WO2022207779A1 - Kraftregelung mit dämpfung an einem robotermanipulator - Google Patents

Kraftregelung mit dämpfung an einem robotermanipulator Download PDF

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WO2022207779A1
WO2022207779A1 PCT/EP2022/058545 EP2022058545W WO2022207779A1 WO 2022207779 A1 WO2022207779 A1 WO 2022207779A1 EP 2022058545 W EP2022058545 W EP 2022058545W WO 2022207779 A1 WO2022207779 A1 WO 2022207779A1
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robot manipulator
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Andreas SPENNINGER
Dmitriy SHINGAREY
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Franka Emika Gmbh
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1633—Programme controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control
    • G—PHYSICS
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    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39347—Joint space impedance control

Definitions

  • the invention relates to a robot manipulator with a control unit for force regulation.
  • Force control is often used in robotics to have a robot manipulator exert a desired force on an object in its vicinity. It is a well-known problem with such a force control by a robot manipulator that when the object slips off because an edge is driven over and the counterforce of the object is then lost, the control system commands high torques on the robot manipulator up to and including saturation of the motors, so that the robot manipulator moves moved with high acceleration. This behavior harbors the risk of damage to the robot manipulator, the surrounding area or injuries to people in the work area of the robot manipulator.
  • the object of the invention is therefore to make the force control for a robot manipulator safer.
  • a first aspect of the invention relates to a robot manipulator with a control unit, the control unit being designed to carry out force regulation so that a reference point of the robot manipulator in the static case exerts a desired force on an object in the environment with the aid of the force regulation, the control unit being designed for this purpose to weaken the desired force as the target force of the force control or an error variable based on the difference between the target force and an actual force at the reference point with a damping term, and to control motors in the joints of the robot manipulator with a manipulated variable based on the error variable, wherein the damping term is time dependent and a function of a current velocity of the reference point in the direction of the desired force or at least one joint of the robotic manipulator.
  • the force control basically causes the robot manipulator, in particular its end effector, to apply a desired force to an object in the environment. This can be done at a standstill, ie without moving; in some However, applications can be provided with a tangential speed relative to the object. For example, when polishing or grinding a surface of the object, the robotic manipulator is moved at a predetermined velocity tangential to the surface of the object, while the robotic manipulator has no velocity normal to the surface of the object, but only exerts a predetermined desired force on the surface. Both cases are referred to above and below as static cases.
  • the damping term has the advantageous effect that the robot manipulator does not move at any speed into free space when it slips off the surface of the object, for example when driving over an edge, since the damping star applies artificial damping, i.e. a speed-dependent virtual resistance force.
  • the damping star can be determined on the one hand on the basis of the speed of the reference point, or on the basis of at least one of the joint angular speeds of the robotic manipulator.
  • the speed of the reference point is preferably only taken into account in the direction of the desired force, for which purpose a projection of the speed vector of the reference point onto the vector of the desired force is preferably determined. If, on the other hand, a speed of a respective joint angle is taken into account, then in particular the desired torque at the respective joint is weakened as a function of the respective joint angle speed.
  • the weakening can also affect the respective control error and act on it, in particular the error variable of the force control, i.e. the difference between the target force and the actual force at the reference point, and alternatively the Error size from target torque and actual torque at the respective joint of the robot manipulator.
  • the weakening can take place on the output variable of the respective controller of the force control or torque control at the respective joint, in which the respective control error is mapped to an output variable by a predetermined transfer function of the controller.
  • the effect is the same in each case, namely that if the robot manipulator slips off the surface of an object to which a force is applied by the robot manipulator, the robot manipulator is not accelerated arbitrarily quickly into free space in accordance with the suddenly resulting high Error magnitude related to a force at the reference point, but is decelerated to a safe speed by the damping term.
  • the robotic manipulator when slipping off a surface on which the robotic manipulator is applying a predetermined force, does not accelerate with the full energy available to it, but only does so up to a safe limit speed limit.
  • control unit is designed to determine the damping term as a function of the speed in such a way that at a speed of zero the damping term exerts no weakening and at a speed equal to or above a predetermined limit value the target force or the error variable becomes zero is set.
