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WO2020221507A1 - Force which can be generated depending on the measurement range of a torque sensor of a robotic manipulator - Google Patents

Force which can be generated depending on the measurement range of a torque sensor of a robotic manipulator Download PDF

Info

Publication number
WO2020221507A1
WO2020221507A1 PCT/EP2020/057581 EP2020057581W WO2020221507A1 WO 2020221507 A1 WO2020221507 A1 WO 2020221507A1 EP 2020057581 W EP2020057581 W EP 2020057581W WO 2020221507 A1 WO2020221507 A1 WO 2020221507A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
torque sensor
joint
component
computing unit
torque
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/057581
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas SPENNINGER
Marco Morganti
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 WO2020221507A1 publication Critical patent/WO2020221507A1/en

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
    • B25J9/16—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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1674—Programme controls characterised by safety, monitoring, diagnostic
    • B25J9/1676—Avoiding collision or forbidden zones
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37522—Determine validity of measured signals
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37543—Set, compare to maximum, peak, minimum value
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40599—Force, torque sensor integrated in joint

Definitions

  • the invention relates to a robot system having a robot manipulator, a computing unit and a display unit for displaying a force or a moment, a method for operating a robot manipulator and a method for predictive operation of a robot manipulator.
  • the object of the invention is to inform a user as intuitively as possible when operating a robot manipulator to what extent the application initiated by the user can be carried out with regard to a force or a moment so that the respective measuring range of at least one torque sensor arranged on a respective joint of the robot manipulator is not exceeded.
  • a first aspect of the invention relates to a robot system comprising a
  • Robot manipulator a computing unit and a display unit
  • Robot manipulator has a plurality of links connected to one another by joints and the joints each have a torque sensor and a position sensor, the respective torque sensor having a measuring range with a lower limit and an upper limit and for detecting a respective moment and for transmitting the respective moment to the Computing unit is executed and the respective position sensor for detecting a respective joint angle and for
  • Transmission of the respective joint angle is carried out to the computing unit, the computing unit being designed to be based on at least one selected torque sensor
  • the computing unit is designed to transmit the at least one component of the external power winch to the display unit to transmit visual output.
  • the joints of the robot manipulator preferably have electric motors as
  • Actuators for moving the limbs around the respective joints can serve as torque sensors in that, in particular, the electrical current intensity is measured in a respective one of the motors, or alternatively, a mechanical torque sensor is arranged on the respective one of the joints.
  • a mechanical torque sensor in particular an expansion of a reversibly elastic material is detected, for example in the spokes of the respective torque sensor, it being possible to infer an applied torque from knowledge of the material constants.
  • all torque sensors known in the prior art can be used. The selected
  • the torque sensor is any of the torque sensors, in particular a torque sensor specially selected by the user.
  • the selected torque sensor is preferably a predefined one or a plurality of predefined ones, in particular all of the torque sensors.
  • the torque detected at the selected torque sensor is typically composed of a large number of causes.
  • a first part of the moment results from the kinematic forces and moments, in particular the Coriolis acceleration and the centrifugal acceleration during the moving operation of the robot manipulator.
  • Another part of the recorded moment is attributable to the influence of gravity and yet another part of an externally applied force or an externally applied moment as caused by contact forces.
  • each of the torque sensors has a limited measuring range, only torques between a lower limit and an upper limit can be detected by the respective torque sensor. Is already through the influence of the on the limbs of the
  • Robot manipulator acting gravity acts on the selected torque sensor with a certain static moment, a moment not equal to zero is generally recorded in the selected torque sensor, and depending on the installation direction and the definition of the sign, either the upper limit or the lower limit of the measuring range of the selected torque sensor is brought closer. So it can no longer in both directions in the degree of freedom of the joint on which the selected torque sensor is arranged, an equally high additional torque can be detected until the upper or lower limit is reached.
  • This reduced detectable torque on the torque sensor itself can on the one hand be output itself, but according to the invention a force or torque assigned to this possible additional torque is determined from an external force winder that can still be applied for a reference point on the robot manipulator.
  • the arithmetic unit is preferably designed to determine at least one component of such an external power winch. Furthermore, all components of the external power winder are preferably determined by the computing unit, the external power winder in particular having six components, the first three of which
  • Components specify forces in a Cartesian coordinate system and of which the other three components are moments about the axes of the Cartesian
  • a relative position vector between the selected torque sensor and the reference point can be determined.
  • the Jacobi matrix can be determined from this relative position.
  • the pseudo inverse (instead of the inverse itself) of the Jacobi matrix is particularly necessary when the
  • the robot manipulator is a redundant manipulator, that is to say that at least two of the joints connecting the links are redundant to one another
  • the Jacobian matrix basically links the angular speeds at the joints to the translational and rotational speed at any point, in particular the end effector of the robot manipulator. In principle, however, it is irrelevant whether speeds are actually considered; so can the
  • Jacobian matrix can also be used for the relationship between the moments at the joints and the forces and moments at the reference point.
  • An external power winder always has a reference point.
  • the reference point directly determines the components of the Jacobian matrix.
  • the reference point is preferably related to an end effector coordinate system, in particular its origin.
  • An origin of an end effector coordinate system as a reference point has the particular advantage that the at least one component of the external power winch is determined with reference to the end effector.
  • the display unit is preferably a screen that is connected to the computing unit of the
  • Robot manipulator is connected. At least one function of the robot manipulator can preferably be set and activated via this screen.
  • the screen can be arranged next to the robot manipulator, or on the
  • Robot manipulator be arranged itself.
  • the computing unit is designed to, in addition to the at least one component of the external power winch, at least one of the following variables for the selected joint or the
  • the computing unit is designed to transmit an amount of the at least one component of the external power winch to the display unit for visual output.
  • only an amount of the at least one component of the external power winch is transmitted to the display unit for display.
  • the amount of the at least one component is preferably represented by an extension of a symbol or, alternatively, preferably by a color-varying display of a symbol, the color value in particular correlating with an amount of the at least one component.
  • the computing unit is designed to orient the at least one component of the external
  • an orientation that is to say one, is advantageous in addition to the amount of at least one component of the external power winch
  • Display unit displayed.
  • the direction or the orientation of the is preferred at least one component represented symbolically, for example in the form of a compass needle, an arrow, or another symbol suitable for this.
  • the computing unit is designed to convert the theoretically determined torque at the selected torque sensor by means of the joint angles determined between the selected torque sensor and the specified reference point on the robot manipulator and by means of
  • the expected moment can also be estimated. This is preferably done on the basis of the known effects of gravity, Coriolis accelerations, centrifugal forces and other known influences on the robot manipulator explained above. By adding together known or expected influences, future influences can also be taken into account, so that not only current remaining components of the external power winch can be determined, as is the case when measuring the moments in the joints, but also future ones remaining components of the external
  • the reference point of the external power winch is a distal end of the robot manipulator.
  • Robot manipulator is an end effector of the robot manipulator.
  • the at least one selected torque sensor is designed to transmit the lower limit and the upper limit of its measuring range to the computing unit.
  • the lower limit and the upper limit of the measuring range of the at least one selected torque sensor are stored in the computing unit.
  • the display unit is designed to display an orientation of the at least one component of the power winch by aligning a symbol displayed on the display unit.
  • Another aspect of the invention relates to a method for operating a
  • Robot manipulator the robot manipulator having a plurality of links connected to one another by joints and the joints each having one
  • Another aspect of the invention relates to a method for predictive operation of a robot manipulator with a plurality of joints with one another
  • the at least one component indicates which force and / or which moment can be applied to the reference point without the moment detected at the torque sensor of the selected joint reaching the lower limit or the upper limit
  • FIG. 1 shows a robot system according to an embodiment of the invention
  • FIG 3 shows a method according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a robot system 1 comprising a robot manipulator 3, a
  • Robot manipulator 3 connected user computer.
