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EP3993965A1 - Taktile rückmeldung eines endeffektors eines robotermanipulators über verschiedene orientierungsbereiche - Google Patents

Taktile rückmeldung eines endeffektors eines robotermanipulators über verschiedene orientierungsbereiche

Info

Publication number
EP3993965A1
EP3993965A1 EP20743973.8A EP20743973A EP3993965A1 EP 3993965 A1 EP3993965 A1 EP 3993965A1 EP 20743973 A EP20743973 A EP 20743973A EP 3993965 A1 EP3993965 A1 EP 3993965A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
end effector
robot manipulator
rotation
deflection
dependent resistance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20743973.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas SPENNINGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fr Administration GmbH
Original Assignee
Franka Emika GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Franka Emika GmbH filed Critical Franka Emika GmbH
Publication of EP3993965A1 publication Critical patent/EP3993965A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0081—Programme-controlled manipulators with leader teach-in means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1602—Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/02—Hand grip control means
    • B25J13/025—Hand grip control means comprising haptic means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0004—Braking devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1638—Programme controls characterised by the control loop compensation for arm bending/inertia, pay load weight/inertia
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1694—Programme controls characterised by use of sensors other than normal servo-feedback from position, speed or acceleration sensors, perception control, multi-sensor controlled systems, sensor fusion
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/42—Recording and playback systems, i.e. in which the programme is recorded from a cycle of operations, e.g. the cycle of operations being manually controlled, after which this record is played back on the same machine

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a robot manipulator during the manual guidance of the robot manipulator by a user, as well as a robot manipulator with a control unit, which is designed together with further elements of the robot manipulator to carry out this method.
  • the following information does not necessarily originate from the prior art, but rather represents general ideas and considerations:
  • a first aspect of the invention relates to a method for controlling a
  • Robot manipulator during the manual guidance of the robot manipulator by a user.
  • the robotic manipulator has a plurality of links connected to one another by joints and an end effector is connected to the distal member by another joint.
  • Actuators are arranged on all joints. The procedure has the following steps:
  • End effector is about a longitudinal axis of the end effector
  • Robot manipulator in particular by Flandkraft an external force on the
  • the first aspect of the invention relates in particular to the case that the user changes the orientation of an end effector of the robot manipulator by guiding it manually.
  • the robot manipulator is arranged on the distal link of the robot manipulator, that is to say at the free end of the robot manipulator, that is to say the end of the robot manipulator opposite the base of the robot manipulator.
  • the end effector is that element of the robot manipulator that comes into contact with a workpiece or with another object in the vicinity of the robot manipulator.
  • the robot manipulator is in particular an industrial robot which has several degrees of freedom due to several joints that connect the various members of the robot manipulator, in particular with regard to the end effector with respect to a fixed coordinate system.
  • the end effector is movably connected to the distal member by at least one further joint, the end effector being referred to as that end of the robot manipulator that is last connected to the rest by a joint and in particular also a corresponding actuator on this joint
  • Manipulator arm is connected.
  • all the joints of the robot manipulator have actuators that can be controlled by the control unit in order to achieve a To generate moment or a force between two members of the robot manipulator or between the distal member of the robot manipulator and the end effector.
  • the actuators are controlled by the control unit to compensate for a force of gravity acting on the robot manipulator, the actuators of the
  • Robot manipulator controlled so that in the event that no external force is exerted in particular by the user on the robot manipulator, apart from the
  • the robot manipulator does not move from a stationary pose. This is achieved in particular via a geometric model and a model of a mass distribution via the robot manipulator, which is dependent on the currently detected
  • Joint angles or another detected pose of the robot manipulator determines the current moments on the joints of the robot manipulator so that the influence of gravity is known and therefore it is also known which counter-torque is to be set on the actuators of the robot manipulator so that the
  • Robot manipulator not influenced by gravity moves.
  • the robot manipulator is therefore artificially put into weightlessness, so to speak, with an admittance control being active, so that the robot manipulator can still be moved by the user, in particular manually, in particular to position and position on the robot manipulator and in particular on the end effector of the robot manipulator
  • the position angle detection unit particularly includes all of them
  • Joint angle sensors including the joint between the distal limb and the end effector.
  • the joint angle sensors are used in particular to detect an angle between two respective links of the robot manipulator, so that at least one relative orientation of the end effector with respect to the distal link of the
  • Robot manipulator but preferably, in addition to the relative orientation, also an orientation of the end effector with respect to a fixed coordinate system.
  • a fixed coordinate system For the execution of the method it is irrelevant in which coordinate system the deflection or the angle of rotation are noted; because the notation of these quantities changes nothing in relation to these quantities.
  • Known angle systems can also be used, in particular cardan angles, Euler angles or, to avoid singularities, quaternions.
  • Robot manipulator are stretched to the maximum, and in particular by 180 ° are aligned with each other.
  • the longitudinal axis of the end effector also corresponds to the axis of rotation of the drill, for example when using a drill on the end effector.
  • the longitudinal axis of the end effector can be defined via an imaginary connecting line from a distal tip of the end effector to the joint which connects the end effector to the distal member.
  • a speed-dependent resistance is typically also referred to as damping.
  • damping In the first area when the user turns the end effector around its longitudinal axis, the user feels a speed-dependent movement
  • the areas are preferably defined via a zero position of the end effector, the zero position of the end effector preferably being predetermined with respect to the distal link of the robot manipulator or with respect to a direction defined in a global coordinate system that is fixed on the earth.
  • the second area is preferably defined relative to a zero position of the end effector, the zero position of the end effector being defined by the current alignment of its longitudinal axis fixed to the body compared to the original alignment of its longitudinal axis from which the end effector is deflected.
