DE69402444T2

DE69402444T2 - Verfahren zur hybriden Positions/Kraft-Steuerung für einen Robotermanipulator

Info

Publication number: DE69402444T2
Application number: DE69402444T
Authority: DE
Inventors: Serge Faure; Alain Gaillet; Regis Lefebvre; Claude Reboulet
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA; Potain SA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1993-01-19
Filing date: 1994-01-17
Publication date: 1997-11-13
Anticipated expiration: 2014-01-18
Also published as: US5469531A; DE69402444D1; EP0608187B1; FR2700532A1; EP0608187A1; FI940245A; FI940245A0; NO940178D0; NO940178L; JPH06278068A; ATE151328T1; FR2700532B1

Description

(57) Die Erfindung betrifft die Steuerung von Roboter-Manipulatoren, die einen Makro-Manipulator umfassen, der mit einem Mikro-Manipulator mit einem Greiforgan kombiniert ist.

Die Steuerung erfolgt auf der Basis von Sollwerten (Fd) für die Kraft und Sollwerten (χd) für die Position, die mit realen Werten (Fm, χm) verglichen werden, um Verschiebungsinkremente (Δx, Δy, Δz, ΔΘx, ΔΘy, ΔΘz) zu bilden, die für das Greiforgan bestimmt sind. Wenn diese Inkremente zu Werten (χm) addiert werden, die die aktuelle Position repräsentieren, ergeben sie neue Positions-Sollwerte (χ'd) des Greiforgans. Diese Sollwerte werden (in 29) zwischen dem Makro-Manipulator und dem Mikro-Manipulator aufgeteilt, wobei die Deformation (Δx) und die für den Makro-Manipulator zulässigen Beweglichkeiten berücksichtigt werden.
Besondere Anwendung: Roboter-Manipulator mit großen Abmessungen und großer Leistungsfähigkeit zum Einsatz in offenem Gelände, insbesondere auf Baustellen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur hybriden Positions/Kraft-Steuerung für einen Roboter-Manipulator mit sechs Freiheitsgraden von dem Typ, der einen Makro-Manipulator umfaßt, der mit einem Mikro- Manipulator mit Greiforgan gekoppelt ist.
Diese Erfindung wird auf speziellere Weise, jedoch nicht ausschließlich, für die Steuerung eines Roboter-Manipulators mit großen Abmessungen und großer Leistungsfähigkeit zum Einsatz in offenem Gelände (Freiluft), insbesondere auf Baustellen, angewendet, wie im Dokument FR-A-2 653 761 beschrieben wurde. Ein derartiger Roboter-Manipulator umfaßt:
- einen motorisierten, elastisch verformbaren Träger mit langgezogener Struktur (mit großen Abmessungen in Längsrichtung und relativ geringen Abmessungen in Querrichtung), der den "Makro-Manipulator" darstellt, der im wesentlichen gebildet wird aus einem Mast, der um eine annähernd vertikale Achse drehbar ist, und einem Ausleger, der an der Spitze des Mastes um eine annähernd horizontale Achse angelenkt ist und aus mehreren Elementen gebildet wird, die jeweils aneinander um Achsen, die zu der vorgenannten parallel sind, angelenkt sind, wobei dieser Ausleger in einer vertikalen Ebene, die durch die Drehachse des Mastes geht, entfaltbar und Zusammenfaltbar ist;
- einen motorisierten Kompensator-Arm, der den "Mikro-Manipulator" darstellt, eine Struktur mit geringer Trägheit in bezug auf den Träger aufweist, zusammenschiebbar und drehbar ist, zumindest einen redundanten Freiheitsgrad aufweist und mit einem Greiforgan-Träger zum Erkennen von Belastungskräften durch aktive Compliance ausgestattet ist, wobei der Kompensator-Arm gemäß dem Prinzip der Stewart-Plattform (oder jedem anderen parallelen Manipulator-Typ) gebildet werden kann;
- eine motorisierte Verbindung des Kompensator-Arms und des Endes des Auslegers des Trägers:
- Vorrichtungen zur Steuerung und Kontrolle der Motorisierung des Trägers, des Kompensator-Arms und der Verbindung zwischen dem Kompensator- Arm und dem Träger,
- Vorrichtungen zur Energieversorgung und Kontrolle/Steuerung eines Greiforgans, das vom Greiforgan-Träger gehalten wird.
