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Dokumentenidentifikation DE10137955B4 22.02.2007
Titel Verfahren zur Bewegungskommandierung eines Serviceroboters
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Köln, DE
Erfinder Albu-Schaeffer, Alin, Dipl.-Ing., 81241 München, DE;
Schreiber, Günter, Dipl.-Ing., 82110 Germering, DE;
Sporer, Norbert, Dipl.-Ing., 82407 Wielenbach, DE
Vertreter von Kirschbaum, A., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 82110 Germering
DE-Anmeldedatum 07.08.2001
DE-Aktenzeichen 10137955
Offenlegungstag 27.02.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse B25J 9/22(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur von einer Person ausgeführten Bewegungskommandierung eines auf einer mobilen Plattform aufgebauten Serviceroboters mit einem aus mehreren gelenkig verbundenen Gliedern bestehenden, vorzugsweise positionsregelbaren Roboter-Arm, der zur Erfassung von Drehmomenten und/oder Kräften und/oder Bewegungen eine Sensorik in Form von Sensoren für Drehmomente und/oder Kräfte und/oder Winkel- und/oder Positionsunterschiede aufweist.

Ein derartiges Verfahren ist aus DE-Z: "ROBOTER", September 1991, S. 22-24 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird der Roboter-Arm von einer Person an einer ausgewählten Stelle direkt angefasst und dadurch werden auf ihn Kräfte ausgeübt, die über die Roboterstruktur und die Gelenke zur Robotersteuerung übertragen und dabei von der Sensorik erfasst werden. Von den durch die Sensoren ermittelten Messwerten werden zur Korrektur diejenigen Komponenten abgezogen, die durch das Eigengewicht des Roboters verursacht werden und auf für den Roboter bekannten oder ermittelten kinematischen und dynamischen Parametern beruhen. Die so korrigierten Messwerte werden über kinematische Transformationen in Bewegungskommandos umgerechnet, wobei die Gewichtskräfte zur Korrektur abgezogen werden.

Aus "Proceedings of the 1998 IEEE/RSJ International Conference on intelligent Robots and Systems", 13-17 Oct. 1998, vol. 3, S. 1419-1424 ist bekannt, dass bei einem auf einer mobilen Plattform aufgebauten Roboter korrigierte Messwerte bzw. äußere Kräfte über kinematische Transformationen (Jacobi-Matrix) in auf die Plattform wirkende Kräfte und Momente umgerechnet werden, die als Bewegungskommandos zur Führung des Roboters interpretiert und an die mobile Plattform weitergeleitet bzw. von dieser ausgeführt werden. Hierbei handelt es sich somit um eine gekoppelte Bewegung zweier mobiler Roboter, die miteinander verbunden sind. Dabei folgt der eine Roboter der Bewegung des anderen, d.h. er passt sich der Bewegung des anderen an.

Einer der Schwerpunkte in der heutigen Roboterforschung ist die Entwicklung von Robotersystemen, die sich im Gegensatz zu den Industrie-Robotern in menschlicher Umgebung bewegen und Serviceaufgaben ausführen können. Ein Serviceroboter ist ein Roboter, der Dienstleistungen ausführt. Er ist ganz allgemein mit Manipulatoren oder Operatoren ausgestattet und in der Lage, sich selbst zu bewegen. Durch ein Navigationssystem kann er sich in seiner Umwelt orientieren. Eine eingebaute Sensorik unterstützt die Handhabung mit den Manipulatoren oder die Bearbeitung mit speziellen Einrichtungen und dient als Sicherheitssystem. Bekannte Einsatzmöglichkeiten für Serviceroboter sind Reinigungsarbeiten, die Durchführung von Transporten, die Kommissionierung von Waren oder auch Wartungstätigkeiten.

Es ist zu erwarten, dass bei der Unterstützung des Pflegepersonals in Krankenhäusern sowie bei Hilfsdiensten für ältere und/oder behinderte Personen bei den täglichen Arbeiten zukünftig mobile Serviceroboter eine mehr und mehr wichtige Rolle spielen werden. Sie werden vorwiegend in Innenräumen autonom Arbeiten verrichten, mit dem Menschen kooperieren und mit ihm kommunizieren. Somit gehören einfache Bedienung und zuverlässiges Arbeiten zu den wichtigsten Basisanforderungen.

