program.
  • such an evasive movement makes it possible to react particularly advantageously to (imminent) overload or to avoid or reduce it.
  • the speed reduction and evasive movement can be combined with one another in a particularly advantageous manner, in that in one embodiment the robot is first braked, preferably along the path, if necessary until it comes to a standstill. (Only) if this is not enough to sufficiently reduce the load values, does the robot carry out an evasive movement in which it deviates from the path in one execution.
  • the avoidance movement has, in particular can be, a movement of the robot anti-parallel to a projection, in particular transformation, of load values to be reduced into a Cartesian work space of the robot.
  • the (components of the) load values correspond to loads at the joint level and can thus be transformed from the joint into the Cartesian working space of the robot in a similar way to a known forward transformation.
  • the Cartesian working space of the robot in the sense of the present invention comprises the, in particular one-, two- or three-dimensional space of a position of a or the robot-fixed reference, in particular an end effector or TCP of the robot, and / or the, in particular a , two- or three-dimensional space of an orientation of the robot-fixed reference, whereby Denavit-Hartenberg descriptions, quaterion descriptions and the like can of course also be understood as a Cartesian work space of the robot in the sense of the present invention.
  • a robot-fixed reference preferably an end effector or TCP, of the robot is further predetermined by one, in one embodiment, the or one of the above-mentioned path(s). Execution is held in a predetermined position before determining the current load size values or the path predetermined by the work program, whereby in a further development an orientation of the robot-fixed reference predetermined by this path is abandoned during the evasive movement.
  • the robot-fixed reference is held at the specified location during the avoidance movement, but is rotated in order to avoid an overload situation. This means that a work process is disrupted to a small extent in one execution.
  • a robot-fixed reference preferably an end effector or TCP, of the robot is further predetermined by one, in one embodiment, the or one of the above-mentioned path(s).
  • Execution maintains a predetermined orientation before determining the current load size values or the path predetermined by the work program, whereby in a further development a position of the robot-fixed reference predetermined by this path is abandoned during the evasive movement.
  • the robot-fixed reference is held in the predetermined orientation during the avoidance movement, but is shifted to avoid an overload situation to avoid.
  • a thrust direction of a robot end effector or tool can advantageously be maintained and a work process can thus be advantageously continued.
  • Both versions are combined with one another in a further development by exploiting a kinematic redundancy of the robot in one version and, during the avoidance movement, a robot-fixed reference, preferably an end effector or TCP, of the robot is further used in one version by one of the above mentioned, predetermined path(s), in one embodiment a path, predetermined position and orientation predetermined before determining the current load size values or by the work program is maintained.
  • a work process can be advantageously continued in one embodiment.
  • a predetermined speed of the robot is reduced in order to reduce at least one component of the load values, reduced in this way in one embodiment that the robot continues to follow the specified path and/or stops during this speed reduction;
  • the robot in one embodiment after this speed reduction or also according to an independent aspect, carries out an evasive movement dependent on the load values in order to reduce at least one component of the load values.
  • a robot-fixed reference of the robot is further held in a position that is predetermined by the path that was predetermined before the current load size values were determined, an orientation of the robot-fixed reference predetermined by this path being abandoned; or b2) during the evasive movement, a robot-fixed reference of the robot is further held in an orientation that is predetermined by the path that was predetermined before the current load size values were determined, a position of the robot-fixed reference predetermined by this path being abandoned; or b3) during the evasive movement, by exploiting a kinematic redundancy of the robot, a robot-fixed reference of the robot is further held in a position and orientation that is specified by the path that was specified before the current load size values were determined.
  • an emergency stop of the robot is carried out, preferably after carrying out the above-mentioned aspect a) and/or b), in particular b1), b2) or b3), in which, in one embodiment, the brakes of the robot are closed.
  • a system for operating the robot in particular hardware and/or software, in one embodiment programmatically, is set up to carry out a method described here and/or has:
  • system or its means has:
  • a system and/or a means in the sense of the present invention can be designed in terms of hardware and/or software, in particular at least one, preferably data or signal-connected, in particular digital, processing, in particular microprocessor unit (CPU), graphics card (GPU) or the like with a memory and / or bus system, 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 detect input signals from a data bus and/or to deliver 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, a storage medium, in particular a computer-readable and/or non-transitory storage medium, for storing a program or instructions or with a program or with instructions stored thereon.
  • executing this program or these instructions by a system or a controller causes the system or the controller, in particular the computer or computers, to implement a method described here or to carry out 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 completely or partially automatically, in particular by the system or its means.
  • the system includes the robot and/or the application program.
  • the present invention is particularly suitable for operation of the robot in which it cooperates with at least one human during the movement caused by joint drives, since unforeseen loads can often occur, for example because a human exerts unexpected forces on the robot. Further advantages and features result from the subclaims and the exemplary embodiments. This shows, partly schematized:
  • Fig. 1 a system for operating a robot according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 a method for operating the robot according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows a system for operating a robot 1, which has several joints, of which, for example, a carousel joint 11, a wrist 15 and a rocker joint 12 as well as a rocker joint drive 12.1 and a sensor arrangement 12.2 with a torque sensor and a speed sensor are identified with reference numbers.
  • Speeds of the joints or drives are indicated by ni , ... , n 6 , a control by reference number 2 and an end effector of the robot by reference number 17 .
  • FIG. 2 illustrates a method carried out by the controller 2 or the system for operating the robot 1 according to an embodiment of the present invention.
  • a three-dimensional load value [BTi, BNi, BPi] for the respective joint i is determined based on these load size values and a predetermined three-dimensional limit value [TMi, NMi, PM for the respective joint i. This can in particular be the difference between the current values and limit values. Additionally or alternatively, time integrals can also be used.
  • a load situation of the robot is signaled and/or saved based on these load values before the method or the controller 2 returns to step S10. An application program can react to this signal in a specific way. Additionally or alternatively, a damage event can then be analyzed based on the stored load values.
  • an action by the robot to reduce one or more components of these load values is carried out based on the load values.
  • a step S40 it is checked whether one of the load values is in a predetermined range, for example one of the components of [BT i, BNi, BPi] standardized to 1 is at least 0.9, i.e. at least 90% of a permissible one for the respective joint Load, for example a torque permissible for this joint, a speed permissible for this joint or a power permissible for this joint. If this is not the case (S40: “N”), the method or control 2 returns to step S10.
  • step S50 the speed specified for traveling along the path is reduced according to the path, if necessary until the robot stops on the specified path.
  • the robot 1 carries out an evasive movement in a step S70.
  • step S90 If this is sufficient so that none of the load values no longer fulfills the criterion (S80: “Y”), the method or control 2 also returns to step S10. Otherwise (S80: “N”), an emergency stop of the robot is carried out in step S90.
  • step S10 When returning to step S10, if necessary, the reduced speed is increased again to the predetermined speed (step S55) and/or through Reversal of the evasive movement returned to the specified path (step S75).
  • steps S30 and S40-S90 were shown together in FIG. 2, although step S30 or one or more of steps S40-S90 can of course also be omitted.
  • the application program may implement one or more of steps S40-S90 in step S30.
  • Examples of components of a robot whose load limits can be used to specify the limit values are, in particular, motors, gears, brakes, torque sensors, bearings and structural components or joint bodies.
  • Monitoring the load situation can generate warnings or signals in a user program in such a way that the overload situation can be prevented, or in such a way that the overload situation is possibly consciously addressed, with the service life of the robot being deliberately shortened. Additionally or alternatively, entries can be made in a log file in which the overload is recorded for later viewing.
  • the axis or joint-specific configuration or storage of the limit values or nominal “maximum ratings” can be done in vector form, as can the processing of the load magnitude values or load value.
  • Unexpected stress situations can advantageously be taken into account, such as can occur in particular in human-robot collaboration/cooperation applications, for example when a human pulls on the robot while it is executing a predetermined path movement.
  • the stress values can in particular have the following components: a) acute or momentary stress. This acute situation is signaled to the application in a prioritized manner and/or is digitally documented in a, preferably persistent, file; b) integral load: Even if the robot is operated just below its load limit for a longer period of time, its service life decreases. Therefore, in one embodiment, the invention also offers an indication of the components that are subject to the greatest wear in continuous operation, preferably without triggering an acute situation.
  • load integrals are created for all joints and made available to the user for evaluation. In particular, this can be implemented as follows: For each joint, a percentage limit is defined and stored in relation to a stored static upper limit, from which the joint should be monitored, for example 90% of the maximum permissible load.
  • the current load contributes to the formation of an integral.
  • the contribution can also be non-linear, for example as follows: M is a current torque of a joint, Mx is the limit value stored for this. Then in During execution, a time integral is formed using the term (
  • -80%*Mx) 2 , which only contributes to the integral if the amount of M is also greater than 90%. So B f [(
  • B and S are provided in one version within the controller per joint for the application developer. This gives the user a quantitative expression for the mechanical stress to which they subject their robot.