  • the original alignment of the longitudinal axis of the end effector is the one that coincides with the longitudinal axis of the end effector fixed to the body in a neutral position, in particular in the middle position, in particular aligned with a straight line defined by the links that arises when all the links are maximally stretched from one another, especially at 180 ° angle,
  • the longitudinal axis of the end effector is outside the second area in relation to the original alignment
  • the deflection of the end effector consists in that a body-fixed point of the end effector or an imaginary point outside the end effector which, however, is stationary relative to the end effector, remains in relation to the original alignment of the longitudinal axis during deflection, but the longitudinal axis of the end effector moves in a radial direction tilts away from the original alignment of the longitudinal axis.
  • the second end effector rotation therefore corresponds to a movement within an imaginary triangle; in the three-dimensional case, the second end effector rotation therefore corresponds to a movement within an imaginary cone.
  • the second end effector rotation is a rotary deflection of the end effector from its original alignment of the longitudinal axis, and in a second alternative the deflection from a vertical axis.
  • the deflection from a vertical axis In contrast to the original orientation of the Longitudinal axis of the end effector is defined as a vertical axis relative to the earth and describes a vertical axis in a fixed coordinate system, in the direction of which gravity acts.
  • Robot manipulator, the robot manipulator and in particular the end effector of the robot manipulator output intuitive feedback on the current orientation of the end effector.
  • predetermined limits become soft
  • the second end effector rotation is a rotational deflection of the end effector from the original longitudinal axis or a vertical axis in a predetermined plane.
  • the deflection takes place in one plane, it being possible for it to be open which reaction the end effector towards you
  • the predetermined plane is a vertical plane and the second end effector rotation is defined about a horizontal axis, the horizontal axis maintaining its orientation with respect to the earth-fixed environment of the robot manipulator even when the robot manipulator is rotated about a vertical axis.
  • the behavior of the first aspect of the invention in this plane can always be compared to a certain direction in an earth-fixed one Coordinate system can be guaranteed, with any options of the reaction of the end effector for other directions are open, in particular a blocking against a rotational deflection of the end effector relative to its originally aligned longitudinal axis.
  • the second end effector rotation is a rotational deflection of the end effector from the original longitudinal axis or a vertical axis in any deflection directions with a common pivot point.
  • the rotational symmetry axis of the cone corresponds to a vertical axis, the vertical axis coinciding with a direction of gravity. In both cases, there is the advantage that the rotational deflection of the end effector exhibits symmetrical behavior with respect to an infinite number of directions.
  • At least some of the actuators of the robot manipulator are controlled in such a way that when the end effector is manually guided, the end effector outside the first area and / or outside the second area opposes a speed-dependent resistance to manual guiding.
  • the end effector experiences manual guidance by a user in addition to the deflection-dependent or
  • the deflection-dependent resistance outside the second range is non-linear with respect to the deflection and / or the rotation angle-dependent resistance outside the first area is non-linear with the rotation angle. Due to the non-linear relationship between deflection or
  • a respective non-linear function between deflection and resistance and / or between angle of rotation and resistance is one of the following:
  • the upper limit which is not exceeded by the end effector with respect to the respective associated actuator torque, is advantageously exactly or slightly below the natural upper limit of the actuators of the robot manipulator or at least of the actuator that is arranged at the joint between the end effector and the distal member, with a natural upper limit for example, a maximum permissible torque on a transmission of the respective actuator or the maximum applicable torque from an actuator. In this way, overloading of the robot manipulator, in particular of a gear or an actuator or a structural component of the robot manipulator, is advantageously avoided.
  • the control of the at least one part of the actuators of the robot manipulator takes place by the control unit so that when manually guiding the end effector, the end effector within the second range of the second end effector rotation opposes a deflection-dependent resistance to manual guiding, the deflection-related resistance within the second range is less than half of the deflection-dependent resistance outside the second range per deflection.
  • the artificial spring within the second area in combination with the artificial damping according to the first aspect of the invention results in an artificial mass-spring-damper system which enables very intuitive behavior and at the same time allows the end effector to return to its own when the end effector is released Resting position, i.e. starting position and starting orientation, is made possible.
  • the at least one part of the actuators of the robot manipulator is controlled by the control unit in such a way that when the end effector is manually guided, the end effector within the first Area of the first end effector rotation opposes a rotation angle-dependent resistance to manual guidance, the rotation angle-dependent resistance within the first area being less than half the deflection-dependent resistance outside the first area per deflection.
  • the artificial spring within the first area in combination with the artificial damping according to the first aspect of the invention results in an artificial mass-spring-damper system which enables very intuitive behavior and at the same time allows the end effector to return to its own when the end effector is released Resting position, i.e. starting position and starting orientation, is made possible.
  • a further aspect of the invention relates to a robot manipulator which has a plurality of links connected to one another by joints, an end effector being connected to the distal member by a further joint, and actuators being arranged on all joints, further comprising a control unit and a
  • Position angle detection unit the control unit being designed to control the actuators to compensate for a force of gravity acting on the robot manipulator in such a way that the robot manipulator remains in the stationary pose without any external force, starting from a stationary pose without any acceleration, but can be guided manually for this purpose is performed, during manual guidance: to detect an orientation of the end effector relative to the distal member or relative to a fixed coordinate system, and wherein the control unit is designed to use at least part of the actuators of the based on the detected orientation of the end effector
  • End effector is about a longitudinal axis of the end effector
  • FIG. 1 shows a robot manipulator with a control unit for carrying out a
  • a control unit 7 is connected to the robot manipulator 1 and is used to control the actuators 5, in particular on the basis of the joint angles detected by a position angle detection unit 9.
