WO2020127714A1 - Regulating device for desired value compensation - Google Patents

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WO2020127714A1
WO2020127714A1 PCT/EP2019/086284 EP2019086284W WO2020127714A1 WO 2020127714 A1 WO2020127714 A1 WO 2020127714A1 EP 2019086284 W EP2019086284 W EP 2019086284W WO 2020127714 A1 WO2020127714 A1 WO 2020127714A1
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WO
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signal
robot manipulator
switching
control device
difference
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/086284
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German (de)
French (fr)
Inventor
Sven Parusel
Saskia Golz
Andreas SPENNINGER
Dmitrij Forssilow
Original Assignee
Franka Emika Gmbh
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Publication date
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/42—Recording and playback systems, i.e. in which the programme is recorded from a cycle of operations, e.g. the cycle of operations being manually controlled, after which this record is played back on the same machine
    • G05B19/423—Teaching successive positions by walk-through, i.e. the tool head or end effector being grasped and guided directly, with or without servo-assistance, to follow a path
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P.I., P.I.D.
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/36—Nc in input of data, input key till input tape
    • G05B2219/36428—During teaching set torque instruction for motor to zero
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/42—Servomotor, servo controller kind till VSS
    • G05B2219/42019—Pi for position controller
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/42—Servomotor, servo controller kind till VSS
    • G05B2219/42118—Breaking of control loop, closing open control loop

Definitions

  • the invention relates to a control device of a control unit
  • Robot manipulator and a method for controlling a robot manipulator by a control device of a control unit of the robot manipulator are described.
  • the object of the invention is to provide a control device for a control unit
  • Robot manipulator especially for the case of manual guiding of the
  • a first aspect of the invention relates to a control device of a control unit of a robot manipulator.
  • the control device has the following:
  • a switching element which is designed to switch between at least two input signals of the switching element on the basis of a switching command and to output the switched input signal, a first input signal of the switching element being a state of the detected by a quantized and discrete-time sensor signal
  • a logic element which is designed to output the switching command and to transmit the switching command to the switching element
  • a control error comparison unit which is designed to make a difference from the state of the sensor detected by the quantized and discrete-time sensor signal
  • Robot manipulator and the switched input signal form and output the difference as a signal.
  • control error comparison unit can be designed to be equivalent to forming a difference between the specification of the state of the robot manipulator and the switched input signal, and in this case - in contrast to the first aspect of the invention - to control the switching element to the contrary via the logic element.
  • the effect for the control device is the same in both cases.
  • the robot manipulator has, in particular, a manipulator arm and a base for supporting the manipulator arm.
  • the manipulator arm preferably has a plurality of links which are connected to one another by joints, wherein actuators, in particular electric motors, are preferably arranged on the joints. These actuators are in particular connected to the control unit which is used to control the actuators.
  • the control unit can have one or more regulating devices.
  • control device is preferably computer-implemented as a discrete-time algorithm. However, implementation by means of analog electronic elements is also possible.
  • to switch between at least two input signals of the switching element means in particular that one of at least two input signals of the switching element is selected and used as the output of the switching element.
  • the state of the robot manipulator is preferably one of position, orientation (pose), joint angle, speed, acceleration, in each case Cartesian or in the joint angle space.
  • the switching command determines in particular which of these input signals of the switching element is selected.
  • the switching command is therefore preferably a binary signal with two input signals, which can assume an upper value and a lower value.
  • a threshold is advantageously defined in the switching element, so that when the switching command exceeds the threshold, a first one
  • Input signals is selected, and if the switching command falls below the threshold, a second one of the input signals is selected, or vice versa.
  • Digit size calculation can be switched between a calculation based on the target-actual comparison and a neutral mode in which the nominal-actual comparison does not add any current portion to the digit size calculation. This can be used with particular advantage if the robot manipulator is manually guided in a manner compensating for gravity.
  • control device has a first signal limiting element, the first signal limiting element being designed to display the signal of the difference determined by the control error comparison unit limit a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit.
  • a value of the upper limit is output as a signal. If the signal of the difference determined by the control error comparison unit falls below the predefined lower limit, a value of the lower limit is preferably output as a signal by the first signal limiting element instead of the signal of the difference determined by the control error comparison unit. This is advantageous in the case of a
  • Sensor error limits the value of the signal of the difference determined by the control error comparison unit. Furthermore, this advantageously limits the actuator command ultimately determined from the signal of the difference determined by the control error comparison unit. This advantageously prevents excessive reactions of the robot manipulator and its members to a large control error (difference of the
  • the logic element is designed to issue a switching command such that the switching element detects the state of the sensor element detected by the quantized and discrete-time sensor signal
  • Robot manipulator is switched when the logic element detects that the user manipulates the robot manipulator manually.
  • the control unit is preferably designed for this purpose, the robot manipulator and
  • Robot manipulator not moved under the influence of the gravitational field.
  • the gravity of the manipulator arm is preferably compensated for by actuators, and the switching element issues a switching command such that the switching element switches the state of the robot manipulator, which is detected by the quantized and discrete-time sensor signal.
  • the logic element is therefore designed to issue a switching command such that the switching element detects the state of the
  • Robot manipulator is switched when the logic element detects a manual guidance of the robot manipulator by a user under gravity compensation.
  • the detection of the manual guidance of the robot manipulator by a user takes place in particular by means of a correspondingly predetermined mode on one
  • control device has a filter element, the filter element being designed to detect the signal from the
  • control error comparison unit determined difference by multiplication with a predefined frequency response.
  • the multiplication by frequency response implies an execution of the filtering in
  • Frequency range equivalent would be a solution in the time domain via convolution.
  • the filter element is preferably one of: low pass filter, floch pass filter, lead lag filter, band pass filter.
  • the signal of the difference determined by the control error comparison unit is provided with a certain amplitude gain (or amplitude attenuation in the case of the negative amplitude gain).
  • the frequency response of the closed control loop can hereby advantageously be designed.
  • control device has a
  • Scaling operator the scaling operator for generating a
  • Command signal is designed for an actuator of the robot manipulator, the command signal being determined by forming a scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal of the difference determined by the control error comparison unit and by summing all scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal components.
  • the scaling operator advantageously determines from a difference determined by the control error comparison unit, and preferably from the
  • a value of the upper limit is preferably output as a signal by the second signal limiting element instead of the command signal of the scaling operator. If the command signal of the scaling operator falls below the predefined lower limit, the second one is preferred
  • a value of the lower limit is output as a signal. This advantageously limits the value of the command signal from the scaling operator in the event of a sensor error.
  • Scaling operator determined actuator command limited. This advantageously prevents excessive reactions of the robot manipulator and its members to a large command signal from the scaling operator.
  • control device has
  • Integrator element wherein the integrator element is designed to generate the integrated signal from the signal of the difference determined by the control error comparison unit, further comprising a third signal limiting element and a subtraction element, the third signal limiting element being designed to reduce the integrated signal to a predefined lower limit and / or limit it to a predefined upper limit and wherein the subtraction element is designed to form a difference between the integrated signal and the signal delimited by the signal limiting element and to multiply it by a predefined factor and from the signal to the difference determined by the control error comparison unit
  • Robot manipulator at least one Cartesian pose of the robot manipulator.
  • the Cartesian pose is advantageously defined in a global coordinate system, that is to say an earth-fixed coordinate system.
