WO2019048279A1 - Verfahren zum steuern eines roboters - Google Patents

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WO2019048279A1
WO2019048279A1 PCT/EP2018/073007 EP2018073007W WO2019048279A1 WO 2019048279 A1 WO2019048279 A1 WO 2019048279A1 EP 2018073007 W EP2018073007 W EP 2018073007W WO 2019048279 A1 WO2019048279 A1 WO 2019048279A1
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WO
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force
robot arm
robot
compensation device
mathematical model
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Application number
PCT/EP2018/073007
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Kröckel
Reinhard NEUREITER
Philipp Schmitt
Original Assignee
Kuka Systems Gmbh
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    • 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
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1633—Programme controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control
    • 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
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39325—External force control, additional loop comparing forces corrects position

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a robot having a robot controller and a controlled by the robot controller, the robot arm comprising a plurality of limbs and the limbs mutually adjustable connecting joints, wherein the robot arm is associated with a Kraftkompensati ⁇ onsvorraum comprising a mechanical coupling, which is coupled to the robot arm to initiate a compensation force generated by the force compensating device in the robot arm.
  • a robot-integrated workstation comprising a hoist and a robotic arm to be moved by a robot control having an end effector, the hoist comprising means for compensating for weight forces of a component that is portable by a holder of the hoist , and further comprising an autonomously mobile platform with the robot controller, the end effector configured to move the component carried by the hoist.
  • a method for controlling at least one force-controlled manipulator using at least one force compensating device comprising the method steps of determining the amount of compensation force applied to the manipulator by the force compensating device; the continuous Best ⁇ immensity of the direction of the compensation force applied by the force compensation device on the manipulator; and controlling the force-controlled manipulator taking into ⁇ supply of the amount and direction of the tion of the device Kraftkompensa- applied to the manipulator compensation force using a manipulator control device.
  • the object of the invention is a method for controlling a robot having a robot controller and a controlled by the robot controller, the robot arm comprising a plurality of limbs and the limbs mutually adjustable connecting joints, wherein the robot arm is assigned a Kraftkompensati ⁇ onsvorraum that a mechanical Coupling, which is coupled to the robot arm to initiate a compensation force generated by the force compensation device in the robot arm to provide, in which the robot arm can be controlled force controlled, such that of the compensation force of each of the robotic arm ⁇ assigned force compensation device different, External forces applied externally to the robot arm can be reliably determined independently of the respective force compensation device assigned to the robot arm.
  • a method for controlling a robot which has a robot control and a robot arm controlled by the robot control, which comprises a plurality of links and the links mutually adjustable connecting joints, the robot arm is associated with a force compensation device comprising a mechanical coupling coupled to the robotic arm for introducing a compensating force generated by the force compensating device into the robotic arm, comprising the steps of:
  • the power- compensation device can be automatically determined in terms of its amount and direction
  • Robot arms with associated robot controls are working machines that can be equipped for the automatic handling and / or machining of objects with tools and are programmable in several axes of motion, for example, in terms of orientation, position and workflow.
  • Industrial robots usually have a robotic arm with a plurality of links, which are movably connected to each other via joints and they have programmable robot controls that automatically guided the movements of the robot arm according to a robot program or in a hand-held operation during operation, for example by means of a robot hand ⁇ hand device or by manually moving the limbs of the robotic arm to control.
  • the links are drives, in particular electric motors, which are driven by the Robo ⁇ ters or control the robot handheld unit, with respect to the movement axes of the robot arm, which represent the degrees of motion of the joints, be moved ⁇ .
  • Robotic arms may include, for example, a rack and a relative to the frame via a hinge rotatably mounted Karus ⁇ sell at which a rocker is mounted pivotably by means of another Ge ⁇ Lenk.
  • An arm arm can be pivotally mounted on the rocker by means of a further joint.
  • the cantilever arm carries it, a robot hand, wherein the extent of the cantilever arm and / or the Ro ⁇ boterhand may have more additional joints.
  • Direction robot arm may be configured as an articulated robot having a plurality of serially arranged one after the limbs and joints, in particular the robot arm may be designed as a six-axis articulated robot.
  • the robot arms can in particular also be so-called light ⁇ construction robots that differ first from conventional industrial robots in that they have a beneficial for the man-machine cooperative size and in this case have a relatively high to their own weight bearing capacity.
  • lightweight robot like other industrial robot can also, in particular non-positively and / or torque control, are operated at ⁇ play, in a compliance control or stiffness control, instead of being operated by position control, which facilitates, for example, a manual adjustment of the pose of the robot arm.
  • Such a robot arm or such a lightweight robot can have more than six degrees of freedom, so that in this respect an over-determined system is created, whereby the same point in space in the same orientation in several different poses of the robot arm can be achieved.
  • the lightweight robot can be adapted to external forces in suitable Neten sages react. For force measurement can within the robot arm is arranged, in particular on its hinges at ⁇ ordered internal force moment sensors or sensors are used, the elements in all three spatial directions and torque forces for each joint, can detect particular measure.
  • external forces can be determined on the joints of the lightweight robot even without specially ⁇ le sensors, for example on the basis of the measured motor currents of the drives.
  • control concepts for example, an indirect force control by modeling the lightweight robot as a mechanical resistance (impedance) or a direct force control can be used.
  • the current Ge ⁇ steering positions of the robot arm to be changed because a user touches the robot arm in one or more of its members and, for example by pressing, pulling and / or rotating the gripped limb or the gripped limbs change the pose of the robotic arm, ie displaced.
  • a person can therefore initiate an external manager in the me ⁇ chanisch structure of the robot arm.
  • a pose of the robot arm generally refers to the sum of all joint positions of joints of the robot arm which adjustably connect the individual members of the robot arm.
  • a reference point such as, for example, a tool reference point (Tool Center Point / TCP) of the robot arm
  • the tool reference point ⁇ can be formed for example by a suitable point on ei ⁇ nem hand flange of the robot arm on which befes- gripper, tool or other device is Untitled to this by moving the pose of the robot arm to move in the room.
  • the tool reference point can be a virtual point in space outside the Robo ⁇ terarms but which is geometrically rigid with one of the members of the robot arm, in particular the hand flange of the robot arm.
  • Providing the mathematical model of the power compensation device may be such that given a function of a respective forward by means of the mathematical model Cartesian position and orientation of the tool reference point of the robot arm of these respective kar ⁇ tesischen position and orientation of the tool reference point associated compensation force of the Kraftkompensationsvorrich ⁇ tung in their amount and direction is determined automatically.
  • the force compensation device may be configured to hold a portion of the dead weight of the robot arm, a portion of the dead weight of an energy supply guided by the robot arm. and / or a part or the whole of the dead weight of a tool that is held by the robot arm to wear.
  • the power compensation device can also be configured to compensate for forces other than gravity forces, including dynami ⁇ cal forces from the movement of the robot arm to wear that.
  • the mechanical coupling of the force compensation device can be coupled via a coupling joint with at least one, in particular three degrees of freedom, for example, to an end effector flange of the robot arm.
  • a coupling member of the mechanical coupling provides a means for connecting the force compensating device to the end effector flange of the robot arm.
  • the mechanical coupling is preferably coupled to the end effector flange of the robot arm.
  • the mechanical coupling may also be integrally ⁇ coupled to another member of the robot arm.
  • the end effector flange forms a special member of the robot arm, namely the distal end ⁇ member of the robot arm.
  • the force ⁇ compensating device is coupled directly to the end effector flange of the robot arm on which the end effector is flanged directly, so that no joints of the robot arm are in between.
  • the force compensation device can be adapted solely on the basis of a movement of the robot arm. siv, be moved in particular self-propelled.
  • the force compensation device therefore does not have to have its own drives but can be designed as a predominantly or exclusively mechanically resilient joint arrangement.
  • the force compensating device may be formed by a mechanical cantilever with, for example, two degrees of freedom, the cantilever end of which can be freely adjusted, for example, within a horizontal plane.
  • the force compensating device may generally include a pull rope which extends downwardly from a boom end of the mechanical boom.
  • the ange ⁇ coupled member of the robot arm is supported in this respect by the train ⁇ rope.
  • the traction cable may be connected to a device which exerts a tensile force on the traction cable which may correspond, for example, approximately to the gravity of the member of the robot arm or the part of the energy supply line held by the force compensating device.
