DE102009014074B4 - Roboter und Verfahren zum Steuern einer kooperativen Arbeit des Roboters - Google Patents

Roboter und Verfahren zum Steuern einer kooperativen Arbeit des Roboters Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Steuern einer kooperativen Arbeit eines Roboters (10), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:Berechnen (104) von absoluten Koordinatenpositionen von Endeffektoren des Roboters, die jeweils an einer Vielzahl von Manipulatoren des Roboters vorgesehen sind, um die Arbeit auszuführen,Berechnen (108) einer relativen Koordinatenposition von den absoluten Koordinatenpositionen der Endeffektoren,Berechnen (112) von Gelenkdrehmomenten der Vielzahl von Manipulatoren unter Verwendung der berechneten relativen Koordinatenposition,Steuern (114) der kooperativen Arbeit der Vielzahl von Manipulatoren in Übereinstimmung mit den berechneten Gelenkdrehmomenten, undBerechnen (110) einer relativen Jacobi-Determinante eines der Endeffektoren, der einem anderen der Endeffektoren gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der relativen Jacobi-Determinante das Erhalten einer Impedanzsteuerungseingabe unter Verwendung einer Jacobi-Matrix in Übereinstimmung mit der relativen Koordinatenposition umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboter und ein Verfahren zum Steuern einer kooperativen Arbeit des Roboters sowie insbesondere einen Roboter, der eine kooperative Arbeit unter Verwendung einer Vielzahl von Roboter-Manipulatoren mittels einer Impedanzsteuerung ausführt, und ein Verfahren zum Steuern der kooperativen Arbeit des Roboters.
  • Allgemein werden Maschinen, die unter Verwendung von elektrischen oder magnetischen Betätigungen ähnliche Bewegungen wie Menschen ausführen, als Roboter bezeichnet. Roboter können aufgrund der fortschreitenden Entwicklung der Steuertechnologie für immer mehr Betätigungsfelder eingesetzt werden. So gibt es Haushaltsroboter in Haushalten, Serviceroboter in öffentlichen Einrichtungen, Transportroboter in industriellen Anlagen und Arbeitsunterstützungsroboter. Diese Roboter führen Arbeiten unter Verwendung von Manipulatoren aus, die mittels elektrischer und/oder mechanischer Mechanismen Bewegungen auszuführen können, die denjenigen eines menschlichen Arms oder einer menschlichen Hand ähnlich sind.
  • Die meisten der derzeit verwendeten Roboter-Manipulatoren umfassen eine Vielzahl von Gliedern, die miteinander verbunden sind. Verbindungsteile zwischen den Gliedern werden als Gelenke bezeichnet, wobei die Bewegungseigenschaften der Manipulatoren durch die geometrische Beziehung zwischen den Gliedern und den Gelenken bestimmt werden. Die geometrische Beziehung kann kinematisch-mathematisch ausgedrückt werden. Roboter mit derartigen kinematischen Eigenschaften bewegen Endeffektoren in bestimmten Richtungen, um Arbeiten auszuführen.
  • US 2006/0184272 a1 beschreibt eine Robotersteuerung, bei der die absoluten Koordinatenpositionen von Endeffektoren berechnet werden können. Dies wird in der Druckschrift beispielsweise im Hinblick auf Kraftvektoren, Drehmoment-Koeffizientenmatrizen und dergleichen beschrieben.
    US 2009/0105880 A1 beschreibt einen Roboterarm, der in bestimmter Weise gesteuert wird, ohne dass entsprechende Relativpositionen von zwei Roboterarmen erwähnt werden.
    US 5,523,663 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Manipulators relativ zu einem bewegten Werkstück, wobei nur ein Manipulator oder Effektor verwendet wird.
    US 4,999,553 beschreibt Verfahren und Vorrichtung zur Konfigurationssteuerung eines Roboters mit nur einem Effektor. Es werden einige Möglichkeiten zur Steuerung beschrieben, wie beispielsweise eine Jacobimatrix, die Position und Orientierung des Endeffektors und dergleichen.
    US 2007/0083290 A1 beschreibt einen Roboter mit zwei Endeffektoren und einer entsprechenden Steuerung mittels Kraftinformation und kinetischen Modulen einer Verbindungsstruktur des Roboters.
