WO2021122173A1 - Verfahren und system zum steuern eines roboters - Google Patents

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WO2021122173A1
WO2021122173A1 PCT/EP2020/085122 EP2020085122W WO2021122173A1 WO 2021122173 A1 WO2021122173 A1 WO 2021122173A1 EP 2020085122 W EP2020085122 W EP 2020085122W WO 2021122173 A1 WO2021122173 A1 WO 2021122173A1
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WO
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restriction
task
operating mode
matrix
jacobian matrix
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PCT/EP2020/085122
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English (en)
French (fr)
Inventor
Vincenzo Schettino
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Kuka Deutschland Gmbh
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39062—Calculate, jacobian matrix estimator
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40317—For collision avoidance and detection

Definitions

  • the present invention relates to a method and system for performing a task by a robot while taking into account a virtual restriction, as well as a computer program product for performing the method.
  • Robots should often carry out tasks, for example with their TCP or end effector, a predetermined pose, for example Cartesian position, on or off.
  • a predetermined pose for example Cartesian position
  • the object of the present invention is to improve the operation of robots, in particular their control.
  • Claims 6, 7 provide a system or computer program product for performing a method described here under protection.
  • the subclaims relate to advantageous developments.
  • a method for performing a task by a robot while taking into account or maintaining a virtual restriction or constraint has the following steps:
  • the robot has at least three, in particular at least six, in one embodiment at least seven axes or joints, in particular a robot arm with at least three, in particular at least six, in one embodiment at least seven axes or joints, in one embodiment rotary axes or joints. joints, and / or a stationary or mobile base, in one embodiment a chassis.
  • the present invention can be used with particular advantage for such robots because of their kinematics, in particular redundancy, and / or conditions of use.
  • a (potential or imminent) conflict between the first task and the first virtual restriction is detected if or as soon as a minimum singular value a mm of the singular values s of the matrix
  • JT (1 - Jc # Jc) Jc # (1) falls below a predetermined limit value Q (> 0), which is positive in one embodiment.
  • JT denotes, in a manner known per se, the Jacobian matrix of a task to be carried out by a robot, that is to say the Jacobian matrix of the first task in the first operating mode.
  • Je designates, in a manner known per se, the Jacobian matrix of a predetermined virtual restriction, that is to say the Jacobian matrix of the first restriction in the first operating mode.
  • Each * denotes, in a manner known per se, a pseudo inverse of the Jacobian matrix of the (respective) restriction.
  • the matrix (1 - Je * ⁇ Je) ⁇ Je * is thus the null space projector Nc, which mediates the projection of the task into the null space of the respective virtual restriction.
  • an, in particular a potential, conflict between the first task and the first restriction can be detected particularly advantageously, in particular reliably, quickly, and / or simply.
  • the dimension of a space spanned by a matrix is equal to the number of linearly independent rows of this matrix.
  • the Jacobian matrix becomes One line vector depending on the restriction. Conversely, the dimension of the space spanned by the null space projector Nc increases accordingly.
  • a pseudo inverse used here, in particular the pseudo inverse Je * of the Jacobian matrix Depending of the first restriction or in the first operating mode and possibly the pseudo inverse Je * of the Jacobian matrix Depending on the modified or second restriction or in the second operating mode, the dynamic (generalized) inverse LF 1 Jc T (Je LF 1 Jc T ) 1 with the inverse M- 1 of the mass matrix M of the robot and the transpose Jc T of the Jacobian matrix depending on the respective restriction.
  • the pseudo inverse can advantageously be determined in one embodiment, in particular simply (more) and / or quickly (more).
  • the second operating mode is the task and / or • Restrictions are modified in one version with the proviso that (in the second operating mode or in the case of a modified task or restriction)
  • the modified task or restriction is specified in advance or before the start of the first operating mode and a switch is made to this when a (potential or imminent) conflict is detected.
  • the method comprises the step:
  • a switch is made to or back to the specified first virtual restriction or first task if it is detected in the second operating mode that the minimum singular value s, TM exceeds the specified limit value Q for the first task and restriction does not fall below (any more), clearly speaking to the stricter restriction or Task switched or switched back if no (potential or imminent) conflict is (any longer) detected for it.
  • the first task can be carried out as far as possible or the first restriction can be taken into account or adhered to as far as possible.
  • the robot is stopped in the second operating mode and / or an error message is output if a minimum singular value s, TM of the matrix JT ⁇ 1 - Je * ⁇ Je) ⁇ Je * with the Jacobian matrix JT of the task in the second operating mode, the Jacobian matrix Depending on the restriction in the second operating mode and one or the pseudo inverse Each * of this Jacobian matrix Ever falls below the specified limit value Q (likewise or still).
  • the operation, in particular the safety, of the robot can be improved in one embodiment.
  • the robot is stopped in the second operating mode and / or an error message is output if the possibly relaxed or less strict task, taking into account or compliance with the possibly relaxed or less strict restriction, leads to a, in particular potential, conflict.
