(57)【要約】  本発明は、マニピュレータ（３）を用いて対象物（２）を空間的に動作させるシステム（１）と方法に関するものであって、前記対象物（２）が少なくとも一時的にマニピュレータ（３）と動作結合されている。動作設定手段（５）が設けられ、この動作設定手段はオペレータによって少なくとも一時的に手動で空間内において自由に動作可能であり、かつ動作設定手段（５）は少なくとも一時的に、動作させるべき対象物（２）と実体的に結合するために設けられている。動作設定手段（５）は、結合状態においてオペレータの側からマニピュレータ（３）の制御装置（６、６'）へ動作コマンドを出力するために設けられている。動作設定手段（５）内には、動作設定手段（５）の少なくとも方位変化を検出するための慣性センサ（７）が内蔵されている。方位を求めるユニット（８、８'）は、空間内で動作設定手段（５）の変化する方位を連続的に求めるために用いられ、に動作コマンドの少なくとも１つを制御技術的に実施することが、少なくとも部分的に動作設定手段（５）の方位に依存している。
2019512785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニピュレータ（３）を用いて対象物（２）を空間的に動作させるシステム（１）であって、
前記対象物（２）が少なくとも一時的にマニピュレータ（３）と動作結合されており、
動作設定手段（５）を有し、該動作設定手段がオペレータによって少なくとも一時的に手動で自由に空間内において動作可能であって、かつ該動作設定手段（５）が少なくとも一時的に、動作させるべき対象物（２）と実体的に結合するために設けられ、結合状態において、前記動作設定手段（５）がオペレータの側からマニピュレータ（３）の制御装置（６、６'）へ動作コマンドを出力するために設けられ、
前記動作設定手段（５）の少なくとも方位変化を検出するために動作設定手段（５）内に慣性センサ（７）を有し、
空間内の前記動作設定手段（５）の変化する方位を連続的に求めるために、方位を求めるユニット（８、８'）を有し、
前記動作コマンドの少なくとも１つを制御技術的に実施することが、少なくとも部分的に前記動作設定手段（５）の方位に依存し、
更に、検出手段（９、９'）を有し、該検出手段は、前記動作設定手段（５）が空間内において手動で自由に動作する場合に、前記システム（１）を第１の駆動モードへ移行させ、かつ前記検出手段（９、９'）は、前記動作設定手段（５）の方位が前記対象物（２）との機械的接触又は結合によって定められた場合に、前記システム（１）を第２の駆動モードへ移行させる、システムにおいて、
第１の駆動モードにおいて、前記方位を求めるユニット（８、８'）が、前記動作設定手段（５）内の前記慣性センサ（７）の信号に基づいて前記動作設定手段（５）の変化する方位を計算し、
第２の駆動モードにおいて、前記方位を求めるユニット（８、８'）が、前記制御装置（６）によって駆動される前記マニピュレータ（３）の、又はそれに応じて動作される前記対象物（２）の、制御装置に知られている位置状態又は位置変化に関する前記制御装置（６）の側からの情報のみに基づいて、少なくとも定められた短い間隔の時点で、前記動作設定手段（５）の変化する方位を計算する、ことを特徴とするマニピュレータ（３）を用いて対象物を空間的に動作させるシステム。
【請求項２】
前記検出手段（９、９'）がセンサ（２０）を有し、前記対象物（２）が前記センサ（２０）によって検出されるマーキング又は目印を有し、前記検出手段（９、９'）が、前記センサ（２０）によってマーキング又は目印が検出されたことにより前記システム（１）を第２の駆動モードへ移行させるように形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
動作設定手段（５）に、オペレータによって操作可能なスイッチ要素（１２）が形成され、該スイッチ要素（１２）によって前記制御装置（６、６'）に、前記対象物（２）に対する前記動作設定手段（５）の結合が実施されたこと、及び前記マニピュレータ（３）を介して前記対象物（２）の動作を実施する準備ができたことを知らせることができる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記検出手段（９、９'）が、定められた観察期間の間慣性センサ（７）の信号を評価するように形成され、
前記検出手段（９、９'）は、これらの信号が前記動作設定手段（５）の加速に関して、かつ／又はこの加速から計算された、前記動作設定手段（５）の速度変化に関して、かつ／又は前記動作設定手段（５）の位置又は方位変化に関して、定められた観察期間の間に、定められた第１の限界値の下方かつ／又は定められた変動幅の下方に留まっている場合に、前記システム（１）を第２の駆動状態へ移行させるように整えられている、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記マニピュレータ（３）による前記対象物（２）の方位の動作に起因する変化が定められ、
前記マニピュレータ（３）の前記制御装置（６）が前記対象物（２）の方位に関する、又は方位の連続的な変化に関する情報を、前記方位を求めるユニット（８、８'）へ伝達し、又は前記方位を求めるユニット（８、８'）のために準備し、
前記方位を求めるユニット（８、８'）が、第２の駆動モードにおいて前記動作設定手段（５）の連続的に変化する方位を、前記マニピュレータ（３）の前記制御装置（６）によって伝達され、又は準備された情報に基づいて求めるように形成されている、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記検出手段（９、９'）は、前記検出手段（９、９'）は空間内で前記動作設定手段（５）が手動で自由に動作されることを検出した場合に、前記動作設定手段（５）が前記マニピュレータ（３）の前記制御装置（６）又は自立した安全制御（１３）へ、前記マニピュレータ（３）の動作の実施を阻止する第１の信号を伝達するように形成されている、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記対象物（２）の方位はそれぞれ前記マニピュレータ（３）がとった姿勢によって定められており、前記マニピュレータ（３）の前記制御装置（６）が前記対象物（２）の方位に関する情報又は方位の連続的な変化に関する情報を前記検出手段（９、９'）へ伝達し、
前記検出手段（９、９'）は、前記対象物（２）の動作に関するこれらの情報を慣性センサ（７）の側の動作情報と比較するように形成され、
前記検出手段（９、９'）は、更に、（ｉ）前記制御装置（６）の側の情報と（ｉｉ）前記動作設定手段（５）の側のセンサ情報との間の加速度又はそれから導き出される回転速度又は角度変化の変化が定められた第２の限界値を上回った場合に、前記システム（１）を第１の駆動状態へ移行させるように形成されている、ことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記検出手段（９、９'）は、（ｉ）前記対象物（２）の動作に関する制御側の情報と（ｉｉ）前記慣性センサ（７）に基づく動作情報との間の大きさの比較を、したがってそれぞれのパラメータ値の大きさに従って実施するように形成されている、ことを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記検出手段（９、９'）は、（ｉ）前記対象物（２）の動作に関する制御側の情報と（ｉｉ）前記慣性センサ（７）に基づく動作情報との間の比較を、動作情報の方向成分を考慮してベクトル的に実施するように形成されている、ことを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記方位を求めるユニット（８、８'）のためにアクセス可能な補正値を有するメモリユニット（２１、２１'）が設けられており、かつ前記方位を求めるユニット（８、８'）が、動作情報の計算の経過において前記慣性センサ（７）のセンサ値をこれらの補正値によって算術的に補正するように形成されている、ことを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記対象物（２）の方位が、前記マニピュレータ（３）のそれぞれとった姿勢によって定められ、かつ前記マニピュレータ（３）の前記制御装置（６）が前記対象物（２）の方位に関する情報又は方位の連続的な変化に関する情報を、前記方位を求めるユニット（８、８'）へ伝達し又はそれの準備し、
前記方位を求めるユニット（８、８'）が、前記対象物（２）の動作に関するこの情報を前記慣性センサ（７）の側の動作情報と比較するように形成され、
前記方位を求めるユニット（８、８'）が、前記慣性センサ（７）のセンサ値を算術的に補正するための補正値を次のように、すなわち前記マニピュレータ（３）の前記制御装置（６）からの情報による動作情報と、前記補正値によって補正されたセンサ値からなる動作情報との間の偏差を最小限に抑えるように形成されている、ことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
衝突認識手段が設けられ、又は前記検出手段（９、９'）が、前記慣性センサ（７）の信号を評価して、第３の限界値と比較するように形成され、
前記衝突認識手段又は前記検出手段（９、９'）が、前記第３の限界値を上回った場合に、前記マニピュレータ（３）の動作を阻止する阻止信号を該マニピュレータ（３）の前記制御装置（６）又は自立した安全制御（１３）へ伝達するように形成されている、ことを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
パルス認識手段が設けられ、又は前記検出手段（９、９'）が前記慣性センサ（７）の信号を評価して第４の限界値と比較するように整えられ、
前記パルス認識手段又は前記検出手段（９、９'）が、動作コマンドを前記マニピュレータの前記制御装置（６）へ出力するように形成され、前記動作コマンドによって、前記マニピュレータ（３）によって案内される前記対象物（２）の定められた加速の方向への所定の制限された動作が作動される、ことを特徴とする請求項１〜１２の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記動作設定手段（５）が、イネーブルスイッチの形式の少なくとも１つの入力手段（１４）を有し、該入力手段（１４）が、前記マニピュレータ（３）の動作の許可をオペレータが意識的に導入するために設けられ、
前記入力手段（１４）がその操作状態に従って、イネーブル信号を生成するように、かつ前記マニピュレータ（３）の前記制御装置（６）へ、又は安全制御（１３）へ伝達するように整えられている、ことを特徴とする請求項１〜１３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記動作設定手段（５）が、必要に応じて能動化及び非能動化可能な結合装置（１６）を有し、該結合装置（１６）が、前記対象物（２）に対する必要に応じて取り外し可能な結合を時々形成するため、前記対象物（２）と前記動作設定手段（５）との間で力とモーメントを伝達するために設けられている、ことを特徴とする請求項１〜１４の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記結合装置（１６）が、機械的な締めつけ又は差し込み結合及び／又は吸引カップ及び／又は磁気ホルダ及び／又は、前記対象物（２）に多数回、必要に応じて取り外し可能に貼り付けるための付着面又は接着面を有している、ことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記動作設定手段（５）が、前記マニピュレータ（３）の動作を作動させるためにオペレータによって操作可能又は調節可能な少なくとも１つの入力手段（１７）を有し、該入力手段（１７）に、前記動作設定手段（５）の固定された装置のローカル座標システム（ＫL）に関する動作方向が対応づけられ、前記システム（１）が次のように、すなわち、前記マニピュレータ（３）のワールド座標システム（ＫW）内の前記ローカル座標システム（ＫL）の方位に従って、該ローカルな座標システム（ＫL）に関するこの動作方向を前記マニピュレータ（３）の前記ワールド座標システム（ＫW）に関する等価の、又は方位の等しい動作方向に換算又は変換することを実施するように、整えられている、ことを特徴とする請求項１〜１６の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記動作設定手段（５）が入力部材（１８）を有し、該入力部材の操作によってオペレータの側から第１の駆動モードから第２の駆動モードへ、又は第２の駆動モードから第１の駆動モードへの変化を直接行わせることができるか、又は前記入力部材（１８）によって駆動モードの自動的な変化のためのあらかじめ定められた限界値が一時的に、この駆動モードの変化がより迅速に行われるように意図的に変化可能であり、又は