    DE 691 22 317 T2 beschreibt eine Steuervorrichtung für einen Roboter in einem Trägheitskoordinatensystem. Der Roboter weist einen Arm in einem Hauptroboterkörper auf. Weiterhin gibt es Sollwert-Einstelleinrichtungen, Detektiermittel und eine Steuereinrichtung, so dass der Roboter in dem Trägheitskoordinatensystem frei beweglich ist.
  • 1 zeigt ein herkömmliches Verfahren zum Ausführen von kooperativen Arbeiten unter Verwendung von Roboter-Manipulatoren.
  • Um wie in 1 gezeigt einen Deckel durch Drehen von einer Flasche zu entfernen, sind wenigstens zwei Roboter-Manipulatoren 1 und 3 erforderlich, wobei die zwei Roboter-Manipulatoren 1 und 3 in diesem Fall eine kooperative Arbeit ausführen müssen. Um die kooperative Arbeit unter Verwendung der zwei Roboter-Manipulatoren 1 und 3 auszuführen, berechnet eine Steuereinheit 5 die absoluten Positionen der zwei Roboter-Manipulatoren 1 und 3, indem sie die Bewegungsbahnen der zwei Endeffektoren 1-1 und 3-1 berechnet, und berechnet weiterhin Gelenkdrehmomente in Entsprechung zu den Positionen und den Richtungsvektoren der zwei Endeffektoren 1-1 und 3-1, um die Roboter-Manipulatoren 1 und 3 entsprechend zu steuern. Das koreanische Patent KR 100 160 693 B1 gibt ein Beispiel für das Verfahren zum Ausführen einer kooperativen Arbeit unter Verwendung von zwei Roboter-Manipulatoren an.
  • Weil jedoch bei dem herkömmlichen Verfahren zum Ausführen einer kooperativen Arbeit unter Verwendung von Roboter-Manipulatoren die Positionen und die Richtungen der zwei Endeffektoren 1-1 und 3-1 in entsprechenden absoluten Koordinatensystemen benötigt werden, um die Bewegungsbahn des Roboters zu berechnen, muss ein Benutzer die Positionen und Richtungen der zwei Endeffektoren 1-1 und 3-1 jeweils berücksichtigen, wenn eine komplexe kooperative Arbeit ausgeführt wird, sodass die Berechnung aufwändig ist. Wenn weiterhin der Roboter-Manipulator 3 die kooperative Arbeit alleine ausführt, während der andere Roboter-Manipulator 1 ein Objekt greift und dadurch die Position des Objekts hält, ist der Arbeitsraum auf die Grenzen der Gelenkwinkel beschränkt.
  • Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, einen Roboter, der eine kooperative Arbeit ohne Beschränkung hinsichtlich des Arbeitsraums mittels einer Impedanzsteuerung unter Verwendung einer relativen Jacobi-Determinante eines Endeffektors zu einem anderen Endeffektor ausführt, und ein entsprechendes Verfahren zum Steuern der kooperativen Arbeit des Roboters anzugeben.
  • Andere Aufgaben und/oder Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung verdeutlicht oder können bei der Umsetzung der Erfindung zu Tage treten.
  • Die oben genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Für die Berechnung der absoluten Koordinatenpositionen der Endeffektoren können Gelenkwinkel der Vielzahl von Manipulatoren gemessen werden und können die aktuellen absoluten Koordinatenpositionen der Endeffektoren unter Verwendung einer Funktion der gemessenen Gelenkwinkel berechnet werden.
  • Das Verfahren kann weiterhin einen Schritt umfassen, in dem bestimmt wird, ob die absoluten Koordinatenpositionen der Endeffektoren eine zuvor eingegebene Zielposition erreichen, wobei die kooperative Arbeit der Vielzahl von Manipulatoren beendet werden kann, wenn bestimmt wird, dass die absoluten Koordinatenpositionen der Endeffektoren die Zielposition erreichen.
  • Die Zielposition kann eingegeben werden, indem die Bewegungsbahn eines Endeffektors aus der Vielzahl von Endeffektoren zu der Koordinatenposition eines anderen Endeffektors aus der Vielzahl von Endeffektoren verfolgt wird.
  • Bei der Berechnung der relativen Koordinatenposition kann die relative Koordinatenposition eines gegenüberliegenden Endeffektors von den absoluten Koordinatenpositionen der entsprechenden Endeffektoren berechnet werden.