Es ist auch festzuhalten, daß der Träger und der Manipulator-Arm eines derartigen Roboter-Manipulators eine gewisse Anzahl an Wirkelementen umfassen; diese sind in der Praxis Getriebemotoren für die Orientierung und diverse Steiler mit ihren Regelvorrichtungen sowie Positionsaufnehmer, die mit den Wirkelementen verbunden sind. Der Träger, anders gesagt der Makro- Manipulator, ist in der Lage, die großen Ortsveränderungen zu gewährleisten, indem er Positionsregelvorrichtungen einsetzt. Der Kompensator-Arm, d.h. der Mikro-Manipulator, sichert die kleinen Ortsveränderungen und weist Regevorrichtungen für Position und Beanspruchungskräfte auf; er wird auf diese Weise insbesondere in den Betriebsphasen tätig, die einen Kontakt mit der Umgebung beinhalten. So wird in der Praxis der Kompensator-Arm in einem vom Roboter- Manipulator ausgeführten Transportzyklus insbesondere im Moment des Aufnehmens einer Last und im Moment des Ablegens einer Last tätig, denn bei diesen Sequenzen ist eine Steuerung der Beanspruchungskräfte äußerst wichtig.
Wenn man insbesondere die Sequenz des Aufnehmens einer Last betrachtet, die zum Beispiel ursprünglich auf dem Boden liegt, ist es erforderlich, das ganze Gewicht der Last vom Boden zum Roboter zu verlagern, wobei der Roboter in Spannung versetzt wird, ohne die Position des Greiforgans zu verändern, was folgendes impliziert:
- Einwirken auf den Träger, um seine Deformation, d.h. alle seine Transiations- und Drehbewegungen im Raum entsprechend seiner Konfiguration und seinem Belastungszustand allmählich zu kompensieren;
- Einwirken auf den Kompensator-Arm um das Greiforgan bis zum Abheben der Last in seiner Position zu halten
Das Problem stellt sich in ähnlicher Weise bei der Sequenz des Ablegens der Last mit dem Lösen der Spannung des Roboters (Veränderung des Zustands der inneren Beanspruchung), wobei es notwendig ist, das gesamte Gewicht der Last vom Roboter zur Ablegefläche hin zu verlagern, ohne die Position der Last zu verändern.
Die Steuerung der Beanspruchungskräfte erfolgt auch bei der Aktivierung gewisser Betriebsarten des Roboters; allgemeiner gesagt muß es die hybride Positions-/Kraft-Steuerung möglich machen, die Position des Greiforgans des Roboters entsprechend gewissen Freiheitsgraden zu steuern, wobei sie gleichzeitig die Beanspruchungskräfte, die dieses Greiforgan auf die Umgebung ausübt, entsprechend den komplementären Freiheitsgraden steuert. Zur Erinnerung wird hier erwähnt, daß die Gesamtzahl der Freiheitsgrade 6 beträgt und die hybride Positions-/Kraft-Steuerung darin besteht, N Freiheitsgrade der Kraft und die (6 - N) anderen Freiheitsgrade der Position zu steuern. In diesem Zusammenhang bedeutet "Position" sowohl "Position eines Punktes" als auch "Orientierung", während "Kraft" sowohl "Beanspruchung" als auch "Moment" bedeutet. Es ist auch in Betracht zu ziehen, daß der Roboter bei einer hybriden Steuerung Makro- (oder Anfangs-) Steuerungen interpretiert und ausführt, die vordefinierte Funktionen im Zusammenhang mit den durchzuführenden Aufgaben sind. In einer Sequenz des Ablegens einer Last kann die Makro-Steuerung zum Beispiel die Regelung der Kraft entsprechend drei Freiheitsgraden und die Regelung der Position entsprechend den drei komplementären Freiheitsgraden bedeuten. Bei der hybriden Steuerung werden auch verschiedene funktionelle Zeichen verwendet, insbesondere ein mit dem unteren Ende des Roboters verbundenes Zeichen, ein mit der Basis des Kompensator-Arms (oder dem Endteil des Trägers) verbundenes Zeichen, ein mit der beweglichen Platte des Kompensators verbundenes Zeichen, ein fixes Zeichen "Arbeit" im Zusammenhang mit der Umgebung, und ein mit der zu manipulierenden Last verbundenes Zeichen. In Anbetracht der Struktur des Trägers und des Manipulator-Arms werden auch das "umgekehrte geometrische Modell" des Trägers sowie das "umgekehrte geometrische Modell" des Kompensator-Arms definiert, d.h. die Beziehungen, die für jede Position des Trägers oder des Manipulator-Arms, ausgedrückt in kartesischen Koordinaten, die entsprechenden Sollwerte definieren, die an die Gelenkverbindungen des Roboters zu senden sind, wobei diese auf einfachere Weise "Gelenks-Sollwerte" genannt werden.