Typische Aufgaben, bei denen Serviceroboter Einsatz finden können, sind Hol- und Bringdienste, einfache Arbeiten in der Pflege, die Bedienung und Bewegung von Geräten und Objekten, wie z.B. von Türen, Schubladen, medizinischen Proben und von Geräten zur Reinigung, Essensverteilung oder Unterhaltung, und die Überwachung und Kommunikation.

Die wichtigsten Komponenten eines mobilen Serviceroboters sind eine mobile Plattform mit einem Navigationssystem für bekannte bzw. unbekannte Umgebungen, ein Roboter-Arm und eventuell eine an der Spitze des Roboter-Armes angebrachte mehrfingrige und mehrgliedrige Hand zur geschickten Manipulation von Objekten.

Zur Steuerung der mobilen Serviceroboter werden derzeit als Eingabegeräte Joysticks, Kraft-Momenten-Sensoren oder Spracheingabeeinrichtungen benutzt. Ein Joystick kann typischerweise für die Steuerung von zwei Freiheitsgraden benutzt werden. Mobile Plattformen besitzen allerdings drei Freiheitsgrade, d.h. für die Kommandierung sind zwei Joysticks nötig. Eine solche Eingabeform mit zwei Joysticks ist aber wenig intuitiv und auch nicht ergonomisch.

Ein Kraft-Momenten-Sensor, der auf der mobilen Plattform angebracht ist und die von der bedienenden Person über einen Griff ausgeübten Kräfte und Drehmomente mißt und diese zu Bewegungskommandos umrechnet, stellt genauso wie ein Joystick einen zusätzlichen speziellen Sensor oder Eingabeapparat dar, der die Gesamtkosten und den Platzbedarf erhöht. Die Möglichkeit der Kommandierung mit Hilfe einer Spracheingabeeinrichtung stellt in manchen Fällen eine sehr effiziente Möglichkeit der Servicerobotersteuerung dar. Allerdings ist eine direkte Interaktion zwischen Mensch und Roboter immer dann schneller und effizienter, wenn der Roboter durch die bedienende Person auf einer bestimmten Bahn bewegt werden soll.

Bei den bisher bekannten Eingabemöglichkeiten zur Bedienung eines Serviceroboters ist nachteilig, dass sie zusätzliche spezielle Sensoren oder Eingabeeinrichtungen benötigen, welche die Gesamtkosten und den Platzbedarf steigern und/oder nicht intuitiv sind und von einem Laien oft nicht leicht zu bedienen sind, was z.B. für die Verwendung zweier Joysticks oder eines Joysticks in Kombination mit einem Potentiometer zutrifft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Bewegungskommandierung eines Serviceroboters zu schaffen, das ohne zusätzliche spezielle Sensoren oder Eingabegeräte auskommt und das auf Grund einfacher und intuitiver Eingabe- bzw. Interaktionsmöglichkeiten von einer ungeübten Person, also von einem Roboter-Laien problemlos ausführbar und deswegen für einen Einsatz in menschlicher Umgebung und hierbei insbesondere für einen Gebrauch im Pflegebereich von Personen geeignet ist.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.

Das Verfahren nach der Erfindung kann zur Bewegungskommandierung von Robotern benutzt werden, die als Minimalausstattung eine mobile Plattform und einen Roboter-Arm besitzen. Hierbei wird die im Roboter-Arm vorhandene Sensorik genutzt, so dass keine zusätzlichen externen Sensoren oder Eingabeeinrichtungen benötigt werden.

Zur Kommandierung der Bewegung faßt die bedienende Person den Roboter-Arm unmittelbar, in vorteilhafter Weise nahe der Armspitze an und führt den Serviceroboter auf eine ganz natürliche Weise, so wie man einen Menschen "an der Hand" führen würde.

In zweckmäßiger Weise werden die von der führenden Person ausgeübten Kräfte von in den Gelenken des positionsregelbaren Roboter-Armes bereits vorgesehenen Gelenk-Drehmoment-Sensoren erfaßt. Solche Gelenk-Drehmoment-Sensoren werden aus vielfachen Gründen eingesetzt, vor allem zum Erkennen von Kollisionen und Verklemmungen des Roboter-Armes, zur Schwingungsdämpfung des Armes, insbesondere wenn dieser sehr leicht und dadurch elastisch gebaut ist, sowie zur gezielten Einführung einer einstellbaren Nachgiebigkeit der Gelenke, die zu einer menschenähnlichen Bewegung führt.

