WO2020038975A1 - Roboterregelung - Google Patents
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- G05B2219/39347—Joint space impedance control
Definitions
- the present invention relates to a method and system for controlling a robot and a computer program product for carrying out the method.
- Robots should often approach predetermined Cartesian (target) positions with a robot-fixed reference or in Cartesian degrees of freedom or one
- robots usually have joint controllers. These command the articulated drives of the robot in the case of pure position controls on the basis of the predetermined Cartesian target positions, and in the case of pure force controls on the basis of the predetermined Cartesian target forces.
- (Target) torques or (target) orientations in the work space can be implemented by force or position control.
- the joint controllers are set differently according to in-house practice than for pure force controls, preferably stiff (er), so that they move to the (target) positions precisely.
- the articulated controllers are set according to in-house practice for pure force controls correspondingly soft (er) than for pure position controls, so that they react sensitively (er) to disturbing forces.
- both (target) positions and (target) forces are to be specified or implemented.
- both (target) positions and (target) forces are to be specified or implemented.
- hybrid force-position controls are known according to in-house practice, in which corresponding input variables of the joint controllers are determined with the aid of predetermined complementary selection matrices from force and position control components.
- the fixed joint controllers do not optimally implement such input variables (applications).
- the object of the present invention is to improve the regulation of a robot.
- one or more of the present invention are provided. According to one embodiment of the present invention, one or more of the present invention.
- Articulated controllers which (at least, in one version exactly) adjust a joint or an axis of the robot or (for this purpose) command or provide, in particular set up, an articulated drive of the robot or
- one or more single joint controllers are used, in particular thus one or more single joint controllers, based on or in dependence on a pose of the robot and a predetermined force and position weighting of one or more Cartesian degrees of freedom of a robot-fixed reference.
- Position weighting of one or more Cartesian degrees of freedom of a robot-fixed reference can, in one embodiment, in particular in comparison to articulated controllers, which are set for pure position or force control, the
- Control behavior of the robot can be improved.
- the robot has at least three, in particular at least six, in one embodiment at least seven, joints or (movement) axes, in one embodiment swivel joints.
- the present invention is particularly advantageous for such robots because of their versatility.
- the or one or more of the joint controllers can each have one or more, in particular cascaded, joint position, joint speed, joint force, in particular thus joint moment, (drive) current and / or
- stages in particular proportional, integral and / or differential regulators (stages), in particular be such a regulator.
- the robot-fixed reference can in particular have an end-effector-side and / or contact point, in particular a tool reference point or coordinate system (Tool Center Point, TCP), in particular such a point or such a coordinate system.
- a tool reference point or coordinate system Tool Center Point, TCP
- a Cartesian degree of freedom can in particular be a translational and / or rotary degree of freedom (the robot-fixed reference) in (Cartesian)
- One version of the robot is determined by the position of its joints.
- the articulated controller (s) is online or in one embodiment during operation, in particular a movement, of the robot.
- the articulated controller commands the command based on or in dependence on a predetermined Cartesian target force and a predetermined Cartesian target position, in particular on the basis of (with) a hybrid force position control (in each case ) at least, in one version exactly, one, in one version electrical, articulated drive of the robot, which in one version has an electric motor and / or a gear, in particular such or with the stipulation of realizing this target force or target position or reducing a deviation therefrom, or is or are the articulated controllers set up for this purpose or is / are used for this purpose.
- a hybrid force position control in each case ) at least, in one version exactly, one, in one version electrical, articulated drive of the robot, which in one version has an electric motor and / or a gear, in particular such or with the stipulation of realizing this target force or target position or reducing a deviation therefrom, or is or are the articulated controllers set up for this purpose or is / are used for this purpose.
- Cartesian target orientations are also generally referred to as target positions and target torques are generally referred to as target forces.
- a target position and / or a target force has six dimensions, in particular one
- the hybrid force-position control uses a selection matrix to determine a force control component from a deviation between the target and an actual force, in particular a dynamically model-based one, or an actual force that is sensed on the robot-fixed reference complementary, selection matrix from a deviation between the target position and an actual position determined, in particular a kinematics model-based position, a position control component, adds both control components and passes them as input variables to the articulated controller (s). This can (further) improve the control behavior of the robot.
- the force and position weighting depends on how strong the force control should be in the respective Cartesian degree of freedom or what value is placed on a force in this degree of freedom or how important in this degree of freedom is a force exerted by the robot or acts on it externally, and how strong the position control should be in this degree of freedom or how important precise positioning is in this degree of freedom or what value is placed on it, in particular in relation to one another, it can specify or quantify this in particular.