  • a mathematical model of the Kraftkom ⁇ pensationsvorraum such that in response to a jewei ⁇ time predetermined position and orientation of a tool reference point of the robot arm of these respective position and orientation of the tool reference point associated with ⁇ means of the mathematical model Kom ⁇ pensationskraft the force compensating apparatus in their amount and their direction can be determined automatically, and according to the invention a force controlled driving the Robo ⁇ terarms by means of the robot control, such that in the respective current pose of the robot arm the Positionswer ⁇ te and orientation values of the tool reference point are determined and based on these position values and Orientie ⁇ approximate values, the current acting on the robot arm com- Pensationskraft the force compensation device in their amount and their direction is mathematically determined by the mathematical model and the so determined compensation force is taken into account in the further force-controlled driving the robot arm, from the compensation force of each robot arm associated force compensation device different, from the outside on the Robotic arm brought external forces regardless of the respective Robo ⁇ terarm
  • the external forces applied externally to the robot arm by the compensation force can be forces which a person applies manually to the limbs of the robot arm in order to manually control the pose in the force-controlled activation of the robot arm, for example by pressing, pulling and / or rotating to be able to adjust.
  • external externally applied to the robot arm forces can also be collision forces einwir ⁇ ken when the robot arm collides on the limbs of the robot arm with other objects or people around him during his movement.
  • Various ⁇ ne of the compensation force to be externally applied to the robot arm external forces also process forces that can occur, for example, by a Einwir ⁇ ken handled by a robot tool to a workpiece.
  • the internal force sensors or torque sensors can not distinguish all the ⁇ se possible, various external forces acting on the members of the robot arm from each other in the joints of the robot arm alone.
  • the steps taken by a Kraftkompensati ⁇ onsvorraum into the robot arm forces can not advertising readily distinguished from other external forces the.
  • to achieve a reliable and accurate force-controlled Ansteu ⁇ ern of the robot arm which Kraftre ⁇ gelung should not be affected by the compensation forces of the power compensation device.
  • a consideration of the count by the mathematical model ⁇ driven certain compensation force may be such that are recognized by the robot controller during the force-controlled driving of the robot arm with ⁇ means of the robot controller acting in the joints of the robot arm joint torques, and of These resulting joint moments and the drive torques applied to the joints, the resulting external total forces acting on the limbs of the robot arm from the outside, are calculated and deducted by the mathema ⁇ tables model computationally determined compensation force of the calculated total forces to the remaining ⁇ benden to obtain external residual forces.
  • a force-controlled driving of the robot arm can also be understood as a moment-controlled driving of the robot arm, since possibly measured moments on the joints of the robot arm with clearly determined geometric conditions on the robot arm so far solely by the forces occurring.
  • a force-controlled activation of the robot arm can take place, for example, in a compliance control or in a stiffness control.
  • the process can be operated, the robot arm of the robot controller in a compliance control in dependence of the external verblei ⁇ reproduced residual forces in particular.
  • a compliance control of the robot can be achieved in particular by means of an impedance control or an admittance control.
  • An admittance control is based on an existing position control of the robot at the joint level.
  • the generalized forces acting on the robot arm from the outside must be measured.
  • a movement of the robot arm corresponding to the desired dynamic behavior is determined, which is commanded via an inverse kinematics and the subordinate position control to the joint drives of the robot arm.
  • An impedance control is based on an existing torque control at the joint level, in contrast to the admittance control.
  • the deviation of the actual position from a defined desired position is measured, and a desired generalized force or forces and moments are determined according to the desired dynamic behavior.
  • This force can be mapped via the known kinematics of the robot arm to corresponding joint torques.
  • the torques can finally be adjusted via the lower-level torque control.
  • the achievement of a desired Cartesian behavior can be done based on a subordinate position, torque or joint impedance control.
  • the realization of these regulations can be achieved by integrating moment sensors into the joints of the robot arm. The sensors thereby detect the one acting on the respectively assigned output of the respective transmission of the relevant joint. dimensional torque.
  • This variable can be used for the control as a measured variable and thus makes it possible to take account of the elasticity of the joints in the context of the control.
  • the forces are represented by the internal torque ⁇ sensors for each joint, as opposed to using a single external torque sensor on the end effector, as measured, not only to the end effector, but also on the individual members of the robot arm and / or at one of the robot arm held tool or workpiece are exercised.
  • the mathematical model of the force compensation device can be designed for calculating the compensating force independently of measured values of internal or external force and / or moment sensors of the robot arm.
  • the mathematical model of the power compensation device can be formed, the compensation ⁇ determining comprises taking into account at least one parameter, particularly one of the type of power compensation device dependent parameter from the group of parameters by virtue of mathematically the spring constant of a Fe ⁇ derzugs the power compensation device, the prestressing force of the spring pull of the force compensating device in the pulling direction, the mass of the mechanical coupling of the force compensating device onsvoriques, and the suspension point of Kraftkompensati ⁇ onsvorraum in space.
  • the para ⁇ meter can change the biasing force of Federzugs. With a weight balance, a constant force can be obtained.
  • the spring tension of the force compensating device can have a linear spring behavior, ie the resulting spring force of the force compensating device can depend directly on the pull-out travel of the spring tension in a linear dependency.
  • the spring force can also always be constant, ie be independent of the pull-out path of the spring pull.
  • the effect of the power compensation device to the robot arm would differ in this latter case, only by the JE stays awhile direction in which the spring force acts on the robot arm, depending on in which pose the robot arm is located, that is, which position values and Orientie ⁇ approximate the Tool reference point of the robot arm straight.
  • the mathematical model of the force compensation device can be automatically created in a calibration sequence in which calibration sequence the robot arm is moved by means of the robot control and comprises at least one parameter, in particular a parameter dependent on the type of force compensation device, from the group of parameters the spring constant of a Federzugs the Kraftkompensationsvor ⁇ direction, the biasing force of the Federzugs the Kraftkompensa ⁇ tion device in the pulling direction, the mass of the mechanical coupling of the force compensation device, and the hang point of the force compensation device is automatically detected in space.
  • a calibration sequence it can be ensured that, apart from the compensation forces of the force compensation device, no other external forces act on the robot arm.
  • the joint moments acting in the joints of the robot arm are detected by the robot controller by the internal force and / or torque sensors of the robot arm during a force-controlled activation of the robot arm by the robot controller, and the joint torques applied to the joints are detected by these withdrawn drive torques, then can be determined, the resulting total external forces acting on the members of the ro ⁇ boterarms from the outside, and this re sulting ⁇ total external forces are directly sheet than the compensation forces of the force-compensation device identified.
  • the mathematical model of the force compensation device can be automatically created in a calibration sequence, in which calibration sequence the robot arm is moved by robot control into several different poses of the robot arm and in each of these poses both the particular Cartesian position values and Ori ⁇ Ent einsevoke a tool reference point of the robot arm are detected and stored, and the respectively zugeord ⁇ Neten compensating forces are measured and stored.
  • this alternative method however, then external
  • the mathematical model does not then have to comprise a complex algorithm, but can already be formed by a simple table in which the assigned compensation forces are stored for specific positions and orientations of the tool reference point.
  • the mathematical model can then for example be a dedicated, non-stored compensation force value by interpolation calcu- lated.
  • the mechanical coupling of the force compensating device may comprise a pull rope which is fastened on one side with its free end to a stationary suspension point and on the other hand the force compensating device is mechanically coupled to a member of the robot arm on which the pull rope is mounted extendible.
  • the mechanical coupling of the force compensation device may comprise a pull rope, which is mounted on the one hand at a suspension point of the force compensation device and on the other hand with its free
  • End is mechanically coupled to a member of the robot arm.
  • the free end of the pull cable can be attached directly to a member of the robot arm.
  • the pull cable can also be fastened directly to a tool guided by the robot arm.
  • the free end of the traction cable can be attached to a power supply line ⁇ , which is managed by the robot arm.
  • the power supply line may be a wiring harness of the robot, which may, for example, comprise supply lines which serve to supply the robot arm itself or the tool carried by the robot arm, for example with electrical energy, hydraulic fluid, oil, water and / or compressed air.
  • the power supply line for example, can also comprise a hollow conduit, game, a welding wire of a protective gas welding gun is conveyed out of the at ⁇ .
  • FIG. 1 shows a representation of an exemplary robot work station with a robot, which is assigned a force compensation device, which acts on a power supply line of the robot arm
  • FIG. 2 shows a representation of an exemplary robot work station with a robot, which has a force com- associated pensationsvorraum which acts immedi ⁇ bar on a member of the robot arm
  • Fig. 3 is a schematic representation of the robot controller for the robot arm, which includes an inventive math ⁇ matic model of the force compensation device.
  • FIGS. 1 and 2 each show a robot workstation with a robot 1 in an exemplary embodiment as a so-called lightweight robot having a robot arm 2 and a robot controller 3.
  • the robot arm 2 in each case comprises a plurality of links 5 to 12, which are arranged one after the other and are pivotally connected to one another by means of joints 4.