  • the robot manipulator 3 has a plurality of links 11 connected to one another by joints 9 and the joints 9 each have a torque sensor 13 and a position sensor 15, the respective torque sensor 13 having a measuring range with a lower limit and an upper limit and a respective moment and this is transmitted to the computing unit 5.
  • the respective position sensor 15 detects a respective joint angle and transmits the respective joint angle to the computing unit 5.
  • the selected that is to say the torque sensor 13 of interest, being arranged on the third joint calculated from the end effector.
  • the reference point of the external power winch is also at the end effector, as the user guides the robot manipulator manually at the end effector.
  • the computing unit 5 continuously determines for the selected torque sensor 13 on the basis of the lower limit and the upper limit of the measuring range of the selected one
  • Torque sensor 13 based on the detected moment on the selected one
  • Torque sensor 13 and a predetermined reference point on the robot manipulator 3 determined joint angle, an amount and an orientation of a force component F exf of the external power winch assigned to the selected torque sensor 13.
  • This force component F ea indicates which force can be applied to the reference point without the moment M detected at the selected torque sensor reaching the lower limit or the upper limit.
  • the computing unit 5 also transmits this force component of the external power winch to the display unit 7 for visual output.
  • the display unit 7 outputs the orientation and the amount of the force component on its screen as a dashed arrow, the broken lines representing a color of the arrow and the angle of the arrow relative to a horizontal line for an orientation of the force component relative to a horizontal plane in a vertical plane.
  • Fig. 2 shows a method for operating a robot manipulator 3, wherein the
  • Robot manipulator 3 has a plurality of links 11 connected to one another by joints 9 and the joints 9 each have a torque sensor 13 and a position sensor 15, comprising the steps:
  • FIG. 3 shows a method for the predictive operation of a robot manipulator 3 with a plurality of links 11 connected to one another by joints 9, comprising the steps:
  • Component indicates which force and / or which moment can be applied to the reference point without the torque sensor 13 of the selected joint 9 detected moment reaches the lower limit or the upper limit

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

The invention relates to a robot system (1) having a robotic manipulator (3), a computing unit (3) and a display unit (7), the robotic manipulator (3) having a plurality of limbs (11) connected to each other by joints (9), and the joints (9) each having a torque sensor (13) and a position sensor (15). Each torque sensor (13) has a measurement range having a lower limit and an upper limit and is designed to detect a respective torque and to transmit the respective torque to the computing unit (5), and each position sensor (15) is designed to detect a respective joint angle and to transmit the respective joint angle to the computing unit (5). The computing unit (5) is designed to determine, for at least one selected torque sensor (13), a component of the external wrench associated with the selected torque sensor on the basis of the lower limit and the upper limit of the measurement range of the selected torque sensor (13), the detected or theoretically determined torque at the selected torque sensor, the joint angle determined between the selected torque sensor (13) and a specified reference point on the robotic manipulator (3), the at least one component indicating which force and/or which torque can be applied to the reference point without the torque detected at the selected torque sensor reaching the lower limit or the upper limit. The computing unit (5) is designed to transmit at least one component of the external wrench to the display unit (7) for visual output.

Description

Vom Messbereich eines Drehmomentsensors eines Robotermanipulators abhängig erzeug bare Kraft Force that can be generated as a function of the measuring range of a torque sensor of a robot manipulator
Die Erfindung betrifft ein Robotersystem aufweisend einen Robotermanipulator, eine Recheneinheit und eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen einer Kraft oder eines Moments, ein Verfahren zum Betreiben eines Robotermanipulators sowie ein Verfahren zum prädizierenden Betreiben eines Robotermanipulators. Aufgabe der Erfindung ist es, einem Anwender beim Betrieb eines Robotermanipulators möglichst intuitiv mitzuteilen, inwieweit die vom Anwender eingeleitete Anwendung hinsichtlich einer Kraft oder eines Moments ausgeführt werden kann, sodass der jeweilige Messbereich zumindest eines an einem jeweiligen Gelenk des Robotermanipulators angeordneten Drehmomentsensors nicht überschritten wird. The invention relates to a robot system having a robot manipulator, a computing unit and a display unit for displaying a force or a moment, a method for operating a robot manipulator and a method for predictive operation of a robot manipulator. The object of the invention is to inform a user as intuitively as possible when operating a robot manipulator to what extent the application initiated by the user can be carried out with regard to a force or a moment so that the respective measuring range of at least one torque sensor arranged on a respective joint of the robot manipulator is not exceeded.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. The invention results from the features of the independent claims. The dependent claims relate to advantageous developments and refinements.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Robotersystem aufweisend einen A first aspect of the invention relates to a robot system comprising a
Robotermanipulator, eine Recheneinheit und eine Anzeigeeinheit, wobei der Robot manipulator, a computing unit and a display unit, the
Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist und die Gelenke jeweils einen Drehmomentsensor und einen Positionssensor aufweisen, wobei der jeweilige Drehmomentsensor einen Messbereich aufweist mit einer unteren Grenze und einer oberen Grenze und zum Erfassen eines jeweiligen Moments und zum Übermitteln des jeweiligen Moments an die Recheneinheit ausgeführt ist und der jeweilige Positionssensor zum Erfassen eines jeweiligen Gelenkwinkels und zum Robot manipulator has a plurality of links connected to one another by joints and the joints each have a torque sensor and a position sensor, the respective torque sensor having a measuring range with a lower limit and an upper limit and for detecting a respective moment and for transmitting the respective moment to the Computing unit is executed and the respective position sensor for detecting a respective joint angle and for
Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit ausgeführt ist, wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, für zumindest einen ausgewählten Drehmomentsensor auf Basis Transmission of the respective joint angle is carried out to the computing unit, the computing unit being designed to be based on at least one selected torque sensor
- der unteren Grenze und der oberen Grenze des Messbereiches des ausgewählten- the lower limit and the upper limit of the measuring range of the selected
Drehmomentsensors, Torque sensor,
- des erfassten oder theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten - the recorded or theoretically determined moment on the selected one
Drehmomentsensor, und Torque sensor, and
- der zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor und einem vorgegebenen - the one between the selected torque sensor and a given one
Bezugspunkt am Robotermanipulator ermittelten Gelenkwinkel, Reference point determined on the robot manipulator joint angle,
zumindest eine Komponente eines dem ausgewählten Drehmomentsensor zugeordneten externen Kraftwinders zu ermitteln, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem ausgewählten Drehmomentsensor erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, und wobei die Recheneinheit dazu ausgeführt ist, die zumindest eine Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit zum visuellen Ausgeben zu übermitteln. to determine at least one component of an external power winch assigned to the selected torque sensor, the at least one component indicating which Force and / or which moment can be applied to the reference point without the moment detected at the selected torque sensor reaching the lower limit or the upper limit, and the computing unit is designed to transmit the at least one component of the external power winch to the display unit to transmit visual output.
