WO2023012212A1 - Vorgeben einer zulässigen maximalgeschwindigkeit eines robotischen gerätes - Google Patents

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WO2023012212A1
WO2023012212A1 PCT/EP2022/071805 EP2022071805W WO2023012212A1 WO 2023012212 A1 WO2023012212 A1 WO 2023012212A1 EP 2022071805 W EP2022071805 W EP 2022071805W WO 2023012212 A1 WO2023012212 A1 WO 2023012212A1
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collision
robotic device
speed
permissible
calculated
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PCT/EP2022/071805
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Roland Behrens
Sebastian Herbster
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G05B2219/40319—Simulate contact of object and obstacle, reduce to pairs with only one contact

Definitions

  • the invention relates to a computer-implemented method for specifying a permissible maximum speed for a robotic device, and a corresponding control device.
  • man-machine Interfaces that have moving parts must be protected.
  • Such man-machine Interfaces are present, for example, in a collaborating robotic device/robot, a so-called cobot.
  • there is a risk of injury here due to a collision between the respective moving parts of the robotic device, the machine, and body parts of a human operator, a user.
  • the risk of injury or an accident can be reduced by limiting the performance of the robotic device to such an extent that the device poses no risk of injury or only a reduced risk of injury.
  • a power limitation can be achieved by limiting the force and/or power of the robotic device.
  • Known biomechanical limit values which are quantified in relevant standards, for example, indirectly specify for safe operating modes of robotic devices how much the performance of a robotic device, for example the speed of moving parts of the robotic device, is to be restricted so that it does not collide with a person This leads to an impermissible overstraining of the human tissue and, as a result, to the onset of pain or even to an injury.
  • 5089 bis A three-mass oscillator model is also used in 5096.
  • the drive inertia is assumed to be an infinite mass, which, however, leads to significantly excessive collision forces and thus to unnecessarily reduced permissible values in a realistic scenario maximum speeds.
  • the task therefore arises of specifying a permissible maximum speed of a robotic device, at which the biomechanical limit values for avoiding injuries are reliably observed, in the most efficient manner possible, in order to be able to determine the greatest possible permissible maximum speed, particularly in real-time applications.
  • One aspect relates to a computer-implemented method for specifying a permissible maximum speed of a robotic device/for a robotic device.
  • the maximum speed relates in particular to one or more points moving with the highest speed of all points on the surface of the robotic device at the respective points in time on a predefined machine path or trajectory of the robotic device.
  • the robotic device can in particular be a collaborative robotic device, a so-called cobot.
  • the method described can be applied to any machine with physical interfaces to humans.
  • a method step is specifying at least one contact point between a human operator and the robotic device for a collision between the human operator and the robotic device, a geometry of the robotic device at the contact point and a spatial boundary condition of the collision.
  • the geometry of the robotic device can in particular include tool and/or workpiece data.
  • a tool used by the robotic device or a workpiece machined by it can thus be viewed and taken into account as part of the robotic device.
  • the selection of the contact point between the human and the machine, i.e. the operator and the robotic device, as well as the spatial boundary condition, for example whether a part of the human body belonging to the contact point is trapped or free, can be made manually by a user, or also (partly )automated.
  • One or more contact points for a collision or also several contact scenarios, each with associated collisions between operators and robotic devices can be specified by the user or the (partially) automated input.
  • the geometry of the robotic device associated with a collision can be selected manually by the user, for example using a list, or it can be automated, for example based on a 3D model of the robotic device, possibly including the tool and workpiece.
  • a computing unit taking into account the specified spatial boundary conditions, determines whether the collision is a collision without jamming or a jamming collision. In the case of a collision with several contact points, a collision can also occur which is both jamming and jamming. In this case, the collision for the present method can, for example, be divided into two separate sub-collision, for which the method described is then carried out individually in each case.
  • the different results for the maximum permissible speed can then be compared with one another and a suitable, for example ge - lowest maximum speed is specified as the maximum permissible speed, i.e. calculated and for the output described below.
  • a subsequent calculation of the permissible maximum speed of the robotic device at the contact point is therefore a further method step.
  • This is done using a free impact model if the collision is a pinch-free collision and a pinching impact model and/or a quasi-static pinch model if the collision is is a sticking collision.
  • the models are different models.
  • the free impact model is used in the case of a "free impact", i.e. a comparatively rapid collision in which the contact point on the human body part or the human body part belonging to the contact point arrives in a collision direction, a direction of movement of the contact point the robotic device during the collision, no external resistance is offered, i.e. the human body part can avoid hits and is thus trapped direction of collision ng is also opposed by external resistance, so the body part cannot move away, as in the case of a pinching impact.
  • the different models are stored in the arithmetic unit that calculates the permissible maximum speed and, as described further below, can determine model-specific respective maximum speeds based on partially identical and partially different input variables.
  • Whether the collision is comparatively fast or comparatively slow i.e. whether the jamming impact model or the quasi-static jamming model is to be used, can be specified, for example, by appropriately set speed limit values, alternatively or in addition applying both models, i. H. through a separate simulation of the collision using two different simulations and the subsequent comparison of the results, each resulting permissible maximum speeds.
  • the lower one can be selected for the further process.
  • the arithmetic unit outputs a signal that is dependent on the calculated permissible maximum speed for the robotic device, possibly also selected from a plurality of calculated maximum speeds, and in particular represents the calculated permissible maximum speed.
  • the control signal can be a control signal that can be read directly by the robotic device, or alternatively a control signal that indicates to a human user of the method the maximum speed at which the robotic device can be controlled, for example via a display unit.
  • the computer-implemented method can be implemented as a program sequence in a virtual planning tool, for example with virtual robotic devices that are virtually controlled by the control signal, or directly in a control device of a robotic device.
  • the necessary data regarding tools, safety configuration, description of kinematics, mass, inertia, center of gravity, joints and corresponding motors as well as torques of the robotic device on the one hand, as well as limit values, stiffness characteristics and masses of the body part affected by the collision are stored in corresponding databases and on the procedure provided.
  • the data used is explained in more detail below.
  • the signal can also be a warning signal which, for example in a real-time application, indicates that the actual speed of the robotic device is higher than the permissible maximum speed.
  • the method accesses parameters that are stored in databases or models. After the calculation has been completed, the method, and thus the algorithm, outputs a safe speed, ie a maximum permissible speed for the robotic device, at which the machine part under consideration, which is involved in the collision, in the case of the collision under consideration, the stored and, for example, a standard applicable in July 2021 such as just no longer exceeds the biomechanical limit values permitted by ISO/TS 15066.
  • a safe speed ie a maximum permissible speed for the robotic device, at which the machine part under consideration, which is involved in the collision, in the case of the collision under consideration, the stored and, for example, a standard applicable in July 2021 such as just no longer exceeds the biomechanical limit values permitted by ISO/TS 15066.
  • the lowest of the calculated safe speeds can be selected for output.
  • the first advantage here is that the clamping joint and the quasi-static clamping are combined in a uniform approach, but are nevertheless taken into account individually. It is thus possible to calculate precisely which speed is still a safe speed with a low risk of injury for both the relatively slow and the relatively fast collisions.
  • the method described is suitable both for the so-called offline (planning) calculation and for the real-time calculation of the respective permissible maximum speeds of machines, in particular robotic devices with physical interfaces to humans.
  • a particular example here are collaborating robotic devices that interact with humans and work in the mode of power and force limitation according to ISO/TS 15066.
  • the output control signal represents a location-dependent speed specification along a machine path specified for the robotic device, a trajectory of the robotic device or one or more parts of the robotic device.
  • the specified speed is location-dependent in that it is specified along the machine path and thus at different locations for the respective machine parts of the robotic device.
  • the location-dependent speed specification can be generated by scaling a speed specification originally specified for the specified machine path, preferably also location-dependent, as a function of the calculated maximum speed.
  • An original location-dependent speed specification along a machine path which may be unsafe, can therefore be replaced by an equivalent location-dependent speed specification, which ensures that a safe, permissible maximum speed is specified along the specified machine path.
  • the scaling can include or be a uniform, ie location-independent scaling of the specified maximum speed or a scaling locally adapted to the specified machine path.
  • Uniform scaling means that the specified permissible maximum speed is multiplied by a fixed factor as a function of the location along the machine path, so that a safe speed, at which injuries can be ruled out in accordance with the above, is achieved at one or more speed extremes of the original speed specification is not exceeded.
  • a specified process speed for the robotic device can be taken into account on one or more sections of the machine path, in particular to the extent that the originally specified maximum speed specification is not adjusted there, for example. This is advantageous, for example, if a speed that can be increased for safety reasons but is necessary for the process itself is low in relation to the calculated permissible maximum speed on such a section for the technical process carried out by the robotic device. This has the advantage that the overall process of the robotic device can be reliably optimized, ie its speed can be increased.
  • the maximum permissible speed is calculated in real time and the output control signal represents an instantaneous maximum permissible speed for the robotic device, so that an instantaneous actual speed of the robotic device at the specified contact point can be adapted to the currently permissible maximum speed .
  • This is advantageous, for example, in the case of manually or semi-automatically controlled devices in which the instantaneous speed of the robotic device is controlled or influenced by an operator.
  • the permissible maximum speed is calculated using the jamming impact model and using the quasi Static clamping model is calculated, and a lower of the respectively calculated maximum speed is selected as the maximum permissible speed on which the output signal is dependent.
  • the quasi-static clamping model calculates the permissible maximum speed as a function of: a) a predefined kinematic structure of the robotic device, b) a joint configuration at the time of the collision, in particular with a position of one or more axes of the robotic device and velocities associated with the respective axes, c) a stiffness characteristic of a human body part at the contact point of the collision, d) a stiffness characteristic of a machine part at the contact point of the collision, e) one with the stiffness characteristic of the human body part and the stiffness characteristic the resulting rigidity characteristic calculated at the machine location, f) a predetermined added maximum deformation, in particular with or from a biomechanical force threshold value and/or an energy threshold value and/or a deformation threshold value, g) a mi t permissible penetration depth calculated from the rigidity characteristic of the machine point and the resulting rigidity line, h) a reaction force of the robotic device, i) a reaction path of
  • the specified kinematic structure of the robotic device according to a) describes the general arrangement of the joints, for example as a Denative Hartenberg parameter.
  • the joint configuration at the time of the collision according to b) transfers in particular axis positions and axis speeds of the robotic device to the method or the algorithm by a corresponding control unit of the robotic device or a virtual (offline) planning tool, for example triggered by a human input. If a trajectory of the robotic device is transferred, the calculation and transfer of the joint configurations for each individual time step takes place accordingly. Accordingly, a safe speed can then be calculated with the method for each time step along the trajectory.
