WO2020094879A1

WO2020094879A1 - Roboter und verfahren zur bestimmung eines bewegungsraums mittels eines roboters

Info

Publication number: WO2020094879A1
Application number: PCT/EP2019/080766
Authority: WO
Inventors: Niklas BÖHME; Sebastian Getz
Original assignee: Franka Emika Gmbh
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2020-05-14
Also published as: DE102018127921A1; DE102018127921B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboter mit einer zusätzlichen Kraftmesseinrichtung (5) sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsraums (S;B) mittels eines Roboters.

Description

Roboter und Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsraums mittels eines Roboters

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboter und ein Verfahren zur Bestimmung eines für einen Roboter zur Verfügung stehenden Bewegungsraums mit Hilfe des 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 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 angrenzender Glieder zusammenwirkt und ausgebildet ist, eine Kraft an dem Glied in einer vorgegebenen Richtung zu messen mit dem Ziel, die Positioniergenauigkeit des Roboters zu verbessern.

Konstruktionsbedingt und hinsichtlich seiner Kinematik ist einem Roboterarm bzw. Manipulator ein maximal zur Verfügung stehender Bewegungsraum zugeordnet, dessen Grenzen sich durch die jeweils maximale Erstreckung bzw. Reichweite seiner Glieder in dreidimensionaler Hinsicht ergeben. Innerhalb eines solchen Bewegungsraums kann der Roboterarm die jeweils vorgesehenen Tätigkeiten durchführen. Stationäre Hindernisse innerhalb eines solchen Bewegungsraums durch bspw. Objekte, Böden, Wände usw. müssen dem Robotersystem mitgeteilt, d.h. in der Regel einprogrammiert werden, was sich insbesondere bei positionsgeregelten Robotersystemen als sehr aufwändig und fehleranfällig erweist.

Allgemein sind aus dem Stand der Technik bei Robotern diverse Kraftsensoren bekannt, die in der Lage sind, von außen auf den Roboter einwirkende Kräfte zu messen. Des Weiteren ist es bekannt, die bei Kontakt eines Roboterarms, bspw. mittels seines Endeffektors, mit einem Objekt oder einer Fläche auftretenden Kontaktkräfte über die tatsächlich messbaren Antriebskräfte und/oder Antriebsmomente in Verbindung mit einem dynamischen Modell zu bestimmen, wie z. Bsp. die DE 10 2009 058 607 Al lehrt. Keines der bekannten Systeme ist jedoch ausgelegt, derartige Kräfte zur Bestimmung der Eigenschaften eines für einen Roboterarm vorgesehenen Bewegungsraums 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 einfaches Verfahren zur Bestimmung eines für einen Roboter vorzusehenden Bewegungsraums zur Verfügung zu stellen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Roboter nach Anspruch 1 sowie mit einem Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsraums für einen Roboter nach Anspruch 10.

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, mit einem Objekt zu interagieren, und der zumindest eine Sensoreinrichtung zur Kraft- und/oder Momenterfassung in Bezug auf eine Bewegung des Roboterarms aufweist, wobei zumindest eine Kraftmessvorrichtung vorgesehen ist, die ausgebildet ist, eine Kontaktkraft zu messen, die bei Kontakt des Roboterarms mit einem Hindernis bzw. einem Objekt als Reaktion einer durch einen Benutzer auf das Hindernis bzw. das Objekt mittels des Roboterarms ausgeübten Kraft resultiert.

Als Hindernis ist dabei jeglicher, vorzugsweise stationärer Gegenstand zu verstehen, der sich in Reichweite des Roboterarms befindet, wie Boden, Wände, Behälter, Arbeitsstationen, Ablagen, Fördereinrichtungen usw.. Der Gegenstand muss nicht zwangsläufig starr sein, sondern kann auch eine gewisse Elastizität oder Nachgiebigkeit aufweisen, wie beispielsweise menschliches Gewebe.

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.

