WO2021048262A1

WO2021048262A1 - Online konformitätsanalyse und konformitätskennzeichnung für roboter

Info

Publication number: WO2021048262A1
Application number: PCT/EP2020/075298
Authority: WO
Inventors: Andreas SPENNINGER; Sven Parusel
Original assignee: Franka Emika Gmbh
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2020-09-10
Publication date: 2021-03-18
Also published as: DE102019124720B3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Robotermanipulator (1), verbunden mit einer Ausgabeeinheit (5) und mit einer Recheneinheit (7), wobei eine Anforderungsschnittstelle (11) zum Bereitstellen von Konformitätsanforderungen, eine Informationsschnittstelle (13) zum Bereitstellen von Systemeigenschaften und eine Aufgabenschnittstelle (15) zum Bereitstellen einer Aufgabe ausgeführt ist, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, eine Situationsanalyse auf Basis der Aufgabe durchzuführen, eine Lösung zum Ausführen der Aufgabe auf Basis eines Vergleichs der Konformitätsanforderungen mit dem Residualrisiko zu ermitteln, eine Dokumentation auf Basis der Aufgabe und/oder der Lösung zu erzeugen und die Dokumentation zusammen mit einem Signal zum Ausgeben eines Konformitätskennzeichens an die Ausgabeeinheit (5) zu übermitteln, und die Roboterglieder und/oder den Endeffektor (3) zum Ausführen der Aufgabe gemäß der Lösung anzusteuern.

Description

Online Konformitätsanalyse und Konformitätskennzeichnung für Roboter Die Erfindung betrifft einen Robotermanipulator mit ansteuerbaren Robotergliedern und/oder mit einem ansteuerbaren Endeffektor zum Ausführen einer Aufgabe, sowie ein Verfahren zum Ausführen einer Aufgabe durch einen Robotermanipulator mit ansteuerbaren Robotergliedern und/oder mit einem ansteuerbaren Endeffektor. Um die Betriebssicherheit von Robotermanipulatoren zu gewährleisten, ist es in vielen Staaten der Erde erforderlich, dass der Hersteller bzw. der Betreiber das Risiko eines Unfalls durch vorgegebene Konformitätsanforderungen eingrenzt. Dies dient der Gewährleistung der Sicherheit beim Betrieb des Robotermanipulators als Maschine gegenüber der Umwelt und insbesondere der Arbeitssicherheit von mit dem Robotermanipulator arbeitenden oder von sich in der Umgebung des Robotermanipulators befindlichen Personen. Ein Beispiel für solche Konformitätskennzeichnungen ist das in Europa gebräuchliche CE-Kennzeichen, das vom Hersteller auf ein Produkt selbst angebracht werden kann, um zu erklären, dass das Produkt den CE-Anforderungen genügt. Eine solche Konformitätserklärung ist typischerweise statisch auf ein Produkt bezogen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Sicherheit des Betriebs eines Robotermanipulators angepasst an die aktuellen Gegebenheiten zu gewährleisten, und damit die Sicherheit beim Betrieb des Robotermanipulators zu verbessern und den Betrieb des Robotermanipulators flexibler zu gestalten.

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 einen Robotermanipulator mit ansteuerbaren Robotergliedern und/oder mit einem ansteuerbaren Endeffektor zum Ausführen einer Aufgabe, wobei der Robotermanipulator mit einer Ausgabeeinheit und mit einer Recheneinheit verbunden ist, wobei die Recheneinheit eine Anforderungsschnittstelle, und eine Informationsschnittstelle, und eine Aufgabenschnittstelle aufweist, wobei die Anforderungsschnittstelle zum Bereitstellen von Konformitätsanforderungen an die Recheneinheit ausgeführt ist, die Informationsschnittstelle zum Bereitstellen von Systemeigenschaften des Robotermanipulators an die Recheneinheit ausgeführt ist, und die Aufgabenschnittstelle zum Bereitstellen einer Aufgabe ausgeführt ist, und wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist,

- eine Situationsanalyse auf Basis der Aufgabe durchzuführen,

- eine Lösung zum Ausführen der Aufgabe auf Basis einer Risikoanalyse zu ermitteln, wobei die Lösung Maßnahmen zur Senkung des inhärenten Risikos bei der Ausführung der Aufgabe auf ein Residualrisiko aufweist und die Risikoanalyse auf einem Vergleich der Konformitätsanforderungen mit dem Residualrisiko abhängig von den Systemeigenschaften und von der Situationsanalyse basiert,

- eine Dokumentation auf Basis der Systemeigenschaften und auf Basis der Aufgabe und/oder der Lösung zu erzeugen und die Dokumentation zusammen mit einem Signal zum Ausgeben eines Konformitätskennzeichens an die Ausgabeeinheit zu übermitteln, jeweils wenn die Lösung die Konformitätsanforderungen erfüllt, und

- die Roboterglieder und/oder den Endeffektor zum Ausführen der Aufgabe gemäß der Lösung anzusteuern.

Der Robotermanipulator weist insbesondere einen Roboterarm und der Roboterarm eine Vielzahl von durch Gelenken miteinander verbundenen Robotergliedern auf. Bevorzugt sind an den Gelenken elektrische Motoren mit Getrieben angeordnet, um die Roboterglieder gegeneinander zu bewegen. Bevorzugt wird der Endeffektor ebenfalls mit elektrischer Energie versorgt, wobei der Endeffektor ein mechanischer Endeffektor wie ein Greifer sein kann, ein Schweißgerät aufweisen kann, oder andere zum Bearbeiten eines Bauteils oder zum sensorischen Erfassen eines Objekts Bauelemente aufweisen kann.