  • a system for performing a task by a robot taking into account a virtual restriction, is set up in terms of hardware and / or software, in particular in terms of programming, to carry out a method described here and / or has:
  • the first task is modified into a second task and / or the first restriction is modified into a second virtual restriction in such a way that the dimension of the matrix (1 - Je * ⁇ Je) ⁇ Je * corresponds to the Jacobian matrix Je the restriction in the second operating mode and the pseudo inverse per * of this Jacobian matrix per compared to the dimension of the space spanned by the matrix (1 - per * per) per * with the Jacobian matrix per the restriction in the first operating mode and the pseudo inverse per * of this Jacobian matrix per Spanned space is enlarged and / or the dimension of the space spanned by the Jacobian matrix JT of the task in the second operating mode is reduced compared to the dimension of the space spanned by the Jacobian matrix JT of the task in the first operating mode.
  • system or its means has:
  • a means within the meaning of the present invention can be designed in terms of hardware and / or software, in particular a processing unit, in particular a microprocessor unit (CPU), graphics card (GPU), preferably a data or signal connected to a memory and / or bus system, in particular a digital processing unit ) or the like, and / or one or more programs or program modules.
  • the processing unit can be designed to process commands that are implemented as a program stored in a memory system, Acquire input signals from a data bus and / or deliver output signals to a data bus.
  • a storage system can have one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid-state and / or other non-volatile media.
  • a computer program product can have, in particular, a non-volatile storage medium for storing a program or with a program stored on it, execution of this program causing a system or a controller, in particular a computer, to create a program here the described method or one or more of its steps.
  • one or more, in particular all, steps of the method are carried out completely or partially in an automated manner, in particular by the system or its means.
  • the system has the robot.
  • the robot performs the first task in the first operating mode, taking into account or adhering to the first virtual restriction and / or in the second operating mode the first task - possibly modified to the second task - taking into account or adhering to the - possibly to the second restriction modified first - virtual restriction by or is set up for this purpose or is used for this purpose or controlled accordingly.
  • a force within the meaning of the present invention can in one embodiment be one or more dimensional or have one or more components, in particular components in different degrees of freedom, spatial directions or axes, and / or also have one or more anti-parallel pairs of forces or torques.
  • a torque as well as torques and forces in several degrees of freedom, spatial directions or axes are generally referred to as a force in the sense of the present invention for a more compact representation.
  • first aspect or only the second aspect can be implemented, in particular switching over to a detection of a (potential or imminent) conflict according to the first aspect in another second operating mode, in which, for example, the first task is immediately or without modification and / or restriction, the robot is shut down and / or an error message is output, or the second operating mode according to the second aspect is carried out if a (potential or imminent) conflict is or has been detected in another way, for example on the basis of an Decline in rank of the matrix JT ⁇ 1 - Je * ⁇ Je) ⁇ Je * for the first operating mode.
  • Fig. 2 a method for performing the task by the robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a system for performing a task by a robot 10 according to an embodiment of the present invention with a controller 20 for controlling the robot 10.
  • a first operating mode is carried out in which the robot (arm) 10 performs a first task taking into account a first virtual restriction, for example approaches or trajectory with its TCP or end effector and thereby approaches its elbow a predetermined position.
  • a first virtual restriction for example approaches or trajectory with its TCP or end effector and thereby approaches its elbow a predetermined position.
  • a potential conflict between this first task and the first restriction is monitored by using the above equations for planned or upcoming target poses of the TCP or end effector and corresponding target axis or joint coordinates or positions the minimum singular value s, TM of the matrix JT ⁇ 1 - Je * ⁇ Je) ⁇ Je * is determined.
  • step S30 If this falls below a predetermined limit value Q (S20: “Y”), the method or the controller 20 continues with step S30, otherwise (S20: “N”) with step S10 or the first operating mode.
  • a second operating mode is carried out in which the first task and / or restriction is or is modified by switching to a second task or restriction. For example, instead of the predetermined position of the elbow only a predetermined height of the elbow and / or instead of a six-dimensional target pose of the TCP or end effector only a three-dimensional, for example only a Cartesian position.
  • This increases the dimension of the space spanned by the matrix (1 each * each) each * in the second operating mode compared to the dimension of the space spanned by the matrix (1 - each * each) each * in the first operating mode
  • the dimension of the space spanned by the Jacobian matrix JT of the task in the second operating mode is reduced compared to the dimension of the space spanned by the Jacobian matrix JT of the task in the first operating mode.
  • step S40 a potential conflict is monitored for a potential conflict between the first task, which may have been modified for the second task, and the first restriction, which may have been modified for the second restriction.
  • Joint coordinates or positions in each case according to the above equations, the minimum singular value s, TM of the matrix JT ⁇ 1 Je * ⁇ Je) ⁇ Je * is determined with the corresponding Jacobian matrices and it is checked whether this also (still) falls below the limit value Q.
  • step S50 in which the robot 10 is stopped and an error message is output.