Der Kern der Erfindung liegt folglich darin, dass die zumindest eine weitere Kraftmesseinrichtung, die prinzipiell beliebig ausgestaltet sein kann, ausgebildet ist, als Kontaktkraft eine Gegenkraft zu messen, die schlichtweg daraus resultiert, dass der Benutzer den Roboterarm, bspw. seinen Endeffektor, mit einem Hindernis bzw. einem Objekt in Kontakt bringt und dabei eine, wenn auch noch so geringe (Druck-) Kraft ausübt .

Ein solcher Kontakt kann punktuell erfolgen oder sich beim Führen des Roboterarms entlang einem eindimensionalen Pfad, entlang einer zwei- oder dreidimensionalen Pfadfolge oder entlang einer Raumkurve ausbilden.

Die Gegenkraft hängt selbstverständlich von der Höhe der durch den Benutzer aufgebrachten Kraft ab; gemäß der Erfindung kann das erstmalige Auftreten und Erfassen einer Kontaktkraft jedoch steuerungstechnisch herangezogen werden, die Position und Lage eines Hindernisses zu erkennen, das sich im maximal zur Verfügung stehenden Bewegungsraum des Roboterarms befindet. Das Berühren des Objekts an mehreren Positionen ermöglicht des Weiteren dann einen Rückschluss auf die zwei- oder dreidimensionale Form des Objekts, wie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren noch erläutert werden soll .

Hierzu ist eine Robotersteuerung vorgesehen, die ausgebildet ist, die mittels der Kraftmessvorrichtung gemessene Kontaktkraft zu erfassen und darüber hinaus die durch den Roboterarm im Rahmen der Interaktion mit dem Objekt ausgeübten Antriebskräfte und/oder Antriebsmomente der Antriebe in den Gelenken zwischen den Achsen bzw. Gliedern von der mittels der Kraftmessvorrichtung gemessenen Kontaktkraft zu unterscheiden.

Insbesondere ist die Robotersteuerung ausgelegt und eingerichtet, einen ein-, zwei- oder dreidimensionalen Verlauf einer Bewegung des Roboterarms durch Führen des Roboterarms durch den Benutzer in Bezug auf das Objekt unter Kontakt zu erfassen. Ein eindimensionaler Verlauf entspricht beispielsweise der Länge eines linearen Pfades, ein zweidimensionaler Verlauf mehreren (zumindest zwei) voneinander abweichenden linearen oder gekrümmten Pfaden in einer ebenen Fläche und ein dreidimensionaler Verlauf mehreren im Raum oder auf einer gekrümmten Fläche voneinander abweichenden linearen oder gekrümmten Pfaden oder einer Raumkurve .

So kann z.B. der Benutzer mit dem Roboterarm das Objekt an einem Punkt gezielt berühren, so dass die Steuerung erkennt, dass in Bezug auf eine Bewegung des Roboters in der durchgeführten Richtung ein Hindernis existiert. Ein solcher eindimensionaler Kontakt würde bereits ausreichen, um über ein entsprechend in der Steuerung hinterlegtes Raum- und/oder Bewegungsmodell oder über eine getrennte Programmierung zu erkennen, dass sich senkrecht zur Bewegungsrichtung des Roboterarms und/oder senkrecht zur Basis des Roboterarms eine vertikale Wand befindet, in der dieser Punkt liegt.

Denkbar ist es auch, dass der Benutzer den Roboterarm an dem Objekt, an einer Fläche davon unter ständiger Aufrechterhaltung des Kontakts entlang fährt, was nicht zwangsläufig linear erfolgen muss, um die Ausdehnung bzw. Erstreckung dieser Fläche des Objekts zu erfassen. Letztendlich kann eine solche Bewegung des Roboterarms unter Kontakt mit dem Objekt auch in allen möglichen Raumrichtungen, und zwar sowohl in einer kontinuierlichen als auch diskontinuierlichen Art und Weise, erfolgen, was Rückschlüsse über die äußere dreidimensionale Form des Objekts zulässt. Gleiches trifft auf einem Raum zu, bei dem die Wände, der Boden und die Decke die abtastbaren Grenzen bilden.

