WO2020094878A1 - Roboter und verfahren zur steuerung der bewegung eines roboters - Google Patents

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WO2020094878A1
WO2020094878A1 PCT/EP2019/080765 EP2019080765W WO2020094878A1 WO 2020094878 A1 WO2020094878 A1 WO 2020094878A1 EP 2019080765 W EP2019080765 W EP 2019080765W WO 2020094878 A1 WO2020094878 A1 WO 2020094878A1
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robot
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force measuring
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Niklas BÖHME
Sebastian Getz
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Franka Emika Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a robot and a method for controlling the movement of a robot.
  • Robots in particular also lightweight robots.
  • the spectrum ranges from simple pick & place activities to machining workpieces and lifting or carrying objects to interactions with the human body, such as in surgery.
  • robots be they position-controlled industrial robots or force and / or torque-controlled manipulators, have additional force sensors or force measuring devices that are designed and set up to influence them in a corresponding manner during teaching, position control or motion control to take.
  • a position-controlled robot system in which a force sensor is provided at the end of the robot arm, which is able to detect an input force applied by a user at this end with the aim of thereby achieving the desired position of the robot arm to change.
  • Corresponding information relating to the weight or the mass of an object or tool held by the robot arm must be communicated to the control of the robot system in advance so that the position control can be carried out at all.
  • An industrial robot is known from DE 10 2012 017 328 B4, which is designed to determine the mass of an object held by it, in that the robot executes independent movements and the accelerations in relation to the object are used as a basis for calculating the mass.
  • the invention relates to a robot with a robot arm, which has at least two axes or members that are movable relative to one another and is designed to grip an object, and the at least one sensor device for force and / or torque detection with respect to a movement of the red upper arm, wherein at least one force measuring device is provided, which is designed to measure a force in relation to the gripped object, which results when a user guides the robot arm in free space.
  • the force measuring device is designed to measure a gravitational force resulting from or exerted by the object when the user guides the robot arm in its gravitationally compensated state in free space, as a result of which the mass or weight of the object can then be determined.
  • Robots in the sense of the invention can be understood to mean an industrial robot or also an articulated arm robot of lightweight construction with in particular at least six serially successive axes of rotation. According to the invention, however, it should preferably be a robot that can be operated in a force and / or torque-controlled manner instead of merely in a position-controlled manner and is designed for human-robot collaboration.
  • Such lightweight robots are usually designed via the sensor device to react to various external forces in a suitable manner, the sensor device being formed by torque sensors arranged on the joints or implemented in the drives of the joints, whereby torques and / or Forces in several spatial directions can be recorded or measured.
  • the external forces can also be estimated on the basis of the measured motor currents of the drives at the joints of the lightweight robot.
  • indirect force control by modeling the lightweight robot as mechanical resistance (impedance control) or direct force control can be used as control concepts.
  • the robot is also set up to provide a resilience of the robot arm suitable for safe human-robot collaboration, if necessary, which enables manual operation by the user, i.e.
  • the robot arm can be moved manually by the user in free space and thereby guided in a targeted manner, whereby the joints can be adjusted accordingly, possibly in dependence on predetermined stiffness parameters, and thus the limbs of the robot arm.
  • free space in the sense of the invention is understood to mean the free space within which the robot arm can move freely with respect to its entire movement space that can be covered by its kinematics, without using stationary structures, for example a storage space, either directly or indirectly to come into contact with an object gripped by this.
  • the at least one further force measuring device which in principle can be of any design, is designed to measure a force exerted by the user on the robot arm and not on an object held by it, and only during the user manually guides the robot arm in free space at the same time.
  • a robot controller is provided which is designed to detect the force measured by means of the force measuring device and, moreover, the drive forces and / or drive moments of the drives exerted by the robot arm in the context of the interaction with the object, ie when the gripped and held object is guided to be distinguished in the joints between the axes or links from the force measured by means of the force measuring device.
  • the sensor device which is provided for controlling the movement of the robot arm, detects the forces and / or moments that occur, while at the same time the additional force measuring device according to the invention detects the movement of the robot arm by manually guiding it Forces acting on the object are recorded.
  • the force measuring device can be implemented in any known version of a force sensor and in particular comprise several degrees of freedom. Force measurement in the sense of the invention can also include a torque measurement.
  • the at least one force measuring device can be arranged on the outer housing structure of the robot arm, for example on the housing shells of a manipulator. If the robot arm has an end effector for interaction with the object, the force measuring device can be arranged on the end effector or can preferably be integrated therein. It is also conceivable that the robot arm, preferably at its distal end, has an input device for the user for controlling and / or programming the robot, wherein the force measuring device can be arranged on the input device or can preferably be integrated therein. In a further embodiment according to the invention, the force measuring device can be arranged inside the housing structure of the robot arm. The arrangement of structural components inside the housing shells of a manipulator is conceivable.