  • the damping term exerts no attenuation on the force control at a speed of a respective joint or the reference point of zero and has a maximum influence at a speed equal to or above a predetermined limit value, so that the target force or the error quantity in particular Force control is set to zero.
  • the robotic manipulator remains in its current speed state as a state of equilibrium between the force control and the dampening of the speed. Setting the target force or the error variable to exactly zero is therefore to be understood as a limit value, with exactly zero not necessarily being achieved in practice. Realistically, under expected conditions, a behavior asymptotically striving towards a limit value of a maximum speed will occur.
  • the predefined limit value is time-dependent on the current level of the setpoint force of the force control or the level of the torque commanded on at least one joint based on the manipulated variable.
  • an adaptive, in particular non-linear, behavior of the damping is achieved. Therefore, a fixed limit value that is constant over all times is no longer used, but is adapted so that the slope of the function can also change over time and has a generally non-linear profile. This significantly improves the safety during operation of the robot manipulator, since in the case of force controls with high forces or high control errors (error variables with regard to a force), disproportionately higher damping is achieved compared to lower forces or error variables with regard to a force.
  • the function is non-linear and has a horizontal tangent at a speed of zero and at a speed equal to the predetermined limit value, the non-linear function being in particular sinusoidal.
  • the horizontal tangent at the boundary points of the function is used in particular to create a followable curve for higher-order dynamic systems. This is achieved by the fact that there are no breaks in the course of the function and that the function can therefore be derived several times even without singularities.
  • control unit is designed to determine the damping term by multiplying an amplification factor by an amount of a projection of the current speed onto the direction of the desired force of the force control.
  • control unit is designed to calculate the amplification factor as a function of time as a function of an amount of the target force, or of an amount of the difference between the target force and the actual force at the reference point, or of an amount of the commanded torque at at least one of the joints, or from an amount of the difference between the commanded torque and the actual torque at at least one of the joints of the robotic manipulator.
  • the error variable to be reduced with the damping term is the difference between the setpoint force and the actual force at the reference point, the reduced difference being the controller input of a controller for force control.
  • the error variable to be reduced with the damping term is a controller output of a controller for force control with the difference between the setpoint force and the actual force at the reference point as the controller input, or at the joint level at least one controller output of a respective joint torque controller with the difference a desired torque and an actual torque each as a controller input.
  • control unit is designed to map the speed to zero within a predetermined noise component with a constant level and values of the speed above the specified noise component at a constant level reduced by the constant level to determine the damping term.
  • a functional element is also known as a “dead zone” as a prepared module in software programs.
  • the function is a virtual energy function that includes the target force state or the difference between the target force and the actual force, as well as the speed state, so that the speed of the reference point is increasingly weakened with increasing amounts of the virtual energy function .
  • the virtual energy function preferably has a cumulative function of the squares of the speed of the reference point or one or more joint angles and the target force or the difference between the target force and the actual force.
  • the 1 shows a robot manipulator 1 with a control unit 3, the control unit 3 carrying out a force control so that with the aid of the force control a reference point 5 of the robot manipulator 1 exerts a desired force on an object in the area in the static case.
  • the desired force as the target force of the force control is compared with an actual force and transferred to corresponding torques in the joints.
  • An external force winder indicates all forces and moments acting between the environment and the robotic manipulator 1, but excluding gravity and inertial forces. For example, the external wind force is non-zero when the robotic manipulator 1 presses a surface of the object in the vicinity of the robotic manipulator 1 .
  • the external force winder typically has six components, the first three components of which indicate forces in a Cartesian coordinate system and the other three components of which indicate moments about the axes of the Cartesian coordinate system. Torques in the external force winder are not taken into account here, however, since this is purely a force control. Therefore, the external power winder has three components at most.
  • the external power winder is basically only valid for its reference point on the end effector. The reference point directly determines the components of a joint angle-dependent Jacobian matrix. A current Jacobian matrix can be calculated for each current state of the robot manipulator 1 .
