WO2020169302A1 - Verfahren und system zum durchführen einer vorgegebenen aufgabe durch einen roboter - Google Patents

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WO2020169302A1
WO2020169302A1 PCT/EP2020/051708 EP2020051708W WO2020169302A1 WO 2020169302 A1 WO2020169302 A1 WO 2020169302A1 EP 2020051708 W EP2020051708 W EP 2020051708W WO 2020169302 A1 WO2020169302 A1 WO 2020169302A1
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robot
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movement
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PCT/EP2020/051708
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Ewald LUTSCHER
Mario Daniele FIORE
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Kuka Deutschland Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for performing a predetermined task by a robot that is redundant with respect to this task, a system for operating the robot that is set up to perform the method, and a computer program product for performing the method
  • Robots can perform tasks for which they are redundant. If a task comprises, for example, a predetermined three-dimensional position and three-dimensional orientation of a robot end flange or a robot-guided tool connected to it, a robot with seven or more consecutive joints is redundant with regard to this task.
  • the object of the present invention is to improve the performance of given tasks by robots that are redundant with regard to these tasks, preferably to increase the precision of the task performance with or in spite of manual operation of the robot.
  • Claims 8, 9 provide a system or computer program product for performing a method described here under protection.
  • the subclaims relate to advantageous developments.
  • a robot is redundant with respect to a given task.
  • the robot has more Degrees of freedom, in particular joints or axes, as required or determined by the task or for performing the task.
  • x d e ⁇ task or x d e ⁇ task denote a given task, for example a pose or position and / or orientation of a robot-fixed reference or its change over time
  • ge ⁇ DoF joint coordinates for example angular positions
  • the robot has at least six, in particular at least seven, in one embodiment consecutive joints or axes,
  • parameterized, virtual mass, virtual stiffness and / or virtual damping depends, in a
  • joints or drives of the robot in one embodiment electric motors, are actuated or commanded in such a way that the robot performs the task and admittance movement or to perform the task and the
  • Admittance movement activated or commanded.
  • the robot can be hand-guided when performing the specified task (by externally impressing the force) and thereby its Redundancy, in particular for collision avoidance or the like, is used, and the precision of the execution of the tasks can be advantageously increased.
  • an anti-parallel force pair or torque is generally referred to as a force in the sense of the present invention.
  • the Jacobian matrix (of the task) is defined in one embodiment in the customary manner by or. dx d
  • J * WJ T (J w - J T ) (3) with the inverse () 1 of a weighting matrix W, for example the unit or mass matrix, and the transpose () T can be defined or determined.
  • W for example the unit or mass matrix
  • T transpose
  • a setpoint admittance movement in a development in the joint coordinate space of the robot and / or with the aid of an admittance control, is based on the externally exerted on the robot, in particular in the
  • K and / or D can be equal to or not equal to zero or the corresponding terms are omitted and / or M can be the identity matrix or different from this and zero.
  • Such an admittance setpoint movement mediates a movement that a virtual mass, spring and / or damper system, in particular a virtual one
  • the force exerted externally on the robot is determined in one embodiment in the joint coordinate space and / or on the basis of forces in the joints of the robot and / or a particularly mathematical or numerical model of the robot, in one embodiment by determining forces in the joints of the robot , in particular with the help of sensors, in particular force sensors, measured or, in particular with the help of secondary encoders, detected currents in articulated drives or the like, estimated, and in one embodiment of these forces those forces in one embodiment based on models and / or on the basis of positions and / or internal forces determined by movements of the robot, which result from the dynamics, in particular the weight and movements of the robot, are subtracted, in an embodiment according to with the determined forces T) in the joints, the current joint coordinates q or their time derivatives, as well as the mass matrix M m and the vector h of the generalized
  • the force exerted externally on the robot can be determined particularly advantageously, in particular precisely (r), and the hand guidance can thereby be improved.
  • the task is specified in the (Cartesian) workspace of the robot.
  • the task comprises one or more poses of a robot-fixed reference and / or one or more changes to a pose of a robot-fixed reference, in one embodiment a predetermined movement and / or a predetermined holding of a pose of the robot-fixed reference.