  • the stiffness characteristic of the human body part according to c) depends on the affected body part and the geometry of the machine at the contact point. It quantifies the dependency of a force acting on the body part during the collision in relation to the deformation of the body part in question and is usually characterized by non-linear behavior.
  • the stiffness characteristic of the human body part affected by the collision and the associated limit values can be found in a table, for example, in particular ISO/TS 15066, based on a contact model, a simulation, or determined experimentally.
  • Known tabular listings include, for example, the affected body part and the shape of the geometry of the robotic device at the contact point.
  • Contact models can calculate a contact geometry-dependent stiffness characteristic and associated force or energy limit values on the basis of specific material parameters for each body part or contact point on the body part and biomechanical limit values.
  • the machine point at the contact point according to d) can also have an equivalent to the rigidity of the human body point.
  • the corresponding stiffness characteristic can be given by an entry in a database, a simulation or experimental data. It too can represent non-linear behavior.
  • From the stiffness characteristic of the human body part according to c) and the stiffness characteristic of a machine part at the contact point according to d) results in an effective stiffness characteristic according to e).
  • Such a resulting stiffness characteristic is shown, for example, in FIG. 2, and generally establishes a relationship between a force acting on the human body part at the contact point in the event of a collision with the machine part and a deformation of the human body part at the contact point resulting from this force. If the acting force exceeds a permissible biomechanical contact force, the permissible penetration depth is also exceeded, which causes damage, ie injury, to the part of the human body.
  • the specified permissible maximum deformation according to f) as a biomechanical limit value is a limit value dependent on body parts and contact geometry. It can be present correspondingly with or as a force threshold/limit and/or energy threshold/limit and/or deformation threshold/limit.
  • the quasi-static specifications or values are relevant for the quasi-static clamping model, and the transient limit values for the free impact model or the clamping impact model.
  • the different force, energy or deformation limit values can be converted into one another using the given stiffness characteristic of the human body part.
  • the biomechanical force limit value is required for this calculation, as will be explained, for example, in connection with FIG. 2 .
  • the permissible penetration depth according to g) can be determined from the biomechanical force limit value and the resulting stiffness characteristic. In Fig. 2, it corresponds to the point of intersection of the permissible biomechanical contact force with the resulting stiffness characteristic.
  • the reaction force of the robotic device according to h) is a force limit value that can be set on the robotic device and, when this is exceeded, the robotic device triggers a safety stop. As a rule, such a safety stop includes asynchronous braking with maximum deceleration of all axes, in which case the path is not maintained. An exemplary reaction force is also shown in FIG. 2 .
  • the adjustable force limit is often adjustable for the working point of the robotic device over specific axes.
  • axis-specific force or be adjustable torque limit which is specified specifically for the respective drives of the robotic device.
  • the axis-specific force or torque limit values can be converted into a general force limit value based on the axis position, the machine location at the contact point, i.e. the contact point on the machine surface, and the direction of collision.
  • the force limit value can be set for any machine position, i. H. defined for any contact point on the surface of the machine.
  • a set force limit at a machine location e.g. B. an end effector of a robotic device, can in principle be converted to a force limit value for any other machine location.
  • Axle-specific force or torque limit values do not have to be given for all axles. With an unfavorable axis position, it can happen in such a case that the robotic device does not recognize the collision. This is the case if none of the monitored axis-specific forces or torques are triggered by the force input in the event of a collision.
  • Force limit values for the operating point as well as axis-specific force or torque limit values are often set on a robotic device, i. H. specified and activated. In such a case, the lower of the two resulting limit values must be taken into account for further considerations as a reaction force on the robotic device.
  • the calculated reaction path of the robotic device according to i) can result from the set reaction force at the working point of the machine and the resulting stiffness characteristic.
  • the point of intersection of the limit value and the characteristic curve then corresponds to the length of the reaction path, as is also shown in FIG.
  • the permissible braking distance of the robotic device according to j) results from the permissible penetration depth minus the reaction path of the machine.
  • An example permissible braking distance is also shown in FIG. If the reaction force on the robotic device is greater than the allowable contact force on that part of the body, there is no safe speed. Then the robotic device must not move until the affected body part is outside the danger zone.
  • a robotic device In the case of a safety stop, a robotic device usually performs asynchronous braking, in which all axes are decelerated to the maximum and a loss of path loyalty is accepted.
  • the axis position of the robotic device after such a braking process is calculated from the speeds of the axes at the time of the collision, the axis positions from which the outreach can be determined, the additional load at the working point or tool and the braking angle covered.
  • the braking angle can either be taken from the manufacturer's specifications or calculated on the basis of the possible deceleration or determined experimentally. The deceleration in turn results from the forces or torques available in the axes and the dynamics of the robotic device considered as a machine system.
  • the distance covered in the collision direction can be calculated for any point on the machine, ie for each machine point as the contact point of the collision, taking into account the difference in distance between the collision point before and after the end of the braking process. This distance covered then corresponds to the actual braking distance of the machine according to k).
  • the permissible maximum speed can be determined iteratively based on the reaction force of the robotic device until the actual braking distance matches the permissible braking distance.
  • a bisection method is particularly suitable here. With the variables described, the permissible maximum speed can be calculated particularly quickly due to fewer iteration steps.
  • the output control signal depends on the permissible maximum speed, which corresponds to the shortest actual braking distance depending on the specified permissible maximum deformation and the resulting rigidity line. This does not necessarily have to be the lowest permissible maximum speed in the different contact points. This has the advantage that injuries are avoided particularly effectively, since it is not the maximum speed itself that is considered, but the respective con- points of the collision(s) are evaluated with regard to the required braking distance.
  • the permissible maximum speed is calculated for all contact points and the output control signal depends on the lowest permissible maximum speed. In contrast to what was written in the last paragraph, it has been found for different machine locations that the maximum speed itself and not the actual braking distance is best suited to contain the risk of injury.
  • the permissible maximum speed is calculated in each case as a function of: a) the specified kinematic structure of the robotic device, b) the joint configuration at the time of the Collision, in particular with a position of one or more axes of the robotic device and the speeds associated with the respective axes, c) the stiffness characteristic of the human body part at the contact point of the collision, d) the stiffness characteristic of the machine part at the contact point of the collision, e) with the stiffness characteristic the resulting stiffness line calculated from the human body location and the stiffness line of the machine location, and f) the maximum allowable deformation predetermined with a biomechanical force threshold and/or a biomechanical energy threshold.
  • the additional maximum speed is dependent on: l) an effective mass of the machine site at the contact point of the collision and m) an effective stiffness of the robotic device.
  • the maximum velocity is also calculated as a function of: n) an effective mass of the human body site at the contact point of the collision.
  • the effective mass of the machine point according to I) is based on Khatib O. and results from the article "A Unified Approach for Motion and Force Control of Robotic Manipulators: The Operational Space Formulation", published in 1987 in IEEE Journal of Robotics and Automation 3( 1), pp. 43-53, and the 1995 paper "Inertial Properties in Robotic Manipulation: An Object-Level Framework” in: The International Journal of Robotics Research 14(1), pp. 19-36, as follows, viz from: The arrangement of the machine parts at the time of the collision (the axis position), the dynamic mass properties, the kinematic structure of the robotic device (the geometric arrangement of the axes, etc.), a collision direction and a collision point.
  • the dynamic mass properties of the robotic device can also be calculated with or without the inertia of the drive. This results in either an effective mass of the robotic device without considering the drive inertia or an effective mass of the robotic device with consideration of the drive inertia, and the effective drive mass from the difference between the two effective masses.
  • the translation of the individual drives of the robotic device must be taken into account when calculating the drive inertia.
  • the method according to Khatib is particularly suitable for the calculation of a serial arrangement of mutually movable machine parts, for example the different elements ment of a robotic chain in an articulated robot. However, the method can also be used for parallel kinematic chains and mixed forms.
  • the effective rigidity of the robotic device n) can be calculated according to J.-K. Salisbury, "Active stiffness control of a manipulator in cartesian coordinates", published in the Proceedings of the Conference on Decision and Control including the Symposium on Adaptive Processes, pages 95-100, 1980, and A. Albu-Schäffer, M. Fischer, G. Schreiber, F. Schoeppe, and G.
  • the effective mass of the human being according to n is required.
  • the effective human mass is either to be calculated using a dynamic human mass model or taken from a table, for example ISO/TS 15066.
  • Dynamic mass models typically take into account the posture (i.e. the position of the individual joints), dynamic Mass properties, such as those that depend on gender, height and weight, the collision direction and the collision point. Tabular listings typically include the affected body segment and posture.
  • the human body part In the event of a jamming impact, the human body part, cannot avoid the acting force, i.e. cannot retreat.
  • the part of the human body is to be regarded as firmly clamped in a replacement model.
  • a simulation model for the free impact model or the jamming impact model can be set up, as shown in FIG. 3, for example.
  • the free impact model include or be a three-mass oscillator model and/or the pinching impact model include or be a two-mass oscillator model.
  • the models are suitable for inferring a force curve at the contact point based on the collision speed.
  • the transmitted energy and maximum force can be determined from the force curve, from which in turn conclusions can be drawn about the injuries to be expected via the resulting stiffness characteristic and a safe speed is specified as the permissible maximum speed accordingly.
  • the calculation of the safe speed as the permissible maximum speed is analytically possible if the resulting stiffness characteristic at the contact point is linear, and only numerically possible if the resulting stiffness characteristic at the contact point is non-linear. It can also be provided that the resulting rigidity characteristic curve is linearized at the intersection of the characteristic curve and the biomechanical force limit value in order to accelerate the method. In this case, for example, based on the analytical solution, a first estimate of the permissible maximum speed can be derived, which can then be used as the initial value for a numerical solution.
  • the drive controllers of the robotic device can be neglected, since the duration of the collision is usually too short for the controller to be able to intervene. Accordingly, the set monitored reaction force on the machine usually has no influence on impacts. In the event of impacts, biomechanical limit values that are smaller than the set, monitored reaction force of the robotic device can usually also be complied with.
  • a further aspect also relates to a control unit for specifying a permissible maximum speed for a robotic device.
  • a control device is equipped with a detection unit for detecting a contact point between a human operator and the robotic device for a collision between the human operator and the robotic device, for detecting a geometry of the robotic device at the contact point, and for detecting a spatial boundary condition of the collision.
  • points the control unit has a computing unit for determining, taking into account the spatial boundary condition, whether the collision is a jam-free collision or a jamming collision and for calculating the permissible maximum speed of the robotic device at the contact point using a free-impact model, if so the collision is a pinch-free collision, and with a pinching impact model or with a quasi-static pinch model if the collision is a pinching collision.
  • the models are different models.
  • the arithmetic unit is also designed to output a control signal that is dependent on the calculated permissible maximum speed for the robotic device.
  • a further aspect relates to a robotic device with such a control device.