前記入力部材（１８）の操作が、駆動モードの自動的に促される変化を制御技術的に蓋然化するための付加的な情報として取り込まれる、ことを特徴とする請求項１〜１７の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記動作設定手段（５）が表示部材（１９）を有し、該表示部材（１９）が、オペレータにシステム（１）が第１の駆動モードにあるか、又は第２の駆動モードにあるかを知らせるように整えられている、ことを特徴とする請求項１〜１８の何れか一項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記動作設定手段（５）がワイヤレスで構築された通信接続（１０）、特に無線接続を介して前記マニピュレータ（３）の前記制御装置（６）とデータ技術的に結合可能である、ことを特徴とする請求項１〜１９の何れか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
電子的な制御装置（６、６’）によって制御されるマニピュレータ（３）、特に工業用ロボット、を用いて対象物（２）を空間的に動作させる方法であって、以下のステップを有する、すなわち、
ａ）動作させるべき対象物（２）を前記マニピュレータのエンドエフェクタ（４）と少なくとも一時的に動作結合するステップと、
ｂ）空間内でオペレータによって少なくとも一時的に手動で自由に動作可能な動作設定手段（５）を構造的にその中に統合されている慣性センサ（７）と共に基準方位へ動作させ、該基準方位が、前記マニピュレータ（３）のワールド座標システム（ＫW）に関してあらかじめ定められ、前記制御装置（６、６'）に知られており、又は前記基準方位が前記制御装置（６、６'）によって算術的に探知可能である、ステップと、
ｃ）基準方位に方向づけされた前記動作設定手段（５）の、該動作設定手段（５）に関するローカル座標システム（ＫL）と、前記マニピュレータ（３）の前記ワールド座標システム（ＫW）との間で方向ベクトルを変換するための第１の変換マトリクスを計算するステップと、
ｄ）オペレータによって前記動作設定手段（５）をその基準方位から始め、前記マニピュレータ（３）によって動作させるべき対象物（２）上のオペレータが望む任意の箇所へ動作させ、第１の変換マトリクスが前記慣性センサ（７）のセンサ信号を用いて前記動作設定手段（５）の方位の変化に応じて更新するステップと、
ｅ）オペレータによって前記動作設定手段（５）と動作させるべき対象物（２）との間に実体的な結合もしくは堅固な動作結合を形成するステップと、
ｆ）前記マニピュレータ（３）の前記制御装置（６、６'）によって第２の変換マトリクスを準備し、該第２の変換マトリクスが、結合時点で存在する前記マニピュレータ（３）の姿勢に従って、該マニピュレータ（３）の前記ワールド座標システム（ＫW）と、前記エンドエフェクタ（４）と堅固に結びついたエフェクタ座標（ＫE）との間で方向ベクトルの変換を可能にするステップと、
ｇ）第１と第２の変換マトリクスから第３の変換マトリクスを定め、前記第３の変換マトリクスが前記動作設定手段（５）の前記ローカル座標システム（ＫL）と、前記エンドエフェクタ（４）と堅固に結びついたエフェクタ座標（ＫE）との間で方向ベクトルの変換を可能にするステップと、
ｈ）オペレータによって前記動作設定手段（５）を、前記対象物（２）の意図的な動作方向に少なくとも部分的に相当する操作方向に連続的に操作し、前記操作設定手段（５）において連続的におこなわれるオペレータの取り扱い操作を介して方向情報を検出し、準備完了時点においてそれぞれ実際に存在する前記マニピュレータ（３）の姿勢に従って更新される第２の変換マトリクスを前記制御装置（６、６'）によって繰り返し準備し、前記方向情報を第２と第３の変換マトリクスを用いて前記マニピュレータ（３）の前記ワールド座標システム（ＫW）へ連続的に変換し、かつ、前記対象物（２）の動作方向が動作設定手段（５）においてオペレータによって導入された操作方向に少なくとも部分的に相当するように、前記マニピュレータ（３）の動作を前記制御装置（６）によって導入するステップと、を有する対象物を空間的に動作させる方法。
【請求項２２】
ステップｈ）において、前記制御装置（６、６'）によって準備され、更新される第２の変換マトリクスの準備時点の間に、
前記第２の変換マトリクス又は前記第２及び第３の変換マトリクスからなる全体は、時間的に先行する値の外挿に基づいて又は前記慣性センサ（７）の信号に基づいて更新が行われる、ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記対象物（２）の動作方向に少なくとも部分的に対応するオペレータが意図する操作方向に、前記動作設定手段（５）に対する引張り応力、圧縮応力、傾き応力又はねじり応力を与えることによって、オペレータの側から前記動作設定手段（５）を操作する、ことを特徴とする請求項２１又は２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータを用いて、特に工業用ロボットを用いて、対象物を空間的に動作させるシステム、及び対象物を空間的に動作させるために設けられている、電子制御装置によって制御されるマニピュレータを駆動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この発明は、特に、ロボット支援される、もしくはドライブ支援される組み立ての環境において適用することができる。大型で部分的に重い構成部品を動作させ、結合し、かつ組み立てるために電気的に制御されるリフト装置が使用されるところではどこでも、たとえば車両又は同種のものを部分的に自動化して製造する場合に、本発明に係るシステムと方法は、効果的に適用することができる。
【０００３】
工業用ロボットは、車両のシリーズ生産の領域内では多様な加工及び組み立てプロセスを自動的に、すなわち人がさらに関与することなく、実施することができるが、仕上げの領域内及びより大きな構成部品を組み合わせる場合には、正確な位置決め、もしくは正確な結合及び許容誤差と可撓性の考慮が重要となる場合もある。特にシステムに起因して誤差が散発的に発生する場合に、全自動システムは急速にその限界に達する。特に、人によるプロセスの正確な視覚的コントロールと操縦もしくは調節が重要となる組み立てプロセスもしくは結合プロセスが存在する。そのためにはオペレータが結合すべき構成部品を複数の次元において自由に動作できることが必要であるが、その場合に構成部品の重量は人間工学的な理由から大部分技術的補助手段によって担い、もしくは動作させなければならないので、組み立て工は構成部品を比較的少ない力の使用で取り扱うことができる。これまでこの目的のために、時には昇降装置が使用されており、その昇降装置は構成部品の重量により主としてあるいは完全に垂直の力成分しか補償することができず、他のすべての次元における運動は、組み立て工の力のみによって行われている。また、他のすべての次元において工作物を動作させるために工作物の駆動支援された取り扱いを可能にする操作装置、特にクレーン設備も存在する。
【０００４】
構成部品自体、たとえば風防ガラス、車両シート、エンジンなどは、しばしば特殊な保持装置によって収容され、その保持装置はブーム又はロボットアームに固定されており、もしくはそれと結合可能である。ロボットアームの場合には、たとえば保持装置のあらかじめ定められた箇所に直接様々な操作部材が配置されており、それらによって保持装置の走行方向をオペレータが設定することができる。
【０００５】
既知の形態によれば、特許文献１に記載されているように、電子的な動作設定手段を、たとえばグリップの形式で、設けることもできる。その場合にこのグリップは、必要に応じて取り外すことのできる固定手段を用いて、それぞれの状況においてオペレータにとって快適な位置において工作物に取り付けることができる。このようなグリップは、通常多次元で作用する操作部材もしくは多次元で検出する力／モーメントセンサを有しており、それをオペレータが走行コマンドを出力するために、それぞれ所望の走行方向又は回転方向の方向に操作する。グリップは、工作物に関し、かつロボットアームのワールド座標システムに関して、種々の位置に、かつ種々の方向づけで取り付けることができるので、少なくとも、ロボットのワールド座標システムに対するグリップの方位はわかっていなければならず、それによって、少なくとも動作設定手段のローカルな座標システムに関して検出される操作部材の操作方向を、ワールド座標システムに関するしかるべき方向へ変換することができる。構成部品におけるグリップの方位を検出する目的のために、特許文献１は、重力センサ又は加速度センサの使用を開示している。
【０００６】
特許文献１に記載された先行して知られている形態においては、空間内のグリップの位置と方位は加速度センサを介して直接求めることはできず、既知の基準位置に基づいて探知するしかないことが、考慮されずに残されている。さらに、グリップのそれぞれの時点において存在する位置と方位は、時間的に離散して準備されるセンサ信号の連続的な積分によって求められなければならず、その場合にセンサ信号は、運動の実施によってそれぞれ変化する。さらに、この種のセンサ信号にはエラー、特に偶然のエラー又はシステマティックなエラーが付随しており、それらは時間の経過において積分によって加算され、かつ徐々に、計算された位置及び方位と実際のそれらとの間にだんだんと大きくなる偏差をもたらす。したがって特許文献１に記載された装置においては、規則的な間隔で、もしくは予測できないように変化するタイムスパンにおいて、装置の新規較正が必要となる。その場合に空間内のグリップの実際に存在する位置は、既知の基準位置を占めて確認することによって求められなければならない。このような新規較正のための時間間隔は、方位を求めることに限定し、空間内の位置の決定を度外視する限りにおいて、通常の、もしくは経済的に好ましい加速度センサに関して、今日では数分の規模にある。
【０００７】
この規則的な新規較正もしくは再較正は、サイクリックな製造プロセスにおいては時として製造サイクルに組み込むことはできるが、それはオペレータ側の付加的な、望ましくない操作となる。特に規則的又は不規則な時間間隔で必要となるこれらの再較正は、操作もしくは作業シーケンスを損ない、付加的な製造時間を生じさせることがあり得る。さらに、多くの製造サイクルが長くなり、それによってその間にも再較正が必要となることが起こり得る。
【０００８】
特許文献２には、同様に、工作物に取り外し可能に固定するためのグリップが開示されており、そのグリップはロボットに動作コマンドを出力するために設けられており、その場合にグリップの方位は同様に加速度センサによって求められ、かつグリップの方位に従って動作コマンドがロボット運動を調節する。再較正のプロセスは、ここでは、グリップが大体において工作物を介在させてロボットに結合された後に、ロボットのあらかじめ定められた、もしくは既知のテスト運動によって行われる。ロボットのこの短いテスト運動の間に、グリップ内の加速度センサが応答する。その場合にグリップ内の加速度センサによって検出されたロボットのテスト運動を介して、ロボットのワールド座標システムに関する運動設定手段の実際の方位が帰納的に推定される。それに続くグリップの位置変化は、グリップに内蔵されている加速度センサによって追従されて、算術的に求められる。その場合にセンサエラーによって、グリップのセンサ及び計算器によって求められた方位の時間的ドリフトに内在する問題は、残ったままである。さらに、たとえば比較的長い停止時間の後、あるいは長く続く、もしくは高ダイナミックな運動サイクルの後に、新たな較正が実施される。システム全体を再較正するためのこの種のテスト運動の実施がすべての場合において、もしくはすべての種類の工作物において可能ではなく、特にコンポーネントがきわめて大きい場合、あるいはスペース状況がきわめて狭い場合に、可能ではないことを別にして、これらのテスト運動は所定の時間消費を必要とし、その時間消費が望ましくないことにシリーズ製造におけるサイクル時間を延長してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００９０１２２１９（Ａ）号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２０１４００４９１９（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、従来技術の欠点を克服し、ユーザーがマニピュレータの、特に工業用ロボットの、簡単かつできるだけ直観的な操作を行うことができるように、改良された装置と改良された方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、請求項に記載された装置と方法によって解決される。