Die von der führenden Person am Roboter-Arm ausgeführten Kräfte werden über die Roboterstruktur auf die Gelenke übertragen und hier von den Gelenk-Drehmoment-Sensoren erfaßt. Dabei kann sich der Roboter-Arm in einer nahezu beliebigen Position befinden. Die kinematischen Parameter, wie z.B. die Gliederlängen und die Anordnung der Gelenke sind bekannt, die dynamischen Parameter, wie z.B. die Gewichte, Schwerpunkte sowie die Massenträgheit der Glieder, sind entweder für den Roboter bekannt oder können ermittelt werden.

Beispielsweise können die Eigengewichts-Drehmomente bei unbekannten dynamischen Parametern aus einem Lernvorgang hervorgehen. Das Lernen kann auf einem bekannten physikalischen Modell mit unbekannten Parametern (Massen, Schwerpunkte, usw.) beruhen, oder auf einer modellfreien Struktur (beispielsweise neuronale Netze).

Dadurch kann aus dem Gesamtdrehmoment, das die Sensoren messen, diejenige Komponente abgezogen werden, die durch das Eigengewicht des Roboters verursacht wird. Somit werden die von der bedienenden Person ausgeübten Drehmomente ermittelt. Diese Gelenkdrehmomente werden wiederum über entsprechende kinematische Transformationen, beispielsweise mit Hilfe der sogenannten inversen transponierten Jacobi-Matrix, in auf die Plattform wirkende Kräfte und Momente umgerechnet. Diese Kräfte und Momente werden dann als Bewegungskommandos, z.B. als Geschwindigkeitsvorgabe, interpretiert und an die mobile Plattform weitergeleitet.

Beim Verfahren nach der Erfindung wird folglich die im Roboter-Arm vorhandene Sensorik benutzt, die z.B. aus Gelenk-Drehmoment-Sensoren, einem Kraft-Momenten-Sensor, Stromsensoren oder der Erfassung der Abweichung von der Sollposition bestehen kann. Dadurch werden keine zusätzlichen Eingabegeräte oder spezielle externe Sensoren zur Roboterkommandierung benötigt.

Der Roboter-Arm kann in verschiedenen Positionen konfiguriert sein. In jedem Fall werden die auf die Plattform einwirkenden Kräfte entsprechend umgerechnet. Somit kann die Roboterkonfiguration entsprechend einer weiteren Aufgabe gewählt werden, die beispielsweise das gleichzeitige Stützen der Person, das Halten von Gegenständen oder ähnliche Tätigkeiten betreffen kann.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren entstandene Eingabemöglichkeit ist im höchsten Grade intuitiv und natürlich; sie entspricht dem menschlichen Führen "an der Hand".

Darüber hinaus ergibt sich auf Grund des Verfahrens nach der Erfindung eine einheitliche Eingabemöglichkeit für Roboter-Arm und mobile Plattform.

Nachfolgend werden einzelne Szenarien angegeben, die unter Benutzung von Gelenk-Drehmoment-Sensoren möglich sind.

  • 1. Der Roboter-Arm wird nicht bewegt. Er ist ausgeschaltet oder wird über die Positionsregelung in einer festen Position gehalten. Die Eingabe erfolgt mit dem vorstehend im Zusammenhang mit den Gelenk-Drehmoment-Sensoren beschriebenen Verfahren.
  • 2. Der Roboter-Arm ist eingeschaltet und so programmiert, daß er eine vorgegebene Nachgiebigkeit aufweist. Die Bewegung wird nach dem gleichen Prinzip kommandiert, lediglich mit dem Unterschied, daß die bedienende Person durch das Nachgeben des Roboter-Armes eine zusätzliche Rückmeldung über die vorgegebene Geschwindigkeit erhält. Als Alternative kann hier anstelle des Drehmomentsignals der entstandene Positionsunterschied als Eingabegröße dienen, ähnlich wie bei einem Gaspedal in einem Kraftfahrzeug.
  • 3. Nicht nur die mobile Plattform, sondern auch der Roboter-Arm kann frei umkonfiguriert werden. In diesem Fall handelt es sich um ein redundantes Robotersystem, da in mehr Freiheitsgraden bewegt wird, als die Drehmoment-Sensoren erfassen können. Es werden zusätzliche Bedingungen eingeführt, welche die Verteilung des Bewegungskommandos auf die gesamten Freiheitsgrade des Robotersystems ermöglichen.