  • the force measuring device can preferably be integrated into the existing sensor device in the joints between axle members, whereby either additional sensors are used for this or the existing torque and / or force sensors in the joints allow an evaluation in terms of control technology via appropriate algorithms such that the robot controller can be integrated into the Position is shifted to make a clear distinction between the force exerted externally by the user or the moment exerted when the robot arm is being guided, for example, and the prevailing drive forces and / or drive torques, also in relation to activated gravitational compensation.
  • the invention therefore relates to a method for controlling the movement of a robot with a robot arm which has at least two axes or members which are movable relative to one another and is designed to grip an object, and which has at least one sensor device for force and / or or torque detection, at least one force measuring device being provided, with the steps:
  • the robot controlled in this way is enabled to carry out an active weight compensation by the robot arm in relation to the measured weight of the object.
  • the drives in the joints of the robot arm are controlled, possibly in addition to an activated gravitational compensation, that the user can effortlessly guide the robot arm together with the object gripped by it in free space, for example between different positions.
  • the robot arm is also able to perform independent operations in connection with the object (e.g. self-controlled movements, moving the object along surfaces, movement of the object relative to a tool, etc.).
  • the robot arm is designed in such a way that when the robot arm is guided by the user in free space, the robot arm can exert a force amplification in accordance with predetermined conversion factors that relate both to free guidance in space for the purpose of determining the weight of the object and can also be applied to guiding the execution or implementation of work steps by means of the object, the conversion factors also being determined, inter alia, from the measured weight of the object.
  • a force amplification can be implemented, for example, as described in the applicant's unpublished German Patent No. 10 2017 124 356.9, the disclosure content of which is expressly referred to here.
  • the weight values of the object measured by means of the force measuring device are compared with target and / or weight tolerance range values stored for the defined object, which are stored in a memory of the robot controller.
  • the robot arm can act as a load cell to check predetermined weight values or ranges.
  • the results of such a check can be transmitted to the user, preferably via an input device, audiovisually or haptically, for example by vibrating the robot arm.
  • the robot in particular in addition to torque and / or force measuring sensors in the joints of the robot arm, having at least one, in particular separate, force measuring device according to the invention, which can be attached anywhere within or outside the kinematic and housing structure of the robot arm, in principle in With regard to forces acting on the robot arm, a distinction is made as to whether these are applied artificially by a user or in the operation of an object or an environment, for example in the event of contact.
  • the robot according to the invention with a self-sufficient, ie separate from the separate sensor device already implemented in the robot, which can be composed of the entirety of all the rotation and / or force sensors arranged in the joints between the links, it becomes possible for the first time, to break down the external forces acting on the robot arm into a user-induced, ie human force and an object-dependent ambient force.
  • This distinction according to the invention with regard to the external forces enables different applications for such a robot.
  • such a force and / or torque controlled, i.e. flexibility-controlled robots with at least one additional self-sufficient force measuring device can be used in the function of a load cell in quality control, in which the weight or the mass of an object to be gripped and moved is to be used as a quality-determining parameter.
  • a user can guide the robot arm in its gravitationally compensated state, so that an object is picked up by a gripper at the end of the robot arm, and the user lifts the robot arm together with the gripped object into the free space.
  • the robot arm as a whole functions, so to speak, as a gripping means with which the user lifts the object.
  • this can also be carried out by the robot arm when force amplification is activated.
  • the weight of the object picked up can then be detected in the free space by the force measuring device or estimated in the context of a subsequent evaluation depending on the value recorded by the force measuring device. If the weight is outside a predefined tolerance range that is stored in a memory of the robot controller, the object can be sorted out as defective directly.
  • This procedure can be used as an example when checking the number of individual parts (such as screws), whereby a previously defined mass value correlates with a correct number of individual parts, during the transfer into a packaging provided for this purpose (such as a screw box) or when checking the filling quantity of one Liquid container at Transfer or lifting using the robot arm.
  • a packaging provided for this purpose (such as a screw box) or when checking the filling quantity of one Liquid container at Transfer or lifting using the robot arm.
  • Another application of the system according to the invention relates to the automatic compensation of loads absorbed by the robot arm.
  • the user guides the robot arm in its gravitationally compensated mode in such a way that an object is picked up and raised, which in turn can optionally take place when the force amplification is activated.
  • the weight of the picked-up object can be measured or estimated again, the weight of the object thus obtained then being actively compensated for by the robot arm as it moves, by applying appropriate counterforces and / or moments in the drives of the joints can be.
  • the robot arm applies an actuating force on the robot side that acts counter to the weight of the object.
  • the robot can then be effortlessly guided through the room by the user, or the robot arm can carry out operations independently using the weight compensation thus achieved.
  • the robot arm is guided by the operator during the detection of the weight and does not initially move independently.
  • the operator must therefore initially apply the additional force to the robot arm in order to be able to lift the weight.
  • the measured weight can then optionally be included in the weight compensation, both for movements carried out by the operator and for independent movements of the robot arm. It becomes clear that by providing at least one further force measuring device and a corresponding evaluation control, the application spectrum of a human-robot collaboration can be expanded, in particular for such robots.