  • the transpose of the Jacobian matrix / mediates between the difference between the actually applied external force winder F ext and the desired force vector F d in terms of the target force of the force control for the required additional torque t in the joint space, so that the transfer function of the error variable with regard to a force on the vector of the additional torques as a manipulated variable at the joints is:
  • PI denotes the transfer function of a PI controller. This defines an additional torque t to be applied for force control for each of the articulated motors. If the end effector of the robot manipulator 1 now moves horizontally over the surface of the object (shown in Fig. 1 with the horizontally dashed arrow to the left), it will inevitably slip over the left edge and, because of the lack of counterforce, slide down over the edge and accelerate. Because when the edge is exceeded, the external force winder F ext has also become zero. In order to prevent an uncontrolled downward movement of the robotic manipulator 1 with high acceleration, a damping term is applied according to the following rule in order to weaken the otherwise extremely high torque at the joints of the robotic manipulator 1:
  • K D (l + exp ( ⁇ F d - F ext ⁇ )/K 0 )/K 1
  • T mod is a vector of the attenuated target torques for all joints, which is (cosin(( 1 —

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Robotermanipulator (1) mit einer Steuereinheit (3), wobei die Steuereinheit (3) zum Ausführen einer Kraftregelung ausgeführt ist, sodass mit Hilfe der Kraftregelung ein Referenzpunkt (5) des Robotermanipulators (1) im statischen Fall eine gewünschte Kraft auf ein Objekt der Umgebung ausübt, wobei die Steuereinheit (3) dazu ausgeführt ist, die gewünschte Kraft als Soll-Kraft der Kraftregelung oder eine Fehlergröße basierend auf der Differenz aus der Soll-Kraft und einer Ist-Kraft am Referenzpunkt mit einem Dämpfungsterm abzuschwächen, und auf Basis der Fehlergröße Motoren in den Gelenken des Robotermanipulators (1) mit einer Stellgröße anzusteuern, wobei der Dämpfungsterm zeitabhängig und eine Funktion von einer aktuellen Geschwindigkeit des Referenzpunktes (5) oder zumindest eines Gelenks des Robotermanipulators (1) ist.

Description

Kraftregelung mit Dämpfung an einem Robotermanipulator
Die Erfindung betrifft einen Robotermanipulator mit einer Steuereinheit zur Kraftregelung.
Kraftregelung wird in der Robotik häufig dazu verwendet, um eine gewünschte Kraft durch einen Robotermanipulator auf ein Objekt in seiner Umgebung auszuüben. Es ist ein bekanntes Problem bei einer solchen Kraftregelung durch einen Robotermanipulator, dass beim Abrutschen vom Objekt wegen Überfahrens einer Kante und dem dabei auftretenden Wegfallen der Gegenkraft des Objekts die Regelung hohe Drehmomente am Robotermanipulator bis hin zu einer Saturierung der Motoren kommandiert, sodass sich der Robotermanipulator mit hoher Beschleunigung bewegt. Dieses Verhalten birgt die Gefahr, dass Schäden am Robotermanipulator, in der Umgebung oder Verletzungen an Personen im Arbeitsraum des Robotermanipulators entstehen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Kraftregelung für einen Robotermanipulator sicherer 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 einer Steuereinheit, wobei die Steuereinheit zum Ausführen einer Kraftregelung ausgeführt ist, sodass mit Hilfe der Kraftregelung ein Referenzpunkt des Robotermanipulators im statischen Fall eine gewünschte Kraft auf ein Objekt der Umgebung ausübt, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, die gewünschte Kraft als Soll-Kraft der Kraftregelung oder eine Fehlergröße basierend auf der Differenz aus der Soll-Kraft und einer Ist-Kraft am Referenzpunkt mit einem Dämpfungsterm abzuschwächen, und auf Basis der Fehlergröße Motoren in den Gelenken des Robotermanipulators mit einer Stellgröße anzusteuern, wobei der Dämpfungsterm zeitabhängig und eine Funktion von einer aktuellen Geschwindigkeit des Referenzpunktes in Richtung der gewünschten Kraft oder zumindest eines Gelenks des Robotermanipulators ist.