  • a pose has a one, two or three-dimensional position and / or a one, two or three-dimensional orientation, can in particular be (defined) such or determine such.
  • the robot-fixed reference is on a robot-guided
  • Robot end flange on which the tool is connected to the robot arranged.
  • a robot can be moved in a hand-guided manner while maintaining a fixed point, in particular a trocar point, of a robot-guided, in particular medical, tool with high precision.
  • the reference fixed to the robot is the “Tool Center Point” (TCP) of the robot.
  • TCP Tool Center Point
  • a target task movement in particular in the joint coordinate space of the robot, is determined on the basis of the predetermined task, in particular its Jacobian matrix, in particular its generalized or pseudo inverse, in an embodiment according to
  • the robot is controlled using a speed and / or position control based on the task target movement and / or in the
  • Zero space projected admittance target movement controlled, in particular on the basis of a target speed according to whereby this target speed can be integrated into a target position in one embodiment.
  • joints or drives of the robot are thus actuated or commanded on the basis of the task target movement and / or the admittance target movement projected into the null space.
  • the present invention can be used with particular advantage in medical robotics. Accordingly, the robot introduces in one embodiment
  • the present invention can be used with particular advantage in telemanipulation or the robot can be used as a telemanipulator.
  • a system for operating the robot in particular in terms of hardware and / or software, in particular in terms of program technology, is set up to carry out a method described here and / or has means for carrying out the task and carrying out one of an externally Robot exerted force and a predetermined virtual mass, rigidity and / or damping-dependent admittance movement in the null space when performing the task.
  • system or its means has:
  • Admittance target movement A means within the meaning of the present invention can be designed in terms of hardware and / or software, in particular a processing, in particular microprocessor unit (CPU), graphics card (GPU), preferably a data or signal connected to a memory and / or bus system, in particular digital processing unit ) or the like, and / or one or more programs or program modules.
  • the processing unit can be designed to receive commands that are implemented as one in one
  • a storage system can have one or more,
  • the program can be designed in such a way that it embodies or is able to execute the methods described here, so that the processing unit can execute the steps of such methods and thus in particular operate or operate the robot.
  • a computer program product can have, in particular a non-volatile, storage medium for storing a program or with a program stored on it, wherein the execution of this program causes a system or a controller, in particular a computer, to create a to carry out the method described here or one or more of its steps.
  • one or more, in particular all, steps of the method are carried out completely or partially automatically, in particular by the system or its means.
  • the system has the robot and / or its controller.
  • time derivatives can be implemented by corresponding differences, for example task d by a differential
  • FIG. 1 shows a system for operating a robot or performing a predetermined task by the robot according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 a method for performing the task by the robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a system with a controller 2 for operating or controlling a seven-axis robot 10 or performing a predetermined task by the robot 10 according to an embodiment of the present invention
  • the robot 10 guides a tool 12 which is fastened to the robot end flange 11 and has a distal tool tip 13.
  • a given task is, for example, to keep the three-dimensional Cartesian position of the tool-fixed point X constant.
  • Another specified task can be, for example, a specified TCP pose or TCP path.
  • a first step S10 the controller 2 determines forces, in particular
  • Torques T about the (rotary) axes, in the joints of the robot, for example by means of force, in particular torque sensors in the joints (not shown).
  • a second step S20 the controller 2 uses this to determine a force T ext exerted externally on the robot, for example according to Eq. (6) or otherwise.
  • a fourth step S40 the controller 2 projects this target admittance movement into the null space of the task, adds a target task movement that it generates on the basis of the generalized or pseudo inverse of the Jacobian matrix of the specified task, for example according to Eq. (7) or otherwise, determines and executes the
  • the robot 10 executes an admittance movement q a that is dependent on the force exerted externally on it and the predetermined virtual mass and damping.

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Abstract

Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Durchführen einer vorgegebenen Aufgabe durch einen Roboter (10), der bezüglich dieser Aufgabe redundant ist, wird beim Durchführen der Aufgabe eine von einer extern auf den Roboter ausgeübten Kraft und einer vorgegebenen virtuellen Masse, Steifigkeit und/oder Dämpfung abhängige Admittanz-Bewegung im Nullraum durchgeführt.