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Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Durchführen einer Aufgabe durch einen Roboter (10) unter Berücksichtigung einer virtuellen Einschränkung, umfasst die Schritte: - Überwachen (S20) auf einen, insbesondere potentiellen, Konflikt zwischen einer ersten Aufgabe und einer ersten virtuellen Einschränkung in einem ersten Betriebsmodus (S10); und - Umschalten des Roboters in einen zweiten Betriebsmodus (S30), falls bei dem Überwachen ein, insbesondere potentieller, Konflikt detektiert wird; wobei - ein, insbesondere potentieller, Konflikt detektiert wird, falls ein minimaler Singulärwert der Matrix J T·(1 - J c #·J c)·J c # mit der Jacobimatrix J T der ersten Aufgabe, der Jacobimatrix J c der ersten Einschränkung und einer Pseudoinversen J c # dieser Jacobimatrix J c der ersten Einschränkung einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet; und/oder - in dem zweiten Betriebsmodus die erste Aufgabe derart zu einer zweiten Aufgabe und/oder die erste Einschränkung derart zu einer zweiten virtuellen Einschränkung modifiziert sind, dass die Dimension des von der Matrix J T·(1 - J c #·J c)·J c # mit der Jacobimatrix J c der Einschränkung im zweiten Betriebsmodus und der Pseudoinversen J c # dieser Jacobimatrix J c aufgespannten Raums gegenüber der Dimension des von der Matrix (1 - J c #·J c)·J c # mit der Jacobimatrix J c der Einschränkung im ersten Betriebsmodus und der Peudoinversen J c # dieser Jacobimatrix J c aufgespannten Raums vergrößert und/oder die Dimension des von der Jacobimatrix J T der Aufgabe im zweiten Betriebsmodus aufgespannten Raums gegenüber der Dimension des von der Jacobimatrix J T der Aufgabe im ersten Betriebsmodus aufgespannten Raums reduziert ist.

Description

Beschreibung
Verfahren und System zum Steuern eines Roboters
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Durchführen einer Aufgabe durch einen Roboter unter Berücksichtigung einer virtuellen Einschränkung sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
Roboter sollen häufig Aufgaben durchführen, beispielsweise mit ihrem TCP bzw. Endeffektor eine vorgegebene Pose, zum Beispiel kartesische Position, an- bzw.
Bahn abfahren, und dabei vorgegebene virtuelle Einschränkungen berücksichtigen, zum Beispiel einen Ellbogen eines Roboterarms oben und/oder Abstand zu Achsbegrenzungen und/oder singulären Posen halten.
Dabei kann es zu einem Konflikt zwischen Einschränkung und Aufgabe kommen, bei dem der Roboter die Aufgaben unter Berücksichtigung der Einschränkung nicht erfüllen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Betrieb von Robotern, insbesondere ihre Steuerung, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 6, 7 stellen ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Durchführen einer Aufgabe bzw. Task durch einen Roboter unter Berücksichtigung bzw. Einhaltung einer virtuellen Einschränkung bzw. Constraint die Schritte auf:
- Überwachen auf einen, in einer Ausführung potentiellen bzw. bevorstehenden, Konflikt zwischen einer Aufgabe, die vorliegend ohne Beschränkung der Allgemeinheit als erste Aufgabe bezeichnet wird, und einer Einschränkung, die vorliegend ohne Beschränkung der Allgemeinheit als erste Einschränkung bezeichnet wird, in einem Betriebsmodus (des Roboters), der vorliegend ohne Beschränkung der Allgemeinheit als erster Betriebsmodus bezeichnet wird; und - Umschaltern des Roboters in einen zweiten Betriebsmodus, falls bei diesem Überwachen ein (potentieller bzw. bevorstehender) Konflikt detektiert wird.
Der Roboter weist in einer Ausführung wenigstens drei, insbesondere wenigstens sechs, in einer Ausführung wenigstens sieben Achsen bzw. Gelenke, insbesondere einen Roboterarm mit wenigstens drei, insbesondere wenigstens sechs, in einer Ausführung wenigstens sieben Achsen bzw. Gelenken, in einer Ausführung Drehachsen bzw. -gelenken, und/oder eine stationäre oder mobile Basis, in einer Ausführung ein Fahrwerk, auf.
Für solche Roboter kann die vorliegende Erfindung aufgrund ihrer Kinematik, insbesondere Redundanz, und/oder Einsatzbedingungen mit besonderem Vorteil verwendet werden.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein (potentieller bzw. bevorstehender) Konflikt zwischen der ersten Aufgabe und der ersten virtuellen Einschränkung detektiert, falls bzw. sobald ein minimaler Singulärwert amm der Singulärwerte s, der Matrix
JT(1 — Jc# Jc) Jc# (1) einen vorgegebenen, in einer Ausführung positiven, Grenzwert Q (> 0) unterschreitet.