  • the position angle detection unit 9 is formed by the entirety of the angle sensors, with at least one angle sensor being located on each joint.
  • the control unit 7 is used to carry out the method illustrated in FIG. 2 by controlling the at least some of the actuators 5. For this purpose, the control unit 7 controls the actuators 5 to compensate for a
  • the robot manipulator 1 acts on gravity in such a way that the robot manipulator 1 remains in the stationary pose without any external force, starting from a stationary pose without acceleration, but can be guided manually.
  • Position angle detection unit 9 determines an orientation of the end effector 3 with respect to a fixed-earth coordinate system during manual guidance.
  • the control unit 7 also controls on the basis of the detected orientation of the end effector 3 at least some of the actuators 5 of the robot manipulator 1 in such a way that when the end effector 3 is manually guided, the end effector 3: a) no or one
  • the first end effector rotation being a rotation of the
  • End effector 3 is about a longitudinal axis of the end effector 3, and
  • FIG. 2 shows a method for controlling a robot manipulator 1 while the robot manipulator 1 is being guided manually by a user. The method is carried out on a robot manipulator 1 according to FIG. 1.
  • Robot manipulator 1 has a multiplicity of links connected to one another by joints and an end effector 3 is connected to the distal link by a further joint, actuators 5 being arranged on all joints.
  • the procedure consists of the following steps:
  • End effector 3 about a longitudinal axis of the end effector 3, and b) none or one within a second range of a second end effector rotation
  • the second end effector rotation being a rotary deflection of the end effector 3 from its originally aligned longitudinal axis or a vertical axis.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Schritten: - Ansteuern (S1) von Aktuatoren (5) eines Robotermanipulators (1) zum Kompensieren von Schwerkrafteinfluss, - Während einem manuellen Führen des Robotermanipulators (1) : Erfassen (S2) einer Orientierung eines Endeffektors (3), - Ansteuern (S3) zumindest eines Teils der Aktuatoren (5) so, dass beim manuellen Führen des Endeffektors (3) der Endeffektor (3): a) innerhalb eines ersten Bereichs einer ersten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand und außerhalb des ersten Bereichs einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die erste Endeffektordrehung eine Drehung des Endeffektors (3) um seine Längsachse ist, und b) innerhalb eines zweiten Bereichs einer zweiten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand und außerhalb des zweiten Bereichs einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors (3) von seiner ursprünglichen Längsachse oder einer vertikalen Achse ist.

Description

Taktile Rückmeldung eines Endeffektors eines Robotermanipulators über verschiedene Orientierungsbereiche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Robotermanipulators während des manuellen Führens des Robotermanipulators durch einen Anwender, sowie einen Robotermanipulator mit einer Steuereinheit, die zusammen mit weiteren Elementen des Robotermanipulators zum Ausführen dieses Verfahrens ausgeführt ist. Die folgenden Informationen stammen nicht notwendigerweise aus vorbekanntem Stand der Technik, sondern stellen allgemeine Gedanken und Überlegungen dar:
Beim manuellen Führen eines Robotermanipulators kann es notwendig werden, eine Orientierung eines Endeffektors des Robotermanipulators zu begrenzen. Sollten beispielsweise beim Überschreiten eines vorgegebenen Bereichs mechanische Bremsen aktiviert werden, wird die Bewegung des Robotermanipulators auf nicht sehr intuitive Weise für den Anwender unterbrochen, sodass erst nach dem Lösen der mechanischen Bremsen das manuelle Führen fortgesetzt werden kann. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das manuelle Führen eines Robotermanipulators durch einen Anwender unter Berücksichtigung von Bereichen bzw. Grenzen in der Orientierung des Endeffektors des Robotermanipulators zu verbessern.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines
Robotermanipulators während des manuellen Führens des Robotermanipulators durch einen Anwender. Der Robotermanipulator weist eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern auf und ein Endeffektor ist durch ein weiteres Gelenk mit dem distalen Glied verbunden. An allen Gelenken sind Aktuatoren angeordnet. Das Verfahren weist hierbei die folgenden Schritte auf:
- Ansteuern der Aktuatoren zum Kompensieren einer auf den Robotermanipulator wirkenden Schwerkraft durch eine Steuereinheit, sodass der Robotermanipulator ohne externe Krafteinwirkung ausgehend von einer stationären Pose beschleunigungsfrei in der stationären Pose verbleibt aber manuell geführt werden kann, - Während des manuellen Führens: Erfassen einer Orientierung des Endeffektors gegenüber dem distalen Glied oder gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem durch eine Lagewinkelerfassungseinheit, und
- Ansteuern zumindest eines Teils der Aktuatoren des Robotermanipulators durch die Steuereinheit so, dass beim manuellen Führen des Endeffektors der Endeffektor:
a) innerhalb eines ersten Bereichs einer ersten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des ersten Bereichs einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die erste Endeffektordrehung eine Drehung des
Endeffektors um eine Längsachse des Endeffektors ist, und
b) innerhalb eines zweiten Bereichs einer zweiten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des zweiten Bereichs einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors von seiner ursprünglich ausgerichteten Längsachse oder einer vertikalen Achse ist.