  • the robot controller 3 of the robot 1 is designed or configured to execute a robot program, by means of which the joints 4 of the robot arm 2 are automated according to the robot program or can be automatically adjusted or rotated in a manual operation.
  • the robot control ⁇ 3 is connected to controllable electric motors 13.1 to 13.7 (Fig. 3), which are adapted to adjust the joints 4 of the robot arm 2.
  • the respective force compensating apparatus 14 includes a mechanical arm 15 having for example two Liberty ⁇ straight on.
  • a boom end 16 of the mechanical boom 15 can be freely adjusted, for example, within a horizontal plane.
  • the force compensation device 14 can generally have a coupling 17, in particular a pull cable 17.1. which runs from the boom 15 down.
  • the pull cable 17.1 is attached Schlos ⁇ sen to a traction device 18 which exerts a pulling force on the traction cable 17.1, for example, approximately equal to the force of gravity of the supported Glie- of 5 to 12 of the robot arm 2, or the part of a Energyzu ⁇ transfer line 19, of Force compensation device 14 is held, may correspond.
  • coupled member 5 to 12 or energy supply line 19 ⁇ is supported by the pull rope 17.1 extent.
  • the mechanical coupling 17 of the force compensating device 14 is a pull rope 17.1 which on the one hand is mounted extendably at a suspension point 20 of the force compensating device 14 and on the other hand is fastened with its free end to a power supply line 19 which is secured by the Robot arm 2 is guided.
  • the mechanical coupling 17 of the force compensation device 14 is a pull cable 17.1, which is mounted on the one hand at a suspension point 20 of the force compensating device 14 and on the other hand mechanically coupled with its free end directly to a member 12 of the Robo ⁇ terarms 2 is.
  • the robot controller 3 is designed and / or configured to carry out one or more of the methods according to the invention.
  • a mathematical model 21 of the force compensation device 14 is provided in the robot controller 3, such that by means of the mathematical model 21 depending on a respective predetermined Cartesian position and orientation of a tool reference point (TCP) 22 of the robot arm 2 one of these respective Cartesian position and orientation the compensating force of the force compensating device 14 assigned to the tool reference point 22 can be automatically determined in terms of its magnitude and direction.
  • TCP tool reference point
  • a consideration of the mathematically determined by the mathematical model 22 compensation force can be such ⁇ gene that during the force-controlled activation of the robot arm 2 by means of the robot controller 3 acting in the joints 4 of the robot arm 2 joint torques are detected by the robot ⁇ control 3 and from these detected joint moments and applied to the joints 4 Antriebsmo ⁇ ments of the motors 13.1 to 13.7 of the robot arm 2, the resulting external total external forces acting on the members 5 to 12 of the robot arm 2 from the outside, are calculated by the mathematical model 21 computationally determined Compensation force is subtracted from the calculated total forces to obtain the remaining external residual forces.
  • the robotic arm 2 is operated by the robot controller 3 by an im- plement elected control 23 by the controller 23 uses the mathematical model 21 to drive a drive controller 24 in its Depending ⁇ ness to the motors 13.1 to 13.7 of the robot arm 2 to operate.
  • the mathematical model 21 of the force compensation device 14 can be designed for calculating the compensating force independently of measured values of internal or external force and / or moment sensors of the robot arm 2.
  • the mathematical model 21 of the power compensation device 14 may be designed to determine the compensation force calculating ⁇ severally comprising taking into account at least a signal supplied via an input device 25 in the mathematical model 21 parameter from the set of parameters, the spring constant of a Federzugs the force compensating apparatus 14, the biasing force of the Federzugs the
  • the input device 25 may be an internal detection part of the robot controller 3 via which
  • Values of parameters can be automatically recorded and recorded, or be an external input console, can be entered via the values of parameters, for example manually via an input ⁇ medium by hand by a person.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Roboters (1), der eine Robotersteuerung (3) und einen von der Robotersteuerung (3) angesteuerten Roboterarm (2) aufweist, der mehrere Glieder (5-12) und die Glieder (5-12) gegeneinander verstellbar verbindende Gelenke (4) umfasst, wobei dem Roboterarm (2) eine Kraftkompensationsvorrichtung (14) zugeordnet ist, die eine mechanische Koppel (17) umfasst, die an den Roboterarm (2) angekoppelt ist, um eine von der Kraftkompensationsvorrichtung (14) erzeugte Kompensationskraft in den Roboterarm (2) einzuleiten unter Bereitstellen und Verwendung eines mathematischen Modells (21) der Kraftkompensationsvorrichtung (14).

Description

Verfahren zum Steuern eines Roboters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Roboters, der eine Robotersteuerung und einen von der Robotersteuerung angesteuerten Roboterarm aufweist, der mehrere Glieder und die Glieder gegeneinander verstellbar verbindende Gelenke umfasst, wobei dem Roboterarm eine Kraftkompensati¬ onsvorrichtung zugeordnet ist, die eine mechanische Koppel umfasst, die an den Roboterarm angekoppelt ist, um eine von der Kraftkompensationsvorrichtung erzeugte Kompensationskraft in den Roboterarm einzuleiten.
Aus der EP 2 407 281 Bl ist ein roboterintegrierter Arbeitsplatz bekannt, aufweisend ein Hebezeug und einen von einer Robotersteuerung zu bewegenden Roboterarm, der einen Endeffektor aufweist, wobei das Hebezeug eine Einrichtung zum Aus gleichen von Gewichtskräften eines Bauteils, das von einem Halter des Hebezeugs tragbar ist, aufweist und des Weiteren aufweisend eine autonom fahrbare Plattform mit der Robotersteuerung, wobei der Endeffektor eingerichtet ist, das durch das Hebezeug getragene Bauteil zu bewegen. Aus der DE 10 2015 206 121 B3 ist ein Verfahren zum Steuern von zumindest einem kraftgeregelten Manipulator unter Verwendung zumindest einer Kraftkompensationsvorrichtung bekannt, umfassend die Verfahrensschritte des Bestimmens des Betrages der von der Kraftkompensationsvorrichtung auf den Manipulator aufgebrachten Kompensationskraft; des kontinuierlichen Best¬ immens der Richtung der von der Kraftkompensationsvorrichtung auf den Manipulator aufgebrachten Kompensationskraft; und des Steuerns des kraftgeregelten Manipulators unter Berücksichti¬ gung des Betrags und der Richtung der von der Kraftkompensa- tionsvorrichtung auf den Manipulator aufgebrachten Kompensationskraft unter Verwendung einer Manipulator- SteuerungsVorrichtung . Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern eines Roboters, der eine Robotersteuerung und einen von der Robotersteuerung angesteuerten Roboterarm aufweist, der mehrere Glieder und die Glieder gegeneinander verstellbar verbindende Gelenke umfasst, wobei dem Roboterarm eine Kraftkompensati¬ onsvorrichtung zugeordnet ist, die eine mechanische Koppel umfasst, die an den Roboterarm angekoppelt ist, um eine von der Kraftkompensationsvorrichtung erzeugte Kompensationskraft in den Roboterarm einzuleiten, zu schaffen, bei dem der Roboterarm kraftgeregelt angesteuert werden kann, derart, dass von der Kompensationskraft einer jeweils dem Roboterarm zuge¬ ordneten Kraftkompensationsvorrichtung verschiedene, von außen auf den Roboterarm aufgebrachte externe Kräfte unabhängig von der jeweils dem Roboterarm zugeordneten Kraftkompensationsvorrichtung zuverlässig bestimmt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Steuern eines Roboters, der eine Robotersteuerung und einen von der Robotersteuerung angesteuerten Roboterarm aufweist, der mehrere Glieder und die Glieder gegeneinander verstellbar verbindende Gelenke umfasst, wobei dem Roboterarm eine Kraftkompensationsvorrichtung zugeordnet ist, die eine mechanische Koppel umfasst, die an den Roboterarm angekoppelt ist, um eine von der Kraftkompensationsvorrichtung erzeugte Kompensationskraft in den Roboterarm einzuleiten, aufweisend die Schritte:
- Bereitstellen eines mathe: latischen Modells der Kraft¬ kompensationsVorrichtung, derart, dass mittels des mathematischen Modells in Abhängigkeit einer jeweili- gen vorgegebenen Position und Orientierung eines Werkzeugbezugspunktes des Roboterarms eine dieser je- weiligen Position und Ori ntierung des Werkzeugbe- zugspunktes zugeordnete K ■mpensationskraft der Kraft- kompensationsvorrichtung in ihrem Betrag und ihrer Richtung automatisch bestimmt werden kann,
- kraftgeregeltes Ansteuern des Roboterarms mittels der Robotersteuerung derart, dass in der jeweils momenta¬ nen Pose des Roboterarms die Positionswerte und Ori¬ entierungswerte des Werkzeugbezugspunktes bestimmt werden und auf Grundlage dieser Positionswerte und Orientierungswerte die momentane auf den Roboterarm einwirkende Kompensationskraft der Kraftkompensati¬ onsvorrichtung in ihrem Betrag und ihrer Richtung durch das mathematische Modell rechnerisch bestimmt wird und die so bestimmte Kompensationskraft bei dem weiteren kraftgeregelten Ansteuern des Roboterarms berücksichtigt wird.