- the force and position weighting comprises a force weighting and a position weighting.
- the force and position weighting is specified in advance or before operation, a movement, of the robot.
- the force and position weighting is specified in an embodiment based on a robot application.
- different versions can be used
- Cartesian degrees of freedom the force to be regulated or the position to be regulated are weighted or preferred more.
- a force can be applied in the translational direction perpendicular to the grinding surface and
- the force and position weighting is specified in one embodiment by an operator, selected or set in one embodiment, preferably within a predetermined one
- Setting range which can be, for example, between 0 and 1 or the like, in particular by or on the basis of a corresponding user input.
- the force and position weighting is specified in one embodiment using at least one selection matrix, in one embodiment using a selection matrix for the force weighting and a selection matrix for the position weighting, which are not in a further development ( necessary) are complementary.
- the control behavior of the robot can be (further) improved, in particular specifically (he) and / or simply (he) coordinated.
- the joint controller (s) are based on the
- predefined force and position weighting of at least one Cartesian degree of freedom is adjusted in such a way that the joint controller (in each case) more strongly detects a deviation of the robot-fixed reference from a predefined Cartesian target position in this degree of freedom with a higher position weighting counteracts as the same deviation with higher force weighting.
- the joint regulator is set stiffer as a result of a higher position weighting of a Cartesian degree of freedom than with a (in contrast) higher force weighting. This can (further) improve the control behavior of the robot.
- one or more coefficients of the articulated controller in one development one or more proportional, integral and / or differential (amplification) coefficients, (in each case) on the basis of or depending on the pose of the robot and the predetermined force and position weighting, in one embodiment adjusted between a predetermined extreme value for a maximum position weighting and a predetermined extreme value for a maximum force weighting, in a further development by linear interpolation or the like.
- the joint controller (s) are (in each case) based on a Jacobi matrix weighted in one embodiment
- Robot-fixed reference in particular a, in particular standardized and / or weighted, inverse, in particular pseudo-inverse, and / or transpose of this, optionally weighted, Jacobi matrix, adjusted, in an embodiment on the basis of a sensitivity factor for the (respective) joint controller which is dependent on this.
- Roboters (further) can be improved.
- the Jacobi matrix of the robot-fixed reference maps joint speeds linearly to the Cartesian (translational and rotary) speed of the robot-fixed reference in a manner known per se. In this way, it is advantageously possible to transform between the Cartesian working space and the joint space.
- the Jacobian matrix is or is weighted with the mass matrix, in particular, in an embodiment from the right, multiplied by the mass matrix, as a result of which a particularly advantageous regulation is implemented in one embodiment can.
- the mass matrix forms in a manner known per se
- a sensitivity factor for the (respective) joint controller is based on the inverses or pseudo-inverses standardized and / or weighted in one embodiment and the selection matrix for the
- the transpose is particularly advantageous for force regulation. Accordingly, in one embodiment, a or the sensitivity factor for the (respective)
- Articulated controller (also) based on the standardized and / or in one version
- a (pseudo) metric space By weighting the inverse or transposed, in one version multiplying by a corresponding weighting matrix, a (pseudo) metric space can be used in one version or the different dimensions of translational and rotary positions or forces can be compensated for.
- a system in particular hardware and / or software, in particular program technology, is set up to carry out a method described here and / or has: Means for adjusting at least one articulation controller for adjusting an articulation of the robot on the basis of a Pose of the robot and a predetermined force and
- the system or its means have: Means for adjusting the joint controller during operation of the robot based on a current and / or predicted pose of the robot and the predetermined force and position weighting; and or
- Robot-fixed reference in particular one, in particular standardized and / or weighted, inverse and / or transposed of this Jacobi matrix.
- a means in the sense of the present invention can be designed in terms of hardware and / or software, in particular a data, or signal-linked, preferably digital, processing, in particular microprocessor unit (CPU), graphics card (GPU), preferably data or signal connected to a memory and / or bus system ) or the like, and / or have one or more programs or program modules.
- the processing unit can be configured to execute commands as one in one
- a storage system can have one or more,
- a computer program product can have, in particular a non-volatile, storage medium for storing a program or with a program stored thereon, an execution of this program being a system or a controller, in particular a computer prompted to carry out a method described here or one or more of its steps.
- 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 has the robot.
- Fig. 2 Articulated controller of the system
- FIG. 1 shows a system with a robot controller 2 for regulating a robot 1 according to an embodiment of the present invention with six rotary joints, the positions or joint coordinates of which are indicated by qi, ..., q 6 .
- the robot guides a workpiece 3 on a fixed grinding belt 4.