  • Die relative Koordinatenposition kann ein Wert sein, der durch das Subtrahieren der absoluten Koordinatenposition des gegenüberliegenden Endeffektors von der absoluten Koordinatenposition eines beliebigen Endeffektors aus der Vielzahl von Endeffektoren erhalten wird.
  • Die Impedanzsteuerungseingabe kann erhalten werden, indem die Gelenkdrehmomente der Vielzahl von Manipulatoren unter Verwendung der relativen Jacobi-Determinante und der relativen Koordinatenposition berechnet wird.
  • Bei der Berechnung der absoluten Koordinatenpositionen des ersten und des zweiten Endeffektors können Gelenkwinkel der Vielzahl von Manipulatoren gemessen werden und können die aktuellen absoluten Koordinatenpositionen des ersten und des zweiten Endeffektors unter Verwendung einer Funktion der gemessenen Gelenkwinkel berechnet werden.
  • Die folgende Impedanzsteuerungsgleichung kann verwendet werden, um die Gelenkdrehmomente des ersten und des zweiten Manipulators zu berechnen: ( τ A ,   τ B ) = Jrel Krel  ( Xdrel − Xrel )
    Figure DE102009014074B4_0001
    wobei Jrel die relative Jacobi-Determinante ist, Xdrel die Zielposition ist, Xrel die relative Position ist, Krel ein zuvor in ein relatives Koordinatensystem eingegebener Steifigkeitskoeffizient ist und τA und τB die Gelenkdrehmomente des ersten und des zweiten Manipulators sind.
  • Die Relativpositions-Berechnungseinheit kann die relative Koordinatenposition eines gegenüberliegenden Endeffektors von den absoluten Koordinatenpositionen der Vielzahl von Endeffektoren berechnen.
  • Die relative Koordinatenposition kann ein Wert sein, der durch das Subtrahieren der absoluten Koordinatenposition des gegenüberliegenden Endeffektors von der absoluten Koordinatenposition eines beliebigen Endeffektors aus der Vielzahl von Endeffektoren erhalten wird.
  • Die Impedanzsteuerungseingabe kann erhalten werden, indem die Gelenkdrehmomente der Vielzahl von Manipulatoren unter Verwendung der relativen Jacobi-Determinante und der relativen Koordinatenposition berechnet werden.
  • Diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung verschiedener Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
    • 1 ist eine Ansicht, die ein herkömmliches Verfahren zum Ausführen einer kooperativen Arbeit unter Verwendung von Roboter-Manipulatoren zeigt.
    • 2 ist eine schematische Ansicht, die das Aussehen eines Roboters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 3 ist ein Steuerblockdiagramm zu den Manipulatoren des Roboters gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern der kooperativen Arbeit eines Roboters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschreiben, in denen durchgehend gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um entsprechende Elemente anzugeben. Die Ausführungsform wird beschrieben, um die Erfindung zu verdeutlichen.
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die das Aussehen eines Roboters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • In 2 ist ein Roboter 10 der vorliegenden Erfindung ein zweibeiniger Gehroboter, der unter Verwendung von zwei Beinen 11 und 12 wie ein Mensch aufrecht gehen kann. Der Roboter 10 umfasst einen Oberkörper 13, zwei Arme 14 und 15 (nachfolgend als erster und zweiter Manipulator bezeichnet), einen Kopf 18 und die zwei Beine 11, 12 für den aufrechten Gang.
  • Der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 umfassen jeweils eine Vielzahl von Gliedern 14A und 15A, die miteinander verbunden sind, sodass die Teile des Roboters 10, die den Schultern, Ellbogen und Handgelenken eines Menschen entsprechen, gedreht werden können. Die Verbindungsteile zwischen den Gliedern 14A und 15A werden als Gelenke bezeichnet. Der „Freiheitsgrad“ ist ein Maß dafür, wie viele Achsen eine Bewegung bis zu einem gewissen Grad in Übereinstimmung mit der Bewegung der Gelenke gestatten. Zum Beispiel weist ein Glied mit einer Achse in einer Richtung einen Freiheitsgrad von 1 auf.
  • Endeffektoren 16 und 17 zum Ausführen einer Arbeit in Entsprechung zu einer Tätigkeit des menschlichen Körpers wie etwa ein Greifer zum Greifen eines Zielobjekts, einer Sprühdüse zum Besprühen des Zielobjekts, eines Elektrodenkontaktpunkts für ein Punktschweißen, eines Schweißbrenner für ein Schweißen, eines Bohrers, ein Schleifers und einer Wasserstrahldrüse zum Schneiden sind an vorderen Enden des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 vorgesehen.