  • control device and a robotic device equipped with the control device correspond to advantages and advantageous embodiments of the method described.
  • FIG. 1 shows an exemplary robotic device with an exemplary embodiment of a control device for specifying a permissible maximum speed of the robotic device
  • the control unit 2 has a detection unit 3 for detecting a contact point between a human operator and the robotic device 1 for a collision between the human operator and the robotic device 1, a geometry of the robotic device at the contact point, and a spatial boundary condition of the collision.
  • contact point a, spatial condition b and geometry c, the contact geometry are specified by a user 5 of control device 2 .
  • the control unit 2 also has a computing unit 4 for determining, taking into account the spatial boundary condition b of the collision, whether the collision is a jam-free collision or a jamming collision, and for calculating the permissible maximum speed of the robotic device 1 at the contact point a with a free impact model, if the collision is a pinch-free collision, with a pinching impact model, or with a quasi-static pinch model, if the collision is a jamming collision.
  • the models are different models.
  • the arithmetic unit 4 is also designed to output a signal g that is dependent on the calculated permissible maximum speed for the robotic device 1 .
  • control unit 2 retrieves a joint configuration d from robotic device 1 for the time of the collision, as well as tool data e, which describe a tool of robotic device 1 .
  • a torque or force threshold value f is also retrieved from the robotic device.
  • the computing unit 4 retrieves a predetermined kinematic structure of the robotic device 1 from a machine database 5, and in the example shown also other data of the robotic device such as mass, inertia, center of gravity for joints and motors of the robotic device. Torque data is also retrieved here. From a model database 6 and an associated biomechanics database 7, the stored models, i. H. Free Impact Model, Pinching Impact Model and Quasi-Static Pinching Model together with associated values such as limit values, stiffness characteristics and the mass of the human body part affected by the collision.
  • an exemplary resultant stiffness characteristic h is plotted as a function of the force F over the formation D.
  • the permissible penetration depth x2 corresponds to the deformation D at the intersection of the permissible biomechanical contact force y2 and the resulting stiffness characteristic h.
  • the reaction path xl of the robotic device results from the set reaction force yl of the robotic device and the resulting stiffness characteristic h.
  • the permissible braking distance of the robotic device results from the permissible penetration depth x2 minus the reaction distance xl.
  • FIG. 3 shows a substitute model for the free impact model and the pinching impact model.
  • the robotic device 1 is moving with a collision speed vc at the point of collision.
  • An effective drive mass mo moves, coupled via an effective stiffness CT of the drive train with an effective mass of the axes mi, which in turn transmits a contact force F(t) via an effective stiffness CM on the machine surface.
  • the effective masses mo, mi can move around different distances XD, XL.
  • a finite effective mass of the operator mH is coupled to the contact force F(t) via a stiffness CH of the person.
  • the free-impact model is a three-mass oscillator model with the masses ITID, mi_ and mH.
  • the operator 5 is assumed to be immobile, as shown at the bottom right in FIG.
  • the human stiffness CH which represents soft tissue, thus absorbs the entire contact force F(t). Since only two masses mo, mi are considered in this approach, the clamped collision model is a two-mass oscillator model.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vorgeben einer zulässigen Maximalgeschwindigkeit für ein robotisches Gerät (1), mit einem Vorgeben eines Kontaktpunktes zwischen einer menschlichen Bedienperson und dem robotischen Gerät (1) für eine Kollision zwischen menschlicher Bedienperson und robotischem Gerät (1), einer Geometrie des robotischen Gerätes (1) am Kontaktpunkt, und einer räumlichen Randbedingung der Kollision; einem Bestimmen, unter Berücksichtigung der räumlichen Randbedingung, ob es sich bei der Kollision um eine klemmfreie Kollision oder eine klemmende Kollision handelt, durch eine Recheneinheit (4); einem Berechnen der zulässigen Maximalgeschwindigkeit des robotischen Gerätes (1) an dem Kontaktpunkt mit einem freier-Stoß-Modell, falls es sich bei der Kollision um eine klemmfreie Kollision handelt, und mit einem klemmender-Stoß-Modell oder mit einem quasistatische-Klemmung-Modell, falls es sich bei der Kollision um eine klemmende Kollision handelt, wobei die Modelle jeweils unterschiedliche Modelle sind, durch die Recheneinheit (4); und einem Ausgeben eines von der berechneten zulässigen Maximalgeschwindigkeit für das robotische Gerät (1) abhängigen Signals, durch die Recheneinheit (4) um die zulässige Maximalgeschwindigkeit des robotischen Gerätes (1), bei welcher die biomechanischen Grenzwerte zum Vermeiden von Verletzungen verlässlich eingehalten werden, auf möglichst effiziente Weise vorzugeben, um eine möglichst große zulässige Maximalgeschwindigkeit bestimmen zu können.

Description

Vorgeben einer zulässigen Maximalgeschwindigkeit eines robotischen Gerätes
Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Vorgeben einer zulässigen Maximalgeschwindigkeit eines robotischen Gerätes, sowie ein entsprechendes Steuergerät.
Zum Verhindern bzw. Reduzieren von Unfällen und Verletzungen an roboti- schen Geräten bedarf es einer Absicherung mechanischer Mensch-Maschine- Schnittstellen welche bewegte Teile aufweisen. Derartige Mensch-Maschine- Schnittstellen sind beispielsweise bei einem kollaborierenden robotischen Ge- rät/Roboter, einem sog. Cobot, vorhanden. Grundsätzlich besteht hier die Gefahr einer Verletzung durch eine Kollision der jeweiligen bewegten Teile des robotischen Geräts, der Maschine, und Körperteilen einer menschlichen Bedienperson, eines Benutzers. Das Risiko einer Verletzung bzw. eines Unfalls lässt sich dabei senken, indem die Leistungsfähigkeit des robotischen Gerätes soweit beschränkt wird, dass von dem Gerät keine Verletzungsgefahr oder nurmehr eine verminderte Verletzungsgefahr ausgeht.
Allgemein lässt sich eine Leistungsbeschränkung durch eine Kraft- und/oder Leistungsbegrenzung des robotischen Gerätes erreichen. Bekannte und beispielsweise in einschlägigen Normen quantifizierte biomechanische Grenzwerte geben entsprechend für abgesicherte Betriebsarten robotischer Geräte indirekt vor, wie stark die Leistung eines robotischen Gerätes, beispielsweise eine Geschwindigkeit sich bewegender Teile des robotischen Gerätes, zu beschränken ist, damit es bei einer Kollision mit einem Menschen nicht zu einer unzulässigen Überbeanspruchung des menschlichen Gewebes und in Folge zu einem Schmerzeintritt oder sogar zu einer Verletzung kommt.
Etabliert ist dabei heutzutage eine Validierung der Grenzwerte, d.h. deren Einhaltung, an dem robotischen Gerät durch physische Messungen. Nachteilig hieran ist, dass die entsprechenden Messungen erst nach Inbetriebnahme des robotischen Gerätes möglich sind und somit auch erst im Nachhinein maximal erreichbare Geschwindigkeits- oder Leistungsgrenzen feststehen. Daraus ergibt sich, dass entsprechende zulässige Steuersignale auch erst im Nachhinein erzeugt werden können, was zu langen Iterationsschleifen und einer großen Planungsunsicherheit führt.
Das theoretische Verständnis zum abstrakten Beurteilen einer Kollision zwischen einem Menschen und einem elastischen robotischen Gerät wurde maßgeblich durch den Artikel „Fast and „Soft Arm" Tactics" von Bicchi, A. et al, veröffentlicht in der IEEE Robot. Automat. Mag. 11(2), Seiten 22-33, aus dem Jahr 2004 beschrieben. Dort wird ein Kopfverletzungsrisiko unter Nutzung eines Drei-Massen-Schwinger-Modells vorgeschlagen. Allerdings ist das dortige Modell nur für harte Körperteile wie eben den Kopf geeignet. In dem Artikel „On Impact the Decoupling Properties of Elastic Robots and Time Optimal Velocity Maximization on Joint Level" von Haddadin S. et al., erschienen in Proceedings of 2012 IEEE/RSJ - International Conference on Intelligent Robots and Systems, S. 5089 bis 5096, wird ebenfalls ein Drei-Massen-Schwin- ger-Modell genutzt. Um ein Worst-Case-Szenario abzubilden, wird dort die Antriebsträgheit als unendliche Masse angesetzt, was jedoch zu deutlich überhöhten Kollisionskräften und damit zu in einem realistischen Szenario unnötig verringerten zulässigen Maximalgeschwindigkeiten führt.
Auch der Artikel „A New Approach to Estimate the Apparent Mass of Collaborative Robot Manipulators" von Herbster S. et al. in "Experimental Robotics", Cham: Springer International Publishing, S. 211-221, aus dem Jahr 2021 nutzt ein Drei-Massen-Schwinger-Modell. Dort wird unter der Annahme linearer Kennlinien eine analytische Lösung für eine sichere Geschwindigkeit, d. h. eine zulässige Maximalgeschwindigkeit beschrieben.