- Sanding belt 4 (vertically in FIG. 1) impress a desired force and move to the desired positions of a desired path in Cartesian translational directions transverse to this direction of force (i.e. horizontally in FIG. 1).
- the individual joint controllers 31, ..., 36 can each, for example, a speed controller with a proportional (gain) coefficient R ⁇ . , , R Q have.
- a proportional (gain) coefficient R ⁇ . , , R Q have.
- an operator gives a selection matrix Sv for a
- J cff designates the inverse of the Jacobian matrix, J'iq) their transpose in the usual way.
- the diagonal weighting matrices Gv, G F transform the translational and rotatory quantities into a (pseudo) metric space.
- these can have a 1 in the translational degrees of freedom and the reciprocal value in the rotational degrees of freedom of a suitable lever arm, for example between the root of the hand and the force contact point or tool tip.
- Jacobi matrix uses a Jacobi matrix weighted, in particular multiplied, by the mass matrix M (q):
- Sensitivity factors li, ..., l 6 these are between -1 and 1.
- the individual joint controllers 31, ..., 36 which adjust the joints of the robot 1 via the (commanding) the joint drives 51, ..., 56, on the basis of the pose q of the robot 1 and by means of the selection matrices Sv , S F predetermined force and position weighting of the Cartesian degrees of freedom of the robot-fixed reference can be adjusted.
Abstract
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung eines Roboters (1) wird wenigstens ein Gelenkregler (31-36) zur Verstellung eines Gelenks des Roboters auf Basis einer Pose des Roboters und einer vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung wenigstens eines kartesischen Freiheitsgrades einer roboterfesten Referenz verstellt (S20).
Description
Beschreibung
Roboterregelung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur Regelung eines Roboters sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens. Roboter sollen häufig mit einer roboterfesten Referenz vorgegebene kartesische (Soll-) Positionen anfahren oder in kartesischen Freiheitsgraden bzw. einem
Arbeitsraum des Roboters (Soll-)Kräfte auf ihre Umgebung ausüben.
Hierzu weisen Roboter üblicherweise Gelenkregler auf. Diese kommandieren bei reinen Positionsregelungen auf Basis der vorgegebenen kartesischen Soll-Positionen Gelenkantriebe des Roboters, bei reinen Kraftregelungen auf Basis der vorgegebenen kartesischen Soll-Kräfte.
Zur kompakteren Darstellung werden vorliegend in fachüblicher Weise
verallgemeinernd auch antiparallele Kräftepaare bzw. Drehmomente als Kräfte und Orientierungen als Positionen bezeichnet, so dass auch vorgegebene
(Soll-)Drehmomente bzw. (Soll-)Orientierungen im Arbeitsraum durch eine Kraft- bzw. Positionsregelung umgesetzt werden können.
Für reine Positionsregelungen werden die Gelenkregler nach betriebsinterner Praxis anders eingestellt als für reine Kraftregelungen, vorzugsweise steif(er), so dass sie die (Soll-)Positionen präzise(r) anfahren. Umgekehrt werden die Gelenkregler nach betriebsinterner Praxis für reine Kraftregelungen entsprechend weich(er) eingestellt als für reine Positionsregelungen, so dass sie sensitiv(er) auf Störkräfte reagieren.
Bei bestimmten Roboterapplikationen sollen sowohl (Soll-)Positionen als auch (Soll-)Kräfte vorgegeben bzw. realisiert werden. So kann es beispielsweise bei einem robotergestützten Schleifen zweckmäßig sein, eine Kraft senkrecht zur
Schleifoberfläche und eine Position in anderen kartesischen Freiheitsgraden, insbesondere translatorischen Freiheitsgraden quer zur Kraftrichtung, vorzugeben.
Hierzu sind nach betriebsinterner Praxis hybride Kraft-Positions-Regelungen bekannt, bei denen mithilfe vorgegebener komplementärer Selektionsmatrizen aus Kraft- und Positions-Regelanteilen entsprechende Eingangsgrößen der Gelenkregler ermittelt werden. Dabei setzen die fest eingestellten Gelenkregler solche Eingangsgrößen nicht (applikations)optimal um.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Regelung eines Roboters zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 8, 9 stellen ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden ein oder mehrere
Gelenkregler, die (jeweils) wenigstens, in einer Ausführung genau, ein Gelenk bzw. eine Achse des Roboters verstellen bzw. (hierzu) einen Gelenkantrieb des Roboters kommandieren bzw. hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet, sind bzw.
verwendet werden, insbesondere also ein oder mehrere Einzelgelenkregler, (jeweils) auf Basis bzw. in Abhängigkeit von einer Pose des Roboters und einer vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung eines oder mehrerer kartesischer Freiheitsgrade einer roboterfesten Referenz ver- bzw. eingestellt bzw. verändert.
