Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Bewegung eines

Robotermanipulators sowie eine Vorrichtung zur Überwachung einer Bewegung eines Robotermanipulators.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, über geometrische Formen definierte endliche Volumina mit den jeweiligen Robotergliedern mitzubewegen und mittels dieser Volumina eine räumliche Ausdehnung der jeweiligen Roboterglieder zu modellieren. So betrifft die EP1901 151A1 ein Verfahren zur Kollisionsvermeidung zwischen einem Industrieroboter und zumindest einem anderen sich bewegenden Objekt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bewegungsüberwachung eines Robotermanipulators bezüglich unerlaubter Positionen oder Bereiche zu vereinfachen und recheneffizienter zu gestalten. Die unerlaubte Position kann hierbei vor dem Hintergrund von zu

vermeidenden Eigenkollisionen auch dem Robotermanipulator selbst zugeordnet sein. Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Bewegung eines Robotermanipulators, aufweisend die Schritte:

- Definieren einer unzulässigen Position für den Robotermanipulator,

- Definieren einer entlang des Robotermanipulators verlaufenden Kurve mit der eindimensionalen Laufkoordinate s, wobei zumindest eine Teilmenge aller Orte der Kurve mit der aktuellen Pose des Robotermanipulators mitbewegt wird, und

- Ermitteln eines Abstands d zwischen einem Ort einer aktuellen und/oder

vorhergesagten Kurve und der unzulässige Position.

Der Robotermanipulator ist insbesondere ein mehrgelenkiger Roboterarm mit einem an seinem distalen Ende angeordneten Endeffektor. Die Glieder des Roboterarms sind bevorzugt durch Knickgelenke oder auch Rotationsgelenke relativ zueinander beweglich. Aktuatoren, insbesondere Elektromotoren, die an ein Getriebe angeschlossen sein können, erzeugen entsprechende Kräfte und Momente zur Bewegung der Glieder relativ zueinander um ein jeweiliges Gelenk. Die unzulässige Position für den Robotermanipulator ist eine Position, die insbesondere ein Roboterglied oder ein am distalen Ende des Robotermanipulators angeordneter Endeffektor letztendlich nicht erreichen soll. Vorteilhaft aber ist die

Bewegungsüberwachung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung nicht

notwendigerweise auf die tatsächlichen Dimensionen des Robotermanipulators und/oder des Endeffektors beschränkt, da durch die Ermittlung des Abstands cf alle Freiheiten bzgl. der Reaktion auf den ermittelten Abstand d bestehen, wie in den folgenden

Ausführungsformen gezeigt. Eine Abhängigkeit von einer festen geometrischen Form eines modellierten Volumens besteht gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorteilhaft nicht.

Vorliegend wird der Begriff„Pose” entsprechend der DIN EN ISO 8373 verstanden. Die Pose des Robotermanipulators ist somit die Kombination von lokaler Position und lokaler Orientierung des Robotermanipulators im dreidimensionalen Raum.

Die Laufkoordinate ist insoweit eindimensional, als dass nur eine Koordinate s mit ihrem jeweiligen Vorzeichen angegeben werden muss, um einen Ort auf der Kurve eindeutig anzugeben. Die Kurve selbst verläuft dagegen im Allgemeinen durch den

dreidimensionalen Raum, insbesondere durch den Arbeitsbereich des

Robotermanipulators, abhängig von der aktuellen Pose des Robotermanipulators.

Der Verlauf der entlang des Robotermanipulators verlaufenden Kurve mit der

eindimensionalen Laufkoordinate s durch den physikalischen Raum wird grundsätzlich durch die aktuelle Pose des Robotermanipulators bestimmt. Bevorzugt verläuft die Kurve dabei zumindest abschnittsweise durch eine geometrische Mitte des jeweiligen Abschnitts des Robotermanipulators, das heißt auch des jeweiligen Robotergliedes. Abweichungen von der geometrischen Mitte können sich ergeben, wenn die Kurve in ihren

Krümmungsradien begrenzt ist. Vorteilhaft ist eine polynomiale Kurve niedrigerer

Ordnung leichter analytisch und auch numerisch zu handhaben, als eine polynomiale Kurve höherer Ordnung. Bei Kurven niedrigerer Ordnung ist dagegen auch

Gestaltungsfreiheit des Verlaufs der Kurve und damit die Variabilität der ihrer

Krümmungsradien über ihre Laufkoordinate s eingeschränkter, so dass dem Verlauf des Robotermanipulators in seiner aktuellen Pose weniger genau gefolgt werden kann.