Der sich dabei einstellende Kontaktkraftverlauf entspricht im Prinzip einem Abtasten der Gestalt eines Objekts oder der Erstreckung bzw. Ausdehnung eines Raums. Da das dem Roboterarm zugeordnete Koordinatensystem in der Regel vorab bekannt ist, lässt sich so die genaue Position, Lage und Form des Objekts relativ zu der Position und Beweglichkeit des Roboterarms bestimmen. Damit ist ein Abtasten bzw. „Mapping" oder Vermessen des gesamten dem Roboterarm zu Verfügung stehenden Bewegungsraums mit allen seinen Hindernissen und Schranken möglich, was sich für nachfolgende Operationen bspw. beim Teachen des Roboterarms nutzen lässt.

Gemäß der Erfindung ist es jedoch auch denkbar, dass der Roboterarm nicht stationär, sondern selbst beweglich ist, bspw. ein auf einer mobilen Basis angeordneter Roboterarm, wodurch über den Roboterarm durch ein entsprechendes Führen durch den Benutzer auch zwei- oder dreidimensionale Strukturen unter Aufrechterhaltung des Kontakts abgefahren werden können, die größer sind als der nominell dem Roboterarm auf Grund seiner Kinematik zugeordnete Bewegungsraum.

Die Kraftmesseinrichtung kann in jeder bekannten Ausführung eines Kraftsensors realisiert sein und insbesondere mehrere Freiheitsgrade umfassen. Kraftmessung im Sinne der Erfindung beinhaltet hierbei auch eine Momentenmessung .

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 diesen 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 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 Bestimmung eines Bewegungsraums für einen Roboter mit einem Roboterarm, der zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Glieder aufweist und ausgebildet ist, mit einem Objekt zu interagieren, und der zumindest eine Sensoreinrichtung zur Kraft- und/oder Momentenerfassung in Bezug auf die Bewegung des Roboterarms und zumindest eine Kraftmessvorrichtung aufweist, mit den Schritten:

- Aktivieren eines gravitationskompensierten Zustands für den Roboterarm; - Führen des Roboterarms in Bezug auf ein Objekt durch einen Benutzer in einer ein-, zwei- oder dreidimensionalen Bewegungsfolge ;

- Messen einer Kontaktkraft oder eines Kontaktkraftverlaufs , die/der als Reaktion auf die durch den Benutzer bei Kontakt mit dem Objekt mittels des Roboterarms ausgeübten Kraft oder Kraftfolge resultiert; und

- Erfassen einer ein-, zwei- oder dreidimensionalen Struktur in Bezug auf den Bewegungsraum, bei der eine Kontaktkraft oder ein Kontaktkraftverlauf gemessen wurde.

Der Kern des Verfahrens gemäß der Erfindung liegt folglich darin, mittels eines Roboterarms, der quasi als Abtastvorrichtung fungiert, eine vorliegende eindimensionale Struktur, wie die Länge eines linearen Pfads, zweidimensionale Struktur, wie eine ebene Fläche, oder dreidimensionale Struktur, wie einen Raum oder eine gekrümmte Fläche, zu vermessen bzw. zu „scannen" und durch die Erkennung bzw. Messung einer Kontaktkraft oder einer Kontaktkraftfolge beim Abtasten der Objekte oder Hindernisse in unmittelbarer Umgebung zu dem Roboter eine virtuelle Raumstruktur in der Steuerung zu generieren, die Einfluss nehmen kann für nachfolgende Schritte beim Teachen oder Betrieb des Roboters.

Hierbei kann das Verfahren in einer Weiterbildung den weiteren Schritt aufweisen:

- Definieren einer Zulässigkeit in Bezug auf eine zukünftige Bewegung des Roboterarms in Abhängigkeit der ein-, zwei- oder dreidimensionalen Struktur.