Roboterarme mit zugehörigen Robotersteuerungen, insbesondere Industrieroboter sind Arbeitsmaschinen, die zur automatischen Handhabung und/oder Bearbeitung von Objekten mit Werkzeugen ausgerüstet werden können und in mehreren Bewegungsachsen beispielsweise hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeitsablauf programmierbar sind. Industrieroboter weisen üblicherweise einen Roboterarm mit mehreren Gliedern auf, die über Gelenke gegeneinander beweglich verbunden sind und sie weisen programmierbare Robotersteuerungen auf, die während des Betriebs die Bewegungsabläufe des Roboterarms automatisch gemäß eines Roboterprogramms oder in einem Handfahrbetrieb manuell geführt, beispielsweise mittels eines Roboterbedien¬ handgeräts oder durch manuell angefasstes Bewegen der Glieder des Roboterarms steuern bzw. regeln. Die Glieder werden über Antriebe, insbesondere elektrische Motoren, die von der Robo¬ tersteuerung bzw. dem Roboterbedienhandgeräts angesteuert werden, bezüglich der Bewegungsachsen des Roboterarms, welche die Bewegungsfreiheitsgrade der Gelenke repräsentieren, be¬ wegt . Roboterarme können beispielsweise ein Gestell und ein relativ zum Gestell mittels eines Gelenks drehbar gelagertes Karus¬ sell umfassen, an dem eine Schwinge mittels eines anderen Ge¬ lenks schwenkbar gelagert ist. An der Schwinge kann dabei ih- rerseits ein Armausleger mittels eines weiteren Gelenks schwenkbar gelagert sein. Der Armausleger trägt dabei eine Roboterhand, wobei insoweit der Armausleger und/oder die Ro¬ boterhand mehrere weitere Gelenke aufweisen können. Ein meh¬ rere über Gelenke verbundene Glieder aufweisender Roboterarm kann als ein Knickarmroboter mit mehreren seriell nacheinander angeordneten Gliedern und Gelenken konfiguriert sein, insbesondere kann der Roboterarm als ein Sechsachs- Knickarmroboter ausgebildet sein. Roboterarme können aber insbesondere auch so genannte Leicht¬ bauroboter sein, die sich zunächst von üblichen Industrierobotern dadurch unterscheiden, dass sie eine für die Mensch- Maschine-Kooperation günstige Baugröße aufweisen und dabei eine zu ihrem Eigengewicht relativ hohe Tragfähigkeit aufwei- sen. Daneben können Leichtbauroboter, wie andere Industrieroboter auch, insbesondere kraft- und/oder momentgeregelt, bei¬ spielsweise in einer Nachgiebigkeitsregelung oder Steifigkeitsregelung betrieben werden, statt positionsgeregelt betrieben werden, was beispielsweise ein manuelles Verstellen der Pose des Roboterarmes vereinfacht. Außerdem kann dadurch eine sichere Mensch-Maschine-Kooperation erreicht werden, da beispielsweise unbeabsichtigte Kollisionen des Roboterarms mit Personen entweder verhindert oder zumindest derart abge¬ schwächt werden können, so dass den Personen kein Schaden entsteht. Ein solcher Roboterarm bzw. ein solcher Leichtbauroboter kann mehr als sechs Freiheitsgrade aufweisen, so dass insoweit ein überbestimmtes System geschaffen wird, wodurch derselbe Punkt im Raum in gleicher Orientierung in mehreren verschiedenen Posen des Roboterarms erreicht werden kann. Der Leichtbauroboter kann auf externe Krafteinwirkungen in geeig- neten Weisen reagieren. Zur Kraftmessung können innerhalb des Roboterarms angeordnete, insbesondere an dessen Gelenken an¬ geordnete interne Kraftsensoren oder MomentSensoren verwendet werden, die in allen drei Raumrichtungen Kräfte und Drehmo- mente je Gelenk erfassen, insbesondere messen können. Alternativ oder ergänzend können externe Kräfte auch ohne speziel¬ le Sensoren, beispielsweise anhand der gemessenen Motorströme der Antriebe an den Gelenken des Leichtbauroboters bestimmt werden. Als Regelungskonzepte kann beispielsweise eine indi- rekte Kraftregelung durch Modellierung des Leichtbauroboters als mechanischer Widerstand (Impedanz) oder eine direkte Kraftregelung verwendet werden.
Unter einem manuellen Berühren und/oder Bewegen des Roboter- arms wird insbesondere verstanden, dass die momentanen Ge¬ lenksstellungen des Roboterarms dadurch verändert werden, dass ein Bediener den Roboterarm an einem oder mehreren seiner Glieder anfasst und beispielsweise durch Drücken, Ziehen und/oder Drehen des gegriffenen Gliedes oder der gegriffenen Glieder die Pose des Roboterarms verändert, d.h. verstellt. Eine Person kann also eine externe Führungskraft in die me¬ chanisch Struktur des Roboterarms eingeleitet.
Unter einer Pose des Roboterarms wird ganz allgemein die Sum- me aller Gelenkstellungen von Gelenken des Roboterarms verstanden, welche die einzelnen Glieder des Roboterarms verstellbar verbinden. Im engeren Sinne kann bei einem eindeutig bestimmten System unter Pose beispielsweise auch schon die Position und die Orientierung eines Bezugspunktes, wie bei- spielsweise eines Werkzeugbezugspunktes (Tool-Center-Points / TCP) des Roboterarms verstanden werden. Der Werkzeugbezugs¬ punkt kann beispielsweise durch einen geeigneten Punkt an ei¬ nem Handflansch des Roboterarms gebildet werden, an dem ein Greifer, ein Werkzeug oder eine sonstige Vorrichtung befes- tigt ist, um diese durch Verstellen der Pose des Roboterarms im Raum bewegen zu können. Ganz allgemein kann der Werkzeugbezugspunkt ein virtueller Raumpunkt auch außerhalb des Robo¬ terarms sein, der jedoch geometrisch starr mit einem der Glieder des Roboterarms, insbesondere dem Handflansch des Ro- boterarms verbunden ist.
Das Bereitstellen des mathematischen Modells der Kraftkompensationsvorrichtung, kann derart erfolgen, dass mittels des mathematischen Modells in Abhängigkeit einer jeweiligen vor- gegebenen kartesischen Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes des Roboterarms eine dieser jeweiligen kar¬ tesischen Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes zugeordnete Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrich¬ tung in ihrem Betrag und ihrer Richtung automatisch bestimmt wird.
Alternativ kann beispielsweise das Bereitstellen des mathema¬ tischen Modells der Kraftkompensationsvorrichtung, derart erfolgen, dass mittels des mathematischen Modells in Abhängigkeit einer jeweiligen vorgegebenen Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes im Achsraum des Roboterarms, d.h. die Position und die Orientierung des Werkzeugbezugspunktes ist durch die Achswinkel-Stellungswerte der Gelenke des Robo¬ terarms bestimmt, eine dieser jeweiligen im Achsraum bestimmten Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes zuge- ordnete Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung in ihrem Betrag und ihrer Richtung automatisch bestimmt wird. In diesem Fall kann dann eine Umrechnung der Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes im Achsraum in eine kartesische Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunk- tes des Roboterarms erfolgen.
Die Kraftkompensationsvorrichtung kann ausgebildet sein, einen Teil des Eigengewichts des Roboterarms, einen Teil des Eigengewichts einer vom Roboterarm geführten Energiezufüh- rungsleitung und/oder einen Teil oder das Ganze des Eigengewichts eines Werkzeugs, das vom Roboterarm gehalten wird, zu tragen. Die Kraftkompensationsvorrichtung kann aber auch ausgebildet sein, andere Kräfte als Gewichtskräfte, z.B. dynami¬ sche Kräfte aus der Bewegung des Roboterarms, zu kompensieren d.h. zu tragen.
Die mechanische Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung kann über ein Koppelgelenk mit wenigstens einem, insbesondere drei Freiheitsgraden beispielsweise an einen Endeffektor-Flansch des Roboterarms angekoppelt sein. Ein solches Anschlussglied der mechanischen Koppel stellt ein Mittel zum Verbinden der Kraftkompensationsvorrichtung mit dem Endeffektor-Flansch des Roboterarms dar.