Durch die Berücksichtigung der Pose und einer vorgegebenen Kraft- und
Positions-Gewichtung eines oder mehrerer kartesischer Freiheitsgrade einer roboterfesten Referenz kann in einer Ausführung, insbesondere im Vergleich zu Gelenkreglern, die für reine Positions- oder Kraftregelung eingestellt sind, das
Regelverhalten des Roboters verbessert werden.
Der Roboter weist in einer Ausführung wenigstens drei, insbesondere wenigstens sechs, in einer Ausführung wenigstens sieben, Gelenke bzw. (Bewegungs)Achsen, in einer Ausführung Drehgelenke, auf.
Für solche Roboter ist die vorliegende Erfindung aufgrund von deren Vielseitigkeit besonders vorteilhaft.
Der bzw. einer oder mehrere der Gelenkregler kann jeweils ein(en) oder mehrere, insbesondere kaskadierte, Gelenkstellungs-, Gelenkgeschwindigkeits-, Gelenkkraft-, insbesondere also Gelenkmoment-, (Antriebs)Strom- und/oder
(Antriebs)Spannungsregler(stufen), insbesondere Proportional-, Integral- und/oder Differentialregler(stufen) aufweisen, insbesondere ein solcher Regler sein.
Die roboterfeste Referenz kann insbesondere einen endeffektorseitigen und/oder Kontaktpunkt, insbesondere ein(en) Werkzeugreferenzpunkt bzw. -koordinatensystem (Tool Center Point, TCP) aufweisen, insbesondere ein solcher Punkt bzw. ein solches Koordinatensystem sein.
Ein kartesischer Freiheitsgrad kann insbesondere einen translatorischen und/oder rotatorischen Freiheitsgrad (der roboterfesten Referenz) im (kartesischen)
Arbeitsraum des Roboters aufweisen, insbesondere ein solcher sein. Eine Pose des Roboters ist in einer Ausführung durch die Stellung seiner Gelenke bestimmt.
In einer Ausführung wird der bzw. werden die Gelenkregler während eines Betriebs, insbesondere einer Bewegung, des Roboters, in einer Ausführung online bzw.
on-the-fly, auf Basis einer aktuellen und/oder prognostizierten Pose des Roboters und der vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung verstellt, in einer Ausführung im Interpolationstakt.
Hierdurch kann das Regelverhalten des Roboters (weiter) verbessert werden.
In einer Ausführung kommandiert der bzw. kommandieren die Gelenkregler auf Basis bzw. in Abhängigkeit von einer vorgegebenen kartesischen Soll-Kraft und einer vorgegebenen kartesischen Soll-Position, insbesondere auf Basis bzw. mit(hilfe) einer hybriden Kraft-Positions-Regelung, (jeweils) wenigstens, in einer Ausführung genau, einen, in einer Ausführung elektrischen, Gelenkantrieb des Roboters, der in einer Ausführung einen Elektromotor und/oder ein Getriebe aufweist, insbesondere derart
bzw. mit der Maßgabe, diese Soll-Kraft bzw. Soll-Position zu realisieren bzw. eine Abweichung hiervon zu reduzieren, bzw. ist der bzw. sind die Gelenkregler hierzu eingerichtet bzw. wird/werden hierzu verwendet.
Wie einleitend bereits erläutert, werden vorliegend verallgemeinernd auch kartesische Soll-Orientierungen als Soll-Positionen und Soll-Drehmomente verallgemeinernd als Soll-Kräfte bezeichnet. Entsprechend weist in einer Ausführung eine Soll-Position und/oder eine Soll-Kraft sechs Dimensionen auf, sie kann insbesondere ein
sogenannter Wrench bzw. Twist sein. Bezeichnet f e ine Kraft im engeren Sinne und t ein Drehmoment, so können diese somit zu einer Kraft F irn Sinne der vorliegenden Erfindung zusammengefasst werden bzw. sein, insbesondere in der Form F= [fT , fT]T. Analoges gilt zur Position und Orientierung.