  • B and S are preferably each vectors over the quantities to be considered. If you subtract from the current B(t) a B(tx) from the past time (which existed x seconds ago), then you get a picture of the load situation in the time tx to t. This allows you to advantageously ignore long-ago stress periods and (B(t)-B(tx))/x gives an advantageous measure of the stress situation of the robot in the last x seconds. With these tools you can easily find out at which points in a program flow the movements can perhaps be “defused” in order to extend the life of the robot.
  • Acute overload situations are signaled in one execution via a call-back call to a function that the user or programmer can define in order to achieve their own behavior or an interrupt immediately upon detection in the application.
  • the application can then react quickly and individually to this.
  • An advantageous aspect lies in providing the load situation in the form of a data structure that can be read by the user program: all current vectors with the percentages of the current loads per axis or joint. From these vectors you can directly see which values are critical at the axis or joint level, for example torque, speed or power. Vectors can also be transformed forward into Cartesian space from these axis or joint values, with which the user or programmer can use the Application can easily recognize which countermeasures should ideally be taken in the event of an impending load situation in order to Cartesianly avoid the overload situation. The load magnitude vector points in the Cartesian direction in which the load would increase the most.
  • the Cartesian forward-transformed vector for the torque load situation points in the direction in which the current axle or joint load would become even greater.
  • its amount can be calculated as a percentage of the maximum load. If the robot's end effector were then pulled in this direction, the load would continue to increase. Conversely, the situation can be relaxed if the end effector is pressed in the opposite direction.
  • the application developer can design his application in such a way that the robot independently stays away from overload situations in permissible situations.
  • At least one of the following countermeasures is preferably carried out: a) Emergency stop: The robot interrupts its work and switches to emergency stop, with braking. b) Path faithful overload avoidance: The control is set programmatically so that it automatically reduces the speed and tries to to prevent the overload situation without leaving the programmed path. If the overload cannot be circumvented, the robot will ultimately stop, but without initially triggering an emergency stop. If the situation clears up (for example through support through human interaction from outside or mechanical relief, or program-controlled actions), then the robot continues its work while adhering to the limit values. It can also reach the target speed again. The speed is preferably used as a controlled variable here in order to avoid an overload situation.
  • Path-true avoidance in defined redundancies The control is set programmatically so that it automatically avoids the load and thereby tries to avoid the overload situation.
  • User-specific behavior The controller can be set programmatically to signal the user program that the robot is (potentially) overloaded, and the application can itself implement a treatment strategy. This method offers maximum flexibility, whereby short overload situations are consciously accepted, even if the robot repairs more quickly must become. This can still be the cheapest solution.

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Abstract

Zum Betreiben eines Roboters (1), der mehrere Gelenke (11, 12, 15) aufweist, wird während einer durch Gelenkantriebe (12.1) bewirkten Bewegung des Roboters für zwei oder mehr, insbesondere alle, Gelenke jeweils basierend auf wenigstens einem Sensorwert ein aktueller ein- oder mehrdimensionaler Lastgrößenwert für das jeweilige Gelenk ermittelt (S10) und basierend auf diesem aktuellen Lastgrößenwert und einem ein- oder mehrdimensionalen vorgegebenen Grenzwert für das jeweilige Gelenk ein ein- oder mehrdimensionaler Belastungswert für das jeweilige Gelenk ermittelt (S20), wobei basierend auf den Belastungswerten eine Aktion des Roboters zur Reduzierung einer oder mehrerer Komponenten dieser Belastungswerte durchgeführt wird und/oder basierend auf den Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters signalisiert und/oder abgespeichert wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und System zum Betreiben eines Roboters
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Betreiben eines Roboters sowie ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
Roboter weisen verschiedene Bauteile, beispielsweise Kinematikstrukturkörper, Antriebsmotoren, Getriebe, Bremsen, Lager, Sensoren und dergleichen auf, die jeweils unterschiedliche Belastungsgrenzen hinsichtlich verschiedener Belastungen aufweisen und je nach aktueller Pose und Bewegung des Roboters auch unterschiedlich belastet werden.
Dies wird bisher nur sehr grob durch maximal zulässige Traglasten berücksichtigt, die für ungünstigste Posen, beispielsweise ausgestreckte bzw. -kragende Roboterarme vorgegeben werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Betrieb eines Roboters zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 13, 14 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 Roboter, der in einer Weiterbildung einen Roboterarm aufweist, in einer Ausführung ein Roboterarm ist, mehrere, vorzugsweise wenigstens drei, in einer Ausführung wenigstens sechs, in einer Weiterbildung wenigstens sieben, Gelenke, in einer Ausführung Drehgelenke, auf, die durch, vorzugsweise elektromotorische, Gelenkantriebe verstellbar sind bzw. verstellt werden, um eine Bewegung des Roboters zu bewirken.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird während einer durch seine Gelenkantriebe bewirkten Bewegung des Roboters für zwei oder mehr, vorzugsweise alle, Gelenke jeweils: basierend auf einem (Mess)Wert von wenigstens einem Sensor, in einer Ausführung auf (Mess)Werten von mehreren Sensoren, ein aktueller ein- oder mehrdimensionaler Lastgrößenwert für das jeweilige Gelenk bzw. gelenkspezifisch ermittelt; und basierend auf diesem aktuellen Lastgrößenwert und einem ein- oder mehrdimensionalen vorgegebenen Grenzwert für das jeweilige Gelenk, in einer Ausführung basierend auf einer Differenz zwischen Grenz- und Lastgrößenwert für das jeweilige Gelenk, ein ein- oder mehrdimensionaler Belastungswert für das jeweilige Gelenk bzw. gelenkspezifisch ermittelt.
Bei mehrdimensionalen Lastgrößenwerten, Grenzwerten und Belastungswerten sind Komponenten bzw. Dimensionen der Lastgrößenwerte, Grenzwerte und Belastungswerte in einer Ausführung einander zugeordnet, vorzugweise derart, dass die Komponente j des Belastungswertes für das Gelenk i basierend auf der entsprechenden Dimension bzw. Komponente j des Lastgrößenwertes für das Gelenk i und der entsprechenden Dimension bzw. Komponente j des Grenzwertes für das Gelenk i ermittelt wird bzw. in allgemeiner Form:
B(i,j) = B(L(i,j), G(i,j)), i = 1 ,... Anzahl der Gelenke; j = 1 ,... Dimension bzw. Anzahl der Komponenten von Lastgrößen-, Grenz- und Belastungswerten mit
B(i,j): Komponente j des Belastungswertes für das Gelenk i; L(i,j): Komponente j des Lastgrößenwertes für das Gelenk i; G(i,j): Komponente j des Grenzwertes für das Gelenk i;
Durch mehrere Komponenten können in einer Ausführung unterschiedliche Belastungen berücksichtigt werden, beispielsweise sowohl Drehmomente als auch Geschwindigkeiten oder dergleichen.
Der Grenzwert ist bzw. wird in einer Ausführung (jeweils) auf Basis von zulässigen Belastungen von einem oder mehreren Bauteilen, insbesondere wenigstens einem Kinematikstrukturkörper, Antriebsmotor, Lager, Sensor, Getriebe und/oder wenigstens einer Bremse, des Roboters vorgegeben. Einer Ausführung der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, auf Basis zulässiger Belastungen für verschiedene Bauteile jeweils gelenk- bzw. achsspezifische Grenzwerte vorzugeben und aktuelle Wert mit diesen zu vergleichen. Auf diese Weise kann festgestellt werden, in welchen Gelenken bzw. Achsen Belastungen aktuell jeweils wie weit von ihren zulässigen Maximalwerten entfernt sind, und hierauf vorteilhaft reagiert werden, um den Betrieb des Roboters zu beeinflussen, vorzugsweise ungewollte Überlastungen zu vermeiden.
Der Lastgrößenwert und/oder Belastungswert für ein Gelenk hängt in einer Ausführung (jeweils) von einem Drehmoment an dem (jeweiligen) Gelenk ab, insbesondere kann eine Komponente des Belastungswerts ein solches Drehmoment angeben. Hierdurch können in einer Ausführung mechanische Belastungen vorteilhaft berücksichtigt werden.
Zusätzlich oder alternativ hängt der Lastgrößenwert und/oder Belastungswert für ein Gelenk in einer Ausführung (jeweils) von einer Geschwindigkeit an dem (jeweiligen) Gelenk ab, insbesondere kann eine Komponente des Belastungswerts eine solche Geschwindigkeit angeben. Hierdurch können in einer Ausführung dynamische Belastungen vorteilhaft berücksichtigt werden.
