EP3129841A1 - Verfahren zum handhaben eines objekts mittels eines manipulators und einem eingabewerkzeugs - Google Patents

Verfahren zum handhaben eines objekts mittels eines manipulators und einem eingabewerkzeugs

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EP3129841A1
EP3129841A1 EP15720201.1A EP15720201A EP3129841A1 EP 3129841 A1 EP3129841 A1 EP 3129841A1 EP 15720201 A EP15720201 A EP 15720201A EP 3129841 A1 EP3129841 A1 EP 3129841A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
input tool
coordinate system
movement
manipulator
input
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15720201.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Schautt
Richard Roberts
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ABB Schweiz AG
Original Assignee
ABB Gomtec GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ABB Gomtec GmbH filed Critical ABB Gomtec GmbH
Publication of EP3129841A1 publication Critical patent/EP3129841A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65G—TRANSPORT OR STORAGE DEVICES, e.g. CONVEYORS FOR LOADING OR TIPPING, SHOP CONVEYOR SYSTEMS OR PNEUMATIC TUBE CONVEYORS
    • B65G47/00—Article or material-handling devices associated with conveyors; Methods employing such devices
    • B65G47/74—Feeding, transfer, or discharging devices of particular kinds or types
    • B65G47/90—Devices for picking-up and depositing articles or materials
    • B65G47/902—Devices for picking-up and depositing articles or materials provided with drive systems incorporating rotary and rectilinear movements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
    • B25J9/1692—Calibration of manipulator
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65G—TRANSPORT OR STORAGE DEVICES, e.g. CONVEYORS FOR LOADING OR TIPPING, SHOP CONVEYOR SYSTEMS OR PNEUMATIC TUBE CONVEYORS
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    • B65G47/90—Devices for picking-up and depositing articles or materials
    • B65G47/905—Control arrangements
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/42—Recording and playback systems, i.e. in which the programme is recorded from a cycle of operations, e.g. the cycle of operations being manually controlled, after which this record is played back on the same machine
    • G05B19/423—Teaching successive positions by walk-through, i.e. the tool head or end effector being grasped and guided directly, with or without servo-assistance, to follow a path
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/36—Nc in input of data, input key till input tape
    • G05B2219/36433—Position assisted teaching
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S901/00—Robots
    • Y10S901/30—End effector
    • Y10S901/41—Tool

Definitions

  • the present invention relates to methods and means for handling an object, in particular a heavy, bulky or otherwise unwieldy object, e.g. in a warehouse, a production facility or the like.
  • an object handling system in which an input tool has a cube-shaped body and a joystick protruding from one of the six faces of the cube.
  • the input tool is placeable with each of the other five surfaces of the cube and is equipped with an orientation sensor that allows the down-facing surface of the cube to be identified.
  • a control unit takes into account which of the five cube areas is below.
  • the input device comprises a hand control lever, which is movable against a base in a multi-axis fashion, for inputting control commands and a multi-axis finger input device for inputting program commands.
  • EP 1 738 881 B1 discloses a robotic control system comprising an input device to be operated by a user with an actuating switch.
  • the input device has a 6-degree magnetic sensor for detecting its position and attitude to drive the robot accordingly.
  • US 5 345 540 A discloses a method of programming a manipulator to move a manipulator from an origin point to one or more modules.
  • the object of the present invention is to provide a method for handling an object, in which a comfortable, intuitive controllability of movements of the object can be ensured at any time.
  • the object is achieved by a method comprising the steps of: a) mechanically connecting the object to a manipulator and with an input tool with which a direction can be input in an inner coordinate system related to the input tool,
  • the relationship between the outer and inner coordinate system is initially unknown.
  • the relationship between the coordinate systems can be found out and the user input direction can be transformed into the outer coordinate system such that the direction of the control unit is in Response to the input of the user controlled movement matches the entered direction. This ensures the intuitive operability of the object handling system.
  • the sample movement can be a translation.
  • the input tool can be equipped with an acceleration sensor. be allowed, with the aid of which the direction of a force acting on the input tool at the beginning of the sample movement acceleration or the direction of a delay at the end of the sample movement can be detected.
  • the sample movement is a rotation
  • the known direction is the direction of the axis of that rotation.
  • Such a rotation can also be detected with an acceleration sensor by detecting the direction of gravitational acceleration in the internal coordinate system of the input tool before and after the rotation.
  • the direction of the axis of rotation can then be easily calculated, for example, by forming a cross product of the two detected gravitational acceleration vectors.
  • the known direction should preferably be horizontal.
  • the input tool comprises a base for connecting to the object and a head movable relative to the base from a rest position
  • the inner direction input by the user may be the
  • the direction of a force or a torque acting between the head and the base of the input tool can also be detected as the input internal direction.
  • the known direction of the sample movement may be fixed and may be the same each time the method described above is performed.
  • step a) detecting an inner direction input by the user at the input tool
  • this predetermined coordinate transformation may in particular be a coordinate transformation determined in an earlier iteration of the method. This increases the probability that the direction of the sample movement with the direction in which the user wishes to guide the object by his input at least largely coincides, and avoids an irritation of the user by a movement of the object in a direction not desired by him becomes .
  • these additional steps allow a continuous check whether the applied coordinate transformation still fits the orientation of the input tool, and optionally an adjustment of the coordinate transformation.
  • a disturbance e.g. due to a lack of physical connection between the input tool and the object to be handled, when a movement of the input tool is detected that is not caused by a movement of the manipulator or a movement of the manipulator, no movement of the input tool is detected.
  • the invention furthermore relates to an object handling system having a manipulator to which an object to be handled can be temporarily fastened, an input tool attachable to the object and a control unit for controlling the manipulator based on inputs made by a user on the input tool, where the input tool is an orientation sensor for detecting the orientation of the input tool in the room includes and is set To transmit the detection result of the orientation sensor to the control unit.
  • the input tool may comprise a base for attachment to the object and a head for manipulation by the user, the head and the base conveniently being physically connected via an input sensor arranged to at least one of the user for inputting a direction upside down applied vectorial control quantity relative to an internal coordinate system of the input tool to capture.
  • the orientation sensor may be any sensor that allows the measurement of an angle between a reference direction of the input instrument and an external preferential direction such as the direction of the gravitational acceleration or the earth's magnetic field.
  • the orientation sensor may be an acceleration sensor whose detection result quantitatively specifies at least the direction, possibly also the magnitude, of an acceleration acting on the input tool relative to the inner coordinate system of the input tool.
  • the better the resolution of this acceleration sensor the lower the amplitude of the sample motion required for a sufficiently accurate determination of the coordinate transformation.
  • a small amplitude of the sample motion is desirable to allow the object to be abutted against an external obstruction during trial movement. to avoid.
  • the angular resolution of the acceleration sensor should therefore be in the range of a few degrees or better.
  • the input tool and control unit should expediently have cordless interfaces for communication with one another.
  • the manipulator may be an end effector of a robotic arm with articulated links; However, the invention is not limited thereto but, for example, also transferable to a manipulator movable by means of a bridge crane or a trolley.
  • Another object of the present invention is the input tool for the object handling system described above.
  • Such an input tool may conveniently comprise a switch responsive to the presence of a foreign body in an area of the environment of the input tool. The state of such a switch is an indication of whether the input tool is attached to an object to be handled or not. It can be operated mechanically, by contact with the object, or operate without contact.
  • an inductive switch is particularly preferred since it is capable of detecting objects largely independently of their substance composition.
  • such a switch is arranged at the base of the input tool, and the area of the environment which it monitors is located on a side of the base facing away from the head.
  • the input tool may be switchable by the switch between a sleep state in which detection results of the orientation sensor and / or the input sensor are not output, and an active state in which the detection results are output. Such switching is reduced to a the probability that detection results are supplied to the control unit, currency ⁇ rend the input tool is not mounted on the object, on the other hand it helps to minimize the power consumption of the input tool, which is particularly advantageous when the input tool derives its operating power from an internal source such as a Batte ⁇ RIE or an accumulator.
  • a further subject of the invention is a computer program product with program code means which enable a computer to execute the above method ⁇ bene beschrie.
  • FIG. 1 is a schematic view of an object handling system according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic section through an input tool of the object handling system
  • FIG. 3 is a flowchart of a working method of the control unit of FIG. 1 according to a first embodiment
  • FIG. 5 shows a development of the method from FIG. 3 or FIG. 4.
  • Fig. 1 shows a schematic view of an object handling system for handling an object 1.
  • the object 1 is shown here schematically as a cube, but it is obvious that its shape and material nature are in principle, arbitrary.
