DE102019108241B3

DE102019108241B3 - Intuitive setting of force control for robot manipulators

Info

Publication number: DE102019108241B3
Application number: DE102019108241.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Spenninger; Felix Beuke; Annika Wollschläger
Original assignee: Franka Emika GmbH
Current assignee: Fr Administration De GmbH
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2039-03-30
Also published as: WO2020200802A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Robotersystem (1), aufweisend:
- einen Robotermanipulator (3),
- eine mit dem Robotermanipulator (3) verbundene Steuereinheit (5),
- eine mit der Steuereinheit (5) verbundene Eingabeeinrichtung (7), wobei die Eingabeeinrichtung (7) ein erstes Stellelement aufweist und eine Stellung des ersten Stellelements zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag durch einen Anwender einstellbar ist, wobei die Stellung des ersten Stellelements einer ersten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist, wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgeführt ist, eine Kraftregelung des Robotermanipulators (3) auszuführen und die der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung zu überführen, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite der Kraftregelung bestimmt.

The invention relates to a robot system (1), comprising:
- a robot manipulator (3),
- A control unit (5) connected to the robot manipulator (3),
- An input device (7) connected to the control unit (5), the input device (7) having a first adjusting element and a position of the first adjusting element between a lower stop and an upper stop being adjustable by a user, the position of the first adjusting element is assigned to a first variable between a predetermined lower barrier and a predetermined upper barrier, the control unit (5) being designed to perform force control of the robot manipulator (3) and the first variable assigned to the current position of the first actuating element via a predetermined mapping in to transfer a respective value of at least a first parameter of the force control, the respective value of the at least one first parameter of the force control determining a bandwidth of the force control.

Description

Die Erfindung betrifft ein Robotersystem, insbesondere zum Einstellen einer Bandbreite einer Kraftregelung eines Robotermanipulators des Robotersystems, sowie ein Verfahren zum Einstellen einer Bandbreite einer Kraftregelung eines Robotermanipulators.The invention relates to a robot system, in particular for setting a bandwidth of a force control of a robot manipulator of the robot system, and a method for setting a bandwidth of a force control of a robot manipulator.

Kraftregelungen für Roboter sind aus dem Stand der Technik bekannt.Force controls for robots are known from the prior art.

Die DE 10 2014 216 514 B3 betrifft hierzu ein Verfahren zum Programmieren eines Industrieroboters, welcher einen Manipulatorarm und eine den Manipulatorarm ansteuernde Steuervorrichtung aufweist, die ausgebildet ist, den Manipulatorarm gemäß eines in einem Programmiermodus editierbaren und in einem Ausführungsmodus ausführbaren Roboterprogramms zu bewegen, das wenigstens einen Programmbefehl enthält, dem wenigstens ein Steifigkeitsparameter zugeordnet ist, durch den die Steuervorrichtung während eines im Ausführungsmodus automatischen Ausführens des Roboterprogramms veranlasst wird, den Manipulatorarm dem wenigstens einen Steifigkeitsparameter entsprechend kraft- und/oder momentengeregelt automatisch anzusteuern.The DE 10 2014 216 514 B3 relates to a method for programming an industrial robot which has a manipulator arm and a control device which controls the manipulator arm and which is designed to move the manipulator arm in accordance with a robot program which is editable in a programming mode and executable in an execution mode and which contains at least one program command, the at least one Stiffness parameter is assigned, by means of which the control device, during an automatic execution of the robot program in the execution mode, is caused to automatically control the manipulator arm according to the at least one stiffness parameter in accordance with force and / or torque.

Die DE 10 2013 113 044 A1 betrifft außerdem eine elektrische Hand, welche aufweist: Einen Fingerabschnitt, der eine Anzahl Finger enthält, die dafür konfiguriert sind, dass sie sich zum Ergreifen eines Ziels öffnen und schließen; ein Stellglied, das den Fingerabschnitt betätigt; mindestens einen Kraftsensor, der sich in dem Fingerabschnitt befindet und eine Kraft erfasst, die in der Öffnungs- und Schließrichtung der Finger wirkt; einen Positionssensor, der die Größe einer Bewegung des Fingerabschnitts erfasst; eine Ansteuereinheit, die das Stellglied ansteuert; eine Positionsregeleinheit, die eine Positions-Rückführregelung abhängig von einem Positions-Erfassungswert aus dem Positionssensor vornimmt, wenn ein Greifbefehl ausgegeben wird, und einen Ansteuerbefehl an die Ansteuereinheit ausgibt, damit das Stellglied betätigt wird, wodurch der Fingerabschnitt hin zu einem vorbestimmten Positions-Zielwert bewegt wird; eine Kraftregeleinheit, die eine Kraft-Rückführregelung abhängig von einem Krafterfassungswert des Kraftsensors vornimmt und einen Ansteuerbefehl an die Ansteuereinheit ausgibt, damit das Stellglied betätigt wird, wodurch das Stellglied so angesteuert wird, dass der Krafterfassungswert mit einem vorbestimmten Kraftzielwert übereinstimmt; eine Berührungs-Feststelleinheit, die eine Berührung des Fingerabschnitts mit dem Ziel durch das Erfassen eines Zustands feststellt, in dem der Krafterfassungswert einen vorbestimmten Kraftberührungswert überschreitet; und eine Regelungs-Umschalteinheit, die den Ansteuerbefehl an die Ansteuereinheit von der Positionsregeleinheit auf die Kraftregeleinheit umschaltet, falls die Berührungs-Feststelleinheit feststellt, dass der Fingerabschnitt das Ziel berührt.The DE 10 2013 113 044 A1 also relates to an electric hand comprising: a finger portion containing a number of fingers configured to open and close to grip a target; an actuator that operates the finger portion; at least one force sensor which is located in the finger section and detects a force which acts in the opening and closing direction of the fingers; a position sensor that detects the amount of movement of the finger portion; a control unit that controls the actuator; a position control unit that performs position feedback control depending on a position detection value from the position sensor when a gripping command is issued, and outputs a drive command to the drive unit to actuate the actuator, whereby the finger portion moves toward a predetermined position target value becomes; a force control unit that performs a force feedback control depending on a force detection value of the force sensor and outputs a drive command to the drive unit to actuate the actuator, thereby driving the actuator so that the force detection value matches a predetermined force target value; a touch detection unit that detects touch of the finger portion with the target by detecting a state in which the force detection value exceeds a predetermined force touch value; and a control switching unit that switches the drive command to the drive unit from the position control unit to the force control unit if the touch detection unit determines that the finger portion touches the target.