  • Robot manipulator at least one vector from joint angles of the
  • Robot manipulator wherein a respective joint angle is defined in a radial coordinate system intended to be fixed to the body of the respective joint.
  • Another aspect of the invention relates to a method for controlling a
  • Robot manipulator comprising the steps:
  • Switching element is a specification of the state of the robot manipulator
  • Show it: 1 is a control device of a control unit of a robot manipulator according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a control device of a control unit of a robot manipulator according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows a method for controlling a robot manipulator by a
  • Control device of a control unit of the robot manipulator according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • control device 1 shows a control device 1 of a control unit of a robot manipulator, having a switching element 3, which is designed for this, based on a
  • Switching switching commands between at least two input signals 5, 7 of the switching element 3 and outputting the switched input signal wherein a first input signal of the switching element 3 is a position state 5 of the robot manipulator, as detected by a quantized and discrete-time sensor signal, and wherein a second input signal of the switching element 3 is a Specification 7 of the position state 5 of the robot manipulator is.
  • the positional state of the robot manipulator has at least one vector of joint angles of the robot manipulator, a respective one of the joint angles being defined in a radial coordinate system that is intended to be fixed to the body of the respective joint.
  • the quantized and discrete-time sensor signal is generated from the position sensor 100 arranged on the robot manipulator.
  • the control device 1 has a logic element 9, which is designed to output the switching command and to transmit the switching command to the switching element 3.
  • the control device 1 has a
  • Control error comparison unit 1 which is designed to form a difference between the position state 5 of the robot manipulator detected by the quantized and discrete-time sensor signal and the switched input signal and to output the difference as a signal.
  • a first signal limiting element 13 of the control device 1 is designed to limit the signal of the difference determined by the control error comparison unit 11 to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit.
  • the logic element 9 is additionally designed to issue a switching command such that the switching element 3 detects the positional state 5 of the Robot manipulator is switched when logic element 9 detects that the user manipulates the robot manipulator manually.
  • a filter element 15 serves to filter the signal of the difference determined by the control error comparison unit 11 by multiplication by a predefined frequency response.
  • a scaling operator 17 also serves to generate a command signal for an actuator 19 of the robot manipulator, the command signal by forming a scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal from the
  • Control error comparison unit 1 1 determined difference and is determined by summing all scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal components.
  • a second signal limiting element 21 is also designed to limit the command signal of the scaling operator 17 to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit.
  • FIG. 2 shows a control device 1 of a control unit of a robot manipulator, having a switching element 3, which is designed for this, on the basis of a
  • the input signal of the switching element 3 is a position state 5 of the robot manipulator which is detected by a quantized and discrete-time sensor signal, and a second input signal of the switching element 3 is a specification 7 of the position state 5 of the robot manipulator.
  • the position state 5 of the robot manipulator has at least one Cartesian pose of the robot manipulator.
  • the quantized and discrete-time sensor signal is generated from the position sensor 100 arranged on the robot manipulator.
  • the control device 1 has a logic element 9, which is designed to output the switching command and to transmit the switching command to the switching element 3.
  • control device 1 has a control error comparison unit 1 1, which is designed to form a difference between the positional state 5 of the robot manipulator detected by the quantized and discrete-time sensor signal and the switched input signal and to output the difference as a signal.
  • a first signal limiting element 13 of the control device 1 is designed to limit the signal of the difference determined by the control error comparison unit 11 to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit.
  • the logic element 9 is designed to issue a switching command such that the switching element 3 detects the position state 5 of the switching element 3 that is detected by the quantized and discrete-time sensor signal
  • Robot manipulator is switched when logic element 9 detects that the user manipulates the robot manipulator manually.
  • a filter element 15 is used to filter the signal of the difference determined by the control error comparison unit 1 1 by multiplication by a predefined frequency response.
  • a scaling operator 17 also serves to generate a command signal for an actuator 19 of the robot manipulator, the command signal by forming a scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal from the
  • Control error comparison unit 1 1 determined difference and is determined by summing all scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal components.
  • a second signal limiting element 21 is also designed to limit the command signal of the scaling operator 17 to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit.
  • An integrator element 23 is assigned to the scaling operator 17 and is used to generate the integrated signal from the signal of the difference determined by the control error comparison unit 11; in the course of this, a third signal limiting element 25 and a subtraction element 27 serve to limit the integrated signal to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit in the case of the subtraction element 27 to make a difference between the integrated signal and that caused by the Form signal limiting element limited signal and multiply by a predefined factor and subtract from the signal of the difference determined by the control error comparison unit 1 1.
  • FIG. 3 shows a method for controlling a robot manipulator by a
  • Control device 1 of a control unit of the robot manipulator comprising the steps:
  • Switch S2 between at least two input signals 5, 7 of the switching element 3 on the basis of the switching command and output of the switched input signal, a first input signal of the switching element 3 being a state 5 detected by a quantized and discrete-time sensor signal, and a second input signal of the
  • Switching element 3 is a specification 7 of the state 5 of the robot manipulator.

Abstract

The invention relates to a regulating device (1) of a control unit of a robot manipulator, having: - a switching element (3) which is designed to switch between at least two input signals (5, 7) of the switching element (3) on the basis of a switching command and to output the switched input signal, wherein a first input signal of the switching element (3) is a state (5) of the robot manipulator, as captured by means of a quantized and time-discrete sensor signal, and wherein a second input signal of the switching element (3) is a specification (7) of the state (5) of the robot manipulator, - a logic element (9) which is designed to output the switching command and to transmit the switching command to the switching element (3), and - a regulating error comparison unit (11) which is designed to form a difference between the state (5) of the robot manipulator, as captured by means of the quantized and time-discrete sensor signal, and the switched input signal and to output the difference as a signal.

Description

Regeleinrichtung zur Sollwertkompensation Control device for setpoint compensation
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung einer Steuereinheit eines The invention relates to a control device of a control unit
Robotermanipulators und ein Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators durch eine Regeleinrichtung einer Steuereinheit des Robotermanipulators. Robot manipulator and a method for controlling a robot manipulator by a control device of a control unit of the robot manipulator.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regeleinrichtung einer Steuereinheit eines The object of the invention is to provide a control device for a control unit
Robotermanipulators insbesondere für den Fall des manuellen Führens des Robot manipulator especially for the case of manual guiding of the
Robotermanipulators durch einen Benutzer zu verbessern. Improve robot manipulator by a user.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. The invention results from the features of the independent claims. Advantageous further developments and refinements are the subject of the dependent claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung einer Steuereinheit eines Robotermanipulators. Die Regeleinrichtung weist Folgendes auf: A first aspect of the invention relates to a control device of a control unit of a robot manipulator. The control device has the following:
- ein Schaltelement, das dazu ausgeführt ist, auf Basis eines Schaltkommandos zwischen mindestens zwei Eingangssignalen des Schaltelements zu schalten und das geschaltete Eingangssignal auszugeben, wobei ein erstes Eingangssignal des Schaltelements ein durch ein quantisiertes und zeitdiskretes Sensorsignal erfasster Zustand des - A switching element, which is designed to switch between at least two input signals of the switching element on the basis of a switching command and to output the switched input signal, a first input signal of the switching element being a state of the detected by a quantized and discrete-time sensor signal
Robotermanipulators ist und wobei ein zweites Eingangssignal des Schaltelements eine Vorgabe des Zustands des Robotermanipulators ist, Is robot manipulator and wherein a second input signal of the switching element is a specification of the state of the robot manipulator,
- ein Logikelement, das zum Ausgeben des Schaltkommandos und zum Übermitteln des Schaltkommandos an das Schaltelement ausgeführt ist, und a logic element which is designed to output the switching command and to transmit the switching command to the switching element, and
- eine Regelfehlervergleichseinheit, die dazu ausgeführt ist, eine Differenz aus dem durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfassten Zustand des - A control error comparison unit, which is designed to make a difference from the state of the sensor detected by the quantized and discrete-time sensor signal
Robotermanipulators und dem geschalteten Eingangssignal zu bilden und die Differenz als Signal auszugeben. Robot manipulator and the switched input signal form and output the difference as a signal.