Die mechanische Koppel ist vorzugsweise an den Endeffektor- Flansch des Roboterarms angekoppelt. Die mechanische Koppel kann jedoch auch an ein anderes Glied des Roboterarms ange¬ koppelt sein. Insoweit bildet der Endeffektor-Flansch ein spezielles Glied des Roboterarms, nämlich das distale End¬ glied des Roboterarms.
Ist die Kraftkompensationsvorrichtung an ein anderes Glied des Roboterarms angekoppelt, so ist sicherzustellen, dass zwischen dem Anschlussglied der Kraftkompensationsvorrichtung und dem Endeffektor kein weiteres Gelenk des Roboterarms liegt, das die Positionen und Orientierungen des Werkzeugbe¬ zugspunktes beeinflusst. Im einfachsten Falle ist die Kraft¬ kompensationsvorrichtung jedoch unmittelbar an den Endeffektor-Flansch des Roboterarms angekoppelt, an dem der Endeffektor unmittelbar angeflanscht ist, so dass keine Gelenke des Roboterarms dazwischen liegen.
In allen Ausführungsformen kann die Kraftkompensationsvor- richtung allein aufgrund einer Bewegung des Roboterarms pas- siv, insbesondere eigenantriebslos mitbewegt werden. Die Kraftkompensationsvorrichtung muss somit nicht über eigene Antriebe verfügen, sondern kann als eine überwiegend oder ausschließlich mechanisch federnde Gelenkanordnung ausgebil- det sein.
In einer beispielhaften Ausführung kann die Kraftkompensationsvorrichtung von einem mechanischen Ausleger mit beispielsweise zwei Freiheitsgraden gebildet werden, dessen Auslegerende beispielsweise innerhalb einer horizontalen Ebene frei verstellt werden kann. Die Kraftkompensationsvorrichtung kann generell ein Zugseil aufweisen, welches von einem Auslegerende des mechanischen Auslegers nach unten abläuft. Das ange¬ koppelte Glied des Roboterarms wird insoweit durch das Zug¬ seil getragen. Das Zugseil kann an eine Vorrichtung ange- schlössen sein, welches eine Zugkraft auf das Zugseil ausübt, welche beispielsweise annähernd der Schwerkraft des Glieds des Roboterarms oder dem Teil der Energiezuführungsleitung, die von der Kraftkompensationsvorrichtung gehalten wird, entsprechen kann. Indem erfindungsgemäß ein mathematisches Modell der Kraftkom¬ pensationsvorrichtung bereitgestellt wird, derart, dass mit¬ tels des mathematischen Modells in Abhängigkeit einer jewei¬ ligen vorgegebenen Position und Orientierung eines Werkzeugbezugspunktes des Roboterarms eine dieser jeweiligen Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes zugeordnete Kom¬ pensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung in ihrem Betrag und ihrer Richtung automatisch bestimmt werden kann, und erfindungsgemäß ein kraftgeregeltes Ansteuern des Robo¬ terarms mittels der Robotersteuerung erfolgt, derart, dass in der jeweils momentanen Pose des Roboterarms die Positionswer¬ te und Orientierungswerte des Werkzeugbezugspunktes bestimmt werden und auf Grundlage dieser Positionswerte und Orientie¬ rungswerte die momentane auf den Roboterarm einwirkende Kom- pensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung in ihrem Betrag und ihrer Richtung durch das mathematische Modell rechnerisch bestimmt wird und die so bestimmte Kompensations kraft bei dem weiteren kraftgeregelten Ansteuern des Roboter arms berücksichtigt wird, können von der Kompensationskraft einer jeweils dem Roboterarm zugeordneten Kraftkompensations Vorrichtung verschiedene, von außen auf den Roboterarm aufge brachte externe Kräfte unabhängig von der jeweils dem Robo¬ terarm zugeordneten Kraftkompensationsvorrichtung zuverlässi bestimmt werden
Die von der Kompensationskraft verschiedenen, von außen auf den Roboterarm aufgebrachten externen Kräfte können insbesondere Kräfte sein, die eine Person manuell auf die Glieder des Roboterarms aufbringt, um in der kraftgeregelten Ansteuerung des Roboterarms dessen Pose manuell, beispielsweise durch Drücken, Ziehen und/oder Drehen verstellen zu können. Die von der Kompensationskraft verschiedenen, von außen auf den Roboterarm aufgebrachten externen Kräfte können aber auch Kollisionskräfte sein, die auf die Glieder des Roboterarms einwir¬ ken, wenn der Roboterarm mit anderen Gegenständen oder mit Personen in seinem Umfeld während seiner Bewegung kollidiert. Darüber hinaus können von der Kompensationskraft verschiede¬ ne, von außen auf den Roboterarm aufgebrachte externe Kräfte auch Prozesskräfte sein, die beispielsweise durch ein Einwir¬ ken eines vom Roboterarm gehandhabten Werkzeugs auf ein Werkstück auftreten können.
An und für sich können die internen Kraftsensoren oder Momentsensoren in den Gelenken des Roboterarms alleine all die¬ se möglichen, verschiedenen externen Kräfte, die auf die Glieder des Roboterarms einwirken, nicht voneinander unterscheiden. Insbesondere können die von einer Kraftkompensati¬ onsvorrichtung in den Roboterarm eingeleiteten Kräfte nicht ohne weiteres von anderen externen Kräften unterschieden wer- den. Um ein zuverlässiges und genaues kraftgeregeltes Ansteu¬ ern des Roboterarms erreichen zu können, sollte die Kraftre¬ gelung jedoch nicht von den Kompensationskräften der Kraftkompensationsvorrichtung beeinflusst werden. Es besteht zwar die grundsätzliche Möglichkeit die von der Kraftkompensationsvorrichtung auf den Roboterarm momentan einwirkende Kompensationskraft durch separate externe Senso¬ ren an der Kraftkompensationsvorrichtung zu messen, dies bedingt jedoch nicht nur, dass solche externe Sensoren an der Kraftkompensationsvorrichtung vorhanden sein müssen, sondern bedingt auch, dass diese externen Sensoren mit der Robotersteuerung verbunden sein und steuerungstechnisch konfiguriert sein müssen, damit die Robotersteuerung für das kraftgeregelte Ansteuern des Roboterarms die Messwerte der externen Sen- soren verwenden kann. Werden verschiedene Arten von Kraftkompensationsvorrichtung verwendet, müsste die RoboterSteuerung auf unterschiedliche Arten von externen Sensoren abgestimmt werden. Mit der erfindungsgemäßen Lösung können unterschiedlichste Arten von Kraftkompensationsvorrichtungen verwendet werden, ohne dass man auf eine Auswertung von externen Sensoren angewiesen wäre. Bestimmte benötigte Parameter der jewei¬ ligen im Einzelfall tatsächlich dem Roboter zugeordneten Kraftkompensationsvorrichtung können erfindungsgemäß in einer automatisch durchführbaren Einmess-Sequenz automatisch be- stimmt werden, ohne das externe Sensoren der Kraftkompensati¬ onsvorrichtung benötigt werden. Auch können die erfindungsgemäß bereitgestellten mathematischen Modelle der Kraftkompensationsvorrichtungen in Rahmen einer Offline-Programmierung verwendet werden, was bei einer Bestimmung der Kompensations- kräfte mittels externer Sensoren von Kraftkompensationsvorrichtungen nicht möglich ist, da solche externen Sensoren im Allgemeinen nicht simuliert werden können. Des Weiteren kann durch eine Verwendung eines bereitgestellten mathematischen Modells der Kraftkompensationsvorrichtung in der Simulation (Offline-Programmierung) der Krafteinfluss der Kraftkompensationsvorrichtung auf den Roboterarm bei unterschiedlichen Posen des Roboterarms und/oder bei unterschiedlichen dynamischen Verhalten des Roboterarms bei seiner Bewegung offline d.h. bereits in der Simulation untersucht werden.
In einer speziellen Ausführungsform des Verfahren kann eine Berücksichtigung der durch das mathematische Modell rechne¬ risch bestimmten Kompensationskraft derart erfolgen, dass während des kraftgeregelten Ansteuerns des Roboterarms mit¬ tels der Robotersteuerung die in den Gelenken des Roboterarms wirkenden Gelenkmomente von der Robotersteuerung erfasst werden, und aus diesen erfassten Gelenkmomenten und den auf die Gelenke aufgebrachten Antriebsmomenten die resultierenden externen Gesamtkräfte, die auf die Glieder des Roboterarms von außen einwirken, berechnet werden und die durch das mathema¬ tische Modell rechnerisch bestimmte Kompensationskraft von den berechneten Gesamtkräfte abgezogen wird, um die verblei¬ benden externen Restkräfte zu erhalten.