Es stellt sich somit die Aufgabe, eine zulässige Maximalgeschwindigkeit eines robotischen Gerätes, bei welcher die biomechanischen Grenzwerte zum Vermeiden von Verletzungen verlässlich eingehalten werden, auf möglichst effiziente Weise vorzugeben, um eine möglichst große zulässige Maximalgeschwindigkeit bestimmen zu können, insbesondere in Echtzeit-Anwendungen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Ein Aspekt betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Vorgeben einer zulässigen Maximalgeschwindigkeit eines robotischen Gerätes / für ein ro- botisches Gerät. Die Maximalgeschwindigkeit betrifft dabei insbesondere einen oder mehrere sich bei einer vorgegebenen Maschinenbahn oder Trajektorie des robotischen Gerätes zu jeweiligen Zeitpunkten mit der höchsten Geschwindigkeit aller Punkte auf der Oberfläche des robotischen Gerätes bewegenden Punkt. Bei dem robotischen Gerät kann es sich insbesondere um ein kollabora- tives robotisches Gerät, einen sogenannten Cobot, handeln. Allgemein kann das beschriebene Verfahren jedoch auf jegliche Maschinen mit physischen Schnittstellen zum Menschen angewandt werden. Ein Verfahrensschritt ist dabei ein Vorgeben zumindest eines Kontaktpunktes zwischen einer menschlichen Bedienperson und dem robotischen Gerät für eine Kollision zwischen menschlicher Bedienperson und robotischem Gerät, einer Geometrie des robotischen Gerätes am Kontaktpunkt sowie einer räumlichen Randbedingung der Kollision. Die Geometrie des robotischen Gerätes kann insbesondere Werkzeug- und/oder Werkstückdaten umfassen. Ein von dem robotischen Gerät genutztes Werkzeug oder von diesem bearbeitetes Werkstück kann somit als Teil des robotischen Gerätes betrachtet und berücksichtigt werden. Die Wahl des Kontaktpunktes zwischen dem Menschen und der Maschine, also der Bedienperson und dem robotischen Gerät, sowie der räumlichen Randbedingung, beispielsweise ob ein zu dem Kontaktpunkt gehöriges menschliches Körperteil eingeklemmt oder frei ist, kann manuell durch einen Nutzer erfolgen, oder auch (teil-)automatisiert. Durch den Nutzer oder die (teil-)automatisierte Eingabe können ein oder mehrere Kontaktpunkte für eine Kollision oder auch mehrere Kontaktszenarien mit jeweils zugeordneten Kollisionen von Bedienpersonen und robotischem Gerät vorgegeben sein. Die Wahl der zu einer Kollision gehörigen Geometrie des robotischen Gerätes kann beispielsweise anhand einer Liste durch den Nutzer manuell erfolgen oder automatisiert, beispielsweise basierend auf einem 3D-Modell des robotischen Gerätes, gegebenenfalls inklusive Werkzeug und Werkstück.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird durch eine Recheneinheit unter Berücksichtigung der vorgegebenen räumlichen Randbedingungen bestimmt, ob es sich bei der Kollision um eine klemmfreie Kollision oder eine klemmende Kollision handelt. Bei einer Kollision mit mehreren Kontaktpunkten kann es gegebenenfalls auch zu einer Kollision kommen, welche sowohl klemmfrei als auch klemmend ist. In diesem Fall kann die Kollision für das vorliegende Verfahren beispielsweise in zwei separate Unterkollisionen aufgeteilt werden, für welche dann das beschriebene Verfahren jeweils einzeln durchgeführt wird. Am Ende der jeweiligen einzelnen Verfahren können wie auch bei dem weiter unten erläuterten Vorgeben von einer zulässigen Maximalgeschwindigkeit für das robo- tische Gerät bei einer Mehrzahl von Kollisionen oder mehreren Kontaktpunkten die unterschiedlichen Ergebnisse für die zulässige Maximalgeschwindigkeit dann miteinander verglichen werden und eine geeignete, beispielsweise ge- ringste Maximalgeschwindigkeit als die zulässige Maximalgeschwindigkeit vorgegeben, das heißt berechnet und für das unten beschriebene Ausgeben werden.
Somit ist ein dann erfolgendes Berechnen der zulässigen Maximalgeschwindigkeit des robotischen Gerätes an dem Kontaktpunkt ein weiterer Verfahrensschritt. Dies erfolgt mittels eines Freier-Stoß-Modells, falls es sich bei der Kollision um eine klemmfreie Kollision handelt, und mit einem Klemmender-Stoß- Modell und/oder mit einem Quasi-Statische-Klemmung-Modell, falls es sich bei der Kollision um eine klemmende Kollision handelt. Die Modelle sind dabei jeweils unterschiedliche Modelle. Das Freie-Stoß-Modell kommt dabei bei einem „freien Stoß" zum Einsatz, d. h. einer vergleichsweise schnell erfolgenden Kollision, bei welcher dem Kontaktpunkt an dem menschlichen Körperteil bzw. dem zu dem Kontaktpunkt gehörigen menschlichen Körperteil in einer Kollisionsrichtung, einer Bewegungsrichtung des Kontaktpunktes an dem robotischen Gerät bei der Kollision, kein externer Widerstand entgegengesetzt wird, das menschliche Körperteil also ausweichen kann. Das Klemmender- Stoß-Modell betrifft ebenfalls eine vergleichsweise schnelle Kollision, bei welcher der dem Kontaktpunkt zugeordnete menschliche Körperteil jedoch nicht ausweichen kann, d. h. auf externen Widerstand trifft und somit eingeklemmt wird. Das Quasi-Stati- sche-Klemmung-Modell kommt nun bei im Vergleich zu den genannten schellen Kollisionen langsamen Kollisionen zum Einsatz, bei welchen dem Kontaktpunkt an dem menschlichen Körperteil bzw. dem zu dem Kontaktpunkt gehörigen menschlichen Körperteil in der Kollisionsrichtung ebenfalls ein externer Widerstand entgegengesetzt wird, das Körperteil also wie beim klemmenden Stoß nicht ausweichen kann.
Die unterschiedlichen Modelle sind dabei in der die zulässige Maximalgeschwindigkeit berechnenden Recheneinheit hinterlegt und können, wie weiter unten noch beschrieben, auf teilweise gleichen und teilweise verschiedenen Eingangsgrößen basierend, modellspezifisch jeweilige Maximalgeschwindigkeiten bestimmen. Ob es sich um eine vergleichsweise schnelle oder vergleichsweise langsame Kollision handelt, also ob das Klemmender-Stoß-Modell oder das Quasi-Statische-Klemmung-Modell angewandt werden soll, kann dabei beispielsweise durch entsprechend gesetzte Geschwindigkeits-Grenzwerte vorgegeben werden, alternativ oder ergänzen über ein Anwenden beider Modelle, d. h. durch ein getrenntes Simulieren der Kollision mittels zweier unterschiedlicher Simulationen und dem anschließenden Vergleich der Ergebnisse, jeweils resultierenden zulässigen Maximalgeschwindigkeiten. Von diesen kann beispielsweise die geringere für das weitere Verfahren ausgewählt werden.
Schließlich erfolgt ein Ausgeben eines von der berechneten, gegebenenfalls auch aus mehreren berechneten Maximalgeschwindigkeiten ausgewählten, zulässigen Maximalgeschwindigkeit für das robotische Gerät abhängigen, insbesondere die berechnete zulässige Maximalgeschwindigkeit repräsentierenden, Signals, eines Steuersignals, durch die Recheneinheit. Das Steuersignal kann dabei direkt ein von dem robotischen Gerät lesbares Steuersignal sein, alternativ auch ein Steuersignal, welches entsprechend einem menschlichen Nutzer des Verfahrens anzeigt, mit welcher Maximalgeschwindigkeit das robotische Gerät zu steuern ist, beispielsweise über eine Anzeigeeinheit. Entsprechend kann das computerimplementierte Verfahren als Programmablauf in einem virtuellen Planungstool, beispielsweise mit virtuellen robotischen Geräten, welche durch das Steuersignal virtuell gesteuert werden, implementiert werden, oder direkt in einem Steuergerät eines robotischen Gerätes. Die erforderlichen Daten bezüglich Werkzeug, Sicherheitskonfiguration, Beschreibung einer Kinematik, Masse, Trägheit, Schwerpunkt, Gelenken und entsprechenden Motoren sowie Drehmomenten des robotischen Geräts einerseits, sowie Grenzwerten, Steifigkeitskennlinien, und Massen der von der Kollision betroffenen Körperstelle sind dabei in entsprechenden Datenbanken hinterlegt und an das Verfahren bereitgestellt. Zu den benutzten Daten wird weiter unten noch genauer Stellung genommen. Das Signal kann auch ein Warnsignal sein, welches beispielsweise in einer Echtzeit-Anwendung auf eine im Vergleich zur zulässigen Maximalgeschwindigkeit überhöhten tatsächlichen Geschwindigkeit des robotischen Gerätes hinweist.
Für die Berechnung der zulässigen Maximalgeschwindigkeit greift das Verfahren somit auf Parameter zu, die in Datenbanken oder Modellen hinterlegt sind. Nach der abgeschlossenen Berechnung gibt das Verfahren, und somit der Algorithmus, eine sichere Geschwindigkeit, d. h. eine zulässige Maximalgeschwindigkeit für das robotische Gerät aus, bei welcher das betrachtete Maschinenteil, welches in die Kollision involviert ist, im Falle der betrachteten Kollision die hinterlegten und beispielsweise nach einer im Juli 2021 geltenden Norm wie der ISO/TS 15066 zulässigen biomechanischen Grenzwerte gerade nicht mehr überschreitet. Bei mehreren Paarungen aus Kontaktpunkten und Kontaktgeometrien bei einer oder mehreren Kollisionen kann die geringste der berechneten sicheren Geschwindigkeiten für das Ausgeben ausgewählt werden.
Gegenüber den bisherigen Ansätzen ergibt sich hier zunächst der Vorteil, dass der klemmende Stoß und die quasi-statische Klemmung in einem einheitlichen Ansatz kombiniert, aber doch individuell berücksichtigt werden. Somit kann sowohl für die verhältnismäßig langsamen als auch für die verhältnismäßig schnellen Kollisionen jeweils genau berechnet werden, welche Geschwindigkeit noch eine sichere Geschwindigkeit mit geringem Verletzungsrisiko ist.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Systemverhalten stark nichtlinear ist, also die Beschränkung auf ein einheitliches Modell für sämtliche Klemmungen, schnelle und langsame Klemmungen, klemmenden Stoß und quasi-statische Klemmung, für den jeweils anderen Fall stark von den realen Grenzwerten abweichende zulässige Maximalgeschwindigkeiten ergibt und somit höchst ungenau ist. Zusätzlich eignet sich das beschriebene Verfahren sowohl für die sogenannte Offline-(Planungs-)Berechnung als auch für die Echtzeit-Berechnung der jeweiligen zulässigen Maximalgeschwindigkeiten von Maschinen, insbesondere robotischen Geräten mit physischen Schnittstellen zum Menschen. Ein besonderes Beispiel sind hier kollaborierende robotische Geräte, welche mit Menschen interagieren und in der Betriebsart der Leistungs- und Kraftbegrenzung nach ISO/TS 15066 arbeiten. Mit dem beschriebenen Verfahren kann entsprechend das Einhalten der vorgegebenen Grenzwerte wie der bekannten biomechanischen Grenzwerte gewährleistet werden und somit das Risiko minimiert wird, dass Kollisionen bei der Bedienperson unzulässige Beanspruchungen, d. h. Schmerzen und/oder Verletzungen auslösen.