  • FIG. 1 schematically shows a robot according to the invention
  • Fig. 2 shows schematically a manual guiding of the robot
  • Fig. 3 schematically shows a self-controlled movement of the
  • Robot compensating for the weight of the object.
  • FIG. 1 The principle of the invention is shown schematically in FIG. 1
  • a 7-axis articulated arm robot has a robot arm 1 consisting of a plurality of links 2 and, at its distal end, an input device 3, opposite which a gripping mechanism 4 is provided, by means of which the robot 1 can grasp an object 7.
  • the robot 1 is provided with a controller 6, which interacts with a sensor device (not shown), which is composed of the totality of all force and / or torque sensors in the drives in the joints between the individual members 2 and which controls the flexibility of the robot arm 1 enables.
  • the robot arm 1 has at least one further force measuring device 5 of any configuration, which can be attached internally or externally at any point on the robot arm 1 (shown here by way of example in connection with the input device 3).
  • the robot arm 1 In its gravitationally compensated mode, the robot arm 1 can be freely moved by a user (hand) in the free space S, so that the object 7 can be gripped.
  • the user With the object 7 gripped, the user is able to lift the object 7 by means of the robot arm 1 and guide it into the free space S or hold it there, as FIG. 2 shows by way of example.
  • the robot arm 1 Since the robot arm 1 is in the gravitationally compensated state, the manually applied lifting force F H thus corresponds to the gravitational force F 0 exerted by the object 7, which can then be measured in the following by the force measuring device 5.
  • the robot arm 1 consequently functions here as a load cell for the object 7.
  • the weight parameter determined in this way can thus influence in a simple manner as part of a human-robot collaboration, for example for checking the weight of a component during packaging.
  • the weight determined by the force measuring device 5 can also be used in the following in order to bring about active weight compensation in the case of self-controlled movements by means of the robot arm 1, in that the drives in the joints counteract one of the weight forces of the object 7 via corresponding drive forces and / or moments exert effective compensation force F R , as shown in FIG. 3 as an example.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboter mit einer zusätzlichen Kraftmesseinrichtung (5) sowie ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Roboters.

Description

Roboter und Verfahren zur Steuerung
der Bewegung eines Roboters
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboter und ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Roboters.
Mittels Roboter, insbesondere auch Roboter der Leichtbauweise, können unterschiedliche Tätigkeiten verrichtet werden. Das Spektrum reicht von einfachen Pick & Place-Tätigkeiten über Bearbeitungen von Werkstücken und das Heben bzw. Tragen von Gegenständen bis zu Interaktionen mit dem menschlichen Körper, wie beispielsweise in der Chirurgie.
Grundsätzlich ist es auch bekannt, dass Roboter, sei es positionsgeregelte Industrieroboter oder kraft- und/oder momentgeregelte Manipulatoren, zusätzliche Kraftsensoren oder Kraftmesseinrichtungen aufweisen, die ausgebildet und eingerichtet sind, beim Teachen, bei der Positionsregelung oder bei der Bewegungssteuerung in einer entsprechenden Weise Einfluss zu nehmen.
Aus der DE 10 2015 004 484 Al ist beispielweise ein positionsgeregeltes Robotersystem bekannt, bei dem am Ende des Roboterarms ein Kraftsensor vorgesehen ist, der in der Lage ist, eine durch einen Benutzer an diesem Ende aufgebrachte Eingabekraft zu erfassen mit dem Ziel, dadurch die Sollposition des Roboterarms zu ändern. Entsprechende Informationen in Bezug auf das Gewicht bzw. die Masse eines durch den Roboterarm gehaltenen Gegenstands bzw. Werkzeugs müssen der Steuerung des Robotersystems vorab mitgeteilt werden, damit die Positionssteuerung überhaupt durchführbar ist . Des Weiteren ist es aus der DE 10 2015 214 170 Al bekannt, für zumindest ein Glied eines mehrgliedrigen Roboterarms eine Kraftmesseinrichtung vorzusehen, die mit Strukturbauteilen des Glieds oder von angrenzenden Gliedern zusammenwirkt und ausgebildet ist, eine Kraft an dem Glied in einer vorgegebenen Richtung zu messen mit dem Ziel, die Positioniergenauigkeit des Roboters zu verbessern.
Aus der DE 10 2012 017 328 B4 ist ein Industrieroboter bekannt, der ausgebildet ist, die Masse eines durch diesen gehaltenen Objekts zu bestimmen, indem der Roboter eigenständige Bewegungen ausführt und die Beschleunigungen in Bezug auf das Objekt als Berechnungsgrundlage für die Masse herangezogen werden.