Beim manuellen Führen eines Robotermanipulators bringt ein Anwender des
Robotermanipulators insbesondere durch Flandkraft eine externe Kraft auf den
Robotermanipulator auf. Dabei bezieht sich der erste Aspekt der Erfindung insbesondere auf den Fall, dass der Anwender einen Endeffektor des Robotermanipulators durch manuelles Führen in seiner Orientierung ändert. Der Endeffektor des
Robotermanipulators ist am distalen Glied des Robotermanipulators, das heißt am freien Ende des Robotermanipulators, das heißt das zur der Basis des Robotermanipulators gegenüberliegende Ende des Robotermanipulators, angeordnet. Der Endeffektor ist dasjenige Element des Robotermanipulators, das mit einem Werkstück oder mit einem anderen Objekt aus der Umgebung des Robotermanipulators in Kontakt tritt.
Der Robotermanipulator ist insbesondere ein Industrieroboter, der durch mehrere Gelenke, die die verschiedenen Glieder des Robotermanipulators verbinden, mehrere Freiheitsgrade aufweist, insbesondere bezüglich des Endeffektors gegenüber einem erfesten Koordinatensystem. Der Endeffektor ist beweglich durch zumindest ein weiteres Gelenk mit dem distalen Glied verbunden, wobei der Endeffektor als dasjenige Ende des Robotermanipulators bezeichnet wird, das als letztes durch ein Gelenk und insbesondere auch einen entsprechenden Aktuator an diesem Gelenk mit dem restlichen
Manipulatorarm verbunden ist. Somit weisen insbesondere sämtliche Gelenke des Robotermanipulators Aktuatoren auf, die von der Steuereinheit ansteuerbar sind, um ein Moment oder eine Kraft jeweils zwischen zwei Gliedern des Robotermanipulators bzw. zwischen dem distalen Glied des Robotermanipulators und dem Endeffektor zu erzeugen.
Beim Ansteuern der Aktuatoren zum Kompensieren einer auf den Robotermanipulator wirkenden Schwerkraft durch die Steuereinheit werden die Aktuatoren des
Robotermanipulators so angesteuert, dass im Fall, dass keine externe Kraft insbesondere vom Anwender auf den Robotermanipulator ausgeübt wird, abgesehen von der
Schwerkraft, der Robotermanipulator sich aus einer stationären Pose nicht bewegt. Dies wird insbesondere über ein geometrisches Modell und ein Modell einer Massenverteilung über den Robotermanipulator erreicht, welches abhängig von aktuell erfassten
Gelenkwinkeln oder einer anderweitig erfassten Pose des Robotermanipulators die aktuellen Momente auf die Gelenke des Robotermanipulators ermittelt, sodass der Schwerkrafteinfluss bekannt ist und daher auch bekannt ist, welches Gegenmoment an den Aktuatoren des Robotermanipulators einzustellen ist, sodass sich der
Robotermanipulator nicht durch Schwerkraft beeinflusst bewegt. Der Robotermanipulator wird daher sozusagen künstlich in Schwerelosigkeit versetzt, wobei insbesondere eine Admittanzregelung aktiv ist, sodass der Robotermanipulator durch den Anwender insbesondere manuell weiterhin bewegbar ist, insbesondere um am Robotermanipulator und insbesondere am Endeffektor des Robotermanipulators Positionen und
Orientierungen einzulernen.
Die Lagewinkelerfassungseinheit umfasst insbesondere die Gesamtheit aller
Gelenkwinkelsensoren, einschließlich des Gelenks zwischen dem distalen Glied und dem Endeffektor. Die Gelenkwinkelsensoren dienen insbesondere zum Erfassen eines Winkels zwischen zwei jeweiligen Gliedern des Robotermanipulators, sodass zumindest eine relative Orientierung des Endeffektors gegenüber dem distalen Glied des
Robotermanipulators, bevorzugt aber zusätzlich zu der relativen Orientierung auch eine Orientierung des Endeffektors gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem, bekannt ist. Für die Ausführung des Verfahrens ist es unerheblich, in welchem Koordinatensystem die Auslenkung oder der Drehwinkel notiert werden; denn die Notation dieser Größen ändert nichts am Bezug dieser Größen. Ferner können bekannte Winkel-Systeme verwendet werden, insbesondere Kardanwinkel, Eulerwinkel oder zur Vermeidung von Singularitäten Quaternionen.
Eine Längsachse des Endeffektors liegt insbesondere auf einer Geraden, die die Glieder des Robotermanipulators definieren, wenn alle Glieder und der Endeffektor des
Robotermanipulators maximal gestreckt sind, und dabei insbesondere jeweils um 180° zueinander ausgerichtet sind. Die Längsachse des Endeffektors entspricht ferner beispielsweise bei der Verwendung eines Bohrers am Endeffektor der Rotationsachse des Bohrers. Ferner kann die Längsachse des Endeffektors definiert werden über eine gedachte Verbindungslinie von einer distalen Spitze des Endeffektors zum Gelenk, das den Endeffektor mit dem distalen Glied verbindet.
Ein geschwindigkeitsabhängiger Widerstand wird typischerweise auch als Dämpfung bezeichnet. Im ersten Bereich bei einer Drehung des Endeffektors durch den Anwender um seine Längsachse spürt der Anwender eine geschwindigkeitsabhängige
Widerstandskraft, wohingegen der Anwender im zweiten Bereich einen
auslenkungsabhängigen Widerstand verspürt. Bevorzugt sind die Bereiche über eine Nulllage des Endeffektors definiert, wobei die Nulllage des Endeffektors bevorzugt gegenüber dem distalen Glied des Robotermanipulators oder gegenüber einer Richtung, definiert in einem erdfesten globalen Koordinatensystem, vorgegeben ist.