Mit dem genannten Verfahren können vorgegebene Trajektorien, genauer: die zulässigen Geschwindigkeiten bewegter Maschinenteile entlang einer vom robotischen Gerät durchlaufenen Maschinenbahn - der Trajektorie, optimiert cider validiert werden. Dabei können unterschiedliche räumliche Bedingungen und zeitliche Bedingungen der Kollision spezifisch adressiert werden, was die besondere Genauigkeit des Verfahrens zur Folge hat. Eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis ist daher, dass die Verwendung unterschiedlicher Modelle in der Gesamteffizienz günstiger ist als die Verwendung eines einzigen Modells, obwohl die initial erforderliche Konfiguration komplexer ist. Dabei können in dem Verfahren auch unterschiedliche Oberflächenformen am Kontaktpunkt des kollidierenden Maschinenteils inklusive Werkzeug und Werkstück berücksichtigt werden, sowie ebenfalls die nicht linearen Steifigkeitskennlinien am Kontaktpunkt sowohl für belastetes Weichgewebe der Bedienperson als auch für die Oberfläche der Maschine am Kontaktpunkt, welche sich bei einer Kollision unter Umständen ebenfalls verformt. Auch kann das Verfahren auf unterschiedliche Punkte entlang der Maschinenoberfläche inklusive Werkzeug und Werkstück angewandt werden, so dass eine besonders umfassende Abschätzung von Verletzungsrisiken und damit eine besonders zuverlässige Ermittlung der zulässigen Maximalgeschwindigkeit erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das ausgegebene Steuersignal eine ortsabhängige Geschwindigkeitsvorgabe entlang einer für das robotische Gerät vorgegebenen Maschinenbahn, einer Trajektorie des roboti- schen Gerätes oder einer oder mehrerer Teile des robotischen Gerätes, repräsentiert. Die Geschwindigkeitsvorgabe ist dabei dahingehend ortsabhängig, dass sie entlang der Maschinenbahn, und somit an unterschiedlichen Orten für die jeweiligen Maschinenteile des robotischen Gerätes vorgegeben ist. Insbesondere kann die ortsabhängige Geschwindigkeitsvorgabe mittels Skalieren einer ursprünglich für die vorgegebene Maschinenbahn vorgegebenen, bevorzugt ebenfalls ortsabhängigen, Geschwindigkeitsvorgabe in Abhängigkeit der berechneten Maximalgeschwindigkeit erzeugt werden. Es kann also eine ursprüngliche ortsabhängige Geschwindigkeitsvorgabe entlang einer Maschinenbahn, welche möglicherweise unsicher ist, ersetzt werden durch eine äquivalente ortsabhängige Geschwindigkeitsvorgabe, welche dafür sorgt, dass entlang der vorgegebenen Maschinenbahn eine sichere zulässige Maximalgeschwindigkeit vorgegeben ist.
Das Skalieren kann dabei ein gleichmäßiges, d. h. ortsunabhängiges Skalieren der vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit umfassen oder sein oder ein lokal an die vorgegebene Maschinenbahn angepasstes Skalieren sein. Bei dem gleichmäßigen Skalieren wird somit die vorgegebene zulässige Maximalge- schwindigkeit als Funktion des Ortes entlang der Maschinenbahn mit einem festen Faktor multipliziert, so dass eine sichere Geschwindigkeit, bei welcher entsprechend dem oben Beschriebenen Verletzungen ausgeschlossen werden können, an einem oder mehreren Geschwindgikeits-Extremata der ursprünglichen Geschwindigkeitsvorgabe nicht überschritten wird. Bei einem lokal an die vorgegebene Maschinenbahn angepassten Skalieren kann entsprechend für Teilstrecken der Maschinenbahn, in welcher die ursprüngliche Geschwindigkeitsvorgabe über einer sicheren Geschwindigkeit liegt, reduziert werden, und die Geschwindigkeit in Teilstrecken der Maschinenbahn, in welcher die ursprünglich vorgegebenen Geschwindigkeitsvorgaben unter einer ermittelten sicheren Maximalgeschwindigkeit liegt, angehoben werden. Dabei kann eine vorgegebene Prozessgeschwindigkeit für das robotische Gerät an einer oder mehreren Teilstrecken der Maschinenbahn berücksichtigt werden, insbesondere dahingehend, dass dort beispielsweise keine Anpassung der ursprünglich vorgegebenen Maximalgeschwindigkeitsvorgabe erfolgt. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn an solch einer Teilstrecke für den von dem robotischen Gerät vorgenommenen technischen Prozess eine aus Aspekten der Sicherheit zwar steigerbare, aber für den Prozess selbst erforderliche im Verhältnis zur berechneten zulässigen Maximalgeschwindigkeit geringe Geschwindigkeit notwendig ist. Das hat den Vorteil, dass der Gesamtablauf des robotischen Gerätes sicher optimiert, d. h. in seiner Geschwindigkeit gesteigert werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Berechnen der zulässigen Maximalgeschwindigkeit in Echtzeit erfolgt und das ausgegebene Steuersignal eine augenblickliche zulässige Maximalgeschwindigkeit für das robotische Gerät repräsentiert, so dass eine augenblickliche tatsächliche Geschwindigkeit des robotischen Geräts am vorgegebenen Kontaktpunkt an die augenblicklich zulässige Maximalgeschwindigkeit angepasst werden kann. Dies ist beispielsweise bei manuell oder teilautomatisiert gesteuerten Geräten vorteilhaft, bei welchen die augenblickliche Geschwindigkeit des robotischen Gerätes von einer Bedienperson gesteuert oder beeinflusst wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass, falls es sich bei der Kollision um eine klemmende Kollision handelt, die zulässige Maximalgeschwindigkeit mit dem Klemmender-Stoß-Modell und mit dem Quasi- Statische-Klemmung-Modell berechnet wird, und eine geringere der jeweils berechneten Maximalgeschwindigkeit als die zulässige Maximalgeschwindigkeit ausgewählt wird, von welcher das ausgegebene Signal abhängig ist. Das hat den Vorteil, dass implizit zwischen schnellerer und langsamerer Kollision unterschieden wird, also nicht von vornherein ein starrer und möglicherweise falscher Grenzwert festgegeben werden muss, sondern der jeweils sichereren Maximalgeschwindigkeit der Vorzug gegeben wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei dem Quasi-Statische-Klemmung-Modell die zulässige Maximalgeschwindigkeit berechnet wird in Abhängigkeit von: a) einem vorgegebene kinematischen Aufbau des robotischen Gerätes, b) einer Gelenkkonfiguration zum Zeitpunkt der Kollision, insbesondere mit einer Position von einer oder mehreren Achsen des robotischen Gerätes und den jeweiligen Achsen zugeordneten Geschwindigkeiten, c) einer Steifigkeitskennlinie einer menschlichen Körperstelle am Kontaktpunkt der Kollision, d) einer Steifigkeitskennlinie einer Maschinenstelle am Kontaktpunkt der Kollision, e) einer mit der Steifigkeitskennlinie der menschlichen Körperstelle und der Steifigkeitskennlinie der Maschinenstelle berechneten resultieren Steifigkeitskennlinie, f) einer vorgegebenen zugegebenen Maximaldeformation, insbesondere mit oder aus einem biomechanischen Kraftschwellwert und/oder einem Energieschwellwert und/oder einem Deformationsschwellwert, g) einer mit der Steifigkeitskennlinie der Maschinenstelle und der resultierenden Steifigkeitslinie berechneten zulässigen Eindringtiefe, h) einer Reaktionskraft des robotischen Gerätes, i) einem mit der Steifigkeitskennlinie der Maschinenstelle und der zulässigen Eindringtiefe berechneten Reaktionsweg des robotischen Geräts, j) einem mittels vorgegebener zulässiger Maximaldeformation und der Reaktionskraft berechneten zulässigen Bremsweg des robotischen Gerätes und k) einem tatsächlichen Bremsweg des robotischen Geräts. Der vorgegebene kinematische Aufbau des robotischen Gerätes gemäß a) beschreibt dabei die allgemeine Anordnung der Gelenke, beispielsweise als Dena- tiv-Hartenberg-Parameter. Die Gelenkkonfiguration zum Zeitpunkt der Kollision gemäß b) übergibt insbesondere Achspositionen und Achsgeschwindigkeiten des robotischen Gerätes durch eine entsprechende Steuereinheit des robotischen Gerätes oder ein virtuelles (offline) Planungstool, beispielsweise getriggert durch eine menschliche Eingabe, an das Verfahren bzw. den Algorithmus. Wird eine Trajektorie des robotischen Gerätes übergeben, so erfolgt entsprechend die Berechnung und Übergabe der Gelenkkonfigurationen für jeden einzelnen Zeitschritt. Entsprechend kann dann mit dem Verfahren für jeden Zeitschritt entlang der Trajektorie eine sichere Geschwindigkeit berechnet werden.
Die Steifigkeitskennlinie der menschlichen Körperstelle gemäß c) ist abhängig vom betroffenen Körperteil und der Geometrie der Maschine im Kontaktpunkt. Sie quantifiziert die Abhängigkeit einer bei der Kollision auf den Körperteil einwirkenden Kraft in Bezug auf die Deformation des betreffenden Körperteils und zeichnet sich in der Regel durch ein nichtlineares Verhalten aus. Dabei sind die Steifigkeitskennlinie des durch die Kollision betroffenen menschlichen Körperteils sowie die zugehörigen Grenzwerte beispielsweise einer tabellarischen Auflistung zu entnehmen, insbesondere der ISO/TS 15066, auf Basis eines Kontaktmodells, einer Simulation, zu ermitteln, oder experimentell zu bestimmen. Bekannte tabellarische Auflistungen umfassen beispielsweise das betroffene Körperteil sowie die Form der Geometrie des robotischen Gerätes im Kontaktpunkt. Kontaktmodelle hingegen können auf der Grundlage von spezifischen Materialparametern je Körperteil bzw. Kontaktpunkt am Körperteil und biomechanischen Grenzwerten eine kontaktgeometrie-abhängige Steifigkeitskennlinie sowie zugehörige Kraft- oder Energiegrenzwerte berechnen.
Ein Äquivalent zur Steifigkeit der menschlichen Körperstelle kann auch die Maschinenstelle am Kontaktpunkt gemäß d) aufweisen. Die entsprechende Steifigkeitskennlinie kann wie die Steifigkeitskennlinie der menschlichen Körperstelle durch einen Eintrag in einer Datenbank, eine Simulation oder experimentelle Daten gegeben sein. Auch sie kann ein nichtlineares Verhalten repräsentieren. Aus der Steifigkeitskennlinie der menschlichen Körperstelle gemäß c) und der Steifigkeitskennlinie einer Maschinenstelle am Kontaktpunkt gemäß d) resultiert eine wirksame Steifigkeitskennlinie gemäß e). Eine derartige resultierende Steifigkeitskennlinie ist beispielsweise in Fig. 2 dargestellt, und stellt allgemein einen Zusammenhang zwischen einer auf die menschliche Körperstelle am Kontaktpunkt bei Kollision mit der Maschinenstelle wirkenden Kraft und einer aus dieser Kraft resultierenden Deformation der menschlichen Körperstelle am Kontaktpunkt her. Überschreitet dabei die wirkende Kraft eine zulässige biomechanische Kontaktkraft, so wird auch die zulässige Eindringtiefe überschritten, was einen Schaden, sprich eine Verletzung an der menschlichen Körperstelle mit sich bringt.