Die Kraftregelung bewirkt grundsätzlich, dass vom Robotermanipulator, insbesondere seinem Endeffektor, eine gewünschte Kraft auf ein Objekt der Umgebung aufgebracht wird. Dies kann im Stillstand, das heißt bewegungsfrei, erfolgen; in manchen Anwendungen kann jedoch eine tangentiale Geschwindigkeit relativ zum Objekt vorgesehen sein. Beispielsweise wird beim Polieren oder Schleifen einer Oberfläche des Objekts der Robotermanipulator mit einer vorgegebenen Tangentialgeschwindigkeit zur Oberfläche des Objekts bewegt, während der Robotermanipulator in Normalenrichtung zur Oberfläche des Objekts keine Geschwindigkeit aufweist, sondern nur eine vorgegebene gewünschte Kraft auf die Oberfläche ausübt. Beide Fälle werden im Obigen und im Folgenden als statischer Fall bezeichnet.
Ist die Fehlergröße der Kraftregelung gleich Null, werden zumindest auf Basis der Kraftregelung keine Werte der Stellgröße für die Motoren an den Gelenken des Robotermanipulators erzeugt. Davon ausgeschlossen ist grundsätzlich eine Schwerkraftkompensation, die grundsätzlich der Kraftregelung bzw. der Geschwindigkeitsregelung überlagert werden kann. Wird also oben oder im Folgenden von einer Stellgröße gleich Null gesprochen, so betrifft dies nur die Anteile in der gesamten Stellgröße des jeweils betrachteten Reglers, insbesondere der Kraftregelung.
Der Dämpfungsterm bewirkt vorteilhaft, dass sich der Robotermanipulator beim Abrutschen von der Oberfläche des Objekts beispielsweise beim Überfahren über eine Kante hinaus nicht beliebig schnell in den freien Raum fortbewegt, da durch den Dämpfungsstern eine künstliche Dämpfung aufgebracht wird, das heißt eine geschwindigkeitsabhängige virtuelle Widerstandskraft.
Der Dämpfungsstern kann dabei einerseits auf Basis der Geschwindigkeit des Referenzpunktes ermittelt werden, oder auf Basis zumindest einer der Gelenkwinkelgeschwindigkeiten des Robotermanipulators. Bevorzugt wird die Geschwindigkeit des Referenzpunktes nur in die Richtung der gewünschten Kraft berücksichtigt, wozu bevorzugt eine Projektion des Geschwindigkeitsvektors des Referenzpunktes auf den Vektor der gewünschten Kraft ermittelt wird. Wird dagegen eine Geschwindigkeit eines jeweiligen Gelenkwinkels berücksichtigt, so wird insbesondere das gewünschte Drehmoment am jeweiligen Gelenk abhängig von der jeweiligen Gelenkwinkelgeschwindigkeit abgeschwächt.
Ferner kann die Abschwächung neben dem Soll-Drehmoment oder der Soll-Kraft auch den jeweiligen Regelfehler betreffen und auf diesen wirken, insbesondere die Fehlergröße der Kraftregelung, das heißt die Differenz zwischen der Soll-Kraft und Ist-Kraft am Referenzpunkt, sowie alternativ dazu die Fehlergröße aus Soll-Drehmoment und Ist- Drehmoment am jeweiligen Gelenk des Robotermanipulators. Neben der Abschwächung des jeweiligen Regelfehlers, kann die Abschwächung auf die Ausgangsgröße des jeweiligen Reglers der Kraftregelung bzw. der Momentenregelung am jeweiligen Gelenk erfolgen, in der der jeweilige Regelfehler durch eine vorgegebene Übertragungsfunktion des Reglers auf eine Ausgangsgröße abgebildet wird. Der Effekt ist prinzipiell jeweils der gleiche, nämlich dass bei einem Abrutschen des Robotermanipulators von einer Oberfläche eines Objekts, auf das durch den Robotermanipulator eine Kraft aufgebracht wird, der Robotermanipulator nicht beliebig schnell in den freien Raum beschleunigt wird gemäß der sich grundsätzlich so ergebenden plötzlich hohen Fehlergröße bezüglich einer Kraft am Referenzpunkt, sondern durch den Dämpfungsterm abgebremst wird auf eine sichere Geschwindigkeit.