Ebenso wird der zweite Bereich bevorzugt relativ zu einer Nullstellung des Endeffektors definiert, wobei die Nullstellung des Endeffektors über die aktuelle Ausrichtung seiner körperfesten Längsachse gegenüber der ursprünglichen Ausrichtung seiner Längsachse definiert ist, von der der Endeffektor ausgelenkt wird. Die ursprüngliche Ausrichtung der Längsachse des Endeffektors ist dabei diejenige, die mit der körperfesten Längsachse des Endeffektors in einer neutralen Stellung, insbesondere Mittelstellung, insbesondere ausgerichtet an einer durch die Glieder definierten Geraden, die entsteht, wenn alle Glieder maximal voneinander gestreckt sind, insbesondere im 180° Winkel,
übereinstimmt. Dementsprechend wird außerhalb des zweiten Bereichs gegenüber der ursprünglichen Ausrichtung der Längsachse des Endeffektors ein
auslenkungsabhängiger Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt. Die
Auslenkung des Endeffektors besteht in diesem Fall darin, dass ein körperfester Punkt des Endeffektors oder ein gedachter Punkt außerhalb des Endeffektors, der jedoch relativ zum Endeffektor ortsfest ist, gegenüber der ursprünglichen Ausrichtung der Längsachse bei Auslenkung bleibt, die Längsachse des Endeffektors sich aber in radialer Richtung von der ursprünglichen Ausrichtung der Längsachse weg kippt. Im zweidimensionalen Fall entspricht die zweite Endeffektordrehung daher einer Bewegung innerhalb eines gedachten Dreiecks, im dreidimensionalen Fall entspricht die zweite Endeffektordrehung daher einer Bewegung innerhalb eines gedachten Kegels. Die zweite Endeffektordrehung ist in einer ersten Alternative eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors von seiner ursprünglich Ausrichtung der Längsachse, in einer zweiten Alternative die Auslenkung von einer vertikalen Achse. Im Gegensatz zur ursprünglichen Ausrichtung der Längsachse des Endeffektors ist eine vertikale Achse relativ zur Erde definiert und beschreibt in einem erdfesten Koordinatensystem eine Hochachse, in dessen Richtung die Schwerkraft wirkt.
Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass beim manuellen Führen des
Robotermanipulators der Robotermanipulator und insbesondere der Endeffektor des Robotermanipulators eine intuitive Rückmeldung zur gegenwärtigen Orientierung des Endeffektors ausgeben. Insbesondere werden vorgegebene Grenzen weich
implementiert, sodass der Anwender beim Führen des Endeffektors eine taktile
Rückmeldung mit weichen Übergängen und sofort verständlichen Reizen erhält.
Insbesondere dann, wenn der Endeffektor über die Grenze des ersten Bereichs bzw. des zweiten Bereichs ausgelenkt wird und dort eine künstliche Federkraft erfährt, hat dies zur Folge, dass beim Loslassen des Endeffektors außerhalb des ersten bzw. außerhalb des zweiten Bereichs der Endeffektor zurück in seine ursprüngliche Lage strebt, dabei kinetische Energie aufnimmt und beim Eintreten in den ersten Bereich bzw. in den zweiten Bereich durch die künstliche Dämpfung verlangsamt wird und verzögert zur Ausgangslage zurückkehrt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors von der ursprünglichen Längsachse oder einer vertikalen Achse in einer vorgegebenen Ebene. In diesem Fall erfolgt die Auslenkung gemäß dem Gedanken des ersten Aspekts der Erfindung in einer Ebene, wobei offenstehen kann, welche Reaktion der Endeffektor gegenüber einem
Orientierungswechsel des Endeffektors durch manuelles Führen in den anderen
Richtungen von der ursprünglichen Ausrichtung der Längsachse weg, das heißt außerhalb der vorgegebenen Ebene, ausführt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die vorgegebenen Ebene eine vertikale Ebene und die zweite Endeffektordrehung ist um eine horizontale Achse definiert, wobei die horizontale Achse auch bei einer Drehung des Robotermanipulators um eine vertikale Achse ihre Orientierung bezüglich der erdfesten Umgebung des Robotermanipulators beibehält. Insbesondere wenn die vorgegebene Ebene eine richtungsfeste vertikale Ebene ist, die sich zwar mit dem Endeffektor translatorisch mit bewegt, aber ihre Orientierung gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem invariant ist, kann das Verhalten des ersten Aspekts der Erfindung in dieser Ebene immer gegenüber einer bestimmten Richtung in einem erdfesten Koordinatensystem garantiert werden, wobei für andere Richtungen beliebige Optionen der Reaktion des Endeffektors offenstehen, insbesondere eine Sperrung gegenüber einer rotatorischen Auslenkung des Endeffektors gegenüber seiner ursprünglichen ausgerichteten Längsachse.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors von der ursprünglichen Längsachse oder einer vertikalen Achse in beliebige Auslenkungsrichtungen mit einem gemeinsamen Drehpunkt. Gemäß dieser Ausführungsform ergibt sich ein gedachter Kegel, der den ersten Bereich aufgespannt. Die rotatorische Auslenkung erfolgt dabei gegenüber der ursprünglich ausgerichteten Längsachse in einer beliebigen Richtung von dieser weg, jedoch mit einem gemeinsamen Rotationspunkt aller Auslenkungen auf der ursprünglich ausgerichteten Längsachse, die einer Rotationssymmetrieachse des Kegels entspricht. Alternativ dazu entspricht die Rotationssymmetrieachse des Kegels einer vertikalen Achse, wobei die vertikale Achse mit einer Schwerkraftrichtung übereinstimmt. In beiden Fällen ergibt sich der Vorteil, dass die rotatorische Auslenkung des Endeffektors symmetrisches Verhalten bezüglich einer unendlichen Vielzahl von Richtungen zeigt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ansteuern zumindest eines Teils der Aktuatoren des Robotermanipulators so, dass beim manuellen Führen des Endeffektors der Endeffektor außerhalb des ersten Bereichs und/oder außerhalb des zweiten Bereichs einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt. Gemäß dieser Ausführungsform erfährt der Endeffektor beim manuellen Führen durch einen Anwender zusätzlich zum auslenkungsabhängigen bzw.