Die Überlegungen, die die Erfinder angestellt haben, haben sie dazu geführt, für das Aufnehmen und Ablegen von Lasten entsprechend der vertikalen Achse vier verschiedene Strategien in Betracht zu ziehen, in denen
- nur der Träger eine aktive Rolle spielt,
- nur der Kompensator-Arm eine aktive Rolle spielt,
- der Träger und der Kompensator-Arm sequentiell aktiv sind,
- der Träger und der Kompensator-Arm gleichzeitig aktiv sind.
Die letztgenannte Strategie hat sich als die vorteilhafteste herausgestellt, insbesondere was die Begrenzung der Verschiebung des Kompensator- Arms in bezug auf seine mittlere Position betrifft, da eine Verschiebung des Trägers durchgeführt werden kann, wenn sich die aktuelle Position des Kompensators zu sehr von seiner mittleren Position entfernt, was auch zu einer Begrenzung der Abmessungen des Kompensator-Arms führt. Ein anderer Vorteil ist die Möglichkeit, eine Last hinter einem Hindernis herabsenken zu kännen und den Kontakt "blind" zu suchen, d.h. ohne a priori Kenntnis von der genauen Bodenhöhe oder der Ablagefläche zu haben.
Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren ist somit im Rahmen dieser letztgenannten Strategie angesiedelt; es zielt vor allem darauf, die Aufteilung der Beweglichkeiten zwischen dem Träger und dem Kompensator-Arm oder, wenn man das Problem und seine Lösung generalisiert, zwischen dem Makro- Manipulator und dem Mikro-Manipulator festzulegen.
Das Dokument DE-A-3810691 beschreibt ein System eines Roboter- Manipulators mit sechs Freiheitsgraden von dem Typ, der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannt ist, d.h. mit einem Makro-Manipulator, der mit einem Mikro-Manipulator mit Greiforgan verbunden ist, wobei diese Manipulatoren Aufnehmer for Kraft und Position, Wirkelemente und Mittel zur Regelung der Wirkelemente ausgehend von Sollwerten und realen Werten, die von den Aufnehmem geliefert werden, einsetzen. Allerdings liefert dieses Dokument keinerlei allgemeine Lösung bezüglich der einzuführenden Sollwerte, und es beschreibt keine echte hybride Steuerung im Sinn der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus beschäftigt sich das Dokument DE-A-3810691 nicht mit dem Problem der Kompensation der "Deformation" des Makro-Manipulators, das auf speziellere Weise Roboter-Manipulatoren mit großen Abmessungen und großer Leistungsfähigkeit betrifft.
Das Ziel der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 erreicht, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß:
- N Sollwerte für die Kraft des Kontakts des Greiforgans oder der Last mit der Umgebung und (6-N) Sollwerte für die Position des Greiforgans eingeführt werden, die jeweils den sechs Freiheitsgraden im Raum entsprechen,
- alle diese Sollwerte mit reellen Werten verglichen werden, die durch die Aufnehmer für die Kraft bzw. für die Position geliefert werden, und so Differenzwerte produziert werden,
- die Differenzwerte in Verschiebungsinkremente umgewandelt werden, die für das Last-Greiforgan bestimmt sind,
- die Verschiebungsinkremente zu den Werten addiert werden, die die aktuelle Position repräsentieren, um neue Sollwerte für die Position des Greiforgans zu erstellen,
- die neuen Sollwerte für die Position des Greiforgans, wobei die reale Position des Makro-Manipulators und seine Deformation berücksichtigt werden, dem Mikre-Manipulator zugewiesen werden,
- diese neuen Positions-Sollwerte durch einen Koodinaten- Transformator in Gelenks-Sollwerte umgewandelt werden, die für die Regelung der Wirkelemente des Mikro-Manipulators bestimmt sind,
- virtuelle Positions-Sollwerte, wobei die Deformation und die anfängliche Position des Makro-Manipulators berücksichtigt werden, an den Makro- Manipulator gerichtet werden),
- diese virtuellen Sollwerte einerseits in Positions-Sollwerte, die tatsächlich an den Makro-Manipulator gerichtet werden, und andererseits in Sollwerte, die vom Makro-Manipulator nicht realisiert werden können und an den Mikro- Manipulator gerichtet werden, aufgeteilt werden,