Die hybride Kraft-Positions-Regelung ermittelt in einer Ausführung mithilfe einer Selektionsmatrix aus einer Abweichung zwischen Soll- und einer erfassten, insbesondere einer dynamikmodellgestützt ermittelten oder an der roboterfesten Referenz sensorisch erfassten, Ist-Kraft einen Kraft-Regelanteil, mithilfe einer, in einer Ausführung komplementären, Selektionsmatrix aus einer Abweichung zwischen Soll- und einer erfassten, insbesondere einer kinematikmodellgestützt ermittelten, Ist- Position einen Positions-Regelanteil, addiert beide Regelanteile und führt diese als Eingangsgrößen an den bzw. die Gelenkregler. Hierdurch kann das Regelverhalten des Roboters (weiter) verbessert werden.
Die Kraft- und Positions-Gewichtung hängt in einer Ausführung davon ab, wie stark in dem jeweiligen kartesischen Freiheitsgrad die Kraftregelung sein soll bzw. welcher Wert in diesem Freiheitsgrad auf eine Kraft gelegt wird bzw. wie wichtig in diesem Freiheitsgrad eine vom Roboter ausgeübte Kraft ist oder von extern auf diesen wirkt, und wie stark in diesem Freiheitsgrad die Positionsregelung sein soll bzw. wie wichtig in diesem Freiheitsgrad eine präzise Positionierung ist bzw. welcher Wert hierauf gelegt wird, insbesondere im Verhältnis zueinander, sie kann dies insbesondere angeben bzw. quantifizieren. Entsprechend umfasst in einer Ausführung die Kraft- und Positions-Gewichtung eine Kraft-Gewichtung und eine Positions-Gewichtung.
In einer Ausführung ist, insbesondere wird, die Kraft- und Positions-Gewichtung vorab bzw. vor einem Betrieb, einer Bewegung, des Roboters vorgegeben.
Zusätzlich oder alternativ ist, insbesondere wird, die Kraft- und Positions-Gewichtung in einer Ausführung auf Basis einer Roboterapplikation vorgegeben. Somit können in einer Ausführung applikationsabhängig in verschiedenen
kartesischen Freiheitsgraden die zu regelnde Kraft oder die zu regelnde Position stärker gewichtet bzw. präferiert werden. So kann im einleitend exemplarisch genannten robotergestützten Schleifen in der translatorischen Richtung senkrecht zur Schleifoberfläche eine Kraft und in anderen kartesischen Freiheitsgraden,
insbesondere translatorischen Freiheitsgraden quer zur Kraftrichtung, eine Position stärker gewichtet bzw. präferiert werden.
Zusätzlich oder alternativ ist, insbesondere wird, die Kraft- und Positions-Gewichtung in einer Ausführung durch einen Bediener vorgegeben, in einer Ausführung ausgewählt bzw. eingestellt, vorzugsweise innerhalb eines vorgegebenen
Einstellbereichs, der beispielsweise zwischen 0 und 1 oder dergleichen liegen kann, insbesondere durch bzw. auf Basis einer entsprechenden Benutzereingabe.
Zusätzlich oder alternativ ist, insbesondere wird, die Kraft- und Positions-Gewichtung in einer Ausführung mithilfe wenigstens einer Selektionsmatrix vorgegeben, in einer Ausführung mithilfe einer Selektionsmatrix für die Kraft-Gewichtung und einer Selektionsmatrix für die Positions-Gewichtung, die in einer Weiterbildung nicht (notwendig) komplementär sind.
Hierdurch kann jeweils, insbesondere in Kombination von zwei oder mehr der oben genannten Merkmale, das Regelverhalten des Roboters (weiter) verbessert, insbesondere spezifisch(er) und/oder einfach(er) abgestimmt werden. In einer Ausführung wird der bzw. werden die Gelenkregler auf Basis der
vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung wenigstens eines kartesischen Freiheitsgrades (jeweils) derart verstellt, dass der Gelenkregler (jeweils) einer Abweichung der roboterfesten Referenz von einer vorgegebenen kartesischen Soll- Position in diesem Freiheitsgrad bei höherer Positions-Gewichtung stärker
entgegenwirkt als derselben Abweichung bei höherer Kraft-Gewichtung. Mit anderen Worten wird der Gelenkregler infolge einer höheren Positions-Gewichtung eines kartesischen Freiheitsgrades steifer eingestellt als bei einer (demgegenüber) höheren Kraft-Gewichtung. Hierdurch kann das Regelverhalten des Roboters (weiter) verbessert werden.
In einer Ausführung werden ein oder mehrere Koeffizienten des bzw. der Gelenkregler, in einer Weiterbildung ein oder mehrere Proportional-, Integral- und/oder Differential- (Verstärkungs)Koeffizienten, (jeweils) auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der Pose des Roboters und der vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung verstellt, in einer Ausführung zwischen einem vorgegebenen Extremalwert für eine maximale Positions-Gewichtung und einem vorgegebenen Extremalwert für eine maximale Kraft-Gewichtung verstellt, in einer Weiterbildung durch lineare Interpolation oder dergleichen.