drehwinkelabhängigen Widerstand des Endeffektors gegen eine Bewegung des
Anwenders einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand, sodass außerhalb des ersten Bereichs bzw. des zweiten Bereiches eine künstliche Feder und ein künstlicher Dämpfer wirken, welche in Kombination üblicherweise mit einem PD-Regler implementiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der auslenkungsabhängige Widerstand außerhalb des zweiten Bereiches nichtlinear zur Auslenkung und/oder der drehwinkelabhängige Widerstand außerhalb des ersten Bereiches nichtlinear zum Drehwinkel. Durch den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Auslenkung bzw.
Drehwinkel und dem jeweiligen Widerstand lassen sich vorteilhaft leichter vorgegebene Grenzen implementieren, insbesondere dann, wenn die Abbildung vom Drehwinkel bzw. der Auslenkung auf den jeweiligen Widerstand mit zunehmender Auslenkung bzw. mit zunehmenden Drehwinkel überproportional höhere Werte liefert. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine jeweilige nichtlineare Funktion zwischen Auslenkung und Widerstand und/oder zwischen Drehwinkel und Widerstand jeweils eine aus den folgenden:
- sigmoide Funktion,
- Polynomfunktion,
- trigonometrische Funktion,
- Exponentialfunktion,
- logarithmische Funktion.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform saturieren der
auslenkungsabhängige Widerstand und/oder der drehwinkelabhängige Widerstand jeweils an einer vorgegebenen Obergrenze. Die Obergrenze, die vom Endeffektor bezüglich des jeweiligen zugehörigen Aktuatormoments nicht überschritten wird, liegt vorteilhaft genau oder etwas unterhalb der natürlichen Obergrenze der Aktuatoren des Robotermanipulators oder zumindest des Aktuators, der am Gelenk zwischen dem Endeffektor und dem distalen Glied angeordnet ist, wobei eine natürliche Obergrenze beispielsweise ein höchst zulässiges Moment auf ein Getriebe des jeweiligen Aktuators oder das maximal aufbringbare Moment von einem Aktuator ist. Vorteilhaft wird so eine Überlastung des Robotermanipulators, insbesondere von einem Getriebe oder einem Aktuator oder einem Strukturbauteil des Robotermanipulators, vermieden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ansteuern des zumindest einen Teils der Aktuatoren des Robotermanipulators durch die Steuereinheit so, dass beim manuellen Führen des Endeffektors der Endeffektor innerhalb des zweiten Bereichs der zweiten Endeffektordrehung einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei der auslenkungsabhängige Widerstand innerhalb des zweiten Bereichs kleiner als die Hälfte des auslenkungsabhängigen Widerstands außerhalb des zweiten Bereichs je Auslenkung ist. Durch die künstliche Feder innerhalb des zweiten Bereichs in Kombination mit der künstlichen Dämpfung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ergibt sich ein künstliches Masse-Feder- Dämpfer-System, welches ein sehr intuitives Verhalten ermöglicht und gleichzeitig eine Rückkehr des Endeffektors beim Loslassen des Endeffektors in seine Ruhestellung, das heißt Ausgangsposition und Ausgangsorientierung, ermöglicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Ansteuern des zumindest einen Teils der Aktuatoren des Robotermanipulators durch die Steuereinheit so, dass beim manuellen Führen des Endeffektors der Endeffektor innerhalb des ersten Bereichs der ersten Endeffektordrehung einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei der drehwinkelabhängige Widerstand innerhalb des ersten Bereichs kleiner als die Hälfte des auslenkungsabhängigen Widerstands außerhalb des ersten Bereichs je Auslenkung ist. Durch die künstliche Feder innerhalb des ersten Bereichs in Kombination mit der künstlichen Dämpfung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ergibt sich ein künstliches Masse-Feder-Dämpfer-System, welches ein sehr intuitives Verhalten ermöglicht und gleichzeitig eine Rückkehr des Endeffektors beim Loslassen des Endeffektors in seine Ruhestellung, das heißt Ausgangsposition und Ausgangsorientierung, ermöglicht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Robotermanipulator, der eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist, wobei ein Endeffektor durch ein weiteres Gelenk mit dem distalen Glied verbunden ist, und an allen Gelenken Aktuatoren angeordnet sind, weiterhin aufweisend eine Steuereinheit und eine
Lagewinkelerfassungseinheit, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, die Aktuatoren zum Kompensieren einer auf den Robotermanipulator wirkenden Schwerkraft so anzusteuern, dass der Robotermanipulator ohne externe Krafteinwirkung ausgehend von einer stationären Pose beschleunigungsfrei in der stationären Pose verbleibt aber manuell geführt werden kann, und wobei die Lagewinkelerfassungseinheit dazu ausgeführt ist, während des manuellen Führens: eine Orientierung des Endeffektors gegenüber dem distalen Glied oder gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem zu erfassen, und wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, auf Basis der erfassten Orientierung des Endeffektors zumindest einen Teil der Aktuatoren des
Robotermanipulators so anzusteuern, dass beim manuellen Führen des Endeffektors der Endeffektor:
a) innerhalb eines ersten Bereichs einer ersten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des ersten Bereichs einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die erste Endeffektordrehung eine Drehung des
Endeffektors um eine Längsachse des Endeffektors ist, und