- die Positions-Sollwerte, die tatsächlich an den Makro-Manipulator gerichtet werden, durch einen Koordinaten-Transformator in Gelenks-Sollwerte umgewandelt werden, die für die Regelung der Wirkelemente des Makro- Manipulators bestimmt sind.
Auf diese Weise trägt dieses Verfahren zur hybriden Steuerung der Tatsache Rechnung, daß nicht alle Freiheitsgrade für den Makro-Manipulator zulässig sind, was bei dem Träger in der besonderen Anwendung der Fall ist, die hier beschrieben wird, um das Problem zu erläutern. Es ist auch festzuhalten, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Aufteilung der Sollwerte zwischen dem Makro-Manipulator und dem Mikro-Manipulator erst erfolgt, nachdem die gewünschte Position des Greiforgans für die Last wiederhergestellt wurde. Der Mikro-Manipulator führt hier korrigierende Ortsveränderungen durch, die dazu bestimmt sind, die Regelungsdifferenzen der hybriden Sollwerte zu annullieren, wobei unabhängig davon die Position des Makro- Manipulators ausgehend von den Deformationen korrigiert wird. Es ist anzumerken, daß die Deformationen ausgehend von einer vorher gespeicherten Werte-Tabelle oder mittels Berechnungen (mathematisches Modell) eingeführt werden können.
Gemäß einer Einsatzart des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Sollwerte, die an den Makro-Manipulator genchtet werden, so erstellt, daß der Makro-Manipulator im Lauf einer Sequenz des Aufnehmens oder Ablegens einer Last eine konstante Position im Raum einnimmt.
Bei einer Variante des Verfahrens werden die Sollwerte, die an den Makro-Manipulator gerichtet werden, so erstellt, daß der Makro-Manipulator im Lauf einer Sequenz des Aufnehmens oder Ablegens einer Last eine nachregelbare Position einnimmt, so daß die Differenz zischen der realen Position und der mittleren Position des Mikro-Manipulators verringert wird.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf die spezielle industrielle Anwendung des oben definierten Verfahren zur hybriden Positions-/Kraft-Steuerung auf einen Roboter-Manipulator mit großen Abmessungen und großer Leistungsfähigkeit zum Einsatz in offenem Gelände, mit einem motorisierten Träger, gebildet durch einen drehbaren Mast und einen faltbaren Ausleger aus mehreren Elementen, die jeweils aneinander angelenkt sind, und mit einem am Ende des faltbaren Auslegers befindlichen motorisierten Kompensator, der mit einem Greiforgan-Träger zum Erkennen von Belastungskräften durch aktive Compliance ausgestattet ist, in dem der Träger den Makro-Manipulator und der Kompensator den Mikro-Manipulator darstellt, wobei das Verfahren hier die Aufteilung der Beweglichkeiten zwischen dem Träger und dem Kompensator sichert, indem die Belastungskräfte des Kontaktes im Lauf der Sequenzen des Aufnehmens und Ablegens einer Last gesteuert werden.
Die Erfindung wird verständlicher durch die folgende Beschreibung, die sich auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen bezieht, in denen als nicht ausschließliches Beispiel einige Einsatzarten dieses Verfahrens unter Bezugnahme auf eine spezielle Anwendung dargestellt werden.
Figur 1 ist eine perspektivische Gesamtansicht eines Roboter- Manipulators, der durch das erfindungsgemäße Verfahren gesteuert werden kann;
Figur 2 ist eine schematische Darstellung des Roboter-Manipulators von Figur 1 mit den damit verbundenen Zeichen;
Figur 3 ist ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen hybriden Positions-/Kraft-Steuerung;
Figur 4 ist ein detaillierteres Schaltbild, das die Aufteilung der Beweglichkeiten in diesem Verfahren illustriert.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird zuerst die Struktur eines Roboter- Manipulators mit großen Abmessungen und großer Leistungsfähigkeit zum Einsatz in offenem Gelände in Erinnerung gerufen, wie sie bereits im Dokument FR-A-2 653 761 beschrieben wurde. Allgemein gesagt umfaßt dieser Roboter-Manipulator einen motorisierten Träger 1 mit großen Abmessungen und langgezogener, elastisch verformbarer Struktur, sowie einen motorisierten Kompensator 2 mit einer Struktur mit geringer Trägheit, der ein Greiforgan 3 trägt, das in der Lage ist, eine Last 4 zu ergreifen.