Dabei bezeichnet JT in an sich bekannter Weise die Jacobimatrix einer durch einen Roboter durchzuführenden Aufgabe, im ersten Betriebsmodus also die Jacobimatrix der ersten Aufgabe. Die Transponierte der Jacobimatrix einer Aufgabe bildet in einer Ausführung die Aufgabe, in einer Weiterbildung eine generalisierte Aufgabenkraft zur Durchführung der Aufgabe, in den Achs- bzw. Gelenkraum des Roboters mit den Achskoordinaten q ab, rein exemplarisch zum Beispiel bei einer Proportional- Regelung zum Anfahren einer im Arbeitsraum vorgegebenen Pose Xd (zum Beispiel Xd = [Xd, yd, Zd, ad, ßd, Yd]T mit dem TCP bzw. Endeffektor aus einer aktuellen Position x also die Regeldifferenz auf die Gelenkkraft
/T = JTT (xd -x) (2) In analoger Weise bezeichnet Je in an sich bekannter Weise die Jacobimatrix einer vorgegebenen virtuellen Einschränkung, im ersten Betriebsmodus also die Jacobimatrix der ersten Einschränkung. Die Transponierte der Jacobimatrix einer Einschränkung bildet in einer Ausführung die Einschränkung, in einer Weiterbildung eine generalisierte Einschränkungskraft zur Berücksichtigung bzw. zum Einhalten der Einschränkung, in den Achs- bzw. Gelenkraum des Roboters ab, wiederum rein exemplarisch zum Beispiel bei einer Proportional-Regelung zum Einhalten einer vorgegebenen kartesischen Position eines Ellbogens e,d = [xe,d, ye,d, ze,d]T die Regeldifferenz auf eine entsprechende Gelenkkraft
/C = JcT K ( e,d - Xe). (3)
Je* bezeichnet in an sich bekannter weise eine Pseudoinverse der Jacobimatrix der (jeweiligen) Einschränkung. Die Matrix ( 1 - Je*· Je)· Je* ist somit der Nullraumprojektor Nc, der die Projektion der Aufgabe in den Nullraum der jeweiligen virtuellen Einschränkung vermittelt.
Der minimale Singulärwert s,™ wird in einer Ausführung mithilfe einer Singulärwertzerlegung („Singular Value Decomposition“, SVD) und einer Minimumsuche der dabei ermittelten Singulärwerte s, ermittelt, in einer Ausführung auf Basis der o.g. Matrix für wenigstens eine bevorstehende, insbesondere geplante, Pose g des Roboters (JT = Jr(g), Je = Jc(g)): amin = minöi SVD(JT(g) (f - Jc*(q) Jc(q)) Jc*(q))) = amin(g) (4)
Durch diese Überwachung bzw. diesen ersten Aspekt kann in einer Ausführung ein, insbesondere potentieller, Konflikt zwischen der ersten Aufgabe und der ersten Einschränkung besonders vorteilhaft, insbesondere zuverlässig(er), schnell(er) und/oder einfach(er), detektiert werden.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, insbesondere wird, in dem zweiten Betriebsmodus
• die erste Aufgabe derart, in einer Ausführung mit der Maßgabe, zu einer zweiten Aufgabe modifiziert und/oder • die erste Einschränkung derart, in einer Ausführung mit der Maßgabe, zu einer zweiten virtuellen Einschränkung modifiziert, dass
• die Dimension des von der Matrix ( 1 Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der Einschränkung im zweiten Betriebsmodus und der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je aufgespannten Raums gegenüber der Dimension des von der Matrix ( 1 Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der Einschränkung im ersten Betriebsmodus bzw. der Jacobimatrix Je der ersten Einschränkung und der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je aufgespannten Raums vergrößert und/oder
• die Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe im zweiten Betriebsmodus aufgespannten Raums gegenüber der Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe im ersten Betriebsmodus bzw. der Jacobimatrix JT der ersten Aufgabe aufgespannten Raums reduziert ist.
In einer Ausführung wird somit
• von der vorgegebenen ersten virtuellen Einschränkung auf eine zu berücksichtigende bzw. einzuhaltende, insbesondere vorab bzw. vor Durchführung des ersten Betriebsmodus, vorgegebene zweite virtuelle Einschränkung und/oder
• von der ersten Aufgabe auf eine durchzuführende, in einer Ausführung vorab bzw. vor Durchführung des ersten Betriebsmodus vorgegebene, zweite Aufgabe umgeschaltet, falls bei dem Überwachen ein (potentieller bzw. bevorstehender) Konflikt detektiert wird bzw. worden ist.
Die Dimension eines von einer Matrix aufgespannten Raums ist in einer Ausführung gleich der Anzahl der linear unabhängigen Reihen dieser Matrix.
Reduziert man beispielsweise in Gleichung (2) die Dimension der anzufahrenden Pose d auf eine dreidimensionale kartesische Position (x^ = [Xd, yd, Zd]T), reduziert sich entsprechend auch die Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe aufgespannten Raums von 6 (= Dimension des von der Jacobimatrix JT der ersten Aufgabe aufgespannten Raums) auf 3 (= Dimension des von der Jacobimatrix JT der zur zweiten Aufgabe modifizierten Aufgabe aufgespannten Raums).