In einer Weiterbildung hängt der Lastgrößenwert und/oder Belastungswert für ein Gelenk (jeweils) sowohl von einem Drehmoment als auch einer Geschwindigkeit an dem (jeweiligen) Gelenk ab. Dabei kann in einer Ausführung der Lastgrößenwert und/oder Belastungswert, insbesondere eine Komponente des Lastgrößenwert bzw. Belastungswerts, von einem Produkt aus Drehmoment und (Dreh)Geschwindigkeit, insbesondere einer Leistung, abhängen, dieses insbesondere angeben. Dadurch kann in einer Ausführung ein Verschleiß vorteilhaft berücksichtigt werden.
In einer Ausführung kann, wie vorstehend ausgeführt, der mehrdimensionale Belastungswert eine Komponente, die von einem Drehmoment an dem (jeweiligen) Gelenk abhängt, dieses insbesondere angibt, und/oder eine Komponente, die von Geschwindigkeit an dem (jeweiligen) Gelenk abhängt, diese insbesondere angibt, und/oder eine Komponente aufweisen, die von einem Produkt aus Drehmoment an dem (jeweiligen) Gelenk und Geschwindigkeit an dem (jeweiligen) Gelenk abhängt, dieses insbesondere angibt. Dadurch können unterschiedliche Belastungen vorteilhaft gemeinsam berücksichtigt werden.
Ein Drehmoment bzw. eine Geschwindigkeit an einem Gelenk umfasst in einer Ausführung ein Drehmoment bzw. eine Geschwindigkeit zwischen zwei gegeneinander verdrehbaren Gliedern des Gelenks, insbesondere ein Drehmoment bzw. eine Geschwindigkeit eines Gelenkantriebs, insbesondere Motors und/oder Getriebes, des Gelenks, und/oder zwischen zwei gegeneinander verdrehbaren Strukturgliedern des Gelenks.
In einer Ausführung wird wenigstens eine Komponente der Lastgrößenwerte für die Gelenke durch die entsprechenden Sensoren gemessen, beispielsweise Drehmomente durch Drehmomentsensoren und/oder (Dreh)Geschwindigkeiten durch (Dreh)Geschwindigkeitssensoren, wobei die Messwerte in einer Weiterbildung noch weiterverarbeitet werden, beispielsweise durch Filterung, Mittelwertbildung, Glättung, Skalierung oder dergleichen. Dadurch können in einer Ausführung Lastgrößen- bzw. Belastungswerte präzise(r) ermittelt werden.
In einer Ausführung wird wenigstens eine Komponente der Lastgrößenwerte für die Gelenke auf Basis eines mathematischen Modells bzw. Beobachters ermittelt, beispielsweise Drehmomente mithilfe eines Modells bzw. Beobachters auf Basis gemessener Stellungen, Geschwindigkeiten, Temperaturen, Ströme und/oder Spannungen von Antriebsmotoren oder dergleichen. Dadurch können in einer Ausführung vorteilhaft ohnehin vorhandene Sensoren genutzt und/oder nicht direkt messbare Lastgrößen- bzw. Belastungswerte berücksichtigt werden.
Basierend auf den ermittelten Belastungswerten wird nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Aktion des Roboters zur Reduzierung einer oder mehrerer Komponenten der Belastungswerte bzw. mit der Maßgabe bzw. derart durchgeführt, dass (durch diese Aktion) diese Komponente(n) reduziert werden.
Einer Ausführung der vorliegenden Erfindung liegt somit die Idee zugrunde, in Abhängigkeit davon, wie weit Belastungen in den einzelnen Gelenken des Roboters jeweils von ihren zulässigen Grenzwerten entfernt sind, unterschiedliche Aktionen durchzuführen und dadurch vorzugsweise eine ungewollte Überlastung des Roboters möglichst zu vermeiden. Auf diese Weise kann der Roboter in einer Ausführung näher an seine zulässigen gelenk- und bauteilspezifischen Belastungsgrenzen herangeführt und dadurch sein Betrieb verbessert werden.
Zusätzlich oder alternativ zu diesem Aspekt, durch eine Aktion des Roboters, die auf den Belastungswerten basierend ermittelt bzw. vorgegeben wird, Belastungswerte zu reduzieren, wird nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung basierend auf den Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters signalisiert, in einer Ausführung optisch und/oder akustisch an einen Bediener, der in einer Ausführung mit dem Roboter kooperiert, und/oder datentechnisch an ein Anwendungsprogramm, welches in einer Weiterbildung in Reaktion hierauf den Roboter dazu veranlasst, eine anwendungsprogrammspezifisch( vorgegebene Aktion durchzuführen, in einer Ausführung eine Aktion, bei der Belastungswerte temporär vorgegebene Grenzwerte überschreiten.
Dadurch kann ein Anwender anwendungsspezifisch und damit besonders vorteilhaft darauf reagieren, wenn Belastungen in einzelnen Gelenken sich vorgegebenen Grenzwerten nähern oder diese überschreiten, beispielsweise, indem er bzw. ein Anwendungsprogramm ein solches Überschreiten - wenigstens kurzzeitig - zulässt bzw. eine entsprechende kurzzeitige Überlastung des Roboters in Kauf nimmt, um ein höherrangiges Ziel des Anwendungsprogramms zu erreichen, den Roboter nachgiebig schaltet, um Überlastungen durch gegen die Umwelt anarbeitenden Gelenkantriebe zu vermeiden, oder durch andere Aktionen.
Zusätzlich oder alternativ zu diesem Aspekt, eine Belastungssituation des Roboters zu signalisieren, und zusätzlich oder alternativ zu dem vorgenannten Aspekt, durch eine Aktion des Roboters, die auf den Belastungswerten basierend ermittelt bzw. vorgegeben wird, Belastungswerte zu reduzieren, wird nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung basierend auf den Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters abgespeichert und in einer Weiterbildung die abgespeicherte Belastungssituation des Roboters nach Abarbeiten wenigstens eines Arbeitsprozesses, in einer Ausführung nach Abarbeiten mehrerer Prozesszyklen, des Roboters, während dem bzw. denen die Lastgrößenwerte ermittelt worden sind, zu einer Analyse, insbesondere Schadens- und/oder Verschleißanalyse, verwendet. Dem liegt die Idee zugrunde, im Betrieb zu dokumentieren, ob, wann und/oder wie lange und/oder wie oft welche Bauteile bzw. Gelenke (wie) nahe an ihren jeweiligen Belastungsgrenzen betrieben worden sind bzw. diese gegebenenfalls überschritten haben. Dies kann vorteilhaft insbesondere zur vorausschauenden Wartung („predictive maintenance“), zur Klärung von Schäden des Roboters und/oder zur Planung zukünftiger Arbeitsprozesse genutzt werden.
In einer Ausführung wird eine Aktion des Roboters, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als erste Aktion bezeichnet wird und insbesondere eine der hier beschriebenen Aktionen, insbesondere eine Geschwindigkeitsreduzierung, Ausweichbewegung oder dergleichen, und/oder eine andere Aktion aufweisen, insbesondere sein, kann, durchgeführt, wenn eine Komponente der Belastungswerte, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als erste Komponente bezeichnet wird, in einem vorgegebenen Bereich liegt, der ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als erster Bereich bezeichnet wird, in einer Ausführung eine Aktion zur Reduzierung dieser (ersten) Komponente der Belastungswerte.
In einer Weiterbildung dieser Ausführung wird eine andere Aktion des Roboters, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als zweite Aktion bezeichnet wird und insbesondere eine (andere) der hier beschriebenen Aktionen, insbesondere eine Geschwindigkeitsreduzierung, Ausweichbewegung oder dergleichen, und/oder eine andere Aktion aufweisen, insbesondere sein, kann, durchgeführt, wenn die eine bzw. erste Komponente in einem anderen vorgegebenen Bereich liegt, der ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als zweiter Bereich bezeichnet wird, in einer Ausführung eine andere Aktion zur Reduzierung der einen bzw. ersten Komponente der Belastungswerte.
Dadurch kann in einer Ausführung eine Störung eines bzw. ein Eingriff in einen Arbeitsbetrieb(s) des Roboters vorteilhaft reduziert werden.
Zusätzlich oder alternativ wird in einer Weiterbildung der vorstehenden Ausführung eine Aktion des Roboters durchgeführt, wenn eine andere Komponente der Belastungswerte, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als zweite Komponente bezeichnet wird, in einem vorgegebenen Bereich, in einer Ausführung in dem einen bzw. ersten vorgegebenen Bereich oder einem anderen vorgegebenen Bereich, liegt. Diese Aktion kann insbesondere eine der hier beschriebenen Aktionen, insbesondere eine Geschwindigkeitsreduzierung, Ausweichbewegung oder dergleichen, und/oder eine andere Aktion aufweisen, insbesondere sein. Sie kann eine Aktion zur Reduzierung dieser anderen bzw. zweiten Komponente sein. In einer Ausführung ist sie die eine bzw. erste Aktion, in einer anderen Ausführung eine andere bzw. von der einen bzw. ersten Aktion verschiedene Aktion, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als zweite Aktion bezeichnet wird.