Es ist daher eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass der Robotermanipulator beim Abrutschen von einer Oberfläche, auf die der Robotermanipulator eine vorgegebene Kraft aufbringt, nicht mit seiner vollen ihm zur Verfügung stehenden Energie beschleunigt, sondern dies nur bis zu einer sicheren Grenz-Grenzgeschwindigkeit tut.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, den Dämpfungsterm als Funktion der Geschwindigkeit so zu ermitteln, dass bei einer Geschwindigkeit von Null der Dämpfungsterm keine Abschwächung ausübt und bei einer Geschwindigkeit gleich einem vorgegebenen Grenzwert oder darüber die Soll-Kraft oder die Fehlergröße zu Null gesetzt wird.
Gemäß dieser Ausführungsform übt der Dämpfungsterm bei einer Geschwindigkeit eines jeweiligen Gelenks oder des Referenzpunkts in Höhe von Null keine Abschwächung auf die Kraftregelung aus und bei einer Geschwindigkeit gleich einem vorgegebenen Grenzwert oder darüber einen maximalen Einfluss, sodass die Soll-Kraft bzw. die Fehlergröße insbesondere der Kraftregelung zu Null gesetzt wird. Im letzteren Fall verbleibt der Robotermanipulator in seinem gegenwärtigen Geschwindigkeitszustand als Gleichgewichtszustand zwischen der Kraftregelung und der Dämpfung der Geschwindigkeit. Das Setzen der Soll-Kraft bzw. die Fehlergröße auf genau Null ist daher als Grenzwert zu verstehen, wobei genau Null nicht notwendigerweise in der Praxis erreicht wird. Realistisch wird sich unter zu erwartbaren Bedingungen ein asymptotisch gegen einen Grenzwert einer höchsten Geschwindigkeit strebendes Verhalten einstellen.
Am Beispiel einer linearen Funktion ausgeführt lautet beispielsweise der Dämpfungsterm als Faktor der Soll-Kraft oder der Fehlergröße:
Figure imgf000006_0001
wobei x die aktuelle Geschwindigkeit des Referenzpunkts projiziert auf die Richtung der gewünschten Kraft und xthres ein skalarer vorgegebener Grenzwert ist, und im Falle von x > Xthres dann x = xthres gesetzt wird.
Gemäß einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der vorgegebene Grenzwert zeitabhängig von der aktuellen Höhe der Soll-Kraft der Kraftregelung oder der Höhe des an zumindest einem Gelenk kommandierten Drehmoments auf Basis der Stellgröße.
Beispielsweise gilt dann:
Xthres = (^desC ). wobei Fdes(t ) die aktuellen Höhe der Soll-Kraft ist.
Gemäß dieser Ausführungsform wird ein adaptives, insbesondere nichtlineares, Verhalten der Dämpfung erreicht. Es wird daher nicht länger lediglich ein über alle Zeiten konstanter festgesetzter Grenzwert verwendet, sondern dieser angepasst, sodass sich auch die Steigung der Funktion über die Zeit ändern kann und einen im Allgemeinen nichtlinearen Verlauf aufweist. Dies verbessert wesentlich die Sicherheit beim Betrieb des Robotermanipulators, da bei Kraftregelungen mit hohen Kräften oder hohen Regelfehlern (Fehlergrößen bzgl. einer Kraft) auch eine überproportional höhere Dämpfung gegenüber geringeren Kräften oder Fehlergrößen bzgl. einer Kraft erreicht wird.
Gemäß einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Funktion nichtlinear und weist bei einer Geschwindigkeit von Null und bei der Geschwindigkeit gleich dem vorgegebenen Grenzwert jeweils eine horizontale Tangente auf, wobei die nichtlineare Funktion insbesondere sinusförmig ist.