Die Recheneinheit ist bevorzugt auch eine Steuereinheit des Robotermanipulators oder zumindest ein solcher Anwenderrechner, der mit der Steuereinheit des Robotermanipulators verbunden ist. Die Recheneinheit weist eine Anforderungsschnittstelle, eine Informationsschnittstelle, und eine Aufgabenschnittstelle auf. Der Begriff der jewiligen Schnittstelle ist dabei allgemein aufzufassen, sodass die jeweilige Schnittstelle innerhalb der Recheneinheit selbst implementiert sein kann, oder die Schnittstelle die Verbindung zur Außenwelt der Recheneinheit darstellen kann.

Die Konformitätsanforderungen werden insbesondere durch die Anforderungsschnittstelle bereitgestellt. Bevorzugt sind die Konformitätsanforderungen vorgegeben und abgespeichert, sodass sie durch die Anforderungsschnittstelle jederzeit durch Aufruf der entsprechenden Speichereinheit bereitgestellt werden können. Bevorzugt weisen die Konformitätsanforderungen Gesundheitsanforderungen und/oder Sicherheitsanforderungen und/oder Umweltanforderungen auf. Bei Gesundheitsanforderungen werden insbesondere Grenzwerte zu physikalischen Größen vorgegeben, denen eine Person in der Umgebung des Robotermanipulators ausgesetzt ist. Dies betrifft beispielsweise Lärm, die Stärke und Frequenz eines elektrischen bzw. elektromagnetischen Feldes oder Belastungen durch gesundheitsgefährdende Stoffe. Die Konformitätsanforderungen beschreiben insbesondere Sicherheitsstandards über Normen wie Expositionsdauer, absolute Grenzwerte, relative Grenzwerte oder anderen Metriken.

Systemeigenschaften des Robotermanipulators, bereitgestellt durch die Informationsschnittstelle, betreffen insbesondere Parameter und Konfiguration des Robotermanipulators selbst. In den Systemeigenschaften können enthalten sein: Masse, geometrische Maße, Trägheitsmoment, Charakteristiken der Antriebe für die maximale Geschwindigkeit und/oder das maximale Drehmoment, Bandbreite, sowie stoffliche Zusammensetzung, Temperaturbeständigkeit, Brandneignung, elektrische Leitfähigkeit, Strahlenemission, Arbeitsraum, Bewegungsspielraum, maximale Gelenkwinkel, maximale Beschleunigungen, Schallerzeugung, Erzeugung von elektromagnetischen Wellen, und Ähnliches, jeweils des Robotermanipulators sowie gegebenenfalls auch des Endeffektors. Ferner kann von den Systemeigenschaften ein Sicherheitsniveau der Software umfasst sein, der verwendete Kompilierer zum Kompilieren des Quelltextes insbesondere eines Steuerprogramms oder auch des Betriebssystems des Robotermanipulators, sowie elektrische und elektronische Systemeigenschaften, insbesondere die Risilienz gegenüber externer elektromagnetischer Strahlung, die elektrische Isolierung, die Erdung, und der Intensitätsgrad einer Verifikation und Validierung von Steuerprogrammen bzw. anderer Software wie die eines verwendeten Betriebssystems des Robotermanipulators.

Die Aufgabenschnittstelle ist zum Bereitstellen einer Aufgabe ausgeführt. Die Ausführung der Aufgabe des Robotermanipulators wird durch eine Lösung definiert, wobei die Lösung der Aufgabe insbesondere ein Steuerprogramm aufweist und je nach Lösung auch andere Anweisungen. Insbesondere bestimmt das Steuerprogramm eine Trajektorie der einzelnen Roboterglieder bzw. Gelenke und/oder des Endeffektors des Robotermanipulators. Die Aufgabe kann dabei grundsätzlich auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen angegeben werden, wobei mit höherer Abstraktion auch ein höherer Interpretationsaufwand von der Recheneinheit zu leisten ist, um aus der Aufgabe eine Lösung zu erzeugen. So kann die Aufgabe insbesondere die sogenannte "pick and place" Aufgabe sein, bei der ein Objekt vom Endeffektor des Robotermanipulators gegriffen werden soll und an einem anderen Ort abgelegt werden soll. Eine Vielzahl von Aufgaben kann durch die Robotik bewältigt werden - weitere beispielhafte Aufgaben wären das Lackieren eines Bauteils, Schweißen, diverse mechanische Bearbeitungsvorgänge eines Werkstücks wie Polieren, das Bohren eines Loches, etc.. Dementsprechend erfolgt die Situationsanalyse insbesondere kontextbasiert. Das heißt, dass bevorzugt Informationen über die Umgebung des Robotermanipulators, über Personen und Objekte in der näheren Umgebung des Robotermanipulators, über bestimmte Umgebungsfaktoren wie eine explosionsgefährdete Atmosphäre, zerbrechliche Gegenstände, Gefahrstoffe, elektrische Leitungen, Temperaturquellen, oder anderes berücksichtigt werden, wobei grundsätzlich die Situationsanalyse auf Basis der Aufgabe ausgeführt wird. Das heißt, dass die Aufgabe systematisch dahingehend analysiert wird, welche Randbedingungen für Bewegungsabläufe bestehen und insbesondere ferner, welche prinzipiellen Ansteuerungen des Robotermanipulators die Aufgabe grundsätzlich erfordert, und in welchem Kontext diese Aufgabe ausgeführt werden soll, wobei der Kontext insbesondere durch Faktoren in der Umgebung des Robotermanipulators bestimmt wird.