Dadurch können unterschiedliche Belastungsszenarien besonders vorteilhaft gehandhabt werden.
In einer Ausführung ist bzw. wird die eine bzw. erste Aktion und/oder die andere bzw. zweite Aktion durch das Anwendungsprogramm vorgegeben, an das die Belastungssituation des Roboters signalisiert wird und welches in Reaktion hierauf den Roboter dazu veranlasst, eine bzw. diese anwendungsprogrammspezifische Aktion durchzuführen, wobei die Aktion in einer Ausführung auf Basis einer Benutzereingabe aus mehreren vorgegebenen Aktionen ausgewählt ist bzw. wird.
Dadurch kann der Roboter je nach Anwendungsprogramm) besonders geeignet auf Belastungssituationen reagieren bzw. der Benutzer durch entsprechende Eingabe bzw. Konfiguration des Anwendungsprogramms bzw. der Aktion(en) durch das bzw. in dem Anwendungsprogramm jeweils besonders geeignete Reaktionen des Roboters auf signalisierte Belastungssituationen vorgeben, so dass jeweils ein besonders vorteilhafter Betrieb des Roboters realisiert werden kann. Dadurch reagiert der Roboter in einer Ausführung jeweils spezifisch auf unterschiedliche Belastungen bzw. Belastungssituationen und kann so vorzugsweise Überlastungen gezielter vermeiden bzw. reduzieren. Insbesondere kann der Roboter in unterschiedlichen Anwendungen bzw. bei Abarbeiten unterschiedlicher Anwendungsprogramme jeweils sowohl anwendungs(programm)- als auch belastungswertkomponentenspezifisch reagieren und so in einer Ausführung Überlastungen besonders gut vermeiden bzw. reduzieren, wobei, wie an anderer Stelle erläutert, Überlastungen anwendungsprogrammspezifisch auch in Kauf genommen werden können.
In der vorstehenden Ausführung können in einer Weiterbildung die eine bzw. erste und andere bzw. zweite Komponente beide Komponenten des Belastungswertes für dasselbe Gelenk sein. So kann der Roboter beispielsweise unterschiedlich reagieren, um entweder eine Überlastung durch ein Drehmoment oder durch eine Drehzahl des Gelenks zu vermeiden bzw. zu reduzieren, je nachdem, welche Komponente des entsprechenden Lastgrößenwerts näher an einem zulässigen Maximalwert liegt.
In einer anderen Weiterbildung der vorstehenden Ausführung können die eine bzw. erste und andere bzw. zweite Komponente auch Komponenten von Belastungswerten für verschiedene Gelenk sein. So kann der Roboter beispielsweise unterschiedlich reagieren, um entweder eine Überlastung durch ein Drehmoment eines Gelenks oder eine Überlastung durch ein Drehmoment oder eine Drehzahl eines anderen Gelenks zu vermeiden bzw. zu reduzieren, je nachdem, welche Komponente des entsprechenden Lastgrößenwerts näher an einem zulässigen Maximalwert liegt.
In einer Ausführung weist der Belastungswert für ein Gelenk (jeweils) eine oder mehrere aktuelle bzw. momentane Komponenten auf. Diese ist insbesondere vorteilhaft, um durch eine Aktion des Roboters, die auf diesen aktuellen Komponenten basierend ermittelt bzw. vorgegeben wird, Belastungswerte im Betrieb des Roboters zu reduzieren, insbesondere punktuelle Überlastungen durch Spitzenlasten zu vermeiden.
Zusätzlich oder alternativ weist der Belastungswert für ein Gelenk in einer Ausführung (jeweils) eine oder mehrere ein- oder mehrfach zeitintegrierte Komponenten auf. Diese ist insbesondere vorteilhaft, um nach Abarbeiten wenigstens eines Arbeitsprozesses, in einer Ausführung nach Abarbeiten mehrerer Prozesszyklen, eine Analyse durchzuführen und/oder eine Belastungssituation des Roboters zu signalisieren, da hierdurch eine kumulierte Belastung des Roboters vorteilhaft berücksichtigt werden kann.
Gleichermaßen kann aber auch eine Aktion des Roboters, die auf solchen zeitintegrierten Komponenten basierend ermittelt bzw. vorgegeben wird, Belastungswerte im Betrieb des Roboters reduzieren bzw. können auch aktuelle Komponenten signalisiert werden, beispielsweise, damit ein Anwender bzw. Anwendungsprogramm bereits im Betrieb eingreifen kann, bzw. abgespeichert werden, beispielsweise, damit Maximalwert zur Analyse genutzt werden können. Eine zeitintegrierte Komponente wird in einer Ausführung für ein vorgegebenes Zeitintervall ermittelt, in einer Ausführung seit einem vorgegebenen Zeitpunkt, beispielsweise einer Inbetriebnahme, einer Wartung oder dergleichen, und/oder für eine vorgegebene Zeitdauer, in einer Ausführung eine vorgegebene Zeitdauer bis zu einem aktuellen bzw. momentanen Zeitpunkt, beispielsweise also für die letzten 1 , 5 oder 10 Sekunden oder dergleichen. Zusätzlich oder alternativ werden in einer Ausführung bei einer Zeitintegration zur Bildung einer zeitintegrierten Komponente nur aktuelle Lastgrößenwerte bzw. Lastgrößenwertkomponenten berücksichtigt, die wenigstens einen vorgegebenen Mindestbetrag aufweisen, welcher in einer Ausführung basierend auf dem entsprechenden Grenzwert bzw. der entsprechenden Grenzwertkomponente vorgegeben ist bzw. wird. Dadurch kann in einer Ausführung kumulierten Belastungen besonders gut Rechnung getragen werden, insbesondere zusätzlich oder alternativ zu einer akuten Überlastung durch eine momentane Spitzenlast eine kumulierte Überlastung durch ein entsprechendes Lastkollektiv berücksichtigt werden.
In einer Ausführung wird eine, insbesondere in einem Arbeitsprogramm, vorgegebene Geschwindigkeit des Roboters, insbesondere beim Abfahren einer bereits vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte bzw. durch das Arbeitsprogramm vorgegebenen Bahn, reduziert, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren. Diese vorgegebene Geschwindigkeit ist in einer Ausführung eine Bahngeschwindigkeit bzw. Geschwindigkeit einer roboterfesten Referenz, insbesondere eines Endeffektors und/oder TCPs.
Durch dieses Durchführen einer Geschwindigkeitsreduzierung bzw. Aktion kann in einer Ausführung eine Belastung des Roboters bzw. eine entsprechende Komponente der Belastungswerte auf einfache und/oder sichere Weise reduziert werden.
In einer Weiterbildung folgt der Roboter bei dieser Geschwindigkeitsreduzierung, vorzugsweise mit seiner roboterfesten Referenz, weiter der vorgegebenen Bahn („bahntreu“). Zusätzlich oder alternativ hält der Roboter bei dieser Geschwindigkeitsreduzierung (gegebenenfalls) an. Dadurch kann in einer Ausführung vorteilhaft anschließend die vorgegebene Bahn weiter abgefahren werden. Zusätzlich oder alternativ kann dadurch in einer Ausführung ein besonders sicheres Verhalten des Roboters realisiert werden.
In einer Ausführung führt der Roboter zusätzlich oder alternativ zu einer bzw. der Geschwindigkeitsreduzierung, in einer Weiterbildung nach der vorgenannten Geschwindigkeitsreduzierung, eine von den Belastungswerten abhängige Ausweichbewegung durch, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren. In einer Weiterbildung weicht der Roboter, vorzugsweise mit seiner roboterfesten Referenz, bei dieser Ausweichbewegung von einer, in einer Ausführung der, vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte bzw. durch das Arbeitsprogramm vorgegebenen Bahn ab.
Durch eine solche Ausweichbewegung kann in einer Ausführung besonders vorteilhaft auf eine (drohende) Überlastung reagiert bzw. diese vermieden bzw. abgebaut werden.
Dabei können die Geschwindigkeitsreduzierung und Ausweichbewegung besonders vorteilhaft miteinander kombiniert werden, indem in einer Ausführung der Roboter zunächst, vorzugsweise bahntreu, abbremst wird, gegebenenfalls bis zum Stillstand. (Erst) wenn das nicht ausreicht, um die Belastungswerte ausreichend zu reduzieren, führt der Roboter eine Ausweichbewegung aus, bei der er in einer Ausführung von der Bahn abweicht.
Auf diese Weise wird in einer Ausführung kaskadiert bzw. sukzessive reagiert, um die Belastung(swerte) ausreichend zu reduzieren.