  • 3 ist ein Steuerblockdiagramm zu den Manipulatoren des Roboters gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Roboter 10 umfasst eine Zielpositions-Eingabeeinheit 20, eine erste und eine zweite Aktuellpositions-Berechnungseinheit 22 und 24, eine Positionsvergleichseinheit 26, eine Relativpositions-Berechnungseinheit 28, eine Relativ-Jacobi-Determinanten-Erzeugungseinheit 30, eine Impedanzsteuereungseinheit 32 und eine erste und eine zweite Gelenkdrehmoment-Steuereinheit 34 und 36.
  • Die Zielpositions-Eingabeeinheit 20 gibt eine relative Zielposition Xdrel (nachfolgend als „Zielposition“ bezeichnet) ein, zu der sich der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 auf der Bewegungsbahn des zweiten Endeffektors 17 (oder des ersten Endeffektors 16) zu dem Koordinatensystem des ersten Endeffektors 16 (oder des zweiten Endeffektors 17) bewegen, um eine kooperative Arbeit unter Verwendung des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 auszuführen.
  • Die erste und die zweite Aktuellpositions-Berechnungseinheiten 22 und 24 lesen die Gelenkwinkel θA und θB des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 unter Verwendung von Positionssensoren (oder Geschwindigkeitssensoren wie etwa Tachometern), um jeweils die Gelenkwinkel θA und θB des ersten und des zweiten Manipulators zu messen und aktuelle absolute Koordinatenpositionen XA und XB (nachfolgend als „aktuelle Positionen“ bezeichnet) des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 von den gelesenen Gelenkwinkeln θA und θB zu berechnen.
  • Die Positionsvergleichseinheit 26 vergleicht die aktuellen Positionen XA und XB des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17, die durch die erste und die zweite Aktuellpositions-Berechnungseinheiten 22 und 24 berechnet wurden, mit der eingegebenen Zielposition Xdrel und bestimmt, ob die aktuellen Positionen XA und XB des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 die eingegebene Zielposition Xdrel erreichen oder nicht.
  • Die Relativpositions-Berechnungseinheit 28 berechnet eine relative Koordinatenposition Xrel (nachfolgend als „relative Position“ bezeichnet), d.h. ein relatives Koordinatensystem, aus den aktuellen Positionen XA und XB des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17, wenn die Positionsvergleichseinheit 26 bestimmt, dass die aktuellen Positionen XA und XB des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 die Zielposition Xdrel nicht erreichen.
  • Die Relativ-Jacobi-Determinanten-Erzeugungseinheit 30 berechnet eine relative Jacobi-Determinante Jrel des zweiten oder ersten Endeffektors 17 oder 16 zu dem ersten oder zweiten Endeffektor 16 oder 17 unter Verwendung der durch die Relativpositions-Berechnungseinheit 28 berechneten relativen Position Xrel, d.h. unter Verwendung des relativen Koordinatensystems. Das Verfahren zum Steuern einer kooperativen Arbeit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das die relative Jacobi-Determinante Jrel unter Verwendung des relativen Koordinatensystems berechnet, kann im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren, das ein absolutes Koordinatensystem verwendet, intuitiv eine Bewegung erzielen und durch eine Impedanzsteuerung, in welcher der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 wie ein einzelner integrierter Manipulator gesteuert werden, einen ausreichend redundanten Freiheitsgrad nutzen.
  • Die Impedanzsteuereinheit 32 führt eine Impedanzsteuerung durch, um die Drehmomente τA und τB des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 zu berechnen, wobei sie die durch die Relativ-Jacobi-Determinanten-Erzeugungseinheit 30 berechnete relative Jacobi-Determinante Jrel, die durch die Zielpositions-Eingabeeinheit 20 eingegebene Zielposition Xdrel, die durch die Relativpositions-Berechnungseinheit 28 berechnete relative Position Xrel und einen zuvor in das relative Koordinatensystem eingegebenen Steifigkeitskoeffizienten Krel verwendet. Dabei ist der Steifigkeitskoeffizient Krel ein Steifigkeitskoeffizient in der Impedanzsteuerung, der einen zuvor eingegebenen Wert aufweist.
