DE102008062622B9 - Method and device for entering commands into a controller of a manipulator - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Befehlseingabe in eine Steuerung eines Manipulators, insbesondere eines Roboters, mit den Schritten: (a1) Erfassen einer ersten Kraft (Fy), die auf den Manipulator in einer ersten Richtung (y) durch einen Bediener am Manipulator in einem Befehlseingabemodus ausgeübt wird; (b1) Vergleichen der erfassten ersten Kraft mit gespeicherten Kräften (Fyi), denen je ein Befehl (Bi) zugeordnet ist; (c1) Ausgabe des dieser gespeicherten Kraft zugeordneten Befehls an die Steuerung des Manipulators, falls die erfasste erste Kraft mit einer gespeicherten Kraft übereinstimmt.A method of command input to a controller of a manipulator, in particular a robot, comprising the steps of: (a1) detecting a first force (Fy) exerted on the manipulator in a first direction (y) by an operator on the manipulator in a command input mode; (b1) comparing the detected first force with stored forces (Fyi), each associated with a command (Bi); (c1) output of the command associated with this stored force to the controller of the manipulator if the detected first force coincides with a stored force.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Eingabe von einem oder mehreren Befehlen in eine Steuerung eines Manipulators.The present invention relates to a method and apparatus for inputting one or more instructions into a controller of a manipulator.
Unter einem Manipulator werden vorliegend insbesondere ein- oder mehrachsige Roboter, Mess- und Werkzeugmaschinen, beispielsweise nicht angetriebene Koordinatenmessmaschinen, verstanden. Solche Manipulatoren weisen allgemein eine Steuerung zur Ausführung bestimmter Bewegungen, beispielsweise zum Abfahren vorgegebener Trajektorien, zum Abspeichern bestimmter Messpositionen oder dergleichen auf. Als Steuerung wird daher vorliegend insbesondere auch eine Regelung, beispielsweise eine Kraft- oder Positionsregelung eines Roboters bezeichnet.In the present case, a manipulator is understood to mean, in particular, single- or multi-axis robots, measuring and machine tools, for example non-driven coordinate measuring machines. Such manipulators generally have a control for carrying out certain movements, for example for traversing predetermined trajectories, for storing certain measuring positions or the like. In the present case, a control, for example a force or position control of a robot, is therefore also referred to as a controller.
Zum Betrieb des Manipulators ist es erforderlich, einen oder mehrere Befehle in eine solche Steuerung einzugeben. Beispielsweise werden in eine Robotersteuerung Befehle zum Anfahren bestimmter Stellungen, zum Abfahren vorgegebener Trajektorien, zur Betätigung von Werkzeugen, etwa dem Öffnen oder Schließen eines Greifers oder dem Aktivieren einer Schweißzange, eines Bohr- oder Fräskopfes oder dergleichen eingegeben. In entsprechender Weise werden bei einer Werkzeugmaschine Befehle zum Beginn eines Vorschubs, zur Änderung einer Drehzahl eines Werkstückes oder -zeuges oder dergleichen eingegeben, bei einer Messmaschine Befehle zum Starten oder Beenden einer Datenaufzeichnung, Änderung einer Messgenauigkeit oder dergleichen. Solche Befehle können über die Steuerung unmittelbar auf den Manipulator wirken oder in Form eines Programmes abgespeichert werden, um anschließend durch die Steuerung in eine gewünschte Aktion des Manipulators umgesetzt zu werden.To operate the manipulator, it is necessary to enter one or more commands into such a controller. For example, commands for approaching certain positions, for traversing given trajectories, for actuating tools, such as opening or closing a gripper or activating a welding tongs, a drilling or milling head or the like, are input into a robot controller. Similarly, in a machine tool, commands to start a feed, change a rotational speed of a workpiece or tool, or the like are input to a measuring machine, commands to start or stop data recording, change a measurement accuracy, or the like. Such commands can act directly on the manipulator via the controller or be stored in the form of a program in order subsequently to be converted by the controller into a desired action of the manipulator.
Zur Eingabe von Befehlen, die einen Arbeitsprozess eines Roboters, beispielsweise das Anfahren einer Anfangsposition, die Aktivierung eines Fräswerkzeuges, das Abfahren einer vorgegebenen Trajektorie zur Bearbeitung eines Werkstückes mit dem Fräswerkzeug, das Abschalten des Fräswerkzeuges und das Zurückfahren in eine neutrale Stellung bestimmen, ist es beispielsweise aus der
Aus der
Die
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Befehlseingabe in eine Steuerung eines Manipulators zu vereinfachen. The object of the present invention is therefore to simplify a command input into a controller of a manipulator.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. 7 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 15 bzw. 18 gelöst.This object is achieved by a method according to
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, Befehle direkt durch entsprechende Berührungen des Manipulators einzugeben. Während es bisher, beispielsweise aus der
In einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung werden hierzu Kräfte, die ein Bediener in vorgegebener Richtungen auf den Manipulator ausübt, beispielsweise durch Kraftsensoren, erfasst. Zur knapperen Darstellung werden gegensinnig gleiche Kräftepaare, i. e. Drehmomente, im Folgenden verallgemeinernd ebenfalls als Kräfte bezeichnet. Wenn also nachfolgend beispielsweise von einem Kraftsensor die Rede ist, umfasst dies gleichermaßen einen Drehmomentsensor.For this purpose, in a first embodiment of the present invention, forces which an operator exerts on the manipulator in predetermined directions, for example by force sensors, are detected. For a tighter representation, the same pairs of forces, i. e. Torques, in the following generalized also referred to as forces. So if, for example, a force sensor is mentioned below, this equally includes a torque sensor.