Dem Fachmann ist klar, dass die Regelfehlervergleichseinheit äquivalent dazu ausgeführt sein kann, eine Differenz aus der Vorgabe des Zustands des Robotermanipulators und dem geschalteten Eingangssignal zu bilden, und hierbei - im Vergleich zum ersten Aspekt der Erfindung - das Schaltelement gegenteilig über das Logikelement zu steuern. Der Effekt für die Regeleinrichtung ist dabei in beiden Fällen gleich. Der Robotermanipulator weist insbesondere einen Manipulatorarm und eine Basis zum Lagern des Manipulatorarms auf. Ferner weist bevorzugt der Manipulatorarm mehrere durch Gelenke miteinander verbundene Glieder auf, wobei bevorzugt an den Gelenken Aktuatoren, insbesondere elektrische Motoren, angeordnet sind. Diese Aktuatoren sind insbesondere mit der Steuereinheit verbunden, die zum Ansteuern der Aktuatoren dient. Die Steuereinheit kann eine oder mehrere Regeleinrichtungen aufweisen. It is clear to the person skilled in the art that the control error comparison unit can be designed to be equivalent to forming a difference between the specification of the state of the robot manipulator and the switched input signal, and in this case - in contrast to the first aspect of the invention - to control the switching element to the contrary via the logic element. The effect for the control device is the same in both cases. The robot manipulator has, in particular, a manipulator arm and a base for supporting the manipulator arm. Furthermore, the manipulator arm preferably has a plurality of links which are connected to one another by joints, wherein actuators, in particular electric motors, are preferably arranged on the joints. These actuators are in particular connected to the control unit which is used to control the actuators. The control unit can have one or more regulating devices.
Bevorzugt ist die Regeleinrichtung als zeitdiskreter Algorithmus rechnerimplementiert. Eine Implementierung durch analoge Elektronikelemente ist aber auch möglich. The control device is preferably computer-implemented as a discrete-time algorithm. However, implementation by means of analog electronic elements is also possible.
Der Ausdruck„zwischen mindestens zwei Eingangssignalen des Schaltelements zu schalten“ bedeutet insbesondere, dass von mindestens zwei Eingangssignalen des Schaltelements eines ausgewählt wird und als Ausgang des Schaltelements verwendet wird. The expression “to switch between at least two input signals of the switching element” means in particular that one of at least two input signals of the switching element is selected and used as the output of the switching element.
Der Zustand des Robotermanipulators ist bevorzugt eines aus Position, Orientierung (Pose), Gelenkwinkel, Geschwindigkeit, Beschleunigung, jeweils kartesisch oder im Gelenkwinkelraum. The state of the robot manipulator is preferably one of position, orientation (pose), joint angle, speed, acceleration, in each case Cartesian or in the joint angle space.
Das Schaltkommando bestimmt insbesondere darüber, welches dieser Eingangssignale des Schaltelements ausgewählt wird. Das Schaltkommando ist daher bevorzugt bei zwei Eingangssignalen ein binäres Signal, das einen oberen Wert und einen unteren Wert annehmen kann. Im Schaltelement wird dazu vorteilhaft eine Schwelle definiert, sodass beim Überschreiten der Schwelle durch das Schaltkommando ein erstes der The switching command determines in particular which of these input signals of the switching element is selected. The switching command is therefore preferably a binary signal with two input signals, which can assume an upper value and a lower value. For this purpose, a threshold is advantageously defined in the switching element, so that when the switching command exceeds the threshold, a first one
Eingangssignale ausgewählt wird, und bei Unterschreiten der Schwelle durch das Schaltkommando ein zweites der Eingangssignale ausgewählt wird, oder umgekehrt. Input signals is selected, and if the switching command falls below the threshold, a second one of the input signals is selected, or vice versa.
Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass durch eine auch in It is an advantageous effect of the invention that through a also in
sicherheitskritischen Systemen einfach zu realisierende logische Schaltung die safety-critical systems easy to implement logic circuit
Stellengrößenberechnung zwischen einer auf Soll-Ist-Vergleich beruhenden Berechnung und einem neutralen Modus, in dem der Soll-Ist-Vergleich keinen aktuellen Anteil auf die Stellengrößenberechnung addiert, umschaltbar ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft anwendbar, wenn der Robotermanipulator schwerkraftkompensiert manuell geführt wird. Digit size calculation can be switched between a calculation based on the target-actual comparison and a neutral mode in which the nominal-actual comparison does not add any current portion to the digit size calculation. This can be used with particular advantage if the robot manipulator is manually guided in a manner compensating for gravity.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Regeleinrichtung ein erstes Signalbegrenzungselement auf, wobei das erste Signalbegrenzungselement dazu ausgeführt, das Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz auf eine vordefinierte untere Grenze und/oder auf eine vordefinierte obere Grenze zu begrenzen. According to an advantageous embodiment, the control device has a first signal limiting element, the first signal limiting element being designed to display the signal of the difference determined by the control error comparison unit limit a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit.
Überschreitet das Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz die vordefinierte obere Grenze, so wird bevorzugt von dem ersten If the signal of the difference determined by the control error comparison unit exceeds the predefined upper limit, preference is given to the first
Signalbegrenzungselement anstelle des Signals der von der Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz ein Wert der oberen Grenze als Signal ausgegeben. Unterschreitet das Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz die vordefinierte untere Grenze, so wird bevorzugt von dem ersten Signalbegrenzungselement anstelle des Signals der von der Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz ein Wert der unteren Grenze als Signal ausgegeben. Vorteilhaft wird hierdurch im Falle eines Signal limiting element instead of the signal of the difference determined by the control error comparison unit, a value of the upper limit is output as a signal. If the signal of the difference determined by the control error comparison unit falls below the predefined lower limit, a value of the lower limit is preferably output as a signal by the first signal limiting element instead of the signal of the difference determined by the control error comparison unit. This is advantageous in the case of a
Sensorfehlers der Wert des Signals der von der Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz begrenzt. Ferner wird hierdurch vorteilhaft das letztendlich aus dem Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz ermittelte Aktuatorkommando begrenzt. Dies verhindert vorteilhaft übermäßige Reaktionen des Robotermanipulators und dessen Glieder auf einen großen Regelfehler (Differenz der Sensor error limits the value of the signal of the difference determined by the control error comparison unit. Furthermore, this advantageously limits the actuator command ultimately determined from the signal of the difference determined by the control error comparison unit. This advantageously prevents excessive reactions of the robot manipulator and its members to a large control error (difference of the
Regelfehlervergleichseinheit). Control error comparison unit).