In einer Ausführung weist die Ausweichbewegung eine Bewegung des Roboters antiparallel zu einer Projektion, insbesondere Transformation, von zu reduzierenden Belastungswerten in einen kartesischen Arbeitsraum des Roboters auf, kann insbesondere eine solche sein. We erläutert, entsprechen die (Komponenten der) Belastungswerte Belastungen auf Gelenkebene und können so analog zu einer an sich bekannten Vorwärtstransformation vom Gelenk- in den kartesischen Arbeitsraum des Roboters transformiert werden. Die entsprechende Projektion, insbesondere Transformation, von durch eine Aktion, insbesondere Ausweichbewegung, des Roboters zu reduzierenden Belastungswert(komponent)en bzw. von Belastungswert(komponent)en, zu deren Reduzierung die Aktion bzw. Ausweichbewegung durchgeführt wird, in einen kartesischen Arbeitsraum des Roboters zeigt damit in diejenige verallgemeinerte Richtung des kartesischen Arbeitsraums, in der die Belastung(swerte) am stärksten zunehmen würden, so dass eine antiparallele Ausweichbewegung umgekehrt diese Belastung(swerte) besonders vorteilhaft reduziert. Der kartesische Arbeitsraum des Roboters im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst in einer Ausführung den, insbesondere ein-, zwei- oder dreidimensionalen Raum einer Position einer bzw. der roboterfesten Referenz, insbesondere eines Endeffektors oder TCPs des Roboters, und/oder den, insbesondere ein-, zwei- oder dreidimensionalen Raum einer Orientierung der roboterfesten Referenz, wobei natürlich auch Denavit-Hartenberg-Beschreibungen, Quaterionen-Beschreibungen und dergleichen als kartesischer Arbeitsraum des Roboters im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden werden können.
In einer Ausführung wird bei der Ausweichbewegung eine roboterfeste Referenz, vorzugsweise ein Endeffektor oder TCP, des Roboters weiter in einer durch eine, in einer Ausführung die bzw. eine der oben genannte(n), vorgegebene(n) Bahn(en), in einer Ausführung eine vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte bzw. durch das Arbeitsprogramm vorgegebene Bahn, vorgegebenen Position gehalten, wobei in einer Weiterbildung eine durch diese Bahn vorgegebene Orientierung der roboterfesten Referenz bei der Ausweichbewegung aufgegeben wird. Somit wird in einer Ausführung die roboterfeste Referenz bei der Ausweichbewegung am vorgegebenen Ort gehalten, aber verdreht, um einer Überiastsituation auszuweichen. Dadurch wird in einer Ausführung ein Arbeitsprozess wenig(er) gestört.
In einer Ausführung wird bei der Ausweichbewegung eine roboterfeste Referenz, vorzugsweise ein Endeffektor oder TCP, des Roboters weiter in einer durch eine, in einer Ausführung die bzw. eine der oben genannte(n), vorgegebene(n) Bahn(en), in einer Ausführung eine vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte bzw. durch das Arbeitsprogramm vorgegebene Bahn, vorgegebenen Orientierung gehalten, wobei in einer Weiterbildung eine durch diese Bahn vorgegebene Position der roboterfesten Referenz bei der Ausweichbewegung aufgegeben wird. Somit wird in einer Ausführung die roboterfeste Referenz bei der Ausweichbewegung in der vorgegebenen Orientierung gehalten, aber verschoben, um einer Überiastsituation auszuweichen. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Stoßrichtung eines Roboterendeffektors bzw. -Werkzeugs beibehalten und so ein Arbeitsprozess vorteilhaft fortgesetzt werden.
Beide Ausführungen werden in einer Weiterbildung miteinander kombiniert, indem in einer Ausführung eine kinematische Redundanz des Roboters ausgenutzt und bei der Ausweichbewegung eine roboterfeste Referenz, vorzugsweise ein Endeffektor oder TCP, des Roboters weiter in einer durch eine, in einer Ausführung die bzw. eine der oben genannte(n), vorgegebene(n) Bahn(en), in einer Ausführung eine vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte bzw. durch das Arbeitsprogramm vorgegebene Bahn, vorgegebenen Position und Orientierung gehalten wird. Hierzu werden in einer Weiterbildung Dadurch kann in einer Ausführung ein Arbeitsprozess vorteilhaft fortgesetzt werden.
Somit werden als besonders bevorzugt insbesondere folgende Ausführungen beansprucht: a) beim Abfahren einer vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegebenen Bahn wird eine (für das Abfahren) vorgegebene Geschwindigkeit des Roboters reduziert, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren, in einer Ausführung derart reduziert, dass der Roboter bei dieser Geschwindigkeitsreduzierung weiter der vorgegebenen Bahn folgt und/oder anhält; b) der Roboter führt, in einer Ausführung nach dieser Geschwindigkeitsreduzierung oder auch nach einem eigenständigen Aspekt, eine von den Belastungswerten abhängige Ausweichbewegung durch, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren. Dabei führt er in einer Weiterbildung eine Ausweichbewegung antiparallel zu einer Projektion von zu reduzierenden Belastungswerten in einen kartesischen Arbeitsraum des Roboters durch; b1) bei der Ausweichbewegung wird eine roboterfeste Referenz des Roboters weiter in einer Position gehalten, die durch Bahn vorgegeben ist, welche vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegeben worden ist, wobei eine durch diese Bahn vorgegebene Orientierung der roboterfesten Referenz aufgegeben wird; oder b2) bei der Ausweichbewegung wird eine roboterfeste Referenz des Roboters weiter in einer Orientierung gehalten, die durch Bahn vorgegeben ist, welche vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegeben worden ist, wobei eine durch diese Bahn vorgegebene Position der roboterfesten Referenz aufgegeben wird; oder b3) bei der Ausweichbewegung wird durch Ausnutzen einer kinematischen Redundanz des Roboters eine roboterfeste Referenz des Roboters weiter in einer Position und Orientierung gehalten, die durch Bahn vorgegeben ist, welche vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegeben worden ist.
In einer Ausführung wird, vorzugsweise nach Durchführen des oben genannten Aspekts a) und/oder b), insbesondere b1), b2) oder b3), ein Nothalt des Roboters durchgeführt, bei dem in einer Ausführung Bremsen des Roboters geschlossen werden. Dadurch kann in einer Ausführung ein vorteilhafter Endzustand realisiert werden.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Betreiben des Roboters, insbesondere hard- und/oder software-, in einer Ausführung programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:
- Mittel zum Ermitteln, für zwei oder mehr, insbesondere alle, Gelenke, jeweils eines aktuellen ein- oder mehrdimensionalen Lastgrößenwertes für das jeweilige Gelenk während einer durch Gelenkantriebe bewirkten Bewegung des Roboters basierend auf wenigstens einem Sensorwert; und
- Mittel zum Ermitteln, für diese zwei oder mehr, insbesondere alle, Gelenke, jeweils eines ein- oder mehrdimensionalen Belastungswertes für das jeweilige Gelenk während der durch Gelenkantriebe bewirkten Bewegung des Roboters basierend auf diesem aktuellen Lastgrößenwert und auf einem vorgegebenen ein- oder mehrdimensionalen Grenzwert für das jeweilige Gelenk; sowie a) Mittel, um den Roboter zu veranlassen, basierend auf den Belastungswerten eine Aktion zum Reduzieren einer oder mehrerer Komponenten dieser Belastungswerte durchzuführen, und/oder b) Mittel, um basierend auf den Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters zu signalisieren und/oder abzuspeichern.