Bei der vorgegebenen zulässigen Maximaldeformation gemäß f) als biomechanischen Grenzwert handelt es sich um einen Körperteil- und kontaktgeometrieabhängigen Grenzwert. Sie kann entsprechend mit oder als Kraftschwellwert/- grenzwert und/oder Energieschwellwert/-grenzwert und/oder Deformations- schwellwert/-grenzwert vorliegen. Dabei kann bei den jeweiligen Grenzwerten für Stoß- und Klemmlasten zwischen schnellen (transienten) und langsamen (quasi-statischen) Werten unterschieden werden. Für das Quasi-Statische- Klemmung-Modell sind dabei die quasi-statischen Angaben oder Werte relevant, für das Freier-Stoß-Modell oder Klemmender-Stoß-Modell die transienten Grenzwerte. Die unterschiedlichen Kraft-, Energie- oder Deformationsgrenzwerte lassen sich anhand der gegebenen Steifigkeitskennlinie der menschlichen Körperstelle ineinander umrechnen. Für diese Berechnung wird dabei der biomechanische Kraftgrenzwert benötigt, wie dies beispielsweise noch im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert wird.
Die zulässige Eindringtiefe gemäß g) kann aus dem biomechanischen Kraftgrenzwert und der resultierenden Steifigkeitskennlinie bestimmt werden. In Fig. 2 entspricht sie dem Schnittpunkt der zulässigen biomechanischen Kontakt - kraft mit der resultierenden Steifigkeitskennlinie. Die Reaktionskraft des robo- tischen Gerätes gemäß h) ist ein an dem robotischen Gerät einstellbarer Kraftgrenzwert, bei dessen Überschreiten das robotische Gerät einen Sicherheits- stop auslöst. Solch ein Sicherheitsstop umfasst in der Regel ein asynchrones Bremsen mit Maximalverzögerung aller Achsen, wobei keine Bahntreue gegeben ist. Eine beispielhafte Reaktionskraft ist auch in Fig. 2 eingezeichnet. Der einstellbare Kraftgrenzwert ist häufig für den Arbeitspunkt des robotischen Geräts über bestimmte Achsen einstellbar. Er kann auch als achsspezifische Kraft- oder Drehmomentengrenzwert einstellbar sein, welcher für die jeweiligen Antriebe des robotischen Geräts spezifisch angegeben ist. Die achsspezifischen Kraft- oder Drehmomentengrenzwerte lassen sich anhand der Achsposition, der Maschinenstelle am Kontaktpunkt, sprich dem Kontaktpunkt auf der Ma- schinenoberfläche, und der Kollisionsrichtung in einen allgemeinen Kraftgrenzwert umrechnen.
Der Kraftgrenzwert lässt sich dabei grundsätzlich für jede beliebige Maschinenstelle, d. h. für jeden beliebigen Kontaktpunkt auf der Oberfläche der Maschine definieren. Ein eingestellter Kraftgrenzwert an einer Maschinenstelle, z. B. einem Endeffektor eines robotischen Gerätes, kann grundsätzlich auf einen Kraft - grenzwert für eine andere beliebige Maschinenstelle umgerechnet werden. Achsspezifische Kraft- oder Drehmomentengrenzwerte wiederum müssen nicht für alle Achsen gegeben sein. Bei einer ungünstigen Achsstellung kann es in solch einem Fall vorkommen, dass das robotische Gerät die Kollision nicht erkennt. Dies ist der Fall, wenn keine der überwachten achsspezifischen Kräfte oder Drehmomente durch den Krafteintrag bei Kollision angesprochen wird. Häufig sind sowohl Kraftgrenzwerte für den Arbeitspunkt als auch achsspezifische Kraft- oder Drehmomentengrenzwerte, beides infolge allgemein als überwachter Grenzwert bezeichnet, an einem robotischen Gerät eingestellt, d. h. vorgegeben und aktiviert. In solche einem Fall ist der niedrigere der beiden resultierenden Grenzwerte für die weiteren Betrachtungen als Reaktionskraft an dem robotischen Gerät zu berücksichtigen.
Der berechnete Reaktionsweg des robotischen Gerätes gemäß i) kann sich aus der eingestellten Reaktionskraft am Arbeitspunkt der Maschine und der resultierenden Steifigkeitskennlinie ergeben. Der Schnittpunkt aus Grenzwert und Kennlinie entspricht dann der Länge des Reaktionsweges, wie es auch in Fig. 2 eingezeichnet ist. Der zulässige Bremsweg des robotischen Gerätes gemäß j) ergibt sich aus der zulässigen Eindringtiefe abzüglich des Reaktionsweges der Maschine. Ein beispielhafter zulässiger Bremsweg ist auch in Fig. 2 eingezeichnet. Falls die Reaktionskraft an dem robotischen Gerät größer ist als die zulässige Kontaktkraft an der jeweiligen Körperstelle, gibt es keine sichere Geschwindigkeit. Dann darf das robotische Gerät sich nicht bewegen, bis der betroffene Körperteil sich außerhalb des Gefahrenteils befindet. Bei einem Sicherheitsstopp führt ein robotisches Gerät in der Regel ein asynchrones Bremsen durch, bei welchem sämtliche Achsen maximal verzögert werden und ein Verlust an Bahntreue in Kauf genommen wird. Die Achsstellung des robotischen Geräts nach einem solchen Bremsvorgang errechnet sich dabei aus den Geschwindigkeiten der Achsen zum Zeitpunkt der Kollision, den Achspositionen, aus welchen sich die Ausladung bestimmen lässt, der Zusatzlast am Arbeitspunkt bzw. Werkzeug und dem zurückgelegten Bremswinkel. Der Bremswinkel ist dabei entweder Herstellerangaben zu entnehmen oder auf Basis der möglichen Verzögerung zu berechnen oder experimentell zu bestimmen. Die Verzögerung wiederum ergibt sich aus den in den Achsen zur Verfügung stehenden Kräften oder Drehmomenten und der Dynamik des als Maschinensystem betrachteten robotischen Gerätes. Bei einem bekannten kinematischen Aufbau lässt sich so für jeden beliebigen Punkt der Maschine, d. h. für jede Maschinenstelle als Kontaktpunkt der Kollision, der zurückgelegte Weg in Kollisionsrichtung berechnen, wobei die Wegdifferenz des Kollisionspunktes vor und nach Ende des Bremsvorgangs zu berücksichtigen ist. Dieser zurückgelegte Weg entspricht dann dem tatsächlichen Bremsweg der Maschine entsprechend k).
Die zulässige Maximalgeschwindigkeit kann in einer vorteilhaften Ausführungsform basierend auf der Reaktionskraft des robotischen Geräts iterativ ermittelt werden, bis der tatsächliche Bremsweg mit dem zulässigen Bremsweg übereinstimmt. Besonders geeignet ist hier ein Bisektions-Verfahren. Mit den geschilderten Größen lässt sich die zulässige Maximalgeschwindigkeit besonders zügig aufgrund weniger Iterationsschritte berechnen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass, falls die Kollision Kontaktpunkte an unterschiedlichen menschlichen Körperstellen betrifft, das ausgegebene Steuersignal von der zulässigen Maximalgeschwindigkeit abhängt, welche in Abhängigkeit der vorgegebenen zulässigen Maximaldeformation und der resultierenden Steifigkeitslinie dem kürzesten tatsächlichen Bremsweg entspricht. Dies muss nicht unbedingt die geringste zulässige Maximalgeschwindigkeit in den unterschiedlichen Kontaktpunkten sein. Das hat den Vorteil, dass Verletzungen besonders wirksam vermieden werden, da nicht die Maximalgeschwindigkeit an sich betrachtet wird, sondern die jeweiligen Kon- taktpunkte der Kol lision(en) hinsichtlich des erforderlichen Bremswegs bewertet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass, falls die Kollision Kontaktpunkte an unterschiedlichen Maschinenstellen betrifft, die zulässige Maximalgeschwindigkeit für alle Kontaktpunkte berechnet wird und das ausgegebene Steuersignal von der geringsten zulässigen Maximalgeschwindig- keit abhängt. Im Unterschied zu dem im letzten Absatz Geschriebenen hat sich nämlich für unterschiedliche Maschinenstellen herausgestellt, dass durchaus die Maximalgeschwindigkeit selbst und nicht der tatsächliche Bremsweg am besten zur Einhegung des Verletzungsrisikos geeignet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei dem Freier-Stoß-Modell und dem Klemmender-Stoß-Modell die zulässige Maximalgeschwindigkeit jeweils berechnet wird in Abhängigkeit von: a) dem vorgegebenen kinematischen Aufbau des robotischen Gerätes, b) der Gelenkkonfiguration zum Zeitpunkt der Kollision, insbesondere mit einer Position von einer oder mehreren Achsen des robotischen Gerätes und den jeweiligen Achsen zugeordneten Geschwindigkeiten, c) der Steifigkeitskennlinie der menschlichen Körperstelle am Kontaktpunkt der Kollision, d) der Steifigkeitskennlinien der Maschinenstelle am Kontaktpunkt der Kollision, e) der mit der Steifigkeitskennlinie der menschlichen Körperstelle und der Steifigkeitslinie der Maschinenstelle berechneten resultierenden Steifigkeitslinie, und f) der mit einem biomechanischen Kraftschwellwert und/oder einem biomechanischen Energieschwellwert vorgegebenen zulässigen Maximaldeformation.
Dabei entsprechen die genannten Größen den bereits oben für das Quasi-Sta- tische-Klemmung-Modell beschriebenen Größen.
Zusätzlich wird die zusätzliche Maximalgeschwindigkeit dabei in Abhängigkeit von: l) einer wirksamen Masse der Maschinenstelle am Kontaktpunkt der Kollision und m) einer wirksamen Steifigkeit des robotischen Geräts berechnet.
Nur bei dem Freier-Stoß-Modell wird die Maximalgeschwindigkeit auch in Abhängigkeit von: n) einer wirksamen Masse der menschlichen Körperstelle am Kontaktpunkt der Kollision berechnet.