  • a robot arm 2 comprises a base 3 fixed in a coordinate system denoted here as an external coordinate system and a plurality of links 4 which form a chain between the base 3 and an end effector 5 holding the object 1 and which are articulated to each other, to the base 3 and / or are connected to the end effector 5.
  • a coordinate system K here referred to as outer coordinate system, having axes x, y, z in which the base 3 of the robot arm 2 is immovable.
  • the input tool 7 comprises a base 8, here of a flat-cylindrical shape, from which one end side faces the object 1 and is fastened thereto, and the other end side a head to be handled by a user 9 carries.
  • the head 9 is here also of flat cylindrical shape and slightly smaller diameter than the base eighth
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through the input tool 7.
  • means for temporary fixing are provided, in this case, for example, double-sided Adhesive tape strips 11 that need only be pressed against a flank of the object 1 to allow the input tool 7 to adhere thereto and which, when dirty and no longer sufficiently adhesive, can be replaced.
  • the end face 10 could also carry a plurality of pins instead of the tape strips 11, which bore into the wood surface and provide support for the input tool 7 when pressed against the box by a user.
  • the objects to be handled are containers or generally objects made of ferromagnetic material, permanent or electromagnets may also be considered as means for temporary fixing.
  • hooks can also be provided on the front side 10 in order to suspend the input tool against a wire of a wall of the lattice box. Further modifications are conceivable.
  • the head 9 can be more or less movable (for example a joystick) relative to the base 8 or else completely immobile (eg pressure sensor).
  • the control variable detected by the sensor 12 may in particular be a force or a torque. Intuitively, a tensile or compressive force which the user exerts on the head 9 is oriented in the direction in which he wishes to translate the object 1 or a torque exerted by him is oriented in the direction of the axis he wants to rotate the object 1.
  • the sensor 12 may be sensitive to force, torque, or both, depending on the design. It preferably comprises for each control variable to be detected three sensor components 14 for detecting in each case one of three mutually orthogonal components of the relevant control variable. These sensor components 14 may be, for example, optoelectronic sensors (PSD), piezoelements or connected to the head 8 with the base 8 Rod 13 arranged strain gauges.
  • the axis' of this inner coordinate system extends in the longitudinal direction of the rod 13, the axis y 'transverse to it in the sectional plane of FIG. 2 and the axis z' perpendicular to the cutting plane.
  • the base 8 further includes an acceleration sensor 15 for measuring a vectorial acceleration.
  • the acceleration sensor 15 may also comprise three sensor components which are each sensitive to accelerations in three mutually orthogonal spatial directions, these spatial directions also being expediently the axial directions of the inner coordinate system x ', y', z '.
  • a radio interface 16 is connected to the sensors 12, 15 in order to transmit their detection results to a complementary radio interface 17 of the control unit 6.
  • a switch 19 is provided between the accumulator 18 on the one hand and the sensors 12, 15 and the radio interface 16 on the other hand has a button 20 projecting beyond the end face 10 and can be actuated by contact with the object 1.
  • the switch 19 is closed when the button 20 is depressed.
  • the sensors 12, 15 and the radio interface 16 are energized when the input tool 7 is mounted on the object 1 and pushes the button 20 back, and deliver in this state detection results to the control unit 6.
  • the switch 19 is open; No acquisition results are delivered and no energy is consumed.
  • switches 19 may also be provided; For example, a capacitive proximity switch that detects the approach to an object 1 by means of a change in the dielectric constant in its environment. If the object 1 is ferromagnetic and the means for temporarily fixing the input tool 7 comprise a permanent magnet, then the switch 19 may also be formed by a coil surrounding the permanent magnet, which changes the magnetic flux as the permanent magnet approaches the object 1 reacts.
  • An activation step S1 may be to turn on the control unit 6 or to start receiving data from the input tool 7 after it has been attached to the object 1.
  • the input tool 7 responds to its attachment to the object 1 by transmitting to the control unit 6 the three components of the gravitational acceleration vector detected by the acceleration sensor 15 and related to the inner coordinate system; these are received by the control unit 6 in step S2 and stored as a vector g ' o .
  • the control unit 6 activates the robot arm 2 in order to rotate the object 1 about an axis in a sample movement.
  • the direction of this axis is known to the control unit 6 and can be indicated as a vector r parallel to the axis in the outer coordinate system (hereinafter no distinction is made between the vector and the axis specified by it and the symbol r is used for both.
  • the method is particularly simple if the axis is horizontal r ge ⁇ selected.
  • the sample movement is a rotation about the x-axis of the coordinate system äuße ⁇ Ren K, which means that r is a vector in the x-direction.
  • This rotation results in a change in the direction of gravitational acceleration in the inner coordinate system of the input tool 7; the modified gravitational acceleration vector is in turn received by the control unit 6 in S4 and stored as vector g.
  • the direction of the rotation axis is given in the inner coordinate system by and is calculated in step S5.
  • the normalized acceleration vector -g- in the inner coordinate system K ' corresponds to the z-unit vector in the outer coordinate system K, corresponds to the x-unit vector
  • the control unit 6 determines the coordinate transformation (rotation matrix) T x which converts the inner coordinate system K 'into the outer coordinate system K.
  • the rotation matrix consists of the components of the unit vectors of K ', ie if the vectors in Cartesian representation in the inner coordinate system K' have the following components
  • the control unit 6 is now able to correctly process inputs made by the user at the head 9, such as exerting a tensile or compressive force or a torque.
  • control unit 6 causes a translation of the object 1 in the direction of the transformed force d in step S9.
  • control quantity d ' is a torque
  • it causes rotation of the object 1 about an axis oriented in the direction d.
  • the sensor 12 is designed to simultaneously detect force and torque, the movement of the object 1 caused by the control unit 6 may also be a superposition of translation in the direction of the force and rotation about the axis specified by the direction of the torque.
  • step S9 If the movement of the object 1 controlled in step S9 is a pure translation, this remains without effect on the coordinate transformation ⁇ . If the movement controlled in step S9 is a rotation Then, in the course of the movement, the coordinate transformation T is also updated by multiplying it by the coordinate transformation R representative of the rotation:
  • Fig. 4 shows an alternative embodiment of the method.
  • the steps S1, S2 are the same as described with reference to FIG. 3 and will not be explained again.
  • the sample movement performed in step S3 is not a rotation but a translation.
  • the direction of this sample movement is basically arbitrary, but only the horizontal component is relevant for the following evaluation, therefore the sample movement should preferably be oriented orthogonally to the gravitational acceleration, ie horizontally.
  • the object 1 experiences an acceleration whose vector a in the outer coordinate system at least the direction is known. To simplify the notation, it is assumed here that the sample movement in
  • the acceleration acting on the sensor 15 is measured again and stored as g ⁇ on the control unit 6 in step S4.
  • the direction of the acceleration in the inner coordinate system a ' is calculated as the difference between g and g' 0 in step S5. If desired, when, towards the end of the sample movement, the object 1 is exposed to an acceleration opposite to the direction of the sample movement, the resulting total acceleration detected by the acceleration sensor 15 can also be measured and stored as g in order subsequently to determine the direction of the Acceleration in the inner coordinate system a 'from the difference g ⁇ g. to calculate.
  • a step S10 can be provided in which the acceleration due to gravity g ' Q is measured in the inner coordinate system K' and transformed into the outer coordinate system K.
  • step S3 If the direction of the vector obtained thereby deviates significantly from the negative z-direction, then the coordinate transformation T is not exact and the method returns to step S3 to repeat the sample movement and derive the coordinate transformation T again. If the directions match, the method returns directly to step S7 to process the next user input.
  • Steps S1 to S9 of this method are the same as in Fig. 3 or 4.
  • the control unit checks in step S10 'of the method of Fig. 5 whether the movement of the object 1 controlled in step S9 is a translation or a rotation.
  • the control unit calculates the acceleration a 'due to this translation, which has been corrected for acceleration of gravity, by taking the difference between, as described with reference to step S5 of FIG one each before and one during the movement of step S9 or in each case one in an acceleration and in a deceleration phase of the movement of the sensor 15 recorded acceleration reading.
  • the direction of this difference should coincide with the direction of the input ⁇ f 'detected by the sensor 12.
  • step S12 If it is determined in step S12 that these directions coincide with sufficient accuracy, the process immediately returns to step S7 to process another input of the user; in the case of a significant deviation, the coordinate transformation T is corrected in step S13.
  • a correction may be that the previously used transformation T n is discarded and determines an updated coordinate transformation T * n + i based on the direction d known in the outer coordinate system and the resulting acceleration a 'measured in step S in the inner coordinate system is, for the
  • a weighted sum of T n and T can also be used as the updated transformation T n + 1 .