Auf Grundlage dieser Situationsanalyse und den Systemeigenschaften führt die Recheneinheit bevorzugt eine Risikoanalyse durch, um entsprechend zu einer Lösung zum Ausführen der Aufgabe zu gelangen. Dabei werden bevorzugt verschiedene Lösungsmöglichkeiten zur Ausführung der Aufgabe prädiktiv analysiert und für jedes einzelne Szenario einer Lösungsmöglichkeit das Residualrisiko ermittelt, das verbleibt, wenn entsprechende Maßnahmen zur Senkung des inhärenten Risiko bei der Ausführung der Aufgabe berücksichtigt werden. Dieses Residualrisiko wird mit den Konformitätsanforderungen von der Recheneinheit verglichen, und daraufhin überprüft, ob eine jeweilige Lösung den Konformitätsanforderungen genügt, was zu bejahen ist, wenn das Residualrisiko innerhalb der Metriken der Konformitätsanforderungen liegt. Es bestehen hierbei prinzipiell eine Vielzahl von Optionen, die jedoch dadurch eingeschränkt sind, welche Systemeigenschaften der Robotermanipulator bietet, um eine Konfiguration des Robotermanipulators entsprechend anzupassen. Eine Möglichkeit einer solchen Lösungsfindung ist das Anpassen eines Steuerprogramms zum Ausführen der Aufgabe, sodass der Robotermanipulator mit einer höchstzulässigen Verfahrgeschwindigkeit des Endeffektors und/oder der einzelnen Roboterglieder die Aufgabe ausführt. Alternativ dazu kann auch der Impuls des Robotermanipulators begrenzt werden, um einer entsprechenden Konformitätsanforderungen zu genügen.

Die Risikoanalyse dient also insbesondere dazu, das Risiko einer möglichen Lösung zu bewerten und mit den Konformitätsanforderungen zu vergleichen. So kann ermittelt werden, ob die geplante Ausführung der Aufgabe durch eine jeweilige Lösung den Konformitätsanforderungen entspricht. Dabei werden die Systemeigenschaften und die Situationsanalyse berücksichtigt. So tragen beispielsweise die Masse, das Trägheitsmoment, und die Oberflächengeometrie der Roboterglieder und des Endeffektors als Systemeigenschaft sowie die im Steuerprogramm vorgesehene Geschwindigkeit zum Verfahren der Roboterglieder und des Endeffektors als Teil der Lösung zum Ausführen der Aufgabe jeweils zum Impuls des Robotermanipulators bei. Ist daher gemäß den Konformitätsanforderungen ein maximaler Impuls des Robotermanipulators nicht zu überschreiten, so werden in der Risikoanalyse diese Systemeigenschaften und diese Lösungsparameter berücksichtigt, um das Residualrisiko beim Ausführen der Aufgabe mit der jeweiligen vorgesehenen Lösung im Hinblick auf die Konformitätsanforderungen zu bewerten. Hieraus wird die prädiktive Natur des erfindungsgemäßen Ermitteln einer Lösung zum Ausführen der Aufgabe ersichtlich, sodass die Einhaltung der Konformitätsanforderungen noch vor dem Ausführen der Aufgabe sichergestellt werden kann. Konkret werden zum Ermitteln der Lösung der Aufgabe insbesondere Programmbausteine erstellt, indem eine das Risiko ausdrückende Kostenfunktion insbesondere durch nichtlineare Optimierung minimiert wird.

Insbesondere basiert die Risikoanalyse auf einem Vergleich der Konformitätsanforderungen mit dem Residualrisiko sowie auf den Systemeigenschaften und auf der Situationsanalyse.

Der Begriff des Risikos wird als solcher als auch in zusammengesetzten Termen wie dem inhärenten Risiko oder dem Residualrisiko insbesondere als Verknüpfung von der Wahrscheinlichkeit, dass ein Fehler auftritt, mit dem jeweiligen Fehler zugeordneten Schaden bezeichnet. Je größer also die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fehler auftritt, umso höher das Risiko. Je gravierender die negative Konsequenz eines Fehlers, umso höher das Risiko. Das Risiko kann also einerseits dadurch gesenkt werden, dass die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Fehlers beim Betrieb des Robotermanipulators gesenkt wird, oder andererseits dadurch, dass negative Konsequenzen beim Auftreten des Fehlers abgeschwächt oder verhindert werden.

Ein Fehler des Robotermanipulators kann ein mechanischer Fehler sein, ein elektrischer Fehler, ein Fehler im Ausführen eines Steuerprogramms, ein Fehler im Steuerprogramm selbst, oder eine andere Ursache, die zu einer solchen Ausführung einer Aufgabe durch den Robotermanipulator führt, die insbesondere nicht dem nominalen und geplanten Betrieb des Robotermanipulators entspricht. Ein mechanischer Fehler des Robotermanipulators ist beispielsweise ein Materialbruch in einem Getriebe, das mechanische Versagen einer Bremse, der Bruch eines Gliedes des Robotermanipulators, oder auch andere Fehler, die das Entstehen scharfer Kanten durch einen Riss in einem Bauteil des Robotermanipulators hervorrufen. Bei einem elektrischen Fehler entsteht insbesondere ein Risiko durch erhöhte Wärmeentwicklung, durch einen Lichtbogen, durch die Gefahren eines elektrischen Schlags für eine Person, Feuergefahr, oder das Bewegen eines Aktuator des Robotermanipulators mit nicht geplanten kinematischen Grüßen, beispielsweise, wenn unkontrolliert hoher elektrischer Strom in einen elektrischen Motor des Robotermanipulators fließt, sodass insbesondere dieser elektrische Motor mit vollem Drehmoment ungewollt eine Bewegung des Robotermanipulators verursacht - der sogenannte "actuator hardover". Im letzteren Fall würde sich der Arm des Robotermanipulators mit hoher Geschwindigkeit bewegen und aufgrund des sich so aufbauenden Impulses eine mechanische Gefahr für Personal in der Umgebung des Robotermanipulators darstellen.