Hierdurch kann das Regelverhalten des Roboters (weiter) verbessert werden. Zusätzlich oder alternativ werden der bzw. die Gelenkregler in einer Ausführung (jeweils) auf Basis einer, in einer Ausführung gewichteten, Jacobimatrix der
roboterfesten Referenz, insbesondere einer, insbesondere normierten und/oder gewichteten, Inversen, insbesondere Pseudoinversen, und/oder Transponierten dieser, gegebenenfalls gewichteten, Jacobimatrix, verstellt, in einer Ausführung auf Basis eines hiervon abhängigen Sensitivitätsfaktors für den (jeweiligen) Gelenkregler.
Hierdurch kann jeweils, insbesondere in Kombination, das Regelverhalten des
Roboters (weiter) verbessert werden.
Die Jacobimatrix der roboterfesten Referenz bildet in einer Ausführung in an sich bekannter Weise Gelenkgeschwindigkeiten linear auf die kartesische (translatorische und rotatorische) Geschwindigkeit der roboterfesten Referenz ab. Hierdurch kann vorteilhaft zwischen kartesischem Arbeits- und Gelenkraum transformiert werden. In einer Ausführung wird bzw. ist die Jacobimatrix mit der Massenmatrix gewichtet, insbesondere, in einer Ausführung von rechts, mit der Massenmatrix multipliziert, wodurch in einer Ausführung eine besonderrs vorteilhafte Regelung realisiert werden
kann. Die Massenmatrix bildet in einer Ausführung in an sich bekannter Weise
Gelenkbeschleunigungen auf Kräfte ab.
Die Inverse, insbesondere Pseudoinverse, ist besonders für eine Positions-Regelung vorteilhaft. Entsprechend wird in einer Ausführung ein Sensitivitätsfaktor für den (jeweiligen) Gelenkregler auf Basis der, in einer Ausführung normierten und/oder gewichteten, Inversen bzw. Pseudoinversen und der Selektionsmatrix für die
Positions-Gewichtung ermittelt.
Die Transponierte ist besonders für eine Kraft-Regelung vorteilhaft. Entsprechend wird in einer Ausführung ein bzw. der Sensitivitätsfaktor für den (jeweiligen)
Gelenkregler (auch) auf Basis der, in einer Ausführung normierten und/oder
gewichteten, Transponierten und der Selektionsmatrix für die Kraft-Gewichtung ermittelt.
Durch die Gewichtung der Inversen bzw. Transponierten, in einer Ausführung die Multiplikation mit einer entsprechenden Gewichtungsmatrix, kann in einer Ausführung ein (pseudo-)metrischer Raum genutzt bzw. die unterschiedlichen Dimensionen von translatorischen und rotatorischen Positionen bzw. Kräften kompensiert werden.
Durch die Normierung der, gegebenenfalls gewichteten, Inversen bzw. Transponierten, in einer Ausführung auf Werte zwischen 0 und ±1 , insbesondere auf Werte zwischen 0 und (+)1 , können in einer Ausführung Unterschiede zwischen den Achsen bzw.
Gelenkreglern kompensiert werden.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System, insbesondere hard- und/oder Software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf: Mittel zum Verstellen wenigstens eines Gelenkreglers zur Verstellung eines Gelenks des Roboters auf Basis einer Pose des Roboters und einer vorgegebenen Kraft- und
Positions-Gewichtung wenigstens eines kartesischen Freiheitsgrades einer
roboterfesten Referenz.
In einer Ausführung weist das System bzw. sein(e) Mittel auf:
Mittel zum Verstellen des Gelenkreglers während eines Betriebs des Roboters auf Basis einer aktuellen und/oder prognostizierten Pose des Roboters und der vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung; und/oder
Mittel zum Verstellen des Gelenkreglers auf Basis der vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung wenigstens eines kartesischen Freiheitsgrades derart, dass er einer Abweichung der roboterfesten Referenz von einer vorgegebenen kartesischen Soll-Position in diesem Freiheitsgrad bei höherer Positions-Gewichtung stärker entgegenwirkt als derselben Abweichung bei höherer Kraft-Gewichtung; und/oder Mittel zum Verstellen wenigstens eines Koeffizienten des Gelenkreglers auf Basis der Pose des Roboters und der vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung, insbesondere zwischen einem vorgegebenen Extremalwert für eine maximale
Positions-Gewichtung und einem vorgegebenen Extremalwert für eine maximale Kraft-Gewichtung; und/oder
Mittel zum Verstellen des Gelenkreglers auf Basis einer Jacobimatrix der
roboterfesten Referenz, insbesondere einer, insbesondere normierten und/oder gewichteten, Inversen und/oder Transponierten dieser Jacobimatrix.
Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere 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 regeln kann. Ein Computerprogrammprodukt kann in einer Ausführung ein, insbesondere nicht flüchtiges, Speichermedium zum Speichern eines Programms bzw. mit einem darauf gespeicherten Programm aufweisen, insbesondere sein, wobei ein Ausführen dieses Programms ein System bzw. eine Steuerung, insbesondere einen Computer, dazu
veranlasst, ein hier beschriebenes Verfahren bzw. einen oder mehrere seiner Schritte auszuführen.
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 auf.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1 : ein System zur Regelung eines Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: Gelenkregler des Systems; und
Fig. 3: ein Verfahren zur Regelung des Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein System mit einer Robotersteuerung 2 zur Regelung eines Roboters 1 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit sechs Drehgelenken, deren Stellungen bzw. Gelenkkoordinaten durch qi,...,q6 angedeutet sind.
Der Roboter führt ein Werkstück 3 an einem feststehenden Schleifband 4.
Daher soll er in einer kartesischen translatorischen Richtung senkrecht zum
Schleifband 4 (vertikal in Fig. 1 ) eine Soll-Kraft aufprägen und in kartesischen translatorischen Richtungen quer zu dieser Kraftrichtung (d.h. horizontal in Fig. 1 ) Soll-Positionen einer Soll-Bahn anfahren.
Entsprechend werden in einer hybriden Kraft-Positions-Regelung mithilfe
komplementärer Selektionsmatrizen
in an sich bekannter und daher hier nicht weiter erläuterter Weise aus einer Differenz zwischen kartesischen Soll- und Ist-Kräften Fd ,Fm e□ 6 in einer Kraftregelung 10 ein
Kraft-Regelanteil yd F e□ 6 und aus einer Differenz zwischen kartesischen Soll- und Ist-Positionen xd,xm e□ 6 in einer Positionsregelung 20 ein Positions-Regelanteil yd'X e□ 6 ermittelt, addiert und die Komponenten yd, 1 ,..., yd, 6 dieser Summe als
Eingangsgrößen Einzelgelenkreglern 31 , ...,36 zugeführt.
Die Einzelgelenkregler 31 , ..., 36 können beispielsweise jeweils einen Drehzahlregler mit einem Proportional-(Verstärkungs)Koeffizienten R^ . . , RQ aufweisen. Ein Bediener gibt vorab auf Basis der Roboterapplikation, im Ausführungsbeispiel dem robotergestützten Schleifen, eine Selektionsmatrix Sv für eine
Positions-Gewichtung und eine Selektionsmatrix SF für eine Kraft-Gewichtung in Form von Diagonalmatrizen vor ( Fig . 3: S10). Dabei setzt er in Sv für kartesische
Freiheitsgrade, bei denen eine präzise Positionierung wichtig ist, in der diesem Freiheitsgrad entsprechenden Zeile bzw. Spalte jeweils eine 1 , sonst eine 0, und in SF für kartesische Freiheitsgrade, bei denen Kräfte wichtig sind oder voraussichtlich von extern wirken, in der diesem Freiheitsgrad entsprechenden Zeile bzw. Spalte jeweils eine 1 , sonst eine 0.
Man erkennt, dass die beiden Selektionsmatrizen Sv, SF nicht zwingend
komplementär sind, der Bediener kann somit in einem Freiheitsgrad auch sowohl in Sv als auch SF eine 1 setzen.
Während des Betriebs ermittelt die Robotersteuerung 2 in einem Schritt S20 jeweils auf Basis der Pose q = [q1,...,q( ]T mit der Jacobimatrix J(q) an der roboterfesten Kontaktstelle am Schleifband die beiden Matrizen
Dabei bezeichnet J cff in fachüblicher Weise die Inverse der Jacobimatrix, J'iq) deren Transponierte. Die diagonalen Gewichtungsmatrizen Gv, GF transformieren die translatorischen und rotatorischen Größen in einen (pseudo)metrischen Raum. Hierzu können diese beispielsweise bei den translatorischen Freiheitsgraden eine 1 und bei den rotatorischen Freiheitsgraden den Kehrwert eines geeigneten Hebelarms, zum Beispiel zwischen Handwurzelpunkt und Kraftkontaktpunkt bzw. Toolspitze, aufweisen. Die Division durch den Betrag der betragsmäßig größten Komponente der mit Gv bzw. GF gewichteten Inversen bzw. Transponierten
max lj 1 (q) -G bzw. max |jr (q)- GF| normiert die Matrizen P, K auf Werte zwischen
0 und ±1 , insbesondere zwischen 0 und 1 . In einer Abwandlung wird statt der
Jacobimatrix eine mit der Massenmatrix M(q) gewichtete, insbesondere multiplizierte, Jacobimatrix verwendet:
J(q) M(q) Auf Basis dieser beiden Matrizen P, K ermittelt die Robotersteuerung 2 gemäß
Sensitivitätsfaktoren li,..., l6, diese liegen in einer Ausführung zwischen -1 und 1.