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Logikelement dazu ausgeführt, ein derartiges Schaltkommando auszugeben, dass von dem Schaltelement der durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfasste Zustand des According to a further advantageous embodiment, the logic element is designed to issue a switching command such that the switching element detects the state of the sensor element detected by the quantized and discrete-time sensor signal
Robotermanipulators geschaltet wird, wenn vom Logikelement ein manuelles Führen des Robotermanipulators durch einen Benutzer erkannt wird. Robot manipulator is switched when the logic element detects that the user manipulates the robot manipulator manually.
Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, den Robotermanipulator und The control unit is preferably designed for this purpose, the robot manipulator and
insbesondere den Manipulatorarm gravitationskompensiert anzusteuern. Das heißt, dass abhängig von einer aktuellen Pose des Robotermanipulators die Aktuatoren eine bestimmte Kraft oder auch ein bestimmtes Drehmoment aufbringen müssen, so dass diese Kraft oder auch dieses Drehmoment genau so groß sind, dass sich der in particular to control the manipulator arm with gravity compensation. This means that depending on a current pose of the robot manipulator, the actuators have to apply a certain force or a certain torque, so that this force or this torque is just as large that the
Robotermanipulator im Einfluss des Schwerkraftfeldes nicht bewegt. In anderen Worten wird bevorzugt beim manuellen Führen des Robotermanipulators die Schwerkraft des Manipulatorarms aktuatorisch kompensiert, und durch das Logikelement ein derartiges Schaltkommando ausgegeben, dass von dem Schaltelement der durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfasste Zustand des Robotermanipulators geschaltet wird. Vorteilhaft wird hierdurch ein Aktuatorkommando, das dem manuellen Führen des Robotermanipulators entgegenwirkt, unterbunden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Logikelement daher dazu ausgeführt, ein derartiges Schaltkommando auszugeben, dass von dem Schaltelement der durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfasste Zustand des Robot manipulator not moved under the influence of the gravitational field. In other words, when manually manipulating the robot manipulator, the gravity of the manipulator arm is preferably compensated for by actuators, and the switching element issues a switching command such that the switching element switches the state of the robot manipulator, which is detected by the quantized and discrete-time sensor signal. This advantageously prevents an actuator command that counteracts the manual manipulation of the robot manipulator. According to a further advantageous embodiment, the logic element is therefore designed to issue a switching command such that the switching element detects the state of the
Robotermanipulators geschaltet wird, wenn vom Logikelement ein manuelles Führen des Robotermanipulators durch einen Benutzer unter Schewrkraftkompensation erkannt wird. Robot manipulator is switched when the logic element detects a manual guidance of the robot manipulator by a user under gravity compensation.
Das Erkennen des manuellen Führens des Robotermanipulators durch einen Benutzer erfolgt insbesondere durch einen entsprechend vorgegebenen Modus an einer The detection of the manual guidance of the robot manipulator by a user takes place in particular by means of a correspondingly predetermined mode on one
Benutzerschnittstelle, oder auch durch Erfassen und Erkennen eines externen User interface, or by detecting and recognizing an external one
Kraftwinders als gewünschte Eingabe des Benutzers. Kraftwinders as the desired input by the user.
Die im Folgenden genannten Ausführungsformen können insbesondere einzeln oder beliebig untereinander kombiniert verwirklicht werden. The embodiments mentioned below can in particular be implemented individually or in any combination with one another.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Regeleinrichtung ein Filterelement auf, wobei das Filterelement dazu ausgeführt, das Signal der von der According to an advantageous embodiment, the control device has a filter element, the filter element being designed to detect the signal from the
Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz durch Multiplikation mit einem vordefinierten Frequenzgang zu filtern. Filter the control error comparison unit determined difference by multiplication with a predefined frequency response.
Die Multiplikation mit Frequenzgang impliziert eine Ausführung des Filterns im The multiplication by frequency response implies an execution of the filtering in
Frequenzbereich, gleichwertig wäre eine Lösung im Zeitbereich über Konvolution möglich. Das Filterelement ist bevorzugt eines aus: Tiefpassfilter, Flochpassfilter, Lead- Lag-Filter, Bandpassfilter. In jedem Fall wird aber abhängig von der Frequenz des Signals das Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz mit einer bestimmten Amplitudenverstärkung (bzw. Amplitudenabschwächung im Falle der negativen Amplitudenverstärkung) versehen. Vorteilhaft ist hiermit der Frequenzgang der geschlossen Reglerschleife gestaltbar. Frequency range, equivalent would be a solution in the time domain via convolution. The filter element is preferably one of: low pass filter, floch pass filter, lead lag filter, band pass filter. In any case, however, depending on the frequency of the signal, the signal of the difference determined by the control error comparison unit is provided with a certain amplitude gain (or amplitude attenuation in the case of the negative amplitude gain). The frequency response of the closed control loop can hereby advantageously be designed.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Regeleinrichtung einen According to an advantageous embodiment, the control device has a
Skalierungsoperator auf, wobei der Skalierungsoperator zum Erzeugen eines Scaling operator, the scaling operator for generating a
Kommandosignals für einen Aktuator des Robotermanipulators ausgeführt ist, wobei das Kommandosignal durch Bilden eines skalierten proportionalen und/oder differenzierten und/oder integrierten Signals der von der Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz und durch Summation aller skalierten proportionalen und/oder differenzierten und/oder integrierten Signalanteile ermittelt wird. Der Skalierungsoperator ermittelt vorteilhaft aus einer aus der von der Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz, sowie bevorzugt aus der Command signal is designed for an actuator of the robot manipulator, the command signal being determined by forming a scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal of the difference determined by the control error comparison unit and by summing all scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal components. The scaling operator advantageously determines from a difference determined by the control error comparison unit, and preferably from the
differenzierten Differenz der Regelfehlervergleichseinheit und der integrierten Differenz der Regelfehlervergleichseinheit ein Aktuatorkommando. differentiated difference of the control error comparison unit and the integrated difference of the control error comparison unit an actuator command.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Regeleinrichtung ein zweites Signalbegrenzungselement auf, wobei das zweite Signalbegrenzungselement dazu ausgeführt ist, das Kommandosignal des Skalierungsoperators auf eine vordefinierte untere Grenze und/oder auf eine vordefinierte ober Grenze zu begrenzen. According to an advantageous embodiment, the control device has a second signal limiting element, the second signal limiting element being designed to limit the command signal of the scaling operator to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit.
Überschreitet das Kommandosignal des Skalierungsoperators die vordefinierte obere Grenze, so wird bevorzugt von dem zweiten Signalbegrenzungselement anstelle des Kommandosignals des Skalierungsoperators ein Wert der oberen Grenze als Signal ausgegeben. Unterschreitet das Kommandosignal des Skalierungsoperators die vordefinierte untere Grenze, so wird bevorzugt von dem zweiten If the command signal of the scaling operator exceeds the predefined upper limit, a value of the upper limit is preferably output as a signal by the second signal limiting element instead of the command signal of the scaling operator. If the command signal of the scaling operator falls below the predefined lower limit, the second one is preferred
Signalbegrenzungselement anstelle des Kommandosignals des Skalierungsoperators ein Wert der unteren Grenze als Signal ausgegeben. Vorteilhaft wird hierdurch im Falle eines Sensorfehlers der Wert des Kommandosignals des Skalierungsoperators begrenzt. Signal limiting element instead of the command signal of the scaling operator, a value of the lower limit is output as a signal. This advantageously limits the value of the command signal from the scaling operator in the event of a sensor error.
