Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Fahrbetriebs eines ferngesteuerten Fahrzeugs mit einem Manipulator sowie ein hierfür geeignetes Betriebsverfahren. Insbesondere findet die Erfindung Anwendung bei Unterwasserrobotern (so genannten Remotely Ope- rated Vehicles, ROVs), also Unterwasserfahrzeugen mit Manipulatoren, die z.B. ferngesteuert Reparaturarbeiten und/oder Wartungsaufgaben durchführen können.

Es ist bekannt, dass deren Bedienung meist mehrere Personen gleichzeitig erfordert, wobei eine Person das Fahrzeug und eine andere Person den Manipulator steuert. Dies ist ineffizient, teuer und erfordert eine klare und abgestimmte Kommunikation zwischen allen beteiligten Akteuren.

Es ist zudem möglich, dass ein einzelner Bediener wechselweise Fahrzeug und Manipulator steuert, wobei z.B. das Fahrzeug vorübergehend am Meeresgrund an einer festen Position abgestellt wird, damit dieses lagefixiert ist. Dann könnte der Bediener zwischen der Steuerung des Fahrzeugs und der Steuerung des Manipulators umschalten. Möchte er den Endeffektor des Manipulators dann zu einer Position außerhalb seines Arbeitsbereichs bewegen, müsste er dazu aber zunächst wieder umschalten und dann erst das Fahrzeug und danach den Manipulator umständlich neu positionieren. Dies ist besonders ungünstig, wenn eine Vielzahl kleiner bzw. kurzzeitiger Manipulationsaufgaben über einen großen Raum durchgeführt werden müssen, z. B. entlang einer Pipeline.

Hierbei kann ein entsprechender Manipulator mittels einer kartesischer Geschwindigkeitsregelung gesteuert werden, wobei die gewünschte Endeffektorgeschwindigkeit (Geschwindigkeit eines am Manipulator angeordneten Endeffektors) in Fahrzeugkoordinaten angegeben wird, also die Lineargeschwindigkeit des Endeffektor relativ zum Fahrzeug und in Fahrzeugkoordinaten ausgedrückt wird.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Ver- fahren zu schaffen, die die genannten Nachteile lindern oder sogar vermeiden. Insbesondere soll auf konstruktiv einfache Weise der Betrieb eines Manipulators an einem ferngesteuerten Fahrzeug verbessert werden. Außerdem soll das Verfahren eine Regelung für einen Manipulator schaffen, die auf einfache Weise die Fernsteuerung des Manipulators und des Fahrzeugs durch eine einzelne Person ermöglicht.

Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfin- dung anführen, die mit den Merkmalen aus den Patentansprüchen kombinierbar sind.

Hierzu trägt eine Vorrichtung zur Regelung des Fahrbetriebs eines ferngesteuerten Fahrzeugs mit einem Manipulator bei, wobei das Fahrzeug einen Fahrzeugantrieb und der Manipulator einen Manipulatorantrieb aufweist. Die Vorrichtung umfasst zumindest

- eine Eingabeeinrichtung zumindest für positionsbezogene Koordinaten oder Geschwindigkeiten des Manipulators, und

zumindest eine Steuereinrichtung für den Manipulator, eingerichtet zum Empfang zumindest von positionsbezogenen Koordinaten oder Geschwindigkeiten für den Manipulator, zur Steuerung des Manipulatorantriebs und zur Steuerung des Fahrzeugantriebs.

Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um eines der eingangs genannten Art. Es kann ein kabelgeführtes Unterwasserfahrzeug für Anwendungen in Wissenschaft und Industrie sein. Derartige Fahrzeuge, insbesondere ROVs, können in der Öl- und Gasindustrie für Montage-, Wartungs- und Inspektionsarbeiten im Offshore- Bereich eingesetzt werden. ROVs können mit einer Kabelverbindung zur Energie- und Informationsübertragung an ein Überwasserschiff angeschlossen sein. Im Gegensatz dazu arbeiten so genannte Autonomous Under- water Vehicles (AUV) ohne eine Kabelverbindung, sie führen ihren Energievorrat in Batterien oder Akkumulatoren mit sich. Das hier vorgestellte Konzept ist daneben auch bei anderen mobilen Manipulationssystemen, bestehend z. B. aus einem Manipulator auf einer mobilen Basis, einsetzbar, bspw. Flugroboter, mobile Industrieroboter, Raumfahrzeuge oder auch Arbeitsmaschinen wie Bagger oder dergleichen.

Als Manipulator wird insbesondere ein Roboter angesehen, der mit einem Endeffektor ausge- stattet ist, bspw. einem Werkzeug, einem Greifarm, einem Schweißgerät, Sensorträger oder dergleichen. Ein Manipulator kann als das Gerät angesehen werden, das eine Interaktion mit bzw. eine Veränderung der Umgebung ermöglicht, also z. B. der bewegliche Teil des Roboteraufbaus, der die mechanische Arbeit des Roboters durchführt. Als Endeffektor kann das letzte Element einer kinematischen Kette des Roboters bzw. des Manipulators bezeichnet wer- den.