Dann werden die Proportional-(Verstärkungs)Koeffizienten Pi, ...,P6 der
Drehzahlregler, für die jeweils Extremalwerte P F,I ,> - - - > P F,6 für eine maximale
Kraftregelung und Extremalwerte P n,i,, · · · ,R v,6 für eine maximale Positionsregelung
vorgegeben sind, in Abhängigkeit von diesen Sensitivitätsfaktoren, beispielsweise gemäß
P - P P + P
P = li£ _ : LL· . i + LiZZlhL·
2 2 einge- bzw. verstellt und in einem Schritt S30 die einzelnen Gelenkantriebe 51 , ..., 56 des Roboters mit entsprechenden Stellgrößen ui ,...,u6 kommandiert, die sich aus diesen Proportional-(Verstärkungs)Koeffizienten und den Eingangsgrößen yd.i , -,yd,6 ergeben, in einem einfachen Beispiel gemäß u, = Rί(lί(Vt, Sv, SF)> yd,i
Man erkennt, dass die Einzelgelenkregler 31 ,...,36, die über die (Kommandierung der) Gelenkantriebe 51 , ..., 56 die Gelenke des Roboters 1 verstellen, auf Basis der Pose q des Roboters 1 und der durch die Selektionsmatrizen Sv, SF vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung der kartesischen Freiheitsgrade der roboterfesten Referenz verstellt werden.
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 Robotersteuerung
3 Werkstück
4 Schleifband
10 Kraftregelung
20 Positionsregelung
31 ,...,36 Einzelgelenkregler
51 ,...,56 Gelenkantrieb
Claims
1. Verfahren zur Regelung eines Roboters (1 ), wobei wenigstens ein Gelenkregler (31 -36) zur Verstellung eines Gelenks des Roboters auf Basis einer Pose des Roboters und einer vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung wenigstens eines kartesischen Freiheitsgrades einer roboterfesten Referenz verstellt wird (S20).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkregler während eines Betriebs des Roboters auf Basis einer aktuellen und/oder prognostizierten Pose des Roboters und der vorgegebenen Kraft- und
Positions-Gewichtung verstellt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkregler auf Basis einer vorgegebenen kartesischen Soll-Kraft und einer vorgegebenen kartesischen Soll-Position, insbesondere einer hybriden Kraft-Positions-Regelung, einen Gelenkantrieb des Roboters kommandiert.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- und Positions-Gewichtung vorab, auf Basis einer
Roboterapplikation, durch einen Bediener und/oder mithilfe wenigstens einer Selektionsmatrix vorgegeben ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkregler auf Basis der vorgegebenen Kraft- und
Positions-Gewichtung wenigstens eines kartesischen Freiheitsgrades derart verstellt wird, dass er einer Abweichung der roboterfesten Referenz von einer vorgegebenen kartesischen Soll-Position in diesem Freiheitsgrad bei höherer Positions-Gewichtung stärker entgegenwirkt als derselben Abweichung bei höherer Kraft-Gewichtung.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Koeffizient des Gelenkreglers auf Basis der Pose des Roboters und der vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung verstellt wird, insbesondere zwischen einem vorgegebenen Extremalwert für eine maximale
Positions-Gewichtung und einem vorgegebenen Extremalwert für eine maximale Kraft-Gewichtung.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkregler auf Basis einer, insbesondere gewichteten, Jacobimatrix der roboterfesten Referenz, insbesondere einer, insbesondere normierten und/oder gewichteten, Inversen und/oder Transponierten dieser Jacobimatrix, verstellt wird.
8. System zur Regelung eines Roboters (1 ), das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist: Mittel (2) zum Verstellen wenigstens eines Gelenkreglers (31 -36) zur Verstellung eines Gelenks des Roboters auf Basis einer Pose des Roboters und einer vorgegebenen Kraft- und Positions-Gewichtung wenigstens eines kartesischen Freiheitsgrades einer roboterfesten Referenz.
9. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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