In einer Ausführung weist das System bzw. sein(e) Mittel auf:
- Mittel zum Reduzieren einer vorgegebenen Geschwindigkeit des Roboters, insbesondere beim Abfahren einer vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegebenen Bahn, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren, insbesondere derart, dass der Roboter bei der Geschwindigkeitsreduzierung weiter der vorgegebenen Bahn folgt und/oder anhält; und/oder
- Mittel zum Durchführen, insbesondere nach der Geschwindigkeitsreduzierung, einer von den Belastungswerten abhängigen Ausweichbewegung durch bzw. mit dem Roboter, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren, insbesondere derart, dass der Roboter bei der Ausweichbewegung von einer vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegebenen Bahn abweicht und/oder derart, dass die Ausweichbewegung eine Bewegung des Roboters antiparallel zu einer Projektion von zu reduzierenden Belastungswerten in einen kartesischen Arbeitsraum des Roboters aufweist, und/oder derart, dass bei der Ausweichbewegung eine roboterfeste Referenz des Roboters weiter in einer durch eine vorgegebene Bahn vorgegebenen Position und/oder Orientierung gehalten wird; und/oder
- Mittel zum Signalisieren der Belastungssituation des Roboters an ein Anwendungsprogramm, welches in Reaktion hierauf den Roboter dazu veranlasst, eine anwendungsprogrammspezifische Aktion durchzuführen, insbesondere eine Aktion, bei der Belastungswerte temporär vorgegebene Grenzwerte überschreiten; und/oder
- Mittel zur Analyse auf Basis der abgespeicherten Belastungssituation des Roboters nach Abarbeiten wenigstens eines Arbeitsprozesses, insbesondere mehrerer Prozesszyklen, des Roboters und/oder
- Mittel zum Durchführen einer Aktion des Roboters, wenn eine Komponente der Belastungswerte in einem vorgegebenen Bereich liegt, insbesondere einer Aktion zur Reduzierung dieser Komponente der Belastungswerte, sowie zum Durchführen einer anderen Aktion des Roboters, wenn die eine Komponente in einem anderen vorgegebenen Bereich liegt, insbesondere einer anderen Aktion zur Reduzierung der einen Komponente der Belastungswerte; und/oder zum Durchführen einer Aktion des Roboters, wenn eine andere Komponente der Belastungswerte in einem vorgegebenen Bereich, insbesondere dem einen vorgegebenen Bereich oder einem anderen vorgegebenen Bereich, liegt, insbesondere einer Aktion zur Reduzierung der anderen Komponente und/oder andere Aktion.
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 Roboter betreiben 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 Roboter und/oder das Anwendungsprogramm auf.
Die vorliegende Erfindung ist besonders für einen Betrieb des Roboters geeignet, bei dem dieser während der durch Gelenkantriebe bewirkten Bewegung mit wenigstens einem Menschen kooperiert, da hierbei oft unvorhergesehene Belastungen auftreten können, beispielsweise, weil ein Mensch unerwartete Kräfte auf den Roboter ausübt. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1 : ein System zum Betreiben eines Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2: ein Verfahren zum Betreiben des Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein System zum Betreiben eines Roboters 1 , der mehrere Gelenke aufweist, von denen exemplarisch ein Karussellgelenk 11 , ein Handgelenk 15 und ein Schwingengelenk 12 sowie ein Schwingengelenkantrieb 12.1 und eine Sensoranordnung 12.2 mit Drehmomentsensor und Drehzahlsensor mit Bezugszeichen identifiziert sind. Mit ni , ... ,n6 sind Drehzahlen der Gelenke bzw. Antriebe angedeutet, durch das Bezugszeichen 2 eine Steuerung und durch das Bezugszeichen 17 ein Endeffektor des Roboters.
Fig. 2 illustriert ein durch die Steuerung 2 bzw. das System durchgeführtes Verfahren zum Betreiben des Roboters 1 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
In einem Schritt S10 wird, während der Roboter 1 eine vorab vorgegebene Bahn abfährt, basierend auf Sensorwerten, die von Sensoranordnungen erhalten werden, von denen exemplarisch eine Sensoranordnung 12.2 in Fig. 1 angedeutet ist, jeweils ein aktueller ein- oder mehrdimensionaler Lastgrößenwert für jedes der Gelenke ermittelt. Zum Beispiel wird für jedes der Gelenke i = 1 , ... ,7 jeweils ein aktuelles Drehmoment Ti, eine aktuelle Drehzahl Ni und eine aktuelle Leistung Pi als dreidimensionaler Lastgrößenwert [Ti, Ni, Pi] ermittelt.
In einem Schritt S20 wird basierend auf diesen Lastgrößenwerten und einem vorgegebenen dreidimensionalem Grenzwert [TMi, NMi, PM für das jeweilige Gelenk i ein dreidimensionaler Belastungswert [BTi, BNi, BPi] für das jeweilige Gelenk i ermittelt. Dies kann insbesondere die Differenz zwischen den aktuellen Werten und Grenzwerten sein. Zusätzlich oder alternativ können auch Zeitintegrale verwendet werden. In einem Schritt S30 wird basierend auf diesen Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters signalisiert und/oder abgespeichert, bevor das Verfahren bzw. die Steuerung 2 zu Schritt S10 zurückkehrt. Auf dieses Signal kann ein Anwendungsprogramm in spezifischer Weise reagieren. Zusätzlich oder alternativ kann basierend auf den abgespeicherten Belastungswerten anschließend ein Schadensfall analysiert werden.
Alternativ oder zusätzlich bzw. parallel wird basierend auf den Belastungswerten eine Aktion des Roboters zur Reduzierung einer oder mehrerer Komponenten dieser Belastungswerte durchgeführt.
Dazu wird in einem Schritt S40 überprüft, ob einer der Belastungswerte in einem vorgegebenen Bereich liegt, beispielsweise eine der auf 1 normierten Komponenten der [BT i, BNi, BPi] wenigstens 0,9 beträgt, d.h. für das jeweilige Gelenk wenigstens 90% einer zulässigen Belastung, beispielsweise eines für dieses Gelenk zulässigen Drehmoments, einer für dieses Gelenk zulässigen Drehzahl oder einer für dieses Gelenk zulässigen Leistung erreicht. Ist dies nicht der Fall (S40: „N“), kehrt das Verfahren bzw. die Steuerung 2 zu Schritt S10 zurück.
Andernfalls (S40: „Y“) wird in einem Schritt S50 die für das Abfahren der Bahn vorgegebene Geschwindigkeit bahntreu reduziert, gegebenenfalls bis zu einem Anhalten des Roboters auf der vorgegebenen Bahn.
Reicht dies aus, damit keiner der Belastungswerte mehr das Kriterium erfüllt (S60: „Y“), kehrt das Verfahren bzw. die Steuerung 2 zu Schritt S10 zurück.
Andernfalls (S60: „N“) führt der Roboter 1 in einem Schritt S70 eine Ausweichbewegung durch.
Reicht dies aus, damit keiner der Belastungswerte mehr das Kriterium erfüllt (S80: „Y“), kehrt das Verfahren bzw. die Steuerung 2 ebenfalls zu Schritt S10 zurück. Andernfalls (S80: „N“) wird in Schritt S90 ein Nothalt des Roboters durchgeführt.
Bei Rückkehr zu Schritt S10 wird gegebenenfalls die reduzierte Geschwindigkeit wieder auf die vorgegebene Geschwindigkeit erhöht (Schritt S55) und/oder durch Umkehr der Ausweichbewegung wieder zu der vorgegebenen Bahn zurückgefahren (Schritt S75).
Man erkennt, dass hier vorteilhaft akute Überlastungen einzelner Bauteile auf Achs- bzw. Gelenkebene vermieden werden können, die beispielsweise dadurch entstehen können, dass während des Abfahrens der Bahn an dem Roboter gezogen wird und dadurch in einzelnen Gelenken unvorhergesehen zulässige Drehmomente oder Drehzahlen überschritten werden.
Zur kompakteren Darstellung wurden die Schritt S30 und S40-S90 in Fig. 2 gemeinsam dargestellt, wobei natürlich auch Schritt S30 oder einer oder mehrere der Schritte S40-S90 entfallen können. Gleichermaßen kann das Anwendungsprogramm in Schritt S30 einen oder mehrere der Schritte S40-S90 realisieren.
Nachfolgend werden Aspekte der vorliegenden Erfindung erläutert, ohne dass diese auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der Fig. 1 , 2, insbesondere dessen Details, beschränkt wären:
Mit Hilfe von hinterlegten, vom Hersteller gegebenen Diagrammen der Belastbarkeit der belasteten Roboter-Bauteile, wird in mehreren Berechnungstakten jeweils ein Vergleich zwischen gelenkspezifischen Belastungsgrenzen und dem aktuellen Zustand des Roboters durchgeführt. Damit lässt sich die aktuelle Belastungssituation dauernd und in Echtzeit ermitteln und es lassen sich Signalisierungen realisieren, mittels derer auf ungewollte Überlastungssituationen reagiert werden kann, bevor der Roboter in eine Selbstabschaltung geht.
Beispiele für Bauteile eines Roboters, deren Belastungsgrenzen zur Vorgabe der Grenzwerte verwendet werden können, sind insbesondere Motoren, Getriebe, Bremsen, Drehmomentsensoren, Lager und Strukturbauteile bzw. Gelenkkörper.
Die Überwachung der Belastungssituation kann Warnungen bzw. Signalisierungen in ein Anwenderprogramm hinein derart erzeugen, dass die Überlastungssituation verhindert werden kann, oder derart, dass die Überlastungssituation ggf. bewusst eigegangen wird, wobei die Lebensdauer des Roboters bewusst verkürzt wird. Zusätzlich oder alternativ können Einträge in ein Logfile vorgenommen werden, in dem die Überlastung zur späteren Sichtung protokolliert wird.