Solche Kraftsensoren können beispielsweise an einem Endeffektor des Manipulators, einem mit dem Manipulator verbundenen Führungsgriff oder einem Motor des Manipulators vorgesehen sein und dort angreifende Kräfte erfassen, die ein Bediener direkt auf den Endeffektor oder den Führungsgriff, oder indirekt, beispielsweise über den Endeffektor oder den Führungsgriff auf Motoren des Manipulators ausübt.Such force sensors may, for example, be provided on an end effector of the manipulator, a manipulator-connected guide handle or a motor of the manipulator and detect forces acting thereon, an operator directly on the end effector or the guide handle, or indirectly, for example via the end effector or the guide handle on motors of the manipulator exercises.
Ist beispielsweise ein herkömmlicher Industrieroboter mit einer steifen Positionsregelung ausgestattet, die den Roboter in seiner aktuellen Stellung hält, oder eine nicht angetriebene Koordinatenmessmaschine mit Bremsen in einer Position fixiert, kann dieser bzw. diese von einem Bediener manuell nicht oder nur unwesentlich bewegt werden. In diesem Fall ist die vorstehend erläuterte Erfassung der in den vorgegebenen Richtungen auf den Manipulator wirkenden Kräfte besonders vorteilhaft. Beispielsweise kann ein Bediener an einem Glied des Roboters zunächst in einer ersten, durch einen Kraftsensor am Roboterglied direkt oder durch Kraftsensoren in den Antrieben des Roboters indirekt erfassten Richtung mit einer vorbestimmten Mindestkraft ziehen und anschließend in einer zweiten, von den gleichen oder anderen Kraftsensoren erfassten Richtung auf das Roboterglied drücken. Ist diese Abfolge einer ersten Kraft in der ersten Richtung und einer zweiten Kraft in der zweiten Richtung als Abfolge abgespeichert, der ein bestimmter Befehl, beispielsweise das Lösen einer Bremse eines Motors des Roboters oder die Änderung der Parameter der Positionsregelung zugeordnet ist, werden erfindungsgemäß die von dem Bediener in der abgespeicherten Reihenfolge auf den Endeffektor ausgeübten Kräfte als Eingabe des zugeordneten Befehls aufgefasst. So ist es beispielsweise möglich, einen steif geschalteten Roboter durch mehrfaches Ziehen an einem Roboterglied in bestimmten Richtungen nachgiebig zu schalten, was beispielsweise durch Wegfall eines Integralanteils und Reduzierung der Proportionalitätskonstanten in einer Proportional-Integral-Differential-(PID)-Positionsregelung des Roboters möglich ist.For example, if a conventional industrial robot equipped with a stiff position control that holds the robot in its current position, or fixed a non-driven coordinate measuring machine with brakes in one position, this or this manually by an operator can not or only slightly moved. In this case, the above-described detection of the forces acting in the given directions on the manipulator forces is particularly advantageous. For example, an operator at a member of the robot first in a first, by a force sensor on the robot member directly or by force sensors in the drives of the robot indirectly detected direction with a predetermined minimum force pull and then in a second, detected by the same or other force sensors direction press on the robot link. If this sequence of a first force in the first direction and a second force in the second direction is stored as a sequence, which is associated with a specific command, such as releasing a brake of a motor of the robot or the change of the parameters of the position control, according to the invention of the forces applied to the operator in the stored order on the end effector as input of the associated command. Thus, for example, it is possible to compliant a rigidly connected robot by repeatedly pulling on a robot member in certain directions, which is possible, for example, by omitting an integral component and reducing the proportionality constant in a proportional-proportional-derivative (PID) position control of the robot ,
Bei der ersten Ausführung, bei der die Kräfte erfasst werden, ist es nicht notwendig, dass sich der Manipulator unter den von dem Bediener auf ihn zur Eingabe eines Befehls ausgeübten Kräften überhaupt oder jedenfalls signifikant bewegt. Dies ist beispielsweise bei Messmaschinen, bei denen die erfindungsgemäße Befehlseingabe nicht zwangsläufig zu einer Bewegung der Messmaschine, verbunden mit einem Verlassen einer gerade angefahrenen Position führen soll, vorteilhaft.In the first embodiment, where the forces are detected, it is not necessary for the manipulator to move at all or significantly under the forces exerted by the operator on it to input a command. This is advantageous, for example, in measuring machines in which the command input according to the invention does not necessarily lead to a movement of the measuring machine in conjunction with a departure from a position just approached.
Auf der anderen Seite erschwert die mangelnde Rückmeldung eines Manipulators, der nicht oder jedenfalls nicht deutlich auf die zur Befehlseingabe auf ihn ausgeübten Kräfte reagiert, die Bedienung, da der Bediener beispielsweise nicht aufgrund einer Bewegung des Manipulators erkennen kann, ob er eine ausreichende erste Kraft in der ersten Richtung bereits ausgeübt hat oder nicht.On the other hand, the lack of feedback from a manipulator that does not respond, or at least not clearly respond, to the forces applied to the command input makes it difficult to operate because, for example, the operator can not detect whether he has sufficient first force due to movement of the manipulator the first direction has already exercised or not.
Gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung werden daher an Stelle von auf den Manipulator ausgeübten Kräften Bewegungen des Manipulators erfasst. In der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird hierzu eine Bewegung des Manipulators in eine erste Bewegungsrichtung und in einer Weiterbildung der zweiten Ausführung auch eine anschließende Bewegung des Manipulators in eine zweite Bewegungsrichtung erfasst und mit abgespeicherten Bewegungen in der ersten Bewegungsrichtung bzw. Abfolgen von Bewegungen in der ersten und zweiten Bewegungsrichtung verglichen, denen jeweils ein Befehl zugeordnet ist. Stimmt die erfasste Bewegung bzw. Bewegungsabfolge mit einer gespeicherten Bewegung bzw. Bewegungsabfolge überein, d. h. wird der Manipulator durch den Bediener in einer Weise bewegt, der ein bestimmter Befehl zugeordnet ist, wird dieser Befehl an die Steuerung des Manipulators ausgegeben.According to a second embodiment of the present invention, movements of the manipulator are therefore detected in place of forces exerted on the manipulator. In the second embodiment of the present invention, a movement of the manipulator in a first direction of movement and in a development of the second embodiment, a subsequent movement of the manipulator is detected in a second direction of movement and with stored movements in the first direction of movement or sequences of movements in the first and second direction of movement compared, each associated with a command. If the detected movement or movement sequence coincides with a stored movement sequence, ie if the manipulator is moved by the operator in a manner to which a specific command is assigned, this command is output to the controller of the manipulator.
Hierzu ist der Manipulator vorzugsweise nachgiebig ausgestaltet, d. h. durch zur Befehlseingabe vom Bediener manuell auf ihn ausgeübte Kräfte in erkennbarem Maße bewegbar. Dies kann beispielsweise, wie vorstehend beschrieben, durch eine reine Proportional-Positionsregelung mit entsprechend geringen Proportionalitätskonstanten realisiert werden. Gleichermaßen kann ein solch nachgiebiger Manipulator auch kraftgeregelt sein. Hierzu können beispielsweise in seiner Steuerung anhand eines mathematischen Ersatzmodelles die Kräfte errechnet werden, die in seiner aktuellen Stellung Gewichts- und Reibungskräfte gerade kompensieren. Werden diese Kräfte den Kraftregelungen der Motoren des Manipulators als Sollgrößen aufgeschaltet, kann der Manipulator bereits durch relativ geringe Kräfte aus seiner aktuellen Stellung bewegt werden. Eine weitere Möglichkeit, einen Manipulator nachgiebig, d. h. durch die zur Befehlseingabe auf ihn ausgeübten Kräfte, erkennbar bewegbar zu machen, besteht darin, die auf ihn ausgeübten Kräfte zu erfassen und auf diese mit einer entsprechenden Bewegung in Richtung dieser Kräfte und, vorzugsweise, mit einer der Größe der Kräfte entsprechenden Bewegungsgeschwindigkeit zu reagieren.For this purpose, the manipulator is preferably designed compliant, d. H. by forces manually applied to it by the operator for command input to a noticeable extent. This can be realized, for example, as described above, by a pure proportional position control with correspondingly low proportionality constants. Likewise, such a yielding manipulator can also be force-controlled. For this purpose, for example, in his control using a mathematical replacement model, the forces can be calculated that just compensate for weight and friction forces in its current position. If these forces are applied to the force controls of the motors of the manipulator as setpoints, the manipulator can already be moved by relatively small forces from its current position. Another way, a manipulator yielding, d. H. By the forces applied to the command input thereto, to make recognizably movable, it is necessary to grasp the forces exerted on it and to react to them with a corresponding movement in the direction of these forces and, preferably, with a movement speed corresponding to the magnitude of the forces.
Bei einem solchen nachgiebigen Manipulator führen also die auf ihn zur Befehlseingabe ausgeübten Kräfte zu einer messbaren, vorzugsweise auch vom Bediener erkennbaren Bewegung des Manipulators. Hierdurch erhält der Bediener eine Rückmeldung über die von ihm ausgeübten Kräfte. Insbesondere erkennt er durch eine entsprechende Bewegung des Manipulators in eine erste Bewegungsrichtung, dass er den Manipulator in der ersten Richtung ausreichend bewegt hat, um den dieser abgespeicherten Bewegung zugeordneten Befehl einzugeben. In der Weiterbildung der zweiten Ausführung kann der Bediener dann den Manipulator entsprechend der abgespeicherten Abfolge in die zweite Richtung bewegen, um den mit dieser abgespeicherten Abfolge zugeordneten Befehl einzugeben.In such a yielding manipulator, therefore, the forces exerted on him for command input lead to a measurable, preferably also recognizable by the operator movement of the manipulator. This gives the operator feedback about the forces exerted by him. In particular, he recognizes by a corresponding movement of the manipulator in a first direction of movement that he has sufficiently moved the manipulator in the first direction to enter the command associated with this stored movement. In the further development of the second embodiment, the operator can then move the manipulator according to the stored sequence in the second direction to enter the associated with this stored sequence command.
Insbesondere bei nachgiebigen Manipulatoren kann die Bewegung in der ersten bzw. zweiten Richtung eine Bewegung des Manipulators in seinem sogenannten Nullraum sein, i. e. der Menge aller Stellungen oder Posen des Manipulators, die als identisch definierte Endeffektorstellungen realisieren. Ist der Manipulator redundant, i. e. weist mehr Freiheitsgrade, beispielsweise mehr Gelenke auf, als zur Realisierung einer definierten Endeffektorstellung erforderlich, kann ein nachgiebiger Manipulator durch einen Bediener in seinen Glieder bewegt, i. e. in verschiedene Stellungen im Nullraum überführt werden, ohne dass der Endeffektor seine definierte Stellung im kartesischen Raum verändert. Eine solche Bewegung, die die Stellung des Endeffektors und somit beispielsweise eines Arbeitspunktes eines Roboters nicht verändert, ist besonders zur Befehlseingabe geeignet.Particularly in the case of compliant manipulators, the movement in the first or second direction can be a movement of the manipulator in its so-called null space, i. e. the set of all positions or poses of the manipulator, which realize as identically defined Endeffektorstellungen. If the manipulator is redundant, i. e. has more degrees of freedom, for example, more joints, as required for the realization of a defined Endeffektorstellung, a resilient manipulator can be moved by an operator in his limbs, i. e. be transferred to different positions in the zero space without the end effector changes its defined position in the Cartesian space. Such a movement, which does not change the position of the end effector and thus, for example, a working point of a robot, is particularly suitable for command input.
