DE102022206320A1

DE102022206320A1 - Verfahren und System zum Betreiben eines Roboters

Info

Publication number: DE102022206320A1
Application number: DE102022206320.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Keibel
Original assignee: KUKA Deutschland GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2022-06-23
Filing date: 2022-06-23
Publication date: 2023-12-28
Also published as: WO2023247210A1

Abstract

Zum Betreiben eines Roboters (1), der mehrere Gelenke (11, 12, 15) aufweist, wird während einer durch Gelenkantriebe (12.1) bewirkten Bewegung des Roboters für zwei oder mehr, insbesondere alle, Gelenke jeweils basierend auf wenigstens einem Sensorwert ein aktueller ein- oder mehrdimensionaler Lastgrößenwert für das jeweilige Gelenk ermittelt (S10) und basierend auf diesem aktuellen Lastgrößenwert und einem ein- oder mehrdimensionalen vorgegebenen Grenzwert für das jeweilige Gelenk ein ein- oder mehrdimensionaler Belastungswert für das jeweilige Gelenk ermittelt (S20), wobei basierend auf den Belastungswerten eine Aktion des Roboters zur Reduzierung einer oder mehrerer Komponenten dieser Belastungswerte durchgeführt wird und/oder basierend auf den Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters signalisiert und/oder abgespeichert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Betreiben eines Roboters sowie ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
Roboter weisen verschiedene Bauteile, beispielsweise Kinematikstrukturkörper, Antriebsmotoren, Getriebe, Bremsen, Lager, Sensoren und dergleichen auf, die jeweils unterschiedliche Belastungsgrenzen hinsichtlich verschiedener Belastungen aufweisen und je nach aktueller Pose und Bewegung des Roboters auch unterschiedlich belastet werden.
Dies wird bisher nur sehr grob durch maximal zulässige Traglasten berücksichtigt, die für ungünstigste Posen, beispielsweise ausgestreckte bzw. -kragende Roboterarme vorgegeben werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Betrieb eines Roboters zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 13, 14 stellen ein System bzw. Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Roboter, der in einer Weiterbildung einen Roboterarm aufweist, in einer Ausführung ein Roboterarm ist, mehrere, vorzugsweise wenigstens drei, in einer Ausführung wenigstens sechs, in einer Weiterbildung wenigstens sieben, Gelenke, in einer Ausführung Drehgelenke, auf, die durch, vorzugsweise elektromotorische, Gelenkantriebe verstellbar sind bzw. verstellt werden, um eine Bewegung des Roboters zu bewirken.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird während einer durch seine Gelenkantriebe bewirkten Bewegung des Roboters für zwei oder mehr, vorzugsweise alle, Gelenke jeweils:

- basierend auf einem (Mess)Wert von wenigstens einem Sensor, in einer Ausführung auf (Mess)Werten von mehreren Sensoren, ein aktueller ein- oder mehrdimensionaler Lastgrößenwert für das jeweilige Gelenk bzw. gelenkspezifisch ermittelt; und
- basierend auf diesem aktuellen Lastgrößenwert und einem ein- oder mehrdimensionalen vorgegebenen Grenzwert für das jeweilige Gelenk, in einer Ausführung basierend auf einer Differenz zwischen Grenz- und Lastgrößenwert für das jeweilige Gelenk, ein ein- oder mehrdimensionaler Belastungswert für das jeweilige Gelenk bzw. gelenkspezifisch ermittelt.

Bei mehrdimensionalen Lastgrößenwerten, Grenzwerten und Belastungswerten sind Komponenten bzw. Dimensionen der Lastgrößenwerte, Grenzwerte und Belastungswerte in einer Ausführung einander zugeordnet, vorzugweise derart, dass die Komponente j des Belastungswertes für das Gelenk i basierend auf der entsprechenden Dimension bzw. Komponente j des Lastgrößenwertes für das Gelenk i und der entsprechenden Dimension bzw. Komponente j des Grenzwertes für das Gelenk i ermittelt wird bzw. in allgemeiner Form: $\begin{array}{l} B (i, j) = B (L (i, j), G (i, j)), i = 1, \dots Anzahl der Gelenke; j = 1, \dots EDimension bzw . \\ Anzahl der Komponenten von Lastgr \ddot{o} ß en-, Grenz- und Belastungswerten \end{array}$
mit

B(i,j): Komponente j des Belastungswertes für das Gelenk i;
L(i,j): Komponente j des Lastgrößenwertes für das Gelenk i;
G(i,j): Komponente j des Grenzwertes für das Gelenk i;