Mit Hilfe der Kenntnis der Belastungssituation ist es vorteilhaft möglich, den Roboter bis an seine mechanischen Grenzen zu bringen, die in der schriftlichen Dokumentation zum Roboter gar nicht allgemein verständlich spezifiziert werden können.
Die achs- bzw. gelenkspezifische Konfiguration bzw. Speicherung der Grenzwerte bzw. nominellen „maximum ratings“, kann ebenso wie die Verarbeitung der Lastgrößenwerte bzw. Belastungswert in Vektorform erfolgen.
Vorteilhaft können unerwartete Belastungssituationen berücksichtigt werden, wie sie insbesondere bei Mensch-Roboter-Kollaborations/Kooperations-Anwendungen auftreten können, etwa, wenn ein Mensch am Roboter zieht, während dieser eine vorgegebene Bahnbewegung ausführt.
Die Belastungswerte können insbesondere folgende Komponenten aufweisen: a) akute bzw. momentane Belastungen. Diese Akutsituation wird in einer Ausführung priorisiert an die Anwendung signalisiert und/oder wird in einer, vorzugsweise persistenten, Datei digital dokumentiert; b) integrale Belastung: Auch wenn der Roboter länger knapp unter seiner Belastungsgrenze betrieben wird, sinkt seine Lebensdauer. Daher bietet die Erfindung in einer Ausführung auch eine Indikation über die Komponenten, die im Dauerbetrieb dem größten Verschleiß unterliegen, vorzugsweise, ohne dabei eine Akutsituation zu triggern. Hierzu werden für alle Gelenke Belastungs-Integrale gebildet und dem Anwender zur Auswertung zur Verfügung gestellt. Insbesondere kann das wie folgt realisiert werden: Für jedes Gelenk wird eine prozentuale Grenze in Bezug auf eine hinterlegte statische Obergrenze definiert und abgelegt, ab der das Gelenk beobachtet werden soll, zum Beispiel 90% der maximal zulässigen Belastung. Ab dieser Grenze trägt die aktuelle Belastung zu einer Integralbildung bei. Dabei kann der Beitrag auch nichtlinear sein, beispielsweise wie folgt: M sei ein aktuelles Drehmoment eines Gelenks, Mx der hierzu hinterlegte Grenzwert. Dann wird in einer Ausführung ein Zeitintegral mit Hilfe des Terms (|M|-80%*Mx)2 gebildet, der aber nur dann zum Integral beiträgt, wenn der Betrag von M auch größer als die 90% sind. Also B= f [(|M|-0,9-Mx)2 • (|M|>Mx-0,9?)] dt. Dieses Integral wird im Laufe des Betriebes immer größer und ist ein Maß für den akkumulierten Verschleiß. Normiert man B mit t, indem man B/t berechnet, also das Belastungsintegral durch die Erfassungszeit teilt, ergibt sich ein Stressfaktor S für diese Komponente, mit welchem der Anwender besonders vorteilhaft arbeiten kann. Beide Größen (B und S) werden in einer Ausführung innerhalb der Steuerung pro Gelenk für den Anwendungsentwickler bereitgestellt. Damit hat der Anwender einen quantitativen Ausdruck für den mechanischen Stress, dem er seinen Roboter aussetzt. B und S sind vorzugsweise jeweils Vektoren über die zu betrachtenden Größen. Zieht man vom aktuellen B(t) ein B(t-x) vergangener Zeit ab (das vor x Sekunden vorlag), dann ergibt sich ein Bild der Belastungssituation in der Zeit t-x bis t. Damit kann man längst vergangene Belastungszeiträume vorteilhaft ausblenden und (B(t)-B(t-x))/x ergibt ein vorteilhaftes Maß für die Stresssituation des Roboters in den letzten x Sekunden. Mit diesen Werkzeugen kann man einfach herausfinden, an welchen Stellen in einem Programmablauf die Bewegungen vielleicht „entschärft“ werden können, um die Lebensdauer des Roboters zu verlängern.
Akute Überlastungssituationen werden in einer Ausführung per Call-Back Aufruf einer Funktion, die der Anwender bzw. Programmierer definieren kann, um ein eigenes Verhalten zu erzielen oder Interrupt sofort bei Erkennung in der Anwendung signalisiert. Die Anwendung kann dann darauf aktuell und schnell und individuell reagieren.
Ein vorteilhafter Aspekt liegt in der Bereitstellung der Belastungssituation in Form einer Datenstruktur, die vom Anwenderprogramm auslesbar ist: alle aktuellen Vektoren mit den Prozenten der aktuellen Belastungen pro Achse bzw. Gelenk. Aus diesen Vektoren ist direkt ablesbar, welche Werte auf Achs- bzw. Gelenkebene kritisch sind, beispielsweise Drehmoment, Geschwindigkeit oder Leistung. Aus diesen Achs- bzw. Gelenkwerten können auch Vektoren in den kartesischen Raum vorwärtstransformiert werden, mit dem der Anwender bzw. Programmierer der Anwendung leicht erkennen kann, welche Gegenmaßnahmen im Falle einer drohenden Belastungssituation idealerweise zu ergreifen wären, um der Überlastungssituation kartesisch auszuweichen. Dabei zeigt der Belastungsgrößenvektor in die kartesische Richtung, in der die Belastung am stärksten zunehmen würde. Zum Beispiel zeigt der kartesische vorwärtstransformierte Vektor für die Belastungssituation der Drehmomente in die Richtung, in welcher die aktuelle Achs- bzw. Gelenkbelastung noch größer werden würde. Sein Betrag kann insbesondere in Prozent der Maximalbelastung berechnet werden. Wenn dann am Endeffektor des Roboters in dieser Richtung gezogen würde, dann nimmt die Belastung weiter zu. Im Umkehrschluss kann die Situation entspannt werden, wenn am Endeffektor in Gegenrichtung gedrückt wird. Mit Vektoren dieser Art kann der Applikationsentwickler seine Anwendung so gestalten, dass der Roboter sich in zulässigen Situationen eigenständig von Überlastungssituationen fernhält. Der Vektor mit den prozentualen Auslastungswerten für die Geschwindigkeit zeigt kartesisch in die Richtung, in die sich der Roboter weiter und schneller bewegen müsste, damit die am meisten belasten Achsen bzw. Gelenke noch weiter ins Limit laufen. Eine Entschleunigung in Gegenrichtung hingegen würde die Situation optimal entspannen. Auch hier haben die Applikationsentwickler ein gutes Mittel, um den Roboter von Überlastungssituationen fernzuhalten. Die hier besprochenen Belastungsituationen können insbesondere überraschend durch von außen eingeprägte Kräfte auftreten, etwa weil eine Person unerwartet am Roboter zieht oder dergleichen. Die Belastungsvektoren zeigen dann auf Achs- bzw. Gelenkebene genau an, welche Achse bzw. welches Gelenk wie weit von der nominellen Grenze entfernt ist, und die kartesische Transformation der Vektoren zeigt an, in welche Richtung die Kraft in Bezug auf den Endeffektor bzw. TCP angenommen wird, bzw. dass in dessen Gegenrichtung eine Entlastung eintritt. Der Anwendungsentwickler kann damit seinen Bahnverlauf online abändern, um den Roboter zu schonen.