Die DE 10 2012 205 279 A1 betrifft ein Verfahren zum Steuerung eines Roboters, der mindestens ein Drehmoment- und/oder kraftgeregeltes Gelenk aufweist, wobei das tatsächlich an dem Gelenk auftretende Drehmoment oder die tatsächlich an dem Gelenk auftretende Kraft gemessen und/oder bestimmt wird.The DE 10 2012 205 279 A1 relates to a method for controlling a robot which has at least one torque and / or force-controlled joint, the torque actually occurring at the joint or the force actually occurring at the joint being measured and / or determined.

Die DE 10 2010 012 598 A1 betrifft ferner eine Prozessmodulbibliothek zur Programmierung eines Manipulatorprozesses, insbesondere eines Montageprozesses, mit einer Mehrzahl von parametrierbaren Prozessmodulen („search()“, „peg_in_hole()“, „gear()“, „screw()“) zur Durchführung je eines, insbesondere für verschiedene Manipulatorprozesse gemeinsamen, Teilprozesses, wobei die Prozessmodule jeweils eine Mehrzahl von Basisbefehlen eines gemeinsamen Basisbefehlssatzes zur Durchführung einer, insbesondere atomaren oder molekularen, Basisoperation umfassen, wobei ein Prozessmodul mit einem weiteren Prozessmodul und/oder einem Basisbefehl, insbesondere mathematisch, verknüpfbar ist.The DE 10 2010 012 598 A1 also relates to a process module library for programming a manipulator process, in particular an assembly process, with a plurality of parameterizable process modules ("search ()", "peg_in_hole ()", "gear ()", "screw ()") for carrying out one, in particular common to different manipulator processes, partial process, the process modules each comprising a plurality of basic commands of a common basic command set for performing an, in particular atomic or molecular, basic operation, wherein a process module can be linked to a further process module and / or a basic command, in particular mathematically.

Die DE 103 42 471 B4 betrifft eine Regeleinrichtung für einen mehrachsigen Roboter, insbesondere für einen Lackierroboter einer Lackieranlage, mit mehreren achsenbezogenen Reglern zur Antriebsregelung jeweils einer Achse des Roboters, wobei mindestens zwei Regler unterschiedlicher Achsen achsenübergreifend miteinander gekoppelt sind, wobei die achsenübergreifende Kopplung zwischen den Reglern eine Regelabweichung eines der Regler betrifft, indem die Regelabweichung eines der Regler erfasst und auf einen oder mehrere andere achsenbezogene Regler zurückgekoppelt wird.The DE 103 42 471 B4 relates to a control device for a multi-axis robot, in particular for a painting robot of a painting system, with a plurality of axis-related controllers for drive control of one axis each of the robot, at least two controllers of different axes being coupled to one another across axes, the cross-axis coupling between the controllers being a control deviation of one of the controllers relates to the fact that the control deviation of one of the controllers is detected and fed back to one or more other axis-related controllers.

Die DE 30 38 436 A1 betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Positionierkreises für Manipulatoren und Vorrichtungen zur Ausführung von Arbeiten unter Kraftanwendung, bei welchem ein Führungswert für die räumliche Einstellung eines Arbeitsgerätes eingespeist wird und in dem für die räumliche Anordnung des Arbeitsgerätes eine Istwert-Rückspeisung und auch wenigstens ein unterlagerter Geschwindigkeitsregelreis vorgesehen sind, wobei ein einer Reaktionskraft am Arbeitsgerät entsprechendes Signal erzeugt und in den Führungswert am Positionsführungswert-Generator zur Erzeugung eines Sollwertes zurückgespeist wird und wobei das Signal bei der Rückspeisung umgeformt und dadurch dem Positionierkreis die Charakteristik einer überlagerten Federkonstante gegeben wird.The DE 30 38 436 A1 relates to a method for controlling a positioning circuit for manipulators and devices for performing work using force, in which a reference value for the spatial adjustment of a working device is fed in and in which an actual value feedback and also at least one subordinate speed control loop are provided for the spatial arrangement of the working device are, whereby a signal corresponding to a reaction force on the working device is generated and fed back into the reference value at the position reference value generator for generating a setpoint value, and wherein the signal is converted during the feedback, thereby giving the positioning circuit the characteristic of a superimposed spring constant.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Einstellen und das Konfigurieren einer Kraftregelung eines Robotermanipulators hinsichtlich seiner Bandbreite einfacher und sicherer zu gestalten.The object of the invention is to set and configure a force control To make robot manipulators simpler and safer in terms of their bandwidth.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The invention results from the features of the independent claims. Advantageous further developments and refinements are the subject of the dependent claims.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Robotersystem, aufweisend:

- einen Robotermanipulator,
- eine mit dem Robotermanipulator verbundene Steuereinheit,
- eine mit der Steuereinheit verbundene Eingabeeinrichtung,

wobei die Eingabeeinrichtung ein erstes Stellelement aufweist und eine Stellung des ersten Stellelements zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag durch einen Anwender einstellbar ist, wobei die Stellung des ersten Stellelements einer ersten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, eine Kraftregelung des Robotermanipulators auszuführen und die der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung zu überführen, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite der Kraftregelung bestimmt.A first aspect of the invention relates to a robot system, comprising:

- a robot manipulator,
a control unit connected to the robot manipulator,
an input device connected to the control unit,

wherein the input device has a first actuating element and a position of the first actuating element between a lower stop and an upper stop is adjustable by a user, the position of the first actuating element being assigned to a first variable between a predetermined lower barrier and a predetermined upper barrier, wherein the control unit is designed to carry out a force control of the robot manipulator and to convert the first variable assigned to the current position of the first actuating element into a respective value of at least one first parameter of the force control via a predetermined mapping, the respective value of the at least one first parameter of the force control determines a range of force control.

Der Robotermanipulator ist insbesondere eine durch elektrische Aktuatoren bewegbare kinematische Kette, bestehend aus einer Vielzahl von durch Gelenken miteinander verbundenen Gliedern. Bevorzugt ist am distalen Glied ein Endeffektor angeordnet. Eine Kraftregelung des Robotermanipulators bezieht sich insbesondere auf die Vorgabe einer gewünschten Kraft, die vom Robotermanipulator insbesondere mit seinem Endeffektor auf ein Objekt in der Umgebung des Robotermanipulators ausgeübt wird. Damit die gewünschte Kraft auch korrekt ausgeübt wird und um Störungen auszusteuern, ist vorteilhaft in der Kraftregelung eine Rückführschleife vorgesehen, wobei die Rückführschleife eine gemessene Kraft oder eine geschätzte Kraft insbesondere durch Subtraktion von der gewünschten Kraft in den Kanal des Eingangssignals der Aktuatoren des Robotermanipulators zurückführt. Aus der Regeldifferenz wird insbesondere ein Eingangssignal für die Aktuatoren des Robotermanipulators erzeugt, sodass der geschlossene Regelkreis dafür sorgt, dass vom Robotermanipulator die gewünschte Kraft auf das Objekt in der Umgebung des Robotermanipulators ausgeübt wird.The robot manipulator is in particular a kinematic chain that can be moved by electrical actuators and consists of a plurality of links that are connected to one another by joints. An end effector is preferably arranged on the distal member. Force control of the robot manipulator relates in particular to the specification of a desired force which is exerted by the robot manipulator, in particular with its end effector, on an object in the vicinity of the robot manipulator. So that the desired force is also correctly exerted and in order to control disturbances, a feedback loop is advantageously provided in the force control, the feedback loop returning a measured force or an estimated force, in particular by subtracting from the desired force, into the channel of the input signal of the actuators of the robot manipulator. The control difference in particular generates an input signal for the actuators of the robot manipulator, so that the closed control loop ensures that the desired force is exerted by the robot manipulator on the object in the vicinity of the robot manipulator.

Die Steuereinheit des Robotermanipulators ist insbesondere dazu ausgeführt, die Aktuatoren des Robotermanipulators gemäß einem vorgegebenen Steuerprogramm anzusteuern. In dem Steuerprogramm kann ein Verlauf der gewünschten Kraft wie oben erklärt abgespeichert sein. Die Steuereinheit ist dabei insbesondere ein Rechner, der entweder bevorzugt im Gehäuse des Robotermanipulators oder in einer Basis des Robotermanipulators angeordnet ist, oder lediglich per Datenleitung mit dem Robotermanipulator verbunden ist.The control unit of the robot manipulator is in particular designed to control the actuators of the robot manipulator according to a predetermined control program. A course of the desired force can be stored in the control program as explained above. The control unit is in particular a computer, which is preferably arranged in the housing of the robot manipulator or in a base of the robot manipulator, or is only connected to the robot manipulator via a data line.

Das Stellelement ist bevorzugt ein Schieberegler oder ein Drehregler, jeweils bevorzugt auf einem Bildschirm als Eingabeeinrichtung dargestellt, insbesondere bevorzugt auf einem berührempfindlichen Bildschirm, oder alternativ bevorzugt dazu jeweils als mechanische Ausführung ausgestaltet.The actuating element is preferably a slide controller or a rotary controller, in each case preferably shown on a screen as an input device, particularly preferably on a touch-sensitive screen, or alternatively preferably in each case in the form of a mechanical design.