Das Fahrzeug hat ein Antriebsaggregat (Fahrzeugantrieb); ebenso hat der Manipulator ein Antriebsaggregat (Manipulatorantrieb). Fahrzeug und Manipulator haben bevorzugt ein eigenes Antriebsaggregat. Es ist aber auch möglich, dass (zumindest teilweise) ein gemeinsames Antriebsaggregat vorhanden ist, von dem die Antriebe für das Fahrzeug und den Manipulator abgeleitet sind. Die Antriebsaggregate können jeweils einen elektrischen Antrieb aufweisen, wie bspw. einen Elektromotor und/oder über Hydrauliksysteme angetrieben werden. Der Fahrzeugantrieb ist insbesondere eingerichtet, um eine Bewegung des gesamten Fahrzeugs zu veranlassen. Bei flurgebundenen Fahrzeugen kann der Fahrzeugantrieb beispielsweise den Betrieb von Rädern, Ketten und dergleichen bedarfsgerecht einstellen. Bei nicht-flurgebundenen Fahrzeugen kann der Fahrzeugantrieb beispielsweise den Betrieb von Propellern, Düsen, Turbinen und dergleichen bedarfsgerecht einstellen. Der Manipulatorantrieb ist insbesondere eingerichtet, um eine Bewegung des Manipulators zu veranlassen. Dem Manipulatorantrieb können mehrere Antriebsaggregate zugeordnet sein, um beispielsweise den Endeffektor ent- sprechend vorbekannten Achsen verfahren und/oder um vorbekannte Achsen rotieren zu können.

Die Eingabeeinrichtung, z. B. ein Joystick, eine 3D-Maus, ist eingerichtet, um positionsbezo- gene Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten des Manipulators einzugeben bzw. vorzuge- ben.„Positionsbezogen" bedeutet hier insbesondere, dass die Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten relativ zu einem ortsfesten Koordinatensystem eingegeben werden können. Die Eingabevorrichtung kann insoweit als Mensch-Maschine-Schnittstelle angesehen werden. Durch die Eingabeeinrichtung werden das Fahrzeug und/oder der Manipulator ferngesteuert. Die Eingabeeinrichtung kann mit Schaltern, Reglern, Hebeln, etc. ausgeführt werden, deren Bewegung bzw. Betätigung in eine vorgegeben Bewegung des Fahrzeugs und/oder des Manipulators (bzw. Endeffektors) überführt wird. Die Eingabeeinrichtung befindet sich folglich nicht an oder in dem Fahrzeug sondern davon entfernt, im Fall eines ROVs z. B. an Bord des Überwasserschiffs.

Die zumindest eine Steuereinrichtung für den Manipulator ist eingerichtet zum Empfang von positionsbezogenen Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten, die durch die Eingabeeinrichtung eingegeben werden. Die Steuereinrichtung steuert hierdurch den Manipulatorantrieb. Die zumindest eine Steuereinrichtung kann zudem den Manipulatorantrieb und den Fahrzeugan- trieb gemeinsam steuern bzw. auch nur den Fahrzeugantrieb allein. Die Steuereinrichtung ist insbesondere so eingerichtet, dass diese eigenständig erkennt, wenn der Endeffektor und/oder der Manipulator die seitens der Eingabeeinrichtung vorgegebene Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten aktuell allein nicht erreichen kann und teilweise oder vollständig durch eine Bewegung des Fahrzeugs kompensiert werden muss. In dieser Situation kann die Steuerein- richtung dem Fahrzeugantrieb anweisen, die entsprechend erforderliche Bewegung auszuführen, insbesondere ohne dass der Bediener hierfür eine zusätzliche Maßnahme ergreifen muss und/oder dies eine andere Steuerungshandhabung seinerseits erfordert.

Es kann auch vorteilhaft sein, dass mehrere Steuereinrichtungen vorliegen und die Steuerein- richtung für den Manipulator mit einer (separaten) Steuereinrichtung für den Fahrzeugantrieb datenleitend in Verbindung steht, wobei dann (im Anwendungsfall) beispielsweise die Steuereinrichtung für den Manipulator nach Art eines„Masters" Steuerbefehle der Steuereinrichtung für den Fahrzeugantrieb vorgibt bzw. einstellt. Mit der hier vorgestellten Vorrichtung gelingt eine Vereinfachung der Fernsteuerung eines Systems bestehend aus mobilem Fahrzeug und Manipulator. Dabei kann sich ein einziger Bediener auf die Steuerung der Geschwindigkeit und/oder der Position des Endeffektors konzentrieren, ohne sich gleichzeitig Gedanken um die mobile Basis machen zu müssen. Das vorgeschlagene Regelkonzept übernimmt hierbei die Steuerung der mobilen Basis aus dem vom Bediener eingegebenen Steuerkommando des Manipulators derart, dass beim Bediener der Eindruck entsteht, er steuere einen Endeffektor mit unbegrenztem Arbeitsbereich.