  • a current measured value of the gravitational acceleration g ' 0 should be present in the inner coordinate system K'; this can for example be measured in a step S8 'immediately before the start of the movement of the object in step S9.
  • step S12 when the movement in the direction d is a rotation, after completion of the rotation, the gravitational acceleration vector g 'is measured again (S14), a resulting orientation of the rotation axis r' in the inner coordinate system is calculated (S15) and the coincidence of its direction the direction of the input d 'made at the input tool 7 is checked (S16) to correct in the case of excessive deviation in step S17. If a significant deviation is detected in step S12 or S16, it can optionally be checked whether an error exists that can not be corrected by a correction of the coordinate transformation. Such an error exists, for example, when the input tool 7 has been dropped or removed from the object 1, when the communication between the input tool 7 and the control unit 6 has been interrupted or the input tool 7 has failed. In response to such a detected error, the method would be aborted and the user would be presented with an error condition signal.
  • Whether the input tool 7 is attached to the object 1 can be checked by comparing the acceleration detected by the sensor 15 and the acceleration value resulting from the control specification of the control unit 6 for driving the end effector 5. For this purpose, the control unit 6 determines the deviation between the measured acceleration corrected for the acceleration due to gravity and the acceleration calculated from the control specification. If the deviation exceeds a certain threshold value, it can be concluded that the input tool 7 is no longer permanently connected to the object 1.
  • the control unit 6 If the input tool 7 has been removed from the object 1 or if the input tool 7 has dropped away from the object 1, it is no longer moved during a movement of the object 1. As a result, the sensor 15 of the input tool 7 will detect no acceleration caused by a movement of the object 1. Ie. The acceleration-adjusted values detected by the sensor 15 assume the value zero and maintain this value equal to when the end-effector 5 or object 1 is moved. If the control unit 6 receives a zero measured value from the input tool 7 and if the end effector 5 or the object 1 is moved simultaneously, the control unit 6 can evaluate this as an error.
  • the communication between the input tool 7 to the control unit 6 can be continuously checked by the input tool 7 sends a continuous test signal to the control unit 6. If no test signal is received by the control unit 6, this can be detected as interruption of the communication.
  • a conditional by a faulty sensor 15 failure of the input tool 7 can be detected by checking the caused by the acceleration of gravity g acceleration signal. If the magnitude of the acceleration vector g or of approximately 9.81 (m / s 2 ) deviates, or if the direction of the acceleration vector detected in the inner coordinate system (at standstill of the robot) deviates from a direction to be expected on account of the gravitational field, then this can be considered a failure of the input tool 7.
  • the check routine may be executed by the control unit 6.

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Abstract

Ein Verfahren zum Handhaben eines Objekts (1) mittels eines Manipulators (5) und eines Eingabewerkzeugs (7), wobei das Eingabewerkzeug (7), welches ein inneres Koordinatensystem (K') besitzt, mit dem Objekt (1) mechanisch verbunden wird; wobei die Steuereinheit (6) des Manipulators, welche ein äußeres Koordinatensystem (K) besitzt, und wobei zunächst das innere (K') auf das äußere (K) Koordinatensystem kalibriert wird, indem eine Probebewegung des Manipulators in eine bekannte Richtung (r) bezüglich des äußeren Koordinatensystem (K) ansteuert wird; wobei die resultierende Richtung (r') bezüglich des inneren Koordinatensystems (K') durch das Eingabewerkzeug (7) ermittelt wird; und wobei eine Koordinatentransformation (T) ermittelt wird, die die resultierende Richtung (r') im inneren Koordinatensystem (K') in die bekannte Richtung (r) im äußeren Koordinatensystem (K) transformiert. Um das Objekt (1) entlang einer von einem Benutzer gewünschten Richtung zu bewegen, wird eine vom Benutzer an dem Eingabewerkzeug (7) eingegebene innere Richtung (d') in dem inneren Koordinatensystem (K') erfasst, die die gewünschte Bewegung darstellt; die zuvor ermittelte Koordinatentransformation (T) auf die erfasste innere Richtung (d') angewandt, um eine äußere Richtung (d) im äußeren Koordinatensystem (K) zu erhalten; und der Manipulator und damit auch das Objekt (1), entlang der äußeren Richtung (d) angesteurt.

Description

VERFAHREN ZUM HANDHABEN EINES OBJEKTS MITTELS EINES MANIPULATORS UND EINEM
EINGABEWERKZEUG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Mittel zum Handhaben eines Objekts, insbesondere eines schweren, sperrigen oder aus anderen Gründen unhandlichen Objekts, z.B. in einem Lager, einer Produktionsanlage oder dergleichen.
Aus CN 102 581 852 A ist ein Verfahren zum Handhaben eines Objekts bekannt, bei dem ein Eingabewerkzeug an einem von einem Manipulator gehaltenen und durch diesen zu bewegenden Objekt angebracht wird und durch Ziehen oder Drücken eines Betätigungshebels am Eingabewerkzeug eine Bewegung des Objekts gesteuert wird. Eine intuitive Steuerung von
Bewegungen des Objekts ist mit diesem Eingabewerkzeug allerdings nur dann möglich, wenn das Eingabewerkzeug so montiert ist, dass die Richtung des Ziehens oder Drückens am Betätigungshebel mit der Richtung einer dadurch gesteuerten Bewegung des Objekts übereinstimmt.
Aus DE 38 83 109 T2 ist ein Objekthandhabungssystem bekannt, bei dem ein Eingabewerkzeug einen würfelförmigen Körper und einen von einer der sechs Flächen des Würfels abstehenden Joystick aufweist. Das Eingabewerkzeug ist mit jeder der fünf anderen Flächen des Würfels auf einer Unterlage platzierbar und ist mit einem Orientierungssensor ausgestattet, der es erlaubt, die nach unten weisende Fläche des Würfels zu identifizieren. Eine Steuereinheit berücksichtigt beim Umsetzen einer von einem Benutzer am Joystick vorgenommenen Eingabe, welche der fünf Würfelflächen unten liegt. Wenn das Eingabewerkzeug mit dem Joy- stick nach oben, in z-Richtung, aufgestellt ist, wird eine Betätigung des Joysticks in eine Bewegung des gehandhabten Objekts in der x-y- Ebene umgesetzt; wenn es auf der Seite liegt, so dass der Joystick nach oben oder unten ausgelenkt werden kann, dann wird durch diese Auslenkuhg auch eine Bewegung des Objekts in z-Richtung gesteuert. Ei- ne intuitive Bedienbarkeit ist auch hier nicht sichergestellt, da eine Drehung des Eingabewerkzeugs um die z-Achse nicht erfassbar ist, so dass die Richtung einer vom Benutzer am Eingabewerkzeug in einer horizontalen Richtung vorgenommenen Betätigung und die Richtung der daraufhin von der Steuereinheit gesteuerten Bewegung des Objekts beliebig auseinanderfallen können.
Aus der DE 10 2009 041 946 AI ist eine Eingabevorrichtung zur kombinierten Eingabe von Steuer- und Programmbefehlen für einen Manipulator bekannt. Die Eingabevorrichtung umfasst einen gegen eine Basis meh- rachsig beweglichen Handsteuerhebel zur Eingabe von Steuerbefehlen und eine mehrachsige Fingereingabeeinrichtung zur Eingabe von Programmbefehlen .
In der EP 1 738 881 Bl ist ein robotisches Steuerungssystem umfassend ein von einem Benutzer zu bedienendes Eingabegerät mit einem Betätigungsschalter offenbart. Das Eingabegerät weist einen 6- Freiheitsgrade-Magnetsensor zur Erfassung seiner Position und Lage auf, um den Roboter entsprechend anzusteuern. In der US 5 345 540 A wird ein Verfahren zur Programmierung eines Manipulators offenbart, um einen Manipulator von einem Ursprungspunkt zu einem oder mehreren Modulen zu bewegen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Handhaben eines Objekts anzugeben, bei dem eine bequeme, intuitive Steuerbarkeit von Bewegungen des Objekts jederzeit sichergestellt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten: a) Mechanisches Verbinden des Objekts mit einem Manipulator und mit einem Eingabewerkzeug, mit dem eine Richtung in einem auf das Eingabe - Werkzeug bezogenen inneren Koordinatensystem eingebbar ist,
d) Steuern einer Probebewegung des Manipulators durch eine Steuereinheit auf Grundlage einer in einem äußeren Koordinatensystem bekann- ten Richtung;
e) Ermitteln der Richtung einer aus der Probebewegung des Manipulators resultierenden Bewegung des Eingabewerkzeugs in dem inneren Koordinatensystem; f) Ermitteln einer Koordinatentransformation, die die Richtung der resultierenden Bewegung im inneren Koordinatensystem in die bekannte Richtung im äußeren Koordinatensystem transformiert;
g) Erfassen einer von einem Benutzer an dem Eingabewerkzeug eingege- benen inneren Richtung in dem inneren Koordinatensystem;
h) Anwenden der Koordinatentransformation auf die erfasste innere Richtung, um eine äußere Richtung zu erhalten; und
i) Steuern einer Bewegung des Manipulators auf Grundlage der äußeren Richtung .