Ferner wird hierdurch vorteilhaft das letztendlich aus dem Kommandosignal des Furthermore, this ultimately becomes advantageous from the command signal of the
Skalierungsoperators ermittelte Aktuatorkommando begrenzt. Dies verhindert vorteilhaft übermäßige Reaktionen des Robotermanipulators und dessen Glieder auf ein großes Kommandosignal des Skalierungsoperators. Scaling operator determined actuator command limited. This advantageously prevents excessive reactions of the robot manipulator and its members to a large command signal from the scaling operator.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Regeleinrichtung ein According to an advantageous embodiment, the control device has
Integratorelement auf, wobei das Integratorelement zum Erzeugen des integrierten Signals aus dem Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz ausgeführt ist, weiterhin aufweisend ein drittes Signalbegrenzungselement und ein Subtraktionsglied, wobei das dritte Signalbegrenzungselement dazu ausführt ist, das integrierte Signal auf eine vordefinierte untere Grenze und/oder auf eine vordefinierte obere Grenze zu begrenzen und wobei das Subtraktionsglied dazu ausgeführt ist, eine Differenz aus dem integrierten Signal und von dem durch das Signalbegrenzungselement begrenzte Signal zu bilden und mit einem vordefinierten Faktor zu multiplizieren und von dem Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit ermittelten Differenz zu Integrator element, wherein the integrator element is designed to generate the integrated signal from the signal of the difference determined by the control error comparison unit, further comprising a third signal limiting element and a subtraction element, the third signal limiting element being designed to reduce the integrated signal to a predefined lower limit and / or limit it to a predefined upper limit and wherein the subtraction element is designed to form a difference between the integrated signal and the signal delimited by the signal limiting element and to multiply it by a predefined factor and from the signal to the difference determined by the control error comparison unit
subtrahieren. subtract.
Vorteilhaft wird hierdurch eines Signalintegration über die jeweilige vordefinierte obere und untere Grenze vermieden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Zustand des This advantageously avoids signal integration beyond the respective predefined upper and lower limits. According to a further advantageous embodiment, the state of the
Robotermanipulators zumindest eine kartesische Pose des Robotermanipulators auf. Robot manipulator at least one Cartesian pose of the robot manipulator.
Die kartesische Pose ist vorteilhaft in einem globalen Koordinatensystem, das heißt erdfestem Koordinatensystem, definiert. The Cartesian pose is advantageously defined in a global coordinate system, that is to say an earth-fixed coordinate system.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Zustand des According to a further advantageous embodiment, the state of the
Robotermanipulators zumindest einen Vektor aus Gelenkwinkeln des Robot manipulator at least one vector from joint angles of the
Robotermanipulators auf, wobei ein jeweiliger der Gelenkwinkel in einem am jeweiligen Gelenk körperfest gedacht angeordneten radialen Koordinatensystem definiert ist. Robot manipulator, wherein a respective joint angle is defined in a radial coordinate system intended to be fixed to the body of the respective joint.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Another aspect of the invention relates to a method for controlling a
Robotermanipulators durch eine Regeleinrichtung einer Steuereinheit des Robot manipulator by a control device of a control unit of the
Robotermanipulators, aufweisend die Schritte: Robot manipulator, comprising the steps:
- Ausgeben eines Schaltkommandos und Übermitteln des Schaltkommandos an ein Schaltelement durch ein Logikelement, Output of a switching command and transmission of the switching command to a switching element by a logic element,
- Schalten zwischen mindestens zwei Eingangssignalen des Schaltelements auf Basis des Schaltkommandos und Ausgeben des geschalteten Eingangssignals, wobei ein erstes Eingangssignal des Schaltelements ein durch ein quantisiertes und zeitdiskretes Sensorsignal erfasste Zustand ist und wobei ein zweites Eingangssignal des - Switching between at least two input signals of the switching element on the basis of the switching command and outputting the switched input signal, a first input signal of the switching element being a state detected by a quantized and discrete-time sensor signal, and a second input signal of the
Schaltelements eine Vorgabe des Zustands des Robotermanipulators ist, und Switching element is a specification of the state of the robot manipulator, and
- Bilden einer Differenz aus dem durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfassten Zustand des Robotermanipulators und dem geschalteten Eingangssignal durch eine Regelfehlervergleichseinheit und Ausgeben der Differenz als Signal durch die Regelfehlervergleichseinheit. Forming a difference from the state of the robot manipulator, which is detected by the quantized and discrete-time sensor signal, and the switched input signal by a control error comparison unit and outputting the difference as a signal by the control error comparison unit.
Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Regeleinrichtung vorstehend gemachten Ausführungen. Advantages and preferred developments of the proposed method result from an analog and analogous transmission of the statements made above in connection with the proposed control device.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Further advantages, features and details emerge from the following description, in which - if necessary with reference to the drawing - at least one exemplary embodiment is described in detail. Identical, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference symbols.
Es zeigen: Fig. 1 eine Regeleinrichtung einer Steuereinheit eines Robotermanipulators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Show it: 1 is a control device of a control unit of a robot manipulator according to an embodiment of the invention,
Fig. 2 eine Regeleinrichtung einer Steuereinheit eines Robotermanipulators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und 2 shows a control device of a control unit of a robot manipulator according to a further exemplary embodiment of the invention, and
Fig. 3 ein Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators durch eine Fig. 3 shows a method for controlling a robot manipulator by a
Regeleinrichtung einer Steuereinheit des Robotermanipulators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Control device of a control unit of the robot manipulator according to a further exemplary embodiment of the invention.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. The representations in the figures are schematic and not to scale.