Allgemein sind aus dem Stand der Technik bei Robotern diverse Kraftsensoren bekannt, die in der Lage sind, die von außen auf den Roboter einwirkenden Kräfte zu messen. Keines der bekannten Systeme ist jedoch ausgelegt, derartige Kräfte zur Bestimmung der Eigenschaften eines von dem Roboterarm gegriffenen oder gehaltenen Objekts oder eines Objekts, mit dem der Roboterarm interagiert, insbesondere in Kontakt tritt, weitergehend, insbesondere im Rahmen einer Mensch-Roboter- Kollaboration zu nutzen.
Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Kraftmesseinrichtung, die mit einem Roboterarm zusammenwirkt, einer neuen Auswertungsmöglichkeit zuzuführen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein entsprechendes Steuerverfahren zur Verfügung zu stellen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Roboter nach Anspruch 1 sowie mit einem Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Roboters nach Anspruch 11. In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Roboter mit einem Roboterarm, der zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Achsen bzw. Glieder aufweist und ausgebildet ist, ein Objekt zu greifen, und der zumindest eine Sensoreinrichtung zur Kraft- und/oder Momenterfassung in Bezug auf eine Bewegung des Rotoberarms aufweist, wobei zumindest eine Kraftmessvorrichtung vorgesehen ist, die ausgebildet ist, eine Kraft in Bezug auf das gegriffene Objekt zu messen, die resultiert, wenn ein Benutzer den Roboterarm im Freiraum führt .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kraftmessvorrichtung ausgebildet, eine durch das Objekt resultierende bzw. ausgeübte Gravitationskraft zu messen, wenn der Benutzer den Roboterarm in seinem gravitationskompensierten Zustand im Freiraum führt, wodurch sich dann die Masse bzw. das Gewicht des Objekts bestimmen lässt .
Unter Roboter im Sinne der Erfindung kann ein Industrieroboter oder auch ein Knickarmroboter der Leichtbauweise mit insbesondere zumindest sechs seriell aufeinander folgenden Drehachsen verstanden werden. Gemäß der Erfindung soll es sich jedoch vorzugsweise um einen Roboter handeln, der kraft- und/oder momentengeregelt statt lediglich positionsgeregelt betrieben werden kann und für eine Mensch-Roboter- Kollaboration ausgelegt ist.
Derartige Leichtbauroboter sind in der Regel über die Sensoreinrichtung ausgelegt, auf diverse externe Krafteinwirkungen in geeigneter Weise zu reagieren, wobei die Sensoreinrichtung durch jeweils an den Gelenken angeordnete bzw. in den Antrieben der Gelenke implementierte Drehmomentsensoren gebildet wird, wodurch Drehmomente und/oder Kräfte in mehreren Raumrichtungen erfasst bzw. gemessen werden können. Alternativ oder ergänzend können die externen Kräfte auch anhand der gemessenen Motorströme der Antriebe an den Gelenken des Leichtbauroboters abgeschätzt werden. Als Regelungskonzepte können beispielsweise eine indirekte Kraftregelung durch Modellierung des Leichtbauroboters als mechanischer Widerstand (Impedanzregelung) oder eine direkte Kraftregelung verwendet werden.
Der Roboter ist des Weiteren dazu eingerichtet, eine für die sichere Mensch-Roboter-Kollaboration geeignete Nachgiebigkeit des Roboterarms bei Bedarf zur Verfügung zu stellen, was einen Handfahrbetrieb durch den Benutzer ermöglicht, d.h. der Roboterarm kann durch den Benutzer im freien Raum beliebig manuell bewegt und dadurch gezielt geführt werden, wobei sich die Gelenke, ggfs. in Abhängigkeit vorgegebener Steifigkeitsparametrierungen, und damit die Glieder des Roboterarms entsprechend verstellen lassen.
Des Weiteren ist unter Freiraum im Sinne der Erfindung derjenige freie Raum zu verstehen, innerhalb von welchem der Roboterarm in Bezug auf seinen gesamten, durch seine Kinematik abdeckbaren Bewegungsraum frei beweglich ist, ohne mit stationären Strukturen, bspw. einer Ablage, entweder unmittelbar oder mittelbar über ein durch diesen gegriffenes Objekt in einen Kontakt zu gelangen.
Der Kern der Erfindung liegt u.a. darin, dass die zumindest eine weitere Kraftmesseinrichtung, die prinzipiell beliebig ausgestaltet sein kann, ausgebildet ist, eine durch den Benutzer auf den Roboterarm und nicht auf ein durch diesen gehaltenes Objekt ausgeübte Kraft zu messen, und zwar nur, während der Benutzer den Roboterarm gleichzeitig im Freiraum manuell führt. Hierzu ist eine Robotersteuerung vorgesehen, die ausgebildet ist, die mittels der Kraftmessvorrichtung gemessene Kraft zu erfassen und darüber hinaus die durch den Roboterarm im Rahmen der Interaktion mit dem Objekt, d.h. beim Führen des gegriffenen und gehaltenen Objekts, ausgeübten Antriebskräfte und/oder Antriebsmomente der Antriebe in den Gelenken zwischen den Achsen bzw. Gliedern von der mittels der Kraftmessvorrichtung gemessenen Kraft zu unterscheiden. Beim Bewegen des Roboterarms zusammen mit dem Objekt erfasst die Sensoreinrichtung, die zur Steuerung der Bewegung des Roboterarms vorgesehen ist, die dabei auftretenden Kräfte und/oder Momente, während gleichzeitig die zusätzliche Kraftmessvorrichtung gemäß der Erfindung die durch das manuelle Führen des Roboterarms die dabei auf das Objekt wirkenden Kräfte erfasst.