Da das Eingabewerkzeug in beliebiger Orientierung mit dem Objekt und dem Manipulator verbunden werden kann, ist die Beziehung zwischen äußerem und innerem Koordinatensystem zunächst unbekannt. Da jedoch die Richtung der Probebewegung im äußeren Koordinatensystem vorbekannt ist und im inneren Koordinatensystem gemessen werden kann, kann auch die Beziehung zwischen den Koordinatensystemen herausgefunden werden und die vom Benutzer eingegebene Richtung so in das äußere Koordinatensystem transformiert werden, dass die Richtung der von der Steuereinheit in Reaktion auf die Eingabe des Benutzers gesteuerten Bewegung mit der eingegebenen Richtung übereinstimmt. So ist die intuitive Bedienbar- keit des Objekthandhabungssystems gewährleistet.
Indem das Eingabewerkzeug mit dem Manipulator und dem von ihm gehandhabten Objekt verbunden wird, sind Orientierungsänderungen des Einga- bewerkzeugs nur noch möglich, wenn sie mit einer entsprechenden Orientierungsänderung des Objekts einhergehen und folglich durch eine Steuereinheit des Manipulators veranlasst sind. Derartige Orientierungsänderungen können, anders als bei dem aus DE 38 83 109 T2 bekannten Eingabewerkzeug, von der Steuereinheit durch eine Aktualisierung der Ko- ordinatentransformation berücksichtigt werden, wenn die Steuereinheit das Objekt anhand von am Eingabewerkzeug vorgenommenen Eingaben des Benutzers bewegt, so dass die Übereinstimmung zwischen der Richtung der Eingabe und der Richtung der daraus resultierenden Bewegung des Objekts auch bei einer Änderung der Orientierung des Eingabewerkzeugs im Raum aufrecht erhalten werden kann.
Die Probebewegung kann eine Translation sein. Um deren Richtung zu erfassen, kann das Eingabewerkzeug mit einem Beschleunigungssensor aus- gestattet sein, mit dessen Hilfe die Richtung einer zu Beginn der Probebewegung auf das Eingabewerkzeug einwirkenden Beschleunigung bzw. die Richtung einer Verzögerung am Ende der Probebewegung erfasst werden können.
Einer bevorzugten Alternative zu Folge ist die Probebewegung eine Rotation, und die bekannte Richtung ist die Richtung der Achse dieser Rotation. Auch eine solche Rotation ist mit einem Beschleunigungssensor erfassbar, indem die Richtung der Erdbeschleunigung in dem inneren Koordinatensystem des Eingabewerkzeugs jeweils vor und nach der Rotation erfasst wird. Die Richtung der Achse der Rotation kann dann problemlos berechnet werden, zum Beispiel durch Bilden eines Kreuzproduktes der zwei erfassten Erdbeschleunigungsvektoren. Um die Richtung im inneren Koordinatensystem möglichst exakt ermitteln zu können, sollte die bekannte Richtung vorzugsweise horizontal sein.
Wenn das Eingabewerkzeug eine Basis zum Verbinden mit dem Objekt und einen relativ zu der Basis aus einer Ruhelage heraus bewegbaren Kopf umfasst, dann kann als vom Benutzer eingegebene innere Richtung die
Richtung einer Bewegung des Kopfes erfasst werden.
Einer alternativen Ausgestaltung zu Folge, die keine Beweglichkeit des Kopfes relativ zur Basis erfordert, kann als eingegebene innere Rich- tung auch die Richtung einer Kraft oder eines Drehmoments erfasst werden, die/das zwischen dem Kopf und der Basis des Eingabewerkzeugs wirkt .
Die bekannte Richtung der Probebewegung kann fest vorgegeben und bei jeder Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens dieselbe sein.
Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn das Verfahren bei jeder Inbetriebnahme des Obj ekthandhabungsSystems bzw. nach dem Verbinden eines Eingabewerkzeugs mit Objekt und Manipulator durchgeführt wird und keinerlei Informationen darüber vorliegen, in welcher Orientierung das Eingabewerkzeug befestigt ist. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, zwischen Schritt a) und Schritt d) zusätzlich folgende Schritte auszuführen: b) Erfassen einer von dem Benutzer am Eingabewerkzeug eingegebenen inneren Richtung;
c) Anwenden einer vorgegebenen Koordinatentransformation auf die erfasste innere Richtung,
um so eine Richtung für die Probebewegung zu erhalten, die zwar nicht bei jeder Durchführung des Verfahrens notwendigerweise dieselbe ist, die aber dennoch anhand der vorgegebenen Koordinatentransformation berechenbar und dadurch bekannt ist. Zweckmäßigerweise kann diese vorgegebene Koordinatentransformation insbesondere eine in einer früheren Iteration des Verfahrens ermittelte Koordinatentransformation sein. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Richtung der Probebewegung mit der Richtung, in die der Benutzer durch seine Eingabe das Objekt führen will, zumindest weitge- hend übereinstimmt, und eine Irritation des Benutzers durch eine Bewegung des Objekts in eine von ihm nicht gewünschte Richtung vermieden wird .
Außerdem ermöglichen diese zusätzlichen Schritte insbesondere im Laufe des Betriebs des Objekthandhabungssystems eine fortlaufende Überprüfung, ob die angewandte Koordinatentransformation noch zur Orientierung des Eingabewerkzeugs passt, und gegebenenfalls eine Anpassung der Koordinatentransformation. Zweckmäßigerweise kann eine Störung, z.B. aufgrund fehlender körperlicher Verbindung zwischen Eingabewerkzeug und zu handhabendem Objekt, erkannt werden, wenn eine Bewegung des Eingabewerkzeugs erfasst wird, die nicht durch eine Bewegung des Manipulators verursacht ist oder auf eine Bewegung des Manipulators keine Bewegung des Eingabewerkzeugs er- fasst wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Objekthandhabungssystem mit einem Manipulator, an dem ein zu handhabendes Objekts zeitweilig befestigbar ist, einem an dem Objekt befestigbaren Eingabewerkzeug und einer Steuereinheit zum Steuern des Manipulators anhand von durch einen Benutzer am Eingabewerkzeug vorgenommenen Eingaben, bei dem das Eingabewerkzeug einen Orientierungssensor zum Erfassen der Orientierung des Eingabewerkzeugs im Raum umfasst und eingerichtet ist, ein Erfassungsergebnis des Orientierungssensors an die Steuereinheit zu übermitteln.
Das Eingabewerkzeug kann eine Basis zur Befestigung an dem Objekt und einem Kopf zur Handhabung durch den Benutzer umfassen, wobei der Kopf und die Basis zweckmäßigerweise über einen Eingabesensor körperlich verbunden sind, der eingerichtet ist, wenigstens eine von dem Benutzer zur Eingabe einer Richtung auf den Kopf ausgeübte vektorielle Steuergröße bezogen auf ein inneres Koordinatensystem des Eingabewerkzeugs zu erfassen.
Der Orientierungssensor kann ein beliebiger Sensor sein, der die Messung eines Winkels zwischen einer Bezugsrichtung des Eingabeinstruments und einer externen Vorzugsrichtung wie etwa der Richtung der Erdbeschleunigung oder des Erdmagnetfelds ermöglicht. Insbesondere kann der Orientierungssensor ein Beschleunigungssensor sein, dessen Erfassungsergebnis wenigstens die Richtung, eventuell auch den Betrag, einer auf das Eingabewerkzeug einwirkenden Beschleunigung bezogen auf das innere Koordinatensystem des Eingabewerkzeugs quantitativ spezifi- ziert. Je besser die Auflösung dieses Beschleunigungssensors ist, umso geringer ist die Amplitude der Probebewegung, die für eine hinreichend genaue Bestimmung der Koordinatentransformation erforderlich ist. Eine geringe Amplitude der Probebewegung ist wünschenswert, um ein Anstoßen des Objekts an ein äußeres Hindernis während der Probebewegung . zu ver- meiden. Die Winkelauflösung des Beschleunigungssensors sollte daher zweckmäßigerweise im Bereich von wenigen Grad oder besser sein.