Die Bandbreite der Kraftregelung wird insbesondere durch diejenige Frequenz bestimmt, bei der die Amplitudenverstärkung um 3dB abnimmt. Die Amplitudenverstärkung ist das Verhältnis aus der gewünschten Amplitude eines Signals und der tatsächlich sich einstellenden Amplitude des Ausgangssignals des geschlossenen Regelkreises. Diese Definition der Bandbreite bezieht sich insbesondere auf lineare Systeme. Bei linearen Systemen ist die Frequenz des Eingangssignals immer gleich der Frequenz des Ausgangssignals, jedoch tritt das Ausgangssignal mit einer bestimmten von der Frequenz des Eingangssignals abhängigen Amplitudenverstärkung und mit einem bestimmten von der Frequenz des Eingangssignals abhängigen Phasenverzug auf. Insbesondere Robotermanipulatoren können zumindest bereichsweise als lineare Systeme näherungsweise gut beschrieben werden, wodurch die oben genannte Definition der Bandbreite auch für diese Art von milden nichtlinearen Systemen angewendet werden kann. Alternative Definitionen von Bandbreiten bestehen, die sich insbesondere auch auf einen Phasenverzug beziehen oder die sich auf eine anderen Wert der Energieabnahme bezüglich der Amplitude des Ausgangssignals relativ zum Eingangssignal beziehen. Allen diesen Definitionen der Bandbreite einer Kraftregelung in der geschlossenen Kette für einen Robotermanipulator ist jedoch gemeinsam, dass die Bandbreite eine bestimmte Wahl im Kompromiss aus Leistung des Reglers und der Stabilität des Reglers wiedergibt. Dieser Kompromiss ist leicht daran erkennbar, wie schnell und mit welchen Zeitkonstanten ein Robotermanipulator auf ein Sprungsignal hin sich dem gewünschten Wert im Eingangssignal hin annähert. Die Antwort auf das Sprungsignal kann einen Überschwinger aufweisen, asymptotisch sich annähern, oder mit einer noch höheren Dämpfung als im asymptotischen Grenzfall verlaufen.The bandwidth of the force control is determined in particular by the frequency at which the amplitude gain decreases by 3dB. The amplitude gain is the ratio of the desired amplitude of a signal and the actual amplitude of the output signal of the closed control loop. This definition of bandwidth relates in particular to linear systems. In linear systems, the frequency of the input signal is always the same as the frequency of the output signal, but the output signal occurs with a certain amplitude gain which is dependent on the frequency of the input signal and with a certain phase delay which is dependent on the frequency of the input signal. Robot manipulators in particular can be described approximately well at least in some areas as linear systems, as a result of which the above-mentioned definition of the bandwidth can also be used for this type of mild nonlinear systems. There are alternative definitions of bandwidths which relate in particular to a phase delay or which relate to another value of the energy decrease with respect to the amplitude of the output signal relative to the input signal. Common to all these definitions of the bandwidth of a closed-loop force control for a robot manipulator is that the bandwidth reflects a certain choice in the compromise between the performance of the controller and the stability of the controller. This compromise can easily be recognized by how quickly and with what time constants a robot manipulator approaches a jump signal to the desired value in the input signal. The response to the jump signal can have an overshoot, approach asymptotically, or proceed with an even higher damping than in the asymptotic limit case.

Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass mittels der vorgegebenen Abbildung ein Zusammenhang und eine technische Transformation geschaffen wird, die zwischen einer linearen Skala des ersten Stellelements und einer Reglerbandbreite vermittelt. Dieser Zusammenhang erlaubt es vorteilhaft einem unerfahrenen Anwender, eine Kraftregelung eines Robotermanipulators sehr schnell und leicht so zu konfigurieren, wie es seiner intuitiven Wahrnehmung entspricht, da die Bandbreite einer Kraftregelung mit der Aggressivität und Geschwindigkeit einer Kraftregelung des Robotermanipulators vom Anwender assoziiert wird.It is an advantageous effect of the invention that a relationship and a technical transformation is created by means of the given mapping, which is between a linear scale of mediated first control element and a controller bandwidth. This relationship advantageously allows an inexperienced user to configure a force control of a robot manipulator very quickly and easily in accordance with his intuitive perception, since the bandwidth of a force control is associated with the aggressiveness and speed of a force control of the robot manipulator by the user.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kraftregelung ein Pl-Regler oder ein PID-Regler, wobei der zumindest eine erste Parameter eine P-, und/oder eine I-, und/oder eine D- Verstärkung in einem Vorwärtszweig und/oder in einer Rückführschleife und/oder ein Freiheitsgrad in einem Filter des Vorwärtszweigs oder der Rückführschleife ist. Der jeweilige Filter ist bevorzugt ein linearer Filter, das heißt, eine lineare Übertragungsfunktion, die insbesondere im Laplace-Bereich definiert wird und für die Implementierung diskretisiert wird. Bevorzugt ist der Filter ein Tiefpassfilter oder ein Bandpassfilter oder ein Lead-Lag Filter dessen Eigenfrequenzen und Dämpfungen durch den zumindest einen ersten Parameter der Kraftregelung parametriert werden können.According to an advantageous embodiment, the force control is a PI controller or a PID controller, the at least one first parameter being a P, and / or an I, and / or a D gain in a forward branch and / or in a feedback loop and / or is a degree of freedom in a filter of the forward branch or the feedback loop. The respective filter is preferably a linear filter, that is to say a linear transfer function which is defined in particular in the Laplace area and is discretized for the implementation. The filter is preferably a low-pass filter or a band-pass filter or a lead-lag filter whose natural frequencies and attenuations can be parameterized by the at least one first parameter of the force control.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, die vorgegebene Abbildung so zu ermitteln, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Stellung des ersten Stellelements und der Bandbreite der Kraftregelung besteht.According to a further advantageous embodiment, the control unit is designed to determine the predetermined mapping in such a way that there is a linear relationship between the position of the first actuating element and the bandwidth of the force control.