  • Die erste und die zweite Gelenkdrehmoment-Steuereinheit 34 und 36 bewegen den ersten und den zweiten Manipulator 14 und 15 zu der Zielposition Xdrel auf der Basis der Größen der durch die Impedanzsteuereinheit 32 berechneten Gelenkdrehmomente τA und τB des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 und gestatten damit, dass der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 eine kooperative Arbeit ausführen.
  • Im Folgenden werden der Bewegungsprozess und die Funktion des oben genannten Roboters und das Verfahren zum Steuern der kooperativen Arbeit beschrieben.
  • Um das Bewegungsprinzip des Roboters der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, werden zuerst die Jacobi-Determinante und die Impedanzsteuerung des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 beschrieben.
  • Die aktuellen Positionen des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 werden durch eine Funktion eines Gelenkwinkels θ erhalten, wie in der folgenden Gleichung 1 angegeben. X = f ( θ )
    Figure DE102009014074B4_0002
  • In der folgenden Gleichung 2, die durch eine Differenzierung der Gleichung 1 erhalten wird, steht J für eine Jacobi-Determinante und gibt die Abbildung eines kartesischen Raums und einen Raum der Funktion des Gelenkwinkels θ wieder. X = J ϑ
    Figure DE102009014074B4_0003
  • Hier gibt J eine transponierte Matrix der Jacobi-Determinante zu einem absoluten Koordinatensystem wieder.
  • Die Impedanzsteuerung ist ein Steuerverfahren, mit dem eine Begrenzung in einer Positionssteuerung mit einer hohen Steifigkeit K (Steifigkeitskoeffizient in Impedanzeigenschaften) überwunden und die Steifigkeit entsprechend eingestellt werden kann, um eine korrekte Kraft anzuwenden, wenn der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 interagieren. Die Impedanzsteuerung in dem kartesischen Raum wird durch die folgende Gleichung 3 wiedergegeben. τ = J r K ( X d − X )
    Figure DE102009014074B4_0004
  • Dabei gibt X die aktuellen Positionen des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 wieder, gibt Xd die Zielposition des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 wieder und gibt τ die Gelenkdrehmomente des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 wieder.
  • Damit der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 die kooperative Arbeit unter Verwendung der Impedanzsteuerung ausführen können, werden zuerst die Positionen des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 aus den Bewegungsbahnen des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 auf dem absoluten Koordinatensystem berechnet, wobei dann die Gelenkdrehmomente unter Verwendung der Gleichung 3 berechnet werden. Um jedoch die Größen der Gelenkdrehmomente durch den oben genannten Prozess zu erhalten, muss ein Benutzer die Positionen des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 einzeln berücksichtigen, sodass umfangreiche Berechnungen auszuführen sind. Um diesen Nachteil zu beseitigen, schlägt die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Konzept der relativen Jacobi-Determinante vor, in der die relativen Koordinaten des zweiten Endeffektors 17 (oder des ersten Endeffektors 16) zu dem ersten Endeffektor 16 (oder dem zweiten Endeffektor 17) intuitiv erhalten werden. Das Konzept der relativen Jacobi-Determinante in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet ein in den nachfolgend genannten Referenzen angegebenes Verfahren, das hier ausführlich mit Bezug auf 4 erläutert wird.
    • Referenz 1: Akira Mohri, „Cooperative Path Planning for Two Manipulators“, International Conf. on Robotics and Automation, Seiten 2853-2858, 1996
    • Referenz 2: Christopher L. Lewis, „Trajectory Generation for Two Robots Cooperating To Perform a Task“, Inter. Conf. on Robotics and Automation, Seiten 1626-1631, 1996
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern einer kooperativen Arbeit eines Roboters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Wenn in 4 wenigstens zwei Manipulatoren, d.h. der erste und der zweite Manipulator 14 und 15, erforderlich sind, um eine Arbeit an einem Zielobjekt auszuführen, führen der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 eine kooperative Arbeit aus. Damit der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 eine kooperative Arbeit ausführen können, gibt die Zielpositions-Eingabeeinheit 20 eine Zielposition Xdrel ein, zu der sich der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 auf der Bewegungsbahn des zweiten Endeffektors 17 (oder des ersten Endeffektors 16) zu dem Koordinatensystem des ersten Endeffektors 16 (oder des zweiten Endeffektors 17) bewegen (Operation 100). Dabei wird die Zielposition Xdrel durch einen Benutzer (oder einen Programmierer) eingegeben.