Mit anderen Worten, durch vorab definierte oder noch definierbare Parameter in der Steuerung des Roboters sind den durch den Abtastvorgang mittels des Roboterarms erfassten Strukturen Freigaben oder Beschränkungen zugeordnet derart, dass bei anschließenden Operationen bzw. Bewegungen des Roboterarms dieser die Hindernisse kennt. Dadurch weiß die Steuerung für anschließende Operationen bereits, wo sich bspw. virtuelle und/oder tatsächliche Wände innerhalb des Bewegungsraums befinden, die im Zuge der anschließend vom Roboterarm zu vollführenden Bewegungen nicht durchfahren werden dürfen bzw. zu denen der Roboterarm einen ggfs, vorab definierten Sicherheitsabstand einzuhalten hat.

Daher kann das Verfahren gemäß der Erfindung weiter so ausgebildet sein, dass der erfassten Kontaktkraft oder dem erfassten Kontaktkraftverlauf Schwellenwerte zugeordnet sind, und bei dem den Schwellenwerten Operationen, Freigaben und/oder Beschränkungen zugeordnet sind.

So ist es denkbar, dass das Objekt, mit dem der Roboterarm beim Führen durch einen Benutzer in Kontakt gelangt, nicht starr ist, sondern bei Aufbringung einer Kraft durch den Benutzer etwas nachgibt, wie beispielsweise bei einem menschlichen Gewebe oder einer Muskulatur. Der Benutzer kann daher eine Körperfläche mit der gezielten Aufbringung einer Kraft über den Roboterarm „abtasten", wobei das System einerseits die Begrenzungen des Körpers durch das Erfassen der Kontaktkräfte ggfs. unter Berücksichtigung vorgegebener Toleranzbereiche erkennt und andererseits die aufgebrachte Kraft bzw. Kraftfolge durch den Benutzer abspeichert. Ändert sich die Lage des Körpers anschließend nicht, kann der Roboterarm eigenständige Bewegungen unter Aufbringung der abgespeicherten Kraft oder Kraftfolge ausführen, was sich für therapeutische und medizinische Maßnahmen nutzen lässt. So kann ein so konfigurierter Roboterarm z. Bsp. dann eigenständige Massageapplikationen durchführen.

Dieses erfindungsgemäße Prinzip lässt sich aber grundsätzlich für alle Verfahren und Operationen durchführen, bei denen ein Roboterarm, ggfs, zusammen mit einem Endeffektor, einerseits seine räumliche Beschränkungen und anderseits das aufbringbare Kraftniveau vorab kennen muss. Anwendungsbeispiele hierfür wären z. Bsp. einfache Montage- und Fügearbeiten, bei denen eines der Bauteile stationär und starr ist.

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 einem 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 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 Kontaktkraft zu zerlegen.

Was die Bestimmung eines für zukünftige Bewegungen des Roboterarms zur Verfügung stehenden Bewegungsraums angeht, lassen sich regelungstechnisch zwei Ansätze mit dem erfindungsgemäßen Roboter verfolgen.

In einem ersten Ansatz wird der gesamte, durch den Roboterarm abdeckbare Bewegungsraum als ein Sperrraum definiert, d.h. der Raum wird zu Anfang als nicht sicher eingestuft, in welchem sich der Roboterarm per se nicht bewegen darf, und dann werden diejenigen Bereiche des Bewegungsraums, in denen der Roboterarm Bewegungen beim Führen durch den Benutzer tatsächlich vollführen kann, bis der Roboterarm mit einem Objekt tatsächlich in Kontakt kommt, in ihrer Gesamtheit dann als ein für diese zukünftigen Bewegungen des Roboterarms verfügbarer Bewegungsraum erfasst und definiert. Mit anderen Worten werden die für Bewegungen des Roboterarms zur Verfügung stehenden räumlichen Abschnitte bzw. Bereiche „freigeschaltet" .