Das Fahrzeug kann hierbei der Endeffektorposition derart folgen, dass sich der Endeffektor stets in bzw. nahe einem vordefinierten„sweetspof befindet, also beispielsweise einer idealen Konfiguration mit größtmöglicher Flexibilität. Das kann z. B. der geometrische Mittelpunkt seines Arbeitsraumes, in dem Aktionen des Endeffektors erforderlich sind, und/oder die Position relativ vom Arbeitsbereich des Manipulators mit maximal erreichbaren Endeffektorgeschwindigkeiten sein. Arbeitsbereiche von Manipulatoren können komplexe Formen annehmen (z.B. in rein zweidimensionaler Betrachtung: sichelförmig), wodurch der geometrische Mittelpunkt außerhalb des Arbeitsbereichs und/oder des Arbeitsraums liegen kann. Als„sweet spof kann ein Punkt des Arbeitsraums angesehen werden, der über den größtmöglichen Abstand hin zu den Rändern des Arbeitsraumes verfügt. Der Arbeitsbereich ist insbesondere der Bereich, der von dem Endeffektor ausgehend von seiner Basis (dem Fahrzeug) erreicht werden kann und kann durch die Gestalt des Manipulators begrenzt sein. Die maximale Geschwindigkeit des Endeffektor selbst kann durch die dem Manipulatorantrieb zugeordneten Antriebsaggregate beschränkt sein.

Dies ermöglicht die kombinierte Regelung von Fahrzeug und Manipulator über lediglich vor- gegebene Endeffektorgeschwindigkeiten und/oder Endeffektorpositionen. Dies ermöglicht einer einzigen Person die intuitive Steuerung eines Fahrzeugs mit Manipulator statt entweder mehrere Bediener vorauszusetzen oder bei Manipulationsaufgaben in einem Arbeitsbereich größer als der Arbeitsraum eine regelmäßige Neupositionierung des Fahrzeugs vorzunehmen. Dieses Konzept findet besonders vorteilhaft Anwendung, wenn das Fahrzeug ein Unterwasserfahrzeug und der Manipulator ein Roboter mit einem Endeffektor ist.

Bevorzugt steht die Eingabeeinrichtung mit der Steuereinrichtung für den Manipulator in (datenleitender) Verbindung, die (unmittelbar) an den Manipulatorantrieb und (unmittelbar oder mittelbar über eine Fahrzeugsteuerung) an den Fahrzeugantrieb angeschlossen ist.

Mit Vorteil bestimmen die positionsbezogenen Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten für den Manipulator die positionsbezogenen Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten für das Fahrzeug.

Wenn das Fahrzeug ortsfest ist, kann die Steuereinrichtung allein den Manipulatorantrieb regeln. Wird seitens der Eingabeeinrichtung eine Geschwindigkeit vorgegeben, die die maximale Geschwindigkeit des Endeffektors überschreitet, kann die Steuereinrichtung in Ergänzung zu- sätzlich den Fahrzeugantrieb regeln, damit die vorgegebene Geschwindigkeit insgesamt erreicht werden kann. Wird seitens der Eingabeeinrichtung eine positionsbezogene Koordinate vorgegeben, die Gestalt des Manipulators nicht erreicht werden kann (außerhalb des Arbeitsraums), kann die Steuereinrichtung in Ergänzung zusätzlich den Fahrzeugantrieb regeln, da- mit das Fahrzeug eine Position anfährt, aus der die positionsbezogene Koordinate erreicht werden kann.

Während der Bewegung des Fahrzeugs kann die Steuereinrichtung ausgehend von einer vorgegebenen Bewegung des Manipulators auch die Bewegung des Fahrzeugs anpassen. Hier liegt ein besonderes bzw. die bevorzugte Einsatzmöglichkeit der Erfindung. Dabei kann die Steuereinrichtung vorgeben, zu welchem Umfang z.B. die Geschwindigkeit des Endeffektors über den Manipulatorantrieb und/oder den Fahrzeugantrieb realisiert wird.

Das Verfahren kann bei einem nicht-ortsfesten Fahrzeug folgendermaßen ausgeführt werden. - Der Benutzer gibt stets die gewünschte Geschwindigkeit des Endeffektors vor.

- Solange sich der Endeffektor innerhalb des ,ßweet spots" befindet, kann diese Bewegung nur über den Manipulator realisiert bzw. ausgeführt werden.

- Erst dadurch, dass die Endeffektorposition den„sweet spof verlässt, setzt sich das Fahrzeug mit dem Ziel in Bewegung, sich so auszurichten bzw. umzupositionieren, dass die Endeffektorkonfiguration im„sweet spof der tatsächlichen bzw. aktuellen Endeffektorkonfiguration entspricht.

Ein Beispiel: Der Bediener gibt als gewünschte Endeffektorgeschwindigkeit einen Vektor nach vorne vor. Zunächst setzt sich nur der Manipulator in Bewegung. Sobald der Manipulator seine „sweetspof- Konfiguration verlässt, bewegt sich das Fahrzeug mit, so dass letztendlich wieder eine ,ßweet spoi"-Konfiguration erreicht wird.

