WO2021008969A1 - Kollisionsdetektion für einen robotermanipulator - Google Patents

Kollisionsdetektion für einen robotermanipulator Download PDF

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WO2021008969A1
WO2021008969A1 PCT/EP2020/069247 EP2020069247W WO2021008969A1 WO 2021008969 A1 WO2021008969 A1 WO 2021008969A1 EP 2020069247 W EP2020069247 W EP 2020069247W WO 2021008969 A1 WO2021008969 A1 WO 2021008969A1
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WO
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robot manipulator
acceleration
determined
limit value
dependent
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Application number
PCT/EP2020/069247
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas SPENNINGER
Sven Parusel
Original Assignee
Franka Emika Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/406—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4061—Avoiding collision or forbidden zones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1674—Programme controls characterised by safety, monitoring, diagnostic
    • B25J9/1676—Avoiding collision or forbidden zones

Definitions

  • the invention relates to a method for collision detection for a robot manipulator, as well as a robot manipulator which is designed to carry out the method.
  • a first aspect of the invention relates to a method for collision detection and reaction for a robot manipulator, comprising the steps:
  • the robot manipulator is, in particular, an industrial robot, that is to say it has a plurality of links connected to one another by joints, actuators being arranged in particular on the joints and the actuators being designed to apply a moment to move the links relative to one another.
  • the reaction of the robot manipulator is in particular to stop the
  • Robot manipulator or especially after stopping, a retraction of the robot manipulator away from the location of the collision.
  • the collision is detected directly or indirectly via it, that is, it is determined whether a continuously determined external force and / or an external torque exceeds a limit value in terms of amount.
  • the determination of the external force and / or the external moment is preferably based on the relationship between the inertial mass and the acceleration of the mass due to all forces and / or moments that act on the robot manipulator.
  • forces and moments There are two types of forces and moments: Firstly, those of the actuators which, by controlling the actuators, deliberately act on the robot manipulator to move the links and the end effector of the robot manipulator.
  • the limit value with which the external force or the external moment is compared is adapted as a function of a currently detected acceleration of the robot manipulator.
  • the term accelerating preferably refers to both a
  • the acceleration is particularly related to the joint angle, that is, the second time derivative of an angle between two members of the robot manipulator is considered; alternatively, the acceleration is preferably defined in a Cartesian coordinate system, that is, the acceleration can be a translational or also a rotary acceleration compared to an earth-fixed inertial system.
  • robot manipulator preferably refers to a predetermined point of the robot manipulator or to a predetermined link of the
  • the expression of the time-dependent acceleration shows in particular that a current value of the acceleration is determined for a large number of magazines, and the current limit value L (t) is determined from the respective value of the acceleration currently determined at each time step.
  • a single limit value or two different limit values are used depending on whether only one external force is determined or whether only one external torque is determined, or whether both are determined. For example, if only one external force is determined and this is to be compared with a limit value L (t), there is preferably only a single limit value L (t).
  • a second limit value L (t) can be used for an external torque, which is adapted to the torque in accordance with the physical unit and, if necessary, is scaled with respect to the first limit value L (t) for the external force.
  • the term limit value L (t) or the respective limit value L (t) is used.
  • Mass distribution via the robot manipulator a falsely detected collision or an actual collision that is falsely not detected, is better avoided in each case.
  • a first predetermined value is used for the limit value L (t) if the determined acceleration of the
  • Robot manipulator is zero or approximately zero, and for the
  • Limit value L (t) a second predetermined value used when the determined
  • Acceleration of the robot manipulator is not equal to zero or approximately not equal to zero.
  • the terms “approximately equal to zero” and “approximately not equal to zero” correlate with one another.
  • a limit is placed on the measurement signal Acceleration is applied and the amount of acceleration measured is compared to that limit. If the signal is below the limit, then the case “approximately equal to zero” applies. If the signal is above the limit, the case “approximately not equal to zero” applies. With the introduction of such a limit, noise and other unwanted signal components are advantageously filtered out, so that not only these cause a change in the limit value. According to this
  • the limit value fluctuates between two predefined values, depending on whether an acceleration above or below such a limit, or above zero or no acceleration is determined.
  • Transfer function applied with finite slope, so that a jump between the first specified value and the second specified value is avoided.
  • the transfer function prevents, in particular, the limit value being able to change between the first predetermined value and the second predetermined value in the computing cycle of a computing unit or a control unit of the robot manipulator or generally very quickly. Rather, the transfer function introduces a time offset in the change between the first predetermined value and the second predetermined value, so that a jump-free transition between the first predetermined value and the second predetermined value is made possible.
  • the current amount of the limit value L (t) is determined for a current point in time by means of a predetermined function depending on the currently determined acceleration of the robot manipulator, a function being used such that an increasing limit value is used as the acceleration increases in amount .
  • the limit value L (t) apart from quantization effects in digital systems, assumes any values and is advantageously not limited to a first predetermined value and to a second predetermined value.