Die Gelenke des Robotermanipulators weisen bevorzugt elektrische Motoren als The joints of the robot manipulator preferably have electric motors as
Aktuatoren zum Bewegen der Glieder um die jeweiligen Gelenke auf. Die elektrischen Motoren selbst können als Drehmomentsensoren dienen, indem insbesondere die elektrische Stromstärke in einem jeweiligen der Motoren gemessen wird, oder aber, alternativ bevorzugt, ein mechanischer Drehmomentsensor ist am jeweiligen der Gelenke angeordnet. Bei einem solchen mechanischen Drehmomentsensor wird insbesondere eine Dehnung eines reversibel elastischen Materials erfasst, beispielsweise in Speichen des jeweiligen Drehmomentsensors, wobei durch Kenntnis der Materialkonstanten auf ein anliegendes Moment geschlossen werden kann. Es können prinzipiell alle im Stand der Technik bekannten Drehmomentsensoren verwendet werden. Der ausgewählte Actuators for moving the limbs around the respective joints. The electric motors themselves can serve as torque sensors in that, in particular, the electrical current intensity is measured in a respective one of the motors, or alternatively, a mechanical torque sensor is arranged on the respective one of the joints. With such a mechanical torque sensor, in particular an expansion of a reversibly elastic material is detected, for example in the spokes of the respective torque sensor, it being possible to infer an applied torque from knowledge of the material constants. In principle, all torque sensors known in the prior art can be used. The selected
Drehmomentsensor ist ein beliebiger der Drehmomentsensoren, insbesondere ein speziell vom Anwender ausgesuchter Drehmomentsensor. Alternativ bevorzugt ist der ausgewählte Drehmomentsensor ein vordefinierter oder mehrere vordefinierte, insbesondere alle, der Drehmomentsensoren. The torque sensor is any of the torque sensors, in particular a torque sensor specially selected by the user. Alternatively, the selected torque sensor is preferably a predefined one or a plurality of predefined ones, in particular all of the torque sensors.
Das am ausgewählten Drehmomentsensor erfasste Moment setzt sich typischerweise aus einer Vielzahl von Ursachen zusammen. Ein erster Teil des Moments ergibt sich aus den kinematischen Kräften und Momenten, insbesondere der Coriolisbeschleunigung sowie der Zentrifugalbeschleunigung beim bewegten Betrieb des Robotermanipulators. Ein weiterer Teil des erfassten Moments ist einem Schwerkrafteinfluss zuzurechnen und ein nochmals weiterer Teil einer extern aufgebrachten Kraft oder einem extern aufgebrachten Moment wie durch Kontaktkräfte verursacht. Da jeder der Drehmomentsensoren jedoch einen begrenzten Messbereich aufweist, können nur Drehmomente zwischen einer unteren Grenze und einer oberen Grenze vom jeweiligen Drehmomentsensor erfasst werden. Ist beispielsweise bereits durch den Einfluss der auf die Glieder des The torque detected at the selected torque sensor is typically composed of a large number of causes. A first part of the moment results from the kinematic forces and moments, in particular the Coriolis acceleration and the centrifugal acceleration during the moving operation of the robot manipulator. Another part of the recorded moment is attributable to the influence of gravity and yet another part of an externally applied force or an externally applied moment as caused by contact forces. However, since each of the torque sensors has a limited measuring range, only torques between a lower limit and an upper limit can be detected by the respective torque sensor. Is already through the influence of the on the limbs of the
Robotermanipulators wirkenden Schwerkraft der ausgewählte Drehmomentsensor mit einem bestimmten statischen Moment beaufschlagt, wird im Allgemeinen im auswählten Drehmomentsensor ein Moment ungleich Null erfasst, und je nach Einbaurichtung und Vorzeichendefinition rückt entweder die obere Grenze oder die unteren Grenze des Messbereiches des ausgewählten Drehmomentsensors alleine hierdurch näher. Es kann also nicht mehr in beide Richtungen im Freiheitsgrad des Gelenks, an dem der ausgewählte Drehmomentsensor angeordnet ist, ein gleich hohes Zusatzmoment bis zum Erreichen der oberen bzw. der unteren Grenze erfasst werden. Dieses reduzierte erfassbare Moment am Drehmomentsensor selbst kann einerseits selbst ausgegeben werden, erfindungsgemäß wird jedoch eine diesem möglichen Zusatzmoment zugeordnete Kraft oder Moment aus einem insoweit noch aufbringbarem externen Kraftwinder für einen Bezugspunkt am Robotermanipulator ermittelt. Robot manipulator acting gravity acts on the selected torque sensor with a certain static moment, a moment not equal to zero is generally recorded in the selected torque sensor, and depending on the installation direction and the definition of the sign, either the upper limit or the lower limit of the measuring range of the selected torque sensor is brought closer. So it can no longer in both directions in the degree of freedom of the joint on which the selected torque sensor is arranged, an equally high additional torque can be detected until the upper or lower limit is reached. This reduced detectable torque on the torque sensor itself can on the one hand be output itself, but according to the invention a force or torque assigned to this possible additional torque is determined from an external force winder that can still be applied for a reference point on the robot manipulator.
Bevorzugt ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, zumindest eine Komponente eines solchen externen Kraftwinders zu ermitteln. Weiterhin bevorzugt werden von der Recheneinheit alle Komponenten des externen Kraftwinders ermittelt, wobei der externe Kraftwinder insbesondere sechs Komponenten aufweist, wovon die ersten drei The arithmetic unit is preferably designed to determine at least one component of such an external power winch. Furthermore, all components of the external power winder are preferably determined by the computing unit, the external power winder in particular having six components, the first three of which
Komponenten Kräfte in einem kartesischen Koordinatensystem angeben und wovon die weiteren drei Komponenten Momente um die Achsen des kartesischen Components specify forces in a Cartesian coordinate system and of which the other three components are moments about the axes of the Cartesian
Koordinatensystems angeben. Specify the coordinate system.
Um einen solchen externen Kraftwinder mit einem bestimmten Bezugspunkt aus einem bekannten möglichen Zusatzmoment am ausgewählten Gelenk zu ermitteln, ist die Pseudoinverse der transformierten Jacobimatrix erforderlich. Aus der bekannten In order to determine such an external force winder with a specific reference point from a known possible additional torque at the selected joint, the pseudo inverse of the transformed Jacobian matrix is required. From the known
Geometrie der Glieder des Robotermanipulators sowie den zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator ermittelten Gelenkwinkeln ist ein relativer Positionsvektor zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor und dem Bezugspunkt bestimmbar. Aus dieser relativen Position kann die Jacobi Matrix ermittelt werden. Die Pseudoinverse (anstelle der Inversen selbst) der Jacobi Matrix ist insbesondere dann erforderlich, wenn es sich bei dem Geometry of the links of the robot manipulator and the joint angles determined between the selected torque sensor and a predetermined reference point on the robot manipulator, a relative position vector between the selected torque sensor and the reference point can be determined. The Jacobi matrix can be determined from this relative position. The pseudo inverse (instead of the inverse itself) of the Jacobi matrix is particularly necessary when the
Robotermanipulator um einen redundanten Manipulator handelt, das heißt, dass zumindest zwei der die Glieder verbindenden Gelenke zueinander redundante The robot manipulator is a redundant manipulator, that is to say that at least two of the joints connecting the links are redundant to one another
Freiheitsgrade aufweisen. In einem redundanten Robotermanipulator können Have degrees of freedom. In a redundant robot manipulator you can
insbesondere Glieder des Robotermanipulators bewegt werden, ohne dass sich eine Orientierung und eine Position des Endeffektors des Robotermanipulators bewegen würde. Die Jacobimatrix verknüpft grundsätzlich die Winkelgeschwindigkeiten an den Gelenken zu der translatorischen und rotatorischen Geschwindigkeit an einem beliebigen Punkt, insbesondere dem Endeffektor des Robotermanipulators. Prinzipiell ist es jedoch unerheblich, ob tatsächlich Geschwindigkeiten betrachtet werden; so kann die In particular, members of the robot manipulator are moved without an orientation and a position of the end effector of the robot manipulator being moved. The Jacobian matrix basically links the angular speeds at the joints to the translational and rotational speed at any point, in particular the end effector of the robot manipulator. In principle, however, it is irrelevant whether speeds are actually considered; so can the
Jacobimatrix auch für den Zusammenhang zwischen den Momenten an den Gelenken und den Kräften und Momenten an dem Bezugspunkt verwendet werden. Die Transponierte der Jacobimatrix /, nämlich JT, vermittelt zwischen dem externen Kraftwinder Fext zu dem möglichen Zusatzmoment t im Gelenkraum wie folgt: t = JTFext Jacobian matrix can also be used for the relationship between the moments at the joints and the forces and moments at the reference point. The transpose of the Jacobian matrix /, namely J T , mediates between the external force winder F ext and the possible additional torque t in the joint space as follows: t = J T F ext