Der Begriff des inhärenten Risikos beschreibt ferner insbesondere dasjenige Risiko, das besteht, wenn keinerlei Gegenmaßnahmen zur Verminderung des Risikos ergriffen werden. Werden solche Gegenmaßnahmen ergriffen, so vermindert sich das verbleibende Risiko vom inhärenten Risiko auf das Residualrisiko.

Die Dokumentation ist in einigen Rechtssystemen notwendig, um eine entsprechende Konformitätserklärung abgeben zu dürfen. Diese dient der Sicherheit und der Information der Anwender des Robotermanipulators. Die Dokumentation stellt ferner insbesondere die transparente Lösungsfindung des Robotermanipulators zur Ausführung der Aufgabe sicher. Die Ausgabeeinheit ist dabei bevorzugt ein Drucker, der sowohl die Dokumentation als auch das Konformitätskennzeichen auf Papier oder ein ähnliches Medium druckt. Bevorzugt ist die Ausgabeeinheit dazu ausgeführt, eine elektronische Signatur auf die ausgegebene Dokumentation bzw. zusammen mit dem Konformitätskennzeichen auszugeben, wobei die elektronische Signatur insbesondere die Authentizität der Dokumentation bzw. des Konformitätskennzeichens sowie weiterhin bevorzugt oder alternativ bevorzugt dazu eine Prüfsumme enthält, die die Verifikation der Dokumentation bzw. des Konformitätskennzeichens widerspiegelt. Weiterhin bevorzugt ist die Ausgabeeinheit insbesondere eine visuelle Ausgabeeinheit, bevorzugt ein Bildschirm, eine Brille der virtuellen Realität, oder ein Projektor, oder alternativ oder zusätzlich dazu bevorzugt eine akustische Ausgabeeinheit. Die Dokumentation basiert dabei insbesondere auf den Konformitätsanforderungen, in denen festgelegt ist, welchen Inhalt die Dokumentation aufzuweisen hat. Das Konformitätskennzeichen ist insbesondere ein vorgegebenes durch die Konformitätsanforderungen vorgegebenes Kennzeichen, das entsprechend auf das Papier oder ein anderes Medium aufgedruckt wird, oder auf der visuellen Ausgabeeinheit angezeigt wird. Genügt die ausgewählte Lösung zum Ausführen der Aufgabe den Konformitätsanforderungen, so wird weiterhin bevorzugt ein Symbol oder eine entsprechende Farbe angezeigt, beispielsweise ein Haken in grüner Farbe.

Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass sichergestellt werden kann, dass ein Robotermanipulator bestimmten vorgegebenen Konformitätsanforderungen beim Ausführen einer Aufgabe genügt, auch wenn die Konformitätsanforderungen variabel sind. Es ist eine weitere vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass der Robotermanipulator und dessen Software nicht notwendigerweise schon bei der Auslieferung auf unnötig hohe Anforderungen beschränkt werden, denn in manchen Aufgaben können andere Sicherheitsstandards notwendig sein, als in anderen. Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass auch strenge Konformitätsanforderungen beim Ausführen einer Aufgabe erfüllt sind, insbesondere wenn sich die Konformitätsanforderungen ändern, ohne dass dazu der Robotermanipulator an sich modifiziert werden müsste.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Aufgabenschnittstelle dazu ausgeführt, die Aufgabe aus Sensordaten einer mit der Recheneinheit verbundenen Sensoreinheit zu ermitteln. Während die Aufgabenschnittstelle eine vorgegebene Aufgabe an die Recheneinheit übermitteln kann, so wird alternativ bevorzugt dazu gemäß dieser Ausführungsform eine mit dem Robotermanipulator verbundene Sensoreinheit zum Erfassen einer Umgebung des Robotermanipulators verwendet, um anschließend aus den Daten der Sensoreinheit eine Aufgabe selbst zu erzeugen. Insbesondere ist die Recheneinheit selbst dazu ausgeführt, diese Aufgabe zu erzeugen, sodass die Aufgabenschnittstelle auch in der Recheneinheit selbst implementiert sein kann. Bevorzugt ist es möglich, dass die Aufgabenschnittstelle sowohl in Teilen die Aufgabe fest vorgegeben liefert, als auch zusätzlich mit den Daten der Sensoreinheit gewisse Parameter der Aufgabe angepasst werden. Vorteilhaft wird dadurch eine höhere Flexibilität beim Ausführen der Aufgabe erreicht, da die Aufgabenschnittstelle angepasst an die aktuelle Situation die Aufgabe entsprechend vorgeben kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, die Roboterglieder und/oder den Endeffektor zum Ausführen der Aufgabe gemäß der Lösung nur dann anzusteuern, wenn die Lösung die

Konformitätsanforderungen erfüllt. Vorteilhaft wird dadurch hergestellt, dass kein Betrieb des Robotermanipulators ohne die Erfüllung von vorgegebenen Konformitätsanforderungen erfolgt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt,

- die Aufgabe in eine Zahl m Teilaufgaben zu zerlegen,

- für jede der m Teilaufgaben eine Zahl

möglicher Teillösungen bereitzustellen, und

- die Lösung durch kombinatorisches Variieren der

Teillösungen für die m Teilaufgaben zu einer Vielzahl von möglichen Kombinationen von Teillösungen, durch Bewerten der Kombinationen auf Basis der Risikoanalyse, und durch Auswählen einer ersten Kombination aus der Vielzahl der möglichen Kombinationen auf Grundlage der Bewertung zu ermitteln.