【００１２】
本発明に基づいて構築された技術システムは、マニピュレータを用いて対象物を空間的に動作させるために用いられる。この種の対象物は、特に組み立てるべき構成部品又は工作物である。その場合に対象物は、少なくとも一時的にマニピュレータと、たとえば工業用ロボットと、動作結合されている。このようなシステムは、さらに、動作設定手段を有しており、その動作設定手段はオペレータによって少なくとも時々空間内において手動で自由に動作可能であって、その動作設定手段は少なくとも時々、動作するべき対象物と実体的もしくは機械的に結合するために設けられている。動作設定手段は、その対象物に対するアクティブな結合状態において、マニピュレータの制御装置に関してオペレータの側から動作コマンドを出力するために設けられている。動作設定手段内の慣性センサは少なくとも、３次元の空間に関して動作設定手段の方位変化を検出するために用いられ、かつ方位を求めるユニットは、空間内の動作設定手段の変化する方位を連続的に求めるために設けられている。その場合に動作コマンドの少なくとも１つを制御技術的に実施もしくは変換することは、動作設定手段の時間及び動作に従って変化する方位に少なくとも部分的に依存している。さらに、電子的な評価もしくは検出手段が設けられており、その手段は、動作設定手段が空間内において手で自由に動作する場合に、システムを第１の駆動モードへ移行させ、かつその検出手段は、動作設定手段の方位が対象物との機械的な接触もしくは結合によって定められており、もしくはそれによって決定される場合に、システムを第２の駆動モードへ移行させる。
【００１３】
その場合に第１の駆動モードにおいて、方位を求めるユニットが動作設定手段内の慣性センサの信号に基づいて、動作設定手段の変化する方位を計算する。それに対してシステムの第２の駆動モードにおいては、方位を求めるユニットは、動作されるマニピュレータもしくはそれと共に動作される対象物の、制御装置に知られている回転的な位置状態に関する、制御装置の側の情報又は仮定に直接基づいて、定められた制限された時間間隔内で動作設定手段の変化する方位を計算する。したがって第２の駆動モードにおいて、マニピュレータのための動作コマンドを計算するため（その動作コマンドは動作設定手段の方位に基づいて構築され、もしくはそれに依存しており）、かつ、マニピュレータの制御装置の側のデータもしくは情報のみを用いて少なくとも所定の時間間隔でマニピュレータの駆動装置を最終的に駆動するために、動作設定手段の時間的に変化する方位が突き止められる。少なくともこれらの時間間隔において方位の決定は、増分する小さい方位変化の連続的な合計に基づかずに、もしくは回転速度又は加速度の積分に基づかずに、行われる。場合によっては制御シーケンス内に実装される蓋然化措置もしくはコントロール措置のために、第２の駆動モードにおいて、−以下で説明するような実際的な展開によれば−慣性センサの信号の付加的な評価を行うことができる。さらに、上述した時間間隔の間で、制御によって回転位置状態に関する実際の情報が準備されない任意の他の時点のために、方位が過去の値から補外され、かつ／又は慣性センサの情報に基づいて計算器により評価され、もしくは求められる。
【００１４】
第２の駆動モードにおいて方位を求めることは、動作されるマニピュレータの回転位置情報のみ基づいて、少なくとも周期的な間隔で動作設定手段の変化する方位を求めることである。それにもかかわらず、それには、これらの更新インターバルの間で方位が補外によって、かつ／又はより細かい時間的ラスター内で慣性センサの信号に支援されて、すなわちより高い時間的分解をもって、計算される可能性が含まれている。
【００１５】
その場合に、この説明において使用される駆動モードの「切り替え」もしくは「変化」は、プログラムジャンプに対する、もしくはソフトウェア技術的な実装に対するシノニムと考えるべきである。「駆動モード」という表現も、記載される技術的システムの機能モードもしくは機能挙動に対するシノニムを表す。
【００１６】
本発明に係る解決における重要な措置は、加速度センサもしくは慣性センサを取り入れて位置を求め、もしくは方位を求めることが、通常比較的短いタイムスパンの間だけ行われることにあり、そのタイムスパンにおいてオペレータによって動作設定手段が空間内において実際に手動で自由に動作され、したがってたとえば既知の位置と方向づけを有する基準位置から、それぞれ工作物もしくは対象物上の工作物の案内にとって好ましい位置へ動作される。続くタイムスパンにおいて（その場合に動作設定手段の位置がそれぞれの対象物によって支持され、もしくは決定され、その動作状態を介して他のやり方で情報が提供可能である）、この対象物の回転位置状態に関する制御側の情報に基づいて直接、動作設定手段の連続的に変化する方位のさらなる決定が行われる。
【００１７】
その場合に好ましい実施形態によれば、オペレータによって動作設定手段が動作させるべき対象物上に取り付けられた後に、その動作設定手段がたとえば静止するように置かれ、あるは静止して位置決めされている場合に、動作設定手段の最後に求められた方位がほぼ凍結され、あるいは記憶されることも、可能である。その代わりに、あるいはそれと組み合わせて、動作設定手段の空間的に自由な動作のこの最終状態をオペレータの特殊な取り扱いもしくは操作によって、たとえばキーの操作によって、信号化することもできる。ロボットによって動作させるべき対象物もしくは工作物に動作設定手段が結合された時点から、この対象物もしくは工作物及びその上に固定されている動作設定手段の以降の動作が、軸角度センサを介し、もしくは操作距離センサとロボットの幾何学配置を介して認識され、もしくは制御装置によって求めることができる。特に制御装置は、ある程度「固有の」情報もしくはデータを用いて、動作設定手段の方位の連続的な変化を求めることができ、もしくは変化する方位情報を空間に関して動作設定手段を介して連続的に更新することができる。
【００１８】
その場合に、対象物と結合された動作設定手段の方位が少なくとも、たとえば０．５秒の比較的短い時間間隔で、マニピュレータの回転位置情報から直接計算され、かつこれらの時点の間で方位がこのように求められた直近の方位情報から出発して補外を介して、あるいは慣性センサの信号を用いて増分的に計算されれば、すでに充分である。これらの短い時間間隔内で生じるエラーは、考察される適用場合については無視することができ、かつ、マニピュレータの回転情報上で直接求められる方位についての次の値によって、それぞれ再び除去され、それによってこの段階におけるドリフトエラーの成長が排除されている。マニピュレータ姿勢からの単独の決定を有する複数の時点の間で変化する方位をこのように計算で補外し、あるいはセンサ案内されて増分的に定めることは、マニピュレータ制御の側の位置情報が、オペレータの動作設定もしくは入力を変換してマニピュレータ制御へ伝達するために必要とされるような速度又は頻度あるいは時間的ラスターで準備できない場合に、効果的である。
【００１９】
それによって加速度センサもしくは慣性センサのエラーによるドリフトは、動作設定手段が実際に空間内において手動で自由に動作される、通常短い時間内でしか生じない。したがってシステムの再較正が必要となるインターバルを著しく延長することができる。特に、動作設定手段が対象物と結合されたままとなる、比較的長く続く結合プロセス又は組み立てプロセスの間は、いずれにせよ再較正は必要とならない。
【００２０】
対象物もしくはマニピュレータの動作状態に関する制御装置の情報もしくはデータを利用することにより、かつ動作設定手段のそれぞれ実際の方位について計算された情報を含めて慣性センサによって検出された測定値と比較することによって、好ましい措置によれば、動作設定手段が対象物と結合されているか、かつ／又は慣性センサのデータを用いて計算された動作設定手段の方位が実際の、もしくは制御側で計算された方向づけと、特に内部の制御データを用いて求められた動作設定手段の方向づけと充分正確に一致しているかを、検査することもできる。センサにより求められた方位がドリフトもしくはセンサエラーに基づいて、データ技術的に求められた対象物動作の方向ともはや一致しない場合、あるいはマニピュレータ動作の間にうっかりして動作設定手段が対象物から外れた場合に、これは、制御側に知られている対象物動作と測定された動作との間の重大な偏差として認識することができる。それに続いて意図されない、もしくはコントロールできないマニピュレータ動作の危険を回避するために、進行している動作を即座に停止させることができ、もしくはシステムが新たに較正された後に初めて新たな動作を再び可能にすることができる。
【００２１】
慣性センサを使用することの利点は、基準位置がわかるまで、もしくはあらかじめ定められるまでは、位置信号のための送信又は受信装置のような、特別な外部の装置及びローカル又はグローバルな位置決定システムが必要とされないことにある。これは、複雑なハードウェア及び煩雑なシステム導入を省くことができるので、本発明に係るシステムをできる限りコストをかけずに準備することを、支援する。さらにいまでは、該当する使用のために必要とされる慣性センサは充分に正確であり、値頃のコンパクトで信頼できる大量生産品となっている。本発明に係るシステムのために効果的に使用される、特に半導体ベースの、もしくはＭＥＭＳ（micro-electro-mechanical Systems）の慣性センサは、さらに、工業的環境においてしばしば発生するような電磁的なノイズ場によって損なわれることはない。その限りにおいて、良好なノイズ安全性も得ることができる。
【００２２】
好ましい形態によれば、システム内に実装された検出手段はセンサを有することができ、動作させるべき対象物がそのセンサによって検出可能なマーキング又は目印を有することができ、その場合に検出手段は、センサによるマーキングの検出により動作設定手段を第２の駆動モードへ移行させるように、形成されている。それによってシステムのそれぞれの駆動モードの間で特に信頼できる、もしくは明確に導入可能な交代を行うことができる。これは特に、所定の対象物に対する動作設定手段の実体的対応づけを確実に検出する、１つの解決変形例である。その場合にこの対象物の空間的位置もしくは方位は、マニピュレータの制御装置には知られており、もしくはマニピュレータの制御装置によって求めることができる。それによってまた、動作設定手段の方位をさらに求めることに関して、駆動モードの間で切り替えるための比較的疑いのない判断基準の他に、動作設定手段が対象物のはっきりと設けられた、マーキングされている箇所に取り付けられている場合にのみ、マニピュレータの動作が許可され、もしくは可能となることを、保証することもできる。
【００２３】
不用意な、もしくはオペレータを驚かせるようなマニピュレータの動作が行われることを防止するために、さらに、動作設定手段にオペレータによって操作すべき入力部材もしくはスイッチ要素を形成することができ、その入力部材もしくはスイッチ要素によって制御装置に、対象物に対する動作設定手段の結合が実施されたこと、及びさらにマニピュレータを介して対象物の走行動作を実施する準備ができたことを知らせることができる。
【００２４】