Der Träger 1, auch Makro-Manipulator genannt umfaßt einen fixen oder rollenden Rahmen 5, der die Verbindung mit dem Boden der Baustelle sichert, auf der der Roboter installiert und eingesetzt wird. Der fixe oder rollende Rahmen 5 trägt unter Zwischenschaltung einer motorisierten Orientierungsvorrichtung einen drehbaren Rahmen 6, auf dem ein Mast 7 befestigt ist, der auf diese Weise um eine vertikale Achse 8 drehbar ist. Darüber hinaus ist am drehbaren Rahmen 6 hinter der Basis des Mastes 7 ein Ausgleichsballast 9 befestigt.
An der Spitze des Mastes 7 ist um eine horizontale Achse 10 herum ein entfalt- bzw. faltbarer Ausleger 11 befestigt, der aus vier aufeinanderfolgenden Elementen 12, 13, 14, 15 gebildet wird, die jeweils aneinander um horizontale Achsen 16, 17 und 18 herum, die parallel zur Achse 10 sind, aneinander angelenkt sind.
Die Motorisierung des Trägers 1 wird gesichert durch Steiler 19, 20, 21, 22, die die Schwenkung des ersten Elements 12 des Auslegers 11 in bezug auf den Mast 7, die Schwenkung des zweiten Elements 13 in bezug auf das erste Element 12, die Schwenkung des dritten Elements 14 in bezug auf das zweite Element 13 und die Schwenkung des vierten Elements 15 in bezug auf das dritte Element 14 sichern, wobei das vierte und letzte Element 15 während des Betriebs annähernd vertikal gehalten wird.
Der Ausleger 11 des Trägers 1 wird an seinem vorderen Ende, d.h. unter dem Element 15, durch den Kompensator 2, auch Mikro-Manipulator genannt, verlängert. Der Kompensator 2 ist hier gemäß dem Prinzip der Stewart- Plattform gebildet. Er umfaßt daher eine annähernd horizontale obere Platte 23, die durch sechs Steiler 24 mit einer unteren Platte 25 verbunden ist. Eine motorisierte Verbindung 26, die die Drehung des Kompensators 2 ermöglicht, ist zwischen dem letzten Element 15 des Auslegers 11 des Trägers 1 einerseits und der oberen Platte 23 des Kompensators 2 andererseits vorgesehen. Das Greiforgan 3 ist unter der unteren Platte 25 des Kompensators 2 befestigt.
Allgemein gesagt stellen die Steiler 19, 20, 21, 22, 24 und die Getriebemotoren für die Orientierung die "Wirkelemente" des Roboter-Manipulators dar. Der Träger 1 mit seinen diversen Wirkelementen, einschließlich des Getriebemotors 27 für die Orientierung des Mastes 7, ermöglicht weitreichende Ortsveränderungen der Last 4 oder des Greiforgans 3 im Leerzustand. Der Kompensator 2 mit seinen eigenen Wirkelementen (Steiler 24) ermöglicht die Feinpositionierung der Last 4 oder des Greiforgans 3 mit schnelleren und wenig ausgreifenden Bewegungen insbesondere beim Aufnehmen der Last 4 und beim Ablegen. Bei diesen Sequenzen werden auch Kraftaufnehmer 28 tätig, die vom Kompensator 2 getragen werden, wie zum Beispiel der im Dokument FR-A-2631 118 beschriebene Aufnehmer.
Genauer gesagt geht das Aufnehmen oder Ablegen einer Last mit der allmählichen Übertragung des Gewichts der Last 4 vom Boden zum Roboter- Manipulator oder umgekehrt einher, wobei die Wirkelemente die allmähliche Korrektur der Deformation der Struktur des Roboter-Manipulators je nach seiner Last sichern, während die Kraftaufnehmer 28 die horizontalen Kräfte und Kontaktmomente auf einen Nullwert einstellen. Die hybride Positions-/Kraft- Steuerung ermöglicht eine Beherrschung der Einheit Träger 1 - Kompensator 2, wobei das Greiforgan 3 in Position gehalten und die Deformation des Trägers 1 kompensiert wird.
Im Schema von Figur 2 wird die Struktur des Roboter-Manipulators auf sehr vereinfachte Weise dargestellt (die Elemente, die denjenigen von Figur 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen). Die elastische Verbindung, die in E zwischen dem Ende des Auslegers 11 und dem Kompensator 2 dargestellt ist, symbolisiert die Elastizität und die entsprechende Deformation. Dieses Schema zeigt auch die wichtigsten orthonormierten Zeichen, die für den Einsatz der erfindungsgemäßen hybriden Steuerung erforderlich sind.