Bevorzugt ist der Radius r(s) über die eindimensionale Laufkoordinate s konstant. Das Ermitteln des Abstands c erfolgt bevorzugt durch Diskretisierung der Kurve, das heißt, dass eine endliche Menge von Orten auf der analytisch definierten Kurve betrachtet wird. Anschließend wird insbesondere eine Menge von Abständen zwischen den Orten aus der endlichen Menge von Orten der aktuellen und/oder vorhergesagten Kurve und der unzulässige Position bestimmt. Aus der so ermittelten Menge von Abständen wird bevorzugt der kürzeste aller Abstände ermittelt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt statt des Auswählens des kürzesten aller Abstände noch zumindest ein weiterer Iterationsschritt, wobei die zwei Orte auf der Kurve mit den zwei kürzesten Abständen ausgewählt werden, und ein dritter Ort, der zwischen den zwei Orten auf der Kurve mit den zwei kürzesten Abständen liegt, ausgewählt wird, und daraufhin der Abstand cf zwischen diesem dritten Ort und der unzulässigen Position ermittelt wird. Aus den Abständen der zwei Orte auf der Kurve mit den zwei kürzesten Abständen und des dritten Orts wird dann insbesondere derjenige Ort mit dem kürzesten Abstand ausgewählt und als der einzige zu ermittelnde Abstand d definiert. Die Wahl des dritten Ortes und weiterer Orte auf der Kurve in weiteren Iterationsschritten wird insbesondere mit der Methode des Goldenen Schnitts ermittelt, oder anderen Methoden, wie sie aus bei beispielsweise nichtlinearen Optimierungsverfahren angewendeten Liniensuchverfahren bekannt sind.

Bevorzugt weist das Verfahren ferner den Schritt auf:

- Einleiten einer Sicherheitsreaktion des Robotermanipulators bei Unterschreiten des Abstands cf unter einen vorgegebenen Grenzwert. Die Sicherheitsreaktion kann sein: Ausgeben eines Warnsignals, Verfahren des Robotermanipulators in eine sichere Pose, Stoppen des Robotermanipulators, Unterbrechen einer Stromzufuhr für die Antriebe des Robotermanipulators, Änderung der geplanten Bahn des Robotermanipulators, oder Ähnliches.

Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass die numerisch aufwändige

Modellierung von an den Robotergliedern virtuell angeordneten künstlichen Volumina zur Modellierung von Ausmaßen eines jeweiligen Robotergliedes entfällt und stattdessen eine mathematisch recht einfach definierbare Kurve verwendet wird, wobei jeder Ort auf der Kurve über eine einzige Koordinate definiert ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin die Schritte auf:

- Definieren eines Radius r(s) um die Kurve, wobei der Radius r(s) einen einzuhaltenden Sicherheitsabstand zwischen der Kurve und der unzulässigen Position angibt, und - Prüfen, ob der Abstand cf zwischen dem Ort der aktuellen und/oder vorhergesagten Kurve und der unzulässige Position einen Radius r(s) unterschreitet.

Die Ausdruck r(s) definiert eine endliche oder auch unendliche Punktemenge, je nachdem welche Dichte von Werten von r(s) über die prinzipiell kontinuierlich verlaufende

Koordinate s definiert wird. Wird für r(s) eine analytische Funktion verwendet, ist daher abgesehen von Diskretisierungen und Quantisierungen, wie sie bei allen

Rechenmaschinen auftreten, für jeden Ort auf der kontinuierlichen Kurve mit Koordinate s ein jeweiliges r(s) definiert. Im einfachsten Fall wird ein r(s) = c definiert, das heißt, dass der Radius r(s) über alle Orte auf der Kurve einen einzigen, immer konstanten Wert c aufweist. Eine weitere Möglichkeit für eine simple analytische Funktion des Radius r(s) über die Koordinate s wäre r(s) = k ^* s+r ₀ , wobei r ₀ ein vordefinierter Startwert ist und k ^* s eine lineare Änderungskomponente von r(s) über die Laufkoordinate s angibt. Weitere lineare oder nichtlineare Abhängigkeiten sind möglich.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Kurve durch Interpolation aus einer endlichen Anzahl von vorgegebenen Orten auf dem Robotermanipulator als Stützstellen definiert.

Aus der Information der jeweiligen Position einer Stützstelle erzeugt ein

Interpolationsalgorithmus Orte der Kurve für Positionen zwischen den Stützstellen.

Bevorzugt wird eine Polynominterpolation angewendet. Hierbei wird vom Algorithmus ein jeweiliges Polynom gesucht, das durch die Stützstellen verläuft. Die Stützstellen werden bevorzugt mittels Positionssensoren, insbesondere an den Gelenken und/oder

Aktuatoren des Robotermanipulators angeordnete, ermittelt. Dabei kann die bekannte Geometrie von in sich unbeweglichen Teilen, wie starre Roboterglieder, als Information in die Positionsbestimmung der Stützstellen verwendet werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Kurve als Bezier-Kurve auf Basis einer endlichen Anzahl von vorgegebenen Orten auf dem Robotermanipulator als Stützstellen definiert.