  • the limit value L (t) preferably increases linearly to the amount of the determined acceleration, but non-linear relationships are also possible.
  • the time-dependent acceleration of the robot manipulator is determined by a
  • the acceleration sensor unit has in particular Acceleration sensors, which preferably detect said acceleration directly.
  • Acceleration sensors For example, an inertial measurement unit (IMU) is used.
  • IMU inertial measurement unit
  • the time-dependent acceleration of the robot manipulator is determined by an observer.
  • an observer is in particular a state observer in the mathematical and control-technical sense, with the aid of which the acceleration is not determined directly from a measurement, but results from other types of measurements and by resolving or integrating corresponding equations. Since a direct measurement of an acceleration typically contains very high noise components in the signal, an acceleration with a lower noise component can advantageously be determined by using an observer.
  • the time-dependent acceleration is determined by forming a time derivative of a currently determined speed of the robot manipulator.
  • a desired speed is preferably used, and this is derived over time in order to obtain a desired acceleration.
  • the desired acceleration is then used in place of the actual acceleration.
  • the desired speed of the robot manipulator is advantageously a signal generated by a computing unit, which for this reason does not have any noise, especially when the signal is in digital form.
  • Acceleration on the robot manipulator the hypothetical acceleration taking place by applying a mass model of the robot manipulator in conjunction with a moment generated by actuators of the robot manipulator.
  • This embodiment corresponds to an indirect determination of a force acting externally on the robot manipulator and / or a moment acting externally on the robot manipulator, since the external force or the external moment is reflected linearly in the difference between the determined actual acceleration and the hypothetical acceleration. Even if the physical unit of an acceleration does not show this directly, the external force or the external moment is still included in this difference. It is therefore under the step of determining an external force or an external moment according to the first aspect of the invention also determining the actual acceleration and the hypothetical acceleration.
  • Acceleration and the hypothetical acceleration and the comparison of these accelerations understood as determining an external force and / or an external moment.
  • Robot manipulator acting external force by comparing a determined actual moment and / or a determined actual force on
  • Robot manipulator with a desired moment and / or a desired force on the robot manipulator in contrast to the previous embodiment, in this embodiment in particular a force and / or a moment is measured and the measured force and / or the measured moment is compared with its respective desired counterpart. The external force / or the external moment results from the difference.
  • Another aspect of the invention relates to a robot manipulator, comprising:
  • a force determination unit which is designed to determine an external moment acting on the robot manipulator and / or an external force acting on the robot manipulator
  • an acceleration determination unit which is designed to determine a time-dependent acceleration of the robot manipulator
  • a computing unit that is designed to compare the external torque and / or the external force with a respective time-dependent limit value L (t), the limit value depending on the determined time-dependent acceleration of the
  • Robot manipulator is, and which is designed to detect an existing collision if an amount of the external moment and / or an amount of the external force exceeds the respective limit value L (t), and which is used to control the robot manipulator to carry out a predetermined reaction of the robot manipulator the detected collision is carried out.
  • the acceleration sensor unit is preferably the same as that
  • FIG. 2 shows a robot manipulator associated with the method of FIG. 1, and FIG.
  • FIG. 1 shows a method for collision detection for a robot manipulator 1, as shown in FIG. 2.
  • the statements made below for FIG. 1 also relate to FIG. 2 with regard to device elements.
  • the method of FIG. 1 here has the following steps:
  • Determination S1 of an external force acting on the robot manipulator 1 by comparing a determined actual acceleration on the robot manipulator 1 with a hypothetical acceleration on the robot manipulator 1, the hypothetical acceleration being achieved by applying a mass model of the robot manipulator 1 in conjunction with a torque generated by actuators of the robot manipulator 1 takes place, and the determination of the actual acceleration of the
  • Robot manipulator 1 is carried out by an acceleration sensor unit 3, which has acceleration sensors,
  • Robot manipulator 1 is
  • FIG. 2 shows a robot manipulator 1 associated with the method of FIG. 1, the robot manipulator 1 serving and being designed to carry out the method according to FIG. 1.
  • the robot manipulator 1 has for this purpose:
  • a force determination unit 5 which is designed to determine an external force acting on the robot manipulator 1,
  • an acceleration determination unit 7 which is designed to determine a time-dependent acceleration of the robot manipulator 1,
  • a computing unit 9 which is designed to compare the external torque and / or the external force with a respective time-dependent limit value L (t), the limit value L (t) being dependent on the determined time-dependent acceleration of the robot manipulator 1, and the Detection of an existing collision is carried out when an amount of the external torque and / or an amount of the external force exceeds the respective limit value L (t), and that for controlling the
  • Robot manipulator 1 to carry out the predetermined reaction of the
  • Robot manipulator 1 is executed on the detected collision.
  • the force determination unit 5 is designated separately in FIG. 2, which, however, is also composed of the entirety of torque sensors in the joints of the
  • Robotic manipulator can assemble. It can optionally be selected on the robot manipulator 1 how the external force on the robot manipulator 1 is determined.