好ましい実施形態によれば、検出手段は、定められた観察期間の間慣性センサの信号を評価するように形成することもでき、その場合に検出手段は次のように、すなわちこれらの信号が動作設定手段の加速度に関して、及び／又はこの加速度から計算された動作設定手段の速度変化に関して、及び／又は動作設定手段の位置又は方位変化に関して、定められた観察期間の間、定められた第１の限界値を下回り、かつ／又は定められ変動幅を下回っている場合に、システムを第２の駆動状態へ移行させるように、整えられている。この好ましい形態によって、動作設定手段内に内蔵されている加速度センサもしくは慣性センサが、動作設定手段の静止位置の状態を自動的に認識し、その後第２の駆動状態へ移行させ、かつ最後に求められた方位をまずそのまま維持し、もしくは記憶し、さらに対象物の動作に関する制御側の情報に基づいて適合させるために、利用される。その場合に特に、動作設定手段をフリーハンドで案内する場合に常に少なくとも所定の変動あるいは軽度の振動が存在することを、利用することができる。それに対して動作設定手段が置かれ、あるいはマニピュレータによって支持された静止している対象物と結合された場合には、慣性センサからのずっと小さいレスト信号が続き、それはエラーとして所定の一定のオフセット成分を有することはあるが、取り立てて言うほどの変動を有することはない。
【００２５】
システムを変換するための記載の技術的措置によって、対象物の方位の動作に基づく変化はマニピュレータによって定められ、もしくは決定される。したがってマニピュレータの制御装置は、対象物の方位に関する、もしくは方位の連続的な変化に関する情報もしくはデータを、方位を求めるユニットへ伝達することができる。方位を求めるユニットは、さらに、第２の駆動モードにおいて動作設定手段の連続的に変化する方位を、マニピュレータの制御装置から伝達され、もしくは準備された情報に基づいて求め、特に計算するように、形成することができる。この特に好ましい措置によって、動作設定手段がマニピュレータによって動作される対象物もしくは工作物と結合されている期間の間、動作設定手段の方位は連続的に制御側から促され、したがってデータ技術的に形成される工作物の方位の変化から求めることができ、かつ慣性センサのエラーもしくはドリフトを有する測定データを利用する必要がなくなる。したがって慣性センサのドリフトの影響は、この段階の間確実に、もしくはネガティブな影響なしで阻止され、かつ、次に必要となる較正プロセスまでの動作設定手段の使用長さを著しく延長し、もしくは必要となる較正の頻度を著しく減少させることができる。
【００２６】
さらに、検出手段は制御装置に、あるいはマニピュレータの自立した安全制御に、第１の阻止信号を伝達するように形成することができ、その第１の阻止信号は、検出手段によって動作設定手段が空間内において手で自由に動作される場合に、マニピュレータの動作の実施を阻止する。それによって、動作設定手段が動作させるべき対象物もしくは工作物から突然外れ、もしくは意図せずに外れた場合も、認識することもでき、それは利用者にとってある程度の驚きモーメントとなり、したがって意図しない、あるいはコントロールされない動作と操作をもたらし得る。その場合に、マニピュレータの動作が即座に、もしくは自動的に阻止される。たとえばそれによって、この種の状況において動作させるべき対象物が隣接する何らかの対象物に、たとえば他の構成及び構造部分に不用意に衝突することも阻止することができる。
【００２７】
システム的に、対象物の方位がマニピュレータのそれぞれの姿勢によって定められており、かつマニピュレータの制御装置は対象物の方位に関する、あるいは方位の連続的な変化に関する情報を検出手段へ伝達することができる。その場合に検出手段は、対象物の動作に関するこの制御側の情報を慣性センサの側の情報と比較するように、形成することができる。さらに検出手段は、動作設定手段の側のセンサ情報と制御装置の側の情報との間で加速度又はそこから導き出される回転速度あるいは角度変化の偏差が、定められた第２の限界値を上回った場合に、システムを自動的に第１の駆動状態へ移行させるために、設けることができる。したがってこの好ましい展開によって、マニピュレータに保持されている対象物がアクティブに動作する間、そこからわかる対象物の動作状態が慣性センサによって得られる動作状態の変化に関する情報と常に比較される。この比較に基づく偏差が充分に小さい限りにおいて、動作設定手段の方位を定めることは、慣性センサのドリフトエラーを回避しながら、対象物の回転位置及び動作状態に関する情報のみから、もしくはセンサ装置のデータを用いて、行うことができる。しかし、センサ信号と制御側の動作情報との間の矛盾が所定のしきい値を上回ったことが確認されるとすぐに、動作設定手段の方位がもはや対象物によって定められていないと見なされる。その後、動作設定手段の方位をさらに求めることは、それに内蔵されている加速度センサに基づいて行われる。それによってシステムの第１の駆動モードへの変化もしくは復帰は、自動的に行うことができ、特に直接かつ何らかの付加的なセンサ情報又は手動の入力に関係なく、行うことができる。
【００２８】
他の実施形態によれば、検出手段は、（ｉ）対象物の動作に関する制御側の情報と（ｉｉ）慣性センサに基づく動作情報との間の比較を、大きさ的に、したがってそれぞれのパラメータ値の大きさに従って、実施するように形成することができる。これは単純な評価であって、その評価によって実際的なやり方で、そのセンサの測定値に基づく動作設定手段の加速度又は速度が制御側のデータ、もしくはそこから計算される値と、時間的及び大きさ的に一致しているか、もしくはどの程度まで一致しているかが、検査される。
【００２９】
代替的な実施形態によれば、検出手段は、（ｉ）対象物の動作に関する制御側の情報と（ｉｉ）慣性センサに基づく動作情報との間の比較を、動作情報の方向成分を考慮しながらベクトル的に実施するように、形成することができる。加速度もしくは速度のこのようなベクトル的な比較は、この動作特性量の大きさの他に動作手段の方位に関するデータも考慮するので、偏差が大きい場合、もしくは内部で求められた方位のエラーが大きすぎる場合に、このエラーを比較的明確かつフェールセーフで認識することができる。
【００３０】
比較的長い期間の後も動作設定手段の変化する方位をできる限り正確に求めるために、方位を求めるユニットにとってアクセス可能な補正値を有するメモリユニットを設けることができ、かつ方位を求めるユニットは、動作情報を計算する過程において慣性センサのセンサ値をこれらの補正値によって計算器的に補正するように、形成することができる。
【００３１】
対象物（及びその上に固定されている動作設定手段）の方位は、それぞれマニピュレータがとっている姿勢によって定められている。これに関連して、マニピュレータの制御装置が短い時間間隔で対象物の方位に関する、あるいは方位の連続的な変化に関する情報の方位を求めるユニットへ伝達し、あるいはこの種の情報の方位を求めるユニットによって呼び出すために準備すると、効果的である。方位を求めるユニットは、対象物の動作に関するこれらの情報を慣性センサの側の動作情報と比較するように形成することもでき、その場合に方位を求めるユニットはさらに、慣性センサのセンサ値を計算器的に補正するための補正値を、マニピュレータの制御装置からの情報による動作情報と、補正値によって補正されたセンサ値からなる動作情報との間の偏差を最小限に抑えるように適合させるために、形成されている。
【００３２】
好ましい展開によれば、衝突認識手段を設けることができ、あるいは検出装置を、加速度センサの信号を評価して、第３の限界値と比較するように、整えることができる。その場合に衝突認識手段又は検出手段はさらに、阻止信号をマニピュレータの制御装置へ、あるいは自立した安全制御へ伝達するように設けられており、その阻止信号は、第３の限界値を上回った場合に、マニピュレータの動作を自動的に阻止する。この展開によって、加速度センサもしくは慣性センサにより、動作される対象物もしくはその上に固定されている動作設定手段の衝突による予期しない高い負の加速度、特に急激な減速が検出された場合に、マニピュレータの動作が停止される。それによって好ましいやり方で、この種の衝突の影響をできる限り小さく抑えることができる。
【００３３】
好ましい形態によれば、パルス認識手段を設けることができ、あるいは検出手段を、慣性センサの信号を評価して、第４の限界値と比較するように、形成することができる。その場合にパルス認識手段又は検出手段は、さらに、動作コマンドをマニピュレータの制御装置へ出力するように形成されており、その動作コマンドによって、マニピュレータにより案内される対象物が定められ、制限された動作が定められた加速の方向に作動される。パルス状の衝撃は、動作設定手段がすでに動作させるべき対象物に固定され、もしくはその上に支持されている場合でも、動作設定手段内の慣性センサによって記録することができる。この種の衝撃パルスもしくはノッキングパルスは、比較的特徴のある加速に基づいて確実に記録することができ、もしくは良好に検出することができる。したがって結合プロセスの経過において対象物を整えて位置決めすることを、動作設定手段に設けられた本来の入力手段の操作によって行うことができるだけでなく、オペレータは対象物に軽い衝撃を与えることにより、もしくは動作設定手段を定められたようにノックすることによっても、最小限の位置補正を実施することができる。その場合にこの措置は、結合プロセスが手動のみで実施される場合に比較的自然なやり方で適用されるやり方に類似している。
【００３４】
動作設定手段がイネーブルスイッチの形式の少なくとも１つの入力手段を有しており、その入力手段はオペレータが意図的に導入するマニピュレータの動作を許可するために設けられており、かつ入力手段がその操作状態に従ってイネーブル信号を生成するため、かつ制御装置へ、あるいはマニピュレータの安全制御へ伝達するように整えられている場合も、効果的であり得る。特にオペレータの誤解もしくは不注意に基づく、危険な状態もしくは健康及び有価物に関する損害は、それによって効果的なやり方で防止することができる。
【００３５】
実際的な措置によれば、動作設定手段が必要に応じて能動化及び非能動化可能な結合装置を有しており、その結合装置は対象物に対して必要に応じて取り外すことのできる結合を時々形成するため、及び対象物と動作設定手段との間で力とモーメントを伝達するために設けられている。それによって動作設定手段は、未処理の対象物動作の経過において充分に堅固もしくは固定的に、それにもかかわらず再び取り外すことができるように、動作させるべき対象物と結合することができる。その場合に結合手段は、好ましくは工具なしで能動化及び非能動化することができるので、時間をとらない、快適な取り扱いが保証されている。その場合にこのような結合装置は、機械的な締めつけあるいは差し込み結合及び／又は吸引カップ及び／又は磁気ホルダ及び／又は対象物に必要に応じて多数回取り外し可能に貼り付けるための付着面又は接着面によって形成することができる。
【００３６】
動作設定手段が、マニピュレータの動作を作動させるために、オペレータによって操作可能な少なくとも１つの入力手段を有している場合も、効果的である。この入力手段は、相対動作可能に支承されたロッドの形式で、あるいは堅固なパワーセンサ式のハンドグリップの形式で形成することができる。６Ｄジョイスティックもしくはいわゆる６Ｄスペースマウスの形式の入力手段は、特に効果的である。というのは、回転と線形の全動作設定を唯一の操作部材を介して直接かつ直観的に入力可能だからである。この入力手段に、動作設定手段の器具固定のローカル座標システムに関する動作方向が対応づけられており、その場合にシステム全体は、マニピュレータのワールド座標システム内のローカルな座標システムの方位に従って、ローカルな座標システムに関するこの動作方向をマニピュレータのワールド座標システムに関する等価の、あるいは方位の等しい動作方向に換算し、又は変換するように、整えられている。それによってオペレータに、対象物もしくは構成部品をロボット支援で操作し、もしくは動作制御するための特に直観的かつエラーを回避するシステムが提供される。それによって組み立てプロセスもしくは製造プロセスの効率と品質を向上させることができる。
【００３７】