Die Kraftmesseinrichtung kann in jeder bekannten Ausführung eines Kraftsensors realisiert sein und insbesondere mehrere Freiheitsgrade umfassen. Kraftmessung im Sinne der Erfindung kann hierbei auch eine Momentenmessung beinhalten.
In einer Ausführungsform kann die zumindest eine Kraftmessvorrichtung an der äußeren Gehäusestruktur des Roboterarms angeordnet sein, bspw. an den Gehäuseschalen eines Manipulators. Weist der Roboterarm einen Endeffektor zur Interaktion mit dem Objekt auf, kann die Kraftmessvorrichtung an dem Endeffektor angeordnet oder vorzugsweise in diesem integriert sein. Denkbar ist auch, dass der Roboterarm, vorzugsweise an seinem distalen Ende, eine Eingabevorrichtung für den Benutzer zur Steuerung und/oder Programmierung des Roboters aufweist, wobei die Kraftmessvorrichtung an der Eingabevorrichtung angeordnet oder vorzugsweise in dieser integriert sein kann. In einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung kann die Kraftmessvorrichtung im Inneren der Gehäusestruktur des Roboterarms angeordnet sein. Denkbar ist die Anordnung an Strukturbauteilen im Inneren von Gehäuseschalen eines Manipulators. Vorzugsweise kann die Kraftmessvorrichtung in die bestehende Sensoreinrichtung in den Gelenken zwischen Achsgliedern integriert sein, wobei entweder hierfür zusätzliche Sensoren zum Einsatz kommen oder die bestehenden Drehmoment- und/oder Kraftsensoren in den Gelenken regelungstechnisch über entsprechende Algorithmen eine Auswertung zulassen derart, dass die Robotersteuerung in die Lage versetzt wird, zwischen der extern von dem Benutzer ausgeübten Kraft bzw. dem ausgeübten Moment u.a. beim Führen des Roboterarms und den jeweils vorherrschenden Antriebskräften und/oder Antriebsmomenten, auch in Bezug auf eine aktivierte Gravitationskompensation, eindeutig zu unterscheiden .
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung daher ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Roboters mit einem Roboterarm, der zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Achsen bzw. Glieder aufweist und ausgebildet ist, ein Objekt zu greifen, und der zumindest eine Sensoreinrichtung zur Kraft- und/oder Momentenerfassung aufweist, wobei zumindest eine Kraftmessvorrichtung vorgesehen ist, mit den Schritten:
- Aktivieren eines gravitationskompensierten Zustands für den Roboterarm;
- Greifen des Objekts durch den Roboterarm;
- Führen des Roboterarms in einem Freiraum mittels einer von einem Benutzer auf den Roboterarm aufgebrachten Kraft und/oder mittels eines von dem Benutzer auf den Roboterarm aufgebrachten Moments; und
Erfassen des Gewichts des Objekts durch die Kraftmessvorrichtung, wenn der Benutzer den Roboterarm im Freiraum bewegt oder hält. Wurde das Gewicht des gegriffenen bzw. gehaltenen Objekts erstmalig, einmalig oder fortlaufend, durch die implementierte Robotersteuerung erfasst, wird der so gesteuerte Roboter in die Lage versetzt, durch den Roboterarm in Bezug auf das gemessene Gewicht des Objekts eine aktive Gewichtskompensation auszuüben. Hierzu werden die Antriebe in den Gelenken des Roboterarms so angesteuert, ggfs. zusätzlich zu einer aktivierten Gravitationskompensation, dass der Benutzer den Roboterarm zusammen mit dem durch diesen gegriffenen Objekt mühelos im freien Raum bspw. zwischen verschiedenen Positionen führen kann. Bei aktivierter Gewichtskompensation ist der Roboterarm darüber hinaus auch in der Lage, eigenständige Operationen in Verbindung mit dem Objekt (z. Bsp. eigengesteuerte Bewegungen, Entlangführen des Objekts an Flächen, Bewegung des Objekts relativ zu einem Werkzeug usw.) durchzuführen .