Dass für jede der m Teilaufgaben eine Zahl

möglicher Teillösungen bereitgestellt wird, bedeutet insbesondere, dass für jede der Teilaufgaben eine individuelle Zahl von Teillösungen zur Verfügung steht. So hat beispielsweise die erste Teilaufgabe fünf mögliche Teillösungen n-_!=5, die zweite Teilaufgabe drei mögliche Teillösungen n₂=3 usw.; so ergeben sich mögliche Kombinationen von Teillösungen, indem für jede der Teilaufgaben eine bestimmte der jeweiligen zur Verfügung stehende Teillösungen ausgewählt wird. Wird beispielsweise die Aufgabe in drei Teilaufgaben zerlegt und für alle der drei Teilaufgaben bestehen jeweils drei mögliche Teillösungen, so ergeben sich 3³=27 mögliche Kombinationen von Teillösungen. Sind dagegen für drei Teilaufgaben für die erste Teilaufgabe zwei mögliche Teillösungen bekannt und für die weiteren beiden Teilaufgaben jeweils drei mögliche Teillösungen, so gibt es 3^*2^*3 = 18 mögliche Kombinationen von Teillösungen. Nicht notwendigerweise müssen alle möglichen Kombinationen der Teillösungen in der Risikoanalyse einzeln analysiert werden.

Einerseits kann bevorzugt mit Vorwissen agiert werden, um bestimmte Kombinationen von Teillösungen auszuschließen oder bestimmte Kombinationen von Lösungen zu bevorzugen. Das gleiche gilt für Detaillösungen selbst, sodass von der Recheneinheit bestimmte Teillösungen abhängig von den Systemeigenschaften und/oder der Situationsanalyse und/oder von der Aufgabe bevorzugt oder vernachlässigt werden können. Andererseits kann bevorzugt mit adaptiven Methoden und Lernverfahren die Suche nach einer optimalen Lösung abgekürzt werden. So können gradientenbasierte Verfahren oder andere aus der nichtlinearen Optimierung bekannte Methoden (quadratische Optimierung, Methode des goldenen Schnitts, genetische Algorithmen, Evolutionsalgorithmen,...) verwendet werden. Die Bewertung ist daher insbesondere eine Kostenfunktion der Optimierung, wobei die Kostenfunktion zu minimieren ist. Dies bietet vorteilhaft eine effiziente Vorgehensweise zum Ermitteln der Lösung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, das Bewerten einer jeweiligen der Kombinationen durch Simulation der entsprechenden Lösung mit einer jeweiligen Kombination der Teillösungen auszuführen.

In der Simulation wird die Ausführung der Aufgabe insbesondere basierend auf einer jeweiligen Kombination von Teillösungen simuliert, wobei die Simulation bevorzugt auch Objekte der Umgebung neben den Systemeigenschaften des Robotermanipulators selbst berücksichtigt. Die Simulation erlaubt vorteilhaft eine prädiktive Analyse bei der virtuellen Ausführung der Aufgabe, wobei die Simulation vorteilhaft eine sehr genaue und zuverlässige Methode zum Prädizieren einer Ausführung der Aufgabe bietet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, die Lösung zum Ausführen der Aufgabe durch nichtlineare Optimierung zu ermitteln, wobei die Konformitätsanforderungen Restriktionen der nichtlinearen Optimierung sind. Mögliche Methoden aus dem Bereich der nichtlinearen Optimierung sind insbesondere genetische Algorithmen, Evolutionsalgorithmen, gradientenbasierte Verfahren, quadratische Optimierung oder eine Kombination daraus. In der restringierten nichtlinearen Optimierungen werden die Restriktionen auf den Parameterraum so angewendet, dass die Restriktionen, die insbesondere in Form eines Grenzwerts ausgedrückt werden, nicht verletzt bzw. überschritten werden. Durch die Abbildung der Konformitätsanforderungen auf die Restriktionen erfolgt insbesondere die nichtlineare Optimierung sehr effizient, insbesondere dann, wenn die Kostenfunktion der nichtlinearen Optimierung auf Basis eines Leistungsgrads des Robotermanipulators, wie beispielsweise der Geschwindigkeit des Robotermanipulators, mit der die Aufgabe ausgeführt wird, unter Beachtung der Konformitätsanforderungen minimiert wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, die Lösung zum Ausführen der Aufgabe durch Kombination von in einer Datenbank abgespeicherten Teillösungen oder durch Auswahl aus abgespeicherten vollständigen Lösungen zu erzeugen. Die abgespeicherten Teillösungen bieten vorteilhaft einen sehr effizienten Ausgangspunkt, um möglichst schnell die Lösung zum Ausführen der Aufgabe zu ermitteln. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, zumindest eines aus den folgenden Elementen derart anzupassen, dass die Konformitätsanforderungen durch die Lösung erfüllt sind:

- die Aufgabe,

- Parameter einer vordefinierten Struktur für die Lösung,

- Parameter einer strukturell invarianten Reglerstruktur,

- eine Reglerstruktur zur geregelten Ansteuerung der Roboterglieder und/oder des Endeffektors,

- Maximalwerte gewünschter kinematischer Größen der Roboterglieder und/oder des Endeffektors,

- Maximalwerte der Ansteuerung der Roboterglieder und/oder des Endeffektors.