Reduziert man analog zum Beispiel in Gleichung (3) die Dimension der einzuhaltenden kartesischen Position des Ellbogens d auf die Höhen- bzw. z-Koordinate, um den Ellbogen oben zu halten (x’d.e = [Zd]), wird die Jacobimatrix Je der Einschränkung ein Zeilenvektor. Entsprechend erhöht sich hier umgekehrt die Dimension des vom Nullraumprojektor Nc aufgespannten Raums.
Anschaulich gesprochen ist somit im zweiten Betriebsmodus die durchzuführende Aufgabe und/oder die zu berücksichtigende Einschränkung „gelockert“ bzw. weniger strikt.
Durch einen solchen zweiten Betriebsmodus bzw. ein Umschalten auf eine modifizierte Aufgabe und/oder Einschränkung, die so gewählt sind/ist, dass die Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe aufgespannten Raums sich für bzw. durch die modifizierte Aufgabe reduziert bzw. die Dimension des von dem Nullraumprojektor Nc = {1 - Je*· Je)· Je* aufgespannten Raums sich für bzw. durch die modifizierte Einschränkung vergrößert kann in einer Ausführung ein (potentieller bzw. bevorstehender) Konflikt zwischen Aufgabe und Einschränkung vorteilhaft aufgelöst bzw. vermieden werden.
In einer Ausführung ist eine hier verwendete Pseudoinverse, insbesondere also die Pseudoinverse Je* der Jacobimatrix Je der ersten Einschränkung bzw. im ersten Betriebsmodus und gegebenenfalls die Pseudoinverse Je* der Jacobimatrix Je der modifizierten bzw. zweiten Einschränkung bzw. im zweiten Betriebsmodus, (jeweils) die dynamische (generalisierte) Inverse LF1 JcT ( Je LF1 JcT) 1 mit der Inversen M-1 der Massenmatrix M des Roboters und der Transponierten JcT der Jacobimatrix Je der jeweiligen Einschränkung.
Hierdurch kann die Pseudoinverse in einer Ausführung vorteilhaft, insbesondere einfach(er) und/oder schnell(er), ermittelt werden.
In einer Ausführung sind, insbesondere werden, in dem zweiten Betriebsmodus die • Aufgabe und/oder • Einschränkung derart, in einer Ausführung mit der Maßgabe, modifiziert sind, dass (in dem zweiten Betriebsmodus bzw. bei modifizierter Aufgabe bzw. Einschränkung)
• die Dimension des von der Matrix ( 1 - Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der Einschränkung im zweiten Betriebsmodus, insbesondere also der gegebenenfalls zu der zweiten Einschränkung modifizierten ersten Einschränkung, und der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je aufgespannten Raums größer als
• die Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe im zweiten Betriebsmodus, insbesondere also der gegebenenfalls zu der zweiten Aufgabe modifizierten ersten Aufgabe, aufgespannten Raums ist: dim(9t((i - Je*· Je)· Je*)) > dim(9t(Jr)) (5)
In einer Ausführung sind die modifizierte Aufgabe bzw. Einschränkung vorab bzw. vor Beginn des ersten Betriebsmodus entsprechend vorgegeben und es wird bei Detektion eines (potentiellen bzw. bevorstehenden) Konflikts auf diese umgeschaltet.
Hierdurch kann in einer Ausführung ein (potentieller bzw. bevorstehender) Konflikt zwischen Aufgabe und Einschränkung besonders vorteilhaft aufgelöst bzw. vermieden werden.
In einer Ausführung umfasst das Verfahren den Schritt:
- Umschalten des Roboters von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus, falls detektiert wird, dass ein minimaler Singulärwert s,™ der Matrix JT {1 - Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der ersten Einschränkung, einer bzw. der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je und der Jacobimatrix JT der ersten Aufgabe den vorgegebenen Grenzwert Q nicht (mehr) unterschreitet.
In einer Ausführung wird somit wieder zu der vorgegebenen ersten virtuellen Einschränkung bzw. ersten Aufgabe um- bzw. zurückgeschaltet, falls im zweiten Betriebsmodus detektiert wird bzw. worden ist, dass für die erste Aufgabe und Einschränkung der minimale Singulärwert s,™ den vorgegebenen Grenzwert Q nicht (mehr) unterschreitet, anschaulich gesprochen auf die striktere Einschränkung bzw. Aufgabe um- bzw. zurückgeschaltet, falls für diese kein (potentieller bzw. bevorstehender) Konflikt (mehr) detektiert wird.
Hierdurch kann in einer Ausführung die erste Aufgabe so weit wie möglich durchgeführt bzw. die erste Einschränkung so weit wie möglich berücksichtigt bzw. eingehalten werden.
In einer Ausführung wird in dem zweiten Betriebsmodus der Roboter stillgesetzt und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben, falls ein minimaler Singulärwert s,™ der Matrix JT {1 - Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix JT der Aufgabe im zweiten Betriebsmodus, der Jacobimatrix Je der Einschränkung im zweiten Betriebsmodus und einer bzw. der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je den vorgegebenen Grenzwert Q (ebenfalls bzw. immer noch) unterschreitet.