Eine Bezier-Kurve zeichnet sich durch besonders leichte mathematische Handhabbarkeit aus. Zumindest werden ein erster Ort auf der Kurve als Anfangspunkt und ein zweiter Ort auf der Kurve als Endpunkt der Bezier-Kurve definiert. Weitere Orte der Kurve können als Stützstellen definiert werden, wobei die zunehmende Zahl von Stützstellen die mathematische Handhabbarkeit der Bezier-Kurve verschlechtert und die Komplexität und damit den Rechenaufwand erhöht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird aus einer jeweiligen

Orientierung des Robotermanipulators an dem jeweiligen vorgegebenen Ort eine jeweilige Tangente einer kubischen Bezier-Kurve ermittelt. Das Maß der Länge für die jeweilige Tangente wird dabei bevorzugt gemäß einer Länge eines jeweiligen

Rotbergliedes, das heißt verallgemeinert gemäß der Länge eines sich am jeweiligen Ort der Kurve, an dem die Tangente definiert wird, befindlichen Starrkörperabschnitts des Robotermanipulators definiert. Je länger der Starrkörperabschnitt des

Robotermanipulators, desto länger die Tangente im Stützpunkt, und daher desto geringer die Änderungsrate eines Krümmungsradius über die eindimensionale Laufkoordinate s im Bereich dieses Ortes.

Im Gegensatz zu einer quadratischen Bezierkurve weist eine kubische Bezier-Kurve zwei jeweils unabhängige Freiheitsgrade zur Tangentenbildung auf, je einer in einem

Anfangspunkt und einem Endpunkt der Bezier-Kurve. Vorteilhaft wird jedoch eine Bezier- Kurve höherer Ordnung verwendet, um mehrere Orte als lediglich den Anfangspunkt und einem Endpunkt der Bezier-Kurve über die Pose des Robotermanipulators zu definieren. Vorteilhaft werden hierzu weitere Stützstellen definiert, und die Kurve bevorzugt aus mehreren Abschnitten, wobei jeder Abschnitt für sich eine kubische Bezier-Kurve darstellt, zusammengesetzt. Die Orientierung des Robotermanipulators, die an gewissen Orten der Kurve für die Tangentialdefinition einer vollständigen oder abschnittsweise definierten Bezier-Kurve dient, wird insbesondere durch einen insbesondere vollständigen Satz von Lagewinkeln des betrachteten Abschnitts des Robotermanipulators gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem beschrieben.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Kurve aus einer endlichen Anzahl von gerade verlaufenden Strecken zusammengesetzt. Vorteilhaft liegen die Schnittpunkte zwischen zumindest manchen aus der endlichen Anzahl der Strecken auf einer kinematischen Achse eines jeweiligen Knickgelenks. Weiterhin vorteilhaft verlaufen zumindest manche aus der endlichen Anzahl von Strecken zumindest abschnittsweise entlang von Rotationsachsen eines jeweiligen Rotationsgelenks. Im Gegensatz zu einem Knickgelenk, welches ein Verkippen zweier Glieder zueinander ermöglicht, erlaubt ein Rotationsgelenk das Verdrehen zweier Glieder zueinander um eine Längsachse zumindest eines Gliedes. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Tangente einer

Polynomkurve bzw. einer Bezierkurve kongruent zu einer Rotationsachse eines

Rotationsgelenks zwischen zwei Gliedern des Robotermanipulators, alternativ bevorzugt ist eine Tangente einer Polynomkurve bzw. einer Bezierkurve kongruent zu einer Rotationsachse eines Rotationsgelenks zwischen zwei Gliedern des

Robotermanipulators.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform variiert der Radius r(s) über die eindimensionale Laufkoordinate s auf Basis zumindest einer der folgenden

Abhängigkeiten:

- Abhängigkeit von einer Zeit: r(s,t),

- Abhängigkeit vom örtlichen Durchmesser des Robotermanipulators: r(s),

- Abhängigkeit von einem Öffnungszustands eines Greifers an einem distalen Ende des Robotermanipulators: r(s),

- Abhängigkeit von einer aktuellen Bahngeschwindigkeit: r(v(s)),

- Abhängigkeit von einem Betriebsmodus und/oder einer Umgebung des

Robotermanipulators;

Die Abhängigkeit von der aktuellen Bahngeschwindigkeit, das heißt r(v(s)) wird insbesondere vorteilhaft zur Berücksichtigung eines verlängerten Bremswegs bei höheren Geschwindigkeiten des Robotermanipulators verwendet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die unzulässige Position an einem Ort auf dem Robotermanipulator angeordnet und wird bei einer Bewegung des Robotermanipulators mit bewegt.