Beispielsweise ist ein sechsachsiger Industrieroboter bezüglich einer Endeffektorstellung, in der die Orientierung seines Endeffektors um die sechste Gelenkachse aufgrund eines symmetrischen Werkzeuges nicht vorgegeben ist, redundant. Hier könnte etwa eine Drehung seines Endeffektors um die sechste Gelenkachse als erste Richtung gewählt werden, so dass eine Drehung des Endeffektors um einen bestimmten Winkel als Bewegung in der ersten Richtung erfasst und mit abgespeicherten Bewegungen, beispielsweise Drehwinkeln verglichen wird, um einen Befehl einzugeben.For example, a six-axis industrial robot is redundant with respect to an end effector position in which the orientation of its end effector about the sixth hinge axis is not predetermined due to a symmetrical tool. Here, about a rotation of its end effector about the sixth hinge axis could be selected as the first direction, so that a rotation of the end effector is detected by a certain angle as movement in the first direction and compared with stored movements, such as rotation angles, to input a command.
Ein sieben- oder mehrachsiger Service-Roboter, beispielsweise ein Leichtbauroboter der Baureihe LBR des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, ist bezüglich einer vorgegebenen Lage und Orientierung seines Greifers im kartesischen Raum redundant, so dass hier beispielsweise die Bewegung des Ellbogengelenkes in verschiedene Posen als Bewegung in der ersten Richtung erfasst und mit abgespeicherten Bewegungen verglichen werden kann, um einen Befehl einzugeben.A seven- or multi-axis service robot, for example, a lightweight robot LBR series of the German Aerospace Center, is redundant in terms of a given position and orientation of his gripper in the Cartesian space, so here, for example, the movement of the elbow joint in various poses as Movement in the first direction can be detected and compared with stored movements to enter a command.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst eine abgespeicherte Kraft, Bewegung bzw. Abfolge die Größe der Kräfte bzw. Bewegungen, d. h. deren Betrag und/oder Richtung, ihren zeitlichen Verlauf, insbesondere ihre zeitliche Änderung und/oder den zeitlichen Abstand zwischen den Kräften bzw. Bewegungen. So kann beispielsweise eine gespeicherte Bewegung die Geschwindigkeit, i. e. die Änderung der Stellung des Manipulators über der Zeit, die Beschleunigung, i. e. die Änderung der Geschwindigkeit des Manipulators über der Zeit und/oder eine höhere Ableitung nach der Zeit umfassen.In a preferred embodiment of the present invention, a stored force, movement or sequence comprises the magnitude of the forces or movements, ie. H. their amount and / or direction, their time course, in particular their temporal change and / or the time interval between the forces or movements. For example, a stored movement may be the speed i. e. changing the position of the manipulator over time, accelerating, i. e. include the change in the speed of the manipulator over time and / or a higher derivative with time.
Hierdurch erhöht sich die Anzahl der Befehle, die durch die Abfolge codiert werden können, deutlich. Zusätzlich ist es durch die Berücksichtigung der Größe, des zeitlichen Verlaufs oder des zeitlichen Abstandes vorteilhaft möglich, Kräfte bzw. Bewegungen, die erfindungsgemäß zur Eingabe eines Befehls aufgebracht bzw. ausgeführt werden, von solchen Kräften bzw. Bewegungen zu unterscheiden, die zu anderen Zwecken, beispielsweise zum Heranführen eines Roboters in eine Sollposition im Rahmen einer direkten Programmierung, auf diesen ausgeübt bzw. mit diesem ausgeführt werden.This significantly increases the number of instructions that can be encoded by the sequence. In addition, by taking into account the size, the time course or the time interval, it is advantageously possible to distinguish forces or movements, which are applied or executed according to the invention for inputting a command, from those forces or movements which are used for other purposes, For example, to bring a robot in a target position in the context of direct programming, exercised on this or run with this.
Beispielsweise kann durch mehrmaliges kurzes bzw. rasches Hin- und Herziehen am Endeffektor eines Manipulators, i. e. eine große Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung in einen Eingabemodus umgeschaltet werden, in dem weitere Kräfte bzw. Bewegungen ausschließlich als Befehlseingabe interpretiert werden. Durch nochmaliges kurzes bzw. rasches Hin- bzw. Herziehen des Endeffektors, i. e. wiederum hohe Geschwindigkeiten bzw. Beschleunigungen kann wieder in einen normalen Modus zurückgeschaltet werden, in dem der Endeffektor des Manipulators manuell in Sollpositionen gebracht werden kann. For example, by repeatedly pressing or pulling back and forth quickly on the end effector of a manipulator, ie a high speed or acceleration can be switched to an input mode in which further forces or movements are interpreted exclusively as a command input. By again short or rapid pulling and pulling of the end effector, ie again high speeds or accelerations can be switched back into a normal mode, in which the end effector of the manipulator can be manually placed in nominal positions.