Die horizontale Tangente in den Randpunkten der Funktion dient insbesondere dazu, einen folgbaren Verlauf für dynamische Systeme höherer Ordnung zu erzeugen. Dies wird dadurch erreicht, dass kein Knick im Verlauf der Funktion vorherrscht und damit die Funktion auch ohne Singularitäten mehrfach ableitbar ist. Am obigen Beispiel gehalten würde ein beispielhafter Dämpfungsterm als Faktor der Soll-Kraft oder der Fehlergröße lauten:
Figure imgf000006_0002
Wiederum wird im Falle von x > xtftres: * = Xthres gesetzt, wobei cosin die Kosinus- Funktion angibt. Alternativ dazu kann eine Sigmoid Funktion verwendet werden, deren horizontale Asymptoten näherungsweise als horizontale Tangenten verstanden werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, den Dämpfungsterm durch Multiplikation eines Verstärkungsfaktors mit einem Betrag einer Projektion der aktuellen Geschwindigkeit auf die Richtung der gewünschten Kraft der Kraftregelung zu ermitteln. Somit wird nur die jeweilige aktuelle Geschwindigkeit in derjenigen Richtung betrachtet, in der eine schnelle Beschleunigung des Robotermanipulators fehlerhaft erfolgen kann, und das ist die Richtung des gewünschten Kraftvektors.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, den Verstärkungsfaktor zeitabhängig als Funktion von einem Betrag der Soll- Kraft, oder von einem Betrag der Differenz aus der Soll-Kraft und der Ist-Kraft am Referenzpunkt, oder von einem Betrag des kommandierten Drehmoments an zumindest einem der Gelenke, oder von einem Betrag der Differenz aus dem kommandierten Drehmoment und dem tatsächlichen Drehmoment an zumindest einem der Gelenke des Robotermanipulators zu ermitteln.
Gemäß einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die mit dem Dämpfungsterm abzuschwächende Fehlergröße die Differenz aus der Soll-Kraft und der Ist-Kraft am Referenzpunkt, wobei die abgeschwächte Differenz der Reglereingang eines Reglers für die Kraftregelung ist.
Gemäß einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die mit dem Dämpfungsterm abzuschwächende Fehlergröße ein Reglerausgang eines Reglers für die Kraftregelung mit der Differenz aus der Soll-Kraft und der Ist-Kraft jeweils am Referenzpunkt als Reglereingang, oder auf Gelenkebene zumindest ein Reglerausgang eines jeweiligen Gelenkmomentenreglers mit der Differenz aus einem gewünschten Drehmoment und einem tatsächlichen Drehmoment jeweils als Reglereingang.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, die Geschwindigkeit innerhalb eines vorgegebenen Rauschanteils mit konstanter Höhe auf Null abzubilden und Werte der Geschwindigkeit oberhalb des vorgegebenen Rauschanteils in konstanter Höhe um die konstante Höhe vermindert zur Bestimmung des Dämpfungsterms zu verwenden. Ein solches Funktionsglied ist als vorbereitetes Modul in Softwareprogrammen auch als „Dead-Zone“ bekannt.
Gemäß einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Funktion eine virtuelle Energiefunktion, die den Zustand Soll-Kraft oder Differenz aus der Soll-Kraft und der Ist- Kraft, sowie den Zustand Geschwindigkeit umfasst, sodass mit steigenden Beträgen der virtuellen Energiefunktion die Geschwindigkeit des Referenzpunktes zunehmend abgeschwächt wird. Die virtuelle Energiefunktion weist bevorzugt eine Summenfunktion aus Quadraten der Geschwindigkeit des Referenzpunktes oder eines oder mehrerer Gelenkwinkel sowie der Soll-Kraft oder der Differenz aus der Soll-Kraft und der Ist-Kraft auf.