- Zeichen Ro, verbunden mit der Basis des Trägers 1; 0
- Zeichen RRF, verbunden mit der oberen Platte 23 des Kompensators 2 (bei Fehlen einer Deformation, d.h. bei Annahme eines starren Trägers 1 als R*RF bezeichnet);
- Zeichen RRM, verbunden mit der unteren Platte 25 des Kompensators 2;
- mobiles Zeichen RTM, verbunden mit der Last 4;
- fixes "Arbeits"-Zeichen RTF, verbunden mit dem Boden oder dem Ort des Aufnehmens oder Ablegens der Last 4.
Das Grundkonzept der Steuerung besteht darin, Verschiebungsinkremente Δχ zu erzeugen, deren Komponenten durch Δx, Δy, Δz, ΔΘx ΔΘy, ΔΘz ausgedrückt werden, die, wenn sie zu der aktuellen Position addiert werden, den neuen Bezugswert der zu erreichenden Position darstellen. Figur 3 illustriert in der Form eines sehr vereinfachten Prinzipschaltbilds, wie die hybriden Steuerungen der Kraft Fd und der Position χd kombiniert werden, um ein Verschiebungsinkrement Δχ des Greiforgans 3 zu liefern, ohne auf die für den Träger 1 und den Kompensator 2 zulässige Beweglichkeit Rücksicht zu nehmen. Erst nach der Wiederherstellung der gewünschten Position XID des Greiforgans 3 werden die Sollwerte zwischen dem Träger 1 und dem Kompensator 2 in einem Beweglichkeits-Aufteilungsblock 29, der in Figur 4 detailliert gezeigt wird, aufgeteilt.
Die N Sollwerte der Kraft Fd (Beanspruchung oder Moment), die ebenso vielen Freiheitsgraden entsprechen, werden eingeführt und in 30 mit den realen Werten der Kraft Fm verglichen, die von den Kraftaufnehmern 28 des Kompensators 2 geliefert werden. Die auf diese Weise ermittelten N Kraft- Differenzwerte werden in 31 in Positions-Differenzwerte (Translation oder Orientierung) umgewandelt, wo sie mit einer Verstärkungsmatrix multipliziert werden, die annähernd wie der Kehrwert der Steifigkeit des Trägers 1 gewählt wird.
Parallel dazu werden die (6 - N) Positions-Sollwerte χd, die ebenso vielen komplementären Freiheitsgraden entsprechen, eingeführt und in 32 mit den realen Positionswerten χm verglichen, die durch exterozeptive (exerne) Aufnehmer geliefert werden; auf diese Weise werden (6 - N) Positions- Differenzwerte produziert.
Man erhält auf diese Weise zusammen die sechs Verschiebungsinkremente Δx, Δy, Δz, ΔΘχ, ΔΘ , ΔΘz, zusammenfassend als Δχ bezeichnet, die in 33 zu den entsprechenden realen Positionswerten χm addiert werden, um neue Positions-Sollwerte χ'd des Greiforgans 3 zu liefern.
Diese neuen Positions-Sollwerte χ'd werden in den Aufteilungsblock 29 eingeführt, der auch einen geschätzten Wert der Deformation erhält, die je nach dem Inhalt der Tabelle der Deformationen ein Vektor der Dimension 3, 4, 5 oder 6 sein kann.
Der Aufteilungsblock 29, der hier als Ganzes betrachtet wird, liefert Positions-Sollwerte xdc, die dem Kompensator 2 zugewiesen werden, und andere Positions-Sollwerte xdp, die dem Träger 1 zugewiesen werden, wobei diese Sollwerte die Deformation berücksichtigen. Da es sich hier um kartesische Positions-Sollwerte handelt, wandelt ein Koordinaten-Transformator 34 die Sollwerte xdc in Gelenk-Sollwerte ad um, die für die Regelung der Wirkelemente des Kompensators 2 bestimmt sind. Auf ähnliche Weise wandelt ein anderer Koordinaten-Transformator 35 die Sollwerte xdp in Gelenk-Sollwerte Ad um, die für die Regelung der Wirkelemente des Trägers 1 bestimmt sind. Die beiden Koordinaten-Transformatoren 34 und 35 berücksichtigen das umgekehrte geometrische Modell des Kompensators 2 bzw. das umgekehrte geometrische Modell des Trägers 1.