Nach Umstellung dieser Gleichung mit Hilfe der Pseudoinversen der Transponierten von /, bezeichnet als
Figure imgf000006_0001
gilt: After changing this equation with the help of the pseudo inverse of the transpose of /, referred to as
Figure imgf000006_0001
applies:
F«« = ( L F «« = (L
Ein externer Kraftwinder weist grundsätzlich einen Bezugspunkt auf. Der externe An external power winder always has a reference point. The external
Kraftwinder ist daher grundsätzlich nur für diesen Bezugspunkt gültig. Der Bezugspunkt bestimmt unmittelbar die Komponenten der Jacobimatrix. Bevorzugt ist der Bezugspunkt auf ein Endeffektorkoordinatensystem, insbesondere dessen Ursprung, bezogen. Ein Ursprung eines Endeffektorkoordinatensystems als Bezugspunkt weist insbesondere den Vorteil auf, dass die zumindest eine Komponente des externen Kraftwinders mit Bezug auf den Endeffektor ermittelt werden. Mit einer entsprechenden Kraftwinder is therefore only valid for this reference point. The reference point directly determines the components of the Jacobian matrix. The reference point is preferably related to an end effector coordinate system, in particular its origin. An origin of an end effector coordinate system as a reference point has the particular advantage that the at least one component of the external power winch is determined with reference to the end effector. With a corresponding
Koordinatensystemtransformation zur Notation des externen Kraftwinders ebenfalls in das Endeffektorkoordinatensystem wird ein externer Kraftwinder erhalten, der intuitiv relativ zum Endeffektor vom Anwender verstanden werden kann, vor dem Hintergrund, dass der Endeffektor das typischerweise häufigste Element eines Robotermanipulators darstellt, an dem eine externe Kraft oder ein externes Moment auf den Robotermanipulator einwirkt. Coordinate system transformation for the notation of the external power winder, also into the end effector coordinate system, an external power winder is obtained that can be intuitively understood relative to the end effector by the user, given that the end effector is typically the most common element of a robot manipulator to which an external force or an external force is applied Moment acts on the robot manipulator.
Die Anzeigeeinheit ist bevorzugt ein Bildschirm, der mit der Recheneinheit des The display unit is preferably a screen that is connected to the computing unit of the
Robotermanipulators verbunden ist. Bevorzugt kann über diesen Bildschirm zumindest eine Funktion des Robotermanipulators eingestellt und aktiviert werden. Der Bildschirm kann neben dem Robotermanipulator angeordnet sein, oder auch auf dem Robot manipulator is connected. At least one function of the robot manipulator can preferably be set and activated via this screen. The screen can be arranged next to the robot manipulator, or on the
Robotermanipulator selbst angeordnet sein. Robot manipulator be arranged itself.
Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass durch das Anzeigen einer Kraft oder eines Moments, welche am Bezugspunkt bis zum Erreichen der oberen oder unteren Grenze des Drehmomentsensors noch aufbringbar ist, eine intuitiv erfassbare und verstehbare Größe angezeigt wird, die von einem Anwender ohne Umrechnung oder gedanklicher Transformation nachvollzogen werden kann. Letztendlich führt dies vorteilhaft zu einem sicheren Betrieb und einer genaueren Ausführung einer jeweiligen Aufgabe am Robotermanipulators. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, neben der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders zumindest eine der folgenden Größen für das ausgewählte Gelenk oder den It is an advantageous effect of the invention that by displaying a force or a moment that can still be applied at the reference point until the upper or lower limit of the torque sensor is reached, an intuitively detectable and understandable variable is displayed that a user can use without conversion or mental transformation can be understood. Ultimately, this advantageously leads to safe operation and more precise execution of a respective task on the robot manipulator. According to a further advantageous embodiment, the computing unit is designed to, in addition to the at least one component of the external power winch, at least one of the following variables for the selected joint or the
ausgewählten Drehmomentsensor zu ermitteln: to determine the selected torque sensor:
- (effektive) Auflösung der Kräfte/Momente am jeweiligen Drehmomentsensor, - (effective) resolution of the forces / moments at the respective torque sensor,
- (relative) Genauigkeit der Kräfte/Momente am jeweiligen Drehmomentsensor, - (relative) accuracy of the forces / moments at the respective torque sensor,
- Rauschen (RMS oder Spitze-Spitze) der Signale des jeweiligen Drehmomentsensors, - Noise (RMS or peak-to-peak) of the signals of the respective torque sensor,
- Wiederholgenauigkeit der Kräfte/Momente am jeweiligen Drehmomentsensor, - Repeat accuracy of the forces / moments at the respective torque sensor,
- minimale aufbringbare Kräfte/Momente am jeweiligen Drehmomentsensor , - minimum forces / moments that can be applied to the respective torque sensor,
- Reglerbandbreite, - controller bandwidth,
- Kräfte, um den Roboter manuell zu führen. - Forces to guide the robot manually.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, einen Betrag der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit zum visuellen Ausgeben zu übermitteln. In dieser Ausführungsform wird lediglich ein Betrag der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit zum Anzeigen übermittelt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft besonders einfach vom Anwender zu verstehen, wenn die Richtung und die Orientierung der Kraft aus der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders sich aus der Anwendung und der aktuellen Situation des Robotermanipulators von sich aus ergibt, beispielsweise dann wenn der Endeffektor als Bohrer verwendet wird, der nur in einer vertikalen Richtung eine Bewegung ausführen kann, sodass es für den Anwender klar und eindeutig ist, auf welche Richtung sich die angezeigte Kraft bezieht. Analog dazu kann lediglich ein Betrag eines Moments am Endeffektor angezeigt werden, beispielsweise dann, wenn der Endeffektor als Schraubenschlüssel zum Eindrehen einer Schraube verwendet wird. Bevorzugt wird der Betrag der zumindest einen Komponente durch eine Ausdehnung eines Symbols dargestellt, oder alternativ bevorzugt dazu durch eine farblich variierende Anzeige eines Symbols, wobei insbesondere der Farbwert mit einem Betrag der zumindest einen Komponente korreliert. According to a further advantageous embodiment, the computing unit is designed to transmit an amount of the at least one component of the external power winch to the display unit for visual output. In this embodiment, only an amount of the at least one component of the external power winch is transmitted to the display unit for display. This is particularly easy to understand by the user when the direction and orientation of the force from the at least one component of the external power winch results from the application and the current situation of the robot manipulator, for example when the end effector is a drill is used, which can only execute a movement in one vertical direction, so that it is clear to the user which direction the indicated force relates to. Analogously, only an amount of a moment can be displayed at the end effector, for example when the end effector is used as a wrench for screwing in a screw. The amount of the at least one component is preferably represented by an extension of a symbol or, alternatively, preferably by a color-varying display of a symbol, the color value in particular correlating with an amount of the at least one component.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, eine Orientierung der zumindest einen Komponente des externen According to a further advantageous embodiment, the computing unit is designed to orient the at least one component of the external
Kraftwinders an die Anzeigeeinheit zum visuellen Ausgeben zu übermitteln. In dieser Ausführungsform wird vorteilhaft zum Betrag der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders insbesondere zusätzlich eine Orientierung, das heißt eine To transmit power winders to the display unit for visual output. In this embodiment, an orientation, that is to say one, is advantageous in addition to the amount of at least one component of the external power winch
Richtung, der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders von der Direction of at least one component of the external power winch from the
Anzeigeeinheit angezeigt. Bevorzugt wird die Richtung bzw. die Orientierung der zumindest einen Komponente symbolisch dargestellt, beispielsweise in Form einer Kompassnadel, eines Pfeils, oder einem anderen dafür geeigneten Symbol. Display unit displayed. The direction or the orientation of the is preferred at least one component represented symbolically, for example in the form of a compass needle, an arrow, or another symbol suitable for this.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu ausgeführt, das theoretisch ermittelte Moment am ausgewählten Drehmomentsensor durch die zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor und dem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator ermittelten Gelenkwinkel und mittels According to a further advantageous embodiment, the computing unit is designed to convert the theoretically determined torque at the selected torque sensor by means of the joint angles determined between the selected torque sensor and the specified reference point on the robot manipulator and by means of