  • the force determination unit 5 can optionally be selected as the acceleration determination unit 7, or use the torque sensors.
  • Fig. 3 shows in sections (A), (B) and (C) three different possibilities for the relationship between the currently determined acceleration of the
  • Robot manipulator 1 and a limit value L (t) that is used for the comparison with the determined external force on the robot manipulator 1, for the comparison with the determined external moment on the robot manipulator 1, or for the comparison with a combination of the determined external force or the determined external moment on the robot manipulator 1 can be used. It goes without saying for the
  • the respective horizontal axis corresponds to a time axis with later times displayed to the right, and the vertical axis corresponds to an amount of the determined acceleration or an amount of the limit value L (t).
  • the current amount of the limit value L (t) for a current point in time is determined by means of a predetermined function as a function of the currently determined acceleration of the
  • Robot manipulator 1 determined, using such a function that an increasing limit value is used as the acceleration increases in amount.
  • a first predetermined value is used for the limit value L (t) if the determined acceleration of the robot manipulator 1 is equal to zero or approximately equal to zero, and a second predetermined value is used for the limit value if the determined acceleration of the robot manipulator 1 is not equal to zero or not equal to approximately zero.
  • the first specified value is very close to zero, so that it does not stand out from the horizontal axis in FIG. 3.
  • the course in (C) basically corresponds to that in (B), with a transition function with a finite slope being used when changing between the first specified value and the second specified value, so that a jump between the first

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kollisionsdetektion für einen Robotermanipulator (1), aufweisend die Schritte: - Ermitteln (S1) eines auf den Robotermanipulator (1) wirkenden externen Moments und/oder einer auf den Robotermanipulator (1) wirkenden externen Kraft, - Ermitteln (S2) einer zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators (1), - Vergleichen (S3) des externen Moments und/oder der externen Kraft mit einem jeweiligen zeitabhängigen Grenzwert L(t), wobei der Grenzwert L(t) abhängig von der ermittelten zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators (1) ist, - Delektieren (S4) einer vorliegenden Kollision, wenn ein Betrag des externen Moments und/oder ein Betrag der externen Kraft den jeweiligen Grenzwert L(t) überschreitet, und - Ausführen (S5) einer vorgegebenen Reaktion des Robotermanipulators (1) auf die delektierte Kollision.

Description

Kollisionsdetektion für einen Robotermanipulator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kollisionsdetektion für einen Robotermanipulator, sowie einen Robotermanipulator, der zum Ausführen des Verfahrens ausgeführt ist.
Die folgenden Informationen gehören nicht notwendigerweise zum Stand der Technik, sondern stellen allgemein nachprüfbare Informationen dar:
Insbesondere dann, wenn ein Massemodell des Robotermanipulators nicht exakt der Realität entspricht, können beim Überwachen des Zusammenhangs zwischen
Beschleunigung des Robotermanipulators und der Summe der auf den
Robotermanipulator wirkenden Kräfte (oder Momente) fälschlicherweise externe Kräfte und/oder Momente detektiert werden, die so in der Realität nicht auftreten. Im
Umkehrschluss kann es dabei weiterhin Vorkommen, dass eine real auftretende externe Kraft und/oder ein externes Moment, verursacht durch eine Kollision, fälschlich nicht detektiert wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das Detektieren einer unerwünschten Kollision des Robotermanipulators insbesondere mit einem Objekt aus der Umgebung des
Robotermanipulators zu verbessern. Insbesondere ist es ein Ziel, eine solche
unerwünschte Kollision des Robotermanipulators mit einem Objekt der Umgebung des Robotermanipulators, insbesondere mit einer Person, möglichst zuverlässig festzustellen, um eine angemessene Reaktion des Robotermanipulators auszuführen.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kollisionsdetektion und -reaktion für einen Robotermanipulator, aufweisend die Schritte:
- Ermitteln eines auf den Robotermanipulator wirkenden externen Moments und/oder einer auf den Robotermanipulator wirkenden externen Kraft,
- Ermitteln einer zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators,
- Vergleichen des externen Moments und/oder der externen Kraft mit einem jeweiligen zeitabhängigen Grenzwert L(t), wobei der Grenzwert L(t) abhängig von der ermittelten zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators ist, - Detektieren einer vorliegenden Kollision, wenn ein Betrag des externen Moments und/oder ein Betrag der externen Kraft den jeweiligen Grenzwert L(t) überschreitet, und
- Ausführen einer vorgegebenen Reaktion des Robotermanipulators auf die detektierte Kollision.
Der Robotermanipulator ist insbesondere ein Industrieroboter, das heißt er weist eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern auf, wobei insbesondere an den Gelenken Aktuatoren angeordnet sind und die Aktuatoren zum Aufbringen eines Moments zum Bewegen der Glieder relativ zueinander ausgeführt sind.