Description

Beschreibung
Verfahren und System zum Durchführen einer vorgegebenen Aufgabe durch einen Roboter
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer vorgegebenen Aufgabe durch einen Roboter, der bezüglich dieser Aufgabe redundant ist, ein System zum Betreiben des Roboters, das zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens
Roboter können Aufgaben durchführen, bezüglich deren sie redundant sind. Umfasst eine Aufgabe beispielsweise eine vorgegebene dreidimensionale Position und dreidimensionale Orientierung eines Roboterendflanschs bzw. eines damit verbundenen robotergeführten Werkzeugs, so ist ein Roboter mit sieben oder mehr aufeinanderfolgenden Gelenken bezüglich dieser Aufgabe redundant.
Auf der anderen Seite ist eine Handführung von Robotern bekannt, bei der der Roboter einer manuell auf ihn ausgeübten Kraft folgt bzw. aus(zu)weich(en such)t.
Bei bisherigen betriebsinternen Ansätzen einer Handführung von Robotern beim Durchführen einer vorgegebenen Aufgabe, bezüglich der der Roboter redundant ist, ist insbesondere die Präzision der Aufgabendurchführung häufig unbefriedigend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Durchführung vorgegebener Aufgaben durch Roboter, die bezüglich dieser Aufgaben redundant sind, zu verbessern, vorzugsweise die Präzision der Aufgabendurchführung bei bzw. trotz Handführung des Roboters zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 8, 9 stellen ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Roboter bezüglich einer vorgegebenen Aufgabe redundant. In einer Ausführung weist der Roboter mehr Freiheitsgrade, insbesondere Gelenke bzw. Achsen, auf als die Aufgabe bzw. für die Durchführung der Aufgabe erforderlich bzw. durch diese bestimmt.
Bezeichne xd e□ task bzw. xd e□ task eine vorgegebene Aufgabe, beispielsweise eine Pose bzw. Position und/oder Orientierung einer roboterfesten Referenz bzw. deren zeitliche Änderung, und ge□ DoF Gelenkkoordinaten, beispielsweise Winkellagen, des Roboters, so gilt bei dem ((aufgaben)redundanten) Roboter entsprechend in einer Ausführung task < DoF.
In einer Weiterbildung weist der Roboter wenigstens sechs, insbesondere wenigstens sieben, in einer Ausführung aufeinanderfolgende, Gelenke bzw. Achsen,
insbesondere Drehgelenke bzw. -achsen, auf ( Dof> 6 bzw. Dof> 7), so dass er insbesondere beliebige vorgegebene dreidimensionale Positionen und Orientierungen anfahren kann ( Dof> 6) bzw. bezüglich beliebiger vorgegebener sechsdimensionaler Posen roboterfester Referenzen stets redundant ( Dof> 7) und somit sehr flexibel einsetzbar ist.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird beim Durchführen der vorgegebenen, in einer Ausführung programmierten bzw. vorab abgespeicherten oder durch einen Eingabebefehl kommandierten, Aufgabe durch den Roboter eine
Bewegung i(n eine)m Nullraum (des Roboters bezüglich der Aufgabe) durchgeführt, insbesondere kommandiert, die vorliegend als Admittanz-Bewegung bezeichnet wird und von einer extern, insbesondere manuell, auf den Roboter ausgeübten Kraft und einer vorgegebenen, in einer Ausführung eingestellten bzw. parametrierten, virtuellen Masse, virtuellen Steifigkeit und/oder virtuellen Dämpfung abhängt, in einer
Ausführung auf Basis der extern auf den Roboter ausgeübten Kraft und
vorgegebenen virtuellen Masse, Steifigkeit bzw. Dämpfung ermittelt wird bzw. ist. In einer Ausführung werden Gelenke bzw. Antriebe des Roboters, in einer Ausführung Elektromotoren, derart aktuiert bzw. kommandiert, dass der Roboter die Aufgabe und Admittanz-Bewegung durchführt bzw. zur Durchführung der Aufgabe und der
Admittanz-Bewegung aktuiert bzw. kommandiert.