abgespeicherten Masseinformationen der Glieder des Robotermanipulators zu ermitteln. Im Gegensatz zur oben erläuterten Messung eines jeweiligen Moments an einem jeweiligen Drehmomentsensor kann das erwartete Moment auch geschätzt werden. Dies erfolgt bevorzugt auf Grundlage der oben erklärten bekannten Schwerkrafteinflüsse, Coriolis-Beschleunigungen, Fliehkräfte und anderen bekannten Einflüssen auf den Robotermanipulator. Vorteilhaft können durch Zusammenrechnen von bekannten oder auch erwarteten Einflüssen auch zukünftige Einflüsse in Betracht gezogen werden, sodass nicht nur aktuelle verbleibende Komponenten des externen Kraftwinders ermittelt werden können, wie es bei dem Erfassen der Momente in den Gelenken durch Messung der Fall ist, sondern auch zukünftige verbleibende Komponenten des externen to determine stored mass information of the links of the robot manipulator. In contrast to the above-explained measurement of a respective moment at a respective torque sensor, the expected moment can also be estimated. This is preferably done on the basis of the known effects of gravity, Coriolis accelerations, centrifugal forces and other known influences on the robot manipulator explained above. By adding together known or expected influences, future influences can also be taken into account, so that not only current remaining components of the external power winch can be determined, as is the case when measuring the moments in the joints, but also future ones remaining components of the external
Kraftwinders, die auf den Bezugspunkt aufgebracht werden können, ohne dass der zumindest eine ausgewählte Drehmomentsensor an die untere Grenze bzw. die Power winders that can be applied to the reference point without the at least one selected torque sensor to the lower limit or the
Obergrenze seines möglichen Messbereiches für Momente anschlägt. Upper limit of its possible measuring range for torques strikes.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Bezugspunkt des externen Kraftwinders ein distales Ende des Robotermanipulators. According to a further advantageous embodiment, the reference point of the external power winch is a distal end of the robot manipulator.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das distale Ende des According to a further advantageous embodiment, the distal end of the
Robotermanipulators ein Endeffektor des Robotermanipulators. Robot manipulator is an end effector of the robot manipulator.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der zumindest eine ausgewählte Drehmomentsensor dazu ausgeführt, die untere Grenze und die obere Grenze seines Messbereichs an die Recheneinheit zu übermitteln. According to a further advantageous embodiment, the at least one selected torque sensor is designed to transmit the lower limit and the upper limit of its measuring range to the computing unit.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die untere Grenze und die obere Grenze des Messbereichs des zumindest einen ausgewählten Drehmomentsensors in der Recheneinheit abgespeichert. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Anzeigeeinheit zum Anzeigen einer Orientierung der zumindest einen Komponente des Kraftwinders durch Ausrichten eines auf der Anzeigeeinheit angezeigten Symbols ausgeführt. According to a further advantageous embodiment, the lower limit and the upper limit of the measuring range of the at least one selected torque sensor are stored in the computing unit. According to a further advantageous embodiment, the display unit is designed to display an orientation of the at least one component of the power winch by aligning a symbol displayed on the display unit.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Another aspect of the invention relates to a method for operating a
Robotermanipulators, wobei der Robotermanipulator eine Vielzahl von durch Gelenke miteinander verbundenen Gliedern aufweist und die Gelenke jeweils einen Robot manipulator, the robot manipulator having a plurality of links connected to one another by joints and the joints each having one
Drehmomentsensor und einen Positionssensor aufweisen, aufweisend die Schritte: Have a torque sensor and a position sensor, comprising the steps:
- Erfassen eines jeweiligen Gelenkwinkels zwischen zumindest einem ausgewählten Gelenk und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator durch den jeweiligen Positionssensor, und Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die - Detection of a respective joint angle between at least one selected joint and a predetermined reference point on the robot manipulator by the respective position sensor, and transmission of the respective joint angle to the
Recheneinheit, Computing unit,
- Ermitteln eines jeweiligen tatsächlich an dem zumindest einem ausgewählten Gelenk anliegenden Moments durch den Drehmomentsensor am ausgewählten Gelenk oder eines theoretischen an dem zumindest einen ausgewählten Gelenk anliegenden - Determination of a respective moment actually applied to the at least one selected joint by the torque sensor on the selected joint or a theoretical one applied to the at least one selected joint
Moments, und Übermitteln des Moments an eine Recheneinheit, Moment, and transmission of the moment to a computing unit,
- Ermitteln zumindest einer Komponente eines dem Drehmomentsensor am ausgewählten Gelenk zugeordneten externen Kraftwinders auf Basis einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Messbereiches des Drehmomentsensors am ausgewählten Gelenk, auf Basis des erfassten oder theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Gelenk, und auf Basis der ermittelten Gelenkwinkel, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem Drehmomentsensor des ausgewählten Gelenks erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, - Determination of at least one component of an external power winch assigned to the torque sensor on the selected joint on the basis of a lower limit and an upper limit of a measuring range of the torque sensor on the selected joint, on the basis of the detected or theoretically determined torque on the selected joint, and on the basis of the determined joint angle, wherein the at least one component indicates which force and / or which moment can be applied to the reference point without the moment detected at the torque sensor of the selected joint reaching the lower limit or the upper limit,
- Übermitteln der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an eine Anzeigeeinheit, und - transmitting the at least one component of the external power winch to a display unit, and
- visuelles Ausgeben der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders durch die Anzeigeeinheit. - Visual output of the at least one component of the external power winch by the display unit.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum prädizierenden Betreiben eines Robotermanipulators mit einer Vielzahl von durch Gelenke miteinander Another aspect of the invention relates to a method for predictive operation of a robot manipulator with a plurality of joints with one another
verbundenen Gliedern, aufweisend die Schritte: connected members, comprising the steps:
- Ermitteln eines jeweiligen Gelenkwinkels zwischen zumindest einem ausgewählten Gelenk und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator aus einer Simulation oder durch eine Vorgabe, und Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit, - Theoretisches Ermitteln eines an dem zumindest einen ausgewählten Gelenk anliegenden Moments aus den jeweiligen Gelenkwinkeln, - Determination of a respective joint angle between at least one selected joint and a predetermined reference point on the robot manipulator from a simulation or through a specification, and transmission of the respective joint angle to the computing unit, - Theoretical determination of a moment applied to the at least one selected joint from the respective joint angles,
- Ermitteln zumindest einer Komponente eines dem Drehmomentsensor am ausgewählten Gelenk zugeordneten externen Kraftwinders auf Basis einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Messbereiches des Drehmomentsensors am ausgewählten Gelenk, auf Basis des theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Gelenk, und auf Basis der ermittelten Gelenkwinkel, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem Drehmomentsensor des ausgewählten Gelenks erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, - Determination of at least one component of an external power winch assigned to the torque sensor on the selected joint on the basis of a lower limit and an upper limit of a measuring range of the torque sensor on the selected joint, on the basis of the theoretically determined torque on the selected joint, and on the basis of the joint angle determined, the at least one component indicates which force and / or which moment can be applied to the reference point without the moment detected at the torque sensor of the selected joint reaching the lower limit or the upper limit,
- Übermitteln der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an eine Anzeigeeinheit, und - transmitting the at least one component of the external power winch to a display unit, and
- visuelles Ausgeben der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders durch die Anzeigeeinheit. - Visual output of the at least one component of the external power winch by the display unit.