Das Verfahren nach der Erfindung kann in vorteilhafter Weise auch für Roboter-Arme eingesetzt werden, die nicht über Gelenk-Drehmoment-Sensoren in den Gelenken verfügen. Dazu bieten sich vor allem folgende Möglichkeiten:

  • 4. Der Roboter-Arm wird durch die Positionsregelung in einer festen Position gehalten, ähnlich wie vorher unter Punkt 1 angegeben wurde. Durch Einwirken der bedienenden Person wird sich der zur Einhaltung der Position notwendige Motorstrom verändern. Dieser Strom ist also auch ein Maß für das einwirkende Drehmoment. Eine Voraussetzung dafür besteht allerdings darin, daß die Getriebe in den Roboterarmgelenken rücktreibbar sind.
  • 5. Der Roboter-Arm ist auf Grund seiner Rücktreibbarkeit auch ohne Drehmoment-Sensor steifigkeitsgeregelt zu betreiben. Dann kann der Ansatz, der vorher unter Punkt 2 angegeben wurde, bei der Messung der Positionsabweichung eingesetzt werden.
  • 6. Häufig verfügen Roboter-Arme über keine Gelenk-Drehmoment-Sensoren, haben jedoch einen Kraft-Momenten-Sensor an der Spitze des Roboter-Armes oder an einer beliebigen anderen Stelle in der kinematischen Kette, z.B. in der Roboter-Arm-Basis. Das Verfahren nach der Erfindung kann in einem solchen Fall auch angewandt werden. Zur Berechnung der Kräfte, die auf die mobile Plattform wirken, werden ähnliche Transformationen benutzt wie bei der Benutzung von Gelenk-Drehmoment-Sensoren in den Gelenken.
  • 7. Soll die Plattform von einem Patienten bzw. von einer gebrechlichen Person geführt werden, dann kann der Roboter-Arm individuell konfiguriert werden, so daß er der führenden Person als optimale ergonomische Stütze dient.
  • 8. Das unter Punkt 7 vorstehend angegebene Szenario läßt sich so abändern, daß das Robotersystem eine Person führt, diese also z.B. zu einer ärztlichen Untersuchung hinbringt. Die geführte Person kann in zweckmäßiger Weise über den Roboter-Arm die gewünschte Fahrgeschwindigkeit der mobilen Plattform einstellen.

Die beigefügte Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel eines vorteilhaften Serviceroboters zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

Der dargestellte Serviceroboter enthält einen Leichtbauroboter-Arm 1, der speziell für mobile Anwendungen optimiert ist. Er zeichnet sich durch ein sehr gutes Verhältnis zwischen der Nutzlast und dem Eigengewicht, einen niedrigen Energieverbrauch sowie eine Vielzahl von integrierten Sensoren aus, die ihm die Arbeit in einer veränderlichen, unbekannten Umgebung erleichtern. Er ist in jedem seiner Gelenke mit Drehmomenten-Sensoren ausgestattet. Eine an der Spitze des Roboter-Armes 1 angebaute Komponente ist eine mehrfingrige Hand 2.

Der Roboter-Arm 1 ist auf einer mobilen, fahrzeugartigen Plattform 3 aufgebaut, die verschiedene Komponenten zur Abstützung und zum Betreiben des Roboter-Armes 1, aber auch die Antriebseinrichtungen für die Fahrbewegungen der Plattform 3 enthält. Darüber hinaus ist zur Orientierung des Serviceroboters in bekannten und/oder unbekannten Umgebungen auf der mobilen Plattform 3 auch ein Navigationssystem 4 und eine Einstelleinrichtung 5 für die Fahrgeschwindigkeit der mobilen Plattform 3 vorgesehen.