さらに、動作設定手段が入力部材を有することができ、それを操作することによってオペレータの側で第１の駆動モードから第２の駆動モードへ、あるいは第２の駆動モードから第１の駆動モードへの変化を直接行わせることができる。代替的に、この入力部材によって意図的に駆動モードを自動的に変化させるためのあらかじめ定められた限界値を一時的に、駆動モードこの交代がより迅速に行われるように、すなわち促進されるように、変化させることができる。同様にこの入力部材の操作を、自動的に行われる駆動モードの変化を制御技術的に蓋然化するための付加的な情報として取り込むことができる。上述した措置によって、一方では利用者になじみやすいこと、もしくは利用品質が、他方ではシステム挙動が支援される。
【００３８】
好ましい実施形態によれば、動作設定手段が表示部材を有することもでき、その表示部材は、オペレータにシステムが第１の駆動モードにあるか、第２の駆動モードにあるかを知らせるように、整えられている。この措置によっても、利用者のなじみやすさを向上させることができる。さらにそれによって、誤った取り扱い操作を防止することができるので、プランに基づく、もしくはきちんとしたシステム利用を支援することができる。無用の操作シーケンスもしくはエラーのある適用に基づく遅延も、それによって回避することができる。
【００３９】
動作設定手段が、ワイヤレスで構築された通信接続、特に無線接続を介して制御装置とデータ技術的に結合可能であっても、効果的である。それによってケーブル接続に比較して、オペレータの動作の自由を支援することができる。それによって全体として得ることのできる人間工学性もしくは操作性がポジティブな影響を受ける。
【００４０】
本発明の課題は、以下に示すステップを有する方法もしくは方法措置によっても、解決される。
【００４１】
電子制御装置によって制御されるマニピュレータ、特に工業用ロボット、を用いて対象物を空間的に動作させるための本発明に係る方法は、以下のステップを有している。すなわち、
動作させるべき対象物とマニピュレータのエンドエフェクタとの動作結合を、少なくとも時々形成し、
オペレータによって少なくとも時々空間内において手動で自由に動作可能な動作設定手段をその中に構造的に組み込まれている慣性センサと共に基準方位へ動作させ、その基準方位はマニピュレータのワールド座標システムに関してあらかじめ定められ、かつ制御装置に知られており、あるいはその基準方位が制御装置によって計算器的に突き止めることができ、
基準方位に方向づけされた動作設定手段の、動作設定手段に関してローカルな座標システムと、マニピュレータのワールド座標システムとの間で、方向ベクトルを変換するための第１の変換マトリクスを計算し、
動作設定手段をオペレータによってその基準方位から始めて、マニピュレータによって動作させるべき対象物上の任意の、オペレータが望む箇所へ動作させ、その場合に第１の変換マトリクスが慣性センサのセンサ信号を用いて動作設定手段の方位の変化に従って更新され、
オペレータによって動作設定手段と動作させるべき対象物との間の実体的な結合もしくは堅固な動作結合を形成し、
マニピュレータの制御装置によって第２の変換マトリクスを準備し、それがマニピュレータのワールド座標システムと、エンドエフェクタと堅固に結びついたエフェクタ座標システムとの間で、結合時点で存在するマニピュレータの姿勢に従って方向ベクトルの変換を可能にし、
第１と第２の変換マトリクスから第３の変換マトリクスを定め、その第３の変換マトリクスが動作設定手段のローカルな座標システムと、エフェクタと堅固に結びついたエフェクタ座標システムとの間で方向ベクトルの変換を可能にし、
動作設定手段を、対象物の意図される動作方向に少なくとも部分的に相当する操作方向へ連続的に操作し、かつ動作設定手段において連続的に行われるオペレータの取り扱い操作を介して方向情報を検出し、かつ準備時点でそれぞれ実際に存在するマニピュレータの姿勢に従って更新される第２の変換マトリクスを制御装置によって繰り返し準備し、かつこの方向情報を第２と第３の変換マトリクスを用いてマニピュレータのワールド座標システムへ連続的に変換し、かつマニピュレータの動作をその制御装置によって次のように、すなわち対象物の動作方向が操作設定手段においてオペレータにより導入された動作方向に少なくとも部分的に相当するように、導入する。
【００４２】
本発明に係る措置は、特に対象物もしくはマニピュレータの絶対的に直観的な動作制御を可能にする。オペレータは、様々な座標システム内とそれに適合された、動作設定手段に対する、もしくは入力手段に対する操作方向もしくは能動化方向を考えることを完全に免れる。それによって組み立てプロセスもしくは結合プロセスのために必要とされる時間長さを著しく短縮することができ、同時に動作させるべき対象物の高い位置決め精度を得ることができる。本発明に係る措置の本質的な利点は、慣性センサの不可避のドリフト挙動及び必要とされる積分又は合計操作に基づく数学に起因するエラー蓄積もしくは慣性センサの信号の処理に関連する計算精度の制限が、得ることのできる対象物の位置決め精度に、もしくはマニピュレータの動作シーケンスにまったく影響を与えないことにもある。特に本発明によれば、マニピュレータによって案内される対象物に動作設定手段が結合された時点から、動作設定手段の変化する方位が連続的に、あるいは少なくとも比較的短い時間間隔で直接かつ対象物もしくはエンドエフェクタの回転位置情報のみから、すなわちその前に加算された方位の増分変化を利用することなく、定められる。それによってエラーのあるセンサ信号の合計もしくは積分によってドリフトエラーが連続的に増殖することが阻止され、もしくはこの種のドリフトエラーは、障害となる程度に達する前に、規則的に短い時間間隔で除去される。
【００４３】
その場合にそれぞれ所望のマニピュレータ動作は、動作設定手段のそのために設けられているセクション又は操作部材に対してオペレータが取り扱い操作することによって、快適なやり方で導入される。その場合にオペレータの側からのこの取り扱い操作もしくは力作用は、動作設定手段の部分セクションもしくは操作部材のわずかな相対変位によってもたらすことができる。代替的に、動作設定手段に対するそれぞれの力作用もしくは圧力作用とその作用方向のみをセンサで検出して、それに応じた方向信号もしくは方向データを形成し、次にマニピュレータの動作を制御するためのしかるべき制御指令に変換することも可能である。特に好ましいのは、オペレータの側から動作設定手段を、動作設定手段に対する引っ張り応力、圧縮応力、傾き応力あるいはねじり応力によって、オペレータが意図する対象物の動作方向に少なくとも部分的に相当する操作方向に操作することである。
【００４４】
また本発明に係る措置の本質的な利点は、慣性センサの不可避のドリフト挙動もしくはそこから生成されるデータに基づいてシステムの再較正が必要となる期間を、著しく延長できることにある。特にシステムを再較正するために時々必要となる操作を、場合によっては製造プロセスにおける所定の組み立てもしくは結合サイクルを完了させるのに充分な期間に延ばすことができるので、この種の組み立てもしくは結合サイクルを新較正によってもはや中断する必要はない。
【００４５】
本発明をさらによく理解するために、以下の図を用いて本発明を詳細に説明する。
図は、著しく簡略化された図式的な表示である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】空間的に動作させるべき対象物もしくは構成部品のためのマニピュレータとしてのジョイントアームロボットを有する、本発明に係るシステムの実施例を示している。
【図２】図１に示すシステム内で使用することができるような、動作設定手段を図式的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
最初に記録しておくが、異なるように記載される実施形態において、同一の部分には同一の参照符号ないし同一の構成部分名称が設けられており、その場合に説明全体に含まれる開示は、同一の参照符号ないし同一の構成部分名称を有する同一の部分へ意味に従って移し替えることができる。また、説明内で選択される、たとえば上、下、側方などのような位置記載は、直接説明され、かつ示される図に関するものであって、この位置記載は位置が変化した場合には意味に従って新しい位置へ移し替えられる。
【００４８】
図１には、マニピュレータ３によって対象物２を空間的に動作させるための技術的システム１の実施例が示されている。その場合にマニピュレータ３は、特に工業用ロボットによって、たとえば６軸ジョイントアームロボットとして、形成することができる。このマニピュレータ３によって空間内で動作させるべき対象物２は、特に組み立てるべき構成部品により、もしくは、たとえば風防ガラス、車両シートあるいは同種のもののような工作物によって形成されている。
【００４９】
対象物２は、マニピュレータ３によって支持され、もしくは収容されて、オペレータの設定に従って空間内で動作され、たとえば半製品に結合される。したがってそれぞれの対象物２は、少なくとも一時的にマニピュレータ３と動作結合されている。そのためにマニピュレータ３は任意のエンドエフェクタ４、たとえば機械的な把持器、吸引カップ、磁気カプラーあるいは他の、マニピュレータ３に対して対象物２を取り外し可能に結合する装置を有することができる。しかるべき自動化システム１は、少なくとも１つの動作設定手段５を有しており、その動作設定手段はシステム１のオペレータによって少なくとも暫定的に手動で空間内において自由に動作可能である。すなわち、この電気機械的な動作設定手段５は少なくとも一時的にポータブルもしくはモバイルであって、オペレータが空間内で自由に動作させ、ないしは案内することができる。動作設定手段５のこの自由な、もしくは切り離された段階において、それによって実施される動作、特にその方位変化を、内部の加速度センサもしくは慣性センサに由来するしかるべきセンサ信号によって、少なくとも時々特徴づけて、このセンサ信号を記録し、もしくはほぼ実時間で評価することができる。その場合にセンサ信号のそのような記録もしくは評価は、記載される方法シーケンスの変換に関連して、もしくはオペレータの明白なコマンドに基づいて行われる。すなわち動作設定手段５のすべての動作が記録されるわけではなく、もしくは動作もしくは方位変化の中断されない評価を行う必要はない。
【００５０】
たとえばグリップ状又は棒状に形成された動作設定手段５は、さらに、マニピュレータ３によって動作させるべき対象物２と少なくとも時々実体的に結合するために設けられている。特に動作すべき対象物２に対する動作設定手段５のこの一時的な結合状態において、動作設定手段５はオペレータの側からマニピュレータ３の電子的な制御装置６へ制御コマンドもしくは動作コマンドを出力するために設けられている。したがってマニピュレータ３もしくはそのエンドエフェクタ４は対象物２と共に、設定もしくはオペレータの動作コマンドに基づいて動作することができ、それはマニピュレータ３のための手で案内される動作制御に相当し、最終的にオペレータとマニピュレータ３との間の協調性のある協働と考えることができる。
【００５１】
その場合にマニピュレータの制御装置６は、中央の場所を割り当てられたユニットとして示されている。もちろん複数の分配をして、もしくはディセントラルに配置された制御ユニットを設けることも可能であって、その場合にこれらの分配して配置された制御ユニットが全体としてシステム１の制御装置６を形成することができる。特に動作設定手段５の内部に制御装置６’を設けることもでき、その制御装置が固定の、又はロボット側の制御装置６と協働して、それによって動作制御装置６を機能的に補足し、もしくは補完する。以下、簡単にするために、セントラル／ディセントラル（分散的）に組織することができる、制御装置６もしくは６’についてのみ言及する。
【００５２】
制御装置６、６’は、それぞれ少なくとも１つのプロセッサもしくはマイクロコントローラを有しており、その機能シーケンスはソフトウェア技術で定められており、もしくはそれらがそれぞれソフトウェア技術手段によってプログラミングされている。これらのソフトウェア技術手段は、それ自体知られているように−電子的なメモリ装置に格納されている。
【００５３】