Durch mehrere Komponenten können in einer Ausführung unterschiedliche Belastungen berücksichtigt werden, beispielsweise sowohl Drehmomente als auch Geschwindigkeiten oder dergleichen.
Der Grenzwert ist bzw. wird in einer Ausführung (jeweils) auf Basis von zulässigen Belastungen von einem oder mehreren Bauteilen, insbesondere wenigstens einem Kinematikstrukturkörper, Antriebsmotor, Lager, Sensor, Getriebe und/oder wenigstens einer Bremse, des Roboters vorgegeben.
Einer Ausführung der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, auf Basis zulässiger Belastungen für verschiedene Bauteile jeweils gelenk- bzw. achsspezifische Grenzwerte vorzugeben und aktuelle Wert mit diesen zu vergleichen. Auf diese Weise kann festgestellt werden, in welchen Gelenken bzw. Achsen Belastungen aktuell jeweils wie weit von ihren zulässigen Maximalwerten entfernt sind, und hierauf vorteilhaft reagiert werden, um den Betrieb des Roboters zu beeinflussen, vorzugsweise ungewollte Überlastungen zu vermeiden.
Der Lastgrößenwert und/oder Belastungswert für ein Gelenk hängt in einer Ausführung (jeweils) von einem Drehmoment an dem (jeweiligen) Gelenk ab, insbesondere kann eine Komponente des Belastungswerts ein solches Drehmoment angeben. Hierdurch können in einer Ausführung mechanische Belastungen vorteilhaft berücksichtigt werden.
Zusätzlich oder alternativ hängt der Lastgrößenwert und/oder Belastungswert für ein Gelenk in einer Ausführung (jeweils) von einer Geschwindigkeit an dem (jeweiligen) Gelenk ab, insbesondere kann eine Komponente des Belastungswerts eine solche Geschwindigkeit angeben. Hierdurch können in einer Ausführung dynamische Belastungen vorteilhaft berücksichtigt werden.
In einer Weiterbildung hängt der Lastgrößenwert und/oder Belastungswert für ein Gelenk (jeweils) sowohl von einem Drehmoment als auch einer Geschwindigkeit an dem (jeweiligen) Gelenk ab. Dabei kann in einer Ausführung der Lastgrößenwert und/oder Belastungswert, insbesondere eine Komponente des Lastgrößenwert bzw. Belastungswerts, von einem Produkt aus Drehmoment und (Dreh)Geschwindigkeit, insbesondere einer Leistung, abhängen, dieses insbesondere angeben. Dadurch kann in einer Ausführung ein Verschleiß vorteilhaft berücksichtigt werden.
In einer Ausführung kann, wie vorstehend ausgeführt, der mehrdimensionale Belastungswert eine Komponente, die von einem Drehmoment an dem (jeweiligen) Gelenk abhängt, dieses insbesondere angibt, und/oder eine Komponente, die von Geschwindigkeit an dem (jeweiligen) Gelenk abhängt, diese insbesondere angibt, und/oder eine Komponente aufweisen, die von einem Produkt aus Drehmoment an dem (jeweiligen) Gelenk und Geschwindigkeit an dem (jeweiligen) Gelenk abhängt, dieses insbesondere angibt. Dadurch können unterschiedliche Belastungen vorteilhaft gemeinsam berücksichtigt werden.
Ein Drehmoment bzw. eine Geschwindigkeit an einem Gelenk umfasst in einer Ausführung ein Drehmoment bzw. eine Geschwindigkeit zwischen zwei gegeneinander verdrehbaren Gliedern des Gelenks, insbesondere ein Drehmoment bzw. eine Geschwindigkeit eines Gelenkantriebs, insbesondere Motors und/oder Getriebes, des Gelenks, und/oder zwischen zwei gegeneinander verdrehbaren Strukturgliedern des Gelenks.
In einer Ausführung wird wenigstens eine Komponente der Lastgrößenwerte für die Gelenke durch die entsprechenden Sensoren gemessen, beispielsweise Drehmomente durch Drehmomentsensoren und/oder (Dreh)Geschwindigkeiten durch (Dreh)Geschwindigkeitssensoren, wobei die Messwerte in einer Weiterbildung noch weiterverarbeitet werden, beispielsweise durch Filterung, Mittelwertbildung, Glättung, Skalierung oder dergleichen. Dadurch können in einer Ausführung Lastgrößen- bzw. Belastungswerte präzise(r) ermittelt werden.
In einer Ausführung wird wenigstens eine Komponente der Lastgrößenwerte für die Gelenke auf Basis eines mathematischen Modells bzw. Beobachters ermittelt, beispielsweise Drehmomente mithilfe eines Modells bzw. Beobachters auf Basis gemessener Stellungen, Geschwindigkeiten, Temperaturen, Ströme und/oder Spannungen von Antriebsmotoren oder dergleichen. Dadurch können in einer Ausführung vorteilhaft ohnehin vorhandene Sensoren genutzt und/oder nicht direkt messbare Lastgrößen- bzw. Belastungswerte berücksichtigt werden.
Basierend auf den ermittelten Belastungswerten wird nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Aktion des Roboters zur Reduzierung einer oder mehrerer Komponenten der Belastungswerte bzw. mit der Maßgabe bzw. derart durchgeführt, dass (durch diese Aktion) diese Komponente(n) reduziert werden.
Einer Ausführung der vorliegenden Erfindung liegt somit die Idee zugrunde, in Abhängigkeit davon, wie weit Belastungen in den einzelnen Gelenken des Roboters jeweils von ihren zulässigen Grenzwerten entfernt sind, unterschiedliche Aktionen durchzuführen und dadurch vorzugsweise eine ungewollte Überlastung des Roboters möglichst zu vermeiden. Auf diese Weise kann der Roboter in einer Ausführung näher an seine zulässigen gelenk- und bauteilspezifischen Belastungsgrenzen herangeführt und dadurch sein Betrieb verbessert werden.
Zusätzlich oder alternativ zu diesem Aspekt, durch eine Aktion des Roboters, die auf den Belastungswerten basierend ermittelt bzw. vorgegeben wird, Belastungswerte zu reduzieren, wird nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung basierend auf den Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters signalisiert, in einer Ausführung optisch und/oder akustisch an einen Bediener, der in einer Ausführung mit dem Roboter kooperiert, und/oder datentechnisch an ein Anwendungsprogramm, welches in einer Weiterbildung in Reaktion hierauf den Roboter dazu veranlasst, eine anwendungsprogrammspezifisch( vorgegebene Aktion durchzuführen, in einer Ausführung eine Aktion, bei der Belastungswerte temporär vorgegebene Grenzwerte überschreiten.
Dadurch kann ein Anwender anwendungsspezifisch und damit besonders vorteilhaft darauf reagieren, wenn Belastungen in einzelnen Gelenken sich vorgegebenen Grenzwerten nähern oder diese überschreiten, beispielsweise, indem er bzw. ein Anwendungsprogramm ein solches Überschreiten - wenigstens kurzzeitig - zulässt bzw. eine entsprechende kurzzeitige Überlastung des Roboters in Kauf nimmt, um ein höherrangiges Ziel des Anwendungsprogramms zu erreichen, den Roboter nachgiebig schaltet, um Überlastungen durch gegen die Umwelt anarbeitenden Gelenkantriebe zu vermeiden, oder durch andere Aktionen.
Zusätzlich oder alternativ zu diesem Aspekt, eine Belastungssituation des Roboters zu signalisieren, und zusätzlich oder alternativ zu dem vorgenannten Aspekt, durch eine Aktion des Roboters, die auf den Belastungswerten basierend ermittelt bzw. vorgegeben wird, Belastungswerte zu reduzieren, wird nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung basierend auf den Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters abgespeichert und in einer Weiterbildung die abgespeicherte Belastungssituation des Roboters nach Abarbeiten wenigstens eines Arbeitsprozesses, in einer Ausführung nach Abarbeiten mehrerer Prozesszyklen, des Roboters, während dem bzw. denen die Lastgrößenwerte ermittelt worden sind, zu einer Analyse, insbesondere Schadens- und/oder Verschleißanalyse, verwendet.
Dem liegt die Idee zugrunde, im Betrieb zu dokumentieren, ob, wann und/oder wie lange und/oder wie oft welche Bauteile bzw. Gelenke (wie) nahe an ihren jeweiligen Belastungsgrenzen betrieben worden sind bzw. diese gegebenenfalls überschritten haben. Dies kann vorteilhaft insbesondere zur vorausschauenden Wartung („predictive maintenance“), zur Klärung von Schäden des Roboters und/oder zur Planung zukünftiger Arbeitsprozesse genutzt werden.
In einer Ausführung wird eine Aktion des Roboters, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als erste Aktion bezeichnet wird und insbesondere eine der hier beschriebenen Aktionen, insbesondere eine Geschwindigkeitsreduzierung, Ausweichbewegung oder dergleichen, und/oder eine andere Aktion aufweisen, insbesondere sein, kann, durchgeführt, wenn eine Komponente der Belastungswerte, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als erste Komponente bezeichnet wird, in einem vorgegebenen Bereich liegt, der ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als erster Bereich bezeichnet wird, in einer Ausführung eine Aktion zur Reduzierung dieser (ersten) Komponente der Belastungswerte.
In einer Weiterbildung dieser Ausführung wird eine andere Aktion des Roboters, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als zweite Aktion bezeichnet wird und insbesondere eine (andere) der hier beschriebenen Aktionen, insbesondere eine Geschwindigkeitsreduzierung, Ausweichbewegung oder dergleichen, und/oder eine andere Aktion aufweisen, insbesondere sein, kann, durchgeführt, wenn die eine bzw. erste Komponente in einem anderen vorgegebenen Bereich liegt, der ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als zweiter Bereich bezeichnet wird, in einer Ausführung eine andere Aktion zur Reduzierung der einen bzw. ersten Komponente der Belastungswerte.
Dadurch kann in einer Ausführung eine Störung eines bzw. ein Eingriff in einen Arbeitsbetrieb(s) des Roboters vorteilhaft reduziert werden.
Zusätzlich oder alternativ wird in einer Weiterbildung der vorstehenden Ausführung eine Aktion des Roboters durchgeführt, wenn eine andere Komponente der Belastungswerte, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als zweite Komponente bezeichnet wird, in einem vorgegebenen Bereich, in einer Ausführung in dem einen bzw. ersten vorgegebenen Bereich oder einem anderen vorgegebenen Bereich, liegt. Diese Aktion kann insbesondere eine der hier beschriebenen Aktionen, insbesondere eine Geschwindigkeitsreduzierung, Ausweichbewegung oder dergleichen, und/oder eine andere Aktion aufweisen, insbesondere sein. Sie kann eine Aktion zur Reduzierung dieser anderen bzw. zweiten Komponente sein. In einer Ausführung ist sie die eine bzw. erste Aktion, in einer anderen Ausführung eine andere bzw. von der einen bzw. ersten Aktion verschiedene Aktion, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als zweite Aktion bezeichnet wird.
Dadurch können unterschiedliche Belastungsszenarien besonders vorteilhaft gehandhabt werden.
In einer Ausführung ist bzw. wird die eine bzw. erste Aktion und/oder die andere bzw. zweite Aktion durch das Anwendungsprogramm vorgegeben, an das die Belastungssituation des Roboters signalisiert wird und welches in Reaktion hierauf den Roboter dazu veranlasst, eine bzw. diese anwendungsprogrammspezifische Aktion durchzuführen, wobei die Aktion in einer Ausführung auf Basis einer Benutzereingabe aus mehreren vorgegebenen Aktionen ausgewählt ist bzw. wird.