b) innerhalb eines zweiten Bereichs einer zweiten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des zweiten Bereichs einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors von seiner ursprünglich ausgerichteten Längsachse oder einer vertikalen Achse ist. Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Robotermanipulators ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren vorstehend gemachten Ausführungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Robotermanipulator mit einer Steuereinheit zum Ausführen eines
Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wie unter Fig. 2, und
Fig. 2 das Verfahren zum Ansteuern eines Robotermanipulators während des
manuellen Führens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Fig. 1 zeigt einen Robotermanipulator 1 , der eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist. Über ein weiteres Gelenk ist mit dem distalen Glied ein Endeffektor 3 verbunden. An allen Gelenken, einschließlich demjenigen, das das distale Glied mit dem Endeffektor 3 verbindet, sind Aktuatoren 5 angeordnet. Eine Steuereinheit 7 ist mit dem Robotermanipulator 1 verbunden, die zum Ansteuern der Aktuatoren 5 insbesondere auf Basis der von einer einer Lagewinkelerfassungseinheit 9 erfassten Gelenkwinkel dient. Die Lagewinkelerfassungseinheit 9 wird durch die Gesamtheit der Winkelsensoren gebildet, wobei sich an jedem Gelenk zumindest ein Winkelsensor befindet. Die Steuereinheit 7 dient dazu, das in Fig. 2 dargestellte Verfahren durch Ansteuerung der zumindest eines Teils der Aktuatoren 5 auszuführen. Zu diesem Zweck steuert die Steuereinheit 7 die Aktuatoren 5 zum Kompensieren einer auf den
Robotermanipulator 1 wirkenden Schwerkraft so an, dass der Robotermanipulator 1 ohne externe Krafteinwirkung ausgehend von einer stationären Pose beschleunigungsfrei in der stationären Pose verbleibt aber manuell geführt werden kann. Die
Lagewinkelerfassungseinheit 9 ermittelt dabei während des manuellen Führens eine Orientierung des Endeffektors 3 gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem. Die Steuereinheit 7 steuert ferner auf Basis der erfassten Orientierung des Endeffektors 3 zumindest einen Teil der Aktuatoren 5 des Robotermanipulators 1 so an, dass beim manuellen Führen des Endeffektors 3 der Endeffektor 3: a) innerhalb eines ersten Bereichs einer ersten Endeffektordrehung keinen oder einen
geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des ersten Bereichs einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die erste Endeffektordrehung eine Drehung des
Endeffektors 3 um eine Längsachse des Endeffektors 3 ist, und
b) innerhalb eines zweiten Bereichs einer zweiten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des zweiten Bereichs einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors 3 von einer vertikalen Achse in beliebige
Auslenkungsrichtungen ist, wobei alle Auslenkungen einen gemeinsamen Drehpunkt auf der ursprünglich ausgerichteten Längsachse des Endeffektors 3 aufweisen. Die drehwinkelabhängige Auslenkung ist dabei durch einen gebogenen Pfeil in der Fig. 1 symbolisiert, und der sich ergebende Kegel um eine vertikale Achse durch ein
gestricheltes Dreieck in der Fig. 1 symbolisiert ist.
Fig. 2 zeigt ein Verfahren zum Ansteuern eines Robotermanipulators 1 während des manuellen Führens des Robotermanipulators 1 durch einen Anwender. Das Verfahren wird dabei auf einem Robotermanipulator 1 nach Fig. 1 ausgeführt. Der
Robotermanipulator 1 weist eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern auf und ein Endeffektor 3 ist durch ein weiteres Gelenk mit dem distalen Glied verbunden, wobei an allen Gelenken Aktuatoren 5 angeordnet sind. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Ansteuern S1 der Aktuatoren 5 zum Kompensieren einer auf den Robotermanipulator 1 wirkenden Schwerkraft durch eine Steuereinheit 7, sodass der Robotermanipulator 1 ohne externe Krafteinwirkung ausgehend von einer stationären Pose beschleunigungsfrei in der stationären Pose verbleibt aber manuell geführt werden kann,
- Während des manuellen Führens: Erfassen S2 einer Orientierung des Endeffektors 3 gegenüber dem distalen Glied oder gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem durch eine Lagewinkelerfassungseinheit 9, und
- Ansteuern S3 zumindest eines Teils der Aktuatoren 5 des Robotermanipulators 1 durch die Steuereinheit 7 so, dass beim manuellen Führen des Endeffektors 3 der Endeffektor 3: a) innerhalb eines ersten Bereichs einer ersten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des ersten Bereichs einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die erste Endeffektordrehung eine Drehung des
Endeffektors 3 um eine Längsachse des Endeffektors 3 ist, und b) innerhalb eines zweiten Bereichs einer zweiten Endeffektordrehung keinen oder einen
geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt und außerhalb des zweiten Bereichs einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors 3 von seiner ursprünglich ausgerichteten Längsachse oder einer vertikalen Achse 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 Endeffektor
5 Aktuatoren
7 Steuereinheit
9 Lagewinkelerfassungseinheit S1 Ansteuern
52 Erfassen
53 Ansteuern

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ansteuern eines Robotermanipulators (1 ) während des manuellen Führens des Robotermanipulators (1 ) durch einen Anwender, wobei der
Robotermanipulator (1 ) eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist und ein Endeffektor (3) durch ein weiteres Gelenk mit dem distalen Glied verbunden ist, und wobei an allen Gelenken Aktuatoren (5) angeordnet sind, aufweisend die Schritte:
- Ansteuern (S1 ) der Aktuatoren (5) zum Kompensieren einer auf den