  • Wenn die Zielposition Xdrel eingegeben wurde, lesen die erste und die zweite Aktuellpositions-Berechnungseinheiten 22 und 24 die Gelenkwinkel θA und θB des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 unter Verwendung von Positionssensoren (oder Geschwindigkeitssensoren wie etwa Tachometern), um jeweils die Gelenkwinkel θA und θB des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 zu messen (Operation 102), und berechnen jeweils aktuelle Positionen XA und XB des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 aus den gelesenen Gelenkwinkeln θA und θB (Operation 104).
  • Danach vergleicht die Positionsvergleichseinheit 26 die durch die erste und die zweite Aktuellpositions-Berechnungseinheiten 22 und 24 berechneten aktuellen Positionen XA und XB des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 mit der eingegebenen Zielposition Xdrel und bestimmt, ob die aktuellen Positionen XA und XB des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 die Zielposition Xdrel erreichen oder nicht (Operation 106).
  • Wenn die Bestimmung der Operation 106 ergibt, dass die aktuellen Positionen XA und XB des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 die Zielposition Xdrel erreichen, wird die kooperative Arbeit unter Verwendung des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 beendet. Und wenn die aktuellen Positionen XA und XB des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 die Zielposition Xdrel nicht erreichen, berechnet die Relativpositions-Berechnungseinheit 28 eine relative Koordinatenposition Xrel (hier: Xrel = XA - XB), d.h. ein relatives Koordinatensystem, von den aktuellen Positionen XA und XB des ersten und des zweiten Endeffektors 16 und 17 (Operation 108).
  • Danach berechnet die Relativ-Jacobi-Determinanten-Erzeugungseinheit 30 eine relative Jacobi-Determinante Jrel des zweiten Endeffektors 17 (oder des ersten Endeffektors 16) zu dem ersten Endeffektor 16 (oder dem zweiten Endeffektor 17) unter Verwendung der durch die Relativpositions-Berechnungseinheit 28 berechneten relativen Position Xrel, d.h. des relativen Koordinatensystems (Operation 110). Das Kooperativarbeit-Steuerverfahren dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das die relative Jacobi-Determinante Jrel unter Verwendung des relativen Koordinatensystems berechnet, kann im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren, das das absolute Koordinatensystem verwendet, intuitiv eine Bewegung erhalten und verwendet einen ausreichend redundanten Freiheitsgrad mittels der Impedanzsteuerung, in der der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 wie ein einzelner integrierter Manipulator gesteuert werden können.
  • Um die relative Jacobi-Determinate Jrel unter Verwendung des relativen Koordinatensystems des zweiten Endeffektors 17 (oder des ersten Endeffektors 16) zu dem ersten Endeffektor 16 (oder dem zweiten Endeffektor 17) zu berechnen, wurde das oben in den Referenzen 1 und 2 angegebene Verfahren verwendet.
  • Wenn die relative Jacobi-Determinante Jrel eines Endeffektors (zum Beispiel des zweiten Endeffektors 17) zu einem anderen Endeffektor (zum Beispiel zu dem ersten Endeffektor 16) unter Verwendung des in den Referenzen 1 und 2 angegebenen Verfahrens berechnet wird, führt die Impedanzsteuerungseinheit 32 eine Impedanzsteuerung unter Verwendung der von der Relativ-Jacobi-Determinanten-Erzeugungseinheit 30 eingegebenen Jacobi-Determinante Jrel, der von der Zielpositions-Eingabeeinheit 20 eingegebenen Zielposition Xdrel und der durch die Relativpositions-Berechnungseinheit 28 berechneten relativen Position Xrel durch, berechnet die Gelenkdrehmomente τA und τB des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 und gibt die Gelenkdrehmomente τA und τB in die erste und in die zweite Gelenkdrehmoment-Steuereinheit 34 und 36 ein (Operation 112).
  • Eine Impedanzsteuerungsgleichung zum Berechnen der Gelenkdrehmomente τA und τB des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 wird durch die folgenden Gleichung 4 wiedergegeben. ( τ A ,   τ B ) = Jrel Krel  ( Xdrel − Xrel )
    Figure DE102009014074B4_0005
  • Dabei ist Krel ein Steifigkeitskoeffizient, der zuvor in das relative Koordinatensystem eingegeben wird.