Die erste und zweite Kraft- bzw. Bewegungsrichtung müssen sich nicht notwendigerweise voneinander unterscheiden. So kann beispielsweise durch Verdrehen des Endeffektors um 90° in einer Drehrichtung, gefolgt von einer kurzen Pause und einem anschließenden Verdrehen des Endeffektors um weitere 90° in derselben Drehrichtung, ebenfalls ein Befehl eingegeben werden.The first and second direction of force or movement need not necessarily be different from each other. Thus, for example, by rotating the end effector by 90 ° in one direction of rotation, followed by a brief pause and then rotating the end effector by a further 90 ° in the same direction of rotation, a command can also be entered.
Vorteilhafterweise sind die den Befehlen zugeordneten abgespeicherten Kräfte, Bewegungen bzw. Abfolgen dabei so gewählt, dass sie bei der normalen Betätigung des Manipulators, beispielsweise bei der direkten Programmierung eines Roboters durch manuelles Verfahren seines Endeffektors im allgemeinen nicht vorkommen. Dies kann beispielsweise durch mehrmaliges Ausüben einer Kraft bzw. Bewegungen des Manipulators in der gleichen bzw. in einander entgegengesetzten Richtungen erfolgen.Advantageously, the stored forces, movements or sequences assigned to the commands are selected such that they generally do not occur during normal manipulation of the manipulator, for example during direct programming of a robot by manual operation of its end effector. This can be done, for example, by repeated application of a force or movements of the manipulator in the same or in opposite directions.
Die Kraft- bzw. Bewegungsrichtungen können in einem inertial- oder manipulatorfesten Koordinatensystem vorgegeben sein. So kann beispielsweise eine Kraft, die in einer Raumrichtung auf einen Endeffektor eines Manipulators ausgeübt wird, bzw. eine Bewegung des Endeffektors durch den Bediener in dieser Raumrichtung stets als Kraft bzw. Bewegung in der ersten Richtung erfasst werden, unabhängig von der jeweiligen Stellung des Manipulators und der Lage seines Endeffektors. Gleichermaßen kann eine Kraft- bzw. Bewegungsrichtung auch relativ zum Manipulator definiert sein, so dass beispielsweise ein Ziehen am Endeffektor in Richtung seiner Drehachse unabhängig von der Stellung des Manipulators, i. e. unabhängig von der Orientierung der Drehachse des Endeffektors im Raum stets als Kraft bzw. Bewegung in der ersten Richtung erfasst wird.The force or movement directions can be specified in an inertial or manipulator-fixed coordinate system. Thus, for example, a force that is exerted in a spatial direction on an end effector of a manipulator, or a movement of the end effector by the operator in this spatial direction can always be detected as force or movement in the first direction, regardless of the respective position of the manipulator and the location of its end effector. Similarly, a force or movement direction can also be defined relative to the manipulator, so that, for example, pulling on the end effector in the direction of its axis of rotation, independently of the position of the manipulator, i. e. regardless of the orientation of the axis of rotation of the end effector in space is always detected as a force or movement in the first direction.
Allgemein ist es bevorzugt, dass die vorgegebenen Kraft- bzw. Bewegungsrichtungen Bewegungsmöglichkeiten des Manipulators in seinen Gelenken entsprechen. So kann beispielsweise die erste und/oder zweite Richtung durch eine Bewegung des Manipulators in einem Gelenk oder durch koordinierte, zum Beispiel parallele, gegenläufige oder komplementäre Bewegungen des Manipulators in mehreren Gelenken definiert sind, etwa als Drehung q2 eines Manipulatorgliedes um eine Drehgelenkachse oder als Drehungen q3 = 2q2 in zwei aufeinanderfolgenden, parallelen Drehgelenkachsen, durch die eine Gerade im kartesischen Raum abgefahren wird.In general, it is preferred that the predetermined force or movement directions correspond to possibilities of movement of the manipulator in its joints. Thus, for example, the first and / or second direction can be defined by a movement of the manipulator in a joint or by coordinated, for example parallel, opposite or complementary movements of the manipulator in a plurality of joints, such as rotation q 2 of a manipulator member about a pivot axis or as Rotations q 3 = 2q 2 in two consecutive, parallel swivel joint axes through which a straight line in Cartesian space is traversed.
Durch die Abspeicherung und den Vergleich von Kräften bzw. Bewegungen in einer ersten Richtung können Befehle sehr einfach und intuitiv eingegeben werden. Beispielsweise kann das Aufdrücken eines Messtasters einer Koordinatenmessmaschine dem Beginn bzw. Ende einer Messaufzeichnung zugeordnet sein. Dabei ist eine erste Richtung nicht notwendigerweise euklidisch linear. So kann beispielsweise eine erste Richtung auch eine Kreisbahn mit vorgegebener Orientierung im Raum und/oder vorgegebenem Radius sein. Bewegt der Bediener ein Glied eines Roboters auf einer solchen Kreisbahn um eine bestimmte Bogenlänge, beispielsweise π oder 2π, so kann dies einem Befehl, beispielsweise der Auswahl eines Regelmodus' zugeordnet sein.By storing and comparing forces or movements in a first direction commands can be entered very easily and intuitively. For example, the pressing of a probe of a coordinate measuring machine can be assigned to the beginning or end of a measurement record. In this case, a first direction is not necessarily Euclidean linear. For example, a first direction may also be a circular path with a predetermined orientation in space and / or a given radius. If the operator moves a limb of a robot on such a circular path by a certain arc length, for example π or 2π, this can be assigned to a command, for example the selection of a control mode.