Dadurch kann der Roboter je nach Anwendung(sprogramm) besonders geeignet auf Belastungssituationen reagieren bzw. der Benutzer durch entsprechende Eingabe bzw. Konfiguration des Anwendungsprogramms bzw. der Aktion(en) durch das bzw. in dem Anwendungsprogramm jeweils besonders geeignete Reaktionen des Roboters auf signalisierte Belastungssituationen vorgeben, so dass jeweils ein besonders vorteilhafter Betrieb des Roboters realisiert werden kann. Dadurch reagiert der Roboter in einer Ausführung jeweils spezifisch auf unterschiedliche Belastungen bzw. Belastungssituationen und kann so vorzugsweise Überlastungen gezielter vermeiden bzw. reduzieren. Insbesondere kann der Roboter in unterschiedlichen Anwendungen bzw. bei Abarbeiten unterschiedlicher Anwendungsprogramme jeweils sowohl anwendungs(programm)- als auch belastungswertkomponentenspezifisch reagieren und so in einer Ausführung Überlastungen besonders gut vermeiden bzw. reduzieren, wobei, wie an anderer Stelle erläutert, Überlastungen anwendungsprogrammspezifisch auch in Kauf genommen werden können.
In der vorstehenden Ausführung können in einer Weiterbildung die eine bzw. erste und andere bzw. zweite Komponente beide Komponenten des Belastungswertes für dasselbe Gelenk sein. So kann der Roboter beispielsweise unterschiedlich reagieren, um entweder eine Überlastung durch ein Drehmoment oder durch eine Drehzahl des Gelenks zu vermeiden bzw. zu reduzieren, je nachdem, welche Komponente des entsprechenden Lastgrößenwerts näher an einem zulässigen Maximalwert liegt.
In einer anderen Weiterbildung der vorstehenden Ausführung können die eine bzw. erste und andere bzw. zweite Komponente auch Komponenten von Belastungswerten für verschiedene Gelenk sein. So kann der Roboter beispielsweise unterschiedlich reagieren, um entweder eine Überlastung durch ein Drehmoment eines Gelenks oder eine Überlastung durch ein Drehmoment oder eine Drehzahl eines anderen Gelenks zu vermeiden bzw. zu reduzieren, je nachdem, welche Komponente des entsprechenden Lastgrößenwerts näher an einem zulässigen Maximalwert liegt.
In einer Ausführung weist der Belastungswert für ein Gelenk (jeweils) eine oder mehrere aktuelle bzw. momentane Komponenten auf. Diese ist insbesondere vorteilhaft, um durch eine Aktion des Roboters, die auf diesen aktuellen Komponenten basierend ermittelt bzw. vorgegeben wird, Belastungswerte im Betrieb des Roboters zu reduzieren, insbesondere punktuelle Überlastungen durch Spitzenlasten zu vermeiden.
Zusätzlich oder alternativ weist der Belastungswert für ein Gelenk in einer Ausführung (jeweils) eine oder mehrere ein- oder mehrfach zeitintegrierte Komponenten auf. Diese ist insbesondere vorteilhaft, um nach Abarbeiten wenigstens eines Arbeitsprozesses, in einer Ausführung nach Abarbeiten mehrerer Prozesszyklen, eine Analyse durchzuführen und/oder eine Belastungssituation des Roboters zu signalisieren, da hierdurch eine kumulierte Belastung des Roboters vorteilhaft berücksichtigt werden kann.
Gleichermaßen kann aber auch eine Aktion des Roboters, die auf solchen zeitintegrierten Komponenten basierend ermittelt bzw. vorgegeben wird, Belastungswerte im Betrieb des Roboters reduzieren bzw. können auch aktuelle Komponenten signalisiert werden, beispielsweise, damit ein Anwender bzw. Anwendungsprogramm bereits im Betrieb eingreifen kann, bzw. abgespeichert werden, beispielsweise, damit Maximalwert zur Analyse genutzt werden können.
Eine zeitintegrierte Komponente wird in einer Ausführung für ein vorgegebenes Zeitintervall ermittelt, in einer Ausführung seit einem vorgegebenen Zeitpunkt, beispielsweise einer Inbetriebnahme, einer Wartung oder dergleichen, und/oder für eine vorgegebene Zeitdauer, in einer Ausführung eine vorgegebene Zeitdauer bis zu einem aktuellen bzw. momentanen Zeitpunkt, beispielsweise also für die letzten 1, 5 oder 10 Sekunden oder dergleichen. Zusätzlich oder alternativ werden in einer Ausführung bei einer Zeitintegration zur Bildung einer zeitintegrierten Komponente nur aktuelle Lastgrößenwerte bzw. Lastgrößenwertkomponenten berücksichtigt, die wenigstens einen vorgegebenen Mindestbetrag aufweisen, welcher in einer Ausführung basierend auf dem entsprechenden Grenzwert bzw. der entsprechenden Grenzwertkomponente vorgegeben ist bzw. wird. Dadurch kann in einer Ausführung kumulierten Belastungen besonders gut Rechnung getragen werden, insbesondere zusätzlich oder alternativ zu einer akuten Überlastung durch eine momentane Spitzenlast eine kumulierte Überlastung durch ein entsprechendes Lastkollektiv berücksichtigt werden.
In einer Ausführung wird eine, insbesondere in einem Arbeitsprogramm, vorgegebene Geschwindigkeit des Roboters, insbesondere beim Abfahren einer bereits vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte bzw. durch das Arbeitsprogramm vorgegebenen Bahn, reduziert, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren. Diese vorgegebene Geschwindigkeit ist in einer Ausführung eine Bahngeschwindigkeit bzw. Geschwindigkeit einer roboterfesten Referenz, insbesondere eines Endeffektors und/oder TCPs.
Durch dieses Durchführen einer Geschwindigkeitsreduzierung bzw. Aktion kann in einer Ausführung eine Belastung des Roboters bzw. eine entsprechende Komponente der Belastungswerte auf einfache und/oder sichere Weise reduziert werden.
In einer Weiterbildung folgt der Roboter bei dieser Geschwindigkeitsreduzierung, vorzugsweise mit seiner roboterfesten Referenz, weiter der vorgegebenen Bahn („bahntreu“). Zusätzlich oder alternativ hält der Roboter bei dieser Geschwindigkeitsreduzierung (gegebenenfalls) an.
Dadurch kann in einer Ausführung vorteilhaft anschließend die vorgegebene Bahn weiter abgefahren werden. Zusätzlich oder alternativ kann dadurch in einer Ausführung ein besonders sicheres Verhalten des Roboters realisiert werden.
In einer Ausführung führt der Roboter zusätzlich oder alternativ zu einer bzw. der Geschwindigkeitsreduzierung, in einer Weiterbildung nach der vorgenannten Geschwindigkeitsreduzierung, eine von den Belastungswerten abhängige Ausweichbewegung durch, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren. In einer Weiterbildung weicht der Roboter, vorzugsweise mit seiner roboterfesten Referenz, bei dieser Ausweichbewegung von einer, in einer Ausführung der, vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte bzw. durch das Arbeitsprogramm vorgegebenen Bahn ab.
Durch eine solche Ausweichbewegung kann in einer Ausführung besonders vorteilhaft auf eine (drohende) Überlastung reagiert bzw. diese vermieden bzw. abgebaut werden.
Dabei können die Geschwindigkeitsreduzierung und Ausweichbewegung besonders vorteilhaft miteinander kombiniert werden, indem in einer Ausführung der Roboter zunächst, vorzugsweise bahntreu, abbremst wird, gegebenenfalls bis zum Stillstand. (Erst) wenn das nicht ausreicht, um die Belastungswerte ausreichend zu reduzieren, führt der Roboter eine Ausweichbewegung aus, bei der er in einer Ausführung von der Bahn abweicht.
Auf diese Weise wird in einer Ausführung kaskadiert bzw. sukzessive reagiert, um die Belastung(swerte) ausreichend zu reduzieren.
In einer Ausführung weist die Ausweichbewegung eine Bewegung des Roboters antiparallel zu einer Projektion, insbesondere Transformation, von zu reduzierenden Belastungswerten in einen kartesischen Arbeitsraum des Roboters auf, kann insbesondere eine solche sein. Wie erläutert, entsprechen die (Komponenten der) Belastungswerte Belastungen auf Gelenkebene und können so analog zu einer an sich bekannten Vorwärtstransformation vom Gelenk- in den kartesischen Arbeitsraum des Roboters transformiert werden. Die entsprechende Projektion, insbesondere Transformation, von durch eine Aktion, insbesondere Ausweichbewegung, des Roboters zu reduzierenden Belastungswert(komponent)en bzw. von Belastungswert(komponent)en, zu deren Reduzierung die Aktion bzw. Ausweichbewegung durchgeführt wird, in einen kartesischen Arbeitsraum des Roboters zeigt damit in diejenige verallgemeinerte Richtung des kartesischen Arbeitsraums, in der die Belastung(swerte) am stärksten zunehmen würden, so dass eine antiparallele Ausweichbewegung umgekehrt diese Belastung(swerte) besonders vorteilhaft reduziert. Der kartesische Arbeitsraum des Roboters im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst in einer Ausführung den, insbesondere ein-, zwei- oder dreidimensionalen Raum einer Position einer bzw. der roboterfesten Referenz, insbesondere eines Endeffektors oder TCPs des Roboters, und/oder den, insbesondere ein-, zwei- oder dreidimensionalen Raum einer Orientierung der roboterfesten Referenz, wobei natürlich auch Denavit-Hartenberg-Beschreibungen, Quaterionen-Beschreibungen und dergleichen als kartesischer Arbeitsraum des Roboters im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden werden können.
In einer Ausführung wird bei der Ausweichbewegung eine roboterfeste Referenz, vorzugsweise ein Endeffektor oder TCP, des Roboters weiter in einer durch eine, in einer Ausführung die bzw. eine der oben genannte(n), vorgegebene(n) Bahn(en), in einer Ausführung eine vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte bzw. durch das Arbeitsprogramm vorgegebene Bahn, vorgegebenen Position gehalten, wobei in einer Weiterbildung eine durch diese Bahn vorgegebene Orientierung der roboterfesten Referenz bei der Ausweichbewegung aufgegeben wird. Somit wird in einer Ausführung die roboterfeste Referenz bei der Ausweichbewegung am vorgegebenen Ort gehalten, aber verdreht, um einer Überlastsituation auszuweichen. Dadurch wird in einer Ausführung ein Arbeitsprozess wenig(er) gestört.
In einer Ausführung wird bei der Ausweichbewegung eine roboterfeste Referenz, vorzugsweise ein Endeffektor oder TCP, des Roboters weiter in einer durch eine, in einer Ausführung die bzw. eine der oben genannte(n), vorgegebene(n) Bahn(en), in einer Ausführung eine vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte bzw. durch das Arbeitsprogramm vorgegebene Bahn, vorgegebenen Orientierung gehalten, wobei in einer Weiterbildung eine durch diese Bahn vorgegebene Position der roboterfesten Referenz bei der Ausweichbewegung aufgegeben wird. Somit wird in einer Ausführung die roboterfeste Referenz bei der Ausweichbewegung in der vorgegebenen Orientierung gehalten, aber verschoben, um einer Überlastsituation auszuweichen. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Stoßrichtung eines Roboterendeffektors bzw. -werkzeugs beibehalten und so ein Arbeitsprozess vorteilhaft fortgesetzt werden.
Beide Ausführungen werden in einer Weiterbildung miteinander kombiniert, indem in einer Ausführung eine kinematische Redundanz des Roboters ausgenutzt und bei der Ausweichbewegung eine roboterfeste Referenz, vorzugsweise ein Endeffektor oder TCP, des Roboters weiter in einer durch eine, in einer Ausführung die bzw. eine der oben genannte(n), vorgegebene(n) Bahn(en), in einer Ausführung eine vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte bzw. durch das Arbeitsprogramm vorgegebene Bahn, vorgegebenen Position und Orientierung gehalten wird. Hierzu werden in einer Weiterbildung Dadurch kann in einer Ausführung ein Arbeitsprozess vorteilhaft fortgesetzt werden.
Somit werden als besonders bevorzugt insbesondere folgende Ausführungen beansprucht:

a) beim Abfahren einer vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegebenen Bahn wird eine (für das Abfahren) vorgegebene Geschwindigkeit des Roboters reduziert, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren, in einer Ausführung derart reduziert, dass der Roboter bei dieser Geschwindigkeitsreduzierung weiter der vorgegebenen Bahn folgt und/oder anhält;
b) der Roboter führt, in einer Ausführung nach dieser Geschwindigkeitsreduzierung oder auch nach einem eigenständigen Aspekt, eine von den Belastungswerten abhängige Ausweichbewegung durch, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren. Dabei führt er in einer Weiterbildung eine Ausweichbewegung antiparallel zu einer Projektion von zu reduzierenden Belastungswerten in einen kartesischen Arbeitsraum des Roboters durch;
b1) bei der Ausweichbewegung wird eine roboterfeste Referenz des Roboters weiter in einer Position gehalten, die durch Bahn vorgegeben ist, welche vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegeben worden ist, wobei eine durch diese Bahn vorgegebene Orientierung der roboterfesten Referenz aufgegeben wird; oder b2) bei der Ausweichbewegung wird eine roboterfeste Referenz des Roboters weiter in einer Orientierung gehalten, die durch Bahn vorgegeben ist, welche vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegeben worden ist, wobei eine durch diese Bahn vorgegebene Position der roboterfesten Referenz aufgegeben wird; oder b3) bei der Ausweichbewegung wird durch Ausnutzen einer kinematischen Redundanz des Roboters eine roboterfeste Referenz des Roboters weiter in einer Position und Orientierung gehalten, die durch Bahn vorgegeben ist, welche vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegeben worden ist.