Anspruch[de]
Verfahren zur von einer Person ausgeführten Bewegungskommandierung eines auf einer mobilen Plattform aufgebauten Serviceroboters mit einem aus mehreren gelenkig verbundenen Gliedern bestehenden, vorzugsweise positionsregelbaren Roboter-Arm, der zur Erfassung von Drehmomenten und/oder Kräften und/oder Bewegungen eine Sensorik in Form von Sensoren für Drehmomente und/oder Kräfte und/oder Winkel- und/oder Positionsunterschiede aufweist, wobei der Roboter-Arm (1) zur Führung des Roboters von der Person an einer ausgewählten Stelle direkt angefasst und dadurch auf ihn Kräfte ausgeübt werden, die über die Roboterstruktur auf die Gelenke übertragen werden, wobei die von der führenden Person ausgeübten Gelenk-Drehmomente von in den Gelenken des vorzugsweise positionsregelbaren Roboter-Armes (1) vorgesehenen Gelenk-Drehmoment-Sensoren erfasst werden, von dem durch die Gelenk-Drehmoment-Sensoren gemessenen Gesamtdrehmoment zur Korrektur diejenigen Komponenten abgezogen werden, die durch das Eigengewicht des Roboters verursacht werden und auf den für den Roboter bekannten oder ermittelten kinematischen und dynamischen Parametern beruhen, und die so ermittelten, von der bedienenden Person ausgeübten Drehmomente über kinematische Transformationen, die sogenannte inverse transponierte Jakobi-Matrix, in auf die Plattform (3) wirkende Kräfte und Momente umgerechnet werden, die dann als Bewegungskommandos für die mobile Plattform zur Führung des Roboters interpretiert und von der mobilen Plattform ausgeführt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter-Arm (1) nicht bewegt wird, wobei er entweder ausgeschaltet oder über die Positionsregelung in einer festen Position gehalten wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter-Arm (1) eingeschaltet ist und so programmiert wird, dass er eine vorgegebene Nachgiebigkeit besitzt, dass die Eingabekommandierung mit einem Drehmomentsignal oder alternativ dazu mit einem Positionsunterschiedssignal in der angegebenen Weise vorgenommen wird, allerdings mit dem Unterschied, dass die bedienende Person durch das Nachgeben des Roboter-Armes eine zusätzliche Rückmeldung über die vorgegebene Geschwindigkeit erhält. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Plattform (3) und der Roboter-Arm (1) frei umkonfigurierbar sind, so dass es sich insgesamt um ein redundantes Robotersystem handelt, bei dem mehr Freiheitsgrade bewegt werden als durch die Drehmoment-Sensoren erfaßbar sind, und dass zusätzliche Bedingungen eingeführt werden, welche die Verteilung des Bewegungskommandos auf die gesamten Freiheitsgrade des Robotersystems ermöglichen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter-Arm durch die Positionsregelung in einer festen Position gehalten wird und dass die sich durch die Einwirkung der bedienenden Person auf den Roboter-Arm auftretende Änderung des zur Positionseinhaltung notwendigen Motorstroms gemessen wird, der ein Maß für das auf die Gelenke einwirkende Drehmoment ist, wobei vorausgesetzt wird, dass die Getriebe in den Gelenken rücktreibbar ausgebildet sind. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter-Arm auf Grund seiner Rücktreibbarkeit ohne Gelenk-Drehmoment-Sensor steifigkeitsgeregelt betrieben wird, dass die Eingabekommandierung mit einem Positionsunterschiedssignal in der angegebenen Weise vorgenommen wird und, dass die bedienende Person durch das Nachgeben des Roboter-Armes eine zusätzliche Rückmeldung über die vorgegebene Geschwindigkeit erhält. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Plattform (3) von einer Person auf Grund einer Maßnahme geführt werden kann, die darin besteht, dass der Roboter-Arm (1) individuell konfiguriert wird, so dass er der führenden Person als optimale ergonomische Stütze dient. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Plattform (3) eine Person auf Grund einer Maßnahme führen kann, die darin besteht, dass der Roboter-Arm (1) individuell konfiguriert wird, so dass er der führenden Person als optimale ergonomische Stütze dient. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Roboter-Arm (1) von der geführten Person die gewünschte Führgeschwindigkeit der mobilen Plattform (3) eingestellt werden kann. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung des Serviceroboters in bekannten und/oder unbekannten Umgebungen mittels eines auf der mobilen Plattform (3) angebrachten Navigationssystems (4) vorgenommen wird.






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