Vorzugsweise sind mindestens ein Sensor zur Erfassung der aktuellen Koordinaten und/oder zur Erfassung der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs vorgesehen. Bevorzugt ist die mindestens eine Steuereinrichtung eingerichtet, mindestens einen Sollwert für positionsbezo- gene Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten für das Fahrzeug zu berechnen. Weitere Details der Vorrichtung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Erläuterung zu dem Verfahren. Insbesondere können die Erläuterungen zu dem Verfahren hier ergänzend herangezogen werden. Ebenso gilt, dass die vorstehenden Erläuterungen zur Vorrichtung die Beschreibung des Verfahrens ergänzen können.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Regelung des Fahrbetriebs eines ferngesteuerten Fahrzeugs mit einem Manipulator vorgeschlagen, wobei das Fahrzeug einen Fahrzeugantrieb und der Manipulator einen Manipulatorantrieb aufweist, umfassend zumindest die folgenden Schritte:

a) Feststellen zumindest einer aktuellen Position oder Geschwindigkeit des Fahrzeugs und Manipulators;

b) Vorgeben von zumindest positionsbezogenen Koordinaten oder Geschwindigkeiten für eine gewünschte Bewegung des Manipulators;

c) automatisches Anpassen zumindest des Betriebs des Manipulatorantriebs oder des Be- triebs des Fahrzeugantriebs in Abhängigkeit der Ergebnisse aus zumindest Schritt c) oder Schritt d).

Es ist möglich, dass Schritt c) in Abhängigkeit der Ergebnisse aus zumindest einem der Prozesse i) oder ii) ausgeführt wird:

i) Berechnen, ob die gewünschte Bewegung des Manipulators allein mittels des Manipulatorantriebs erreichbar ist;

ii) Ermitteln, welche Bewegung das Fahrzeug ausführt oder für Prozess i) ausführen muss;

Schritt a) umfasst insbesondere die Feststellung, ob das Fahrzeug ortsfest positioniert ist oder sich bewegt. Das Verfahren findet insbesondere (nur) dann Anwendung, wenn festgestellt wird, dass sich das Fahrzeug bewegt. Ebenso kann festgestellt werden, ob der Manipulator (relativ zum Fahrzeug) ortsfest positioniert ist oder sich (zusätzlich) bewegt. So können insbesondere die aktuelle Lage und die aktuelle Bewegung (Geschwindigkeit und Richtung) eines Endeffektors des Manipulators bestimmt werden. Dies kann rechnerisch und/oder auf Basis sensorisch erfasster Messgrößen (z. B. der Antriebe) ermittelt werden. Es können in diesem Zusammenhang ggf. auch andere Betriebsparameter des Fahrzeugs und/oder des Manipulators herangezogen werden, um eine Überprüfung der aktuellen Fahrsituation des Fahrzeugs durchzuführen. Nun wird beispielsweise durch einen Bediener über eine Eingabeeinrichtung eine neue bzw. gewünschte Bewegung des Manipulators vorgegeben, indem positionsbezogene Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten des Manipulators (bzw. des Endeffektors) eingegeben werden (Schritt b)). Hierbei gibt der Bediener insbesondere die gewünschte Lineargeschwindigkeit des Endeffektors relativ zu einem ortfesten Koordinatensystem ausgedrückt in Fahrzeugkoordinaten an.„Positionsbezogen" bedeutet hier insbesondere, dass die Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten relativ zu einem ortsfesten Koordinatensystem vorgegeben werden.

Optional und ausgehend von der aktuellen Lage und Bewegung und in Kenntnis der ge- wünschten Bewegung des Manipulators kann gemäß Prozess i) rechnerisch (z. B. in einer entsprechend eingerichteten Steuereinrichtung) ermittelt werden, ob die Gestalt des Manipulators (und damit dessen Reichweite im Arbeitsraum) und/oder der Manipulatorantieb (und die damit erreichbaren maximalen Geschwindigkeiten) fähig sind, die gewünschte Bewegung des Manipulators allein zu realisieren. Eine zumindest teilweisen Einstellung der gewünschten Bewegung des Manipulators kann veranlasst werden, wenn die gewünschte Bewegung des Manipulators nicht allein mittels des Manipulatorantriebs erreichbar ist.„Allein" bedeutet hier insbesondere, dass die Bewegung bei unverändertem Betrieb des Fahrzeugantriebs (Stillstand oder fortgesetztem konstanten Fahrbetrieb) erreichbar ist. Geht aus der Berechnung nach Prozess i) hervor, dass die gewünschte Bewegung des Manipulators allein mittels des Manipulatorantriebs erreichbar ist, dann wird vorzugsweise nur der Betrieb des Manipulatorantriebs neu eingestellt.

Geht z. B. aus der Berechnung nach Prozess i) hervor, dass die gewünschte Bewegung des Manipulators nicht allein mittels des Manipulatorantriebs erreichbar ist, kann gemäß Schritt c) ein automatisches Aktivieren und Betreiben des Fahrzeugantriebs zur zumindest teilweisen Einstellung der gewünschten Bewegung des Manipulators erfolgen. Dabei ist möglich, dass die gewünschte Bewegung durch einen unverändertem (Stillstand oder fortgesetztem konstanten Fahrbetrieb) oder geändertem Betrieb des Manipulatorantriebs sowie (jedenfalls) ei- nem geändertem Fahrbetrieb des Fahrzeugantrieb eingestellt wird.