Parameter einer strukturell invarianten Reglerstruktur sind insbesondere Verstärkungen, Begrenzungen, Sätigungswerte, oder auch Initialwerte von Integratoren und dynamischen Filtern des Reglers mit vorgegebener Reglerstruktur, wobei der Regler insbesondere zum korrekten Abfahren einer Trajektorie des Robotermanipulators und/oder des Endeffektor des Robotermanipulators eine entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren des Robotermanipulators und/oder des Endeffektors dient. Kinematische Größen der Roboterglieder und/oder des Endeffektors betreffen insbesondere eine Geschwindigkeit oder Beschleunigung. Maximalwerte der Ansteuerung betreffen insbesondere kommandierte Drehmomente an Motoren des Robotermanipulators und/oder des Endeffektors.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Dokumentation eines oder mehrere der folgenden Elemente auf:

- Eine technische Beschreibung des Robotermanipulators mit einer oder mehreren technischen Spezifikationen,

- Eine Bedienungsanleitung für den Robotermanipulator,

- Auslegungskriterien nach denen der Robotermanipulator entwickelt ist,

- Eine von der Aufgabe und/oder Lösung abhängige Parametrisierung des Roboters,

- Eine von der Aufgabe und/oder Lösung abhängige Ansteuerung des Roboters,

- Eine von der Aufgabe und/oder Lösung abhängige Begrenzung von messbaren Größen und/oder Signalen innerhalb eines Reglers des Roboters.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausführen einer Aufgabe durch einen Robotermanipulator mit ansteuerbaren Robotergliedern und/oder mit einem ansteuerbaren Endeffektor, wobei der Robotermanipulator mit einer Ausgabeeinheit und mit einer Recheneinheit verbunden ist, wobei die Recheneinheit eine Anforderungsschnittstelle, und eine Informationsschnittstelle, und eine Aufgabenschnittstelle aufweist, aufweisend die Schritte:

- Bereitstellen von Konformitätsanforderungen an die Recheneinheit durch eine Anforderungsschnittstelle,

- Bereitstellen von Systemeigenschaften des Robotermanipulators an die Recheneinheit durch eine Informationsschnittstelle, und

- Bereitstellen einer Aufgabe durch die Aufgabenschnittstelle,

- Durchführen einer Situationsanalyse auf Basis der Aufgabe durch die Recheneinheit,

- Ermitteln einer Lösung zum Ausführen der Aufgabe auf Basis einer Risikoanalyse durch die Recheneinheit, wobei die Lösung Maßnahmen zur Senkung des inhärenten Risikos bei der Ausführung der Aufgabe auf ein Residualrisiko aufweist und die Risikoanalyse auf einem Vergleich der Konformitätsanforderungen mit dem Residualrisiko abhängig von den Systemeigenschaften und von der Situationsanalyse basiert,

- Erzeugen einer Dokumentation auf Basis der Systemeigenschaften und auf Basis der Aufgabe und/oder der Lösung durch die Recheneinheit und Übermitteln der Dokumentation zusammen mit einem Signal zum Ausgeben eines Konformitätskennzeichens an die Ausgabeeinheit, jeweils wenn die Lösung die Konformitätsanforderungen erfüllt, und

- Ansteuern der Roboterglieder und/oder des Endeffektors zum Ausführen der Aufgabe gemäß der Lösung.

Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Robotermanipulator 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 einen Robotermanipulator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 2 ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Das Verfahren wie unter Fig. 2 beschrieben ist dabei dasjenige Verfahren, das auf dem Robotermanipulator aus der Fig. 1 angewendet wird. Die Beschreibungen der beiden Figuren sind daher austauschbar und die jeweils andere Figur kann zum weiteren Verständnis der Beschreibung einer Figur herangezogen werden.