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.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Fig. 1 zeigt einen Robotermanipulator 1 mit einer Steuereinheit 3, wobei die Steuereinheit 3 eine Kraftregelung ausführt, sodass mit Hilfe der Kraftregelung ein Referenzpunkt 5 des Robotermanipulators 1 im statischen Fall eine gewünschte Kraft auf ein Objekt der Umgebung ausübt. Hierfür wird wiefolgt die gewünschte Kraft als Soll-Kraft der Kraftregelung mit einer Ist-Kraft verglichen und auf entsprechende Drehmomente in den Gelenken übertragen. Ein externer Kraftwinder gibt alle Kräfte und Momente an, die zwischen der Umgebung und dem Robotermanipulator 1 wirken, ausgenommen jedoch die Schwerkraft und Trägheitskräfte. Der externe Kraftwinder ist beispielsweise dann ungleich Null, wenn der Robotermanipulator 1 auf eine Oberfläche des Objekts in der Umgebung des Robotermanipulators 1 drückt. Der externe Kraftwinderweist typischerweise sechs Komponenten auf, wovon die ersten drei Komponenten Kräfte in einem kartesischen Koordinatensystem angeben und wovon die weiteren drei Komponenten Momente um die Achsen des kartesischen Koordinatensystems angeben. Momente im externen Kraftwinder werden jedoch hierbei nicht berücksichtigt, da es sich um eine reine Kraftregelung handelt. Daher weist der externe Kraftwinder höchstens drei Komponenten auf. Der externe Kraftwinder ist grundsätzlich nur für seinen Bezugspunkt am Endeffektor gültig. Der Bezugspunkt bestimmt unmittelbar die Komponenten einer gelenkwinkelabhängigen Jacobimatrix. Für jeden aktuellen Zustand des Robotermanipulators 1 kann eine aktuelle Jacobimatrix berechnet werden. Die Transponierte der Jacobimatrix /, nämlich JT, vermittelt zwischen der Differenz des tatsächlich anliegenden externen Kraftwinders Fext und des gewünschten Kraftvektors Fd im Sinne der Soll-Kraft der Kraftregelung zu dem benötigten Zusatzmoment t im Gelenkraum, sodass die Übertragungsfunktion der Fehlergröße bzgl. einer Kraft auf den Vektor der zusätzlichen Drehmomente als Stellgröße an den Gelenken ist:
Figure imgf000009_0001
Hierin bezeichnet „PI“ die Übertragungsfunktion eines PI-Reglers. Damit ist für jeden der Gelenkmotoren ein zusätzlich aufzubringendes Drehmoment t für die Kraftregelung definiert. Bewegt sich nun der Endeffektor des Robotermanipulators 1 horizontal über die Oberfläche des Objekts (dargestellt in Fig. 1 mit dem horizontal gestrichelten Pfeil nach links) wird er zwangsläufig über die linke Kante abrutschen und wegen der fehlenden Gegenkraft über die Kante hinunterrutschen und beschleunigen. Denn mit dem Überschreiten der Kante ist auch anliegende externe Kraftwinder Fext zu Null geworden. Um eine unkontrollierte mit hoher Beschleunigung erfolgende Bewegung des Robotermanipulators 1 nach unten hin zu verhindern, wird gemäß der folgenden Vorschrift ein Dämpfungsterm angewendet, um das sonst überaus hohe Drehmoment an den Gelenken des Robotermanipulators 1 abzuschwächen:
^mod = (cosin(( 1 - | KDq \/qthres p - p + l)/2 · t, mit
KD = (l + exp (\Fd - Fext\)/K0)/K1
Hierin sind Tmod ein Vektor der abgeschwächten Solldrehmomente für alle Gelenke, der (cosin(( 1 — | KDq \/qthres)n ~ p) + 1) / 2 der Dämpfungsterm, q der Vektor aller Winkelgeschwindigkeiten der Gelenke des Robotermanipulators, qthres ein vorgegebener Grenzwert. Der Dämpfungsterm wird hierbei durch Multiplikation des Verstärkungsfaktors KD mit einem zeitabhängigen Anteil KD = (1 + exp (| Fd — Fext\)/K0 )/K1 gestreckt, wobei KQ und K± vorgegebene Konstanten sind. Dies entspricht einer adaptiven Dämpfung, da der Verstärkungsfaktor zeitabhängig als Kosinus-Funktion von einem Betrag der Differenz aus der Soll-Kraft und der Ist-Kraft am Referenzpunkt 5 abhängig ist.
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 Steuereinheit 5 Referenzpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Robotermanipulator (1) mit einer Steuereinheit (3), wobei die Steuereinheit (3) zum Ausführen einer Kraftregelung ausgeführt ist, sodass mit Hilfe der Kraftregelung ein Referenzpunkt (5) des Robotermanipulators (1) im statischen Fall oder mit nur tangentialer Bewegungsrichtung eine gewünschte Kraft auf ein Objekt der Umgebung ausübt, wobei die Steuereinheit (3) dazu ausgeführt ist, die gewünschte Kraft als Soll-Kraft der Kraftregelung oder eine Fehlergröße basierend auf der Differenz aus der Soll-Kraft und einer Ist-Kraft am Referenzpunkt mit einem Dämpfungsterm abzuschwächen, und auf Basis der Fehlergröße Motoren in den Gelenken des Robotermanipulators (1) mit einer Stellgröße anzusteuern, wobei der Dämpfungsterm zeitabhängig und eine Funktion von einer aktuellen Geschwindigkeit des Referenzpunktes (5) in Richtung der gewünschten Kraft oder zumindest eines Gelenks des Robotermanipulators (1) ist.