図１と２を一緒に見るともっともよくわかるように、携帯可能もしくはモバイルの動作設定手段５内に少なくとも１つの慣性センサ７もしくは少なくとも１つの慣性的な測定ユニット（ＩＭＵ）が内蔵されている。好ましくはこれらの慣性センサ７は半導体技術において形成されており、特にＭＥＭＳ（micro-electro-mechanic Systems）で変換される。この慣性センサ７によって、３次元空間内で動作設定手段５の少なくとも空間的方位もしくは方位変化を検出し、もしくは求めることが可能である。原則的に、慣性センサ７によって空間的な姿勢、したがって空間的位置と方位の組み合わせも求めることができる。しかし、本発明に係る方法シーケンスのこの目的のためには、動作設定手段５の変化する方位を求めれば充分であって、比較的正確でない、もしくは時間的にあまり安定しない位置追求は、効果的に省くことができる。
【００５４】
特にシステム１内には、ソフトウェア技術的に方位を求めるユニット８、８’が実装されており、それは、３次元の空間に関して動作設定手段５の変化する方位を連続的に求めるために設けられている。その場合に方位を求めるユニット８、８’は、組み合わせて複数の制御装置６、６’内に設けることができ、あるいは制御装置６、６’の１つのみに標準的に実装することもできる。特に少なくとも１つの方位を求めるユニット８、８'は、以下で詳細に説明するように、慣性センサ７の存在する信号もしくは準備されたデータに基づいて、動作設定手段５の少なくともそれぞれの方位（方向づけ）もしくは動作設定手段５の方位のそれぞれの時間的変化を計算する。その場合に方位を求めるユニット８、８’の側においては、動作設定手段５の空間的位置を求めることを省くことができる。すなわち内蔵された慣性センサ７を用いて動作設定手段５の空間的位置を決定することは、動作設定手段５のそれぞれの方位を求めることに比べて比較的エラーを伴い、もしくはドリフトが生じ易くなる。したがって方位を求めるユニット８、８’は、センサ信号もしくは慣性センサ７のデータに基づいて、３次元の空間に関して、もしくはマニピュレータ３のワールド座標システムに関して、動作設定手段５のそれぞれの方位もしくは方位変化のみを定める。
【００５５】
すなわちオペレータのためにできるかぎり直観的な動作設定もしくはマニピュレータ３に対する、もしくはその制御装置６に対する動作コマンドのできるだけはっきりとした出力を可能にするために、空間内の動作設定ユニット５のそれぞれの方位がまず重要である。特に、動作設定手段５を介してオペレータによって導入される動作コマンドの少なくとも１つを制御技術的に形成することは、少なくとも部分的に動作設定手段５のその時の方位に依存している。
【００５６】
自動化システム１は、さらに、少なくとも１つの電子的もしくはソフトウェア技術的な評価手段もしくは検出手段９、９’を有している。このソフトウェア技術的な検出手段９もしくは９’は、ソフトウェア技術に基づいて多数の技術的措置もしくは機能を変換し、もしくは冒頭で説明し、かつ以下で詳細に説明するように、機能を準備するための検出手段９、９’が設けられている。その場合にプログラム技術的もしくはソフトウェア技術的な検出手段９、９’は、制御装置６内にも、制御装置６'内にも実装することができ、あるいは代替的にこれらの制御装置６、６’の１つのみで変換される。検出手段９、９’は、それぞれ変換された機能に関して評価手段と考えることもでき、もしくは称することもできる。１つには、この最初にソフトウェア技術的に実装される検出手段９、９’は、動作設定手段５をオペレータが空間内で自由に動作させ、その間に少なくとも動作設定手段５の方位変化が突き止められ、もしくは記録される場合に、システムを第１の駆動モードへ移行させるために、設けることができる。この検出手段９、９’は、さらに、動作設定手段５のそれぞれの空間的方位もしくは方位変化が、対象物の動作によって、したがってマニピュレータ３の動作によって、動作させるべき対象物２と機械的に接触もしくは結合されることに基づいて定められた場合に、システム１を第２の駆動モードへ移行させるために設けられている。
【００５７】
その場合にシステム１のそれぞれの駆動モードへのしかるべき切り替えもしくは変化は、本来の意味における切り替えプロセスと解釈すべきではなく、むしろシステム１のデータ技術的処理におけるプログラム技術的なジャンプもしくは状態変化と考えるべきであって、これは当業者にはずっと以前から原理的に知られている。その場合に本発明の重要な視点に従って、動作設定手段５を空間内において手で自由に動かすことができる、第１の駆動モードにおいて、動作設定手段５の変化する方位が慣性センサ７の信号に基づいて計算され、もしくは求められる。それに対して方位を求めるユニット８、８’は、第２の駆動モードが存在する場合、特に動作設定手段５が動作させるべき対象物２と固定結合されている場合に、マニピュレータ３の制御装置６の側からの情報もしくはデータ技術的な仮定のみに基づいて、動作設定手段５の変化する方位を連続的に、あるいは少なくとも比較的短い時間間隔で繰り返し計算し、もしくは定める。特にマニピュレータ３の制御装置６には、各時点において、マニピュレータ３もしくはそれによって動作される対象物２のそれぞれの位置、速度及び／又は加速度状態が存在するので、方位を求めるユニット８、８’の側では、それと堅固に結合され、もしくは相互作用する動作設定手段５の方位も３次元の空間に関して計算し、もしくは突き止めることができる。それによって第２の駆動モードが存在する場合に、慣性センサ７の側のドリフト影響は完全に排除することができ、あるいはマニピュレータの位置情報による更新の短い時間間隔に従って連続的に無視できるほど小さく抑えることができる。それによって動作設定手段５に関して方位を求めることの精度もしくは長時間安定性を著しく改良することができる。
【００５８】
第２の駆動モードの間、動作させるべき対象物２と堅固に、もしくは実質的に撓まずに結合されている動作設定手段５のそれぞれ存在する方位を用いて、制御装置６、６’によって、オペレータによって動作設定手段５の入力手段１７を介して手動で入力される方向コマンドもしくは動作コマンドを考慮しながら−マニピュレータ３の様々な駆動装置のための制御コマンドもしくは制御指令が生成される。その場合に様々な駆動装置は、特にマニピュレータ３のそれぞれのジョイント軸に対応づけられており、その場合に対象物２の設定に基づく動作を実施できるようにするために、全体として存在する駆動装置のかならずしもすべてが駆動され、もしくは能動化される必要はない。本発明に係る措置に関連して、オペレータの側からの動作設定手段５の連続する操作の方向、特に動作設定手段５に対するその引っ張り応力、圧縮応力、傾き応力あるいはねじり応力は、対象物２の意図される動作方向に直接相当し、制御装置６、６’もしくはシステム１は該当する操作方向を、最終的な対象物動作が３次元の空間に関して、動作設定手段５において導入されるこれらの操作方向に相当し、特に等しく方向づけされ、もしくは少なくとも平行に方位づけされるように、具現化し、もしくは変換する。制御技術的には、対象物２の動作が所定の定角軌道に沿ってのみ、あるいは所定の通路内でこの種の定角軌道に沿ってのみ可能であり、もしくは所定の自由度が阻止され、あるいは制限されるので、所望の動作設定は部分的にのみ、すなわち許可された自由度に関して実施されることも、可能である。それによって全体として、オペレータにとってはマニピュレータ３に関して特に直観的な制御性もしくは動作設定が保証されている。そのような制御方法もしくはそのために実装される換算方法及び変換方法については、後に詳細に説明する。
【００５９】
この方法を実施する場合に、１つの座標システム（基準システム）からのベクトルの座標を、他の座標システムに換算するために、複数の座標システムと種々の変換マトリクスが特別な役割を果たす。
ワールド座標システムＫW、その中でマニピュレータ３のエンドエフェクタ４の方位が、動作設定手段５の基準方位として知られており、もしくは定めることができる。
動作設定手段５のローカルな座標システムＫL。このローカルな座標システムＫLは、動作設定手段５のハウジングと、もしくはハウジングの基準点と、堅固に結合されている。オペレータの操作部材もしくは操作力の変位の方向が、まずこのローカルな座標システムＫL内で検出される。
エンドエフェクタ４と、そして対象物２がエンドエフェクタ４に固定されている間はこの対象物２とも、堅固に結合されているエフェクタ座標システムＫE。ハンド座標システムとも称される、このエフェクタ座標システムＫEの方位は、ワールド座標システムＫWに対していつでもマニピュレータ３のジョイントの角度位置を介して求めることができる。
【００６０】
第１のステップにおいて、動作設定手段５がワールド座標システムＫW内でわかっている、もしくは定めることのできる基準方位へ動作される。この基準方位は、基準座標システムＫRをワールド座標システムＫWに対して方向づけすることにより定められる。それは、変換マトリクスＴWRとして、あるいはたとえば３つの角度データの形式でも示すことができ、その角度データは等価でこの種の変換マトリクスに換算することができる。変換マトリクスは、２つの座標システムの間で任意の方向ベクトルの表示の換算も可能にする。
【００６１】
ワールド座標システムＫW内のベクトルａ’Wと基準座標システムＫR内のそのベクトルａ'Rの座標について、以下の数式１と２とが成立する。
【００６２】
【数１】
2019512785.tif 000003
【００６３】
【数２】
2019512785.tif 000004
【００６４】
なお、以下の数式３と数式４とが成立して、その場合にＴ-1は、マトリクスＴの逆を表し、かつそれぞれ反転された方向への座標変換を許す。記載された回転マトリクスは、数学的にいわゆる直交マトリクスであるので、この特別場合についてはさらに、この種のマトリクスの逆がマトリクスの移項に等しいことが成り立ち、それは反転のための計算の手間を実際において著しく減少させ、もしくは実際に除去する。
【００６５】
【数３】
2019512785.tif 000005
【００６６】
【数４】
2019512785.tif 000006
【００６７】
たとえば動作設定手段があらかじめ定められたしかるべき方向づけを有する定められた較正位置へ動作されている場合に、動作設定手段５が基準方向（基準方位）に方向づけされた場合には、ローカルな座標システムＫLは基準座標システムＫRと同一の方向付けを有するので、この位置において、器具内でこのローカルな座標システムＫLに関して検出される、操作部材の操作方向は、ＴWRによってワールド座標システムＫWに変換することができる（これは、方法請求項の方法ステップｃに基づく「第１の変換マトリクス」に相当する）。原則的には、ハードウェア技術的にかなり手間がかかり、もしくは全体としてより複雑にはなるが−まえもってわかっている較正方位をとる代わりに、たとえば光学的に認識可能なマーキングと結合されたカメラのような、外部のセンサによって、動作設定手段５の方位を１回定めるための特殊な方法を実施することもできる。その場合にワールド座標システムＫW内の方位はカメラ又はマーキングによってわかっており、かつ較正プロセスの経過において、動作設定手段５と結合されているそれぞれ他のシステムの相対的な方位が光学的に求められる。較正は、慣性センサ７を介して定めることができる重力方向と共に、ワールド座標システムＫW内で既知の、あるいは定めることができる方向づけを有する面上に動作設定手段５を載せることによっても行うことができる。その場合に使用される較正面は、重力方向に垂直に位置してはならず（水平ではなく）、重力方向がこの表面に対してできるだけ平行に、あるいはできるだけ小さい角度をもつようにされる。較正プロセスの結果は、いずれにせよ変換マトリクスＴWRであり、もしくは数学的にそれに対して等価の表示である。
【００６８】
動作設定手段５を基準方位からオペレータによって自由に選択可能な方位へ動作させた後も、さらにこの種の操作方向をワールド座標システムＫWへ変換することができるようにするために、変換マトリクスＴWL（ｎ）が時間的に離散したステップｎにおいて小さい値ΔＴL（ｎ）だけ更新され、その値が慣性センサ７の測定値から求められる、時間ステップあたりの動作設定手段５の回動を記述し、その場合に測定値内のエラーと不確実性をできる限り小さく抑え、かつΔＴL（ｎ）のためのできる限り正確な値を求めるために、様々な方法を適用することができる。そのために、慣性ナビゲーションのための関連する専門文献が種々の提案をしている。
【００６９】