Gemäß einem anderen, alternativen Ansatz wird der gesamte, durch den Roboterarm abdeckbare Bewegungsraum als ein für zukünftige Bewegungen des Roboterarms grundsätzlich verfügbarer Bewegungsraum definiert, und die Bereiche des Bewegungsraums, in denen der Roboterarm dann tatsächlich mit einem Objekt in Kontakt kommt, als eine Bewegungsgrenze markiert. Der Bewegungsraum wird so durch das Abtasten von mehreren Bewegungsgrenzen dementsprechend eingeschränkt.

Während dem Abtasten der Objekte kann es vorgesehen sein, dass eine Information in Bezug auf einen Kontakt des Roboterarms mit einem Objekt an den Benutzer, vorzugsweise audiovisuell oder haptisch über eine Eingabevorrichtung, übermittelt wird, wobei auch Kontaktkraftbereiche vermittelt werden können, die bspw. angeben, ob die vom Benutzer aufgebrachte Kraft bei Kontakt mit dem Objekt zu hoch oder zu niedrig ist.

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. Ein Benutzer kann den Roboterarm selbst als Mittel zum „Scannen" oder Vermessen eines für diesen zur Verfügung stehenden Arbeits- bzw. Bewegungsraums heranziehen, ohne dass es hierfür einer aufwändigen Programmierung bedarf. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der anhand der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Roboter gemäß der Erfindung; Figuren 2a bis 2c eine Bewegungsfolge beim Führen eines

Roboterarms zur Bestimmung eines Bewegungsraums für diesen in einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Figuren 3a bis 3c eine Bewegungsfolge beim Führen eines

Roboterarms zur Bestimmung eines Bewegungsraums für diesen in einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den Figuren 1 bis 3c 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 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) frei beweglich führbar.

Die Figuren 2a bis 2c zeigen eine erste Bewegungsfolge in einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei nur die vorderen Glieder 2 und die Eingabevorrichtung 3 mit dem Greifer 4 gezeigt sind.

Ausgehend von einer Grundstellung des Roboters unterteilt sich, wie die Fig. 2a zeigt, der insgesamt zur Verfügung stehende Bewegungsraum in einen für eine Bewegung zulässigen, d.h. sicheren Bewegungsraum S und einen blockierten, d.h. unsicheren Bewegungsraum B (gepunktet), in dem sich ein Objekt 7 befindet, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als ein Hindernis anzusehen ist.

Bewegt nun der Benutzer den Manipulator nach rechts auf das Objekt 7 zu, bis der Greifer 4 mit dem Objekt 7 in Kontakt gelangt, so erkennt die Steuerung des Robotersystems durch das Auftreten einer Kontaktkraft F_K, dass sich an der entsprechenden Stelle das Objekt 7 und damit ein Hindernis befindet. Das Maß der Kontaktkraft F_K entspricht hier im einfachsten Fall, da der Roboter in seinem gravitationskompensierten Modus betrieben wird, der durch den Benutzer im Zuge der Bewegung manuell ausgeübten Betätigungskraft F_H.

Während der Bewegung ändert sich, sozusagen dynamisch, der sichere Bereich S im Verhältnis zum unsicheren Bereich B.

In der Figur 2c ist exemplarisch gezeigt, wie der Benutzer das distale Ende des Roboterarms 1 zuerst vertikal entlang des Objekts 7 nach oben bewegt und anschließend dieses wieder horizontal nach rechts über die Oberfläche des Objekts 7 bewegt hat, wobei die Steuerung hier jeweils die auftretenden Kontaktkräfte bzw. Kontaktkraftverläufe erfasst hat. Die nunmehr vertikal wirkende Kontaktkraft F_K entspricht hierbei wiederum der manuellen Betätigungskraft F_H, die jedoch sehr klein sein kann, jedoch auf Grund der Sensibilität der Kraftmessvorrichtung 5 erkannt werden kann.