Hierdurch kann in einer Ausführung der Roboter beim Durchführen der vorgegebenen Aufgabe (durch externes Aufprägen der Kraft) handgeführt und dadurch seine Redundanz, insbesondere zur Kollisionsvermeidung oder dergleichen, ausgenutzt, und dabei vorteilhaft die Präzision der Aufgabendurchführung erhöht werden.
Zur kompakteren Darstellung wird vorliegend auch ein antiparalleles Kräftepaar bzw. Drehmoment verallgemeinernd als Kraft im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet.
Die Jacobimatrix (der Aufgabe) ist in einer Ausführung in fachüblicher Weise definiert durch
Figure imgf000004_0001
bzw.
Figure imgf000004_0002
dxd
mit den Zeitableitungen
dt
Figure imgf000004_0003
Eine generalisierte bzw. Pseudoinverse J* der Jacobimatrix bildet umgekehrt xd auf qd ab qd = J# xd (2) und kann in einer Ausführung gemäß
J* = W JT (J w - JT) (3) mit der Inversen () 1 einer Gewichtungsmatrix W, beispielsweise der Einheits- oder Massenmatrix, und der Transponierten ()T definiert sein bzw. ermittelt werden. Der Nullraum (der Aufgabe) ist in einer Ausführung in fachüblicher Weise definiert durch den Nullraumoperator bzw. -projektor
Figure imgf000005_0001
In einer Ausführung wird eine Admittanz-Sollbewegung, in einer Weiterbildung im Gelenkkoordinatenraum des Roboters und/oder mithilfe einer Admittanz-Regelung, auf Basis der extern auf den Roboter ausgeübten, insbesondere also in den
Gelenkkoordinatenraum transformierten, Kraft Text und/oder der vorgegebenen virtuellen Masse M, Steifigkeit K und/oder Dämpfung D ermittelt, in einer Ausführung gemäß qa = M 1 (Text - D qa - K qa) (5) bzw., insbesondere durch Integration oder in einem Regelkreis, gemäß
Figure imgf000005_0002
insbesondere qa = jqa dt (5‘)
t und diese ermittelte Admittanz-Sollbewegung in den Nullraum projiziert, in einer Ausführung durch Linksmultiplikation des Nullraumoperators L/gemäß Gl. (4). Dabei kann in einer Ausführung K und/oder D gleich oder ungleich Null sein bzw. die entsprechenden Terme entfallen und/oder Mdie Einheitsmatrix oder von dieser und Null verschieden sein.
Eine solche Admittanz-Sollbewegung vermittelt eine Bewegung, die ein virtuelles Masse-, Feder- und/oder Dämpfer-System, insbesondere ein virtuelles
Masse-Dämpfer-System ( qa = M 1 · (Text - D qa ) ) bzw. eine virtuelle Masse
( qa = M 1 Text ), infolge der externen Kraft Text ausführen würde. Hierdurch kann in einer Ausführung ein vorteilhaftes Verhalten des Roboters bei der Handführung realisiert werden. Die extern auf den Roboter ausgeübte Kraft wird in einer Ausführung im Gelenkkoordinatenraum und/oder auf Basis von Kräften in Gelenken des Roboters und/oder einem, insbesondere mathematischen bzw. numerischen, Modell des Roboters ermittelt, in einer Ausführung indem Kräfte in Gelenken des Roboters ermittelt, insbesondere mithilfe von Sensoren, insbesondere Kraft-Sensoren, gemessen oder, insbesondere mithilfe von Sekundärencodern, erfassten Strömen in Gelenkantrieben oder dergleichen, abgeschätzt werden, und in einer Ausführung von diesen Kräften diejenigen, in einer Ausführung modellbasiert und/oder auf Basis von Stellungen und/oder Bewegungen des Roboters ermittelten, internen Kräfte abgezogen werden, die aus der Dynamik, insbesondere dem Gewicht und der Bewegungen des Roboters, resultieren, in einer Ausführung gemäß
Figure imgf000006_0001
mit den ermittelten Kräften T ) in den Gelenken, den aktuellen Gelenkkoordinaten q , bzw. deren Zeitableitungen, sowie der Massenmatrix Mm und dem Vektor h der verallgemeinerten Kräfte, insbesondere gyroskopischen, Gravitations- und/oder Reibungskräfte, des Roboters bzw. seines Modells. Wie bereits erwähnt, werden auch Drehmomente vorliegend verallgemeinernd als Kräfte bezeichnet. Allgemein wird die extern auf den Roboter ausgeübte Kraft in einer Ausführung auf Basis von mittels Sensoren ermittelten Kräften in Gelenken des Roboters ermittelt.