Wird eine drohende Überlastungssituation erkannt, wird vorzugsweise wenigstens eine der folgenden Gegenmaßnahmen durchgeführt: a) Nothalt: Der Roboter unterbricht seine Arbeit und schaltet um in Nothalt, unter Bremsen. b) Bahntreue Überiastvermeidung: Die Steuerung wird programmgesteuert so eingestellt, dass sie automatisch die Geschwindigkeit reduziert und versucht, die Überlastsituation zu verhindern, ohne die programmierte Bahn zu verlassen. Kann die Überlast damit nicht umgangen werden, bleibt der Roboter schließlich stehen, ohne zunächst jedoch einen Nothalt auszulösen. Klärt sich die Situation (zum Beispiel durch Unterstützung durch menschliche Interaktion von außen oder mechanische Entlastung, oder programmgesteuerte Aktionen), dann setzt der Roboter seine Arbeit fort, unter Einhaltung der Grenzwerte. Dabei kann er auch wieder die Sollgeschwindigkeit erreichen. Vorzugsweise wird hier die Geschwindigkeit als Regelgröße herangezogen, um einer Überlastungssituation auszuweichen. Klärt sich die Überlastsituation trotz Stillstand nicht, kann auf weitere Weise reagiert werden, ohne dass ein Notstopp getriggert werden muss. Erst wenn alle konfigurierten Maßnahmen keinen Erfolg haben, wird der Roboter von der unterlagerten Sicherheit in den Nothalt versetzt. c) Überiastvermeidung durch direktes Ausweichen: Die Steuerung wird programmgesteuert so eingestellt, dass sie automatisch der Belastung ausweicht und versucht, die Überiastsituation dadurch zu vermeiden. Dabei weicht der Roboter eigenständig in die der Belastung entgegengesetzte Richtung aus, die durch die oben berechneten Vektoren gegeben ist. Dieser Modus kann auch im Stillstand angewendet werden, und bietet sich an, mit dem Modus b) „Bahntreue Überiastvermeidung“ kombiniert zu werden. Der Roboter versucht dann so lange es geht bahntreu zu fahren und nötigenfalls stehen zu bleiben, und wenn das auch nicht hilft, der Belastung auszuweichen. Hierbei gibt er nach einem bahntreuen Abbremsen auf der Bahn bis zum Stillstand schließlich genau in Richtung der Belastung nach. Er bricht also im letzten Moment aus, um nicht überlastet zu werden. d) Bahntreues Ausweichen in definierte Redundanzen: Die Steuerung wird programmgesteuert so eingestellt, dass sie automatisch der Belastung ausweicht und versucht die Überiastsituation dadurch zu vermeiden. e) Anwenderspezifisches Verhalten: Die Steuerung kann programmgesteuert so eingestellt werden, dass sie dem Anwenderprogramm signalisiert, dass der Roboter (potenziell) überlastet ist, und die Anwendung kann selbst eine Behandlungsstrategie implementieren. Diese Methode bieten die maximale Flexibilität, wobei gegebenenfalls kurze Überiastsituationen auch bewusst in Kauf genommen werden, auch wenn der Roboter damit schneller repariert werden muss. Dies kann trotzdem die günstigste Lösung sein. Dies kann beispielsweise in der Rehabilitation besonders vorteilhaft sein, wenn der Roboter zum Beispiel eine Extremität eines Patienten führt und dieser während der Therapie eine Spastik erleidet und mit großer Kraft am Roboter zieht. Dann würde der Roboter in einer Ausführung einfach dem Patienten folgen, ohne Schaden zu nehmen und ohne eine Notaussituation zu erzeugen. Das Anwenderprogramm kann dabei eine Ausweichbewegung durchführen, ohne den Patienten zu überlasten, weil die anwendungsspezifische Implementierung der Ausweichstrategie genau auf dieses Setting abgestimmt ist, den Fall also kennt. f) Die Steuerung protokolliert Überlastungssituationen in einem internen Log-File, dass der Hersteller auslesen kann. Obiger Fall c. kann somit auch vom Hersteller erkannt bzw. belegt werden und dieser kann sich von unberechtigten Reparaturansprüchen oder dergleichen freihalten.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen 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.
Bezuqszeichenliste
1 Roboter
2 Steuerung 11, 12, 15 Gelenk
12.1 Gelenkantrieb
12.2 Sensoranordnung
17 Endeffektor ni,...,n6 Drehzahl

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben eines Roboters (1 ), der mehrere Gelenke (11 , 12, 15) aufweist, wobei während einer durch Gelenkantriebe (12.1) bewirkten Bewegung des Roboters für zwei oder mehr, insbesondere alle, Gelenke jeweils:
- basierend auf wenigstens einem Sensorwert ein aktueller ein- oder mehrdimensionaler Lastgrößenwert für das jeweilige Gelenk ermittelt wird (S10); und
- basierend auf diesem aktuellen Lastgrößenwert und einem ein- oder mehrdimensionalen vorgegebenen Grenzwert für das jeweilige Gelenk ein ein- oder mehrdimensionaler Belastungswert für das jeweilige Gelenk ermittelt wird (S20); wobei basierend auf den Belastungswerten eine Aktion des Roboters zur Reduzierung einer oder mehrerer Komponenten dieser Belastungswerte durchgeführt wird und/oder basierend auf den Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters signalisiert und/oder abgespeichert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Geschwindigkeit des Roboters, insbesondere beim Abfahren einer vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegebenen Bahn, reduziert wird, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren.
3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter bei der Geschwindigkeitsreduzierung weiter der vorgegebenen Bahn folgt und/oder anhält.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter, insbesondere nach der Geschwindigkeitsreduzierung, eine von den Belastungswerten abhängige Ausweichbewegung durchführt, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren, insbesondere von einer vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegebenen Bahn abweicht.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausweichbewegung eine Bewegung des Roboters antiparallel zu einer Projektion von zu reduzierenden Belastungswerten in einen kartesischen Arbeitsraum des Roboters aufweist. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausweichbewegung eine roboterfeste Referenz des Roboters weiter in einer durch eine vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegebene Bahn vorgegebenen Position und/oder Orientierung gehalten wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungssituation des Roboters an ein Anwendungsprogramm signalisiert wird, welches in Reaktion hierauf den Roboter dazu veranlasst, eine anwendungsprogrammspezifische Aktion durchzuführen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktion des Roboters durchgeführt wird, wenn eine Komponente der Belastungswerte in einem vorgegebenen Bereich liegt, insbesondere eine Aktion zur Reduzierung dieser Komponente der Belastungswerte, und dass
- eine andere Aktion des Roboters durchgeführt wird, wenn die eine Komponente in einem anderen vorgegebenen Bereich liegt, insbesondere eine andere Aktion zur Reduzierung der einen Komponente der Belastungswerte; und/oder
- eine Aktion des Roboters durchgeführt wird, wenn eine andere Komponente der Belastungswerte in einem vorgegebenen Bereich, insbesondere dem einen vorgegebenen Bereich oder einem anderen vorgegebenen Bereich, liegt, insbesondere eine Aktion zur Reduzierung der anderen Komponente und/oder andere Aktion. Verfahren nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Aktionen durch das Anwendungsprogramm vorgegeben, insbesondere auf Basis einer Benutzereingabe aus mehreren vorgegebenen Aktionen ausgewählt ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgespeicherte Belastungssituation des Roboters zu einer Analyse nach Abarbeiten wenigstens eines Arbeitsprozesses, insbesondere mehrerer Prozesszyklen, des Roboters verwendet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastgrößenwert und/oder Belastungswert für ein Gelenk von einem Drehmoment und/oder einer Geschwindigkeit an dem Gelenk abhängt und/oder wenigstens eine aktuelle und/oder wenigstens eine zeitintegrierte Komponente aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter während der durch Gelenkantriebe bewirkten Bewegung mit wenigstens einem Menschen kooperiert. System zum Betreiben eines Roboters (1), der mehrere Gelenke (11 , 12, 15) aufweist, wobei das System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist:
- Mittel zum Ermitteln, für zwei oder mehr, insbesondere alle, Gelenke, jeweils eines aktuellen ein- oder mehrdimensionalen Lastgrößenwertes für das jeweilige Gelenk während einer durch Gelenkantriebe bewirkten Bewegung des Roboters basierend auf wenigstens einem Sensorwert; und
- Mittel zum Ermitteln, für diese zwei oder mehr, insbesondere alle, Gelenke, jeweils eines ein- oder mehrdimensionalen Belastungswertes für das jeweilige Gelenk während der durch Gelenkantriebe bewirkten Bewegung des Roboters basierend auf diesem aktuellen Lastgrößenwert und einem ein- oder mehrdimensionalen vorgegebenen Grenzwert für das jeweilige Gelenk; sowie
- Mittel, um den Roboter zu veranlassen, basierend auf den Belastungswerten eine Aktion zum Reduzieren einer oder mehrerer Komponenten dieser Belastungswerte durchzuführen, und/oder Mittel, um basierend auf den Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters zu signalisieren und/oder abzuspeichern. 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 13 den oder die Computer oder das System dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102024108545A1 (de) 2024-03-26 2025-10-02 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Verfahren zur Ermittlung eines Zustands einer Roboterflotte, Auswerteeinrichtung und System

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10226853B3 (de) 2002-06-15 2004-02-19 Kuka Roboter Gmbh Verfahren zum Begrenzen der Krafteinwirkung eines Roboterteils
JP4192780B2 (ja) 2003-12-26 2008-12-10 株式会社安川電機 ロボットの制御装置
JP5895628B2 (ja) * 2012-03-15 2016-03-30 株式会社ジェイテクト ロボットの制御方法及びロボット制御装置、並びにロボット制御システム
DE102014114234B4 (de) 2014-09-30 2020-06-25 Kastanienbaum GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung/Regelung eines Roboter-Manipulators
JP6680752B2 (ja) 2017-11-28 2020-04-15 ファナック株式会社 ロボットの速度を制限する制御装置
DE102020215904B3 (de) * 2020-12-15 2022-03-31 Kuka Deutschland Gmbh Verfahren und System zum Betreiben eines Roboters
DE102021102509A1 (de) 2021-02-03 2022-08-04 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zur nachgiebigen Regelung eines Roboters
DE102021208576B3 (de) 2021-08-06 2022-10-06 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Vorgeben einer zulässigen Maximalgeschwindigkeit eines robotischen Gerätes

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