Hierdurch kann in einer Ausführung der Betrieb, insbesondere die Sicherheit, des Roboters verbessert werden. Anschaulich gesprochen wird in dem zweiten Betriebsmodus der Roboter stillgesetzt und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben, falls auch die gegebenenfalls gelockerte bzw. weniger strikte Aufgabe unter Berücksichtigung bzw. Einhaltung der gegebenenfalls gelockerten bzw. weniger strikten Einschränkung zu einem, insbesondere potentiellen, Konflikt führt.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Durchführen einer Aufgabe durch einen Roboter unter Berücksichtigung einen virtuellen Einschränkung hard- und/oder Software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:
- Mittel zum Überwachen auf einen, insbesondere potentiellen, Konflikt zwischen einer ersten Aufgabe und einer ersten virtuellen Einschränkung in einem ersten Betriebsmodus; und
- Mittel zum Umschalten des Roboters in einen zweiten Betriebsmodus, falls bei dem Überwachen ein, insbesondere potentieller, Konflikt detektiert wird; wobei
- das Mittel zum Überwachen ein Mittel zum Detektieren eines, insbesondere potentiellen, Konflikts, falls ein minimaler Singulärwert s,™ der Matrix JT {1 - Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix JT der ersten Aufgabe, der Jacobimatrix Je der ersten Einschränkung und einer Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je der ersten Einschränkung einen vorgegebenen Grenzwert Q unterschreitet, aufweist; und/oder
- in dem zweiten Betriebsmodus die erste Aufgabe derart zu einer zweiten Aufgabe und/oder die erste Einschränkung derart zu einer zweiten virtuellen Einschränkung modifiziert sind, dass die Dimension des von der Matrix ( 1 - Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der Einschränkung im zweiten Betriebsmodus und der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je aufgespannten Raums gegenüber der Dimension des von der Matrix ( 1 - Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der Einschränkung im ersten Betriebsmodus und der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je aufgespannten Raums vergrößert und/oder die Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe im zweiten Betriebsmodus aufgespannten Raums gegenüber der Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe im ersten Betriebsmodus aufgespannten Raums reduziert ist.
In einer Ausführung weist das System bzw. sein(e) Mittel auf:
- Mittel zum Umschalten des Roboters von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus, falls detektiert wird, dass ein minimaler Singulärwert s,™ der Matrix JT {1 - Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der ersten Einschränkung, einer Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je und der Jacobimatrix JT der ersten Aufgabe den vorgegebenen Grenzwert Q nicht unterschreitet; und/oder
- Mittel zum Stillsetzen des Roboters und/oder Ausgeben einer Fehlermeldung in dem zweiten Betriebsmodus, falls ein minimaler Singulärwert s,™ der Matrix JT {1 Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix JT der Aufgabe im zweiten Betriebsmodus, der Jacobimatrix Je der Einschränkung im zweiten Betriebsmodus und einer bzw. der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je den vorgegebenen Grenzwert Q (ebenfalls bzw. immer noch) unterschreitet.
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 steuern kann. 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 auf.
In einer Ausführung führt der Roboter in dem ersten Betriebsmodus die erste Aufgabe unter Berücksichtigung bzw. Einhaltung der ersten virtuellen Einschränkung und/oder in dem zweiten Betriebsmodus die - gegebenenfalls zu der zweiten Aufgabe modifizierte erste - Aufgabe unter Berücksichtigung bzw. Einhaltung der - gegebenenfalls zu der zweiten Einschränkung modifizierten ersten - virtuellen Einschränkung durch bzw. ist hierzu eingerichtet bzw. wird hierzu verwendet bzw. entsprechend gesteuert.
Beispielsweise kann eine Soll-Antriebskraft /"gemäß
G = JcJ fc + [( 1 - Jc#- Je)· Jc#]T- J J-f = JcT-fc + NcT JTT fT
= JcT fc + ( JTNCY^T
= JcT fc + [JT{1 — Jc# Jc) Jc#Y fr (6) mit der (Aufgaben) Kraft fr zum Durchführen der Aufgabe und der (Einschränkungs)Kraft fc zur Berücksichtigung bzw. Einhaltung der Einschränkung ermittelt werden, welche beispielsweise durch entsprechende Regelungen, zum Beispiel P-, PD- oder PID-Regelungen ermittelt werden können (vgl. Gleichung (2), (3))·
Eine Kraft im Sinne der vorliegenden Erfindung kann in einer Ausführung ein- oder mehrdimensional sein bzw. eine oder mehrere Komponenten, insbesondere Komponenten in verschiedenen Freiheitsgraden, Raumrichtungen bzw. Achsen, aufweisen und/oder auch ein oder mehrere antiparallele Kräftepaare bzw. Drehmomente aufweisen. Mit anderen Worten werden vorliegend insbesondere auch ein Drehmoment sowie Drehmomente und Kräfte in mehreren Freiheitsgraden, Raumrichtungen bzw. Achsen zur kompakteren Darstellung verallgemeinernd als eine Kraft im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet.
Der erste und zweite Aspekt sind in einer Ausführung vorteilhafterweise kombiniert.
Hierdurch kann in einer Ausführung ein (potentieller bzw. bevorstehender) Konflikt zwischen Aufgabe und Einschränkung besonders vorteilhaft aufgelöst bzw. vermieden werden.