Durch die Abspeicherung und den Vergleich von Abfolgen von Kräften bzw. Bewegungen in einer ersten und einer zweiten Richtung können vorteilhaft ein größeres Befehlslexikon abgebildet und insbesondere Abfolgen mit Befehlen belegt werden, die im normalen Betrieb des Manipulators nicht oder selten vorkommen. Solchen Abfolgen können zusätzlich oder an Stelle von Kräften bzw. Bewegungen in einer ersten Richtung Befehlen zugeordnet werden, um (insbesondere bei Abspeicherung und Vergleich ausschließlich von Kräften bzw. Bewegungen in einer ersten Richtung) ein intuitiv und rasch erlernbares Befehlslexikon zur Verfügung zu stellen, (insbesondere bei Abspeicherung und Vergleich ausschließlich von Kraft- bzw. Bewegungsabfolgen in einer ersten und zweiten Richtung) die Gefahr ungewollter Befehlseingaben durch die zufällige Bewegung bzw. Kraftbeaufschlagung in einer ersten Richtung zu verringern, oder um (insbesondere bei Abspeicherung und Vergleich sowohl von Kräften bzw. Bewegungen in einer ersten Richtung als auch von Kraft- bzw. Bewegungsabfolgen in einer ersten und zweiten Richtung) ein sehr großes Befehlslexikon zur Verfügung zu stellen.By storing and comparing sequences of forces or movements in a first and a second direction, advantageously, a larger command dictionary can be mapped and, in particular, sequences can be assigned instructions which are not or rarely occur during normal operation of the manipulator. Such sequences, in addition to or instead of forces or movements in a first direction, can be assigned commands in order to provide an intuitively and quickly learnable command dictionary (especially when storing and comparing only forces or movements in a first direction), In particular, when storing and comparing only force or movement sequences in a first and second direction) to reduce the risk of unwanted command input by random movement or force application in a first direction, or (especially when storing and comparing both forces or. Movements in a first direction as well as of power sequences in a first and second direction) to provide a very large command dictionary.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Abfolgen von zwei nacheinander auf den Manipulator ausgeübten Kräften bzw. mit diesem ausgeführten Bewegungen beschränkt. Insbesondere zur Codierung eines noch umfangreicheren Befehlslexikons können entsprechend komplexere Abfolgen abgespeichert sein, so dass zur Eingabe eines Befehls aus einem solchen Befehlslexikon drei oder mehr Kräfte nacheinander in vorgegebener Richtung auf den Manipulator ausgeübt bzw. mit diesem nacheinander drei vorgegebenen Bewegungen ausführen werden müssen.The present invention is not limited to sequences of two successive forces exerted on the manipulator or movements performed thereon. In particular for coding an even more extensive command lexicon, correspondingly more complex sequences can be stored, so that three or more forces must be exerted one after the other in a predetermined direction on the manipulator or three successive movements must be carried out with it in order to input a command from such a command encyclopedia.
Um Kräfte bzw. Bewegungen, die zur Eingabe eines Befehls an die Steuerung des Manipulators auf diesen ausgeübt bzw. mit diesem ausgeführt werden, von Anfang an von anderen Kräften, die beispielsweise zufällig und unabsichtlich auf diesen ausgeübt werden oder dem bloßen Bewegen eines nachgiebigen Manipulators dienen, bzw. von Bewegungen, die beispielsweise der Überführung in eine gewünschte Arbeitsstellung des Manipulators dienen, zu unterscheiden, ist in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ein Führungsgriff vorgesehen, mit dem Kräfte auf den Manipulator ausgeübt werden können bzw. mit dem der Manipulator bewegt werden kann, und der eine Eingabevorrichtung zur Eingabe eines Signals aufweist, mit dem zwischen einem Normalmodus und einem Befehlseingabemodus umgeschaltet wird. Bevorzugt ist ein solcher Führungsgriff fest oder lösbar mit dem Manipulator verbunden, beispielsweise an seinem Endeffektor angeschweißt, -geschraubt oder -gesteckt. In order to apply forces to or from the manipulator for inputting a command to the controller of the manipulator from the outset by other forces, for example accidentally and unintentionally exerted thereon or merely moving a resilient manipulator , or of movements that serve, for example, the transfer to a desired working position of the manipulator, a control handle is provided in a preferred embodiment of the present invention, with the forces can be exerted on the manipulator or with which the manipulator are moved and having an input device for inputting a signal to switch between a normal mode and a command input mode. Preferably, such a guide handle is fixedly or detachably connected to the manipulator, for example welded, screwed or plugged into its end effector.
Im Befehlseingabemodus, in den beispielsweise durch ein-, mehrmaliges oder dauerndes Betätigen der Eingabevorrichtung umgeschaltet werden kann, wird jede auf den Manipulator ausgeübte Kraft bzw. jede mit dem Manipulator ausgeführte Bewegungen als Teil einer Abfolge betrachtet, die zur Eingabe eines Befehls dient. Hingegen werden im Normalmodus auf den Manipulator wirkende Kräfte bzw. mit diesen ausgeführten Bewegungen nicht als zur Befehlseingabe dienend betrachtet. Dies ermöglicht es, die auf den Manipulator wirkenden Kräfte bzw. mit dem Manipulator ausgeführten Bewegungen nur während des Befehlseingabemodus zu erfassen, was verhindert, dass während des Normalmodus, in dem beispielsweise ein Roboter manuell in eine Sollposition geführt wird, unabsichtlich durch eine Kraft- oder Bewegungsabfolge ein Befehl eingegeben wird.In the command input mode, which can be toggled, for example, by operating the input device one or more times or continuously, any force applied to the manipulator or any movements made with the manipulator is considered part of a sequence used to input a command. On the other hand, in the normal mode, forces acting on the manipulator or movements performed therewith are not considered to be used for command input. This makes it possible to detect the force acting on the manipulator forces or movements performed with the manipulator only during the command input mode, which prevents unintentionally by a force or during normal mode in which, for example, a robot is manually guided to a desired position Motion sequence is entered a command.