Je nach Art der Kraftregelung ist der Zusammenhang zwischen der Bandbreite des geschlossenen Regelkreises der Kraftregelung und der Stellung des ersten Stellelements durch bestimmte mathematische Zusammenhänge vorgegeben. In der Regel ist dieser Zusammenhang durch analytische Auflösung von Gleichungen ermittelbar, insbesondere bei nichtlinearen und adaptiven Regelungen kann ein iteratives Suchverfahren angewendet werden, um eine gewünschte Bandbreite in den zumindest einen ersten Parameter der Kraftregelung umzurechnen. Vorteilhaft stellt der lineare Zusammenhang eine sehr intuitive Verknüpfung zwischen der Stellung des ersten Stellelements und der Bandbreite der Kraftregelung sicher. Bevorzugt wird die Bandbreite der Kraftregelung in einer logarithmischen Skala wie in einem Bodediagramm ausgedrückt, sodass eine Verdoppelung der Stellung des ersten Stellelements zu einer Verdoppelung der Zehnerpotenzen der Frequenzen führt, beispielsweise von 10¹ Hz auf 10² Hz, wobei selbstverständlich die Größenbereiche der Einstellbarkeit der Stellung vorteilhaft in deutlich kleineren Bereichen sich bewegen.Depending on the type of force control, the relationship between the bandwidth of the closed control loop of the force control and the position of the first actuating element is predetermined by certain mathematical relationships. As a rule, this relationship can be determined by analytically resolving equations, in particular in the case of nonlinear and adaptive controls, an iterative search method can be used to convert a desired bandwidth into the at least one first parameter of the force control. The linear relationship advantageously ensures a very intuitive link between the position of the first actuating element and the bandwidth of the force control. The bandwidth of the force control is preferably expressed on a logarithmic scale as in a floor diagram, so that doubling the position of the first actuating element leads to a doubling of the powers of ten of the frequencies, for example from 10 ¹ Hz to 10 ² Hz, the size ranges of the adjustability of the Position move advantageously in much smaller areas.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, die vorgegebene Abbildung so zu ermitteln, dass in einer mittigen Stellung des ersten Stellelements die Kraftregelung einen asymptotischen Grenzfall für einen Überschwinger einer Sprungantwort des geschlossenen Regelkreises einhält. Der asymptotisch Grenzfall wird insbesondere durch eine solche Dämpfung bestimmt, die gerade noch zu keinem Überschwinger in der Impulsantwort des Ausgangssignals des geschlossenen Regelkreises führt. Es ist damit diejenige Auslegung der Regelung getroffen, die die schnellste Regelung ohne einen Überschwinger zu erzeugen ist. Vorteilhaft wird hierdurch ein Überschwinger in der Impulsantwort des geschlossenen Regelkreises der Kraftregelung vermieden, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn eine Begrenzung an einer Vorgabe einer gewünschten Kraft für den Robotermanipulator nicht kurzzeitig zu einer Überhöhung über diese Kraft in der ausgeübten Kraft des Robotermanipulators auf ein Objekt in der Umgebung des Robotermanipulators führt. Vorteilhaft wird so eine Überlastung von Gegenständen oder des Robotermanipulators selbst vermieden. Dies dient auch der Sicherheit des Betriebs des Robotermanipulators.According to a further advantageous embodiment, the control unit is designed to determine the predetermined mapping in such a way that, in a central position of the first actuating element, the force control complies with an asymptotic limit case for an overshoot of a step response of the closed control loop. The asymptotic limit is determined in particular by such damping, which just barely leads to no overshoot in the impulse response of the output signal of the closed control loop. This means that the control is interpreted as the fastest control that can be generated without an overshoot. This advantageously prevents an overshoot in the impulse response of the closed control loop of the force control, which is particularly advantageous if a limitation on a specification of a desired force for the robot manipulator does not briefly lead to an increase in this force in the force exerted by the robot manipulator on an object leads in the vicinity of the robot manipulator. In this way, overloading of objects or the robot manipulator itself is advantageously avoided. This also serves to ensure the safety of the operation of the robot manipulator.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, eine Bandbreite einer Rückführschleife der Kraftregelung gemäß dem Wert zumindest des ersten Parameters der Kraftregelung anzupassen und einen Vorwärtszweig an die angepasste Rückführschleife anzupassen. Vorteilhaft wird mit dieser Ausführungsform sichergestellt, dass die Bandbreite zunächst nur in der Rückführschleife der Kraftregelung eingestellt wird, die für die Stabilität der Kraftregelung verantwortlich ist. Durch die Vorgabe der unteren Schranke und durch die Vorgabe der oberen Schranke kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass im Bezug auf die untere Schranke ein agiles System durch den geschlossenen Regelkreis in der Kraftregelung erhalten wird; im Bezug auf die obere Schranke, dass ein vorgegebenes Stabilitätsmaß der Kraftregelung nicht verletzt wird.According to a further advantageous embodiment, the control unit is designed to adapt a bandwidth of a feedback loop of the force control according to the value of at least the first parameter of the force control and to adapt a forward branch to the adapted feedback loop. This embodiment advantageously ensures that the bandwidth is initially only set in the feedback loop of the force control, which is responsible for the stability of the force control. By specifying the lower barrier and by specifying the upper barrier, it can advantageously be ensured that an agile system with respect to the lower barrier is obtained by the closed control loop in the force control; in relation to the upper bound that a given stability measure of the force control is not violated.