離散的な時点ｎについては、以下の数式５が成立し、その場合に数式６が成立する。
【００７０】
【数５】
2019512785.tif 000007
【００７１】
【数６】
2019512785.tif 000008
【００７２】
これは、方法ステップｄに基づく第１の変換マトリクスの更新に相当する。
【００７３】
動作設定手段５がユーザーによって、動作すべき対象物２に設けられた他の操作に適した箇所へ動作され、かつ離散的な時点ｋにおいて適切な手段を介して、たとえば磁気ホルダ、面ファスナー、接着面を介して、あるいは吸引カップなどを用いて、対象物２に固定された後に、動作設定手段５の方位が、測定精度及び計算精度は別にして、それまで連続的に更新された変換マトリクスＴWL（ｋ）の最終的な値によって記述され、したがって充分に正確に知られる。これは特に、動作設定手段５を基準位置から対象物２における所望の位置へ動作させるためのタイムスパンが、後続の、対象物２がオペレータの設定に従って動作され、整えられ、かつ取り付けられる段階に比較して通常短いからである。したがって慣性センサ７のセンサエラーと積分エラーは、制御シーケンスもしくは動作シーケンスへ比較的小さい作用しか及ぼさない。
【００７４】
動作させるべき対象物２は、遅くともこの時点からエンドエフェクタ４によって、もしくは把持器又はマニピュレータ３の同様な保持装置によって把持されて、できるだけしっかりと固定され、それによってそれに続いてマニピュレータ３によってオペレータが望む方向へ動作させ、かつ回転させることができる。
【００７５】
マニピュレータ３の制御装置６、６'は、遅くともこの時点から、エンドエフェクタ４と堅固に結合されているエンドエフェクタ座標システムＫEの方位に関する情報をたとえばいわゆるハンド座標システムへ伝達し、その情報からワールド座標システムＫWとエフェクタ座標システムＫEの間のベクトルの変換を導き出すことができる。通常、これらの情報はすでに変換マトリクスの、たとえばＴWE（ｋ）の形式で準備される（これは、方法ステップｆに基づく「第２の変換マトリクス」である）。
【００７６】
動作させるべき対象物２がマニピュレータ３によって固定され、もしくは案内される間、ハンド座標システムもしくはエンドエフェクタ座標システムＫEは同時に、対象物２と堅固に結合された対象物座標システムでもあって、動作設定手段５が機械的に対象物２に結合されている間、この対象物座標システムと動作設定手段５のローカルな座標システムＫLが堅固に結合されている。
【００７７】
そして（対象物２がマニピュレータ３及び動作設定手段５と結合されている間）動作設定手段５のローカルな座標システムＫLからエフェクタ座標システムＫEへ方向ベクトルの変換のための一定の変換マトリクスＴELを与えることができる（方法ステップｇに基づく「第３の変換マトリクス」）。この場合、以下の数式７が成立する。
【００７８】
【数７】
2019512785.tif 000009
【００７９】
動作設定手段５及びマニピュレータ３との対象物２の固定的な結合が存在する間、各離散的な時点ｍにおいてローカルな座標システムＫLからワールド座標システムＫWへ方向ベクトルの変換のための変換マトリクスを与えることができ、それはもはや慣性センサ７のデータから定める必要はなく、かつ数値又はアルゴリズムに起因するエラーの積み重ねをもたらすことはない。というのは、それはマニピュレータ３の既知のジョイント角度から、もしくはマニピュレータ３の運動学からのみ定めることができるからである。この場合に、以下の数式８が成立する。
【００８０】
【数８】
2019512785.tif 000010
【００８１】
そうこうするうちに、動作設定手段５が再び対象物３から外れて、たとえばオペレータによって他の、対象物２におけるそれぞれの取り付けステップに適した、人間工学的により好ましい位置に動作される場合に、この段階においてＴWL（ｍ）の変化が再び動作設定手段５内の慣性センサ７の測定値とそれから導き出される、インクリメンタルな方位変化・ΔＴL（ｍ）に基づいて求められ、かつ動作設定手段５が対象物２に再び取り付けられる場合に、新たに一定のマトリクスＴELが求められる。
【００８２】
離散的な時点ｍ、ｍ＋１、．．の間において、時間的により細かく分解された、あるいは動作された中間時点のためのマトリクスＴLW又はマトリクスＴWEは、それぞれ過去の値から補外することができ、あるいは第１の駆動モードと同様に、慣性センサ７のセンサ信号を利用して更新することもできる。これは、データが制御装置６から、動作コマンドの伝達に必要な周波数をもって、もしくは必要な時点で提供されない場合に、効果的であり得る。しかし本発明によれば重要なのは、マニピュレータ制御６からの情報を用いて方位決定が行われる各更新時点ｍ、ｍ＋１、．．．の時間間隔が短いことであり、かつこれらの更新時点の各々においてそれまで増加してきたドリフトエラー又は補外エラーが再び均等にされるので、動作設定手段５が任意の長さ対象物２と結合され、かつ第２の駆動モードで駆動される場合でも、このエラーが常に無視できるほど小さい程度にしか達しないことである。
【００８３】
制御装置６に知られている、もしくはデータ技術的にその中に形成されている、動作設定手段５のための基準方位は、たとえば、図１に図式的に示されるように、動作設定手段５のための水平の載置面によって、もしくは台座状の支持面によって定めることができる。それによってたとえば、マニピュレータ３のワールド座標システムＫW内のｚ軸線に対する平行性が与えられ、もしくは極軸もしくは天頂方向（重力方向）に関する平行性が与えられている。この軸線を中心とする方向づけ角度も定めるために、あらかじめ定められた目印、たとえば扁平部、斜めカット又は突出部を動作設定手段５に形成することができ、その目印が関連する、もしくは互いに等しい目印と整合される。動作設定手段５がこのあらかじめ定められた空間的方位（方向づけ）を占めた場合に、動作設定手段５は基準方位内にあって、その基準方位はシステム１内に、もしくは制御装置６内にデータ技術的に格納されている。この基準方位を占めた場合には、動作設定手段５のローカルな座標システムＫLが定められた方向づけ内にあり、すなわちマニピュレータ３のワールド座標システムＫWに対して既知の相関関係にある。しかし基準方位は、動作させるべき対象物２の所定の箇所又はエッジによって定めることもでき、あるいはマニピュレータ３の所定の箇所又はエッジ自体によって形成することもできる。重要なのは、基準方位を占めた場合に動作設定手段５の方向づけが３次元の空間に関して一義的に定められており、かつこの方向づけがマニピュレータ３の制御装置６に知られており、あるいはそれによって定めることができることである。
【００８４】
上述したベクトル計算もしくは座標変換は、好ましくはマニピュレータ３の制御装置６内で行われ、その場合に少なくとも該当するデータもしくは信号の前処理は、動作設定手段５の制御装置６’内でも実施することができる。
【００８５】
制御装置６、６’間のデータ技術的な通信のために、好ましくはワイヤレスの通信接続１０が設けられている。このワイヤレスの通信接続１０は、制御装置６の側と動作設定手段５の側に関連しあう無線技術的な送信及び受信装置１１、１１’を有している。特にこの送信及び受信装置１１、１１'によって上述したコンポーネントの間に無線接続を構築することができ、それによってシステム１の利用人間工学もしくは実用性が支援される。その場合にこの無線技術的な通信接続１０を介してのデータ技術的通信は、たとえばブルートゥース（登録商標）標準、ＷＬＡＮ標準又はＺｉｇＢｅｅ（登録商標）標準に従って、もしくはその他の通信標準に従って行うことができる。
【００８６】
制御装置６、６’もしくはその中に実装されている方位を求めるユニット８、８’もしくはその中に実装されている検出手段９、９’の機能性もしくはシーケンスがソフトウェア技術に基づいて変換可能であるので、この明細書の導入部分において説明したように、一連の評価措置、試験措置及び蓋然化措置を行うことができる。これらの好ましい評価措置もしくは蓋然化措置によって、記載される技術的システム１の機能性、実用性、システム安全性及び／又は位置決め精度を向上させることができる。
【００８７】
構造に関しては動作設定手段５に、オペレータによって操作可能な少なくとも１つのスイッチ要素１２を形成することができ、そのスイッチ要素１２によって制御装置６、６’に、対象物２に対して動作設定手段５が結合されたこと、及びさらにマニピュレータ３を介して対象物２の動作を実施する準備ができていることが信号で伝達可能である。このスイッチ要素１２は、好ましくは触知スイッチ要素によって定められており、動作設定手段５の表面のオペレータが接近しやすい箇所に配置されている。
【００８８】
機能的な安全性もしくはシステム安全性を向上させるために、マニピュレータ３の制御装置６に、専用のプログラミングされた安全制御１３を対応づけることができる。この安全制御１３は、構造的に自立して形成することができ、あるいはハードウェア技術的に制御装置６と組み合わされた較正ユニットとすることができる。その場合に安全制御１３は、特に、安全上重要な状態を監視するために、かつ安全上重要な信号もしくは遮断信号を受信もしくは評価するために、設けられている。
【００８９】
さらに、動作設定手段５に少なくとも１つの入力手段１４を、特にイネーブルスイッチ１５の形式で、形成することができる。この入力手段１４は、オペレータの側から意図的に開始すべき、マニピュレータ３の動作の許可もしくは解禁のために設けられている。この入力手段１４は、特にその操作状態に従ってイネーブル信号を生成し、それをマニピュレータ３の制御装置６へ、あるいは安全装置１３へ伝達するために設けられている。
【００９０】
動作させるべき対象物２と必要に応じて取り外し可能に結合するために、動作設定手段５には少なくとも１つの必要に応じて能動化可能かつ非能動化可能な結合装置１６が形成されている。この結合装置１６は、対象物２に対して必要に応じて取り外し可能な結合を一時的に形成するため、かつ対象物２と動作設定手段５との間で力とモーメントを伝達するように整えられている。このような結合装置１６は、機械的な締めつけ結合又は差し込み結合により、かつ／又は少なくとも１つの吸引カップにより、かつ／又は磁気ホルダにより、かつ／又は対象物２に必要に応じて多数回取り外し可能に接着するための付着面又は接着面によって形成することができる。結合装置１６は、動作設定手段５に形成された支持装置によって形成することもでき、その支持装置はオペレータによって対象物２の表面に対して押しつけられ、かつ摩擦によって力とモーメントを押圧方向に対して横方向に伝達することができ、その場合に利用者によってもたらされる押圧力は、ロボット動作の許可後も制御技術的に維持され、したがって対象物がオペレータの動作設定に追従する。
【００９１】
さらに、動作設定手段５は、従来技術から知られているように、切り替え接点に基づいた、しかし好ましくは操作動作もしくは操作力を検出するためのセンサに基づいた、オペレータによって操作可能もしくは調節可能な少なくとも１つの入力手段１７を有している。この少なくとも１つの入力手段１７は、オペレータ側からの制御コマンドもしくは操作処理を検出するために用いられる。好ましくは力、圧力又はその他の物理的な変量を検出するための多数のセンサから形成されている、この入力手段１７に、動作設定手段５の器具固定のローカル座標システムＫLに関する動作方向が対応づけられている。その場合に自動化システム１は、上で詳細に説明してあるように、マニピュレータ３のワールド座標システムＫW内のローカルな座標システムＫLの方位に従って、動作設定手段５のローカルな座標システムＫLに関するこの動作方向を、マニピュレータ３のワールド座標システムＫWに関して等価の、あるいは等しく方位付けされた動作方向に換算し、あるいは変換するためように、整えられている。
【００９２】
動作設定手段５は、さらに入力部材１８を有しており、それを操作することによって第１の駆動モードから第２の駆動モードへ、あるいは第２の駆動モードから第１のそれへの交代を、オペレータの側から直接行わせることができるか、あるいはその入力手段１８によってあらかじめ定められた、駆動モードを自動的に変更するための限界値が一時的に意図的に次のように、すなわち駆動モードのこの変化がより迅速に行われるように、あるいはこの入力部材１８の操作が駆動モードの自動的に作動される変化を制御技術的に蓋然化するための付加的な情報として取り入れられるように、変化可能である。さらに動作設定手段５は、少なくとも１つの視覚的に理解可能な表示部材１９を有することができ、その表示部材１９はオペレータにシステムが第１の駆動状態にあるか、第２の駆動状態にあるかを知らせるように、整えられている。