Fig. 1 zeigt einen Robotermanipulator 1 mit ansteuerbaren Robotergliedern und mit einem ansteuerbaren Endeffektor 3 zum Ausführen der Aufgabe „Objekt ,0‘ aufnehmen und an einem anderen Ort absetzen“. Der Robotermanipulator 1 weist eine Ausgabeeinheit 5, nämlich einen Drucker, und eine im Sockel des Robotermanipulators 1 angeordnete Recheneinheit 7 auf. Die Recheneinheit 7 weist eine Anforderungsschnittstelle 11 , und eine Informationsschnittstelle 13, und eine Aufgabenschnittstelle 15 auf. Die Anforderungsschnittstelle 11 liefert vorgegebene Konformitätsanforderungen an die Recheneinheit 7. Die Informationsschnittstelle 13 liefert Informationen über die Systemeigenschaften des Robotermanipulators 1 an die Recheneinheit 7, wobei diese Informationen über die Systemeigenschaften in einer Speichereinheit der Recheneinheit 7 abgelegt sind. Die Aufgabenschnittstelle 15 erzeugt aus vorgegebenen Informationen über eine Aufgabe und aus Daten der Kamera 9 am Endeffektor 3 die auszuführende Aufgabe. Die auszuführende Aufgabe ergibt sich somit zu: "Finde Objekt O, hebe es an, bewege es von Ort A nach Ort B, und lege es an Ort B wieder ab". Informationen über Ort A stammen dabei von der Kamera 9. Die Information über die Aufgabe, dass das Objekt O zu bewegen ist, stammt dabei von einer Nutzereingabe. Die Recheneinheit 7 führt eine Situationsanalyse auf Basis dieser Aufgabe durch. Die Situationsanalyse evaluiert die Aufgabe vor dem Flintergrund, dass sich eine Person in der Umgebung des Robotermanipulators 1 befindet oder zumindest befinden könnte. Es gelten daher auch die Konformitätsanforderungen für kollaborative Roboter. Die Recheneinheit 7 ermittelt außerdem eine Lösung zum Ausführen der Aufgabe auf Basis einer Risikoanalyse. Als Maßnahme zur Reduktion des Risikos beim Lösen der Aufgabe wird eine Begrenzung der maximalen Geschwindigkeit und eine Begrenzung der maximalen Beschleunigung jeweils des Robotermanipulators 1 und des Endeffektors 3 von der Recheneinheit 7 ermittelt. Daher reduziert sich das verbleibende Risiko auf einen Wert des Residualrisikos, das mit den geltenden Konformitätsanforderungen verglichen wird. Die maximale Geschwindigkeit und die maximale Beschleunigung des Robotermanipulators 1 wird daher genauso gewählt, dass sie noch den Konformitätsanforderungen genügt. Das Residualrisiko bezieht sich dabei auf eine Kollision des Robotermanipulators 1 zusammen mit seinem Endeffektor 3 und dem vom Endeffektor 3 gegriffenen Objekt O mit der Person. Ist eine solche Lösung von Recheneinheit 7 gefunden, die den Konformitätsanforderungen genügt, wird von der Ausgabeeinheit 5 eine Dokumentation gedruckt und das Konformitätskennzeichen ebenfalls abgedruckt. Anschließend werden die Roboterglieder und der Endeffektor 3 zum Ausführen der Aufgabe gemäß der Lösung angesteuert.

Fig. 2 zeigt ein Verfahren zum Ausführen einer Aufgabe durch einen Robotermanipulator

1 mit ansteuerbaren Robotergliedern und/oder mit einem ansteuerbaren Endeffektor 3 zum Ausführen einer Aufgabe, wobei der Robotermanipulator 1 mit einer Ausgabeeinheit

5 und mit einer Recheneinheit 7 verbunden ist, wobei die Recheneinheit 7 eine Anforderungsschnittstelle 11 , und eine

Informationsschnittstelle 13, und eine Aufgabenschnittstelle 15 aufweist, aufweisend die

Schritte:

- Bereitstellen S1 von Konformitätsanforderungen an die Recheneinheit 7 durch eine Anforderungsschnittstelle 11 ,

- Bereitstellen S2 von Systemeigenschaften des Robotermanipulators 1 an die Recheneinheit 7 durch eine Informationsschnittstelle 13 ausgeführt ist, und

- Bereitstellen S3 einer Aufgabe durch die Aufgabenschnittstelle 15,

- Durchführen S4 einer Situationsanalyse auf Basis der Aufgabe durch die Recheneinheit 7,

- Ermitteln S5 einer Lösung zum Ausführen der Aufgabe auf Basis einer Risikoanalyse durch die Recheneinheit 7, wobei die Lösung Maßnahmen zur Senkung des inhärenten Risikos bei der Ausführung der Aufgabe auf ein Residualrisiko aufweist und die Risikoanalyse auf einem Vergleich der Konformitätsanforderungen mit dem Residualrisiko abhängig von den Systemeigenschaften und von der Situationsanalyse basiert,

- Erzeugen S6 einer Dokumentation auf Basis der Systemeigenschaften und auf Basis der Aufgabe und/oder der Lösung durch die Recheneinheit und Übermitteln der Dokumentation zusammen mit einem Signal zum Ausgeben eines Konformitätskennzeichens an die Ausgabeeinheit 5, jeweils wenn die Lösung die Konformitätsanforderungen erfüllt, und

- Ansteuern S7 der Roboterglieder und/oder des Endeffektors 3 zum Ausführen der Aufgabe gemäß der Lösung.

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 Endeffektor

5 Ausgabeeinheit

7 Recheneinheit

9 Sensoreinheit 11 Anforderungsschnittstelle

13 Informationsschnittstelle

15 Aufgabenschnittstelle

S1 Bereitstellen S2 Bereitstellen

53 Bereitstellen

54 Durchführen

55 Ermitteln

56 Erzeugen S7 Ansteuern

Claims

Patentansprüche

1. Robotermanipulator (1 ) mit ansteuerbaren Robotergliedern und/oder mit einem ansteuerbaren Endeffektor (3) zum Ausführen einer Aufgabe, wobei der

Robotermanipulator (1) mit einer Ausgabeeinheit (5) und mit einer Recheneinheit (7) verbunden ist, wobei die Recheneinheit (7) eine Anforderungsschnittstelle (11), und eine Informationsschnittstelle (13), und eine Aufgabenschnittstelle (15) aufweist, wobei die Anforderungsschnittstelle (11) zum Bereitstellen von Konformitätsanforderungen an die Recheneinheit (7) ausgeführt ist, die Informationsschnittstelle (13) zum Bereitstellen von Systemeigenschaften des Robotermanipulators (1) an die Recheneinheit (7) ausgeführt ist, und - die Aufgabenschnittstelle (15) zum Bereitstellen einer Aufgabe ausgeführt ist, und wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist,

- eine Situationsanalyse auf Basis der Aufgabe durchzuführen,

- eine Dokumentation auf Basis der Systemeigenschaften und auf Basis der Aufgabe und/oder der Lösung zu erzeugen und die Dokumentation zusammen mit einem Signal zum Ausgeben eines Konformitätskennzeichens an die

Ausgabeeinheit (5) zu übermitteln, jeweils wenn die Lösung die Konformitätsanforderungen erfüllt, und

- die Roboterglieder und/oder den Endeffektor (3) zum Ausführen der Aufgabe gemäß der Lösung anzusteuern.