Nach dem optionalen Prozess ii) wird ermittelt, ob bzw. welche Bewegung das Fahrzeug (aktuell ausführt) und/oder für Prozess i) ausführen muss. Die Eigenbewegung des Fahrzeugs kann aufgrund einer früheren Vorgabe des Bedieners und/oder einer Störung im Raum (z. B. eine Wasserströmung oder ähnlichen) vorliegen. Diese Eigenbewegung des Fahrzeugs kann sensorisch und/oder rechnerisch bestimmt bzw. abgeschätzt werden. Damit kann die Geschwindigkeit und die Orientierung des Fahrzeugs relativ zum ortsfesten Koordinatensystem ermittelt werden. In Abhängigkeit der Vorgaben aus Schritt b) und/oder der Ergebnisse aus Prozess i) und/oder Prozess ii) kann dann zumindest der Betriebs des Manipulatorantriebs und/oder des Fahrzeugantriebs automatisch angepasst werden (Schritt c)). "Automatisch" bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass hierfür keine (zusätzliche, erneute und/oder angepasste) Eingabe von konkretisierten fahzeugbezogenen Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten (al- lein) für den Fahrzeugantrieb über eine Eingabevorrichtung erforderlich ist. Diese können aus den vorhandenen Eingabeinformationen aus Schritt b) rechnerisch abgeleitet bzw. erzeugt und direkt dem Manipulatorantrieb und/oder dem Fahrzeugantrieb vorgegeben werden. Ganz besonderes umfasst Schritt c), dass die eingegebenen positionsbezogenen Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten eines Endeffektors nun in fahrzeugbezogene Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten transformiert werden, wobei optional die aus Prozess ii) ermittelte Bewegung des Fahrzeugs einbezogen wird. Damit können nach der Transformation dem Manipulatorantrieb und/oder Fahrzeugantrieb (wie bisher) fahrzeugbezogene Steuerbefehle vorgegeben werden. Die Bewegung kann eine translatorische und/oder eine schwenkende und/oder eine rotierende Bewegung im Raum sein. Demnach kann auch der Betrieb des Fahrzeugantriebs und/oder des Manipulatorantriebs so erfolgen, dass diese verschiedenen Komponenten (Orientierungen) der Bewegung separat oder gemeinsam einstellbar sind. Insbesondere wird hier von einem sich während der Durchführung des Verfahrens gleichzeitig bewegenden Fahrzeug ausgegangen. Die Bewegung des Fahrzeugs kann durch eine externe Störung auftreten (z. B. eine Strömung von Luft oder Wasser etc.) und/oder durch eine gewollte bzw. vorgegebene Eigenbewegung des Fahrzeugs. Die Regelung bzw. das Verfahren kann diese Störung und/oder Eigenbewegung bei der Steuerung des Manipulators bzw. End- effektors kompensieren.

Der Bediener kann z. B. die gewünschte Lineargeschwindigkeit des Endeffektors relativ zu einem ortfesten Koordinatensystem in Fahrzeugkoordinaten angeben. Eine bewegungskom- pensierte Endeffektorgeschwindigkeit lässt sich damit aus der gewünschten Endeffektorge- schwindigkeit, der Eigenbewegung des Fahrzeugs und der aktuellen Endeffektorposition bestimmen. Hierfür erforderliche Größen können zumindest teilweise direkt gemessen oder indirekt mittels Sensoren und/oder einer Zustandsschätzung bestimmt werden. Die Schritte a) bis c) werden bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt, wobei gleichwohl die Schritte zumindest teilweise zeitlich überlagert und/oder separat wiederholt werden können. Gleiches gilt für die Prozesse i) und/oder ii), wobei diese bevorzugt nach einem zugehörigen Schritt b) und/oder vor einem zugehörigen Schritt c) ausgeführt werden. Bevorzugt umfasst das vorgeschlagene Verfahren die folgenden Schritte:

- Bestimmen eines Arbeitsraumes für das Fahrzeug und den Manipulator;

- Bestimmen einer vorgebbaren Arbeitsposition des Fahrzeugs im Arbeitsraum in Abhängigkeit eines Arbeitsbereichs des Manipulators;

- Betreiben des Fahrzeugantriebs (in Schritt c) bzw. gemäß Prozess ii)) derart, dass das Fahrzeug zu der vorgebbaren Arbeitsposition bewegt wird.

Das Fahrzeug mit dem Manipulator hat üblicherweise eine oder mehrere Aktionen innerhalb eines Arbeitsraumes (z. B. unter Wasser) auszuführen. Dabei kann es sich um die Anfertigung einer Schweißnaht entlang eines Rohres handeln. Ebenso ist möglich, dass eine Vielzahl von Schaltern oder Ventilen an einem oder mehreren Geräten betätigt werden sollen. Damit kann der Arbeitsraum für die gewünschte Tätigkeit bestimmt bzw. vorgegeben sein.

Ausgehend von dem Fahrzeug als Basis für den Manipulator hat letzterer nur eine begrenzte Reichweite, die einen Arbeitsbereich des Manipulators definiert. Als Arbeitsbereich kann der Bereich im Raum benannt werden, der allein durch Betrieb des Manipulatorantriebs vom Endeffektor erreicht werden kann. In Abhängigkeit der auszuführenden Aktionen bzw. dem Arbeitsraum und dem (ggf. kleinen) Arbeitsbereich des Manipulators kann dem Fahrzeug eine Arbeitsposition vorgegeben werden, die eine geeignete Ausrichtung des Manipulators und/oder eine größtmögliche Überdeckung von Arbeitsraum und Arbeitsbereich ermöglicht. Hierbei kann es sich um den so genannten„sweet spof handeln.