Die Reaktion des Robotermanipulators ist dabei insbesondere ein Stoppen des
Robotermanipulators, oder auch insbesondere nach dem Stoppen ein Zurückfahren des Robotermanipulators weg vom Ort der Kollision.
Insbesondere wird die Kollision direkt oder indirekt darüber detektiert, das heißt festgestellt, ob eine laufend ermittelte externe Kraft und/oder ein externes Moment betragsmäßig einen Grenzwert überschreitet. Das Ermitteln der externen Kraft und/oder des externen Moments basiert bevorzugt auf dem Zusammenhang zwischen träger Masse und der Beschleunigung der Masse auf Grund von allen Kräften und/oder Momenten, die auf den Robotermanipulator wirken. Dabei gibt es zwei Arten von Kräften und Momenten: Zum ersten, diejenigen der Aktuatoren, die durch Ansteuern der Aktuatoren gewollt auf den Robotermanipulator zum Verfahren der Glieder und des Endeffektors des Robotermanipulators wirken. Zum zweiten gibt es externe Kräfte und/oder Momente, die insbesondere bei Impulsübertragung durch ein Objekt aus der Umgebung des Robotermanipulators auf diesen wirken.
Prinzipiell spielt es keine Rolle, welche der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Ermitteln der externen Kräfte und/oder Momente, welche von außen auf den Robotermanipulator wirken, verwendet werden, oder auch ob diese nicht explizit sondern nur indirekt über einen ermittelten Beschleunigungsfehler ausgedrückt werden. Der technische Effekt des ersten Aspekts der Erfindung wird dadurch erreicht, dass der Grenzwert, mit dem die externe Kraft oder das externe Moment verglichen wird, abhängig von einer aktuell erfassten Beschleunigung des Robotermanipulators angepasst wird.
Der Begriff des Beschleunigens bezieht sich dabei bevorzugt sowohl auf ein
Beschleunigen des Robotermanipulators mit dem Effekt einer sich erhöhenden
Geschwindigkeit, als auch auf die Verzögerung des Robotermanipulators mit dem Effekt einer sich verringernden Geschwindigkeit. Die Beschleunigung ist dabei insbesondere auf Gelenkwinkel bezogen, das heißt es wird die zweite zeitliche Ableitung eines Winkels zwischen zwei Gliedern des Robotermanipulators betrachtet, alternativ dazu bevorzugt ist die Beschleunigung in einem kartesischen Koordinatensystem definiert, das heißt die Beschleunigung kann eine translatorische oder auch eine rotatorische Beschleunigung gegenüber einem erdfesten Inertialsystem sein. Die Beschleunigung des
Robotermanipulators bezieht sich im letzteren Fall bevorzugt auf einen vorgegebenen Punkt des Robotermanipulators oder auf ein vorgegebenes Glied des
Robotermanipulators. Der Ausdruck der zeitabhängigen Beschleunigung gibt dabei insbesondere wieder, dass zu einer Vielzahl von Zeitschriften ein aktueller Wert der Beschleunigung ermittelt wird, und aus dem jeweiligen zu jedem Zeitschritt aktuell ermittelten Wert der Beschleunigung der aktuelle Grenzwert L(t) ermittelt wird.
Je nachdem, ob nur eine externe Kraft ermittelt wird oder ob nur ein externes Moment ermittelt wird, oder ob beide ermittelt werden, werden ein einziger Grenzwert oder zwei verschiedene Grenzwerte verwendet. Wird beispielsweise nur eine externe Kraft ermittelt und diese ist mit einem Grenzwert L(t) zu vergleichen, so existiert bevorzugt nur ein einziger Grenzwert L(t). Optional kann ein zweiter Grenzwert L(t) für ein externes Moment verwendet werden, der entsprechend der physikalischen Einheit an das Moment angepasst ist und bei Bedarf bezüglich des ersten Grenzwerts L(t) für die externe Kraft skaliert ist. Im Folgenden und im Vorhergehenden wird der Einfachheit halber daher schlicht vom Grenzwert L(t) oder vom jeweiligen Grenzwert L(t) gesprochen.
Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass in Beschleunigungsphasen eines Robotermanipulators der Grenzwert zum Detektieren einer Kollision angepasst wird, insbesondere erhöht wird, sodass bei einer fehlerhaften Modellierung der
Masseverteilung über den Robotermanipulator eine fälschlich detektierte Kollision oder eine tatsächliche Kollision, die fälschlicherweise nicht detektiert wird, jeweils besser vermieden wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird für den Grenzwert L(t) ein erster vorgegebener Wert verwendet, wenn die ermittelte Beschleunigung des
Robotermanipulators gleich null oder näherungsweise gleich null ist, und für den
Grenzwert L(t) ein zweiter vorgegebener Wert verwendet, wenn die ermittelte
Beschleunigung des Robotermanipulators ungleich null oder näherungsweise ungleich null ist. Die Begriffe "näherungsweise gleich null" und "näherungsweise ungleich null" korrelieren miteinander. Insbesondere wird eine Grenze auf das Messsignal der Beschleunigung aufgebracht, und der Betrag der gemessenen Beschleunigung wird mit dieser Grenze verglichen. Befindet sich das Signal unterhalb der Grenze, so trifft der Fall "näherungsweise gleich null" zu. Befindet sich das Signal oberhalb der Grenze, so trifft der Fall "näherungsweise ungleich null" zu. Vorteilhaft wird mit der Einführung einer solchen Grenze Rauschen und andere ungewollten Signalanteile herausgefiltert, sodass nicht lediglich diese eine Änderung im Grenzwert verursachen. Gemäß dieser
Ausführungsform schwankt der Grenzwert zwischen zwei vorgegebenen Werten, je nachdem, ob eine Beschleunigung oberhalb oder unterhalb einer solchen Grenze, oder oberhalb von null oder keine Beschleunigung ermittelt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird beim Wechsel zwischen dem ersten vorgegebenen Wert und dem zweiten vorgegebenen Wert eine
Überführungsfunktion mit endlicher Steigung angewendet, sodass ein Sprung zwischen dem ersten vorgegebenen Wert und dem zweiten vorgegebenen Wert vermieden wird. Durch die Überführungsfunktion wird insbesondere vermieden, dass im Rechentakt einer Recheneinheit oder einer Steuereinheit des Robotermanipulators oder allgemein sehr schnell der Grenzwert zwischen dem ersten vorgegebenen Wert und dem zweiten vorgegebenen Wert wechseln kann. Vielmehr bringt die Überführungsfunktion einen zeitlichen Versatz in den Wechsel zwischen dem ersten vorgegebenen Wert und dem zweiten vorgegebenen Wert ein, sodass ein sprungfreier Übergang zwischen dem ersten vorgegebenen Wert und dem zweiten vorgegebenen Wert ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der aktuelle Betrag des Grenzwerts L(t) für einen aktuellen Zeitpunkt mittels einer vorgegebenen Funktion abhängig von der aktuell ermittelten Beschleunigung des Robotermanipulators ermittelt, wobei eine derartige Funktion verwendet wird, dass mit betragsmäßig steigender Beschleunigung ein steigender Grenzwert verwendet wird. Gemäß dieser
Ausführungsform nimmt der Grenzwert L(t), abgesehen von Quantisierungseffekten in digitalen Systemen, beliebige Werte an und ist vorteilhaft nicht nur auf einen ersten vorgegebenen Wert und auf einen zweiten vorgegebenen Wert beschränkt. Bevorzugt steigt der Grenzwert L(t) linear zum Betrag der ermittelten Beschleunigung, aber auch nichtlineare Zusammenhänge sind möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators durch eine
Beschleunigungssensoreinheit. Die Beschleunigungssensoreinheit weist insbesondere Beschleunigungssensoren auf, die die genannte Beschleunigung bevorzugt direkt erfassen. Beispielsweise wird eine inertiale Messeinheit (IMU) verwendet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators durch einen Beobachter. Ein solcher Beobachter ist insbesondere ein Zustandsbeobachter im mathematischen und regelungstechnischen Sinne, mithilfe dessen die Beschleunigung nicht direkt aus einer Messung ermittelt wird, sondern sich aus andersartigen Messungen und durch Auflösen oder Integration von entsprechenden Gleichungen ergibt. Da eine direkte Messung einer Beschleunigung typischerweise sehr hohe Rauschanteile im Signal enthält, kann vorteilhaft durch die Verwendung eines Beobachters eine Beschleunigung mit geringerem Rauschanteil ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der zeitabhängigen Beschleunigung durch Bilden einer zeitlichen Ableitung einer aktuell ermittelten Geschwindigkeit des Robotermanipulators. Alternativ bevorzugt dazu wird eine gewünschte Geschwindigkeit verwendet, und diese zeitlich abgeleitet, um eine gewünschte Beschleunigung zu erhalten. Die gewünschte Beschleunigung wird dann anstelle der tatsächlichen Beschleunigung verwendet. Vorteilhaft ist die gewünschte Geschwindigkeit des Robotermanipulators ein durch eine Recheneinheit generiertes Signal, das aus diesem Grund keinerlei Rauschen aufweist, insbesondere wenn das Signal in digitaler Form vorliegt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ermitteln des auf den Robotermanipulator wirkenden externen Moments und/oder der auf den
Robotermanipulator wirkenden externen Kraft durch Vergleich einer ermittelten tatsächlichen Beschleunigung am Robotermanipulator mit einer hypothetischen