Hierdurch kann in einer Ausführung die extern auf den Roboter ausgeübte Kraft besonders vorteilhaft, insbesondere präzise(r), ermittelt und dadurch die Handführung verbessert werden.
In einer Ausführung ist bzw. wird die Aufgabe im (kartesischen) Arbeitsraum des Roboters vorgegeben.
Zusätzlich oder alternativ umfasst in einer Ausführung die Aufgabe eine oder mehrere Posen einer roboterfesten Referenz und/oder eine oder mehrere Änderungen einer Pose einer roboterfesten Referenz, in einer Ausführung eine vorgegebene Bewegung und/oder ein vorgegebenes Halten einer Pose der roboterfesten Referenz. In einer Ausführung weist eine Pose eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Position und/oder eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Orientierung auf, kann insbesondere (durch) eine solche (definiert) sein bzw. eine solche bestimmen.
Hierdurch können Aufgaben vorteilhaft vorgegeben bzw. durchgeführt werden. In einer Ausführung ist die roboterfeste Referenz auf einem robotergeführten
Werkzeug, in einer Weiterbildung zwischen einer Werkzeugspitze und einem
Roboterendflansch, an dem das Werkzeug mit dem Roboter verbunden ist, angeordnet.
So kann in einer Ausführung ein Roboter handgeführt bewegt und dabei ein Fixpunkt, insbesondere Trokarpunkt, eines robotergeführten, insbesondere medizinischen, Werkzeugs mit hoher Präzision beibehalten werden.
In einer Ausführung ist die roboterfeste Referenz der„Tool Center Point“ (TCP) des Roboters.
Hierdurch kann dieser in einer Ausführung mit hoher Präzision positioniert werden. Zusätzlich oder alternativ wird in einer Ausführung eine Aufgaben-Sollbewegung, insbesondere im Gelenkkoordinatenraum des Roboters, auf Basis der vorgegebenen Aufgabe, insbesondere ihrer Jacobimatrix, insbesondere deren generalisierten bzw. Pseudoinversen, ermittelt, in einer Ausführung gemäß
Figure imgf000007_0001
In einer Ausführung wird der Roboter mithilfe einer Geschwindigkeits- und/oder Positionsregelung auf Basis der Aufgaben-Sollbewegung und/oder der in den
Nullraum projizierten Admittanz-Sollbewegung gesteuert, insbesondere auf Basis einer Soll-Geschwindigkeit gemäß
Figure imgf000007_0002
wobei diese Soll-Geschwindigkeit in einer Ausführung zu einer Soll-Stellung integriert werden kann. In einer Ausführung werden somit Gelenke bzw. Antriebe des Roboters auf Basis der Aufgaben-Sollbewegung und/oder der in den Nullraum projizierten Admittanz-Sollbewegung aktuiert bzw. kommandiert.
Die vorliegende Erfindung kann mit besonderem Vorteil in der Medizinrobotik eingesetzt werden. Entsprechend führt der Roboter in einer Ausführung ein
medizinisches, in einer Ausführung mikroinvasives oder nicht
chirurgisch^ verwendetes Werkzeug. Gleichermaßen kann die vorliegende Erfindung mit besonderem Vorteil in der Telemanipulation eingesetzt bzw. der Roboter als Telemanipulator verwendet werden.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Betreiben des Roboters, insbesondere hard- und/oder Software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist Mittel zum Durchführen der Aufgabe und Durchführen einer von einer extern auf den Roboter ausgeübten Kraft und einer vorgegebenen virtuellen Masse, Steifigkeit und/oder Dämpfung abhängigen Admittanz-Bewegung im Nullraum beim Durchführen der Aufgabe auf.