【００９３】
実施形態によれば、動作設定手段５もしくはその検出手段９’がセンサ２０を有し、動作させるべき対象物２がこのセンサ２０によって検出可能なマーキング又は目印を有することも可能である。これに関連して検出手段９’は、センサ２０によってマーキング又は目印が検出された場合に動作設定手段５を第２の駆動モードへ移行させるように、形成されている。場合によってはメモリユニット２１、２１’を設けることもでき、このメモリユニットは補正値を記憶するために設けられており、その補正値が方位を求めるユニット８、８’によって読み出し可能もしくは利用可能である。特に、方位を求めるユニット８、８’が動作情報を計算する経過において慣性センサ７のセンサ信号をこれらの補正値によって計算器的に補正することができ、それによってより正確な、もしくはより長期的に利用可能な動作もしくは方位が求められる。
【００９４】
持ち運ぶことができる動作設定手段５の内部で制御技術的な操作を実施することができるようにするために、そのハウジングの内部に少なくとも１つの電気化学的エネルギ源２２、たとえばバッテリ又は繰り返し充電可能なアキュムレータが設けられている。この電気化学的なエネルギ源２２の充電は、電気的な接点を介して、あるいは誘導結合を介して行うことができる。
【００９５】
実施例は可能な実施変形例を示すものであって、その場合にここで記録しておくが、本発明は具体的に示されたその実施変形例に限定されるものではなく、むしろ実施変形例を互いに様々に組み合わせることも可能であって、これらの変形可能性は本発明による技術的に取り扱うための教示に基づいてこの技術的分野で活動する当業者の裁量の範囲内にある。
【００９６】
保護領域は、請求項によって定められている。しかし明細書と図面が、請求項を解釈するために利用される。図示され、かつ説明された様々な実施例からなる個別特徴又は特徴の組み合わせは、それ自体自立した進歩的解決を表すことができる。自立した進歩的解決の基礎となる課題は、説明から読み取ることができる。
【００９７】
最後に形式的に指摘しておくが、構造を理解しやすくするために、部材は一部縮尺通りでなく、かつ／又は拡大及び／又は縮小して示されている。
【符号の説明】
【００９８】
１    システム
２    対象物
３    マニピュレータ
４    エンドエフェクタ
５    動作設定手段
６、６’    制御装置
７    慣性センサ
８、８’    方位を求めるユニット
９、９’    検出手段
１０    通信接続
１１、１１’    送信及び受信装置
１２    スイッチ要素
１３    安全制御
１４    入力手段
１５    イネーブルスイッチ
１６    結合装置
１７    入力手段
１８    入力部材
１９    表示部材
２０    センサ
２１、２１’    メモリユニット
２２    エネルギ源
ＫW    ワールド座標システム
ＫL    ローカル座標システム
ＫE    エフェクタ座標システム
ＫR    基準座標システム
【図１】
2019512785.tif 000011
【図２】
2019512785.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月8日(2018.1.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
構成部品自体、たとえば風防ガラス、車両シート、エンジンなどは、しばしば特殊な保持装置によって収容され、その保持装置はブーム又はロボットアームに固定されており、もしくはそれと結合可能である。ロボットアームの場合には、たとえば保持装置のあらかじめ定められた箇所に直接様々な操作部材が配置されており、それらによって保持装置の走行方向をオペレータが設定することができる。
特許文献１は、目標点内もしくは目標位置において工業用ロボット、特に多軸工業用ロボットの工具の少なくとも１部をできる限り正確に位置決めする方法と装置を記述している。その場合に制御技術的に実施される工業用ロボットの移動に基づく実際位置もしくは時間的に変化する実際位置は、慣性測定システムによって定められる。慣性測定システムによって検出された、目標位置からの工業用ロボットの位置偏差は、それに続いて、工業用ロボットの制御技術的な移動補正のために利用される。その場合に慣性測定システムは恒久的かつ固定的に、とくにできるだけ堅固に工業用ロボットの制御移動される部分と結合されており、かつそのＴＣＰ（Tool Center Point）の近傍に配置されている。工業用ロボット上の慣性測定システムを校正するために、このシステムが工業用ロボットを介して空間内の既知の目標点へ移動される。代替的に、あるいはそれと組み合わせて、慣性測定システムの校正を、外部の測定システムによって行うことができる。慣性測定システムの慣性センサの不可避の時間的ドリフトを補償することができるようにするために、慣性システムは繰り返し調整もしくは校正される。慣性測定システムのセンサデータが工業用ロボットの制御によって直接処理されて、工業用ロボットの移動制御内へ流入した後に、所望の目的点もしくは目標点における工業用ロボットもしくはそのＴＣＰのきわめて正確な、特に自動的に閉ループ制御される位置決めを行うことができる。
特許文献２は、工業用ロボットのための制御システムに関するものであって、それにおいて工業用ロボットの複数の部分に、あるいはその工具に、手動で操作可能な移動設定手段を取り付けることができる。工業用ロボットに必要に応じて取り付け可能かつ取り外し可能な、ジョイスティックの形式で形成することができる移動設定手段は、操作者によって持ち運び可能なハンド操作器具と無線技術的に作用接続されている。移動設定手段において導入された移動制御指令がハンド操作器具を介して工業用ロボットの固定の制御装置へ伝達され、その制御装置がこの移動制御指令を考慮しながら工業用ロボットを駆動する。その場合にハンド操作器具内に調整プロシージャを実装することができ、その場合に操作者は、工具もしくは工業用ロボットのエンドエフェクタの座標システムを工業用ロボットのワールド座標システムによって調節するために、ハンド操作器具のモニタを介して指導される。その場合に操作者は、ハンド操作器具のモニタを介して、エンドエフェクタに、あるいは工業用ロボットのその他の部分に設けられた移動設定手段をどの方向に向けるべきか、そして取り付けるべきか、を指示される。
特許文献３又は特許文献４は、工業用ロボット又はその他の多軸制御される操作装置の移動又はシーケンスをプログラミング又は設定する方法に関する。その場合に操作者が手動で案内すべき移動設定手段を介して、工業用ロボットの移動制御又はシーケンスプログラミングのためのデータと制御指令の少なくとも一部が形成される。これらの制御指令は、工業用ロボットによって実質的に遅延なしで変換される。その場合に重要なことは、手動で案内すべき移動設定手段による移動設定から、かつ／又は工業用ロボットによって実施される移動の、センサにより検出された測定値から、かつ／又は制御システムによって形成された制御指令から、移動特性量が求められて、上限値と比較されること、及び上限値を上回った場合に工業用ロボットの移動又はシーケンス変化が即座に、あるいは定められた制限された過渡相の後に、停止されることである。代替的に、あるいはそれと組み合わせて、移動特性量が上限値に定められたように近づいた場合、あるいは、上方の限界値よりも低い下方の限界値を超えた場合に、警告信号の出力によって操作者に上限値が近いこと、あるいは近づいていることが知らされる。それによって操作者の移動設定と工業用ロボットによる移動実施との間が望ましくないように互いに離れてしまうことを防止することができ、もしくは意図移動もしくは設定移動と実際移動との間が互いに離れることに付随する危険と問題を減少させることができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
特許文献５に記載された先行して知られている形態においては、空間内のグリップの位置と方位は加速度センサを介して直接求めることはできず、既知の基準位置に基づいて探知するしかないことが、考慮されずに残されている。さらに、グリップのそれぞれの時点において存在する位置と方位は、時間的に離散して準備されるセンサ信号の連続的な積分によって求められなければならず、その場合にセンサ信号は、運動の実施によってそれぞれ変化する。さらに、この種のセンサ信号にはエラー、特に偶然のエラー又はシステマティックなエラーが付随しており、それらは時間の経過において積分によって加算され、かつ徐々に、計算された位置及び方位と実際のそれらとの間にだんだんと大きくなる偏差をもたらす。したがって特許文献５に記載された装置においては、規則的な間隔で、もしくは予測できないように変化するタイムスパンにおいて、装置の新規較正が必要となる。その場合に空間内のグリップの実際に存在する位置は、既知の基準位置を占めて確認することによって求められなければならない。このような新規較正のための時間間隔は、方位を求めることに限定し、空間内の位置の決定を度外視する限りにおいて、通常の、もしくは経済的に好ましい加速度センサに関して、今日では数分の規模にある。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
特許文献６には、同様に、工作物に取り外し可能に固定するためのグリップが開示されており、そのグリップはロボットに動作コマンドを出力するために設けられており、その場合にグリップの方位は同様に加速度センサによって求められ、かつグリップの方位に従って動作コマンドがロボット運動を調節する。再較正のプロセスは、ここでは、グリップが大体において工作物を介在させてロボットに結合された後に、ロボットのあらかじめ定められた、もしくは既知のテスト運動によって行われる。ロボットのこの短いテスト運動の間に、グリップ内の加速度センサが応答する。その場合にグリップ内の加速度センサによって検出されたロボットのテスト運動を介して、ロボットのワールド座標システムに関する運動設定手段の実際の方位が帰納的に推定される。それに続くグリップの位置変化は、グリップに内蔵されている加速度センサによって追従されて、算術的に求められる。その場合にセンサエラーによって、グリップのセンサ及び計算器によって求められた方位の時間的ドリフトに内在する問題は、残ったままである。さらに、たとえば比較的長い停止時間の後、あるいは長く続く、もしくは高ダイナミックな運動サイクルの後に、新たな較正が実施される。システム全体を再較正するためのこの種のテスト運動の実施がすべての場合において、もしくはすべての種類の工作物において可能ではなく、特にコンポーネントがきわめて大きい場合、あるいはスペース状況がきわめて狭い場合に、可能ではないことを別にして、これらのテスト運動は所定の時間消費を必要とし、その時間消費が望ましくないことにシリーズ製造におけるサイクル時間を延長してしまう。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１５２５９５４（Ａ２）号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第２１９４４３４（Ａ１）号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第２５８００２７（Ａ１）号明細書
【特許文献４】国際公開第２０１１／１５３５６９（Ａ１）号
【特許文献５】独国特許出願公開第１０２００９０１２２１９（Ａ）号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１０２０１４００４９１９（Ａ１）号明細書
【国際調査報告】
2019512785.tif 000013
2019512785.tif 000014
2019512785.tif 000015
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