Beschleunigung am Robotermanipulator, wobei die hypothetische Beschleunigung durch Anwenden eines Massemodells des Robotermanipulators in Verbindung mit einem von Aktuatoren des Robotermanipulators erzeugten Moments erfolgt. Diese Ausführungsform entspricht einer indirekten Ermittlung einer extern auf den Robotermanipulator wirkenden Kraft und/oder eines extern auf den Robotermanipulator wirkenden Moments, da sich in der Differenz der ermittelten tatsächlichen Beschleunigung und der hypothetischen Beschleunigung die externe Kraft oder das externe Moment linear widerspiegelt. Wenn auch die physikalische Einheit einer Beschleunigung dies nicht direkt zeigt, so ist dennoch in dieser Differenz die externe Kraft oder das externe Moment enthalten. Es wird daher unter dem Schritt des Ermittelns einer externen Kraft oder eines externen Moments gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auch das Ermitteln der tatsächlichen
Beschleunigung und der hypothetischen Beschleunigung und das Vergleichen dieser Beschleunigungen als Ermitteln einer externen Kraft und/oder eines externen Moments verstanden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ermitteln des auf den Robotermanipulator wirkenden externen Moments und/oder der auf den
Robotermanipulator wirkenden externen Kraft durch Vergleich eines ermittelten tatsächlichen Moments und/oder einer ermittelten tatsächlichen Kraft am
Robotermanipulator mit einem gewünschten Moment und/oder einer gewünschten Kraft am Robotermanipulator. Im Gegensatz zur vorherigen Ausführungsform wird bei dieser Ausführungsform insbesondere eine Kraft und/oder ein Moment gemessen und die gemessene Kraft und/oder das gemessene Moment mit seinem jeweiligen gewünschten Pendant verglichen. Aus der Differenz ergibt sich die externe Kraft/oder das externe Moment.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Robotermanipulator, aufweisend:
- eine Kraftermittlungseinheit, die zum Ermitteln eines auf den Robotermanipulator wirkenden externen Moments und/oder einer auf den Robotermanipulator wirkenden externen Kraft ausgeführt ist,
- eine Beschleunigungsermittlungseinheit, die zum Ermitteln einer zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators ausgeführt ist,
- eine Recheneinheit, die zum Vergleichen des externen Moments und/oder der externen Kraft mit einem jeweiligen zeitabhängigen Grenzwert L(t) ausgeführt ist, wobei der Grenzwert abhängig von der ermittelten zeitabhängigen Beschleunigung des
Robotermanipulators ist, und die zum Detektieren einer vorliegenden Kollision ausgeführt ist, wenn ein Betrag des externen Moments und/oder ein Betrag der externen Kraft den jeweiligen Grenzwert L(t) überschreitet, und die zum Ansteuern des Robotermanipulators zum Ausführen einer vorgegebenen Reaktion des Robotermanipulators auf die detektiere Kollision ausgeführt ist.
Bevorzugt ist die Beschleunigungssensoreinheit gleich der
Beschleunigungsermittlungseinheit.
Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Robotermanipulators ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren vorstehend gemachten Ausführungen. 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.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Verfahren zur Kollisionsdetektion für einen Robotermanipulator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 einen zum Verfahren der Fig. 1 zugehörigen Robotermanipulator, und
Fig. 3 mögliche Verläufe des Grenzwerts L(t) abhängig von der ermittelten
Beschleunigung nach weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Fig. 1 zeigt ein Verfahren zur Kollisionsdetektion für einen Robotermanipulator 1 , wie in Fig. 2 dargestellt. Die im folgenden für die Fig. 1 gemachten Ausführungen beziehen sich dabei bezüglich von Vorrichtungselementen auch auf die Fig. 2. Das Verfahren der Fig. 1 weist hierbei die folgenden Schritte auf:
- Ermitteln S1 einer auf den Robotermanipulator 1 wirkenden externen Kraft durch Vergleich einer ermittelten tatsächlichen Beschleunigung am Robotermanipulator 1 mit einer hypothetischen Beschleunigung am Robotermanipulator 1 , wobei die hypothetische Beschleunigung durch Anwenden eines Massemodells des Robotermanipulators 1 in Verbindung mit einem von Aktuatoren des Robotermanipulators 1 erzeugten Moments erfolgt, und wobei das Ermitteln der tatsächlichen Beschleunigung des
Robotermanipulators 1 durch eine Beschleunigungssensoreinheit 3 erfolgt, welche Beschleunigungssensoren aufweist,
- Ermitteln S2 einer zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators 1 durch die ebensolche Beschleunigungssensoreinheit 3 mit ihren Beschleunigungssensoren,
- Vergleichen S3 der externen Kraft mit einem zeitabhängigen Grenzwert L(t), wobei der Grenzwert L(t) abhängig von der ermittelten zeitabhängigen Beschleunigung des
Robotermanipulators 1 ist,
- Detektieren S4 einer vorliegenden Kollision, wenn ein Betrag der externen Kraft den jeweiligen Grenzwert L(t) überschreitet, und - Ausführen S5 der vorgegebenen Reaktion des Robotermanipulators 1 „Robotermanipulator stoppen“ auf die detektierte Kollision durch Ansteuern der
Aktuatoren und Bremsen des Robotermanipulators 1 durch eine Recheneinheit 9. Wie hierbei die Abhängigkeit von der ermittelten Beschleunigung des Robotermanipulators 1 auf den jeweiligen Grenzwert L(t) gestaltet werden kann, ist den Ausführungsbeispielen der Fig. 3 zu entnehmen.