Es ist nun vorteilhaft, dass der Betrieb des Fahrzeugantriebs in Schritt c) bzw. Prozess ii) so erfolgt, dass das Fahrzeug zu dieser vorgegebenen Arbeitsposition bewegt wird, wenn die gewünschte Bewegung des Manipulators ausgeführt wird. Wenn die gewünschte Bewegung des Manipulators außerhalb des aktuellen Arbeitsbereichs liegt, kann das Fahrzeug (automatisch) für die gewünschte Bewegung bzw. Aktion wieder den„sweet spof und damit eine besonders geeignete Position für die Folgeaktionen einnehmen. Die Fahrzeugsteuerung wird aktiv bzw. Prozess ii) und/oder Schritt c) wird initiiert, wenn der Manipulator sich von seiner„sweef spoi"-Konfiguration entfernt hat. Der Betrieb des Fahrzeugantriebs erfolgt derart, dass das Fahrzeug so umpositioniert wird, dass der Manipulator bzw. insbesondere der zugeordnete Endeffektor an der gleichen Position bleibt, am Ende allerdings wieder seine ,ßweet-spof- Konfiguration einnimmt. Die dafür nötige Eigenbewegung des Fahr- zeugs kann als Funktion von der Abweichung zwischen aktueller Position und„sweet-spof- Position in Fahrzeugkoordinaten berechnet werden.

Im Fahrbetrieb kann das Fahrzeug mit einem daran angebrachten Manipulator durch ein Eingabegerät (z. B. Joystick, eine 3D-Maus) ferngesteuert werden. Ein Bediener gibt durch das Eingabegerät z. B. die gewünschte absolute Endeffektorgeschwindigkeit vor. Die Regelung des Manipulators verwendet diese gewünschte Endeffektorgeschwindigkeit und die aktuelle (geschätzte, berechnete oder sensorisch ermittelte) Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs, um diese zu kompensieren bzw. anzupassen. Über die inverse Kinematik des Manipulators wird die gewünschte Endeffektorgeschwindigkeit in Manipulatorkoordinaten schließlich Gelenkge- schwindigkeiten transformiert und umgesetzt.

Die Regelung des Fahrzeugs zielt darauf ab, den Manipulator in die oben genannte„sweet spof- Konfiguration zu bringen. Verfügt das Fahrzeug bereits über einen Geschwindigkeitsregler, kann es Kommandos in Form von Linear- und Rotationsgeschwindigkeiten entgegenneh- men. Für die Fahrzeugregelung beziehungsweise von der Steuerungseinrichtung wird die Abweichung der aktuellen Endeffektorposition von der„sweet spof - Endeffektorposition in Fahrzeugkoordinaten verwendet, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu berechnen.

Die Translationsgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist eine direkte Funktion der Abweichung des Endeffektors von seinem„sweet spof , geregelt z. B. mit Hilfe eines PID- Reglers. Zusätzlich kann der Bediener eine Rotationsbewegung des Endeffektors um die Hochachse (z-Achse) wünschen. In diesem Fall wird ein weiterer Term addiert, um eine Rotation des Gesamtsystems aus Fahrzeug und Manipulator um dessen Endeffektor zu bewirken. Hier auch beschrieben werden sollen Vorrichtung zur Regelung des Fahrbetriebs eines ferngesteuerten Fahrzeugs mit einem Manipulator, welche zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium auf dem dieses Computerprogramm gespeichert ist.

Die hier aufgezeigte Vorrichtung und/oder Methode betrifft die Steuerung insbesondere eines Unterwasserfahrzeugs, das mit einem Werkzeug, einem Greifarm, o. Ä. ausgestattet ist. Es ist ein Bedienkonzept angegeben, bei dem der Bediener nur die Koordinaten des Werkzeugs per Steuerung (Joystick) vorgibt. Das Fahrzeug folgt den Koordinaten des Werkzeugs. Der Bediener kümmert sich also nicht um die Steuerung der Fahrzeugposition, sondern kann das Werkzeug steuern, als ob es vom Fahrzeug losgelöst agieren würde.

Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Darstellungen sind schematisch und nicht zur Veranschaulichung von Größenverhältnissen vorgesehen. Die mit Bezug auf einzelne Details einer Figur angeführten Erläuterungen sind extrahierbar und mit Sachverhalten aus anderen Figuren oder vorstehenden Beschreibung frei kombinierbar, es sei denn, dass sich für einen Fachmann zwingend etwas anderes ergibt bzw. eine solche Kombination hier explizit untersagt wird. Es zeigen schematisch:

Fig. 1: ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug mit einem Manipulator, das über ein Kabel mit einem Unterstützungsschiff an der Meeresoberfläche verbunden ist,

Fig. 2: eine Anordnung wie in Fig. 1, jedoch mit einer kabellosen Verbindung zwischen dem Unterwasserfahrzeug und dem Unterstützungsschiff,

Fig. 3: ein Unterwasserfahrzeug mit einer elektronischen Steuereinrichtung, die mit einer Eingabeeinrichtung sowie mit dem Manipulatorantrieb und dem Fahrzeugantrieb verbunden ist, und

Fig. 4: eine Darstellung zu einem Ausführungsbeispiel für eine kompensierte Manipulatorsteuerung für eine Endeffektorgeschwindigkeitsregelung. Nach Fig. 1 ist als Fahrzeug 2 ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug mit einem Manipulator 3 vorhanden, wobei das Fahrzeug 2 einen Fahrzeugantrieb 4 und der Manipulator 3 einen Manipulatorantrieb 5 aufweist. Das Fahrzeug 2 (ROV) ist über ein Kabel 6 mit einer schwimmenden Master- Steuerungs-Station 7 verbunden, die auf einem Unterstützungsschiff 8 an der Meeresoberfläche 9 installiert ist. Das Unterwasserfahrzeug ist mit der Kabelverbindung zur Energie- und Informationsübertragung an die Master-Steuerungs- Station 7 angeschlossen.