Die wirksame Masse der Maschinenstelle gemäß I) erfolgt dabei nach Khatib O. und ergibt sich entsprechend dem Artikel „A Unified Approach for Motion and Force Control of Robotic Manipulators: The Operational Space Formulation", erschienen 1987 in IEEE Journal of Robotics and Automation 3(1), S. 43 bis 53, und dem 1995 erschienenen Aufsatz „Inertial Properties in Robotic Manipulation: An Object-Level Framework" in: The International Journal of Robotics Research 14(1), S. 19 - 36, wie folgt, nämlich aus: Der Anordnung der Maschinenteile zum Zeitpunkt der Kollision (der Achsstellung), den dynamischen Masseneigenschaften, dem kinematischen Aufbau des robotischen Geräts (der geometrischen Anordnungen der Achsen etc.), einer Kollisionsrichtung und einem Kollisionspunkt. Die dynamischen Masseneigenschaften des robotischen Geräts lassen sich ferner mit oder ohne Trägheit des Antriebs berechnen. Daraus ergibt sich entweder eine wirksame Masse des robotischen Gerätes ohne Berücksichtigung der Antriebsträgheit oder eine wirksame Masse des robotischen Geräts mit Berücksichtigung der Antriebsträgheit, und aus der Differenz beider wirksamer Massen die effektive Antriebsmasse. Dabei ist bei der Berechnung mit Berücksichtigung der Antriebsträgheit die Übersetzung der einzelnen Antriebe des robotischen Geräts zu berücksichtigen. Die Methode nach Khatib eignet sich insbesondere für die Berechnung einer seriellen Anordnung zueinander beweglicher Maschinenteile, beispielsweise der unterschiedlichen Ele- mente einer robotischen Kette in einem Knickarmroboter. Die Methode ist jedoch auch für parallele kinematische Ketten und Mischformen anwendbar.
Die wirksame Steifigkeit des robotischen Geräts n) kann nach J.-K. Salisbury, „Active stiffness control of a manipulator in cartesian coordinates", erschienen in den Proceedings of the Conference on Decision and Control including the Symposium on Adaptive Processes, pages 95-100, 1980, und A. Albu- Schäffer, M. Fischer, G. Schreiber, F. Schoeppe, and G. Hirzinger, "Soft robotics: what cartesian stiffness can obtain with passively compliant, uncoupled joints?", erschienen in den Proceedings of the 2004 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pages 3295-3301 vol.4, Sendai, Japan, February 2004, in Abhängigkeit von der Anordnung der Maschinenteile zum Zeitpunkt der Kollision, den Steifigkeiten der einzelnen Antriebsstränge, dem kinematischen Aufbau des robotischen Gerätes, der Kollisionsrichtung und dem Kollisionspunkt berechnet werden. Dort wird entsprechend einem Ersatzmodell, wie es entsprechend beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist, die wirksame Antriebsmasse elastisch mit der wirksamen Masse der Achsen gekoppelt. Die Steifigkeit zwischen diesen Massen ergibt dann die wirksame Steifigkeit.
Zur Bestimmung der Kräfte für die räumliche Bedingung eines freien Stoßes, einer klemmfreien Kollision, wird die wirksame Masse des Menschen gemäß n) benötigt. Die wirksame Masse des Menschen ist dabei entweder anhand eines dynamischen Massen-Modells des Menschen zu berechnen oder einer tabellarischen Auflistung zu entnehmen, beispielsweise der ISO/TS 15066. Dynamische Massen-Modelle berücksichtigen typischerweise die Körperhaltung (d. h. die Position der einzelnen Gelenke), dynamische Masseneigenschaften, wie sie beispielsweise von Geschlecht, Körpergröße und Gewicht abhängen, die Kollisionsrichtung und den Kollisionspunkt. Tabellarische Auflistungen umfassen typischerweise das betroffene Körpersegment und die Körperhaltung. Bei einem klemmenden Stoß kann der menschliche Körperteil, die menschliche Körperstelle, der wirkenden Kraft nicht ausweichen, also nicht zurückweichen. Entsprechend ist in einem Ersatzmodell die menschliche Körperstelle als fest eingespannt zu betrachten.
Mit den gegebenen Größen als Parameter lässt sich ein Simulationsmodell für das Freier-Stoß-Modell bzw. das Klemmender-Stoß-Modell aufbauen, wie es beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist. Entsprechend kann das Freier-Stoß-Modell ein Drei-Massen-Schwinger-Modell umfassen oder sein und/oder das Klem- mender-Stoß-Modell ein Zwei-Massen-Schwinger-Modell umfassen oder sein. Die Modelle eignen sich dazu, anhand der Kollisionsgeschwindigkeit auf einen Kraftverlauf im Kontaktpunkt zu schließen. Aus dem Kraftverlauf lassen sich übertragene Energie und Maximalkraft ermitteln, aus welchen wiederum über die resultierende Steifigkeitskennlinie auf zu erwartende Verletzungen rückgeschlossen werden kann und entsprechend eine sichere Geschwindigkeit als zulässige Maximalgeschwindigkeit vorgegeben wird.
Die Berechnung der sicheren Geschwindigkeit als zulässige Maximalgeschwindigkeit ist dabei analytisch möglich, falls die resultierende Steifigkeitskennlinie im Kontaktpunkt linear ist, und nur numerisch möglich, falls die resultierende Steifigkeitskennlinie im Kontaktpunkt nichtlinear ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, die resultierende Steifigkeitskennlinie am Schnittpunkt von Kennlinie und biomechanischem Kraftgrenzwert zu linearisieren, um das Verfahren zu beschleunigen. In diesem Fall kann beispielsweise auf Basis der analytischen Lösung eine erste Abschätzung der zulässigen Maximalgeschwindigkeit abgeleitet werden, welche dann als Anfangswert für einen numerischen Lösungsweg genutzt werden kann.
Hierbei ist anzumerken, dass bei einer transienten, also verhältnismäßig schnellen Kollision, die Antriebsregler des robotischen Geräts vernachlässigt werden können, da die Kollisionsdauer für die Steuerung in der Regel zu kurz ist, um eingreifen zu können. Entsprechend hat die eingestellte überwachte Reaktionskraft an der Maschine auf Stöße in der Regel keinen Einfluss. Es können bei Stößen meist auch biomechanische Grenzwerte eingehalten werden, die kleiner sind als die eingestellte überwachte Reaktionskraft des robotischen Gerätes.
Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Steuergerät zum Vorgeben einer zulässigen Maximalgeschwindigkeit eines robotischen Gerätes. Solch ein Steuergerät ist ausgestattet mit einer Erfassungseinheit zum Erfassen eines Kontaktpunktes zwischen einer menschlichen Bedienperson und dem robotischen Gerät für eine Kollision zwischen menschlicher Bedienperson und robotischem Gerät, zum Erfassen einer Geometrie des robotischen Geräts am Kontaktpunkt, und zum Erfassen einer räumlichen Randbedingung der Kollision. Weiterhin weist das Steuergerät eine Recheneinheit auf zum Bestimmen, unter Berücksichtigung der räumlichen Randbedingung, ob es sich bei der Kollision um eine klemmfreie Kollision oder eine klemmende Kollision handelt und zum Berechnen der zulässigen Maximalgeschwindigkeit des robotischen Gerätes an dem Kontaktpunkt mit einem Freier-Stoß-Modell, falls es sich bei der Kollision um eine klemmfreie Kollision handelt, und mit einem Klemmender-Stoß-Modell cider mit einem Quasi-Statische-Klemmung-Modell, falls es sich bei der Kollision um eine klemmende Kollision handelt. Die Modelle sind dabei jeweils unterschiedliche Modelle. Die Recheneinheit ist auch ausgebildet zum Ausgeben eines von der berechneten zulässigen Maximalgeschwindigkeit für das roboti- sche Gerät abhängigen Steuersignals. Ein weiterer Aspekt betrifft ein roboti- sches Gerät mit einem solchen Steuergerät.
Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des Steuergeräts und eines mit dem Steuergerät ausgestatteten robotischen Gerätes entsprechen dabei Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des beschriebenen Verfahrens.
Die vorstehend in der Beschreibung, auch im einleitenden Teil, genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
Anhand der in den nachfolgenden Figuren gezeigten schematischen Zeichnun- gen soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein beispielhaftes robotisches Gerät mit einer beispielhaften Ausführungsform eines Steuergeräts zum Vorgeben einer zulässigen Maxi- malgeschwindigkeit des robotischen Geräts;
Fig. 2 eine beispielhafte resultierende Steifigkeitskennlinie an einem Kontaktpunkt; und
Fig. 3 Ersatzmodelle für ein beispielhaftes Freier-Stoß-Modell und ein beispielhaftes Klemmender-Stoß-Modell.
In den unterschiedlichen Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein robotisches Gerät 1 mit einem Steuergerät 2 zum Vorgeben einer zulässigen Maximalgeschwindigkeit des robotischen Gerätes (1). Das Steuergerät 2 weist dabei eine Erfassungseinheit 3 zum Erfassen eines Kontaktpunktes zwischen einer menschlichen Bedienperson und dem robotischen Gerät 1 für eine Kollision zwischen menschlicher Bedienperson und robotischem Gerät 1, einer Geometrie des robotischen Gerätes am Kontaktpunkt, und einer räumlichen Randbedingung der Kollision auf. Im gezeigten Beispiel werden Kontaktpunkt a, räumliche Bedingung b und Geometrie c, die Kontaktgeometrie, durch einen Nutzer 5 des Steuergeräts 2 vorgegeben.
Das Steuergerät 2 weist auch eine Recheneinheit 4 zum Bestimmen, unter Berücksichtigung der räumlichen Randbedingung b der Kollision, ob es sich bei der Kollision um eine klemmfreie Kollision oder eine klemmende Kollision handelt auf, sowie zum Berechnen der zulässigen Maximalgeschwindigkeit des robotischen Gerätes 1 an dem Kontaktpunkt a mit einem Freier-Stoß-Modell, falls es sich bei der Kollision um eine klemmfreie Kollision, um ein Klemmender-Stoß- Modell oder mit einem Quasi-Statische Klemmung-Modell, falls es sich bei der Kollision um eine klemmende Kollision handelt. Die Modelle sind dabei jeweils unterschiedliche Modelle. Die Recheneinheit 4 ist dabei auch ausgebildet zum Ausgeben eines von der berechneten zulässigen Maximalgeschwindigkeit für das robotische Gerät 1 abhängigen Signals g.
Im gezeigten Beispiel ruft das Steuergerät 2 aus dem robotischen Gerät 1 für den Zeitpunkt der Kollision eine Gelenkkonfiguration d ab sowie Werkzeugdaten e, welche ein Werkzeug des robotischen Geräts 1 beschreiben. Überdies wird auch ein Momenten- oder Kraftschwellwert f aus dem robotischen Gerät abgerufen. Die Recheneinheit 4 ruft dabei im gezeigten Beispiel aus einer Maschinendatenbank 5 einen vorgegebenen kinematischen Aufbau des robotischen Gerätes 1 ab, sowie im gezeigten Beispiel auch weitere Daten des robotischen Gerätes wie Masse, Trägheit, Schwerpunkt für Gelenke und Motoren des robotischen Gerätes. Auch Drehmomentdaten werden hier abgerufen. Aus einer Modelldatenbank 6 und einer zugehörigen Biomechanik-Datenbank 7 werden entsprechend die hinterlegten Modelle, d. h. Freier-Stoß-Modell, Klem- mender-Stoß-Modell und Quasi-Statische-Klemmung-Modell nebst zugehörigen Werten wie Grenzwerten, Steifigkeitskennlinien und der Masse der von der Kollision betroffenen menschlichen Körperstelle abgerufen.