Fig. 2 zeigt einen zum Verfahren der Fig. 1 zugehörigen Robotermanipulator 1 , wobei der Robotermanipulator 1 zum Ausführen des Verfahrens nach Fig. 1 dient und ausgeführt ist. Der Robotermanipulator 1 weist hierzu auf:
- Eine Kraftermittlungseinheit 5, die zum Ermitteln einer auf den Robotermanipulator 1 wirkenden externen Kraft ausgeführt ist,
- eine Beschleunigungsermittlungseinheit 7, die zum Ermitteln einer zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators 1 ausgeführt ist,
- eine Recheneinheit 9, die zum Vergleichen des externen Moments und/oder der externen Kraft mit einem jeweiligen zeitabhängigen Grenzwert L(t) ausgeführt ist, wobei der Grenzwert L(t) abhängig von der ermittelten zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators 1 ist, und die zum Detektieren einer vorliegenden Kollision ausgeführt ist, wenn ein Betrag des externen Moments und/oder ein Betrag der externen Kraft den jeweiligen Grenzwert L(t) überschreitet, und die zum Ansteuern des
Robotermanipulators 1 zum Ausführen der vorgegebenen Reaktion des
Robotermanipulators 1 auf die detektiere Kollision ausgeführt ist. Der Vollständigkeit halber ist in der Fig. 2 die Kraftermittlungseinheit 5 separat bezeichnet, die sich jeodch auch aus der Gesamtheit von Momentensensoren in den Gelenken des
Robotermanipulators zusammensetzen kann. Es kann wahlweise am Robotermanipulator 1 ausgewählt werden, wie die externe Kraft am Robotermanipulator 1 ermittelt wird. Die Kraftermittlungseinheit 5 kann dabei wahlweise als die Beschleunigungsermittlungseinheit 7 ausgewählt werden, oder die Momentensensoren benutzen.
Fig. 3 zeigt in den Abschnitten (A), (B) und (C) drei verschiedene Möglichkeiten für den Zusammenhang zwischen der aktuell ermittelten Beschleunigung des
Robotermanipulators 1 und einem Grenzwert L(t), der für den Vergleich mit der ermittelten externen Kraft auf den Robotermanipulator 1 , für den Vergleich mit dem ermittelten externen Moment auf den Robotermanipulator 1 , oder für den Vergleich mit einer Kombination der ermittelten externen Kraft oder dem ermittelten externen Moment auf den Robotermanipulator 1 verwendet werden kann. Es versteht sich für den
Fachmann, dass weitere Verläufe oder Modifikationen der in der Fig. 3 gezeigten Verläufe und Abhängigkeiten angewendet werden können. In den jeweiligen Abschnitten der Fig. 3 bezieht sich die gestrichelte Kurve auf den Grenzwert L(t) und die
durchgezogen gezeichnete Kurve jeweils auf die aktuell ermittelte Beschleunigung des Robotermanipulators 1. Die jeweilige waagerechte Achse entspricht einer Zeitachse wobei nach rechts spätere Zeiten angezeigt werden, und die vertikale Achse entspricht einem Betrag der ermittelte Beschleunigung bzw. einem Betrag des Grenzwerts L(t). In (A) wird der aktuelle Betrag des Grenzwerts L(t) für einen aktuellen Zeitpunkt mittels einer vorgegebenen Funktion abhängig von der aktuell ermittelten Beschleunigung des
Robotermanipulators 1 ermittelt, wobei eine derartige Funktion verwendet wird, dass mit betragsmäßig steigender Beschleunigung ein steigender Grenzwert verwendet wird.