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, den Vorwärtszweig an die angepasste Rückführschleife so anzupassen, dass der geschlossene Regelkreis keinen Überschwinger aufweist und stationär genau ist. Die stationäre Genauigkeit und die Abwesenheit eines Überschwingers im Vorwärtszweig liefern vorteilhaft ein besonders gutes Übertragungsverhalten von Signalen von vorgegebenen Kräften und von den tatsächlichen vom Robotermanipulator auf ein Objekt der Umgebung ausgeübten Kräften.According to a further advantageous embodiment, the control unit is designed to adapt the forward branch to the adapted feedback loop in such a way that the closed control loop has no overshoot and is stationary with accuracy. The stationary accuracy and the absence of an overshoot in the forward branch advantageously provide a particularly good transmission behavior of signals of predetermined forces and of the actual forces exerted by the robot manipulator on an object in the environment.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, den Vorwärtszweig an die angepasste Rückführschleife durch Anpassung des relativen Grads einer Übertragungsfunktion im Vorwärtszweig anzupassen. Der relative Grad eine Übertragungsfunktion bezeichnet die Differenz aus Polen und Nullstellen der Übertragungsfunktion, wobei die Nullstellen einen phasenvorziehenden Effekt und die Pole einen integrierenden, phasennachziehenden Effekt haben. Der relative Grad stellt somit ein Maß dafür dar, welche Ordnung von dynamischen Systemen mit hundertprozentiger Genauigkeit ausgeregelt werden kann, sodass einer vorgegebene Trajektorie, die mit dieser Übertragungsfunktion multipliziert wird, von der Strecke, hier dem Robotermanipulator, auch gefolgt werden kann. Vorteilhaft wird mit einem variablen relativen Grad eine gewisse Trägheit und ein integrativer Charakter der vorgegebenen Signale für den geschlossenen Regelkreis an eine bestimmte Kategorie von dynamischen Systemen angepasst.According to a further advantageous embodiment, the control unit is designed to adapt the forward branch to the adapted feedback loop by adapting the relative degree Adapt transfer function in the forward branch. The relative degree of a transfer function denotes the difference between poles and zeros of the transfer function, the zeros having a phase-pulling effect and the poles having an integrating, phase-pulling effect. The relative degree thus represents a measure of which order can be corrected by dynamic systems with 100% accuracy, so that a given trajectory, which is multiplied by this transfer function, can also be followed by the route, here the robot manipulator. With a variable relative degree, a certain inertia and an integrative character of the given signals for the closed control loop are advantageously adapted to a certain category of dynamic systems.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, die der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung während der Laufzeit der Kraftregelung zu überführen, und die Kraftregelung des Robotermanipulators während der Laufzeit mit dem aktuellen Parameter der Kraftregelung auszuführen. Die Anpassung der Kraftregelung während der Laufzeit, das heißt dynamisch, weist den Vorteil auf, dass während der Laufzeit ohne Unterbrechungen von einem Anwender das Regelverhalten der Kraftregelung anpassbar ist und gemäß der aktuellen Situation nachjustiert werden kann.According to a further advantageous embodiment, the control unit is designed to convert the first variable assigned to the current position of the first actuating element into a respective value of at least one first parameter of the force control during the runtime of the force control, and the force control of the robot manipulator during the Run time with the current force control parameter. The adaptation of the force control during the running time, that is to say dynamically, has the advantage that the control behavior of the force control can be adjusted without interruptions by a user during the running time and can be readjusted according to the current situation.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Eingabeeinrichtung ein zweites Stellelement auf, und eine Stellung des zweiten Stellelements zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag ist durch einen Anwender einstellbar, wobei die Stellung des zweiten Stellelements einer zweiten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, eine Kraftregelung des Robotermanipulators auszuführen und die der aktuellen Stellung des zweiten Stellelements zugeordnete zweite Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines zweiten Parameters der Kraftregelung zu überführen, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite in einer Rückführschleife der Kraftregelung bestimmt und der jeweilige Wert des zumindest einen zweiten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite und/oder eine Ordnung oder Zeitkonstante eines Filters in einem Vorwärtszweig der Kraftregelung bestimmt. Vorteilhaft kann hierdurch das Verhalten der Kraftregelung genauer eingestellt werden.According to a further advantageous embodiment, the input device has a second adjusting element, and a position of the second adjusting element between a lower stop and an upper stop can be set by a user, the position of the second adjusting element of a second size between a predetermined lower barrier and a predetermined one Upper limit is assigned, the control unit being designed to carry out a force control of the robot manipulator and to convert the second variable assigned to the current position of the second actuating element into a respective value of at least one second parameter of the force control via a predetermined image, the respective value of the at least a first parameter of the force control determines a bandwidth in a feedback loop of the force control and the respective value of the at least one second parameter of the force control determines a bandwidth and / or an order or time onstante of a filter in a forward branch of the force control is determined. This advantageously allows the behavior of the force control to be set more precisely.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Bandbreite einer Kraftregelung eines Robotermanipulators, aufweisend die Schritte:

- Einstellen einer Stellung eines ersten Stellelements einer Eingabeeinrichtung einer Steuereinheit eines Robotermanipulators, wobei das erstes Stellelement zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag durch einen Anwender einstellbar ist, wobei die Stellung des ersten Stellelements einer ersten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist,
- Überführen der der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordneten ersten Größe in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite der Kraftregelung bestimmt,
- Ausführen einer Kraftregelung des Robotermanipulators durch die Steuereinheit.

Another aspect of the invention relates to a method for setting a bandwidth of a force control of a robot manipulator, comprising the steps:

- Setting a position of a first control element of an input device of a control unit of a robot manipulator, the first control element being adjustable between a lower stop and an upper stop by a user, the position of the first control element of a first size being between a predetermined lower limit and a predetermined upper limit Barrier is assigned,
Converting the first variable assigned to the current position of the first actuating element into a respective value of at least one first parameter of the force control, the respective value of the at least one first parameter of the force control determining a bandwidth of the force control,
- Execution of a force control of the robot manipulator by the control unit.

Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Robotersystem vorstehend gemachten Ausführungen.Advantages and preferred developments of the proposed method result from an analog and analogous transmission of the statements made above in connection with the proposed robot system.

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.Further advantages, features and details result from the following description, in which - if necessary with reference to the drawing - at least one exemplary embodiment is described in detail. Identical, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference symbols.

Es zeigen:

1 ein Robotersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Kraftregelung des Robotersystems gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1, und
3 ein Verfahren zum Einstellen einer Bandbreite einer Kraftregelung eines Robotermanipulators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Show it:

1 a robot system according to an embodiment of the invention,
2nd a force control of the robot system according to the embodiment of the 1 , and
3rd a method for setting a bandwidth of a force control of a robot manipulator according to another embodiment of the invention.

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.The representations in the figures are schematic and not to scale.

1 zeigt ein Robotersystem 1. Dieses weist einen Robotermanipulator 3 auf, der von einer Steuereinheit 5 angesteuert wird und mit einer Eingabeeinrichtung 7, einem tragbarem Computer, verbunden ist und von diesem Informationen über Eingaben an der Eingabeeinrichtung 7 erhält. Die Eingabeeinrichtung 7 weist ein als Schieberegler ausgeführtes erstes Stellelement auf. Eine Stellung des ersten Stellelements zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag ist durch einen Anwender per Maus oder durch Berühren des Bildschirms 7 verstellbar, wobei die Stellung des ersten Stellelements einer ersten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist. Die Steuereinheit 5 ist ferner dazu ausgeführt, eine Kraftregelung des Robotermanipulators 3 auszuführen und die der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe über eine vorgegebene Abbildung in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung zu überführen. Der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite der Kraftregelung bestimmt. Die Kraftregelung selbst ist genauer in 2 gezeigt. 1 shows a robot system 1 . This has a robot manipulator 3rd on that from a control unit 5 is controlled and with an input device 7 , a portable computer, and from this information about inputs to the input device 7 receives. The input device 7 has a first control element designed as a slider. A position of the first actuating element between a lower stop and an upper stop is by a user using the mouse or by touching the screen 7 adjustable, the position of the first actuating element being assigned to a first variable between a predetermined lower barrier and a predetermined upper barrier. The control unit 5 is also designed to control the force of the robot manipulator 3rd and to convert the first variable assigned to the current position of the first actuating element into a respective value of at least one first parameter of the force control via a predetermined image. The respective value of the at least one first parameter of the force control determines a bandwidth of the force control. The force control itself is more accurate in 2nd shown.

2 zeigt eine Kraftregelung für den Robotermanipulator 3 der 1. Die Kraftregelung ist ein PID-Regler mit zwei Freiheitsgraden, das heißt separaten Verstärkungsfaktoren in der Rückführschleife und im Vorwärtszweig, aber nicht im Integralglied. Hierbei bezeichnen ‚PL‘ die zu regelnde Strecke, den Robotermanipulator 3, ‚F‘ als diskretisierte Übertragungsfunktionen implementierte lineare Filter, ‚P‘ und ‚D‘ eine proportionale Verstärkung und eine differentielle Verstärkung in der Rückführschleife , ‚Pr‘ und ‚Dr‘ eine proportionale Verstärkung und eine differentielle Verstärkung des Vorwärtszweiges, und ‚I‘ die integrale Verstärkung. Der zumindest eine erste Parameter ist die ‚P‘-, und die I-, und die D- Verstärkung der Rückführschleife und der Freiheitsgrad in dem Filter ‚F‘. Die Steuereinheit 5 ist dazu ausgeführt, die vorgegebene Abbildung so zu ermitteln, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Stellung des ersten Stellelements und der Bandbreite der Kraftregelung besteht, sowie die Bandbreite der Rückführschleife der Kraftregelung gemäß dem Wert zumindest des ersten Parameters der Kraftregelung anzupassen und den Vorwärtszweig mit seinen Filtern ‚FR‘ und den Verstärkungen ‚Pr‘ und ‚Dr‘ an die angepasste Rückführschleife anzupassen, sodass letztendlich der geschlossene Regelkreis keinen Überschwinger aufweist und stationär genau ist. Sämtliche Anpassungen der Steuereinheit 5 erfolgen während der Laufzeit der Kraftregelung, sodass die Kraftregelung des Robotermanipulators 3 während der Laufzeit mit dem aktuellen Parameter der Kraftregelung ausgeführt wird. 2nd shows a force control for the robot manipulator 3rd of the 1 . Force control is a PID controller with two degrees of freedom, i.e. separate amplification factors in the feedback loop and in the forward branch, but not in the integral element. Here, 'PL' designate the route to be controlled, the robot manipulator 3rd , 'F' implemented as discretized transfer functions, linear filters, 'P' and 'D' a proportional gain and a differential gain in the feedback loop, 'Pr' and 'Dr' a proportional gain and a differential gain of the forward branch, and 'I' the integral reinforcement. The at least a first parameter is the 'P' and the I and the D gain of the feedback loop and the degree of freedom in the filter 'F'. The control unit 5 is designed to determine the given figure so that there is a linear relationship between the position of the first control element and the bandwidth of the force control, and to adapt the bandwidth of the feedback loop of the force control according to the value of at least the first parameter of the force control and the forward branch with its Filter 'FR' and the reinforcements 'Pr' and 'Dr' to adapt to the adapted feedback loop, so that ultimately the closed control loop has no overshoot and is stationary precisely. All adjustments to the control unit 5 take place during the duration of the force control, so that the force control of the robot manipulator 3rd is executed with the current force control parameter during runtime.