Gemäß dieser Ausführungsform kann vorteilhaft eine Eigenkollision des

Robotermanipulators verhindert werden. Insbesondere liegt die unzulässige Position auf der Kurve selbst.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform verläuft die Kurve durch zumindest eine Drehachse eines Knickgelenks des Robotermanipulators. Dies bedeutet, dass die Kurve die insbesondere kinematische Drehachse des jeweiligen Knickgelenks an einem Punkt schneidet. Vorteilhaft schneidet die Kurve die Drehachse am Schnittpunkt in einem rechten Winkel. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Abstand cf ein kürzester Abstand zwischen der aktuellen und/oder vorhergesagten Kurve und der unzulässige Position.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung einer Bewegung eines Robotermanipulators. Die Vorrichtung weist hierbei eine Recheneinheit auf, die dazu ausgeführt ist, eine unzulässige Position für den Robotermanipulator zu definieren, eine entlang des Robotermanipulators verlaufende Kurve mit der

eindimensionalen Laufkoordinate s zu definieren, wobei zumindest eine Teilmenge aller Orte der Kurve mit der aktuellen Pose des Robotermanipulators mitbewegt wird, und einen Abstand d zwischen einem Ort einer aktuellen und/oder vorhergesagten Kurve und der unzulässige Position zu ermitteln.

Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen der vorgeschlagenen Vorrichtung ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren vorstehend gemachten Ausführungen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Überwachung einer Bewegung eines

Robotermanipulators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 2 ein Verfahren zum Überwachen einer Bewegung eines

Robotermanipulators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Die Fig. 1 und die Fig. 2 ergänzen sich hierbei gegenseitig. Insbesondere bei der Beschreibung der Fig. 2 kann daher zum besseren Verständnis die Fig. 1 zusätzlich herangezogen werden. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Überwachung einer Bewegung eines

Robotermanipulators 1 , aufweisend eine Recheneinheit 7, die dazu ausgeführt ist, eine unzulässige Position 3 für den Robotermanipulator 1 zu definieren, eine entlang des Robotermanipulators 1 verlaufende Kurve 5 mit der eindimensionalen Laufkoordinate s zu definieren, wobei zumindest eine Teilmenge aller Orte der Kurve 5 mit der aktuellen Pose des Robotermanipulators 1 mitbewegt wird, und einen Abstand cf zwischen einem Ort einer aktuellen und/oder vorhergesagten Kurve 5 und der unzulässige Position 3 zu ermitteln, wobei der Abstand c der kürzeste Abstand zwischen der aktuellen und/oder vorhergesagten Kurve 5 und der unzulässige Position 3 ist. Die Kurve 5 wird hierbei als Bezier-Kurve auf Basis einer endlichen Anzahl von vorgegebenen Orten auf dem

Robotermanipulator 1 als Stützstellen definiert. In der Fig. 1 ist eine kubische Bezier- Kurve als Kurve 5 mit fünf Stützstellen gezeigt, die jeweils auf der Drehachse einen Gelenks zwischen zwei Gliedern des Robotermanipulators 1 und an einem Basispunkt und an einem Punkt auf dem Endeffektor des Robotermanipulators liegen. In diesen Stützstellen werden auch die jeweiligen Tangenten der Bezier-Kurve definiert. Der Radius r(s) wird über die eindimensionale Laufkoordinate s auf Basis der Abhängigkeit von einer aktuellen Bahngeschwindigkeit: r(v(s)) definiert.

Fig. 2 zeigt ein Verfahren zum Überwachen einer Bewegung eines Robotermanipulators 1 , aufweisend die Schritte:

- Definieren S1 einer unzulässigen Position 3 für den Robotermanipulator 1 ,

- Definieren S2 einer entlang des Robotermanipulators 1 verlaufenden Kurve 5 mit der eindimensionalen Laufkoordinate s, wobei zumindest eine Teilmenge aller Orte der Kurve 5 mit der aktuellen Pose des Robotermanipulators 1 mitbewegt wird, und

- Ermitteln S3 eines Abstands d zwischen einem Ort einer aktuellen und/oder

vorhergesagten Kurve 5 und der unzulässige Position 3,

- Definieren S4 eines Radius r(s) um die Kurve 5, wobei der Radius r(s) einen

einzuhaltenden Sicherheitsabstand zwischen der Kurve 5 und der unzulässigen Position 3 angibt, und

- Prüfen S5, ob der Abstand cf zwischen dem Ort der aktuellen und/oder vorhergesagten Kurve 5 und der unzulässige Position 3 den Radius r(s) unterschreitet.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele

eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der

Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende

Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.

Bezugszeichenliste

1 Robotermanipulator

3 unzulässige Position

5 Kurve

7 Recheneinheit

10 Vorrichtung

51 Definieren

52 Definieren

53 Ermitteln

54 Definieren

S5 Prüfen