  • Die Impedanzsteuerung verwendet einen Algorithmus, der eine korrekte Kraft anwendet, wenn der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 interagieren, um eine Steifigkeit oder Weichheit für die Bewegung des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 vorzusehen, und berechnet auf diese Weise die Größe des Gelenkdrehmomente τA und τB derart, dass sich der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 zu einer gewünschten Position bewegen und eine kooperative Arbeit ausführen können.
  • Die erste und die zweite Gelenkdrehmoment-Steuereinheit 34 und 36 bewegen also den ersten und den zweiten Manipulator 14 und 15 zu der Zielposition Xdrel auf der Basis der durch die Impedanzsteuereinheit 32 berechneten Größe der Gelenkdrehmomente τA und τB des ersten und des zweiten Manipulators 14 und 15 und ermöglichen damit, dass der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 eine kooperative Arbeit ausführen (Operation 114), wobei dann folgende Operationen wiederholt werden, bis der erste und der zweite Manipulator 14 und 15 die Zielposition Xdrel erreichen.
  • Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf einen humanoiden Roboter beschrieben, der die zwei Manipulatoren 14 und 15 aufweist, wobei die vorliegende Erfindung jedoch keineswegs darauf beschränkt ist. Wenn eine kooperative Arbeit unter Verwendung mehrerer industrieller Roboter ausgeführt wird, können die mehreren Roboter wie ein einzelner Roboter mittels der Impedanzsteuerung unter Verwendung einer Jacobi-Determinante gesteuert werden, sodass ein ausreichend redundanter Freiheitsgrad erhalten wird, um eine Begrenzung des Arbeitsraums zu überwinden.
  • Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, dass die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Roboter und ein Verfahren zum Steuern einer kooperativen Arbeit des Roboters angibt, wobei eine Vielzahl von Roboter-Manipulatoren eine kooperative Arbeit mittels einer Impedanzsteuerung unter Verwendung einer relativen Jacobi-Determinante eines Endeffektors zu einem anderen Endeffektor ausführen, wodurch ein ausreichend redundanter Freiheitsgrad erhalten wird, sodass die Vielzahl von Roboter-Manipulatoren wie ein einzelner Roboter-Manipulator gesteuert wird und eine Begrenzung des Arbeitsraums überwunden wird.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Steuern einer kooperativen Arbeit eines Roboters (10), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Berechnen (104) von absoluten Koordinatenpositionen von Endeffektoren des Roboters, die jeweils an einer Vielzahl von Manipulatoren des Roboters vorgesehen sind, um die Arbeit auszuführen, Berechnen (108) einer relativen Koordinatenposition von den absoluten Koordinatenpositionen der Endeffektoren, Berechnen (112) von Gelenkdrehmomenten der Vielzahl von Manipulatoren unter Verwendung der berechneten relativen Koordinatenposition, Steuern (114) der kooperativen Arbeit der Vielzahl von Manipulatoren in Übereinstimmung mit den berechneten Gelenkdrehmomenten, und Berechnen (110) einer relativen Jacobi-Determinante eines der Endeffektoren, der einem anderen der Endeffektoren gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der relativen Jacobi-Determinante das Erhalten einer Impedanzsteuerungseingabe unter Verwendung einer Jacobi-Matrix in Übereinstimmung mit der relativen Koordinatenposition umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der absoluten Koordinatenpositionen der Endeffektoren das Messen (102) von Gelenkwinkeln der Vielzahl von Manipulatoren umfasst und das Berechnen (104) der absoluten Koordinatenpositionen der Endeffektoren das Verwenden einer Funktion der gemessenen Gelenkwinkel umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch das Eingeben (100) einer Zielposition und das Bestimmen (106), ob die absoluten Koordinatenpositionen der Endeffektoren die Zielposition erreichen, wobei die kooperative Arbeit der Vielzahl von Manipulatoren beendet wird, wenn bestimmt wird, dass die absoluten Koordinatenpositionen der Endeffektoren die Zielposition erreichen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingeben (100) der Zielposition das Verfolgen einer Bewegungsbahn eines der Endeffektoren zu der Koordinatenposition des anderen der Endeffektoren umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen (108) der relativen Koordinatenposition das Berechnen der relativen Koordinatenposition auf der Basis eines gegenüberliegenden der Endeffektoren aus den berechneten absoluten Koordinatenpositionen umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin gekennzeichnet durch das Subtrahieren der absoluten Koordinatenposition des gegenüberliegenden der Endeffektoren von der absoluten Koordinatenposition eines beliebigen der Endeffektoren, um die relative Koordinatenposition zu bestimmen.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhalten (112) der Impedanzsteuerungseingabe das Berechnen der Gelenkdrehmomente der Vielzahl von Manipulatoren unter Verwendung der relativen Jacobi-Determinante und der relativen Koordinatenposition umfasst.