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Roboterarm so ausgebildet, dass beim Führen des Roboterarms durch den Benutzer im Freiraum durch den Roboterarm eine Kraftverstärkung nach Maßgabe von vorbestimmten Umwandlungsfaktoren ausgeübt werden kann, die sowohl auf das freie Führen im Raum zum Zweck der Gewichtsermittlung des Objekts als auch auf ein Führen zur Ausführung bzw. Realisierung von Arbeitsschritten mittels des Objekts angewandt werden kann, wobei sich die Umwandlungsfaktoren u.a. auch aus dem gemessenen Gewicht des Objekts bestimmen. Eine derartige Kraftverstärkung kann beispielsweise realisiert werden, wie diese in dem nicht-veröffentlichten Deutschen Patent Nr. 10 2017 124 356.9 der Anmelderin beschrieben ist, auf dessen Offenbarungsgehalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird . In einer Weiterbildung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die mittels der Kraftmessvorrichtung gemessenen Gewichtswerte des Objekts mit für das definierte Objekt hinterlegten Gewichtssoll- und/oder- Gewichtstoleranzbereichswerten verglichen werden, die in einem Speicher der Robotersteuerung abgelegt sind. Auf diese Art und Weise kann der Roboterarm als eine Wägezelle fungieren, um vorgebebene Gewichtswerte oder -bereiche zu überprüfen. Die Ergebnisse einer solchen Überprüfung können dem Benutzer, vorzugsweise über eine Eingabevorrichtung, audiovisuell oder haptisch, bspw. durch Vibrieren des Roboterarms, übermittelt werden .
Indem der Roboter, insbesondere ergänzend zu Drehmoment- und/oder Kraftmesssensoren in den Gelenken des Roboterarms, zumindest eine erfindungsgemäße, insbesondere separate Kraftmesseinrichtung aufweist, die sich an beliebiger Stelle inner- oder außerhalb der kinematischen und Gehäusestruktur des Roboterarms anbringen lässt, kann im Prinzip in Bezug auf Kräfte, die auf den Roboterarm wirken, unterschieden werden, ob diese künstlich durch einen Benutzer oder im Betrieb von einem Objekt oder einer Umgebung, bspw. bei Kontakt, aufgebracht werden.
Gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Roboters mit einer autark, d.h. getrennt von der bereits im Roboter implementierten separaten Sensorvorrichtung, die sich aus der Gesamtheit aller in den Gelenken zwischen den Gliedern angeordneten Dreh- und/oder Kraftsensoren zusammensetzen kann, fungierenden Kraftmesseinrichtung wird es erstmalig möglich, die auf den Roboterarm wirkenden externen Kräfte in eine benutzerinduzierte, d.h. menschliche Kraft und eine objektabhängige Umgebungskraft zu zerlegen. Diese erfindungsgemäße Unterscheidung in Bezug auf die externen Kräfte ermöglicht unterschiedliche Anwendungen für einen solchen Roboter.
Beispielsweise kann ein derart kraft- und/oder drehmomentgeregelter, d.h. nachgiebigkeitsgeregelter Roboter mit zumindest einer zusätzlichen autarken Kraftmesseinrichtung in der Funktion einer Wägezelle bei der Qualitätskontrolle eingesetzt werden, bei der das Gewicht bzw. die Masse eines zu fassenden und bewegenden Objekts als qualitätsbestimmender Parameter herangezogen werden soll.
So ist es möglich, dass ein Benutzer den Roboterarm in seinem gravitationskompensierten Zustand führt, so dass durch einen Greifer am Ende des Roboterarms ein Gegenstand aufgenommen wird, und der Benutzer den Roboterarm zusammen mit dem gegriffenen Gegenstand in den Freiraum anhebt. Der Roboterarm insgesamt fungiert sozusagen als Greifmittel, mit Hilfe von welchem der Benutzer den Gegenstand anhebt. Dies kann optional auch bei aktivierter Kraftverstärkung durch den Roboterarm durchgeführt werden. Im Freiraum kann das Gewicht des aufgenommenen Gegenstandes dann durch die Kraftmesseinrichtung detektiert oder im Rahmen einer anschließenden Auswertung in Abhängigkeit des durch die Kraftmesseinrichtung aufgenommenen Wertes geschätzt werden. Liegt dann das Gewicht außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereiches, der in einem Speicher der Robotersteuerung abgelegt ist, kann das Objekt direkt als mangelhaft aussortiert werden.
Beispielhaft lässt sich dieses Vorgehen anwenden bei der Überprüfung der Anzahl von Einzelteilen (wie Schrauben) , wobei ein vorab definierter Massewert mit einer richtigen Anzahl von Einzelteilen korreliert, während der Überführung in eine hierfür vorgesehene Verpackung (wie Schraubenbox) oder bei der Überprüfung der Füllmenge eines Flüssigkeitsbehälters beim Überführen oder Anheben mittels des Roboterarms. Somit wird es u.a. möglich, eine derartige Qualitätskontrolle quasi automatisch durchzuführen, wenn ein Produkt umgeladen oder in eine Verpackung für den Weitertransport angehoben werden soll.
Ein weiterer Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Systems betrifft die automatische Kompensation von durch den Roboterarm aufgenommenen Lasten.