Das theoretisches Ermitteln eines an zumindest einem ausgewählten Gelenk anliegenden Moments auf Basis der jeweiligen Gelenkwinkel erfolgt insbesondere wie oben erläutert auf Basis des bekannten Schwerkrafteinflusses. The theoretical determination of a moment applied to at least one selected joint on the basis of the respective joint angle takes place in particular, as explained above, on the basis of the known influence of gravity.
Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Robotersystem vorstehend gemachten Ausführungen. Advantages and preferred developments of the proposed method result from an analogous and analogous transfer of the statements made above in connection with the proposed robot system.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezugspunkt auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Further advantages, features and details emerge from the following description, in which at least one exemplary embodiment is described in detail - possibly with reference to the drawing. Identical, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference symbols.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 ein Robotersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, 1 shows a robot system according to an embodiment of the invention,
Fig. 2 ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und 2 shows a method according to a further exemplary embodiment of the invention, and
Fig. 3 ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3 shows a method according to a further exemplary embodiment of the invention.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Fig. 1 zeigt ein Robotersystem 1 aufweisend einen Robotermanipulator 3, eine The representations in the figures are schematic and not to scale. 1 shows a robot system 1 comprising a robot manipulator 3, a
Recheneinheit 5 und eine Anzeigeeinheit 7 eines mit der Steuereinheit 5 des Computing unit 5 and a display unit 7 with the control unit 5 of the
Robotermanipulators 3 verbundenen Anwenderrechners. Der Robotermanipulator 3 weist eine Vielzahl von durch Gelenke 9 miteinander verbundenen Glieder 11 auf und die Gelenke 9 weisen jeweils einen Drehmomentsensor 13 und einen Positionssensor 15 auf, wobei der jeweilige Drehmomentsensor 13 einen Messbereich aufweist mit einer unteren Grenze und einer oberen Grenze und ein jeweiliges Moment erfasst und dieses an die Recheneinheit 5 übermittelt. Der jeweilige Positionssensor 15 erfasst einen jeweiligen Gelenkwinkel und übermittelt den jeweiligen Gelenkwinkel an die Recheneinheit 5. Robot manipulator 3 connected user computer. The robot manipulator 3 has a plurality of links 11 connected to one another by joints 9 and the joints 9 each have a torque sensor 13 and a position sensor 15, the respective torque sensor 13 having a measuring range with a lower limit and an upper limit and a respective moment and this is transmitted to the computing unit 5. The respective position sensor 15 detects a respective joint angle and transmits the respective joint angle to the computing unit 5.
Symbolisch sind in Fig. 1 vier Gelenke dargestellt, wobei der ausgewählte, das heißt interessierende Drehmomentsensor 13, am vom Endeffektor aus gerechnet dritten Gelenk angeordnet ist. Am Endeffektor ist auch der Bezugspunkt des externen Kraftwinders, da der Anwender den Robotermanipulator am Endeffektor manuell führt. Die Recheneinheit 5 ermittelt laufend für den ausgewählten Drehmomentsensor 13 auf Basis der unteren Grenze und der oberen Grenze des Messbereiches des ausgewählten Four joints are symbolically shown in FIG. 1, the selected, that is to say the torque sensor 13 of interest, being arranged on the third joint calculated from the end effector. The reference point of the external power winch is also at the end effector, as the user guides the robot manipulator manually at the end effector. The computing unit 5 continuously determines for the selected torque sensor 13 on the basis of the lower limit and the upper limit of the measuring range of the selected one
Drehmomentsensors 13, auf Basis des erfassten Moments am ausgewählten Torque sensor 13, based on the detected moment on the selected one
Drehmomentsensor 13, und auf Basis der zwischen dem ausgewählten Torque sensor 13, and based on the between the selected
Drehmomentsensor 13 und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator 3 ermittelten Gelenkwinkel, einen Betrag und eine Orientierung einer Kraft-Komponente Fexf des dem ausgewählten Drehmomentsensor 13 zugeordneten externen Kraftwinders.Torque sensor 13 and a predetermined reference point on the robot manipulator 3 determined joint angle, an amount and an orientation of a force component F exf of the external power winch assigned to the selected torque sensor 13.
Diese Kraft-Komponente Fea gibt an, welche Kraft auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem ausgewählten Drehmomentsensor erfasste Moment M die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht. Die Recheneinheit 5 übermittelt ferner diese Kraft-Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit 7 zum visuellen Ausgeben. Die Anzeigeeinheit 7 gibt hierbei die Orientierung und den Betrag der Kraft-Komponente auf ihrem Bildschirm als gestrichelt gezeichneten Pfeil aus, wobei die Strichelung für eine Farbe des Pfeils steht und der Winkel des Pfeils gegenüber einer horizontalen Linie für eine Orientierung der Kraft-Komponente gegenüber einer horizontalen Ebene in einer vertikalen Ebene steht. This force component F ea indicates which force can be applied to the reference point without the moment M detected at the selected torque sensor reaching the lower limit or the upper limit. The computing unit 5 also transmits this force component of the external power winch to the display unit 7 for visual output. The display unit 7 outputs the orientation and the amount of the force component on its screen as a dashed arrow, the broken lines representing a color of the arrow and the angle of the arrow relative to a horizontal line for an orientation of the force component relative to a horizontal plane in a vertical plane.