In Fig. 2 ist eine beispielhafte resultierende Steifigkeitskennlinie h als Funktion der Kraft F über der die Formation D eingezeichnet. Die zulässige Eindringtiefe x2 entspricht dabei der Deformation D am Schnittpunkt der zulässigen biomechanischen Kontaktkraft y2 mit der resultierenden Steifigkeitskennlinie h. Der Reaktionsweg xl des robotischen Gerätes ergibt sich aus der eingestellten Reaktionskraft yl des robotischen Gerätes und der resultierenden Steifigkeitskennlinie h. Der zulässige Bremsweg des robotischen Geräts ergibt sich wiederum aus der zulässigen Eindringtiefe x2 abzüglich des Reaktionsweges xl.
Fig. 3 zeigt ein Ersatzmodell für das Freier-Stoß-Modell bzw. das klemmender- Stoß-Modell. In beiden Fällen wird angenommen, dass sich das robotische Gerät 1 am Punkt der Kollision mit einer Kollisionsgeschwindigkeit vc bewegt. Dabei bewegt sich eine wirksame Antriebsmasse mo, gekoppelt über eine wirksame Steifigkeit CT des Antriebsstrangs mit einer wirksamen Masse der Achsen mi, welche wiederum über eine wirksame Steifigkeit CM an der Maschinenoberfläche eine Kontaktkraft F(t) überträgt. Die wirksamen Massen mo, mi können sich dabei um unterschiedliche Wegstrecken XD, XL bewegen.
Bei einem Drei-Massen-Schwinger-Modell, wie das in Fig. 3 rechts oben gezeigt ist, wird eine endliche wirksame Masse der Bedienperson mH über eine Steifig- keit CH des Menschen mit der Kontaktkraft F(t) gekoppelt. Entsprechend ist im gezeigten Beispiel das Freier-Stoß-Modell ein Drei-Massenschwinger-Modell mit den Massen ITID, mi_ und mH Im Fall eines geklemmten Stoßes wird die Bedienperson 5 wie in Fig. 3 rechts unten gezeigt, als unbeweglich angenommen. Die Steifigkeit CH des Menschen, welche ein Weichgewebe repräsentiert, nimmt somit die gesamte Kontaktkraft F(t) auf. Da in diesem Ansatz nur zwei Massen mo, mi betrachtet werden, ist das Geklemmter-Stoß-Modell ein Zwei-Massen- Schwinger-Modell.

Claims

23 Patentansprüche
1. Verfahren zum Vorgeben einer zulässigen Maximalgeschwindigkeit für ein robotisches Gerät (1), mit den Verfahrensschritten:
- Vorgeben eines Kontaktpunktes zwischen einer menschlichen Bedienperson und dem robotischen Gerät (1) für eine Kollision zwischen menschlicher Bedienperson und robotischem Gerät (1), einer Geometrie des robotischen Gerätes (1) am Kontaktpunkt, und einer räumlichen Randbedingung der Kollision;
- Bestimmen, unter Berücksichtigung der räumlichen Randbedingung, ob es sich bei der Kollision um eine klemmfreie Kollision oder eine klemmende Kollision handelt, durch eine Recheneinheit (4);
- Berechnen der zulässigen Maximalgeschwindigkeit des robotischen Gerätes (1) an dem Kontaktpunkt mit einem freier-Stoß-Modell, falls es sich bei der Kollision um eine klemmfreie Kollision handelt, und mit einem klemmender-Stoß-Modell oder mit einem quasistatische-Klem- mung-Modell, falls es sich bei der Kollision um eine klemmende Kollision handelt, wobei die Modelle jeweils unterschiedliche Modelle sind, durch die Recheneinheit (4);
- Ausgeben eines von der berechneten zulässigen Maximalgeschwindigkeit für das robotische Gerät (1) abhängigen Signals, durch die Recheneinheit (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgegebene Signal eine ortsabhängige Geschwindigkeitsvorgabe entlang einer für das robotische Gerät (1) vorgegebenen Maschinenbahn repräsentiert, welche insbesondere mittels Skalieren einer ursprünglich für die vorgegebene Maschinenbahn vorgegebenen Geschwindigkeitsvorgabe in Abhängigkeit der berechneten Maximalgeschwindigkeit erzeugt wird, wobei das Skalieren ein gleichmäßiges Skalieren oder ein lokal an die vorgegebene Maschinenbahn angepasstes Skalieren umfassen kann, bevorzugt unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Prozessgeschwindigkeit für das robotische Gerät (1) an einer oder mehreren Teilstrecken der Maschinenbahn.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der zulässigen Maximalgeschwindigkeit in Echtzeit erfolgt und das ausgegebene Signal eine augenblickliche zulässige Maximalgeschwindigkeit für das robotische Gerät (1) repräsentiert.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, falls es sich bei der Kollision um eine klemmende Kollision handelt, die zulässige Maximalgeschwindigkeit mit dem klemmender-Stoß-Modell und mit dem quasistatische-Klemmung-Modell berechnet wird, und die geringere der jeweils berechneten Maximalgeschwindigkeiten als die zulässige Maximalgeschwindigkeit für das Ausgeben ausgewählt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem quasistatische-Klemmung-Modell die zulässige Maximalgeschwindigkeit berechnet wird in Abhängigkeit von: a) einem vorgegebenen kinematischen Aufbau des robotischen Gerätes (1); b) einer Gelenkkonfiguration zum Zeitpunkt der Kollision, insbesondere mit einer Position von einer oder mehreren Achsen des robotischen Gerätes (1) und den jeweiligen Achsen zugeordneten Geschwindigkeiten; c) einer Steifigkeitskennlinie einer menschlichen Körperstelle am Kontaktpunkt der Kollision; d) einer Steifigkeitskennlinie einer Maschinenstelle am Kontaktpunkt der Kollision; e) einer mit der Steifigkeitskennlinie der menschlichen Körperstelle und der Steifigkeitskennlinie der Maschinenstelle berechneten resultierenden Steifigkeitskennlinie; f) einer vorgegebenen zulässigen Maximaldeformation, insbesondere mit einem Kraftschwellwert und/oder einem Energieschwellwert und/oder einem Deformationsschwellwert; g) einer mit der Steifigkeitskennlinie der Maschinenstelle und der resultierenden Steifigkeitskennlinie berechneten zulässigen Eindringtiefe; h) einer Reaktionskraft des robotischen Geräts (1); i) einem mit der Steifigkeitskennlinie der Maschinenstelle und der zulässigen Eindringtiefe berechneten Reaktionsweg des robotischen Geräts (1); j) einem mit der vorgegebenen zulässigen Maximaldeformation und der Reaktionskraft berechneten zulässigen Bremsweg des robotischen Geräts (1); und k) einem tatsächlichen Bremsweg des robotischen Geräts (1).
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zulässige Maximalgeschwindigkeit für das robotischen Gerät (1) iterativ ermittelt wird, insbesondere mittels eines Bisektions-Verfah- rens iterativ ermittelt wird, bis der tatsächliche Bremsweg mit dem zulässigen Bremsweg übereinstimmt.
7. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, falls die Kollision Kontaktpunkte an unterschiedlichen menschlichen Körperstellen betrifft, das ausgegebene Signal von der zulässigen Ma- ximalgeschwindigkeit abhängt, welche dem kürzesten tatsächlichen Bremsweg entspricht.
8. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, falls die Kollision Kontaktpunkte an unterschiedlichen Maschinenstel- len betrifft, die zulässige Maximalgeschwindigkeit für alle Kontaktpunkte berechnet wird und das ausgegebene Signal von der geringsten zulässigen Maximalgeschwindigkeit abhängt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem freier-Stoß-Modell und dem klemmender-Stoß-Modell die zulässige Maximalgeschwindigkeit jeweils berechnet wird in Abhängigkeit von: a) dem vorgegebenen kinematischen Aufbau des robotischen Gerätes (1); b) der Gelenkkonfiguration zum Zeitpunkt der Kollision, insbesondere mit einer Position von einer oder mehreren Achsen des robotischen Gerätes (1) und den jeweiligen Achsen zugeordneten Geschwindigkeiten; c) der Steifigkeitskennlinie der menschlichen Körperstelle am Kontaktpunkt der Kollision; d) der Steifigkeitskennlinie der Maschinenstelle am Kontaktpunkt der Kollision; e) der mit der Steifigkeitskennlinie der menschlichen Körperstelle und der Steifigkeitskennlinie der Maschinenstelle berechneten resultierenden Steifigkeitskennlinie; f) der mit einem Kraftschwellwert und/oder einem Energieschwellwert vorgegebenen zulässigen Maximaldeformation; 26 l) einer wirksamen Masse der Maschinenstelle am Kontaktpunkt der Kollision; m) einer wirksamen Steifigkeit des robotischen Geräts (1); und, nur bei dem freier- Stoß-Modell: n) einer wirksamen Masse der menschlichen Körperstelle am Kontaktpunkt der Kollision. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das freier-Stoß-Modell ein Drei-Massen-Schwinger-Modell umfasst cider ist und/oder das klemmender-Stoß-Modell ein Zwei-Massen- Schwinger-Modell umfasst oder ist. Steuergerät (2) zum Vorgeben einer zulässigen Maximalgeschwindigkeit eines robotischen Geräts (1), mit:
- einer Erfassungseinheit (3) zum Erfassen eines Kontaktpunktes zwischen einer menschlichen Bedienperson und dem robotischen Gerät (1) für eine Kollision zwischen menschlicher Bedienperson und roboti- schem Gerät (1), einer Geometrie des robotischen Gerätes (1) am Kontaktpunkt, und einer räumlichen Randbedingung der Kollision;
- einer Recheneinheit (4) zum Bestimmen, unter Berücksichtigung der räumlichen Randbedingung, ob es sich bei der Kollision um eine klemmfreie Kollision oder eine klemmende Kollision handelt, und zum Berechnen der zulässigen Maximalgeschwindigkeit des robotischen Gerätes (1) an dem Kontaktpunkt mit einem freier-Stoß-Modell, falls es sich bei der Kollision um eine klemmfreie Kollision handelt, und mit einem klemmender-Stoß-Modell oder mit einem quasistatische-Klem- mung-Modell, falls es sich bei der Kollision um eine klemmende Kollision handelt, wobei die Modelle jeweils unterschiedliche Modelle sind, sowie zum Ausgeben eines von der berechneten zulässigen Maximalgeschwindigkeit für das robotische Gerät (1) abhängigen Signals. Robotisches Gerät (1) mit einem Steuergerät (2) nach Anspruch 11.
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