Um die Möglichkeiten der Platzierung des Eingabewerkzeugs am Objekt nicht einzuschränken, sollten Eingabewerkzeug und Steuereinheit zweck- mäßigerweise schnurlose Schnittstellen für die Kommunikation miteinander aufweisen.
Der Manipulator kann Endeffektor eines Roboterarms mit gelenkig verbundenen Gliedern sein; die Erfindung ist jedoch nicht hierauf be- schränkt, sondern beispielsweise auch übertragbar auf einen mittels eines Brückenkrans oder einer Laufkatze beweglichen Manipulator. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Eingabewerkzeug für das oben beschriebene Objekthandhabungssystem. Ein solches Eingabewerkzeug kann zweckmäßigerweise einen auf die Anwesenheit eines Fremdkörpers in einem Bereich der Umgebung des Eingabewerkzeugs ansprechenden Schalter umfassen. Der Zustand eines solchen Schalters ist ein Indiz dafür, ob das Eingabewerkzeug an einem zu handhabenden Objekt befestigt ist oder nicht. Er kann mechanisch, durch Kontakt mit dem Objekt, betätigbar sein, oder berührungslos arbeiten. Unter den berührungslosen Schaltern ist insbesondere ein induktiver Schalter be- vorzugt, da dieser in der Lage ist, Gegenstände weitgehend unabhängig von ihrer StoffZusammensetzung zu erfassen.
Zweckmäßigerweise ist ein solcher Schalter an der Basis des Eingabe - Werkzeugs angeordnet, und der von ihm überwachte Bereich der Umgebung befindet sich an einer vom Kopf abgewandten Seite der Basis.
Das Eingabewerkzeug kann durch den Schalter zwischen einem Ruhezustand, in dem Erfassungsergebnisse des Orientierungssensors und/oder des Eingabesensors nicht ausgegeben werden, und einem aktiven Zustand, in dem die Erfassungsergebnisse ausgegeben werden, umschaltbar sein. Eine solche Umschaltung verringert zum einen die Wahrscheinlichkeit, dass Erfassungsergebnisse an die Steuereinheit geliefert werden, wäh¬ rend das Eingabewerkzeug nicht am Objekt montiert ist, zum anderen trägt sie zur Minimierung des Energieverbrauchs des Eingabewerkzeugs bei, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn das Eingabewerkzeug seine Betriebsenergie von einer internen Quelle wie etwa einer Batte¬ rie oder einem Akkumulator bezieht.
Ein weiterer Erfindungsgegenstand ist ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die einen Computer befähigen, das oben beschrie¬ bene Verfahren auszuführen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach¬ folgenden Beschreibung vo Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindüngsgemäßen Objekt - handhabungssystems ; Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch ein Eingabewerkzeug des Obj ekthandhabungsSystems ;
Fig. 3 ein Flussdiagramm eines Arbeitsverfahrens der Steuereinheit aus Fig. 1 gemäß einer ersten Ausgestaltung;
Fig. 4 eine zweite Ausgestaltung des Verfahrens; und
Fig. 5 eine Weiterbildung des Verfahrens aus Fig. 3 bzw. Fig. 4.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Objekthandhabungssystems zur Handhabung eines Objekts 1. Das Objekt 1 ist hier schematisch als Würfel dargestellt, doch liegt auf der Hand, dass seine Gestalt und materielle Beschaffenheit im Prinzip, beliebig sind. Ein Roboterarm 2 umfasst eine in einem hier als äußeres Koordinatensystem bezeichneten Koordinatensystem ortsfeste Basis 3 und eine Mehrzahl von Gliedern 4, die eine Kette zwischen der Basis 3 und einem das Objekt 1 haltenden Endeffektor 5 bilden und die jeweils gelenkig untereinander, mit der Basis 3 bzw. mit dem Endeffektor 5 verbunden sind. Eine Steuereinheit 6, typischerweise ein Mikrocomputer, ist mit dem Roboterarm 2 verbunden, um Bewegungen der Glieder 4 und des Endeffektors 5 in einem - hier als äußeres Koordinatensystem bezeichneten - Koordinatensystem K mit Achsen x, y, z zu steuern, in dem die Basis 3 des Roboterarms 2 unbeweglich ist. Zur Vereinfachung der Notation wird im Folgenden angenommen, dass der Gravitationsvektor in Richtung der negativen z- Achse zeigt.
Am Objekt 1 ist ein Eingabewerkzeug 7 zeitweilig befestigt.. Das Einga- bewerkzeug 7 umfasst eine Basis 8, hier von flachzylindrischer Form, von der eine Stirnseite dem Objekt 1 zugewandt und an diesem befestigt ist und die andere Stirnseite einen von einem Benutzer zu handhabenden Kopf 9 trägt. Der Kopf 9 ist hier ebenfalls von flachzylindrischer Gestalt und etwas kleinerem Durchmesser als die Basis 8.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Eingabewerkzeug 7. An der dem Objekt 1 zugewandten Stirnseite 10 sind Mittel zur zeitweiligen Befestigung vorgesehen, hier zum Beispiel doppelseitige Klebebandstreifen 11, die lediglich gegen eine Flanke des Objekts 1 gedrückt werden müssen, um das Eingabewerkzeug 7 daran haften zu lassen, und die, wenn sie verschmutzt und nicht mehr ausreichend haftfähig sind, ausgewechselt werden können.
Je nach Art der zu handhabenden Objekte 1 können andere Mittel zur zeitweiligen Befestigung zweckmäßig sein. Wenn beispielsweise die zu handhabenden Objekte hölzerne Frachtkisten sind, könnte die Stirnseite 10 auch anstelle der Klebebandstreifen 11 eine Mehrzahl von Dornen tragen, die sich in die Holzoberfläche hineinbohren und dem Eingabewerkzeug 7 Halt bieten, wenn es von einem Benutzer gegen die Kiste gedrückt wird. Wenn die zu handhabenden Objekte Container oder allgemein Gegenstände aus ferromagnetischem Material sind, kommen als Mittel zum zeitweiligen Befestigen auch Permanent- oder Elektromagnete in Be- tracht . Wenn die zu handhabenden Objekte Gitterboxen sind, können an der Stirnseite 10 auch Haken vorgesehen sein, um das Eingabewerkzeug an einem Draht einer Wand der Gitterbox aufzuhängen. Weitere Abwandlungen sind denkbar. Der Kopf 9 der in Fig. 2 gezeigten Steuereinheit 6 ist mit der Basis 8 über einen Sensor 12 verbunden, durch den eine vom Benutzer auf den Kopf 9 ausgeübte vektorielle Steuergröße erfassbar ist. Je nach Ausführungsform der Verbindung kann der Kopf 9 gegenüber der Basis 8 mehr oder weniger beweglich (z. B. Joystick) oder auch völlig unbeweglich (z. B. Drucksensor) sein.
Die von dem Sensor 12 erfasste Steuergröße kann insbesondere eine Kraft oder ein Drehmoment sein. Intuitiv wird eine Zug- oder Druckkraft, die der Benutzer auf den Kopf 9 ausübt, in die Richtung orien- tiert sein, in der er das Objekt 1 translatieren möchte, bzw. ein von ihm ausgeübtes Drehmoment wird in Richtung der Achse orientiert sein, um die er das Objekt 1 rotieren möchte. Der Sensor 12 kann je nach Bauart für Kraft, für Drehmoment oder für beides empfindlich sein. Er umfasst vorzugsweise für jede zu erfassende Steuergröße drei Sensor- komponenten 14 zum Erfassen von jeweils einer von drei zueinander orthogonalen Komponenten der betreffenden Steuergröße. Diese Sensorkomponenten 14 können beispielsweise optoelektrische Sensoren (PSD) , Pie- zoelemente oder an einem den Kopf 9 mit der Basis 8 verbindenden Stab 13 angeordnete Dehnungsmessstreifen sein. Die drei Raumrichtungen, für die die drei Sensorkomponenten 14 empfindlich sind, bilden zweckmäßigerweise die Achsen eines auf die Steuereinheit 6 bezogenen inneren Koordinatensystems x' , y' , z' , so dass das von den drei Sen- sorkomponenten 14 gelieferte Tripel von Messwerten aufgefasst werden kann als Vektor der Steuergröße in auf das innere Koordinatensystem x' , y' , z' bezogener kartesischer Darstellung. Der Einfachheit halber kann angenommen werden, dass die Achse ' dieses inneren Koordinatensystems in Längsrichtung des Stabs 13, die Achse y' quer dazu in der Schnittebene der Fig. 2 und die Achse z' senkrecht zur Schnittebene verläuft .