Die rechnerisch verbleibenden externen Restkräfte werden dann zum kraftgeregelten Ansteuern des Roboterarms verwendet. Ein kraftgeregeltes Ansteuern des Roboterarms kann insoweit auch als ein momentgeregeltes Ansteuern des Roboterarms verstanden werden, da ggf. gemessen Momente an den Gelenken des Roboterarms bei eindeutig bestimmten geometrischen Verhältnissen am Roboterarm insoweit allein von den auftretenden Kräften bestimmt sind.
Ein kraftgeregeltes Ansteuern des Roboterarms kann beispiels- weise in einer Nachgiebigkeitsregelung oder in einer Steifig- keitsregelung erfolgen. Das Verfahren kann insbesondere in Abhängigkeit der verblei¬ benden externen Restkräfte der Roboterarm von der Robotersteuerung in einer Nachgiebigkeitsregelung betrieben werden.
Eine Nachgiebigkeitsregelung des Roboters kann insbesondere mittels einer Impedanzregelung oder einer Admittanzregelung erreicht werden.
Eine Admittanzregelung basiert auf einer vorhandenen Positionsregelung des Roboters auf Gelenkebene. Hier müssen die von außen auf den Roboterarm einwirkenden verallgemeinerten Kräften gemessen werden. Ausgehend von diesen Kräften wird eine, dem gewünschten dynamischen Verhalten entsprechende, Bewegung des Roboterarms bestimmt, die über eine inverse Kinematik und die unterlagerte Positionsregelung an die Gelenkantriebe des Roboterarms kommandiert werden.
Eine Impedanzregelung basiert im Gegensatz zur Admittanzregelung auf einer vorhandenen Drehmomentregelung auf Gelenkebene. Es werden die Abweichung der tatsächlichen Lage von einer definierten Soll-Lage gemessen und entsprechend des gewünschten dynamischen Verhaltens eine gewünschte verallgemeinerte Kraft, bzw. Kräfte und Momente, bestimmt. Diese Kraft kann über die bekannte Kinematik des Roboterarms auf entsprechende Gelenkdrehmomente abgebildet werden. Die Drehmomente können schließlich über die unterlagerte Drehmomentregelung eingestellt werden.
Die Erzielung eines gewünschten kartesischen Verhaltens kann basierend auf einer unterlagerten Positions-, Drehmomenten- oder Gelenk-Impedanzregelung erfolgen. Die Realisierung die- ser Regelungen können durch die Integration von Momentsenso- ren in die Gelenke des Roboterarms erreicht werden. Die Sen- soren erfassen dabei das am jeweils zugeordneten Abtrieb des jeweiligen Getriebes des betreffenden Gelenks wirkende eindi- mensionale Drehmoment. Diese Größe kann für die Regelung als Messgröße herangezogen werden und ermöglicht somit die Be¬ rücksichtigung der Elastizität der Gelenke im Rahmen der Regelung. Insbesondere werden durch die internen Drehmoments¬ ensoren je Gelenk, im Gegensatz zur Verwendung eines einzigen externen Momentsensors am Endeffektor, auch diejenigen Kräfte gemessen, die nicht nur auf den Endeffektor, sondern auch auf die einzelnen Glieder des Roboterarms und/oder auf ein von dem Roboterarm gehaltenes Werkzeug oder Werkstück ausgeübt werden .
Bei den erfindungsgemäßen Verfahren kann das mathematische Modell der Kraftkompensationsvorrichtung ausgebildet sein, zum rechnerischen Bestimmten der Kompensationskraft unabhängig von Messwerten interner oder externer Kraft- und/oder Momentsensoren des Roboterarms.
Dies bedeutet, dass das mathematische Modell aufgrund von Po¬ sitionswerten und Orientierungswerten des Werkzeugbezugspunktes des Roboterarms ohne Nutzung von Werten von externen Kraft- und/oder MomentSensoren und ohne Nutzung von Werten von internen Kraft- und/oder MomentSensoren des Roboterarms die in der jeweiligen Pose des Roboterarms auf den Roboterarm einwirkende Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrich¬ tung bestimmen kann.
Bei dem Verfahren kann das mathematische Modell der Kraftkompensationsvorrichtung ausgebildet sein, die Kompensations¬ kraft rechnerisch zu bestimmen unter Berücksichtigung wenigstens eines Parameters, insbesondere eines von der Art der Kraftkompensationsvorrichtung abhängigen Parameters, aus der Gruppe von Parametern umfassend die Federkonstante eines Fe¬ derzugs der Kraftkompensationsvorrichtung, die Vorspannkraft des Federzugs der Kraftkompensationsvorrichtung in Zugrichtung, die Masse der mechanischen Koppel der Kraftkompensati- onsvorrichtung, und den Aufhängungspunkt der Kraftkompensati¬ onsvorrichtung im Raum. Wird eine andere Kraftkompensations¬ vorrichtung verwendet, so kann sich beispielsweise der Para¬ meter der Vorspannkraft des Federzugs ändern. Bei einem Ge- wichtsausgleich kann eine konstante Kraft erhalten werden.
Der Federzug der Kraftkompensationsvorrichtung kann ein lineares Federverhalten aufweisen, d.h. die resultierende Federkraft der Kraftkompensationsvorrichtung kann in einer linearen Abhängigkeit direkt von dem Auszugsweg des Federzugs ab- hängen. In einer speziellen Ausführungsform der Kraftkompensationsvorrichtung kann die Federkraft auch stets konstant sein, d.h. von dem Auszugsweg des Federzugs unabhängig sein. Die Wirkung der Kraftkompensationsvorrichtung auf den Roboterarm würde sich in diesem letzteren Falle nur durch die je- weilige Richtung unterscheiden, in der die Federkraft auf den Roboterarm einwirkt, je nachdem, in welcher Pose sich der Roboterarm befindet, d.h. welche Positionswerte und Orientie¬ rungswerte der Werkzeugbezugspunkt des Roboterarms gerade aufweist . Das mathematische Modell der Kraftkompensationsvorrichtung kann in einer Einmess-Sequenz automatisch erstellt werden, in welcher Einmess-Sequenz der Roboterarm mittels der Robotersteuerung bewegt wird und wenigstens ein Parameter, insbesondere eines von der Art der Kraftkompensationsvorrichtung ab- hängigen Parameters, aus der Gruppe von Parametern umfassend die Federkonstante eines Federzugs der Kraftkompensationsvor¬ richtung, die Vorspannkraft des Federzugs der Kraftkompensa¬ tionsvorrichtung in Zugrichtung, die Masse der mechanischen Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung, und den Aufhän- gungspunkt der Kraftkompensationsvorrichtung im Raum automatisch erfasst wird. Während einer solchen Einmess-Sequenz kann sichergestellt werden, dass außer den Kompensationskräften der Kraftkompensationsvorrichtung keine sonstigen externen Kräfte auf den Roboterarm einwirken. Werden in einem solchen Falle von den internen Kraft- und/oder MomentSensoren des Roboterarms während eines kraftgeregelten Ansteuerns des Roboterarms mittels der Robotersteuerung die in den Gelenken des Roboterarms wirkenden Gelenkmomente von der Robotersteuerung erfasst, und aus diesen erfassten Gelenkmomenten die auf die Gelenke auf- gebrachten Antriebsmomente abgezogen, dann können die resultierenden externen Gesamtkräfte, die auf die Glieder des Ro¬ boterarms von außen einwirken, bestimmt werden und diese re¬ sultierenden externen Gesamtkräfte unmittelbar als die Kompensationskräfte der Kraftkompensationsvorrichtung identifi- ziert werden.
In einem alternativen Verfahren kann das mathematische Modell der Kraftkompensationsvorrichtung in einer Einmess-Sequenz automatisch erstellt werden, in welcher Einmess-Sequenz der Roboterarm mittels der Robotersteuerung in mehrere verschiede Posen des Roboterarms bewegt wird und in jeder dieser Posen sowohl die insbesondere kartesischen Positionswerte und Ori¬ entierungswerte eines Werkzeugbezugspunktes des Roboterarm erfasst und gespeichert werden, als auch die jeweils zugeord¬ neten Kompensationskräfte gemessen und gespeichert werden. Bei diesem alternativen Verfahren sind dann jedoch externe
Kraft- und/oder MomentSensoren erforderlich, um die jeweilige Kompensationskraft in den jeweiligen Positionen und Orientie¬ rungen des Werkzeugbezugspunktes des Roboterarms messen zu können. Das mathematische Modell muss dann aber nicht einen aufwändigen Algorithmus umfassen, sondern kann bereits durch eine einfache Tabelle gebildet werden, in der für bestimmte Positionen und Orientierungen des Werkzeugbezugspunktes die zugeordneten Kompensationskräfte gespeichert sind. Zu evtl. zwischen zwei gespeicherten Positionen und Orientierungen des Werkzeugbezugspunktes liegende Positionswerte und Orientie¬ rungswerte kann dann beispielsweise ein zugeordneter, nicht gespeicherter Kompensationskraftwert durch Interpolation er- rechnet werden.