An dem Fahrzeug 2 ist als Manipulator 3 ein Roboter mit einem Endeffektor 10 angebracht. Mit dem steuerbaren Endeffektor 10, der als Werkzeug, Greifarm, Schweißgerät, Sensorträger o. dgl. ausgebildet sein kann, können bspw. Montage-, Wartungs- oder Inspektionsarbeiten durchgeführt werden. Der Fahrzeugantrieb 4 und der Manipulatorantrieb 5 umfassen (nicht dargestellte) steuerbare Elektromotoren.

Gemäß Fig. 2 ist das ferngesteuerte Fahrzeug 2 ein autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV). Die datenleitende Verbindung zwischen der Master-Steuerungs- Station 7 und einer Steuerung 11 (s. Fig. 3) ist kabellos realisiert. Dazu sind am Unterstützungsschiff 8 eine Sendeantenne 13 und am Fahrzeug 2 eine Empfangsantenne 14 angebracht.

Fig. 2 veranschaulicht zudem, dass das Fahrzeug 2 in bzw. nahe einer vordefinierten Arbeits- position 22 (z. B. dem so genannten„sweet spof) positioniert ist, damit der Manipulator 3 mit größtmöglicher Flexibilität. Das kann z. B. der geometrische Mittelpunkt seines Arbeitsraums 20 oder die Position mit maximal erreichbaren Endeffektorgeschwindigkeiten sein. Der Arbeitsbereich 21 ist insbesondere der Bereich, der von dem Endeffektor 10 ausgehend von seiner Basis (dem Fahrzeug 2) erreichen kann und kann durch die Gestalt des Manipulators 3 be- grenzt sein. Ein ,ßweet spof für das Fahrzeug 2 kann die Position sein, die eine maximale Entfernung in (alle) Richtung(en) eines vorgegebenen Arbeitsbereichs 21 hat, in dem Aktionen des Endeffektors 10 ausgeführt werden sollen. Es ist auch möglich, dass die Arbeitsposition 22 der ist, der mit möglichst geringen Bewegungen des Fahrzeugs 2 eine größtmögliche Überlappung von Arbeitsbereich 21 des Manipulators 3 und des gesamten Arbeitsraumes 20 er- möglicht.

Entsprechend Fig. 3 ist an dem Fahrzeug 2 eine elektronische Steuereinrichtung 11 installiert, die mit einer Eingabeeinrichtung 12 sowie mit dem Manipulatorantrieb 5 und dem Fahrzeugantrieb 4 verbunden ist. Die Eingabeeinrichtung 12 ist Teil der Master- Steuerungs-Station 7 (s. Fig. 1) auf dem Unterstützungsschiff 8 und bspw. als Joystick oder 3D-Maus ausgebildet. Sie dient der Eingabe für positionsbezogene Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten des Manipulators 3 in die Steuereinrichtung 11. Weiterhin ist die Steuereinrichtung 11 eingerichtet zum Empfang der positionsbezogenen Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten für den Manipulator 3, zur Steuerung des Manipulatorantriebs 5 und zur Steuerung des Fahrzeugantriebs 4. Die (mindestens eine) datenleitende Verbindung 19 zwischen der Steuereinrichtung 11 einerseits und der Eingabeeinrichtung 12, dem gesteuerten Fahrzeugantrieb 4 und dem gesteuerten Manipulatorantrieb 5 andererseits kann kabelgebunden (s. Fig. 1) oder kabellos (s. Fig. 2) realisiert sein. Einzelne Aspekte der hier vorgeschlagenen Vorrichtung bzw. des vorgeschlagenen Verfahrens werden nun anhand der Darstellungen in Fig. 4 näher erläutert.

Im oberen Bereich von Fig. 4 sind die unterschiedlichen (kartesischen) Koordinatensysteme veranschaulicht, wobei x, y, und z für aufeinander senkrecht stehende Raumachsen stehen. Mit„N" ist ein ortsfestes Referenzkoordinatensystem, mit„B" das Fahrzeugkoordinatensystem und mit„E" das Endeffektorkoordinatensystem bezeichnet.„E _s " veranschaulicht das Endeffektorkoordinatensystem, wo der Manipulator bei der aktuellen Fahrzeugposition und Fahrzeugorientierung in seiner„sweet spoi"-Konfiguration wäre. Im unteren Bereich von Fig. 4 ist ein Aufbau einer Vorrichtung 1 mit einer Steuerung 15 veranschaulicht. Die Steuerung 15 weist eine Manipulatorsteuerung 15s und eine Fahrzeugsteuerung 154 auf. Weiterhin steht die Steuerung 15 mit mindestens einem Sensor 16 und/oder einer Zustandsschätzmaschine 17 datenleitend in Verbindung, wobei diese auch Teil der Steuerung 15 selbst sein können. Die Manipulatorsteuerung lös (als Teil der Steuerung 15) regelt den Betrieb des Manipulatorantriebs 5 und die Fahrzeugsteuerung 154 (als Teil der Steuerung 15) regelt den Betrieb des Fahrzeug- antriebs 4.