Die Basis 8 enthält ferner einen Beschleunigungssensor 15 zum Messen einer vektoriellen Beschleunigung. Wie der Sensor 12 kann auch der Be- schleunigungssensor 15 drei Sensorkomponenten umfassen, die jeweils für Beschleunigungen in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen empfindlich sind, wobei diese Raumrichtungen zweckmäßigerweise ebenfalls die Achsrichtungen des inneren Koordinatensystems x' , y' , z' sein sollten.
Eine Funkschnittstelle 16 ist mit den Sensoren 12, 15 verbunden, um deren Erfassungsergebnisse an eine komplementäre Funkschnittstelle 17 der Steuereinheit 6 zu übertragen. Zur Versorgung der Funkschnittstelle 16 und der Sensoren 12, 15 mit Betriebsenergie dient eine aus- tauschbar in der Basis 8 montierte Batterie oder ein Akkumulator 18.
In der Ausgestaltung der Fig. 2 ist zwischen dem Akkumulator 18 einerseits und den Sensoren 12, 15 und der Funkschnittstelle 16 andererseits ein Schalter 19 vorgesehen, der eine über die Stirnseite 10 vor- springende, durch Kontakt mit dem Objekt 1 betätigbare Taste 20 aufweist. Der Schalter 19 ist geschlossen, wenn die Taste 20 eingedrückt ist. Somit werden die Sensoren 12, 15 und die Funkschnittstelle 16 mit Energie versorgt, wenn das Eingabewerkzeug 7 am Objekt 1 montiert ist und die Taste 20 zurückdrängt, und liefern in diesem Zustand Erfas- sungsergebnisse an die Steuereinheit 6. Wenn das Eingabewerkzeug 7 vom Objekt 1 gelöst ist und die Taste 20 frei ist, ist der Schalter 19 offen; es werden keine Erfassungsergebnisse geliefert und keine Energie verbraucht . Um die Anbringung des Eingabewerkzeugs 7 am Objekt 1 zu erkennen, können auch, andere Typen von Schaltern 19 vorgesehen sein; beispielsweise ein kapazitiver Näherungsschalter, der die Annäherung an ein Objekt 1 anhand einer Veränderung der Dielektrizitätskonstante in seiner Umgebung erkennt . Wenn das Objekt 1 ferromagnetisch ist und die Mittel zum zeitweiligen Befestigen des Eingabewerkzeugs 7 einen Permanentmagneten umfassen, dann kann der Schalter 19 auch durch eine den Permanentmagneten umgebende Spule gebildet sein, die auf eine Veränderung des mag- netischen Flusses bei Annäherung des Permanentmagneten an das Objekt 1 reagiert .
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Arbeitsverfahrens der Steuereinheit 6 gemäß einer ersten Ausgestaltung. Ein Aktivierungsschritt Sl kann darin bestehen, dass die Steuereinheit 6 eingeschaltet wird, oder dass sie beginnt, Daten von dem Eingabewerkzeug 7 zu empfangen, nachdem dieses am Objekt 1 befestigt worden ist.
Das Eingabewerkzeug 7 reagiert auf seine Anbringung am Objekt 1 durch Übertragen der drei Komponenten des vom Beschleunigungssensor 15 er- fassten, auf das innere Koordinatensystem bezogenen Erdbeschleunigungsvektors an die Steuereinheit 6; diese werden von der Steuereinheit 6 in Schritt S2 empfangen und als Vektor g'o abgespeichert. In Schritt S3 steuert die Steuereinheit 6 den Roboterarm 2 an, um in einer Probebewegung das Objekt 1 um eine Achse zu rotieren. Die Richtung dieser Achse ist der Steuereinheit 6 bekannt und kann als zu der Achse paralleler Vektor r im äußeren Koordinatensystem angegeben werden (wobei im Folgenden zwischen dem Vektor und der durch ihn spezifi- zierten Achse nicht unterschieden und das Symbol r für beide verwendet wird .
Das Verfahren ist besonders einfach, wenn die Achse r horizontal ge¬ wählt ist. Zur Vereinfachung der Notation kann dann ferner angenommen werden, dass die Probebewegung eine Rotation um die x-Achse des äuße¬ ren Koordinatensystems K ist, d.h. dass r ein Vektor in x-Richtung ist. Diese Rotation hat eine Änderung der Richtung der Erdbeschleunigung im inneren Koordinatensystem des Eingabewerkzeugs 7 zu Folge; der veränderte Erdbeschleunigungsvektor wird in S4 wiederum von der Steuereinheit 6 empfangen und als Vektor g gespeichert. Die Richtung der Drehachse ist im inneren Koordinatensystem gegeben durch und wird in Schritt S5 berechnet.
Die Vektoren g'0 und g spannen im inneren Koordinatensystem eine Ebene auf, in der auch sämtliche im Laufe der Drehung auftretenden Erdbeschleunigungsvektoren liegen und auf der das Kreuzprodukt r' = g'0 xg senkrecht steht. Wenn die Achse r nicht horizontal ist, dann definieren die Erdbeschleunigungsvektoren stattdessen einen Kegel um die Drehachse, und die Kreuzprodukte von zu verschiedenen Zeiten gemessenen Erdbeschleunigungsvektoren haben unterschiedliche Richtungen, die nicht mit der Richtung der Achse übereinstimmen, so dass in diesem Fall die obige Formel nicht gilt. Da zu Beginn, während und am Ende der Drehung erfasste Erdbeschleunigungsvektoren g'Q , g'os und g . sämtlich den gleichen Betrag haben, stehen jedoch ihre Differenzen senkrecht auf der Drehachse, so dass in diesem Fall die Richtung der Drehachse ist im inneren Koordinatensystem erhalten werden kann durch
^'=(?ο-?0,5)Χ(?0,5-?ΐ)
= g X g + g'o X g + g X g
Somit entspricht am Ende der Drehung dem normierten Beschleunigungs- vektor -g- im inneren Koordinatensystem K' der z- Einheitsvektor im äußeren Koordinatensystem K, entspricht dem x-Einheitsvektor , und
■g\*r dem y-Einheitsvektor .
Im nächsten Schritt S6 ermittelt die Steuereinheit 6 diejenige Koordinatentransformation (Drehmatrix) Tx, welche das innere Koordinatensystem K' in das äußere Koordinatensystem K überführt. Die Drehmatrix besteht aus den Komponenten der Einheitsvektoren von K' , d.h. wenn die Vektoren in kartesischer Darstellung im inneren Koordinatensystem K' folgende Komponenten haben
dann ist die Drehmatrix für die Koordinatentransformation gegeben durch
Die Steuereinheit 6 ist nun in der Lage, vom Benutzer am Kopf 9 vorgenommene Eingaben wie etwa das Ausüben einer Zug- oder Druckkraft oder eines Drehmoments korrekt zu verarbeiten. Dazu empfängt sie im Schritt S7 die vom Sensor 12 im inneren Koordinatensystem erfasste vektorielle Steuergröße d' , berechnet daraus in Schritt S8 durch Anwenden der Koordinatentransformation T eine entsprechende Eingabe d = Td' im äußeren Koordinatensystem und steuert anschließend in Schritt S9 eine Bewegung in die entsprechende Richtung d .
Wenn die vom Benutzer eingegebene Steuergröße J' eine Kraft ist, dann veranlasst die Steuereinheit 6 in Schritt S9 eine Translation des Objekts 1 in Richtung der transformierten Kraft d . Wenn die Steuergröße d' ein Drehmoment ist, dann veranlasst sie eine Drehung des Objekts 1 um eine in der Richtung d orientierte Achse. Falls der Sensor 12 ausgelegt ist, um gleichzeitig Kraft und Drehmoment zu erfassen, kann auch die von der Steuereinheit 6 veranlasste Bewegung des Objekts 1 eine Überlagerung von Translation in Richtung der Kraft und Drehung um die durch die Richtung des Drehmoments spezifizierte Achse sein .