Für eine detailliertere Erklärung der Aufteilung der Beweglichkeiten zwischen dem Träger 1 und dem Kompensator 2 wird nun auf Figur 4 Bezug genommen, wobei berücksichtigt wird, daß nicht alle Freiheitsgrade für den Träger 1 zulässig sind. Insbesondere kann die vertikale Ebene des Trägers 1 in der Phase der hybriden Steuerung blockiert sein, und auch jede Neigung des Trägers um eine beliebige Achse in der horizontalen Ebene xy kann unmöglich sein. Es wird daran erinnert, daß in der Phase der hybriden Steuerung die angewandte Strategie darin besteht, durch den Mikro-Manipulator, d.h. hier den Kompensator 2, korrigierende Ortsveränderungen ausführen zu lassen, die dazu dienen, die Differenzen der Regelung der hybriden Sollwerte (Kraft und Position) zu annullieren, wobei unabhängig davon die Position des Makro- Manipulators, anders gesagt des Trägers 1, korrigiert wird, wobei die Deformation berücksichtigt wird.
Im allgemeinsten Fall kann man hier annehmen, daß die Deformation durch einen Vektor mit sechs Komponenten ausgedrückt wird. Bei jedem Rechenschritt muß der neue Positions-Bezugswert, der aus der Schätzung der Deformation resultiert, die für den Träger 1 zulässigen Beweglichkeiten berücksichtigen. Es ist daher notwendig, diesen Bezugswert in den Unter-Raum der Arbeit dss Trägers 1 zu projizieren, wobei dann der fehlende Teil (komplementärer Unter-Raum) vom Kompensator 2 zu übernehmen ist.
Dieser Betriebsmodus wird in Figur 4 schematisch dargestellt, wobei:
- xop die Position des Trägers 1, anders gesagt die Position des Endes des Auslegers 11 (oder der oberen Platte 23 des Kompensators 2) darstellt, die während der gesamten Dauer der Ausführung der Makro-Steuerung vom hybriden Typ konstant bleiben soll;
- x*pD die gewünschte Position für den Träger 1 darstellt, der als starr angenommen wird, wobei dieser "virtuelle" Positions-Sollwert die Deformation berücksichtigt, die in 36 von der Position xop subtrahiert wird;
- 37 den Vorgang der Projektion des Sollwerts xwpD in den Unter-Raum der Arbeit des Trägers 1 zeigt, wobei die zulässigen Beweglichkeiten berücksichtigt werden;
- xwpd das Resultat dieses Projektionsvorgangs darstellt, d.h. den Positions-Sollwert, der tatsächlich dem Träger 1 zugewiesen wird und von den Wirkelementen dieses Trägers verwertet werden kann, nachdem er vom Koordinaten-Transformator 35 in Gelenks-Sollwerte Ad umgewandelt wiirde;
- xdc den dem Kompensator 2 zugewiesenen Positions-Sollwert darstellt, d.h. den Teil, den der Kompensator 2 durch Verschiebung seiner zweiten Platte 25 relativ zu seiner ersten Platte 23 zu übernehmen hat;
- xp die Position des Endes des Trägers 1 darstellt, die bei 38 vom Sollwert χ'd subtrahiert wird, um den Sollwert xdc zu bilden, der dem kompensator 2 zugewiesen wird, d.h.: xdc = χ'd - xp;
- 39 einen Summenbildungsvorgang darstellt, der eine Schätzung der Größe xp ausgehend von der Position xwpd des als starr angenommenen Trägers 1 liefert, die durch die Deformation korrigiert wird, d.h.: xp = x*pd + .
Auf diese Weise werden die vom Träger 1 nicht zugelassenen Sollwerte an den Kompensator 2 gerichtet, und sie finden sich in den kartesischen Sollwerten xdc wieder, die schließlich, wie bereits oben beschrieben, in Gelenks-Sollwerte ad umgewandelt werden.
Während die obige Beschreibung für die Aufteilung der Beweglichkeiten von einer konstanten gewünschten Position xop des Trägers 1 ausgeht, besteht eine Variante des Einsatzes des Verfahrens darin, die Position des Trägers 1 im Lauf einer Sequenz des Aufnehmens oder Ablegens der Last nachzuregeln, um die Abweichung zwischen der realen Position des kompensators 2 und seiner mittleren Position zu reduzieren.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die oben als Beispiel beschriebenen Arten des Einsatzes dieses Verfahrens zur hybriden Positions- /Kraft-Steuerung beschränkt, sondern sie erstreckt sich auch auf alle Varianten der Verwirklichung und Anwendung, denen dasselbe Prinzip zugrunde liegt. Auf diese Weise würde man sich durch teilweise Veränderungen des Verfahrens, die im Rahmen technischer Äquivalente bleiben, oder durch eine Anwendung dieses Verfahrens auf andere Roboter-Manipulatoren als auf das hier beschriebene besondere Beispiel nicht vom Rahmen der Erfindung entfernen, soferne diese Roboter-Manipulatoren eine Struktur mit Makro-Manipulator, Mikro-Manipulator und Greiforgan aufweisen.