Auch hier führt der Benutzer den Roboterarm in seinem gravitationskompensierten Modus derart, dass ein Gegenstand aufgenommen und angehoben wird, was wiederum optional bei aktivierter Kraftverstärkung erfolgen kann. Im Freiraum kann das Gewicht des aufgenommenen Gegenstandes wieder gemessen oder geschätzt werden, wobei das so erhaltene Gewicht des Objektes dann im weiteren Bewegungsverlauf des Roboterarms durch diesen, und zwar durch die Aufbringung entsprechender Gegenkräfte und/oder -momente in den Antrieben der Gelenke, aktiv kompensiert werden kann. Dabei bringt der Roboterarm eine der Gewichtskraft des Objekts entgegengesetzt wirkende, roboterseitige Betätigungskraft auf. Bei aktiver Kompensation des Gewichtes kann der Roboter dann mühelos vom Benutzer durch den Raum geführt werden oder der Roboterarm führt unter Anwendung der so erzielten Gewichtskompensation eigenständig Operationen aus.
Mit anderen Worten, wird der Roboterarm während der Erfassung des Gewichtes von der Bedienperson geführt und bewegt sich zunächst nicht eigenständig. Die Bedienperson muss also zu Beginn selbst die zusätzliche Kraft auf den Roboterarm aufbringen, um das Gewicht anheben zu können. Anschließend kann optional das gemessene Gewicht in die Gewichtskompensation mit einbezogen werden, sowohl für von der Bedienperson durchgeführte Bewegungen als auch für eigenständige Bewegungen des Roboterarms. Es wird deutlich, dass durch das Vorsehen zumindest einer weiteren Kraftmessvorrichtung und einer entsprechenden Auswertesteuerung das Einsatzspektrum einer Mensch-Roboter- Kollaboration insbesondere für derartige Roboter erweitert werden kann.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des anhand der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Roboter gemäß der Erfindung;
Fig. 2 schematisch ein manuelles Führen des Roboter zur
Bestimmung des Gewichts eines Objekts; und
Fig. 3 schematisch eine eigengesteuerte Bewegung des
Roboters unter Kompensation des Gewichts des Objekts .
In der Figur 1 ist schematisch das Prinzip der Erfindung dargestellt .
Ein 7-achsiger Gelenkarmroboter weist einen Roboterarm 1 bestehend aus mehreren Gliedern 2 und an seinem distalen Ende eine Eingabevorrichtung 3 auf, der gegenüberliegend ein Greifmechanismus 4 vorgesehen ist, mit Hilfe von welchem der Roboter 1 ein Objekt 7 greifen kann.
Der Roboter 1 ist mit einer Steuerung 6 versehen, die mit einer Sensoreinrichtung (nicht gezeigt) zusammenwirkt, die sich aus der Gesamtheit aller Kraft- und/oder Drehmomentsensoren in den Antrieben in den Gelenken zwischen den einzelnen Gliedern 2 zusammensetzt und die eine Nachgiebigkeitsregelung des Roboterarms 1 ermöglicht. Gemäß der Erfindung weist der Roboterarm 1 zumindest eine weitere Kraftmessvorrichtung 5 beliebiger Ausgestaltung auf, die an irgendeiner Stelle des Roboterarms 1 intern oder extern angebracht sein kann (hier exemplarisch gezeigt in Verbindung mit der Eingabevorrichtung 3) .
Der Roboterarm 1 ist in seinem gravitationskompensierten Modus durch einen Benutzer (Hand) im Freiraum S frei beweglich führbar, so dass das Objekt 7 gegriffen werden kann.
Mit gegriffenem Objekt 7 ist der Benutzer in der Lage, mittels des Roboterarms 1 das Objekt 7 anzuheben und in den Freiraum S zu führen oder dort zu halten, wie die Fig. 2 exemplarisch zeigt. Da der Roboterarm 1 im gravitationskompensierten Zustand vorliegt, entspricht die manuell aufgebrachte Hebekraft FH damit der durch das Objekt 7 ausgeübten Gravitationskraft F0, die im Folgenden dann durch die Kraftmessvorrichtung 5 gemessen werden kann. Der Roboterarm 1 fungiert hier folglich als eine Wägezelle für das Objekt 7. So kann der so bestimmte Gewichtsparameter auf einfache Art und Weise im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kollaboration, bspw. zum Prüfen des Gewichts eines Bauteils beim Verpacken, Einfluss nehmen .
Das durch die Kraftmessvorrichtung 5 bestimmte Gewicht kann im Folgenden jedoch auch herangezogen werden, um bei eigengesteuerten Bewegungen mittels des Roboterarms 1 eine aktive Gewichtskompensation zu bewirken, indem die Antriebe in den Gelenken über entsprechende Antriebskräfte und/oder - momente eine der Gewichtskraft des Objekts 7 entgegengesetzt wirkende Kompensationskraft FR ausüben, wie die Fig. 3 exemplarisch zeigt.