Fig. 2 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Robotermanipulators 3, wobei der Fig. 2 shows a method for operating a robot manipulator 3, wherein the
Robotermanipulator 3 eine Vielzahl von durch Gelenke 9 miteinander verbundenen Gliedern 11 aufweist und die Gelenke 9 jeweils einen Drehmomentsensor 13 und einen Positionssensor 15 aufweisen, aufweisend die Schritte: Robot manipulator 3 has a plurality of links 11 connected to one another by joints 9 and the joints 9 each have a torque sensor 13 and a position sensor 15, comprising the steps:
- Erfassen S1 eines jeweiligen Gelenkwinkels zwischen zumindest einem ausgewählten Gelenk 9 und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator 3 durch den jeweiligen Positionssensor 15, und Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit 5, - Detecting S1 of a respective joint angle between at least one selected joint 9 and a predetermined reference point on the robot manipulator 3 by the respective position sensor 15, and transmission of the respective joint angle to the computing unit 5,
- Ermitteln S2 eines jeweiligen tatsächlich an dem zumindest einem ausgewählten Gelenk 9 anliegenden Moments durch den Drehmomentsensor 13 am ausgewählten Gelenk 9 oder eines theoretischen an dem zumindest einen ausgewählten Gelenk 9 anliegenden Moments, und Übermitteln des Moments an eine Recheneinheit 5, Determination S2 of a respective torque actually applied to the at least one selected joint 9 by the torque sensor 13 on the selected joint 9 or a theoretical torque applied to the at least one selected joint 9, and transmission of the torque to a computing unit 5,
- Ermitteln S3 zumindest einer Komponente eines dem Drehmomentsensor 13 am ausgewählten Gelenk zugeordneten externen Kraftwinders auf Basis einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Messbereiches des Drehmomentsensors 13 am ausgewählten Gelenk 9, auf Basis des erfassten oder theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Gelenk 9, und auf Basis der ermittelten Gelenkwinkel, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem Drehmomentsensor 13 des Determine S3 at least one component of an external power winder assigned to the torque sensor 13 at the selected joint on the basis of a lower limit and an upper limit of a measurement range of the torque sensor 13 at the selected joint 9, based on the detected or theoretically determined torque at the selected joint 9, and on Basis of the determined joint angles, with the at least one component indicating which force and / or which moment can be applied to the reference point without this affecting the torque sensor 13 of the
ausgewählten Gelenks 9 erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, selected joint 9 detected moment reaches the lower limit or the upper limit,
- Übermitteln S4 der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an eine Anzeigeeinheit 7, und Transmission S4 of the at least one component of the external power winch to a display unit 7, and
- visuelles Ausgeben S5 der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders durch die Anzeigeeinheit 7. visual output S5 of the at least one component of the external power winch by the display unit 7.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren zum prädizierenden Betreiben eines Robotermanipulators 3 mit einer Vielzahl von durch Gelenke 9 miteinander verbundenen Gliedern 11 , aufweisend die Schritte: 3 shows a method for the predictive operation of a robot manipulator 3 with a plurality of links 11 connected to one another by joints 9, comprising the steps:
- Ermitteln H1 eines jeweiligen Gelenkwinkels zwischen zumindest einem ausgewählten Gelenk 9 und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator 3 aus einer Simulation oder durch eine Vorgabe und Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit 5, - Determination H1 of a respective joint angle between at least one selected joint 9 and a predetermined reference point on the robot manipulator 3 from a simulation or by specifying and transmitting the respective joint angle to the computing unit 5,
- Theoretisches Ermitteln H2 eines an dem zumindest einen ausgewählten Gelenk 9 anliegenden Moments aus den jeweiligen Gelenkwinkeln, - Theoretical determination H2 of a moment applied to the at least one selected joint 9 from the respective joint angles,
- Ermitteln H3 zumindest einer Komponente eines dem Drehmomentsensor 13 am ausgewählten Gelenk 9 zugeordneten externen Kraftwinders auf Basis einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Messbereiches des Drehmomentsensors 13 am ausgewählten Gelenk 9, auf Basis des theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Gelenk 9, und auf Basis der ermittelten Gelenkwinkel, wobei die zumindest eine Determine H3 at least one component of an external power winch assigned to the torque sensor 13 at the selected joint 9 on the basis of a lower limit and an upper limit of a measurement range of the torque sensor 13 on the selected joint 9, on the basis of the theoretically determined torque on the selected joint 9, and on the basis the determined joint angle, the at least one
Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem Drehmomentsensor 13 des ausgewählten Gelenks 9 erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, Component indicates which force and / or which moment can be applied to the reference point without the torque sensor 13 of the selected joint 9 detected moment reaches the lower limit or the upper limit,
- Übermitteln H4 der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an eine Anzeigeeinheit 7, und - Transmission H4 of the at least one component of the external power winch to a display unit 7, and
- visuelles Ausgeben H5 der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders durch die Anzeigeeinheit 7. visual output H5 of the at least one component of the external power winch by the display unit 7.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele Although the invention has been illustrated and explained in detail by preferred exemplary embodiments, the invention is not supported by the examples disclosed
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 restricted and other variations can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention. It is therefore clear that there is a multitude of possible variations. It is also clear that embodiments cited by way of example really only represent examples that are not in any way intended to limit the scope of protection, the possible applications or the
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 Configuration of the invention are to be understood. Rather, the preceding description and the description of the figures enable the person skilled in the art to implement the exemplary embodiments in concrete terms, whereby the person skilled in the art, with knowledge of the disclosed inventive concept, can make various changes, for example with regard to the function or the arrangement of individual elements mentioned in an exemplary embodiment, without leaving the scope of protection provided by the claims and their legal equivalents, such as further
Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird. Explanations in the description, is defined.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Robotersystem1 robot system
3 Robotermanipulator 5 Recheneinheit 7 Anzeigeeinheit 9 Gelenk 3 Robot manipulator 5 Computing unit 7 Display unit 9 Joint
11 Glied 11 link
13 Drehmomentsensor 15 Positionssensor 13 torque sensor 15 position sensor
S1 Erfassen S1 capture
S2 Ermitteln S2 Determine
53 Ermitteln 53 Determine
54 Übermitteln 54 Submit
55 Ausgeben H1 Ermitteln 55 Output H1 Determine
H2 Ermitteln Determine H2
H3 Ermitteln Determine H3
H4 Übermitteln H5 Ausgeben H4 transmit H5 output

Claims

Patentansprüche Claims
1. Robotersystem (1 ) aufweisend einen Robotermanipulator (3), eine Recheneinheit (5) und eine Anzeigeeinheit (7), wobei der Robotermanipulator (3) eine Vielzahl von durch Gelenke (9) miteinander verbundenen Glieder (11 ) aufweist und die Gelenke (9) jeweils einen Drehmomentsensor (13) und einen Positionssensor (15) aufweisen, 1. Robot system (1) comprising a robot manipulator (3), a computing unit (5) and a display unit (7), wherein the robot manipulator (3) has a plurality of links (11) connected to one another by joints (9) and the joints ( 9) each have a torque sensor (13) and a position sensor (15),
wobei der jeweilige Drehmomentsensor (13) einen Messbereich mit einer unteren Grenze und einer oberen Grenze aufweist und zum Erfassen eines jeweiligen Moments und zum Übermitteln des jeweiligen Moments an die Recheneinheit (5) ausgeführt ist und der jeweilige Positionssensor (15) zum Erfassen eines jeweiligen Gelenkwinkels und zum Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit (5) ausgeführt ist, wobei die Recheneinheit (5) dazu ausgeführt ist, für zumindest einen ausgewählten Drehmomentsensor (13) auf Basis wherein the respective torque sensor (13) has a measuring range with a lower limit and an upper limit and is designed to detect a respective torque and to transmit the respective torque to the computing unit (5) and the respective position sensor (15) to detect a respective joint angle and is designed to transmit the respective joint angle to the computing unit (5), the computing unit (5) being designed to be based on at least one selected torque sensor (13)
- der unteren Grenze und der oberen Grenze des Messbereiches des ausgewählten Drehmomentsensors (13), - the lower limit and the upper limit of the measuring range of the selected torque sensor (13),
- des erfassten oder theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten - the recorded or theoretically determined moment on the selected one
Drehmomentsensor, Torque sensor,
- der zwischen dem ausgewählten Drehmomentsensor (13) und einem vorgegebenen- The one between the selected torque sensor (13) and a predetermined one
Bezugspunkt am Robotermanipulator (3) ermittelten Gelenkwinkel, Reference point on the robot manipulator (3) determined joint angle,
zumindest eine Komponente eines dem ausgewählten Drehmomentsensor (13) zugeordneten externen Kraftwinders zu ermitteln, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem ausgewählten Drehmomentsensor (13) erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, und to determine at least one component of an external power winch assigned to the selected torque sensor (13), the at least one component indicating which force and / or which moment can be applied to the reference point without the moment detected at the selected torque sensor (13) being affected lower limit or upper limit reached, and
wobei die Recheneinheit (5) dazu ausgeführt ist, die zumindest eine Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit (7) zum visuellen Ausgeben zu übermitteln. wherein the computing unit (5) is designed to transmit the at least one component of the external power winch to the display unit (7) for visual output.
2. Robotersystem (1 ) nach Anspruch 1 , 2. Robot system (1) according to claim 1,
wobei die Recheneinheit (5) dazu ausgeführt ist, einen Betrag der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit (7) zum visuellen Ausgeben zu übermitteln. wherein the computing unit (5) is designed to transmit an amount of the at least one component of the external power winch to the display unit (7) for visual output.
3. Robotersystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 3. Robot system (1) according to one of the preceding claims,
wobei die Recheneinheit (5) dazu ausgeführt ist, eine Orientierung der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an die Anzeigeeinheit (7) zum visuellen Ausgeben zu übermitteln. wherein the computing unit (5) is designed to transmit an orientation of the at least one component of the external power winch to the display unit (7) for visual output.
4. Robotersystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (5) dazu ausgeführt ist, das theoretisch ermittelte Moment am ausgewählten Drehmomentsensor (13) durch die zwischen dem ausgewählten 4. Robot system (1) according to one of the preceding claims, wherein the computing unit (5) is designed to convert the theoretically determined torque at the selected torque sensor (13) by the between the selected
Drehmomentsensor (13) und dem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator (3) ermittelten Gelenkwinkel und mittels abgespeicherter Masseinformationen der Glieder (11 ) des Robotermanipulators (3) zu ermitteln. Torque sensor (13) and the predetermined reference point on the robot manipulator (3) determined joint angle and by means of stored mass information of the links (11) of the robot manipulator (3).
5. Robotersystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 5. Robot system (1) according to one of the preceding claims,
wobei der Bezugspunkt ein distales Ende des Robotermanipulators (3) ist. wherein the reference point is a distal end of the robot manipulator (3).
6. Robotersystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. Robot system (1) according to one of claims 1 to 5,
wobei der zumindest eine ausgewählte Drehmomentsensor (13) dazu ausgeführt ist, die untere Grenze und die obere Grenze seines Messbereichs an die Recheneinheit (5) zu übermitteln. wherein the at least one selected torque sensor (13) is designed to transmit the lower limit and the upper limit of its measuring range to the computing unit (5).
7. Robotersystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 7. Robot system (1) according to one of claims 1 to 5,
wobei die untere Grenze und die obere Grenze des Messbereichs des zumindest einen ausgewählten Drehmomentsensors (13) in der Recheneinheit (5) abgespeichert sind. wherein the lower limit and the upper limit of the measuring range of the at least one selected torque sensor (13) are stored in the computing unit (5).
8. Robotersystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. Robot system (1) according to one of the preceding claims,
wobei die Anzeigeeinheit (7) zum Anzeigen einer Orientierung der zumindest einen Komponente des Kraftwinders durch Ausrichten eines auf der Anzeigeeinheit (7) angezeigten Symbols ausgeführt ist. wherein the display unit (7) is designed to display an orientation of the at least one component of the power winch by aligning a symbol displayed on the display unit (7).
9. Verfahren zum Betreiben eines Robotermanipulators (3), wobei der 9. A method for operating a robot manipulator (3), wherein the
Robotermanipulator (3) eine Vielzahl von durch Gelenke (9) miteinander verbundenen Gliedern (11 ) aufweist und die Gelenke (9) jeweils einen The robot manipulator (3) has a multiplicity of links (11) connected to one another by joints (9) and the joints (9) each have one
Drehmomentsensor (13) und einen Positionssensor (15) aufweisen, aufweisend die Schritte: Torque sensor (13) and a position sensor (15), comprising the steps:
- Erfassen (S1 ) eines jeweiligen Gelenkwinkels zwischen zumindest einem ausgewählten Gelenk (9) und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator (3) durch den jeweiligen Positionssensor (15), und Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit (5), - Detection (S1) of a respective joint angle between at least one selected joint (9) and a predetermined reference point on the robot manipulator (3) by the respective position sensor (15), and transmission of the respective joint angle to the computing unit (5),
- Ermitteln (S2) eines jeweiligen tatsächlich an dem zumindest einem ausgewählten Gelenk (9) anliegenden Moments durch den Drehmomentsensor (13) am ausgewählten Gelenk (9) oder eines theoretischen an dem zumindest einen ausgewählten Gelenk (9) anliegenden Moments, und Übermitteln des Moments an eine Recheneinheit (5), - Ermitteln (S3) zumindest einer Komponente eines dem Drehmomentsensor (13) am ausgewählten Gelenk zugeordneten externen Kraftwinders auf Basis einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Messbereiches des Drehmomentsensors (13) am ausgewählten Gelenk (9), auf Basis des erfassten oder theoretisch ermittelten Moments am ausgewählten Gelenk (9), und auf Basis der ermittelten Gelenkwinkel, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem Drehmomentsensor (13) des ausgewählten Gelenks (9) erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, - Determination (S2) of a respective torque actually applied to the at least one selected joint (9) by the torque sensor (13) on the selected joint (9) or a theoretical torque applied to the at least one selected joint (9), and transmission of the torque to a computing unit (5), - Determining (S3) at least one component of an external power winch assigned to the torque sensor (13) on the selected joint on the basis of a lower limit and an upper limit of a measuring range of the torque sensor (13) on the selected joint (9), based on the detected or theoretically determined Moment at the selected joint (9), and based on the determined joint angle, the at least one component indicating which force and / or which moment can be applied to the reference point without affecting the torque sensor (13) of the selected joint (9 ) the recorded moment reaches the lower limit or the upper limit,
- Übermitteln (S4) der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an eine Anzeigeeinheit (7), und - Transmission (S4) of the at least one component of the external power winch to a display unit (7), and
- visuelles Ausgeben (S5) der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders durch die Anzeigeeinheit (7). - Visual output (S5) of the at least one component of the external power winch by the display unit (7).
10. Verfahren zum prädizierenden Betreiben eines Robotermanipulators (3) mit einer Vielzahl von durch Gelenke (9) miteinander verbundenen Gliedern (11 ), aufweisend die Schritte: 10. A method for the predictive operation of a robot manipulator (3) with a plurality of links (11) connected to one another by joints (9), comprising the steps:
- Ermitteln (H1 ) eines jeweiligen Gelenkwinkels zwischen zumindest einem ausgewählten Gelenk (9) und einem vorgegebenen Bezugspunkt am Robotermanipulator (3) aus einer Simulation oder durch eine Vorgabe und Übermitteln des jeweiligen Gelenkwinkels an die Recheneinheit (5), - Determination (H1) of a respective joint angle between at least one selected joint (9) and a specified reference point on the robot manipulator (3) from a simulation or by specifying and transmitting the respective joint angle to the computing unit (5),
- Theoretisches Ermitteln (H2) eines an dem zumindest einen ausgewählten Gelenk (9) anliegenden Moments aus den jeweiligen Gelenkwinkeln, - Theoretical determination (H2) of a moment applied to the at least one selected joint (9) from the respective joint angles,
- Ermitteln (H3) zumindest einer Komponente eines dem Drehmomentsensor (13) am ausgewählten Gelenk (9) zugeordneten externen Kraftwinders auf Basis einer unteren Grenze und einer oberen Grenze eines Messbereiches des Drehmomentsensors (13) am ausgewählten Gelenk (9), auf Basis des theoretisch ermittelten Moments am - Determination (H3) of at least one component of an external power winder assigned to the torque sensor (13) on the selected joint (9) on the basis of a lower limit and an upper limit of a measuring range of the torque sensor (13) on the selected joint (9), based on the theoretical determined moments on
ausgewählten Gelenk (9), und auf Basis der ermittelten Gelenkwinkel, wobei die zumindest eine Komponente angibt, welche Kraft und/oder welches Moment auf den Bezugspunkt aufgebracht werden kann, ohne dass das an dem Drehmomentsensor (13) des ausgewählten Gelenks (9) erfasste Moment die untere Grenze oder die obere Grenze erreicht, selected joint (9), and on the basis of the determined joint angle, the at least one component indicating which force and / or which moment can be applied to the reference point without this being detected on the torque sensor (13) of the selected joint (9) Moment reaches the lower limit or the upper limit,
- Übermitteln (H4) der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders an eine Anzeigeeinheit (7), und - transmitting (H4) the at least one component of the external power winch to a display unit (7), and
- visuelles Ausgeben (H5) der zumindest einen Komponente des externen Kraftwinders durch die Anzeigeeinheit (7). - Visual output (H5) of the at least one component of the external power winch by the display unit (7).
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