2. Robotermanipulator (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Aufgabenschnittstelle (15) dazu ausgeführt ist, die Aufgabe aus Sensordaten einer mit der Recheneinheit (7) verbundenen Sensoreinheit (9) zu ermitteln.

3. Robotermanipulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, die Roboterglieder und/oder den Endeffektor (3) zum Ausführen der Aufgabe gemäß der Lösung nur dann anzusteuern, wenn die Lösung die Konformitätsanforderungen erfüllt.

Robotermanipulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist,

- die Aufgabe in m Teilaufgaben zu zerlegen,

- für jede der m Teilaufgaben eine Zahl

möglicher Teillösungen bereitzustellen, und

- die Lösung durch kombinatorisches Variieren der

Robotermanipulator (1) nach Anspruch 4, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, das Bewerten einer jeweiligen der Kombinationen durch Simulation der entsprechenden Lösung mit einer jeweiligen Kombination der Teillösungen auszuführen.

Robotermanipulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, die Lösung zum Ausführen der Aufgabe durch nichtlineare Optimierung zu ermitteln, wobei die Konformitätsanforderungen Restriktionen der nichtlinearen Optimierung sind.

Robotermanipulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, die Lösung zum Ausführen der Aufgabe durch Kombination von in einer Datenbank abgespeicherten Teillösungen oder durch Auswahl aus abgespeicherten vollständigen Lösungen zu erzeugen.

Robotermanipulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgeführt ist, zumindest eines aus den folgenden Elementen derart anzupassen, dass die Konformitätsanforderungen durch die Lösung erfüllt sind:

- die Aufgabe,

- Parameter einer vordefinierten Struktur für die Lösung,

- Parameter einer strukturell invarianten Reglerstruktur,

- eine Reglerstruktur zur geregelten Ansteuerung der Roboterglieder und/oder des Endeffektors (3),

- Maximalwerte gewünschter kinematischer Größen der Roboterglieder und/oder des Endeffektors (3),

- Maximalwerte der Ansteuerung der Roboterglieder und/oder des Endeffektors (3).

9. Robotermanipulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dokumentation eines oder mehrere der folgenden Elemente aufweist:

- Eine technische Beschreibung des Robotermanipulators (1) mit einer oder mehreren technischen Spezifikationen,

- Eine Bedienungsanleitung für den Robotermanipulator (1),

- Auslegungskriterien nach denen der Robotermanipulator (1) entwickelt ist,

- Eine von der Aufgabe und/oder Lösung abhängige Parametrisierung des Roboters

(1),

- Eine von der Aufgabe und/oder Lösung abhängige Ansteuerung des Roboters (1),

- Eine von der Aufgabe und/oder Lösung abhängige Begrenzung von messbaren Größen und/oder Signalen innerhalb eines Reglers des Roboters (1).

10. Verfahren zum Ausführen einer Aufgabe durch einen Robotermanipulator (1 ) mit ansteuerbaren Robotergliedern und/oder mit einem ansteuerbaren Endeffektor (3), wobei der Robotermanipulator (1) mit einer Ausgabeeinheit (5) und mit einer Recheneinheit (7) verbunden ist, wobei die Recheneinheit (7) eine Anforderungsschnittstelle (11), und eine Informationsschnittstelle (13), und eine Aufgabenschnittstelle (15) aufweist, aufweisend die Schritte:

- Bereitstellen (S1) von Konformitätsanforderungen an die Recheneinheit (7) durch eine Anforderungsschnittstelle (11),

- Bereitstellen (S2) von Systemeigenschaften des Robotermanipulators (1) an die Recheneinheit (7) durch eine Informationsschnittstelle (13), und

- Bereitstellen (S3) einer Aufgabe durch die Aufgabenschnittstelle (15),

- Durchführen (S4) einer Situationsanalyse auf Basis der Aufgabe durch die Recheneinheit (7),

- Ermitteln (S5) einer Lösung zum Ausführen der Aufgabe auf Basis einer Risikoanalyse durch die Recheneinheit (7), wobei die Lösung Maßnahmen zur Senkung des inhärenten Risikos bei der Ausführung der Aufgabe auf ein Residualrisiko aufweist und die Risikoanalyse auf einem Vergleich der Konformitätsanforderungen mit dem Residualrisiko abhängig von den Systemeigenschaften und von der Situationsanalyse basiert, - Erzeugen (S6) einer Dokumentation auf Basis der Systemeigenschaften und auf Basis der Aufgabe und/oder der Lösung durch die Recheneinheit und Übermitteln der Dokumentation zusammen mit einem Signal zum Ausgeben eines Konformitätskennzeichens an die Ausgabeeinheit (5), jeweils wenn die Lösung die Konformitätsanforderungen erfüllt, und

- Ansteuern (S7) der Roboterglieder und/oder des Endeffektors (3) zum Ausführen der Aufgabe gemäß der Lösung.