In einer Ausführung weist das System bzw. sein(e) Mittel auf:
- Mittel zum Ermitteln der extern auf den Roboter ausgeübten Kraft auf Basis von Kräften in Gelenken des Roboters und/oder einem Modell des Roboters; und/oder
- Mittel zum Ermitteln einer Aufgaben-Sollbewegung, insbesondere im
Gelenkkoordinatenraum des Roboters, auf Basis der vorgegebenen Aufgabe, insbesondere ihrer Jacobimatrix; und/oder
- Mittel zum Ermitteln einer Admittanz-Sollbewegung, insbesondere im
Gelenkkoordinatenraum des Roboters und/oder mithilfe einer Admittanz Regelung, auf Basis der extern auf den Roboter ausgeübten Kraft und/oder vorgegebenen virtuellen Masse, Steifigkeit und/oder Dämpfung und zum Projizieren dieser ermittelte Admittanz-Sollbewegung in den Nullraum; und/oder
- eine Geschwindigkeits- und/oder Positionsregelung auf Basis der
Aufgaben-Sollbewegung und/oder der in den Nullraum projizierten
Admittanz-Sollbewegung. Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU), Graphikkarte (GPU) oder dergleichen, und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die Verarbeitungseinheit kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem
Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten,
Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere,
insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die Verarbeitungseinheit die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere den Roboter betreiben bzw.
steuern kann. Zur kompakteren Darstellung wird vorliegend auch ein Regeln verallgemeinernd als Steuern bezeichnet. Ein Computerprogrammprodukt kann in einer Ausführung ein, insbesondere nicht-flüchtiges, Speichermedium zum Speichern eines Programms bzw. mit einem darauf gespeicherten Programm aufweisen, insbesondere sein, wobei ein Ausführen dieses Programms ein System bzw. eine Steuerung, insbesondere einen Computer, dazu veranlasst, ein hier beschriebenes Verfahren bzw. einen oder mehrere seiner Schritte auszuführen.
In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch das System bzw. sein(e) Mittel.
In einer Ausführung weist das System den Roboter und/oder dessen Steuerung auf.
Zeitableitungen können in einer Ausführung durch entsprechende Differenzen implementiert sein, also beispielsweise die Aufgabe ddurch ein differentielles
Kommando Axd , die Soll-Geschwindigkeit qddurch ein differentielles Kommando Aqde tc.. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1 : ein System zum Betreiben eines Roboters bzw. Durchführen einer vorgegebenen Aufgabe durch den Roboter nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2: ein Verfahren zum Durchführen der Aufgabe durch den Roboter nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein System mit einer Steuerung 2 zum Betreiben bzw. Steuern eines siebenachsigen Roboters 10 bzw. Durchführen einer vorgegebenen Aufgabe durch den Roboter 10 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 ein
Verfahren zum Durchführen der Aufgabe durch den Roboter nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Der Roboter 10 führt ein Werkzeug 12, das am Roboterendflansch 1 1 befestigt ist und eine distale Werkzeugspitze 13 aufweist.
Eine vorgegebene Aufgabe besteht beispielsweise darin, die dreidimensionale kartesische Position des werkzeugfesten Punktes X konstant zu halten. Eine andere vorgegebene Aufgabe kann beispielsweise eine vorgegebene TCP-Pose oder TCP-Bahn sein.
In einem ersten Schritt S10 ermittelt die Steuerung 2 Kräfte, insbesondere
Drehmomente T, um die (Dreh)Achsen, in den Gelenken des Roboters, beispielsweise mittels Kraft-, insbesondere Drehmoment-Sensoren in den Gelenken (nicht dargestellt).
In einem zweiten Schritt S20 ermittelt die Steuerung 2 hieraus eine extern auf den Roboter ausgeübte Kraft Text, beispielsweise gemäß Gl. (6) oder auf andere Weise.