Gleichermaßen kann auch nur der erste Aspekt oder nur der zweite Aspekt realisiert sein, insbesondere auf eine Detektion eines (potentiellen bzw. bevorstehenden) Konflikts gemäß des ersten Aspekts in einen anderen zweiten Betriebsmodus umgeschaltet werden, in dem beispielsweise gleich bzw. ohne Modifikation der ersten Aufgabe und/oder Einschränkung der Roboter stillgesetzt und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben wird, bzw. der zweite Betriebsmodus gemäß des zweiten Aspekts durchgeführt werden, falls ein (potentieller bzw. bevorstehender) Konflikt auf andere Weise detektiert wird bzw. worden ist, beispielsweise aufgrund eines ermittelten Rangabfalls der Matrix JT {1 - Je*· Je)· Je* für den ersten Betriebsmodus.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert: Fig. 1 : einen Roboter zum Durchführen einer Aufgabe 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 zum Durchführen einer Aufgabe durch einen Roboter 10 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer Steuerung 20 zum Steuern des Roboters 10.
Der Roboter ist ein siebenachsiger Roboterarm 10, dessen Achs- bzw. Gelenkkoordinaten bzw. -Stellungen in Fig. 1 durch q = [gi,...,g7]T angedeutet sind.
Die Pose x seines TCPs bzw. seines Endeffektors 11 ist durch dessen Position [x, y, z]T und Orientierung [a, ß, g]t angedeutet ( x= [x, y, z, a, ß, g]t).
In einem Schritt S10 wird ein erster Betriebsmodus durchgeführt, in dem der Roboter(arm) 10 eine erste Aufgabe unter Berücksichtigung einer ersten virtuellen Einschränkung durchführt, beispielsweise mit seinem TCP bzw. Endeffektor eine vorgegebene Pose an- bzw. Bahn abfährt und dabei seinen Ellbogen an einer vorgegebenen Position hält.
In dem ersten Betriebsmodus wird auf einen potentiellen Konflikt zwischen dieser ersten Aufgabe und ersten Einschränkung überwacht, indem für geplante bzw. bevorstehende Soll-Posen des TCPs bzw. Endeffektors und entsprechende Soll-Achs- bzw. Gelenkkoordinaten bzw. -Stellungen jeweils gemäß der obigen Gleichungen der minimale Singulärwert s,™ der Matrix JT {1 - Je*· Je)· Je* ermittelt wird.
Unterschreitet dieser einen vorgegebenen Grenzwert Q (S20: „Y“), fährt das Verfahren bzw. die Steuerung 20 mit Schritt S30 fort, andernfalls (S20: „N“) mit Schritt S10 bzw. dem ersten Betriebsmodus.
In Schritt S30 wird ein zweiter Betriebsmodus durchgeführt, in dem die erste Aufgabe und/oder Einschränkung modifiziert ist bzw. wird, indem auf eine zweite Aufgabe bzw. Einschränkung umgeschaltet ist bzw. wird. Beispielsweise wird anstelle der vorgegebenen Position des Ellbogens nur noch eine vorgegebene Höhe des Ellbogens und/oder anstelle einer sechsdimensionalen Soll-Pose des TCPs bzw. Endeffektors nur noch eine dreidimensionale, zum Beispiel nur eine kartesische Position, vorgegeben.
Hierdurch ist die Dimension des von der Matrix ( 1 Je*· Je)· Je* im zweiten Betriebsmodus aufgespannten Raums gegenüber der Dimension des von der Matrix ( 1 - Je*· Je)· Je* im ersten Betriebsmodus aufgespannten Raums vergrößert bzw. die Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe im zweiten Betriebsmodus aufgespannten Raums gegenüber der Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe im ersten Betriebsmodus aufgespannten Raums reduziert.
In Schritt S40 wird auf einen potentiellen Konflikt zwischen der gegebenenfalls zur zweiten Aufgabe modifizierten ersten Aufgabe und der gegebenenfalls zur zweiten Einschränkung modifizierten ersten Einschränkung überwacht, indem für geplante bzw. bevorstehende Soll-Posen des TCPs bzw. Endeffektors und entsprechende Soll-Achs- bzw. Gelenkkoordinaten bzw. -Stellungen jeweils gemäß der obigen Gleichungen der minimale Singulärwert s,™ der Matrix JT {1 Je*· Je)· Je* mit den entsprechenden Jacobimatrizen ermittelt und geprüft wird, ob auch dieser (noch) den Grenzwert Q unterschreitet.
Ist dies der Fall, d.h. kann auch die gegebenenfalls gelockerte bzw. weniger strikte Aufgabe unter Berücksichtigung der gegebenenfalls gelockerten bzw. weniger strikten Einschränkung nicht durchgeführt werden (S40: „Y“), fährt das Verfahren bzw. die Steuerung 20 mit Schritt S50 fort, in dem der Roboter 10 stillgesetzt und eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
Andernfalls (S40: „N“) kehrt das Verfahren bzw. die Steuerung 20 zu Schritt S20 zurück.