2. Robotermanipulator (1) nach Anspruch 1 , wobei die Steuereinheit (3) dazu ausgeführt ist, den Dämpfungsterm als Funktion der Geschwindigkeit so zu ermitteln, dass bei einer Geschwindigkeit von Null der Dämpfungsterm keine Abschwächung ausübt und bei einer Geschwindigkeit gleich einem vorgegebenen Grenzwert oder darüber die Soll-Kraft oder die Fehlergröße zu Null gesetzt wird.
3. Robotermanipulator (1) nach Anspruch 2, wobei der vorgegebene Grenzwert zeitabhängig von der aktuellen Höhe der Soll-Kraft der Kraftregelung oder der Höhe des an zumindest einem Gelenk kommandierten Drehmoments auf Basis der Stellgröße ist.
4. Robotermanipulator (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die Funktion nichtlinear ist und bei einer Geschwindigkeit von Null und bei der Geschwindigkeit gleich dem vorgegebenen Grenzwert jeweils eine horizontale Tangente aufweist, wobei die nichtlineare Funktion insbesondere sinusförmig ist.
5. Robotermanipulator (1) nach Anspruch 1 , wobei die Steuereinheit (3) dazu ausgeführt ist, den Dämpfungsterm durch Multiplikation eines Verstärkungsfaktors mit einem Betrag einer Projektion der aktuellen Geschwindigkeit in Richtung der gewünschten Kraft der Kraftregelung zu ermitteln.
6. Robotermanipulator (1) nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit (3) dazu ausgeführt ist, den Verstärkungsfaktor zeitabhängig als Funktion von einem Betrag der Soll-Kraft, oder von einem Betrag der Differenz aus der Soll-Kraft und der Ist-Kraft am Referenzpunkt (5), oder von einem Betrag des kommandierten Drehmoments an zumindest einem der Gelenke, oder von einem Betrag der Differenz aus dem kommandierten Drehmoment und dem tatsächlichen Drehmoment an zumindest einem der Gelenke des Robotermanipulators (1) zu ermitteln.
7. Robotermanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mit dem Dämpfungsterm abzuschwächende Fehlergröße die Differenz aus der Soll-Kraft und der Ist-Kraft am Referenzpunkt ist, wobei die abgeschwächte Differenz der Reglereingang eines Reglers für die Kraftregelung ist.
8. Robotermanipulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mit dem Dämpfungsterm abzuschwächende Fehlergröße ein Reglerausgang eines Reglers für die Kraftregelung mit der Differenz aus der Soll-Kraft und der Ist-Kraft jeweils am Referenzpunkt (5) als Reglereingang, oder auf Gelenkebene zumindest ein Reglerausgang eines jeweiligen Gelenkmomentenreglers mit der Differenz aus einem gewünschten Drehmoment und einem tatsächlichen Drehmoment jeweils als Reglereingang ist.
9. Robotermanipulator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (3) dazu ausgeführt ist, die Geschwindigkeit innerhalb eines vorgegebenen Rauschanteils mit konstanter Höhe auf Null abzubilden und Werte der Geschwindigkeit oberhalb des vorgegebenen Rauschanteils in konstanter Höhe um die konstante Höhe vermindert zur Bestimmung des Dämpfungsterms zu verwenden.
10. Robotermanipulator (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Funktion eine virtuelle Energiefunktion ist, die den Zustand Soll-Kraft oder Differenz aus der Soll-Kraft und der Ist-Kraft, sowie den Zustand Geschwindigkeit umfasst, sodass mit steigenden Beträgen der virtuellen Energiefunktion die Geschwindigkeit des Referenzpunktes zunehmend abgeschwächt wird.
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