In einem dritten Schritt S30 ermittelt die Steuerung 2 auf Basis dieser extern auf den Roboter ausgeübten Kraft Text und einer vorgegebenen virtuellen Masse M und Dämpfung D mithilfe einer Admittanz-Regelung eine Admittanz-Sollbewegung qa bzw. qa , beispielsweise gemäß Gl. (5), (5‘) mit K= 0 oder auf andere Weise.
In einem vierten Schritt S40 projiziert die Steuerung 2 diese Admittanz-Sollbewegung in den Nullraum der Aufgabe, addiert eine Aufgaben-Sollbewegung, die sie auf Basis der generalisierten bzw. Pseudoinversen der Jacobimatrix der vorgegebenen Aufgabe, beispielsweise gemäß Gl. (7) oder auf andere Weise, ermittelt, und führt die
resultierende bzw. gemäß Gl. (8) ermittelte Soll-Bewegung qd , gegebenenfalls nach
Integration zu einer Soll-Stellung qd im Gelenkkoordinatenraum, einer
Geschwindigkeits- bzw. Positionsregelung zu, die entsprechende Gelenkwinkel kommandiert bzw. Antriebe des Roboters 10 (nicht dargestellt) entsprechend
(an)steuert.
Dadurch führt der Roboter 10 beim Durchführen der Aufgabe im Nullraum eine von der extern auf ihn ausgeübten Kraft und der vorgegebenen virtuellen Masse und Dämpfung abhängige Admittanz-Bewegung qa durch.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen
Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die
Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die
Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten
Merkmalskombinationen ergibt. Bezuqszeichenliste
10 Roboter
1 1 Roboterendflansch
12 robotergeführtes Werkzeug
13 Werkzeugspitze
2 Steuerung qi , ... q7 = q Gelenkkoordinaten/-winkel
X roboterfeste Referenz

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Durchführen einer vorgegebenen Aufgabe durch einen Roboter
(10), der bezüglich dieser Aufgabe redundant ist, wobei beim Durchführen der Aufgabe eine von einer extern auf den Roboter ausgeübten Kraft und einer vorgegebenen virtuellen Masse, Steifigkeit und/oder Dämpfung abhängige
Admittanz-Bewegung im Nullraum durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die extern auf den Roboter ausgeübte Kraft auf Basis von Kräften in Gelenken des Roboters und/oder einem Modell des Roboters ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufgabe im Arbeitsraum des Roboters vorgegeben ist und/oder wenigstens eine Pose und/oder Posenänderung einer roboterfesten Referenz (X) umfasst.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die roboterfeste Referenz (X) auf einem robotergeführten Werkzeug (12), insbesondere zwischen einer Werkzeugspitze (13) und einem Roboterendflansch
(1 1 ), angeordnet oder der TCP des Roboters ist und/oder eine
Aufgaben-Sollbewegung, insbesondere im Gelenkkoordinatenraum des Roboters, auf Basis der vorgegebenen Aufgabe, insbesondere ihrer Jacobimatrix, ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Admittanz-Sollbewegung, insbesondere im Gelenkkoordinatenraum des Roboters und/oder mithilfe einer Admittanz-Regelung, auf Basis der extern auf den Roboter ausgeübten Kraft und/oder vorgegebenen virtuellen Masse, Steifigkeit und/oder Dämpfung ermittelt und diese ermittelte Admittanz-Sollbewegung in den Nullraum projiziert wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine Geschwindigkeits- und/oder Positionsregelung auf Basis der Aufgaben-Sollbewegung und/oder der in den Nullraum projizierten Admittanz-Sollbewegung.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter ein medizinisches Werkzeug (12) führt. 8. System (2) zum Betreiben eines Roboters (10), das zur Durchführung eines
Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder Mittel zum Durchführen einer von einer extern auf den Roboter ausgeübten Kraft und einer vorgegebenen virtuellen Masse, Steifigkeit und/oder Dämpfung abhängigen Admittanz-Bewegung im Nullraum beim Durchführen der Aufgabe aufweist.
9. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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