Wenn die in Schritt S9 gesteuerte Bewegung des Objekts 1 eine reine Translation ist, bleibt diese ohne Auswirkungen auf die Koordinatentransformation Τχ . Wenn die in Schritt S9 gesteuerte Bewegung eine Ro- tation ist, dann wird im Laufe der Bewegung auch die Koordinatentrans formation T durch Multiplizieren mit der für die Rotation repräsenta tiven Koordinatentransformation R aktualisiert:
τη+ = RTn ,
um sicherzustellen, dass zu jedem Zeitpunkt eine in dem inneren Koor dinatensystem erfasste Steuergröße d' korrekt in das äußere Koordina tensystem umgerechnet und bei der weiteren Steuerung der Bewegung be rücksichtigt werden kann. Fig. 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens. Die Schritte Sl, S2 sind dieselben wie mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben und werden nicht erneut erläutert. Die in Schritt S3 durchgeführte Probebewegung ist hier keine Rotation, sondern eine Translation. Die Richtung dieser Probebewegung ist grundsätzlich beliebig, für die fol- gende Auswertung ist aber nur der horizontale Anteil relevant, deshalb sollte die Probebewegung vorzugsweise orthogonal zur Erdbeschleunigung, also horizontal, orientiert sein. Zu Beginn der Translation erfährt das Objekt 1 eine Beschleunigung, von deren Vektor a im äußeren Koordinatensystem zumindest die Richtung bekannt ist. Zur Vereinfa- chung der Notation wird hier angenommen dass die Probebewegung in
Richtung der x-Achse erfolgt, also dieser Vektor a in Richtung der x- Achse des äußeren Koordinatensystems entspricht.
In der Beschleunigungsphase wird die auf den Sensor 15 einwirkende Be- schleunigung erneut gemessen und in Schritt S4 als g\ an der Steuereinheit 6 gespeichert. Die Richtung der Beschleunigung im inneren Koordinatensystem a' wird in Schritt S5 als Differenz zwischen g und g'0 berechnet. Wenn gewünscht, kann, wenn gegen Ende der Probebewegung das Objekt 1 einer zur Richtung der Probebewegung entgegengesetzten Beschleunigung — a ausgesetzt ist, auch die dann resultierende, vom Beschleunigungs- sensor 15 erfasste Gesamtbeschleunigung, gemessen und als g gespeichert werden, um anschließend die Richtung der Beschleunigung im inne- ren Koordinatensystem a' aus der Differenz g ~g zu. berechnen.
Mit den Vektoren -g und sind die z- und x-Einheitsvektoren des äußeren Koordinatensystems K in der Darstellung des inneren Koordina- tensystems bekannt. Der y-Einheitsvektor wird als — g^xr' abgeleitet Die Ermittlung der Koordinatentransformation T, die das Koordinatensystem Κ in das äußere Koordinatensystem transformiert, erfolgt auf die gleiche Weise wie beim Verfahren der Fig. 3. Auch die Schritte S7 bis S8 sind identisch.
Die im Falle einer Rotation des Objekts 1 erforderliche Aktualisierung der Koordinatentransformation T kann, wenn nacheinander zahlreiche Rotationen am Objekt 1 vorgenommen werden, zu Fehlern führen, mit der Folge, dass die Richtung, in der das Objekt 1 von der Steuereinheit 6 bewegt wird oder die Achse, um die es gedreht wird, nicht mehr exakt mit der Richtung der vom Benutzer auf das Eingabewerkzeug 7 ausgeübten Kraft bzw. der Richtung des ausgeübten Drehmoments übereinstimmt. Um solche Abweichungen zu vermeiden, kann bei den Verfahren nach Fig. 3 und Fig. 4 jeweils nach Abschluss einer Bewegung ein Schritt S10 vorgesehen werden, in dem die Erdbeschleunigung g'Q im inneren Koordinatensystem K' gemessen und ins äußere Koordinatensystem K transformiert wird. Wenn die Richtung des dabei erhaltenen Vektors signifikant von der negativen z-Richtung abweicht, dann ist die Koordinatentransformation T nicht exakt, und das Verfahren springt zurück zu Schritt S3 , um die Probebewegung zu wiederholen und die Koordinatentransformation T erneut abzuleiten. Stimmen die Richtungen überein, kehrt das Verfahren direkt zu Schritt S7 zurück, um die nächste Benutzereingabe zu verarbeiten.
Fehler der Transformation T, die sich nur auf die x- und y-Komponenten des Transformationsergebnisses auswirken, d.h. eine Abweichung zwischen einem rein horizontal orientierten Vektor der Steuergröße d' und der daraus von der Steuereinheit 6 abgeleiteten Bewegungsrichtung d , bleiben in dem oben beschriebenen Schritt S10 unbemerkt.
Solche Abweichungen können mit dem Verfahren nach Fig. 5 erfasst und behoben werden. Die Schritte Sl bis S9 dieses Verfahrens sind dieselben wie in Fig. 3 oder 4. Die Steuereinheit überprüft in Schritt S10' des Verfahrens nach Fig. 5, ob die in Schritt S9 gesteuerte Bewegung des Objekts 1 eine Translation oder eine Rotation ist. Im Falle, dass die Bewegung eine Translation in Richtung d ist, berechnet die Steuereinheit in Schritt Sil, wie mit Bezug auf Schritt S5 von Fig. 4 beschrieben, die aus dieser Translation resultierende, um die Erdbeschleunigung bereinigte Beschleunigung a' durch Bilden der Differenz zwischen jeweils eines vor und eines während der Bewegung des Schritts S9 oder jeweils eines in einer Beschleunigungs- und eines in einer Verzögerungsphase der Bewegung vom Sensor 15 aufgenommenen Beschleunigungsmesswerts. Die Richtung dieser Differenz sollte mit der Richtung der vom Sensor 12 erfassten Eingabe <f' übereinstimmen.
Wenn in Schritt S12 festgestellt wird, dass diese Richtungen mit hinreichender Genauigkeit übereinstimmen, kehrt das Verfahren unmittelbar zu Schritt S7 zurück, um eine weitere Eingabe des Benutzers zu verarbeiten; im Falle einer signifikanten Abweichung wird die Koordinaten- transformation T in Schritt S13 korrigiert. Eine solche Korrektur kann darin bestehen, dass die bisher verwendete Transformation Tn verworfen und basierend auf der im äußeren Koordinatensystem bekannten Richtung d und der daraus resultierenden, in Schritt Sil gemessenen Beschleunigung a' im inneren Koordinatensystem eine aktualisierte Koordi - natentransformation T* n+i ermittelt wird, für die
gilt; als aktualisierte Transformation Tn+1 kann aber auch z.B. eine gewichtete Summe aus Tn und T verwendet werden. Um T n+i eindeutig analog zur oben mit Bezug auf Schritt S6 beschriebenen Vorgehensweise ermitteln zu können, sollte ein aktueller Messwert der Erdbeschleunigung g'0 im inneren Koordinatensystem K' vorliegen; dieser kann z.B. in einem Schritt S8' unmittelbar vor Beginn der Bewegung des Objekts in Schritt S9 gemessen sein. In entsprechender Weise wird, wenn die Bewegung in Richtung d eine Rotation ist, nach Abschluss der Rotation der Erdbeschleunigungsvektor g' erneut gemessen (S14) , eine daraus resultierende Orientierung der Drehachse r' im inneren Koordinatensystem berechnet (S15) und die Übereinstimmung ihrer Richtung mit der Richtung der am Eingabewerk- zeug 7 vorgenommenen Eingabe d' geprüft (S16) , um im Falle einer übermäßigen Abweichung in Schritt S17 eine Korrektur vorzunehmen. Wird in Schritt S12 oder S16 eine signifikante Abweichung festgestellt, kann optional überprüft werden, ob ein Fehler vorliegt, der durch eine Korrektur der Koordinatentransformation nicht behoben werden kann. Ein derartiger Fehler liegt beispielsweise vor, wenn das Eingabewerkzeug 7 vom Objekt 1 abgefallen oder entfernt wurde, wenn die Kommunikation zwischen Eingabewerkzeug 7 und Steuereinheit 6 unterbrochen wurde oder das Eingabewerkzeug 7 ausgefallen ist. Als Reaktion auf einen solchen erkannten Fehler würde das Verfahren abgebrochen und dem Benutzer ein Fehlerzustandssignal angezeigt werden.
Ob das Eingabewerkzeug 7 am Objekt 1 befestigt ist, kann durch einen Vergleich der von dem Sensor 15 erfassten Beschleunigung und dem aus der Steuervorgabe der Steuereinheit 6 resultierenden Beschleunigungs- wert zur Ansteuerung des Endeffektors 5 überprüft werden. Hierzu be- stimmt die Steuereinheit 6 die Abweichung zwischen der gemessenen, um die Erdbeschleunigung bereinigte Beschleunigung und der aus der Steuervorgabe berechneten Beschleunigung. Übersteigt die Abweichung einen bestimmten Schwellwert, kann daraus geschlossen werden, dass das Eingabewerkzeug 7 nicht mehr fest mit dem Objekt 1 verbunden ist.