Gleichermaßen können die auf den Manipulator ausgeübten Kräfte bzw. mit diesem ausgeführten Bewegungen auch dauernd erfasst werden, so dass eine Abfolge, die beispielsweise während einer direkten Programmierung vom Bediener ausgeführt wird, und die mit einer gespeicherten Abfolge übereinstimmt, unabhängig von der Betätigung einer Eingabevorrichtung bzw. dem Umschalten in einen Befehlseingabemodus als Abfolge zur Befehlseingabe erkannt und der zugeordnete Befehl an die Steuerung des Manipulators ausgegeben wird.Similarly, the forces exerted on the manipulator or movements performed therewith can also be continuously detected, such that a sequence which is executed, for example, during a direct programming by the operator and which corresponds to a stored sequence, independently of the operation of an input device or is recognized as a command input sequence, and the associated command is output to the controller of the manipulator.
Die Sicherheit der Befehlseingabe kann durch ein zweistufiges Verfahren nach einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung weiter erhöht werden. Hierzu ist vorgesehen, dem Bediener eine Rückmeldung über den durch eine von ihm ausgeübte Kraft bzw. eine von ihm veranlasste Bewegung des Manipulators eingegebenen Befehl zu geben, auf die der Bediener mit einer bestätigenden Eingabe, beispielsweise dem Betätigen einer Eingabeeinrichtung, einer akustischen Antwort oder einer weiteren Befehlseingabe mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens reagieren muss. Nur falls der Befehl vom Bediener bestätigt worden ist, wird der der gespeicherten Kraft, Bewegung bzw. Abfolge zugeordneten Befehl an die Steuerung des Manipulators ausgegeben. Die Rückmeldung kann beispielsweise visuell, etwa durch eine Anzeige, akustisch, etwa durch Ausgabe einer Sprachsequenz, und/oder haptisch, etwa durch Vibrieren des Manipulators, erfolgen. Hierdurch wird die Gefahr versehentlicher Befehlsfehleingaben, etwa aufgrund einer Verwechslung der zugeordneten Abfolgen, reduziert.The security of the command input may be further increased by a two-step method according to a preferred embodiment of the present invention. For this purpose, it is provided to give the operator feedback about the force applied by a force exerted by him or an induced by him movement of the manipulator command to which the operator with a confirming input, such as pressing an input device, an acoustic response or a further command input must respond by means of the method according to the invention. Only if the command has been acknowledged by the operator will the command associated with the stored force, motion or sequence be output to the controller of the manipulator. The feedback can be done, for example, visually, for example by a display, acoustically, for example by outputting a speech sequence, and / or haptically, for example by vibrating the manipulator. This reduces the risk of accidental command input, for example due to a confusion of the associated sequences.
Eine solche Rückmeldung ist insbesondere auch zweckmäßig, um komplexere Befehle stufenweise und sukzessive einzugeben. Häufig soll beispielsweise zu einem bestimmten Befehl eines Roboters, etwa „touch up”, die Stellung des Roboters abgespeichert werden, in der er diesen Befehl ausführen soll. Hierzu kann in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zunächst der Befehl erfindungsgemäß durch eine Kraft, Bewegung oder Abfolge eingegeben werden. Anschließend wird der Manipulator vom Bediener in die zur Ausführung dieses Befehls vorgesehene Stellung bewegt und diese abgespeichert, wobei die Befehlseingabe und/oder das Erreichen der abzuspeichernden Stellung durch Eingabe eines Signals durch den Bediener, etwa Betätigen oder Loslassen eines Schalters, eingegeben wird. Hierzu kann nach Eingabe des Befehls und/oder Abspeicherung der zugeordneten Stellung des Manipulators eine Rückmeldung, etwa eine visuelle Anzeige oder akustische Meldung ausgegeben werden.Such feedback is also useful, in particular, to enter more complex commands stepwise and successively. Often, for example, to a specific command of a robot, such as "touch up", the position of the robot to be stored, in which he should execute this command. For this purpose, in a preferred embodiment of the present invention, the command can first be input according to the invention by a force, movement or sequence. Subsequently, the manipulator is moved by the operator into the position provided for executing this command and stored, wherein the command input and / or the reaching of the position to be stored by inputting a signal by the operator, such as pressing or releasing a switch is entered. For this purpose, after input of the command and / or storage of the assigned position of the manipulator feedback, such as a visual display or audible message can be issued.
Die von einem Bediener zur Befehlseingabe ausgeübten Kräfte bzw. ausgeführten Bewegungen stimmen im Allgemeinen nicht exakt mit abgespeicherten Abfolgen, insbesondere bezüglich ihrer Größen, Zeitverläufe oder zeitlichen Abständen, überein. Vorteilhafterweise weisen die abgespeicherten Kräfte, Bewegungen bzw. Abfolgen daher vorgegebene Toleranzfelder auf. Das heißt, wird vom Bediener auf den Manipulator eine Kraft ausgeübt oder mit dem Manipulator eine Bewegung ausgeführt, deren Richtung, Größe, zeitlicher Verlauf oder Abstand zu einer vorher aufgebrachten Kraft bzw. ausgeführten Bewegung sich von der Richtung, Größe, dem zeitlichen Verlauf bzw. dem zeitlichen Abstand einer abgespeicherten Kraft, Bewegung bzw. Abfolge unterscheidet, liegt dieser Unterschied jedoch innerhalb eines vorgegebenen maximalen Bereichs, so ergibt der Vergleich der erfassten und abgespeicherten Kraft bzw. Bewegung eine Übereinstimmung.The forces exerted by an operator for command input or executed movements generally do not match exactly with stored sequences, in particular with respect to their sizes, time courses or time intervals. Advantageously, the stored forces, movements or sequences therefore have predetermined tolerance fields. In other words, a force is exerted by the operator on the manipulator or a movement is carried out with the manipulator whose direction, size, time course or distance to a previously applied force or executed movement from the direction, size, the time course or However, this difference is within a predetermined maximum range, the comparison of the detected and stored force or movement results in a match between the time interval of a stored force, movement or sequence.