  8. Verfahren zum Steuern einer kooperativen Arbeit eines Roboters (10), das folgende Schritte umfasst: Berechnen von absoluten Koordinatenpositionen eines ersten und eines zweiten Endeffektors, die jeweils an einem ersten und einem zweiten Manipulator vorgesehen sind, um die Arbeit auszuführen, Berechnen einer relativen Koordinatenposition eines der Endeffektoren aus der absoluten Koordinatenposition des anderen der Endeffektoren, Berechnen von Gelenkdrehmomenten des ersten und des zweiten Manipulators unter Verwendung der relativen Koordinatenposition, Steuern der kooperativen Arbeit des ersten und des zweiten Manipulators in Übereinstimmung mit den berechneten Gelenkdrehmomenten, und Berechnen einer relativen Jacobi-Determinante eines der Endeffektoren relativ zu dem anderen Endeffektor, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der relativen Jacobi-Determinante das Erfassen einer Impedanzsteuerungseingabe unter Verwendung einer Jacobi-Matrix in Übereinstimmung mit der aus den aktuellen absoluten Koordinatenpositionen berechneten relativen Koordinatenposition umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der absoluten Koordinatenpositionen des ersten und des zweiten Endeffektors das Messen von Gelenkwinkeln der Vielzahl von Manipulatoren umfasst und das Berechnen der aktuellen absoluten Koordinatenpositionen des ersten und des Endeffektors das Verwenden einer Funktion der gemessenen Gelenkwinkel umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die folgende Impedanzsteuerungsgleichung zum Berechnen der Gelenkdrehmomente des ersten und des zweiten Manipulators verwendet wird: ( τ A ,   τ B ) = Jrel Krel  ( Xdrel − Xrel )
    Figure DE102009014074B4_0006
    wobei Jrel die relative Jacobi-Determinante ist, Xdrel die Zielposition ist, Xrel die relative Position ist, Krel ein zuvor in ein relatives Koordinatensystem eingegebener Steifigkeitskoeffizient ist und τA und τB die Gelenkdrehmomente des ersten und des zweiten Manipulators sind.
  11. Roboter (10), der umfasst: eine Vielzahl von Manipulatoren (14, 15) zum Ausführen einer Arbeit, eine Vielzahl von Endeffektoren (16, 17), die jeweils an der Vielzahl von Manipulatoren (14, 15) vorgesehen sind, eine Relativpositions-Berechnungseinheit (28) zum Berechnen einer relativen Koordinatenposition aus absoluten Koordinatenpositionen der Vielzahl von Endeffektoren (16, 17), eine Steuereinheit (32) zum Berechnen von Gelenkdrehmomenten der Vielzahl von Manipulatoren (14, 15) unter Verwendung der relativen Koordinatenpositionen und zum Steuern der kooperativen Arbeit der Vielzahl von Manipulatoren (14, 15) in Übereinstimmung mit den berechneten Gelenkdrehmomenten, und eine Relativ-Jacobi-Determinanten-Erzeugungseinheit (30) zum Berechnen einer relativen Jacobi-Determinante eines Endeffektors gegenüber einem anderen der Endeffektoren, wobei die Relativ-Jacobi-Determinanten-Erzeugungseinheit (30) eine Impedanzsteuerungseingabe mittels einer Jacobi-Matrix unter Verwendung der relativen Koordinatenposition erhält.
  12. Roboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativpositions-Berechnungseinheit (28) die relative Koordinatenposition eines Endeffektors von den absoluten Koordinatenpositionen eines anderen der Vielzahl von Endeffektoren gegenüber dem einen Endeffektor berechnet.
  13. Roboter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Koordinatenposition ein Wert ist, der durch das Subtrahieren der absoluten Koordinatenposition des einen Endeffektors von der absoluten Koordinatenposition des Endeffektors gegenüber dem einen Endeffektor erhalten wird.
  14. Roboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzsteuerungseingabe erhalten wird, indem die Gelenkdrehmomente der Vielzahl von Manipulatoren (14, 15) unter Verwendung der relativen Jacobi-Determinante und der relativen Koordinatenposition erhalten werden.
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