Der Bediener 18 gibt bei klassischer kartesischer Geschwindigkeitsregelung des Manipulators die gewünschte Endeffektorgeschwindigkeit in Fahrzeugkoordinaten an, also die Lineargeschwindigkeit von E relativ zu B, ausgedrückt in Fahrzeugkoordinaten B: _B v _{B E} . Diese Endef- fektorgeschwindigkeit wird von einer Manipulatorsteuerung durch entsprechende Ansteuerung der Gelenkmotoren und/oder der Hydraulikzylinder geregelt.

Nach dem hier vorgeschlagenen Verfahren kann (auch) von einem sich gleichzeitig bewegenden Fahrzeug ausgegangen werden, sowohl durch externe Störungen als auch durch gewollte Eigenbewegungen des Fahrzeugs (s.u.). Die intelligente Regelung kann diese Fahrzeugbe- wegungen kompensieren, daher gibt der Bediener 18 hier die gewünschte Endeffektorgeschwindigkeit bzw. Lineargeschwindigkeit _B v _NiE von E relativ zum ortfesten Koordinatensystem N ausgedrückt in Fahrzeugkoordinaten B an: B ^V N,E ⁼ B ^V N,B + B ^V B,E + [ β ^ω Ν,β] _χ Β^Β,Ε

Die bewegungskompensierte Endeffektorgeschwindigkeit _B v _BiE lässt sich damit aus der gewünschten Endeffektorgeschwindigkeit, der (Soll-) Eigenbewegung des Fahrzeugs (Translation _B v _Nß , Rotation _Β ω _{Ν Β} ) und der aktuellen Endeffektorposition _B t _{B E} über folgende Glei- chung berechnen:

B ^V B,E ⁼ B ^V N,E ~ B ^V N,B ~ [ β ^ω Ν,β] _χ Β^Β,Ε

Die Größen _B v _Nß , _Β ω _Νβ , _B t _{B E} können zumindest teilweise direkt gemessen oder indirekt durch Sensorfusion (mittels mindestens eines Sensors 16) und/oder Zustandsschätzung (mittels mindestens einer Zustandsschätzmaschine 17) geschätzt werden.

Die Fahrzeugsteuerung 15 ₄ bzw. der Fahrzeugantrieb 4 wird (automatisch) aktiv, wenn der Manipulator 3 sich dadurch von seiner ,ßweet spof- Konfiguration entfernt hat (die aktuelle Endeffektorposition bezüglich des Fahrzeugkoordinatensystems sei _B t _{B E} ). Ziel der Fahrzeugsteuerung ist, das Fahrzeug so umzupositionieren, dass der Endeffektor an der gleichen Position bleibt, am Ende allerdings wieder in seiner„sweef spoi"-Konfiguration _B t _Bßs landet. Die dafür nötige Eigenbewegung des Fahrzeugs lässt als Funktion von der Abweichung zwischen aktueller und„sweet spof- Position in Fahrzeugkoordinaten berechnen:

Β ^ω Ν,Β ⁼ f { ßPB,E ~ ßPß.ßs)'

wobei _B v _Nß die Linear- und _Β ω _Νβ die Rotationsgeschwindigkeit des Fahrzeugs relativ zum ortsfesten Referenzkoordinatensystems ist. f _v , f _w können vorgebbare oder wählbare Steue- rungsvorschriften sein, z. B. einfache PID-Regler.

Weiterhin sind verschiedene Kombinationen aus Ansteuerung der Translations- und Rotationsgeschwindigkeiten denkbar: ) Translations- und Rotationsautomatik: Das Fahrzeug steuert bzw. regelt sowohl Translations- als auch Rotationsgeschwindigkeiten. ) Translationsautomatik mit bedienerdefinierter Rotationsgeschwindigkeit: Rotationen erfolgen nur auf Wunsch des Bedieners in der von ihm vorgegebenen Geschwindigkeit. Hierbei empfiehlt es sich, einen weiteren Kompensationsterm zu _B ^V N,B hinzu zu addieren, um eine Rotation um die Endeffektorposition E statt um B zu erzwingen.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Fahrzeug

3 Manipulator

4 Fahrzeugantrieb

5 Manipulatorantrieb

6 Kabel

7 Master-Steuerungs- Station 8 Unterstützungsschiff

9 Meeresoberfläche

10 Endeffektor

11 Steuereinrichtung

12 Eingabeeinrichtung 13 Sendeantenne

14 Empfangsantenne

15 Steuereinrichtung

16 Sensor

17 Zustandsschätzmaschine 18 Bediener

19 datenleitende Verbindung

20 Arbeitsraum

21 Arbeitsbereich

22 Arbeitsposition