In einer Ausführung wird, vorzugsweise nach Durchführen des oben genannten Aspekts a) und/oder b), insbesondere b1), b2) oder b3), ein Nothalt des Roboters durchgeführt, bei dem in einer Ausführung Bremsen des Roboters geschlossen werden. Dadurch kann in einer Ausführung ein vorteilhafter Endzustand realisiert werden.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Betreiben des Roboters, insbesondere hard- und/oder software-, in einer Ausführung programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:

- Mittel zum Ermitteln, für zwei oder mehr, insbesondere alle, Gelenke, jeweils eines aktuellen ein- oder mehrdimensionalen Lastgrößenwertes für das jeweilige Gelenk während einer durch Gelenkantriebe bewirkten Bewegung des Roboters basierend auf wenigstens einem Sensorwert; und
- Mittel zum Ermitteln, für diese zwei oder mehr, insbesondere alle, Gelenke, jeweils eines ein- oder mehrdimensionalen Belastungswertes für das jeweilige Gelenk während der durch Gelenkantriebe bewirkten Bewegung des Roboters basierend auf diesem aktuellen Lastgrößenwert und auf einem vorgegebenen ein- oder mehrdimensionalen Grenzwert für das jeweilige Gelenk; sowie
1. a) Mittel, um den Roboter zu veranlassen, basierend auf den Belastungswerten eine Aktion zum Reduzieren einer oder mehrerer Komponenten dieser Belastungswerte durchzuführen, und/oder
2. b) Mittel, um basierend auf den Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters zu signalisieren und/oder abzuspeichern.

In einer Ausführung weist das System bzw. sein(e) Mittel auf:

- Mittel zum Reduzieren einer vorgegebenen Geschwindigkeit des Roboters, insbesondere beim Abfahren einer vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegebenen Bahn, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren, insbesondere derart, dass der Roboter bei der Geschwindigkeitsreduzierung weiter der vorgegebenen Bahn folgt und/oder anhält; und/oder
- Mittel zum Durchführen, insbesondere nach der Geschwindigkeitsreduzierung, einer von den Belastungswerten abhängigen Ausweichbewegung durch bzw. mit dem Roboter, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren, insbesondere derart, dass der Roboter bei der Ausweichbewegung von einer vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegebenen Bahn abweicht und/oder derart, dass die Ausweichbewegung eine Bewegung des Roboters antiparallel zu einer Projektion von zu reduzierenden Belastungswerten in einen kartesischen Arbeitsraum des Roboters aufweist, und/oder derart, dass bei der Ausweichbewegung eine roboterfeste Referenz des Roboters weiter in einer durch eine vorgegebene Bahn vorgegebenen Position und/oder Orientierung gehalten wird; und/oder
- Mittel zum Signalisieren der Belastungssituation des Roboters an ein Anwendungsprogramm, welches in Reaktion hierauf den Roboter dazu veranlasst, eine anwendungsprogrammspezifische Aktion durchzuführen, insbesondere eine Aktion, bei der Belastungswerte temporär vorgegebene Grenzwerte überschreiten; und/oder
- Mittel zur Analyse auf Basis der abgespeicherten Belastungssituation des Roboters nach Abarbeiten wenigstens eines Arbeitsprozesses, insbesondere mehrerer Prozesszyklen, des Roboters und/oder
- Mittel zum Durchführen einer Aktion des Roboters, wenn eine Komponente der Belastungswerte in einem vorgegebenen Bereich liegt, insbesondere einer Aktion zur Reduzierung dieser Komponente der Belastungswerte, sowie zum Durchführen einer anderen Aktion des Roboters, wenn die eine Komponente in einem anderen vorgegebenen Bereich liegt, insbesondere einer anderen Aktion zur Reduzierung der einen Komponente der Belastungswerte; und/oder zum Durchführen einer Aktion des Roboters, wenn eine andere Komponente der Belastungswerte in einem vorgegebenen Bereich, insbesondere dem einen vorgegebenen Bereich oder einem anderen vorgegebenen Bereich, liegt, insbesondere einer Aktion zur Reduzierung der anderen Komponente und/oder andere Aktion.

Ein System und/oder ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere wenigstens eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU), Graphikkarte (GPU) oder dergleichen, und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die Verarbeitungseinheit kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die Verarbeitungseinheit die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere den Roboter betreiben kann. Ein Computerprogrammprodukt kann in einer Ausführung ein, insbesondere computerlesbares und/oder nicht-flüchtiges, Speichermedium zum Speichern eines Programms bzw. von Anweisungen bzw. mit einem darauf gespeicherten Programm bzw. mit darauf gespeicherten Anweisungen aufweisen, insbesondere sein. In einer Ausführung veranlasst ein Ausführen dieses Programms bzw. dieser Anweisungen durch ein System bzw. eine Steuerung, insbesondere einen Computer oder eine Anordnung von mehreren Computern, das System bzw. die Steuerung, insbesondere den bzw. die Computer, dazu, ein hier beschriebenes Verfahren bzw. einen oder mehrere seiner Schritte auszuführen, bzw. sind das Programm bzw. die Anweisungen hierzu eingerichtet.
In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch das System bzw. sein(e) Mittel.
In einer Ausführung weist das System den Roboter und/oder das Anwendungsprogramm auf.
Die vorliegende Erfindung ist besonders für einen Betrieb des Roboters geeignet, bei dem dieser während der durch Gelenkantriebe bewirkten Bewegung mit wenigstens einem Menschen kooperiert, da hierbei oft unvorhergesehene Belastungen auftreten können, beispielsweise, weil ein Mensch unerwartete Kräfte auf den Roboter ausübt.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:

1: ein System zum Betreiben eines Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
2: ein Verfahren zum Betreiben des Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt ein System zum Betreiben eines Roboters 1, der mehrere Gelenke aufweist, von denen exemplarisch ein Karussellgelenk 11, ein Handgelenk 15 und ein Schwingengelenk 12 sowie ein Schwingengelenkantrieb 12.1 und eine Sensoranordnung 12.2 mit Drehmomentsensor und Drehzahlsensor mit Bezugszeichen identifiziert sind. Mit n₁,...,n₆ sind Drehzahlen der Gelenke bzw. Antriebe angedeutet, durch das Bezugszeichen 2 eine Steuerung und durch das Bezugszeichen 17 ein Endeffektor des Roboters.
2 illustriert ein durch die Steuerung 2 bzw. das System durchgeführtes Verfahren zum Betreiben des Roboters 1 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
In einem Schritt S10 wird, während der Roboter 1 eine vorab vorgegebene Bahn abfährt, basierend auf Sensorwerten, die von Sensoranordnungen erhalten werden, von denen exemplarisch eine Sensoranordnung 12.2 in 1 angedeutet ist, jeweils ein aktueller ein- oder mehrdimensionaler Lastgrößenwert für jedes der Gelenke ermittelt. Zum Beispiel wird für jedes der Gelenke i = 1,...,7 jeweils ein aktuelles Drehmoment T_i, eine aktuelle Drehzahl N_i und eine aktuelle Leistung P_i als dreidimensionaler Lastgrößenwert [T_i, N_i, P_i] ermittelt.
In einem Schritt S20 wird basierend auf diesen Lastgrößenwerten und einem vorgegebenen dreidimensionalem Grenzwert [TM_i, NM_i, PM_i] für das jeweilige Gelenk i ein dreidimensionaler Belastungswert [BT_i, BN_i, BP_i] für das jeweilige Gelenk i ermittelt. Dies kann insbesondere die Differenz zwischen den aktuellen Werten und Grenzwerten sein. Zusätzlich oder alternativ können auch Zeitintegrale verwendet werden.
In einem Schritt S30 wird basierend auf diesen Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters signalisiert und/oder abgespeichert, bevor das Verfahren bzw. die Steuerung 2 zu Schritt S10 zurückkehrt. Auf dieses Signal kann ein Anwendungsprogramm in spezifischer Weise reagieren. Zusätzlich oder alternativ kann basierend auf den abgespeicherten Belastungswerten anschließend ein Schadensfall analysiert werden.
Alternativ oder zusätzlich bzw. parallel wird basierend auf den Belastungswerten eine Aktion des Roboters zur Reduzierung einer oder mehrerer Komponenten dieser Belastungswerte durchgeführt.
Dazu wird in einem Schritt S40 überprüft, ob einer der Belastungswerte in einem vorgegebenen Bereich liegt, beispielsweise eine der auf 1 normierten Komponenten der [BT_i, BN_i, BP_i] wenigstens 0,9 beträgt, d.h. für das jeweilige Gelenk wenigstens 90% einer zulässigen Belastung, beispielsweise eines für dieses Gelenk zulässigen Drehmoments, einer für dieses Gelenk zulässigen Drehzahl oder einer für dieses Gelenk zulässigen Leistung erreicht. Ist dies nicht der Fall (S40: „N“), kehrt das Verfahren bzw. die Steuerung 2 zu Schritt S10 zurück.
Andernfalls (S40: „Y“) wird in einem Schritt S50 die für das Abfahren der Bahn vorgegebene Geschwindigkeit bahntreu reduziert, gegebenenfalls bis zu einem Anhalten des Roboters auf der vorgegebenen Bahn.
Reicht dies aus, damit keiner der Belastungswerte mehr das Kriterium erfüllt (S60: „Y“), kehrt das Verfahren bzw. die Steuerung 2 zu Schritt S10 zurück.
Andernfalls (S60: „N“) führt der Roboter 1 in einem Schritt S70 eine Ausweichbewegung durch.
Reicht dies aus, damit keiner der Belastungswerte mehr das Kriterium erfüllt (S80: „Y“), kehrt das Verfahren bzw. die Steuerung 2 ebenfalls zu Schritt S10 zurück. Andernfalls (S80: „N“) wird in Schritt S90 ein Nothalt des Roboters durchgeführt.
Bei Rückkehr zu Schritt S10 wird gegebenenfalls die reduzierte Geschwindigkeit wieder auf die vorgegebene Geschwindigkeit erhöht (Schritt S55) und/oder durch Umkehr der Ausweichbewegung wieder zu der vorgegebenen Bahn zurückgefahren (Schritt S75).
Man erkennt, dass hier vorteilhaft akute Überlastungen einzelner Bauteile auf Achs- bzw. Gelenkebene vermieden werden können, die beispielsweise dadurch entstehen können, dass während des Abfahrens der Bahn an dem Roboter gezogen wird und dadurch in einzelnen Gelenken unvorhergesehen zulässige Drehmomente oder Drehzahlen überschritten werden.
Zur kompakteren Darstellung wurden die Schritt S30 und S40-S90 in 2 gemeinsam dargestellt, wobei natürlich auch Schritt S30 oder einer oder mehrere der Schritte S40-S90 entfallen können. Gleichermaßen kann das Anwendungsprogramm in Schritt S30 einen oder mehrere der Schritte S40-S90 realisieren.
Nachfolgend werden Aspekte der vorliegenden Erfindung erläutert, ohne dass diese auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der 1, 2, insbesondere dessen Details, beschränkt wären:

Mit Hilfe von hinterlegten, vom Hersteller gegebenen Diagrammen der Belastbarkeit der belasteten Roboter-Bauteile, wird in mehreren Berechnungstakten jeweils ein Vergleich zwischen gelenkspezifischen Belastungsgrenzen und dem aktuellen Zustand des Roboters durchgeführt. Damit lässt sich die aktuelle Belastungssituation dauernd und in Echtzeit ermitteln und es lassen sich Signalisierungen realisieren, mittels derer auf ungewollte Überlastungssituationen reagiert werden kann, bevor der Roboter in eine Selbstabschaltung geht.

Beispiele für Bauteile eines Roboters, deren Belastungsgrenzen zur Vorgabe der Grenzwerte verwendet werden können, sind insbesondere Motoren, Getriebe, Bremsen, Drehmomentsensoren, Lager und Strukturbauteile bzw. Gelenkkörper.
Die Überwachung der Belastungssituation kann Warnungen bzw. Signalisierungen in ein Anwenderprogramm hinein derart erzeugen, dass die Überlastungssituation verhindert werden kann, oder derart, dass die Überlastungssituation ggf. bewusst eigegangen wird, wobei die Lebensdauer des Roboters bewusst verkürzt wird. Zusätzlich oder alternativ können Einträge in ein Logfile vorgenommen werden, in dem die Überlastung zur späteren Sichtung protokolliert wird.
Mit Hilfe der Kenntnis der Belastungssituation ist es vorteilhaft möglich, den Roboter bis an seine mechanischen Grenzen zu bringen, die in der schriftlichen Dokumentation zum Roboter gar nicht allgemein verständlich spezifiziert werden können.
Die achs- bzw. gelenkspezifische Konfiguration bzw. Speicherung der Grenzwerte bzw. nominellen „maximum ratings“, kann ebenso wie die Verarbeitung der Lastgrößenwerte bzw. Belastungswert in Vektorform erfolgen.
Vorteilhaft können unerwartete Belastungssituationen berücksichtigt werden, wie sie insbesondere bei Mensch-Roboter-Kollaborations/Kooperations-Anwendungen auftreten können, etwa, wenn ein Mensch am Roboter zieht, während dieser eine vorgegebene Bahnbewegung ausführt.
Die Belastungswerte können insbesondere folgende Komponenten aufweisen:

a) akute bzw. momentane Belastungen. Diese Akutsituation wird in einer Ausführung priorisiert an die Anwendung signalisiert und/oder wird in einer, vorzugsweise persistenten, Datei digital dokumentiert;
b) integrale Belastung: Auch wenn der Roboter länger knapp unter seiner Belastungsgrenze betrieben wird, sinkt seine Lebensdauer. Daher bietet die Erfindung in einer Ausführung auch eine Indikation über die Komponenten, die im Dauerbetrieb dem größten Verschleiß unterliegen, vorzugsweise, ohne dabei eine Akutsituation zu triggern. Hierzu werden für alle Gelenke Belastungs-Integrale gebildet und dem Anwender zur Auswertung zur Verfügung gestellt. Insbesondere kann das wie folgt realisiert werden: Für jedes Gelenk wird eine prozentuale Grenze in Bezug auf eine hinterlegte statische Obergrenze definiert und abgelegt, ab der das Gelenk beobachtet werden soll, zum Beispiel 90% der maximal zulässigen Belastung. Ab dieser Grenze trägt die aktuelle Belastung zu einer Integralbildung bei. Dabei kann der Beitrag auch nichtlinear sein, beispielsweise wie folgt: M sei ein aktuelles Drehmoment eines Gelenks, Mx der hierzu hinterlegte Grenzwert. Dann wird in einer Ausführung ein Zeitintegral mit Hilfe des Terms (|M|-80%*Mx)² gebildet, der aber nur dann zum Integral beiträgt, wenn der Betrag von M auch größer als die 90% sind. Also B= ∫ [(|M|-0,9·Mx)² · (|M|>Mx·0,9?)] dt. Dieses Integral wird im Laufe des Betriebes immer größer und ist ein Maß für den akkumulierten Verschleiß. Normiert man B mit t, indem man B/t berechnet, also das Belastungsintegral durch die Erfassungszeit teilt, ergibt sich ein Stressfaktor S für diese Komponente, mit welchem der Anwender besonders vorteilhaft arbeiten kann. Beide Größen (B und S) werden in einer Ausführung innerhalb der Steuerung pro Gelenk für den Anwendungsentwickler bereitgestellt. Damit hat der Anwender einen quantitativen Ausdruck für den mechanischen Stress, dem er seinen Roboter aussetzt. B und S sind vorzugsweise jeweils Vektoren über die zu betrachtenden Größen. Zieht man vom aktuellen B(t) ein B(t-x) vergangener Zeit ab (das vor x Sekunden vorlag), dann ergibt sich ein Bild der Belastungssituation in der Zeit t-x bis t. Damit kann man längst vergangene Belastungszeiträume vorteilhaft ausblenden und (B(t)-B(t-x))/x ergibt ein vorteilhaftes Maß für die Stresssituation des Roboters in den letzten x Sekunden. Mit diesen Werkzeugen kann man einfach herausfinden, an welchen Stellen in einem Programmablauf die Bewegungen vielleicht „entschärft“ werden können, um die Lebensdauer des Roboters zu verlängern.

Akute Überlastungssituationen werden in einer Ausführung per Call-Back Aufruf einer Funktion, die der Anwender bzw. Programmierer definieren kann, um ein eigenes Verhalten zu erzielen oder Interrupt sofort bei Erkennung in der Anwendung signalisiert. Die Anwendung kann dann darauf aktuell und schnell und individuell reagieren.
Ein vorteilhafter Aspekt liegt in der Bereitstellung der Belastungssituation in Form einer Datenstruktur, die vom Anwenderprogramm auslesbar ist: alle aktuellen Vektoren mit den Prozenten der aktuellen Belastungen pro Achse bzw. Gelenk. Aus diesen Vektoren ist direkt ablesbar, welche Werte auf Achs- bzw. Gelenkebene kritisch sind, beispielsweise Drehmoment, Geschwindigkeit oder Leistung. Aus diesen Achs- bzw. Gelenkwerten können auch Vektoren in den kartesischen Raum vorwärtstransformiert werden, mit dem der Anwender bzw. Programmierer der Anwendung leicht erkennen kann, welche Gegenmaßnahmen im Falle einer drohenden Belastungssituation idealerweise zu ergreifen wären, um der Überlastungssituation kartesisch auszuweichen. Dabei zeigt der Belastungsgrößenvektor in die kartesische Richtung, in der die Belastung am stärksten zunehmen würde. Zum Beispiel zeigt der kartesische vorwärtstransformierte Vektor für die Belastungssituation der Drehmomente in die Richtung, in welcher die aktuelle Achs- bzw. Gelenkbelastung noch größer werden würde. Sein Betrag kann insbesondere in Prozent der Maximalbelastung berechnet werden. Wenn dann am Endeffektor des Roboters in dieser Richtung gezogen würde, dann nimmt die Belastung weiter zu. Im Umkehrschluss kann die Situation entspannt werden, wenn am Endeffektor in Gegenrichtung gedrückt wird. Mit Vektoren dieser Art kann der Applikationsentwickler seine Anwendung so gestalten, dass der Roboter sich in zulässigen Situationen eigenständig von Überlastungssituationen fernhält. Der Vektor mit den prozentualen Auslastungswerten für die Geschwindigkeit zeigt kartesisch in die Richtung, in die sich der Roboter weiter und schneller bewegen müsste, damit die am meisten belasten Achsen bzw. Gelenke noch weiter ins Limit laufen. Eine Entschleunigung in Gegenrichtung hingegen würde die Situation optimal entspannen. Auch hier haben die Applikationsentwickler ein gutes Mittel, um den Roboter von Überlastungssituationen fernzuhalten. Die hier besprochenen Belastungsituationen können insbesondere überraschend durch von außen eingeprägte Kräfte auftreten, etwa weil eine Person unerwartet am Roboter zieht oder dergleichen. Die Belastungsvektoren zeigen dann auf Achs- bzw. Gelenkebene genau an, welche Achse bzw. welches Gelenk wie weit von der nominellen Grenze entfernt ist, und die kartesische Transformation der Vektoren zeigt an, in welche Richtung die Kraft in Bezug auf den Endeffektor bzw. TCP angenommen wird, bzw. dass in dessen Gegenrichtung eine Entlastung eintritt. Der Anwendungsentwickler kann damit seinen Bahnverlauf online abändern, um den Roboter zu schonen.
Wird eine drohende Überlastungssituation erkannt, wird vorzugsweise wenigstens eine der folgenden Gegenmaßnahmen durchgeführt:

a) Nothalt: Der Roboter unterbricht seine Arbeit und schaltet um in Nothalt, unter Bremsen.
b) Bahntreue Überlastvermeidung: Die Steuerung wird programmgesteuert so eingestellt, dass sie automatisch die Geschwindigkeit reduziert und versucht, die Überlastsituation zu verhindern, ohne die programmierte Bahn zu verlassen. Kann die Überlast damit nicht umgangen werden, bleibt der Roboter schließlich stehen, ohne zunächst jedoch einen Nothalt auszulösen. Klärt sich die Situation (zum Beispiel durch Unterstützung durch menschliche Interaktion von außen oder mechanische Entlastung, oder programmgesteuerte Aktionen), dann setzt der Roboter seine Arbeit fort, unter Einhaltung der Grenzwerte. Dabei kann er auch wieder die Sollgeschwindigkeit erreichen. Vorzugsweise wird hier die Geschwindigkeit als Regelgröße herangezogen, um einer Überlastungssituation auszuweichen. Klärt sich die Überlastsituation trotz Stillstand nicht, kann auf weitere Weise reagiert werden, ohne dass ein Notstopp getriggert werden muss. Erst wenn alle konfigurierten Maßnahmen keinen Erfolg haben, wird der Roboter von der unterlagerten Sicherheit in den Nothalt versetzt.
c) Überlastvermeidung durch direktes Ausweichen: Die Steuerung wird programmgesteuert so eingestellt, dass sie automatisch der Belastung ausweicht und versucht, die Überlastsituation dadurch zu vermeiden. Dabei weicht der Roboter eigenständig in die der Belastung entgegengesetzte Richtung aus, die durch die oben berechneten Vektoren gegeben ist. Dieser Modus kann auch im Stillstand angewendet werden, und bietet sich an, mit dem Modus b) „Bahntreue Überlastvermeidung“ kombiniert zu werden. Der Roboter versucht dann so lange es geht bahntreu zu fahren und nötigenfalls stehen zu bleiben, und wenn das auch nicht hilft, der Belastung auszuweichen. Hierbei gibt er nach einem bahntreuen Abbremsen auf der Bahn bis zum Stillstand schließlich genau in Richtung der Belastung nach. Er bricht also im letzten Moment aus, um nicht überlastet zu werden.
d) Bahntreues Ausweichen in definierte Redundanzen: Die Steuerung wird programmgesteuert so eingestellt, dass sie automatisch der Belastung ausweicht und versucht die Überlastsituation dadurch zu vermeiden.
e) Anwenderspezifisches Verhalten: Die Steuerung kann programmgesteuert so eingestellt werden, dass sie dem Anwenderprogramm signalisiert, dass der Roboter (potenziell) überlastet ist, und die Anwendung kann selbst eine Behandlungsstrategie implementieren. Diese Methode bieten die maximale Flexibilität, wobei gegebenenfalls kurze Überlastsituationen auch bewusst in Kauf genommen werden, auch wenn der Roboter damit schneller repariert werden muss. Dies kann trotzdem die günstigste Lösung sein. Dies kann beispielsweise in der Rehabilitation besonders vorteilhaft sein, wenn der Roboter zum Beispiel eine Extremität eines Patienten führt und dieser während der Therapie eine Spastik erleidet und mit großer Kraft am Roboter zieht. Dann würde der Roboter in einer Ausführung einfach dem Patienten folgen, ohne Schaden zu nehmen und ohne eine Notaussituation zu erzeugen. Das Anwenderprogramm kann dabei eine Ausweichbewegung durchführen, ohne den Patienten zu überlasten, weil die anwendungsspezifische Implementierung der Ausweichstrategie genau auf dieses Setting abgestimmt ist, den Fall also kennt.
f) Die Steuerung protokolliert Überlastungssituationen in einem internen Log-File, dass der Hersteller auslesen kann. Obiger Fall c. kann somit auch vom Hersteller erkannt bzw. belegt werden und dieser kann sich von unberechtigten Reparaturansprüchen oder dergleichen freihalten.

Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Roboter
2: Steuerung
11, 12, 15: Gelenk
12.1: Gelenkantrieb
12.2: Sensoranordnung
17: Endeffektor
n1,...,n6: Drehzahl

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Roboters (1), der mehrere Gelenke (11, 12, 15) aufweist, wobei während einer durch Gelenkantriebe (12.1) bewirkten Bewegung des Roboters für zwei oder mehr, insbesondere alle, Gelenke jeweils: - basierend auf wenigstens einem Sensorwert ein aktueller ein- oder mehrdimensionaler Lastgrößenwert für das jeweilige Gelenk ermittelt wird (S10); und - basierend auf diesem aktuellen Lastgrößenwert und einem ein- oder mehrdimensionalen vorgegebenen Grenzwert für das jeweilige Gelenk ein ein- oder mehrdimensionaler Belastungswert für das jeweilige Gelenk ermittelt wird (S20); wobei basierend auf den Belastungswerten eine Aktion des Roboters zur Reduzierung einer oder mehrerer Komponenten dieser Belastungswerte durchgeführt wird und/oder basierend auf den Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters signalisiert und/oder abgespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Geschwindigkeit des Roboters, insbesondere beim Abfahren einer vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegebenen Bahn, reduziert wird, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter bei der Geschwindigkeitsreduzierung weiter der vorgegebenen Bahn folgt und/oder anhält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter, insbesondere nach der Geschwindigkeitsreduzierung, eine von den Belastungswerten abhängige Ausweichbewegung durchführt, um wenigstens eine Komponente der Belastungswerte zu reduzieren, insbesondere von einer vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegebenen Bahn abweicht.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausweichbewegung eine Bewegung des Roboters antiparallel zu einer Projektion von zu reduzierenden Belastungswerten in einen kartesischen Arbeitsraum des Roboters aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausweichbewegung eine roboterfeste Referenz des Roboters weiter in einer durch eine vor dem Ermitteln der aktuellen Lastgrößenwerte vorgegebene Bahn vorgegebenen Position und/oder Orientierung gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungssituation des Roboters an ein Anwendungsprogramm signalisiert wird, welches in Reaktion hierauf den Roboter dazu veranlasst, eine anwendungsprogrammspezifische Aktion durchzuführen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktion des Roboters durchgeführt wird, wenn eine Komponente der Belastungswerte in einem vorgegebenen Bereich liegt, insbesondere eine Aktion zur Reduzierung dieser Komponente der Belastungswerte, und dass - eine andere Aktion des Roboters durchgeführt wird, wenn die eine Komponente in einem anderen vorgegebenen Bereich liegt, insbesondere eine andere Aktion zur Reduzierung der einen Komponente der Belastungswerte; und/oder - eine Aktion des Roboters durchgeführt wird, wenn eine andere Komponente der Belastungswerte in einem vorgegebenen Bereich, insbesondere dem einen vorgegebenen Bereich oder einem anderen vorgegebenen Bereich, liegt, insbesondere eine Aktion zur Reduzierung der anderen Komponente und/oder andere Aktion.
Verfahren nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Aktionen durch das Anwendungsprogramm vorgegeben, insbesondere auf Basis einer Benutzereingabe aus mehreren vorgegebenen Aktionen ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgespeicherte Belastungssituation des Roboters zu einer Analyse nach Abarbeiten wenigstens eines Arbeitsprozesses, insbesondere mehrerer Prozesszyklen, des Roboters verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastgrößenwert und/oder Belastungswert für ein Gelenk von einem Drehmoment und/oder einer Geschwindigkeit an dem Gelenk abhängt und/oder wenigstens eine aktuelle und/oder wenigstens eine zeitintegrierte Komponente aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter während der durch Gelenkantriebe bewirkten Bewegung mit wenigstens einem Menschen kooperiert.
System zum Betreiben eines Roboters (1), der mehrere Gelenke (11, 12, 15) aufweist, wobei das System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist: - Mittel zum Ermitteln, für zwei oder mehr, insbesondere alle, Gelenke, jeweils eines aktuellen ein- oder mehrdimensionalen Lastgrößenwertes für das jeweilige Gelenk während einer durch Gelenkantriebe bewirkten Bewegung des Roboters basierend auf wenigstens einem Sensorwert; und - Mittel zum Ermitteln, für diese zwei oder mehr, insbesondere alle, Gelenke, jeweils eines ein- oder mehrdimensionalen Belastungswertes für das jeweilige Gelenk während der durch Gelenkantriebe bewirkten Bewegung des Roboters basierend auf diesem aktuellen Lastgrößenwert und einem ein- oder mehrdimensionalen vorgegebenen Grenzwert für das jeweilige Gelenk; sowie - Mittel, um den Roboter zu veranlassen, basierend auf den Belastungswerten eine Aktion zum Reduzieren einer oder mehrerer Komponenten dieser Belastungswerte durchzuführen, und/oder Mittel, um basierend auf den Belastungswerten eine Belastungssituation des Roboters zu signalisieren und/oder abzuspeichern.
Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt, wobei das Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt, insbesondere auf einem computerlesbaren und/oder nicht-flüchtigen Speichermedium gespeicherte, Anweisungen enthält, die bei der Ausführung durch einen oder mehrere Computer oder ein System nach Anspruch 13 den oder die Computer oder das System dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.