Besonders vorteilhaft sind hierzu die abgespeicherten Abfolgen in einfache Primitive, beispielsweise Kraft bzw. Bewegung nach oben/unten, links/rechts, vorne/hinten oder dergleichen, aufgeteilt, so dass eine Kraft bzw. Bewegung, die im Wesentlichen nach vorne gerichtet ist, dem Primitiv ”vorne” zugeordnet wird. Durch die Aufeinanderfolge solcher Primitive, beispielsweise ”oben” → ”rechts”, können dann auch komplexere Befehle bzw. eine entsprechende Befehlsgrammatik zuverlässig eingegeben werden.For this purpose, the stored sequences into simple primitives, for example force or movement upwards / downwards, left / right, front / rear or the like, are split particularly advantageously, so that a force or movement which is in the Essentially forward is assigned to the primitive "front". Due to the succession of such primitives, for example "top" → "right", even more complex commands or a corresponding command grammar can then be reliably entered.
Gleichermaßen können jedoch auch andere Mustererkennungsverfahren eingesetzt werden, beispielsweise auf neuronalen Netzen basierende lernende Verfahren, Fuzzy-Verfahren oder andere insbesondere aus der Bildverarbeitung bekannte Mustererkennungsverfahren.Equally, however, other pattern recognition methods can also be used, for example, neural network-based learning methods, fuzzy methods or other pattern recognition methods known in particular from image processing.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the dependent claims and the following embodiments. This shows, partially schematized:
In
Der Roboter
Im Ausführungsbeispiel soll der Befehl ”touch up” in eine Steuerung (nicht dargestellt) des Roboters
Diese Bewegung wird durch Resolver in den vier Bewegungsachsen des Roboters (nicht dargestellt) erfasst. Da eine solche Abfolge rascher orthogonaler Bewegungen üblicherweise bei der direkten Programmierung eines Roboters, d. h. einer manuellen Bewegung seines Endeffektors in gewünschte Sollpositionen, in der Regel nicht vorkommt, ist dieser Bewegungsfolge ”oben” → ”vorne” der Befehl ”touch up” zugeordnet.This movement is detected by resolvers in the four movement axes of the robot (not shown). Since such a sequence of rapid orthogonal movements is usually associated with the direct programming of a robot, i. H. a manual movement of its end effector in desired target positions, usually does not occur, this movement sequence "top" → "front" associated with the command "touch up".
Erfindungsgemäß wird während einer direkten Programmierung des Roboters in einem Schritt a1) eine erste Bewegung Δy in einer ersten Bewegungsrichtung y und, daran unmittelbar anschließend, in einem Schritt a2) eine zweite Bewegung Δz in einer zweiten Bewegungsrichtung z erfasst (
Um den akustisch ausgegeben Befehl zu bestätigen, drückt der Bediener in einem Schritt e) eine Eingabevorrichtung am Führungsgriff
In einer Abwandlung soll der Befehl ”Anfang CIRC” eingegeben werden. Für diesen Befehl ist die Bewegungsabfolge ”oben” → ”kleiner Kreis” abgespeichert. Dementsprechend führt der Bediener mittels des Führungsgriffes
In einer weiteren Abwandlung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels sind die Kraftregler des Roboters
Übt nun der Bediener eine Kraft Fy in y-Richtung auf den Führungsgriff
Nachdem der Bediener die erste Kraft Fy für eine gewisse Zeit aufgebracht hat, zieht er an dem Führungsgriff
Der Abfolge Fyi → Fzi einer ersten Kraft Fy in y-Richtung, gefolgt von einer zweiten Kraft Fz in z-Richtung ist ebenfalls der Befehl Bi = ”touch up” zugeordnet. Somit kann durch aufbringen von Kräften auf den Manipulator durch den Bediener auch dann ein Befehl eingegeben werden, wenn der steife Manipulator sich unter diesen Kräften nicht oder nicht erkennbar bewegt.The sequence Fyi → Fzi of a first force Fy in the y-direction, followed by a second force Fz in the z-direction is also associated with the command Bi = "touch up". Thus, by applying forces to the manipulator by the operator, a command can be entered even if the rigid manipulator does not or not noticeably move under these forces.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Roboterrobot
- 1.11.1
- Rumpfhull
- 1.21.2
- Oberarmupper arm
- 1.31.3
- Unterarmforearm
- 1.41.4
- Endeffektorend effector
- 22
- Führungsgriffguide handle
- q1, q2, ... q4q1, q2, ... q4
- Gelenkwinkeljoint angle
- x, y, zx, y, z
- roboterfestes KoordinatensystemRobotic coordinate system
- OO
- „(nach) oben”"(up"
- VV
- „(nach) vorne”"(Forward"
- LL
- „(nach) links”"(to the left"
- HH
- „(nach) hinten”"(To) behind"
- RR
- „(nach) rechts”"(to the right"
Claims (22)
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2008
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