Robotermanipulator (1 ) wirkenden Schwerkraft durch eine Steuereinheit (7), sodass der Robotermanipulator (1 ) ohne externe Krafteinwirkung ausgehend von einer stationären Pose beschleunigungsfrei in der stationären Pose verbleibt aber manuell geführt werden kann,
- Während des manuellen Führens: Erfassen (S2) einer Orientierung des
Endeffektors (3) gegenüber dem distalen Glied oder gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem durch eine Lagewinkelerfassungseinheit (9), und
- Ansteuern (S3) zumindest eines Teils der Aktuatoren (5) des Robotermanipulators (1 ) durch die Steuereinheit (7) so, dass beim manuellen Führen des Endeffektors (3) der Endeffektor (3):
a) innerhalb eines ersten Bereichs einer ersten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen
entgegensetzt und außerhalb des ersten Bereichs einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die erste
Endeffektordrehung eine Drehung des Endeffektors (3) um eine Längsachse des
Endeffektors (3) ist, und
b) innerhalb eines zweiten Bereichs einer zweiten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen
entgegensetzt und außerhalb des zweiten Bereichs einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die zweite
Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors (3) von seiner ursprünglich ausgerichteten Längsachse oder einer vertikalen Achse ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des
Endeffektors (3) von der ursprünglichen Längsachse oder einer vertikalen Achse in einer vorgegebenen Ebene ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
wobei die vorgegebenen Ebene eine vertikale Ebene ist und die zweite
Endeffektordrehung um eine horizontale Achse definiert ist, wobei die horizontale Achse auch bei einer Drehung des Robotermanipulators (1 ) um eine vertikale
Achse ihre Orientierung bezüglich der erdfesten Umgebung des
Robotermanipulators (1 ) beibehält.
4. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des
Endeffektors (3) von der ursprünglichen Längsachse oder einer vertikalen Achse in beliebige Auslenkungsrichtungen mit einem gemeinsamen Drehpunkt ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Ansteuern zumindest eines Teils der Aktuatoren (5) des
Robotermanipulators (1 ) so erfolgt, dass beim manuellen Führen des Endeffektors (3) der Endeffektor (3) außerhalb des ersten Bereichs und/oder außerhalb des zweiten Bereichs einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der auslenkungsabhängige Widerstand außerhalb des zweiten Bereiches nichtlinear zur Auslenkung und/oder der drehwinkelabhängige Widerstand außerhalb des ersten Bereiches nichtlinear zum Drehwinkel ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei eine jeweilige nichtlineare Funktion zwischen Auslenkung und Widerstand und/oder zwischen Drehwinkel und Widerstand jeweils eine aus den folgenden ist:
- sigmoide Funktion,
- Polynomfunktion,
- trigonometrische Funktion,
- Exponentialfunktion,
- logarithmische Funktion.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der auslenkungsabhängige Widerstand und/oder der drehwinkelabhängige Widerstand jeweils an einer vorgegebenen Obergrenze saturieren.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Ansteuern des zumindest einen Teils der Aktuatoren (5) des
Robotermanipulators (1 ) durch die Steuereinheit (7) so erfolgt, dass beim
manuellen Führen des Endeffektors (3) der Endeffektor (3) innerhalb des zweiten
Bereichs der zweiten Endeffektordrehung einen auslenkungsabhängigen
Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei der
auslenkungsabhängige Widerstand innerhalb des zweiten Bereichs kleiner als die Hälfte des auslenkungsabhängigen Widerstands außerhalb des zweiten Bereichs je Auslenkung ist.
10. Robotermanipulator (1 ), der eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander
verbundenen Gliedern aufweist, wobei ein Endeffektor (3) durch ein weiteres Gelenk mit dem distalen Glied verbunden ist, und wobei an allen Gelenken
Aktuatoren (5) angeordnet sind, weiterhin aufweisend eine Steuereinheit (7) und eine Lagewinkelerfassungseinheit (9), wobei die Steuereinheit (7) dazu ausgeführt ist, die Aktuatoren (5) zum Kompensieren einer auf den Robotermanipulator (1 ) wirkenden Schwerkraft so anzusteuern, dass der Robotermanipulator (1 ) ohne externe Krafteinwirkung ausgehend von einer stationären Pose beschleunigungsfrei in der stationären Pose verbleibt aber manuell geführt werden kann, und wobei die Lagewinkelerfassungseinheit (9) dazu ausgeführt ist, während des manuellen Führens eine Orientierung des Endeffektors (3) gegenüber dem distalen Glied oder gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem zu erfassen, und wobei die
Steuereinheit (7) dazu ausgeführt ist, auf Basis der erfassten Orientierung des Endeffektors (3) zumindest einen Teil der Aktuatoren (5) des Robotermanipulators (1 ) so anzusteuern, dass beim manuellen Führen des Endeffektors (3) der
Endeffektor (3):
a) innerhalb eines ersten Bereichs einer ersten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen
entgegensetzt und außerhalb des ersten Bereichs einen drehwinkelabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die erste
Endeffektordrehung eine Drehung des Endeffektors (3) um eine Längsachse des Endeffektors (3) ist, und
b) innerhalb eines zweiten Bereichs einer zweiten Endeffektordrehung keinen oder einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen
entgegensetzt und außerhalb des zweiten Bereichs einen auslenkungsabhängigen Widerstand dem manuellen Führen entgegensetzt, wobei die zweite Endeffektordrehung eine rotatorische Auslenkung des Endeffektors (3) von seiner ursprünglich ausgerichteten Längsachse oder einer vertikalen Achse ist.
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