In (B) wird für den Grenzwert L(t) ein erster vorgegebener Wert verwendet, wenn die ermittelte Beschleunigung des Robotermanipulators 1 gleich null oder näherungsweise gleich null ist, und für den Grenzwert ein zweiter vorgegebener Wert verwendet, wenn die ermittelte Beschleunigung des Robotermanipulators 1 ungleich null oder ungleich näherungsweise null ist. Der erste vorgegebene Wert liegt hierbei sehr nahe an Null, sodass er sich in der Fig. 3 nicht von der horizontalen Achse abhebt. Der Verlauf in (C) entspricht grundsätzlich dem aus (B), wobei beim Wechsel zwischen dem ersten vorgegebenen Wert und dem zweiten vorgegebenen Wert eine Überführungsfunktion mit endlicher Steigung angewendet wird, sodass ein Sprung zwischen dem ersten
vorgegebenen Wert und dem zweiten vorgegebenen Wert vermieden wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele
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
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
Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird. Bezugszeichenliste
1 Robotermanipulator
3 Beschleunigungssensoreinheit
5 Kraftermittlungseinheit
7 Beschleunigungsermittlungseinheit
9 Recheneinheit S1 Ermitteln
52 Ermitteln
53 Vergleichen
54 Detektieren
55 Ausführen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kollisionsdetektion für einen Robotermanipulator (1 ), aufweisend die Schritte:
- Ermitteln (S1 ) eines auf den Robotermanipulator (1 ) wirkenden externen Moments und/oder einer auf den Robotermanipulator (1 ) wirkenden externen Kraft,
- Ermitteln (S2) einer zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators (1 ),
- Vergleichen (S3) des externen Moments und/oder der externen Kraft mit einem jeweiligen zeitabhängigen Grenzwert L(t), wobei der Grenzwert L(t) abhängig von der ermittelten zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators (1 ) ist,
- Detektieren (S4) einer vorliegenden Kollision, wenn ein Betrag des externen Moments und/oder ein Betrag der externen Kraft den jeweiligen Grenzwert L(t) überschreitet, und
- Ausführen (S5) einer vorgegebenen Reaktion des Robotermanipulators (1 ) auf die detektierte Kollision.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei für den Grenzwert L(t) ein erster vorgegebener Wert verwendet wird, wenn die ermittelte Beschleunigung des Robotermanipulators (1 ) gleich null oder näherungsweise gleich null ist, und wobei für den Grenzwert L(t) ein zweiter vorgegebener Wert verwendet wird, wenn die ermittelte Beschleunigung des Robotermanipulators (1 ) ungleich null oder näherungsweise ungleich null ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
wobei beim Wechsel zwischen dem ersten vorgegebenen Wert und dem zweiten vorgegebenen Wert eine Überführungsfunktion mit endlicher Steigung angewendet wird, sodass ein Sprung zwischen dem ersten vorgegebenen Wert und dem zweiten vorgegebenen Wert vermieden wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei der aktuelle Betrag des Grenzwerts L(t) für einen aktuellen Zeitpunkt mittels einer vorgegebenen Funktion abhängig von der aktuell ermittelten Beschleunigung des Robotermanipulators (1 ) ermittelt wird, wobei eine derartige Funktion verwendet wird, dass mit betragsmäßig steigender Beschleunigung ein steigender Grenzwert verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei das Ermitteln der zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators (1 ) durch eine Beschleunigungssensoreinheit (3) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei das Ermitteln der zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators (1 ) durch einen Beobachter erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei das Ermitteln der zeitabhängigen Beschleunigung durch Bilden einer zeitlichen Ableitung einer aktuell ermittelten Geschwindigkeit des
Robotermanipulators (1 ) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Ermitteln des auf den Robotermanipulator (1 ) wirkenden externen Moments und/oder der auf den Robotermanipulator (1 ) wirkenden externen Kraft durch Vergleich einer ermittelten tatsächlichen Beschleunigung am
Robotermanipulator (1 ) mit einer hypothetischen Beschleunigung am
Robotermanipulator (1 ) erfolgt, wobei die hypothetische Beschleunigung durch Anwenden eines Massemodells des Robotermanipulators (1 ) in Verbindung mit einem von Aktuatoren des Robotermanipulators (1 ) erzeugten Moments erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Ermitteln des auf den Robotermanipulator (1 ) wirkenden externen Moments und/oder der auf den Robotermanipulator (1 ) wirkenden externen Kraft durch Vergleich eines ermittelten tatsächlichen Moments oder einer ermittelten tatsächlichen Kraft am Robotermanipulator (1 ) mit einem gewünschten Moment oder einer gewünschten Kraft am Robotermanipulator (1 ) erfolgt.
10. Robotermanipulator (1 ), aufweisend:
- eine Kraftermittlungseinheit (5), die zum Ermitteln eines auf den
Robotermanipulator (1 ) wirkenden externen Moments und/oder einer auf den Robotermanipulator (1 ) wirkenden externen Kraft ausgeführt ist,
- eine Beschleunigungsermittlungseinheit (7), die zum Ermitteln einer
zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators (1 ) ausgeführt ist,
- eine Recheneinheit (9), die zum Vergleichen des externen Moments und/oder der externen Kraft mit einem jeweiligen zeitabhängigen Grenzwert L(t) ausgeführt ist, wobei der Grenzwert abhängig von der ermittelten zeitabhängigen Beschleunigung des Robotermanipulators (1 ) ist, und die zum Detektieren einer vorliegenden Kollision ausgeführt ist, wenn ein Betrag des externen Moments und/oder ein Betrag der externen Kraft den jeweiligen Grenzwert L(t) überschreitet, und die zum Ansteuern des Robotermanipulators (1 ) zum Ausführen einer vorgegebenen
Reaktion des Robotermanipulators (1 ) auf die detektiere Kollision ausgeführt ist.
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