Claims

Ansprüche
1. Roboter mit einem Roboterarm (1), der zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Glieder (2) aufweist und ausgebildet ist, ein Objekt (7) zu greifen, und der zumindest eine Sensoreinrichtung zur Kraft- und/oder Momentenerfassung in Bezug auf eine Bewegung des
Roboterarms (1) aufweist,
gekennzeichnet durch
zumindest eine Kraftmessvorrichtung (5) , die ausgebildet ist, eine Kraft in Bezug auf das gegriffene Objekt (7) zu messen, die resultiert, wenn ein Benutzer den Roboterarm (1) im Freiraum (S) führt.
2. Roboter nach Anspruch 1, bei dem die Kraftmessvorrichtung
(5) ausgebildet ist, eine durch das Objekt (7) resultierende Gravitationskraft (F0) zu messen, wenn der Benutzer den Roboterarm (1) in seinem gravitationskompensierten Zustand im Freiraum (S) führt.
3. Roboter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Steuerung
(6) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, die mittels der Kraftmessvorrichtung (5) gemessene Kraft (F0) zu erfassen.
4. Roboter nach Anspruch 3, bei dem die Steuerung (6) des Weiteren ausgebildet ist, die durch den Roboterarm (1) im Rahmen der Interaktion mit dem Objekt (7) ausgeübten Antriebskräfte und/oder Antriebsmomente von der mittels der Kraftmessvorrichtung (5) gemessenen Kraft (F0) zu unterscheiden .
5. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kraftmessvorrichtung (5) an der äußeren Gehäusestruktur des Roboterarms (1) angeordnet ist.
6. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der
Roboterarm (1) einen Endeffektor (4) zur Interaktion mit dem Objekt (7) aufweist, und bei dem die Kraftmessvorrichtung (5) an dem Endeffektor (7) angeordnet oder in diesem integriert ist.
7. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Roboterarm (1) eine Eingabevorrichtung (3) für den Benutzer zur Steuerung und/oder Programmierung des Roboters aufweist, und bei dem die Kraftmessvorrichtung (5) an der Eingabevorrichtung (3) angeordnet oder in diese integriert ist.
8. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kraftmessvorrichtung (5) im Inneren der GehäuseStruktur des Roboterarms (1) angeordnet ist.
9. Roboter nach Anspruch 8, bei dem die Kraftmessvorrichtung (5) in die Sensoreinrichtung integriert ist.
10. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Kraftmessvorrichtung (5) ausgebildet ist, eine Kraft und/oder ein Moment in Bezug auf mehrere Achsen und damit Freiheitsgrade zu messen.
11. Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Roboters mit einem Roboterarm (1), der zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Glieder (2) aufweist und ausgebildet ist, ein Objekt (7) zu greifen, und der zumindest eine Sensoreinrichtung zur Kraft- und/oder Momentenerfassung in Bezug auf eine Bewegung des
Roboterarms (1) aufweist, wobei zumindest eine Kraftmessvorrichtung (5) vorgesehen ist, mit den Schritten :
- Aktivieren eines gravitationskompensierten Zustands für den Roboterarm (1);
- Greifen des Objekts (7) durch den Roboterarm (1);
Führen des Roboterarms (1) in einem Freiraum (S) mittels einer von einem Benutzer auf den Roboterarm (1) aufgebrachten Kraft (FH) und/oder mittels eines von dem Benutzer auf den Roboterarm (1) aufgebrachten Moments; gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
Erfassen des Gewichts des Objekts (7) durch die Kraftmessvorrichtung (5) , wenn der Benutzer den Roboterarm (1) im Freiraum (S) bewegt oder hält.
12. Verfahren nach Anspruch 11, aufweisend den weiteren
Schritt :
- Ausüben einer Gewichtskompensation durch den Roboterarm (1) in Bezug auf das gemessene Gewicht des Objekts (7) .
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem beim
Führen des Roboterarms (1) durch den Benutzer im Freiraum (S) durch den Roboterarm (1) eine Kraftverstärkung ausgeübt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, aufweisend den weiteren
Schritt :
- Ausüben einer Gewichtskompensation durch den Roboterarm
(1) in Bezug auf das gemessene Gewicht des Objekts (7) bei durch diesen eigenständig ausgeführten Bewegungen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, aufweisend den weiteren Schritt:
Vergleichen des durch die Kraftmessvorrichtung (5) gemessenen Gewichts des Objekts (7) mit für das Objekt (7) hinterlegten Gewichtssoll- und/oder- Gewichtstoleranzbereichswerten .
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem eine Information in Bezug auf das gemessene Gewicht des Objekts (7) an den Benutzer, vorzugsweise über eine Eingabevorrichtung (3) , übermittelt wird.
17. Verwendung eines Roboters nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Messen eines Gewichts eines durch einen Roboterarm (1) des Roboters gegriffenen Objekts (7), wenn das Objekt (7) durch den Roboterarm (1) gehalten und/oder geführt wird.
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