Die mechanische Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung kann in einer ersten Ausführungsform ein Zugseil umfassen, das einerseits mit seinem freien Ende an einem ortsfesten Aufhängungspunkt befestigt ist und andererseits die Kraftkompensa- tionsvorrichtung an ein Glied des Roboterarms mechanisch angekoppelt ist, an der das Zugseil ausziehbar gelagert ist.
In einer zweiten Ausführungsform kann die mechanische Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung ein Zugseil umfassen, das einerseits an einem Aufhängungspunkt der Kraftkompensations- Vorrichtung gelagert ist und andererseits mit seinem freien
Ende an ein Glied des Roboterarms mechanisch angekoppelt ist.
Das freie Ende des Zugseils kann unmittelbar an einem Glied des Roboterarms befestigt sein. Alternativ kann das Zugseil auch direkt an einem vom Roboterarm geführten Werkzeug befes- tigt sein.
Alternativ kann das freie Ende des Zugseils an einer Energie¬ zuführungsleitung befestigt sein, die von dem Roboterarm geführt wird.
Greift die Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung nicht un- mittelbar an einem Glied des Roboterarms an, sondern nur mittelbar dadurch, dass die Koppel der Kraftkompensationsvorrichtung an einer Energiezuführungsleitung des Roboterarms angreift, wobei diese Energiezuführungsleitung mit einem Glied des Roboterarms verbunden ist, dann können diejenigen externen Kräfte und Momente bestimmt werden, welche die Ener- giezufuhrungsleitung in den Roboterarm einleitet. Insoweit können die durch die Energiezuführungsleitung verursachten Kräfte und Momente bestimmt werden. In Folge einer solchen Bestimmung von externen Kräften und Momenten, welche die Energiezuführungsleitung in den Roboterarm einleitet, können dann auch diese Kräfte und Momente ggf. kompensiert werden.
Die Energiezuführungsleitung kann ein Leitungsstrang des Roboters sein, welcher beispielsweise Versorgungsleitungen umfassen kann, die zur Versorgung des Roboterarms selbst oder des vom Roboterarm getragenen Werkzeugs, beispielsweise mit elektrischer Energie, Hydraulikfluid, Öl, Wasser und/oder Druckluft dient. Die Energiezuführungsleitung kann aber beispielsweise auch eine hohle Leitung umfassen, aus der bei¬ spielsweise ein Schweißdraht einer Schutzgasschweißpistole herausgefördert wird.
Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nach¬ folgenden Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieser exemplarischen Ausführungsbeispiele können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder auch in anderen Kombinationen der Merkmale betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung dar¬ stellen .
Die Figuren zeigen: Fig. 1 eine Darstellung eines beispielhaften Roboterarbeitsplatzes mit einem Roboter, dem eine Kraftkompensationsvorrichtung zugeordnet ist, die an einer Energiezuführungsleitung des Roboterarms angreift, Fig. 2 eine Darstellung eines beispielhaften Roboterarbeitsplatzes mit einem Roboter, dem eine Kraftkom- pensationsvorrichtung zugeordnet ist, die unmittel¬ bar an einem Glied des Roboterarms angreift, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Robotersteuerung für den Roboterarm, die ein erfindungsgemäßes mathe¬ matisches Modell der Kraftkompensationsvorrichtung beinhaltet .
Die Fig. 1 und die Fig. 2 zeigen jeweils einen Roboterarbeitsplatz mit einem Roboter 1 in einer beispielhaften Ausführung als ein so genannter Leichtbauroboter, der einen Roboterarm 2 und eine Robotersteuerung 3 aufweist. Der Roboterarm 2 umfasst im Falle der vorliegenden Ausführungsbeispiele jeweils mehrere, nacheinander angeordnete und mittels Gelenke 4 drehbar miteinander verbundene Glieder 5 bis 12.
Die Robotersteuerung 3 des Roboters 1 ist ausgebildet bzw. eingerichtet, ein Roboterprogramm auszuführen, durch welches die Gelenke 4 des Roboterarms 2 gemäß des Roboterprogramms automatisiert oder in einem Handfahrbetrieb automatisch ver¬ stellt bzw. drehbewegt werden können. Dazu ist die Roboter¬ steuerung 3 mit ansteuerbaren elektrischen Motoren 13.1 bis 13.7 (Fig. 3) verbunden, die ausgebildet sind, die Gelenke 4 des Roboterarms 2 zu verstellen.
Der jeweilige Arbeitsplatz umfasst neben dem Roboter 1 eine dem Roboterarm 2 zugeordnete Kraftkompensationsvorrichtung 14. In den beispielhaften Ausführungen der Fig. 1 und Fig. 2 weist die jeweilige Kraftkompensationsvorrichtung 14 einen mechanischen Ausleger 15 mit beispielsweise zwei Freiheits¬ graden auf. Ein Auslegerende 16 des mechanischen Auslegers 15 kann beispielsweise innerhalb einer horizontalen Ebene frei verstellt werden. Die Kraftkompensationsvorrichtung 14 kann generell eine Koppel 17, insbesondere ein Zugseil 17.1 auf- weisen, welches von dem Ausleger 15 nach unten abläuft. Das Zugseil 17.1 ist dabei an eine Zugvorrichtung 18 angeschlos¬ sen, welche eine Zugkraft auf das Zugseil 17.1 ausübt, die beispielsweise annähernd der Schwerkraft der getragenen Glie- der 5 bis 12 des Roboterarms 2 oder dem Teil einer Energiezu¬ führungsleitung 19, die von der Kraftkompensationsvorrichtung 14 gehalten wird, entsprechen kann. Das je nach Ausführungsbeispiel angekoppelte Glied 5 bis 12 oder Energiezuführungs¬ leitung 19 wird insoweit durch das Zugseil 17.1 getragen. Im Falle der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist die mechanische Koppel 17 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 ein Zugseil 17.1 das einerseits an einem Aufhängungspunkt 20 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 ausziehbar gelagert ist und andererseits mit seinem freien Ende an einer Energiezufüh- rungsleitung 19 befestigt ist, die von dem Roboterarm 2 geführt wird.
Im Falle der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die mechanische Koppel 17 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 ein Zugseil 17.1, das einerseits an einem Aufhängungspunkt 20 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 gelagert ist und andererseits mit seinem freien Ende direkt an ein Glied 12 des Robo¬ terarms 2 mechanisch angekoppelt ist.
Die Robotersteuerung 3 ist ausgebildet und/oder eingerichtet, eines oder mehrere der erfindungsgemäßen Verfahren durchzu- führen.
Eine beispielhafte Implementation eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern eines Roboters 1 ist in Fig. 3 schema¬ tisch veranschaulicht und weist die folgenden Schritte auf. Zunächst wird in der Robotersteuerung 3 ein mathematisches Modell 21 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 bereitgestellt, derart, dass mittels des mathematischen Modells 21 in Abhängigkeit einer jeweiligen vorgegebenen kartesischen Posi- tion und Orientierung eines Werkzeugbezugspunktes (TCP) 22 des Roboterarms 2 eine dieser jeweiligen kartesischen Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes 22 zugeordnete Kompensationskraft der Kraftkompensationsvorrichtung 14 in ihrem Betrag und ihrer Richtung automatisch bestimmt werden kann.
Es erfolgt ein kraftgeregeltes Ansteuern des Roboterarms 2 mittels der Robotersteuerung 3 derart, dass in der jeweils momentanen Pose des Roboterarms 2 die kartesischen Positions¬ werte und Orientierungswerte des Werkzeugbezugspunktes 22 be- stimmt werden und auf Grundlage dieser kartesischen Positi¬ onswerte und Orientierungswerte die momentane auf den Robo¬ terarm 2 einwirkende Kompensationskraft der Kraftkompensati¬ onsvorrichtung 14 in ihrem Betrag und ihrer Richtung durch das mathematische Modell 21 rechnerisch bestimmt wird und die so bestimmte Kompensationskraft bei dem weiteren kraftgere¬ gelten Ansteuern des Roboterarms 2 berücksichtigt wird.