Fig. 1 zeigt eine Regeleinrichtung 1 einer Steuereinheit eines Robotermanipulators, aufweisend ein Schaltelement 3, das dazu ausgeführt ist, auf Basis eines 1 shows a control device 1 of a control unit of a robot manipulator, having a switching element 3, which is designed for this, based on a
Schaltkommandos zwischen mindestens zwei Eingangssignalen 5,7 des Schaltelements 3 zu schalten und das geschaltete Eingangssignal auszugeben, wobei ein erstes Eingangssignal des Schaltelements 3 ein durch ein quantisiertes und zeitdiskretes Sensorsignal erfasster Positions-Zustand 5 des Robotermanipulators ist und wobei ein zweites Eingangssignal des Schaltelements 3 eine Vorgabe 7 des Position-Zustands 5 des Robotermanipulators ist. Der Positions-Zustand des Robotermanipulators weist zumindest einen Vektor aus Gelenkwinkeln des Robotermanipulators auf, wobei ein jeweiliger der Gelenkwinkel in einem am jeweiligen Gelenk körperfest gedacht angeordneten radialen Koordinatensystem definiert ist. Das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal wird dabei aus dem am Robotermanipulator angeordneten Positionssensor 100 erzeugt. Ferner weist die Regeleinrichtung 1 ein Logikelement 9 auf, das zum Ausgeben des Schaltkommandos und zum Übermitteln des Schaltkommandos an das Schaltelement 3 ausgeführt ist. Des Weiteren weist die Regeleinrichtung 1 eine Switching switching commands between at least two input signals 5, 7 of the switching element 3 and outputting the switched input signal, wherein a first input signal of the switching element 3 is a position state 5 of the robot manipulator, as detected by a quantized and discrete-time sensor signal, and wherein a second input signal of the switching element 3 is a Specification 7 of the position state 5 of the robot manipulator is. The positional state of the robot manipulator has at least one vector of joint angles of the robot manipulator, a respective one of the joint angles being defined in a radial coordinate system that is intended to be fixed to the body of the respective joint. The quantized and discrete-time sensor signal is generated from the position sensor 100 arranged on the robot manipulator. Furthermore, the control device 1 has a logic element 9, which is designed to output the switching command and to transmit the switching command to the switching element 3. Furthermore, the control device 1 has a
Regelfehlervergleichseinheit 1 1 auf, die dazu ausgeführt ist, eine Differenz aus dem durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfassten Positions-Zustand 5 des Robotermanipulators und dem geschalteten Eingangssignal zu bilden und die Differenz als Signal auszugeben. Ein erstes Signalbegrenzungselement 13 der Regeleinrichtung 1 ist dazu ausgeführt, das Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit 1 1 ermittelten Differenz auf eine vordefinierte untere Grenze und/oder auf eine vordefinierte obere Grenze zu begrenzen. Das Logikelement 9 ist außerdem zusätzlich dazu ausgeführt, ein derartiges Schaltkommando auszugeben, dass von dem Schaltelement 3 der durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfasste Positions-Zustand 5 des Robotermanipulators geschaltet wird, wenn vom Logikelement 9 ein manuelles Führen des Robotermanipulators durch einen Benutzer erkannt wird. Ein Filterelement 15 dient dazu, das Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit 1 1 ermittelten Differenz durch Multiplikation mit einem vordefinierten Frequenzgang zu filtern. Ein Skalierungsoperator 17 dient außerdem zum Erzeugen eines Kommandosignals für einen Aktuator 19 des Robotermanipulators, wobei das Kommandosignal durch Bilden eines skalierten proportionalen und/oder differenzierten und/oder integrierten Signals der von der Control error comparison unit 1 1, which is designed to form a difference between the position state 5 of the robot manipulator detected by the quantized and discrete-time sensor signal and the switched input signal and to output the difference as a signal. A first signal limiting element 13 of the control device 1 is designed to limit the signal of the difference determined by the control error comparison unit 11 to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit. The logic element 9 is additionally designed to issue a switching command such that the switching element 3 detects the positional state 5 of the Robot manipulator is switched when logic element 9 detects that the user manipulates the robot manipulator manually. A filter element 15 serves to filter the signal of the difference determined by the control error comparison unit 11 by multiplication by a predefined frequency response. A scaling operator 17 also serves to generate a command signal for an actuator 19 of the robot manipulator, the command signal by forming a scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal from the
Regelfehlervergleichseinheit 1 1 ermittelten Differenz und durch Summation aller skalierten proportionalen und/oder differenzierten und/oder integrierten Signalanteile ermittelt wird. Ein zweites Signalbegrenzungselement 21 ist außerdem dazu ausgeführt, das Kommandosignal des Skalierungsoperators 17 auf eine vordefinierte untere Grenze und/oder auf eine vordefinierte obere Grenze zu begrenzen. Control error comparison unit 1 1 determined difference and is determined by summing all scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal components. A second signal limiting element 21 is also designed to limit the command signal of the scaling operator 17 to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit.
Fig. 2 zeigt eine Regeleinrichtung 1 einer Steuereinheit eines Robotermanipulators, aufweisend ein Schaltelement 3, das dazu ausgeführt ist, auf Basis eines 2 shows a control device 1 of a control unit of a robot manipulator, having a switching element 3, which is designed for this, on the basis of a
Schaltkommandos zwischen mindestens zwei Eingangssignalen 5,7 des Schaltelements 3 zu schalten und das geschaltete Eingangssignal auszugeben, wobei ein erstes Switch commands between at least two input signals 5,7 of the switching element 3 and to output the switched input signal, a first
Eingangssignal des Schaltelements 3 ein durch ein quantisiertes und zeitdiskretes Sensorsignal erfasster Positions-Zustand 5 des Robotermanipulators ist und wobei ein zweites Eingangssignal des Schaltelements 3 eine Vorgabe 7 des Positions-Zustands 5 des Robotermanipulators ist. Der Positions-Zustand 5 des Robotermanipulators weist zumindest eine kartesische Pose des Robotermanipulators auf. Das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal wird dabei aus dem am Robotermanipulator angeordneten Positionssensor 100 erzeugt. Ferner weist die Regeleinrichtung 1 ein Logikelement 9 auf, das zum Ausgeben des Schaltkommandos und zum Übermitteln des Schaltkommandos an das Schaltelement 3 ausgeführt ist. Des Weiteren weist die Regeleinrichtung 1 eine Regelfehlervergleichseinheit 1 1 auf, die dazu ausgeführt ist, eine Differenz aus dem durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfassten Positions-Zustand 5 des Robotermanipulators und dem geschalteten Eingangssignal zu bilden und die Differenz als Signal auszugeben. Ein erstes Signalbegrenzungselement 13 der Regeleinrichtung 1 ist dazu ausgeführt, das Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit 1 1 ermittelten Differenz auf eine vordefinierte untere Grenze und/oder auf eine vordefinierte obere Grenze zu begrenzen. Das Logikelement 9 ist außerdem zusätzlich dazu ausgeführt, ein derartiges Schaltkommando auszugeben, dass von dem Schaltelement 3 der durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfasste Positions-Zustand 5 des The input signal of the switching element 3 is a position state 5 of the robot manipulator which is detected by a quantized and discrete-time sensor signal, and a second input signal of the switching element 3 is a specification 7 of the position state 5 of the robot manipulator. The position state 5 of the robot manipulator has at least one Cartesian pose of the robot manipulator. The quantized and discrete-time sensor signal is generated from the position sensor 100 arranged on the robot manipulator. Furthermore, the control device 1 has a logic element 9, which is designed to output the switching command and to transmit the switching command to the switching element 3. Furthermore, the control device 1 has a control error comparison unit 1 1, which is designed to form a difference between the positional state 5 of the robot manipulator detected by the quantized and discrete-time sensor signal and the switched input signal and to output the difference as a signal. A first signal limiting element 13 of the control device 1 is designed to limit the signal of the difference determined by the control error comparison unit 11 to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit. In addition, the logic element 9 is designed to issue a switching command such that the switching element 3 detects the position state 5 of the switching element 3 that is detected by the quantized and discrete-time sensor signal