Auf diese Art und Weise kann sowohl die Position als auch die dreidimensionale Form des Objekts 7 lokalisiert bzw. abgespeichert werden, wobei sich der zur Verfügung stehende Bewegungsraum S weiter aufspreizt, während sich der als nicht sicher angesehene Bereich B weiter reduziert.

Die Figurenfolge 3a bis 3c zeigt exemplarisch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Hierbei wird von einem maximal dem Roboter zur Verfügung stehenden Bewegungsraum S ausgegangen, der anfänglich als zugänglich bzw. sicher eingestuft wird. In diesem befindet sich nach wie vor ein ein Hindernis darstellendes Objekt 7.

In der Fig. 3a ist der Beginn des „Mapping" gezeigt, bei der ein Benutzer den Manipulator 1 gegenüber einen Boden 8 aufsetzt und dadurch eine mehrheitlich vertikal wirkende manuelle Kraft F_H ausübt. Da der Roboter im gravitationskompensierten Zustand bewegt wird, erkennt die Kraftmessvorrichtung 5 als Reaktion hierauf eine entsprechend dimensionierte Kontaktkraft F_K.

Selbstverständlich übt der Benutzer, während er den Boden (bzw. auch Flächen eines beliebigen Objekts) in linearer, zweidimensionaler Richtung entlang fährt, wie die Fig. 3b zeigt, auch geneigte oder horizontale Kraftanteile aus. Diese können auch von der Kraftmessvorrichtung 5 entsprechend erfasst, da diese vorzugsweise in Bezug auf Kräfte in allen drei Raumrichtungen und in Bezug auf Momente in allen drei Drehrichtungen ausgelegt ist, und von einer entsprechend konzipierten Auswertelogik berücksichtigt werden.

Durch das horizontale Führen des Roboterarms 1 über die Fläche des Bodens 8 wird dessen Erstreckung aufgenommen, bis der Endeffektor 4 mit dem Objekt 7 in Kontakt gelangt, wobei so wieder die Position des Objekts 7 im Raum bestimmt werden kann .

Wie bei der Fig. 2c führt der Benutzer das distale Ende des Roboterarms 1 dann weiter an dem Objekt 7 vertikal nach oben und dann horizontal nach rechts, um die dreidimensionale Form des Objekts 7 abzutasten (Fig. 3c).

Der Unterschied zu der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass hierbei der anfänglich als sicher eingestufte Bewegungsraum S sukzessive über eine Erweiterung der Bereichsgrenzen B (gepunktet) beim Abtasten eingeschränkt wird, wobei stets die Kontaktkraft F_K innerhalb eines Kontaktkraftverlaufs der manuellen Betätigungskraft F_H innerhalb eines Betätigungskraftverlaufs in allen Raumrichtungen entspricht.

Claims

Ansprüche

1. Roboter mit einem Roboterarm (1), der zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Glieder (2) aufweist und ausgebildet ist, mit einem Objekt zu interagieren, 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 Kontaktkraft (F_K) zu messen, die bei Kontakt des Roboterarms (1) mit einem Objekt (7; 8) als Reaktion einer durch einen Benutzer auf das Objekt (7; 8) mittels des Roboterarms (1) ausgeübten Kraft (F_H) resultiert.

2. Roboter nach Anspruch 1, bei dem eine Steuerung (6) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, die mittels der

Kraftmessvorrichtung (5) gemessene Kontaktkraft (F_K) zu erfassen .

3. Roboter nach Anspruch 2, bei dem die Steuerung (6) des

Weiteren ausgebildet ist, einen ein-, zwei- oder dreidimensionalen Verlauf einer Bewegung des Roboterarms (1) durch Führen des Roboterarms (1) durch den Benutzer in Bezug auf das Objekt (7; 8) unter Kontakt zu erfassen.

4. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die

Kraftmessvorrichtung an der äußeren Gehäusestruktur des Roboterarms angeordnet ist.

5. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der

Roboterarm (1) einen Endeffektor (4) zur Interaktion mit dem Objekt (7; 8) aufweist, und bei dem die Kraftmessvorrichtung (5) an dem Endeffektor (4) angeordnet oder in diesem integriert ist.

6. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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.

7. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Kraftmessvorrichtung (5) im Inneren der Gehäusestruktur des Roboterarms (1) angeordnet ist.

8. Roboter nach Anspruch 7, bei dem die Kraftmessvorrichtung

(5) in die Sensoreinrichtung integriert ist.

9. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Kraftmessvorrichtung (5) ausgebildet ist, eine Kraft und/oder ein Moment in Bezug auf mehrere Achsen und damit Freiheitsgrade zu messen.

10. Verfahren zur Bestimmung eines Bewegungsraums (S) für einen Roboter mit einem Roboterarm (1), der zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Glieder (2) aufweist und ausgebildet ist, mit einem Objekt zu interagieren, und der zumindest eine Sensoreinrichtung zur Kraft- und/oder Momentenerfassung in Bezug auf eine Bewegung des Roboterarms (1) und zumindest eine Kraftmessvorrichtung (5) aufweist, mit den Schritten:

- Aktivieren eines gravitationskompensierten Zustands für den Roboterarm (1);

Führen des Roboterarms (1) in Bezug auf ein Objekt (7; 8) durch einen Benutzer in einer ein-, zwei- oder dreidimensionalen Bewegungsfolge;

Messen einer Kontaktkraft (F_K) oder eines Kontaktkraftverlaufs , die/der als Reaktion auf die durch den Benutzer bei Kontakt mit dem Objekt (7; 8) mittels des Roboterarms (1) ausgeübten Kraft (F_H) oder Kraftfolge resultiert; und

Erfassen einer ein-, zwei- oder dreidimensionalen Struktur (S;B), bei der eine Kontaktkraft (F_K) oder ein Kontaktkraftverlauf gemessen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, aufweisend den weiteren Schritt :

Definieren einer Zulässigkeit in Bezug auf eine zukünftige Bewegung des Roboterarms (1) in Abhängigkeit der ein-, zwei- oder dreidimensionalen Struktur (S;B).

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der

Kontaktkraft (F_K) oder dem Kontaktkraftverlauf

Schwellenwerte zugeordnet sind, und bei dem den Schwellenwerten Operationen, Freigaben und/oder

Beschränkungen zugeordnet sind.

13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, bei dem der gesamte, durch den Roboterarm (1) abdeckbare

Bewegungsraum als ein Sperrraum (B) definiert wird, und die Bereiche (S) des Bewegungsraums, in denen der Roboterarm Bewegungen vollführen kann, bis der Roboterarm (1) mit einem Objekt (7; 8) in Kontakt kommt, als ein für zukünftige Bewegungen des Roboterarms (1) verfügbarer Bewegungsraum (S) erfasst wird.

14. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, bei dem der gesamte, durch den Roboterarm (1) abdeckbare

Bewegungsraum als ein für zukünftige Bewegungen des Roboterarms (1) verfügbarer Bewegungsraum (S) definiert wird, und die Bereiche (B) des Bewegungsraums, in denen der Roboterarm (1) mit einem Objekt (7; 8) in Kontakt kommt, als eine Bewegungsgrenze (B) erfasst wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem eine Information in Bezug auf einen Kontakt des Roboterarms (1) mit einem Objekt (7; 8) an den Benutzer, vorzugsweise über eine Eingabevorrichtung (3) , übermittelt wird.

16. Verwendung eines Roboters nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Vermessen der Länge eines linearen Pfads, der

Erstreckung einer ebenen oder gekrümmten Fläche oder der Größe eines Raums.

17. Verwendung eines Roboters nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Bestimmen der Lage eines linearen Pfads, der

Position einer ebenen oder gekrümmten Fläche oder der Aufspannung eines Raums.