3 zeigt ein Verfahren zum Einstellen einer Bandbreite einer Kraftregelung eines Robotermanipulators 3, auf weisend die Schritte:

- Einstellen S1 einer Stellung eines ersten Stellelements einer Eingabeeinrichtung 7 einer Steuereinheit 5 eines Robotermanipulators 3, wobei das erstes Stellelement zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag durch einen Anwender einstellbar ist, wobei die Stellung des ersten Stellelements einer ersten Größe zwischen einer vorgegebenen unteren Schranke und einer vorgegebenen oberen Schranke zugeordnet ist,
- Überführen S2 der der aktuellen Stellung des ersten Stellelements zugeordnete erste Größe in einen jeweiligen Wert zumindest eines ersten Parameters der Kraftregelung, wobei der jeweilige Wert des zumindest einen ersten Parameters der Kraftregelung eine Bandbreite der Kraftregelung bestimmt,
- Ausführen S3 einer Kraftregelung des Robotermanipulators 3 durch die Steuereinheit 5.

3rd shows a method for setting a bandwidth of a force control of a robot manipulator 3rd , showing the steps:

- To adjust S1 a position of a first control element of an input device 7 a control unit 5 a robot manipulator 3rd , the first adjusting element being adjustable between a lower stop and an upper stop by a user, the position of the first adjusting element being associated with a first variable between a predetermined lower barrier and a predetermined upper barrier,
- convict S2 the first variable assigned to the current position of the first control element into a respective value of at least one first parameter of the force control, the respective value of the at least one first parameter of the force control determining a bandwidth of the force control
- To run S3 force control of the robot manipulator 3rd by the control unit 5 .

BezugszeichenlisteReference list

11: RobotersystemRobot system
33rd: RobotermanipulatorRobot manipulator
55: SteuereinheitControl unit
77: Eingabeeinrichtung Input device
S1S1: EinstellenTo adjust
S2S2: ÜberführenConvict
S3S3: AusführenTo run

Claims

Robot system (1), comprising: - a robot manipulator (3), - A control unit (5) connected to the robot manipulator (3), - An input device (7) connected to the control unit (5), the input device (7) having a first adjusting element and a position of the first adjusting element between a lower stop and an upper stop being adjustable by a user, the position of the first adjusting element is assigned to a first variable between a predefined lower bound and a predefined upper bound, The control unit (5) is designed to carry out a force control of the robot manipulator (3) and to convert the first variable assigned to the current position of the first actuating element into a respective value of at least one first parameter of the force control via a predetermined image, the respective value of the at least one first parameter of the force control determines a bandwidth of the force control.

Robot system (1) according to Claim 1 , wherein the force control is a PI controller or a PID controller, and wherein the at least one first parameter is a P, and / or an I, and / or a D gain in a forward branch and / or in a Feedback loop and / or a degree of freedom in a filter of the forward branch or the feedback loop.

Robot system (1) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (5) is designed to determine the predetermined mapping so that there is a linear relationship between the position of the first actuating element and the bandwidth of the force control.

Robot system (1) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (5) is designed to determine the predetermined mapping in such a way that in a central position of the first actuating element, the force control complies with an asymptotic limit case for an overshoot of a step response of the closed control loop.

Robot system (1) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (5) is designed to adapt a bandwidth of a feedback loop of the force control according to the value of at least the first parameter of the force control and to adapt a forward branch to the adapted feedback loop.

Robot system (1) according to Claim 5 , The control unit (5) being designed to adapt the forward branch to the adapted feedback loop in such a way that the closed control loop has no overshoot and is stationary with accuracy.

Robot system (1) according to one of the Claims 5 to 6 , wherein the control unit (5) is designed to adapt the forward branch to the adapted feedback loop by adapting the relative degree of a transfer function in the forward branch.

Robot system (1) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (5) is designed to supply the first variable associated with the current position of the first actuating element via a predetermined mapping into a respective value of at least one first parameter of the force control during the duration of the force control transfer and perform the force control of the robot manipulator (3) during the runtime with the current parameter of the force control.

Robot system (1) according to one of the preceding claims, wherein the input device (7) has a second actuating element and a position of the second actuating element between a lower stop and an upper stop is adjustable by a user, the position of the second actuating element being assigned to a second variable between a predetermined lower barrier and a predetermined upper barrier is The control unit (5) is designed to carry out a force control of the robot manipulator (3) and to convert the second variable assigned to the current position of the second actuating element into a respective value of at least one second parameter of the force control via a predetermined image, the respective value of the at least one first parameter of the force control determines a bandwidth in a feedback loop of the force control and the respective value of the at least one second parameter of the force control determines a bandwidth and / or an order or time constant of a filter in a forward branch of the force control.

Method for setting a bandwidth of a force control of a robot manipulator (3), comprising the steps: - Setting (S1) a position of a first control element of an input device (7) of a control unit (5) of a robot manipulator (3), the first control element being adjustable between a lower stop and an upper stop by a user, the position of the first control element is assigned to a first variable between a predefined lower bound and a predefined upper bound, Converting (S2) the first variable assigned to the current position of the first actuating element into a respective value of at least one first parameter of the force control, the respective value of the at least one first parameter of the force control determining a bandwidth of the force control, - Execution (S3) of a force control of the robot manipulator (3) by the control unit (5).