Wurde das Eingabewerkzeug 7 von dem Objekt 1 entfernt oder ist das Eingabewerkzeug 7 von dem Objekt 1 abgefallen, wird es bei einer Bewegung des Objekts 1 nicht mehr mitbewegt. Infolge dessen wird der Sensor 15 des Eingabewerkzeugs 7 keine durch eine Bewegung des Objekts 1 hervorgerufene Beschleunigung erfassen. D. h. die vom Sensor 15 erfassten, um die Erdbeschleunigung bereinigten Werte nehmen den Wert Null an und halten diesen Wert aufrecht, gleich wenn der Endeffektor 5 bzw. das Objekt 1 bewegt wird. Empfängt die Steuereinheit 6 von dem Eingabewerkzeug 7 einen um die Erdbeschleunigung bereinigten Messwert von Null und wird der Endeffektor 5 bzw. das Objekt 1 gleichzeitig bewegt, kann die Steuereinheit 6 dies als Fehler werten.
Die Kommunikation zwischen Eingabewerkzeug 7 zu der Steuereinheit 6 kann kontinuierlich überprüft werden, indem das Eingabewerkzeug 7 ein stetiges Prüfsignal an die Steuereinheit 6 sendet. Wird von der Steuereinheit 6 kein Prüfsignal empfangen, kann dies als Unterbrechung der Kommunikation erkannt werden. Ein durch einen fehlerhaften Sensor 15 bedingter Ausfall des Eingabewerkzeugs 7 kann durch Überprüfung des durch die Erdbeschleunigung g hervorgerufenen Beschleunigungssignals erkannt werden. Weicht der Betrag des Beschleunigungsvektors g bzw. von ca. 9,81 (m/s2) ab, oder weicht die Richtung des im inneren Koordinatensystem erfassten Beschleunigungsvektors (bei Stillstand des Roboters) von einer aufgrund des Gravitationsfeldes zu erwartenden Richtung ab, so kann dies als Ausfall des Eingabewerkzeugs 7 gewertet werden. Die Prüfroutine kann von der Steuereinheit 6 ausgeführt werden.
Bezugszeichen
1. Obj ekt
2. Roboterarm
3. Basis
4. Glied
5. Endeffektor
6. Steuereinheit
7. Eingabewerkzeug
8. Basis
9. Kopf
10. Stirnseite
11. Klebebandstreifen
12. Sensor
13. Stab
14. Sensorkomponente
15. Sensor
16. Funkschnittstelle
17. Funkschnittstelle
18. Akkumulator
19. Schalter
20. Taste

Claims

Verfahren zum Handhaben eines Objekts mit' den Schritten: a) Mechanisches Verbinden des Objekts (1) mit einem Manipulator (5) und mit einem Eingabewerkzeug (7) , mit dem eine Richtung ( d' ) in einem auf das Eingabewerkzeug (7) bezogenen inneren Koordinatensystem (Κ' ) eingebbar ist, d) Steuern (S3) einer Probebewegung des Manipulators (5) durch eine Steuereinheit (6) auf Grundlage einer in einem äußeren Koordinatensystem (K) bekannten Richtung ( r ) ; e) Ermitteln (S5) der Richtung ( r' ) einer aus der Probebewegung des Manipulators (5) resultierenden Bewegung des Eingabewerkzeugs (7) in dem inneren Koordinatensystem (K') ; f) Ermitteln (S6; S13) einer Koordinatentransformation (T) , die die Richtung der resultierenden Bewegung ( r' ) im inneren Koordinatensystem (K' ) in die bekannte Richtung (r) im äußeren Koordinatensystem (K) transformiert; g) Erfassen (S7) einer von einem Benutzer an dem Eingabewerkzeug (7) eingegebenen inneren Richtung ( d' ) in dem inneren Koordinatensystem (K' ) ; h) Anwenden (S8) der Koordinatentransformation (T) auf die er- fasste innere Richtung [d}) , um eine äußere Richtung ( d ) zu erhalten; und i) Steuern (S9) einer Bewegung des Manipulators (5) auf Grundlage der äußeren Richtung ( d ) . Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Koordinatentransformation (T) aktualisiert wird, wenn die in Schritt i) gesteuerte Bewegung des Manipulators (5) eine Rotation umfasst. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Probebewegung eine Rotation und die bekannte Richtung ( r ) die Richtung der Achse der Rotation ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die bekannte Richtung (r) horizontal ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als eingegebene innere Richtung ( d' ) die Richtung einer Kraft oder eines Drehmoments, die/das zwischen einem Kopf (9) und einer Basis (8) des Eingabewerkzeugs (7) wirkt, oder, falls der Kopf relativ zur Basis aus einer Ruhelage heraus bewegbar ist, die Richtung einer Bewegung des Kopfes erfasst wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen Schritt a) und Schritt d) folgende Schritte ausgeführt werden: b) Erfassen (S7) einer von einem Benutzer am Eingabewerkzeug eingegebenen inneren Richtung ( d' ) ; c) Anwenden (S8) einer vorgegebenen Koordinatentransformation (Tn) auf die innere Richtung ( d' ) , um die bekannte Richtung ( d ) zu erhalten. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die vorgegebene . Koordinatentransformation (Tn) eine in einer früheren Iteration des Verfahrens ermittelte Koordinatentransformation ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Störung erkannt wird, wenn eine Bewegung des Eingabewerkzeugs (7) erfasst wird, die nicht durch eine Bewegung des Manipulators (5) verursacht ist oder auf eine Bewegung des Manipulators (5) keine Bewegung des Eingabewerkzeugs (7) erfasst wird . Objekthandhabungssystem mit einem Manipulator (5), an dem ein zu handhabendes Objekt (1) zeitweilig befestigbar ist, einem an dem Objekt (1) befestigbaren Eingabewerkzeug (7) und einer Steuereinheit (6) zum Steuern des Manipulators (5) anhand von durch einen Benutzer am Eingabewerkzeug (7) vorgenommenen Eingaben, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabewerkzeug (7) einen Orientierungssensor (16) zur Erfassung der Orientierung des Eingabewerkzeugs (7) im Raum umfasst und eingerichtet ist, ein Erfassungsergebnis ( d' ) des Orientierungssensors (16) an die Steuereinheit (6) zu übermitteln. 0. Objekthandhabungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabewerkzeug (7) eine Basis (8) zur Befestigung an dem Objekt (1) und einen Kopf (9) zur Handhabung durch den Benutzer umfasst und dass der Kopf (9) und die Basis (8) über einen Eingabesensor (12) körperlich verbunden sind, der eingerichtet ist, wenigstens eine von dem Benutzer auf den Kopf (9) ausgeübte vektorielle Steuergröße ( d' ) bezogen auf ein inneres Koordinatensystem des Eingabewerkzeugs zu erfassen .
1. Objekthandhabungssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Orientierungssensor (16) ein Beschleunigungssensor ist, dessen Erfassungsergebnis ( g'0 , g , g ) wenigstens die Richtung einer auf das Eingabewerkzeug einwirkenden Beschleunigung bezogen auf ein inneres Koordinatensystem (χ' , y' , z') des Eingabewerkzeugs (7) quantitativ spezifiziert .
2. Objekthandhabungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabewerkzeug (7) und die Steuereinheit (6) schnurlose Schnittstellen (16, 17) für die Kommunikation miteinander aufweisen.
3. Objekthandhabungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator ein Endeffektor (5) eines Roboterarms (2) mit gelenkig verbundenen Gliedern
(4) ist .
Eingabewerkzeug für ein Objekthandhabungssystem nach einem de Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es einen au die Anwesenheit eines Fremdkörpers in einem Bereich der Umge bung des Eingabewerkzeugs ansprechenden Schalter (19) umfasst.
5. Eingabewerkzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (19) an der Basis (8) des Eingabewerkzeugs (7) angeordnet ist und der Bereich der Umgebung sich an einer vom Kopf (9) abgewandten Seite (10) der Basis (8) befindet.
Eingabewerkzeug nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass es durch den Schalter (19) zwischen einem Ruhezustand, in dem Erfassungsergebnisse des Orientierungssensors (16) und/oder des Eingabesensors (12) nicht ausgegeben werden, und einem aktiven Zustand, in dem die Erfassungsergebnisse ausgegeben werden, umschaltbar ist.
Computerprogramm- Produkt mit Programmcode-Mitteln, die einen Computer befähigen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
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