Sobald der minimale Singulärwert s,™ der Matrix JT {1 Je*· Je)· Je* mit den Jacobimatrizen für den ersten Betriebsmodus, der im zweiten Betriebsmodus weiter mit überwacht wird, den Grenzwert Q nicht mehr unterschreitet (S20: „N“), schaltet das Verfahren bzw. die Steuerung 20 wieder in den ersten Betriebsmodus um, andernfalls (S20: „Y“) fährt es mit dem zweiten Betriebsmodus fort. 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(arm)
11 Endeffektor 20 Robotersteuerung qi,...q7 Achskoordinate x, y, z kartesische Position TCP/Endeffektor a, ß, g Orientierung TCP/Endeffektor

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Durchführen einer Aufgabe durch einen Roboter (10) unter Berücksichtigung einer virtuellen Einschränkung, mit den Schritten:
- Überwachen (S20) auf einen, insbesondere potentiellen, Konflikt zwischen einer ersten Aufgabe und einer ersten virtuellen Einschränkung in einem ersten Betriebsmodus (S10); und
- Umschalten des Roboters in einen zweiten Betriebsmodus (S30), falls bei dem Überwachen ein, insbesondere potentieller, Konflikt detektiert wird; wobei
- ein, insbesondere potentieller, Konflikt detektiert wird, falls ein minimaler Singulärwert der Matrix JT {1 - Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix JT der ersten Aufgabe, der Jacobimatrix Je der ersten Einschränkung und einer Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je der ersten Einschränkung einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet; und/oder
- in dem zweiten Betriebsmodus die erste Aufgabe derart zu einer zweiten Aufgabe und/oder die erste Einschränkung derart zu einer zweiten virtuellen Einschränkung modifiziert sind, dass die Dimension des von der Matrix ( 1 Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der Einschränkung im zweiten Betriebsmodus und der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je aufgespannten Raums gegenüber der Dimension des von der Matrix ( 1 Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der Einschränkung im ersten Betriebsmodus und der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je aufgespannten Raums vergrößert und/oder die Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe im zweiten Betriebsmodus aufgespannten Raums gegenüber der Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe im ersten Betriebsmodus aufgespannten Raums reduziert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pseudoinverse JT* die dynamische Inverse Ll·1 JcT ( Je Ll·1 JcT) 1 mit der Inversen Ll·1 der Massenmatrix M des Roboters und der Transponierten JcT der Jacobimatrix Je der jeweiligen Einschränkung ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus die Aufgabe und/oder Einschränkung derart modifiziert sind, dass die Dimension des von der Matrix ( 1 - Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der Einschränkung im zweiten Betriebsmodus und der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je aufgespannten Raums größer als die Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe im zweiten Betriebsmodus aufgespannten Raums ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt:
- Umschalten des Roboters von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus, falls detektiert wird, dass ein minimaler Singulärwert der Matrix JT {1 - Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der ersten Einschränkung, einer Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je und der Jacobimatrix JT der ersten Aufgabe den vorgegebenen Grenzwert nicht unterschreitet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus der Roboter stillgesetzt und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben wird (S50), falls ein minimaler Singulärwert der Matrix JT {1 - Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix JT der Aufgabe im zweiten Betriebsmodus, der Jacobimatrix Je der Einschränkung im zweiten Betriebsmodus und einer Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
6. System zum Durchführen einer Aufgabe durch einen Roboter (10) unter Berücksichtigung einer virtuellen Einschränkung, das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist:
- Mittel zum Überwachen auf einen, insbesondere potentiellen, Konflikt zwischen einer ersten Aufgabe und einer ersten virtuellen Einschränkung in einem ersten Betriebsmodus; und
- Mittel zum Umschalten des Roboters in einen zweiten Betriebsmodus, falls bei dem Überwachen ein, insbesondere potentieller, Konflikt detektiert wird; wobei
- das Mittel zum Überwachen ein Mittel zum Detektieren eines, insbesondere potentiellen, Konflikts, falls ein minimaler Singulärwert der Matrix JT {1
Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix JT der ersten Aufgabe, der Jacobimatrix Je der ersten Einschränkung und einer Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je der ersten Einschränkung einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, aufweist; und/oder
- in dem zweiten Betriebsmodus die erste Aufgabe derart zu einer zweiten Aufgabe und/oder die erste Einschränkung derart zu einer zweiten virtuellen
Einschränkung modifiziert sind, dass die Dimension des von der Matrix ( 1 Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der Einschränkung im zweiten Betriebsmodus und der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je aufgespannten Raums gegenüber der Dimension des von der Matrix ( 1 Je*· Je)· Je* mit der Jacobimatrix Je der Einschränkung im ersten
Betriebsmodus und der Pseudoinversen Je* dieser Jacobimatrix Je aufgespannten Raums vergrößert und/oder die Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe im zweiten Betriebsmodus aufgespannten Raums gegenüber der Dimension des von der Jacobimatrix JT der Aufgabe im ersten Betriebsmodus aufgespannten Raums reduziert ist.
7. 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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