Claims

1. Verfahren zur hybriden Positions-/ Kraft- Steuerung für einen Roboter- Manipulator mit sechs Freiheitsgraden eines Typs, enthaltend einen Makro- Manipulator (1) verbunden mit einem Mikro- Manipulator (2) mit einem Greiforgan (3) für eine Last, diese Manipulatoren einsetzend Aufnehmer für die Kraft und die Position, Wirkelemente und Mittel zur Regelung der Wirkelemente ausgehend von Sollwerten und realen Werten, die durch die Aufnehmer geliefert werden,

vorstehendes gekennzeichnet durch

- Ein führen von N Sollwerte (Fd) für die kraft der Berührung des Greiforgans (3) oder der Last (4) mit der Umgebung und (6 - N) Sollwerte für die Position (χd) des Greiforgans (3), entsprechend korrespondierend mit sechs Freiheitsgraden im Raum,

- alle diese Sollwerte (Fd, χd) werden verglichen (in 30, 32) mit den realen Werten (Fm, χm), die durch die Aufnehmer jeweils für die kraft (28) und die Position geliefert werden, und auf diese Weise Differenzwerte produzierend,

- die Differenzwerte werden (in 31) in Inkremente der Verschiebung (Δx, Δy, Δz, ΔΘx, ΔΘy, ΔΘz) umgesetzt entsprechend dem Greiforgan (3) der Last,

- die Inkremente der Verschiebung werden (in 33) zu den Werten (χm) addiert, die die aktuelle Position repräsentieren, zur Erstellung neuer Sollwerte für die Position (χ'd) des Greiforgans (3) der Last die neuen Sollwerte der Position (χ'd) des Greiforgans (3) der Last, unter Berücksichtigung (in 29) der realen Position (Xp) des Makro- Manipulators (1) und von seiner Verformung ( ), werden beeinflußt von dem Mikro- Manipulator (2),

- diese neuen Sollwerte der Position (xdc) werden durch einen Koordinaten- Transformator (34) in Gelenk- Sollwerte (ad) umgewandelt, die zur Regelung der Wirkelemente (24) des Mikro- Manipulators (2) bestimmt sind,

- die Sollwerte der virtuellen Positionen (X*pD) unter Berücksichtigung der Deformation ( ) und der anfänglichen Position (Xop) des Makro- Manipulators (1) werden an den Makro- Manipulator (1) weitergeleitet,

- diese virtuellen Sollwerte (X*pD) werden (in 37) aufgeteilt einerseits in Sollwerte der für den Makro- Manipulator (1) bestimmten tatsächlichen Position (X*pd), und andererseits in mittels des Makro- Manipulators (1) nicht realisierbare Sollwerte, die für den Mikro- Manipulator (2) bestimmt sind,

- die für den Makro- Manipulator (1) bestimmten Sollwerte der Position (X*pd) werden durch einen Koordinaten- Transformator (35) in Gelenk- Sollwerte (Ad) umgewandelt, die zur Regelung der Wirkelemente (19, 20, 21, 22, 26, 27) des Makro- Manipulators (1) bestimmt sind.

2. Verfahren zur hybriden Positions-/Kraft- Steuerung für einen Robotermanipulator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte (Xop), die für den Makro- Manipulator (1) bestimmt sind, auf eine solche Art gebildet werden, daß der Makro- Manipulator (1) eine konstante Position im Raum im Laufe einer Sequenz des Aufnehmens oder des Ablegens einer Last (4) einnimmt.

3. Verfahren zur hybriden Positions-/ Kraft- Steuerung für einen Robotermanipulator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte (Xop), die für den Makro- Manipulator (1) bestimmt sind, auf eine solche Art gebildet werden, daß der Makro- Manipulator (1) eine nachregelbare Position im Raum im Laufe einer Sequenz des Aufnehmens oder des Ablegens einer Last (4) einnimmt, zum Zwecke einer Reduzierung der Abweichung zwischen der realen Position und der mittleren Position des Mikro- Manipulators (2).

4. Verfahren zur hybriden Positions-/ Kraft- Steuerung für einen Robotermanipulator gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte der Position (xdc), die durch den Mikro- Manipulator (2) beeinflußt werden, aus einer Substraktion (in 38) resultieren, aus Sollwerten der Position (χ'd) des Greiforgans (3) der Last, einer Größe (Xp), repräsentierend die reale Position des Makro- Manipulators (1), wobei diese Größe (Xp) ihrerseits abhängig von der Position (X*pd) des als starr angenommenen Makro- Manipulators (1) geschätzt wird, korrigiert (in 39) durch die Deformation ( ).

5. Verfahren zur hybriden Positions-/ Kraft- Steuerung für einen Robotermanipulator gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet, durch seinen Einsatz bei einem Roboter- Manipulator großer Abmessungen und großer Leistungsfähigkeit zum Einsatz in offenem Gelände, mit motorisierten Trägern (1), gebildet durch einen drehbaren Mast (7) und einen faltbaren Ausleger (11) aus mehreren Elementen (12,13,14,15), jeweils aneinander angelenkt und mit, am Ende des faltbaren Auslegers (11), einem motorisierten Kompensator (2), ausgestattet mit einem Trage- Greiforgan zum Erkennen von Belastungskräften durch aktive Compliance, in der der Träger (1) den Makro- Manipulator und der Kompensator (2) den Mikro- Manipulator bildet, das Vorstehende sicherstellend die Aufteilung der Beweglichkeit zwischen dem Träger (1) und dem kompensator (2), kontrollierend die Belastungskräfte des Kontaktes im Laufe von Operationen des Aufnehmens oder des Ablegens einer Last (4).