Robotermanipulators geschaltet wird, wenn vom Logikelement 9 ein manuelles Führen des Robotermanipulators durch einen Benutzer erkannt wird. Ein Filterelement 15 dient dazu, das Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit 1 1 ermittelten Differenz durch Multiplikation mit einem vordefinierten Frequenzgang zu filtern. Ein Skalierungsoperator 17 dient außerdem zum Erzeugen eines Kommandosignals für einen Aktuator 19 des Robotermanipulators, wobei das Kommandosignal durch Bilden eines skalierten proportionalen und/oder differenzierten und/oder integrierten Signals der von der Robot manipulator is switched when logic element 9 detects that the user manipulates the robot manipulator manually. A filter element 15 is used to filter the signal of the difference determined by the control error comparison unit 1 1 by multiplication by a predefined frequency response. A scaling operator 17 also serves to generate a command signal for an actuator 19 of the robot manipulator, the command signal by forming a scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal from the
Regelfehlervergleichseinheit 1 1 ermittelten Differenz und durch Summation aller skalierten proportionalen und/oder differenzierten und/oder integrierten Signalanteile ermittelt wird. Ein zweites Signalbegrenzungselement 21 ist außerdem dazu ausgeführt, das Kommandosignal des Skalierungsoperators 17 auf eine vordefinierte untere Grenze und/oder auf eine vordefinierte obere Grenze zu begrenzen. Ein Integratorelement 23 ist dem Skalierungsoperator 17 zugeordnet und dient zum Erzeugen des integrierten Signals aus dem Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit 1 1 ermittelten Differenz; im Zuge dessen dienen ein drittes Signalbegrenzungselement 25 und ein Subtraktionsglied 27 dazu, das integrierte Signal auf eine vordefinierte untere Grenze und/oder auf eine vordefinierte obere Grenze zu begrenzen im Falle des Subtraktionsglieds 27 dazu, eine Differenz aus dem integrierten Signal und von dem durch das Signalbegrenzungselement begrenzte Signal zu bilden und mit einem vordefinierten Faktor zu multiplizieren und von dem Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit 1 1 ermittelten Differenz zu subtrahieren. Control error comparison unit 1 1 determined difference and is determined by summing all scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal components. A second signal limiting element 21 is also designed to limit the command signal of the scaling operator 17 to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit. An integrator element 23 is assigned to the scaling operator 17 and is used to generate the integrated signal from the signal of the difference determined by the control error comparison unit 11; in the course of this, a third signal limiting element 25 and a subtraction element 27 serve to limit the integrated signal to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit in the case of the subtraction element 27 to make a difference between the integrated signal and that caused by the Form signal limiting element limited signal and multiply by a predefined factor and subtract from the signal of the difference determined by the control error comparison unit 1 1.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators durch eine 3 shows a method for controlling a robot manipulator by a
Regeleinrichtung 1 einer Steuereinheit des Robotermanipulators, aufweisend die Schritte:Control device 1 of a control unit of the robot manipulator, comprising the steps:
- Ausgeben S1 eines Schaltkommandos und Übermitteln des Schaltkommandos an ein Schaltelement 3 durch ein Logikelement 9, Output S1 of a switching command and transmission of the switching command to a switching element 3 by a logic element 9,
- Schalten S2 zwischen mindestens zwei Eingangssignalen 5,7 des Schaltelements 3 auf Basis des Schaltkommandos und Ausgeben des geschalteten Eingangssignals, wobei ein erstes Eingangssignal des Schaltelements 3 ein durch ein quantisiertes und zeitdiskretes Sensorsignal erfasster Zustand 5 ist und wobei ein zweites Eingangssignal des Switch S2 between at least two input signals 5, 7 of the switching element 3 on the basis of the switching command and output of the switched input signal, a first input signal of the switching element 3 being a state 5 detected by a quantized and discrete-time sensor signal, and a second input signal of the
Schaltelements 3 eine Vorgabe 7 des Zustands 5 des Robotermanipulators ist, undSwitching element 3 is a specification 7 of the state 5 of the robot manipulator, and
- Bilden S3 einer Differenz aus dem durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfassten Zustand 5 des Robotermanipulators und dem geschalteten Eingangssignal durch eine Regelfehlervergleichseinheit 1 1 und Ausgeben der Differenz als Signal durch die Regelfehlervergleichseinheit 1 1. - Form S3 a difference between the state 5 of the robot manipulator detected by the quantized and discrete-time sensor signal and the switched input signal by a control error comparison unit 11 and output the difference as a signal by the control error comparison unit 11.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele Although the invention has been illustrated and explained in more detail by means of preferred exemplary embodiments, the invention is not by the disclosed examples
eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der restricted and other variations can be derived from this by the expert, without leaving the scope of the invention. It is therefore clear that there are a variety of possible variations. It is also clear that exemplified embodiments really only represent examples that are not in any way intended to limit the scope of protection, the application possibilities or the
Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Configuration of the invention are to be understood. Rather, the preceding description and the description of the figures enable the person skilled in the art to specifically implement the exemplary embodiments, the person skilled in the art being able to make various changes in knowledge of the disclosed inventive concept, for example with regard to the function or the arrangement of individual elements mentioned in an exemplary embodiment, without leaving the scope of protection provided by the claims and their legal equivalents, such as further
Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird. Explanations in the description, is defined.
Bezugszeichenliste Reference list
1 Regeleinrichtung 1 control device
3 Schaltelement 3 switching element
5 Zustand 5 condition
7 Vorgabe 7 default
9 Logikelement 9 logic element
1 1 Regelfehlervergleichseinheit1 1 control error comparison unit
13 erstes Signalbegrenzungselement13 first signal limiting element
15 Filterelement 15 filter element
17 Skalierungsoperator 17 scaling operator
19 Aktuator 19 actuator
21 zweites Signalbegrenzungselement21 second signal limiting element
23 Integratorelement 23 integrator element
25 drittes Signalbegrenzungselement 25 third signal limiting element
27 Subtraktionsglied 27 subtractor
100 Positionssensor 100 position sensor
51 Ausgeben 51 Spend
52 Schalten 52 Switching
53 Bilden 53 Form

Claims

Patentansprüche Claims
1. Regeleinrichtung (1 ) einer Steuereinheit eines Robotermanipulators, aufweisend: 1. Control device (1) of a control unit of a robot manipulator, comprising:
- ein Schaltelement (3), das dazu ausgeführt ist, auf Basis eines Schaltkommandos zwischen mindestens zwei Eingangssignalen (5,7) des Schaltelements (3) zu schalten und das geschaltete Eingangssignal auszugeben, wobei ein erstes Eingangssignal des Schaltelements (3) ein durch ein quantisiertes und zeitdiskretes Sensorsignal erfasster Zustand (5) des Robotermanipulators ist und wobei ein zweites Eingangssignal des Schaltelements (3) eine Vorgabe (7) des Zustands (5) des Robotermanipulators ist, - A switching element (3), which is designed to switch based on a switching command between at least two input signals (5,7) of the switching element (3) and to output the switched input signal, with a first input signal of the switching element (3) one by one quantized and time-discrete sensor signal is detected state (5) of the robot manipulator and wherein a second input signal of the switching element (3) is a specification (7) of the state (5) of the robot manipulator,
- ein Logikelement (9), das zum Ausgeben des Schaltkommandos und zum - A logic element (9) which is used to output the switching command and
Übermitteln des Schaltkommandos an das Schaltelement (3) ausgeführt ist, und Transmission of the switching command to the switching element (3) is carried out, and
- eine Regelfehlervergleichseinheit (1 1 ), die dazu ausgeführt ist, eine Differenz aus dem durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfassten Zustand (5) des Robotermanipulators und dem geschalteten Eingangssignal zu bilden und die Differenz als Signal auszugeben. - A control error comparison unit (1 1), which is designed to form a difference between the state (5) of the robot manipulator detected by the quantized and discrete-time sensor signal and the switched input signal and to output the difference as a signal.
2. Regeleinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , 2. Control device (1) according to claim 1,
aufweisend ein erstes Signalbegrenzungselement (13), wobei das erste comprising a first signal limiting element (13), the first
Signalbegrenzungselement (13) dazu ausgeführt, das Signal der von der Signal limiting element (13) to the signal of the
Regelfehlervergleichseinheit (1 1 ) ermittelten Differenz auf eine vordefinierte untere Grenze und/oder auf eine vordefinierte obere Grenze zu begrenzen. Limit error comparison unit (1 1) determined difference to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit.
3. Regeleinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 3. Control device (1) according to one of the preceding claims,
wobei das Logikelement (9) dazu ausgeführt ist, ein derartiges Schaltkommando auszugeben, dass von dem Schaltelement (3) der durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfasste Zustand (5) des Robotermanipulators geschaltet wird, wenn vom Logikelement (9) ein manuelles Führen des Robotermanipulators durch einen Benutzer erkannt wird. wherein the logic element (9) is designed to issue a switching command such that the switching element (3) switches the state (5) of the robot manipulator as detected by the quantized and discrete-time sensor signal when the robot element manipulates the logic element (9) manually is recognized by a user.
4. Regeleinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. Control device (1) according to one of the preceding claims,
aufweisend ein Filterelement (15), wobei das Filterelement (15) dazu ausgeführt, das Signal der von der Regelfehlervergleichseinheit (1 1 ) ermittelten Differenz durch Multiplikation mit einem vordefinierten Frequenzgang zu filtern. comprising a filter element (15), the filter element (15) being designed to filter the signal of the difference determined by the control error comparison unit (1 1) by multiplication by a predefined frequency response.
5. Regeleinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen Skalierungsoperator (17), wobei der Skalierungsoperator (17) zum Erzeugen eines Kommandosignals für einen Aktuator (19) des 5. Control device (1) according to one of the preceding claims, comprising a scaling operator (17), the scaling operator (17) for generating a command signal for an actuator (19) of the
Robotermanipulators ausgeführt ist, wobei das Kommandosignal durch Bilden eines skalierten proportionalen und/oder differenzierten und/oder integrierten Signals der von der Regelfehlervergleichseinheit (1 1 ) ermittelten Differenz und durch Robot manipulator is executed, wherein the command signal by forming a scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal of the difference determined by the control error comparison unit (1 1) and by
Summation aller skalierten proportionalen und/oder differenzierten und/oder integrierten Signalanteile ermittelt wird. Summation of all scaled proportional and / or differentiated and / or integrated signal components is determined.
6. Regeleinrichtung (1 ) nach Anspruch 5, 6. Control device (1) according to claim 5,
aufweisend ein zweites Signalbegrenzungselement (21 ), wobei das zweite comprising a second signal limiting element (21), the second
Signalbegrenzungselement (21 ) dazu ausgeführt, das Kommandosignal des Skalierungsoperators (17) auf eine vordefinierte untere Grenze und/oder auf eine vordefinierte ober Grenze zu begrenzen. Signal limiting element (21) designed to limit the command signal of the scaling operator (17) to a predefined lower limit and / or to a predefined upper limit.
7. Regeleinrichtung (1 ) nach einem Ansprüche 5 bis 6, 7. Control device (1) according to one of claims 5 to 6,
aufweisend ein Integratorelement (23), wobei das Integratorelement (23) zum Erzeugen des integrierten Signals aus dem Signal der von der comprising an integrator element (23), the integrator element (23) for generating the integrated signal from the signal of the
Regelfehlervergleichseinheit (1 1 ) ermittelten Differenz ausgeführt ist, weiterhin aufweisend ein drittes Signalbegrenzungselement (25) und ein Subtraktionsglied (27), wobei das dritte Signalbegrenzungselement (25) dazu ausführt ist, das integrierte Signal auf eine vordefinierte untere Grenze und/oder auf eine Control error comparison unit (1 1) determined difference is carried out, further comprising a third signal limiting element (25) and a subtraction element (27), the third signal limiting element (25) being designed to limit the integrated signal to a predefined lower limit and / or
vordefinierte obere Grenze zu begrenzen und wobei das Subtraktionsglied (27) dazu ausgeführt ist, eine Differenz aus dem integrierten Signal und von dem durch das Signalbegrenzungselement begrenzte Signal zu bilden und mit einem vordefinierten Faktor zu multiplizieren und von dem Signal der von der limit a predefined upper limit and wherein the subtraction element (27) is designed to form a difference between the integrated signal and the signal delimited by the signal limiting element and to multiply it by a predefined factor and the signal from the
Regelfehlervergleichseinheit (1 1 ) ermittelten Differenz zu subtrahieren. Subtract the control error comparison unit (1 1) determined.
8. Regeleinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. Control device (1) according to one of the preceding claims,
wobei der Zustand (5) des Robotermanipulators zumindest eine kartesische Pose des Robotermanipulators aufweist. wherein the state (5) of the robot manipulator has at least one Cartesian pose of the robot manipulator.
9. Regeleinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. Control device (1) according to one of the preceding claims,
wobei der Zustand (5) des Robotermanipulators zumindest einen Vektor aus Gelenkwinkeln des Robotermanipulators aufweist, wobei ein jeweiliger der wherein the state (5) of the robot manipulator has at least one vector from joint angles of the robot manipulator, a respective one of the
Gelenkwinkel in einem am jeweiligen Gelenk körperfest gedacht angeordneten radialem Koordinatensystem definiert ist. Joint angle is defined in a radial coordinate system which is intended to be fixed to the body at the respective joint.
10. Verfahren zum Steuern eines Robotermanipulators durch eine Regeleinrichtung (1 ) einer Steuereinheit des Robotermanipulators, aufweisend die Schritte: 10. A method for controlling a robot manipulator by a control device (1) of a control unit of the robot manipulator, comprising the steps:
- Ausgeben (S1 ) eines Schaltkommandos und Übermitteln des Schaltkommandos an ein Schaltelement (3) durch ein Logikelement (9), - output (S1) of a switching command and transmission of the switching command to a switching element (3) by a logic element (9),
- Schalten (S2) zwischen mindestens zwei Eingangssignalen (5,7) des - Switching (S2) between at least two input signals (5,7) of the
Schaltelements (3) auf Basis des Schaltkommandos und Ausgeben des Switching element (3) based on the switching command and output of the
geschalteten Eingangssignals, wobei ein erstes Eingangssignal des Schaltelements (3) ein durch ein quantisiertes und zeitdiskretes Sensorsignal erfasster Zustand (5) ist und wobei ein zweites Eingangssignal des Schaltelements (3) eine Vorgabe (7) des Zustands (5) des Robotermanipulators ist, und switched input signal, a first input signal of the switching element (3) being a state (5) detected by a quantized and discrete-time sensor signal, and a second input signal of the switching element (3) being a specification (7) of the state (5) of the robot manipulator, and
- Bilden (S3) einer Differenz aus dem durch das quantisierte und zeitdiskrete Sensorsignal erfassten Zustand (5) des Robotermanipulators und dem geschalteten Eingangssignal durch eine Regelfehlervergleichseinheit (1 1 ) und Ausgeben der Differenz als Signal durch die Regelfehlervergleichseinheit (1 1 ). - Forming (S3) a difference from the state (5) of the robot manipulator, which is detected by the quantized and discrete-time sensor signal, and the switched input signal by a control error comparison unit (1 1) and outputting the difference as a signal by the control error comparison unit (1 1).
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