Eine Berücksichtigung der durch das mathematische Modell 22 rechnerisch bestimmten Kompensationskraft kann derart erfol¬ gen, dass während des kraftgeregelten Ansteuerns des Roboter- arms 2 mittels der Robotersteuerung 3 die in den Gelenken 4 des Roboterarms 2 wirkenden Gelenkmomente von der Roboter¬ steuerung 3 erfasst werden, und aus diesen erfassten Gelenkmomenten und den auf die Gelenke 4 aufgebrachten Antriebsmo¬ menten der Motoren 13.1 bis 13.7 des Roboterarms 2 die resul- tierenden externen Gesamtkräfte, die auf die Glieder 5 bis 12 des Roboterarms 2 von außen einwirken, berechnet werden und die durch das mathematische Modell 21 rechnerisch bestimmte Kompensationskraft von den berechneten Gesamtkräfte abgezogen wird, um die verbleibenden externen Restkräfte zu erhalten.
In Abhängigkeit der verbleibenden externen Restkräfte kann der Roboterarm 2 von der Robotersteuerung 3 mittels einer im- plementierten Regelung 23 betrieben wird, indem die Regelung 23 das mathematische Modell 21 nutzt, um in dessen Abhängig¬ keit eine Antriebssteuerung 24 anzusteuern, um die Motoren 13.1 bis 13.7 des Roboterarms 2 zu betreiben.
Das mathematische Modell 21 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 kann dabei ausgebildet sein, zum rechnerischen Bestimmten der Kompensationskraft unabhängig von Messwerten interner o- der externer Kraft- und/oder MomentSensoren des Roboterarms 2.
Das mathematische Modell 21 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 kann dabei ausgebildet sein, die Kompensationskraft rech¬ nerisch zu bestimmen unter Berücksichtigung wenigstens eines über eine Eingabevorrichtung 25 in das mathematische Modell 21 zugeführten Parameters aus der Gruppe von Parametern umfassend die Federkonstante eines Federzugs der Kraftkompensa- tionsvorrichtung 14, die Vorspannkraft des Federzugs der
Kraftkompensationsvorrichtung 14 in Zugrichtung, die Masse der mechanischen Koppel 17 der Kraftkompensationsvorrichtung 14, und den Aufhängungspunkt 20 der Kraftkompensationsvorrichtung 14 im Raum. Die Eingabevorrichtung 25 kann ein in- ferner Erfassungsteil der Robotersteuerung 3 sein, über den
Werte von Parametern automatisch erfasst und eingespielt werden können, oder eine externe Eingabekonsole sein, über die Werte von Parametern beispielsweise manuell über ein Eingabe¬ mittel per Hand durch eine Person eingegeben werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern eines Roboters (1), der eine Robo¬ tersteuerung (3) und einen von der Robotersteuerung (3) angesteuerten Roboterarm (2) aufweist, der mehrere Glieder (5-12) und die Glieder (5-12) gegeneinander verstellbar verbindende Gelenke (4) umfasst, wobei dem Ro¬ boterarm (2) eine Kraftkompensationsvorrichtung (14) zugeordnet ist, die eine mechanische Koppel (17) umfasst, die an den Roboterarm (2) angekoppelt ist, um eine von der Kraftkompensationsvorrichtung (14) erzeugte Kompensationskraft in den Roboterarm (2) einzuleiten, aufweisend die Schritte:
- Bereitstellen eines mathematischen Modells (21) der Kraftkompensationsvorrichtung (14), derart, dass mittels des mathematischen Modells (21) in Abhängigkeit einer jeweiligen vorgegebenen Position und Orientierung eines Werkzeugbezugspunktes (22) des Roboterarms (2) eine dieser jeweiligen Position und Orientierung des Werkzeugbezugspunktes (22) zugeordnete Kompensa¬ tionskraft der Kraftkompensationsvorrichtung (14) in ihrem Betrag und ihrer Richtung automatisch bestimmt werden kann,
- kraftgeregeltes Ansteuern des Roboterarms (2) mittels der Robotersteuerung (3) derart, dass in der jeweils momentanen Pose des Roboterarms (2) die Positionswerte und Orientierungswerte des Werkzeugbezugspunktes (22) bestimmt werden und auf Grundlage dieser karte- sischen Positionswerte und Orientierungswerte die mo- mentane auf den Roboterarm (2) einwirkende Kompensa¬ tionskraft der Kraftkompensationsvorrichtung (14) in ihrem Betrag und ihrer Richtung durch das mathematische Modell (21) rechnerisch bestimmt wird und die so bestimmte Kompensationskraft bei dem weiteren kraft- geregelten Ansteuern des Roboterarms (2) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Berücksichtigung der durch das mathematische Modell (21) rechnerisch be¬ stimmten Kompensationskraft derart erfolgt, dass während des kraftgeregelten Ansteuerns des Roboterarms (2) mit¬ tels der Robotersteuerung (3) die in den Gelenken (4) des Roboterarms (2) wirkenden Gelenkmomente von der Ro¬ botersteuerung (3) erfasst werden, und aus diesen er- fassten Gelenkmomenten und den auf die Gelenke (4) aufgebrachten Antriebsmomenten die resultierenden externen Gesamtkräfte, die auf die Glieder (5-12) des Roboterarms (2) von außen einwirken, berechnet werden und die durch das mathematische Modell (21) rechnerisch bestimmte Kom¬ pensationskraft von den berechneten Gesamtkräfte abgezo¬ gen wird, um die verbleibenden externen Restkräfte zu erhalten .
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in Abhängigkeit der verbleibenden externen Restkräfte der Roboterarm (2) von der Robotersteuerung (3) in einer Nachgiebigkeitsregelung betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell (21) der Kraftkompensationsvorrichtung (14) ausgebildet ist, zum rechnerischen Bestimmten der Kompensationskraft unabhängig von Messwerten interner oder externer Kraft- und/oder MomentSensoren des Roboterarms (2).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell (21) der Kraftkompensationsvorrichtung (14) ausgebildet ist, die Kompensationskraft rechnerisch zu bestimmen unter Berücksichtigung wenigstens eines Parameters, insbesondere eines von der Art der Kraftkompensationsvorrichtung (14) abhängigen Parameters, aus der Gruppe von Parametern umfassend die Federkonstante eines Federzugs (18) der Kraftkompensationsvorrichtung (14), die Vorspannkraft des Federzugs (18) der Kraftkompensationsvorrichtung (14) in Zugrichtung, die Masse der mechanischen Koppel (17) der Kraftkompensationsvorrichtung (14), und den Aufhängungspunkt (20) der Kraftkompensationsvorrichtung (14) im Raum.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell (21) der Kraftkompensationsvorrichtung (14) in einer Einmess- Sequenz automatisch erstellt wird, in welcher Einmess- Sequenz der Roboterarm (2) mittels der Robotersteuerung (3) bewegt wird und wenigstens ein Parameter aus der Gruppe von Parametern umfassend die Federkonstante eines Federzugs (18) der Kraftkompensationsvorrichtung (14), die Vorspannkraft des Federzugs (18) der Kraftkompensa¬ tionsvorrichtung (14) in Zugrichtung, die Masse der mechanischen Koppel (17) der Kraftkompensationsvorrichtung (14), und den Aufhängungspunkt (20) der Kraftkompensati¬ onsvorrichtung (14) im Raum automatisch erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell (21) der Kraftkompensationsvorrichtung (14) in einer Einmess- Sequenz automatisch erstellt wird, in welcher Einmess- Sequenz der Roboterarm (2) mittels der Robotersteuerung (3) in mehrere verschiede Posen des Roboterarms (2) be¬ wegt wird und in jeder dieser Posen sowohl die insbesondere kartesischen Positionswerte und Orientierungswerte eines Werkzeugbezugspunktes (22) des Roboterarm (2) er- fasst und gespeichert werden, als auch die jeweils zuge¬ ordneten Kompensationskräfte gemessen und gespeichert werden .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Koppel (17) der
Kraftkompensationsvorrichtung (14) ein Zugseil (17.1) umfasst, das einerseits mit seinem freien Ende an einem ortsfesten Aufhängungspunkt (20) befestigt ist und ande¬ rerseits die Kraftkompensationsvorrichtung (14) an ein Glied (5-12) des Roboterarms (2) mechanisch angekoppelt ist, an der das Zugseil (17.1) ausziehbar gelagert ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Koppel (17) der
Kraftkompensationsvorrichtung (14) ein Zugseil (17.1) umfasst, das einerseits an einem Aufhängungspunkt (20) der Kraftkompensationsvorrichtung (14) ausziehbar gelagert ist und andererseits mit seinem freien Ende an ein Glied (5-12) des Roboterarms (2) mechanisch angekoppelt ist .
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Zugseils (17.1) unmittelbar an einem Glied (5-12) des Roboterarms (2) befestigt ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Zugseils (17.1) an einer Energiezu¬ führungsleitung (19) befestigt ist, die von dem Roboterarm (2) geführt wird.
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