MÜLLER, Michael (Wehrhahnweg 73, Krefeld, 47807, DE)
| Patentansprüche
1. Roboter, insbesondere Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden (O L , CC 2 ) und einer Steuereinheit (12) zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose (14) und einer Endpose (16) , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) eine Speichereinheit (30) zum Speichern einer Landkarte (32) umfasst, in der zumindest eine Störkontur (34) verzeichenbar ist.
2. Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) dazu vorgesehen ist, einen Bewegungspfad (36) zwischen der Anfangspose (14) und der Endpose (16) selbsttätig in Abhängigkeit von der Land- karte (32) zu generieren.
3. Roboter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) derart programmiert ist, dass sie die Landkarte (32) zum Generieren des Bewegungs- pfads (36) in wenigstens zwei Bereiche (38, 40) mit un-
22 terschiedlicher Detailgenauigkeit aufteilt.
4. Roboter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) derart programmiert ist, dass sie die Landkarte (32) zum Generieren des Bewegungspfads (36) in mehrere Unterkarten (42) mit vorgegebenen Pfad-Teilen (44) aufteilt.
5. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Speichereinheit (30) zum Speichern der Landkarte (32) in einem achsbezogenen Koordinatensystem vorgesehen ist.
6. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge- kennzeichnet durch wenigstens einen Absolutwert-Geber
(26, 28) zum erfassen eines Absolutwerts von wenigstens einer Koordinate (oci, 0C 2 ) einer aktuellen Pose.
7. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge- kennzeichnet durch wenigstens einen Sensor (46 - 46''') zum Erkennen einer Störkontur (34) .
8. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) dazu vorgesehen ist, die Landkarte (32) abhängig von einer vorgegebenen Störkontur (34) zu generieren.
9. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) dazu vorgesehen ist, zum Generieren der Landkarte (32) ein auf höchstens 20 Parameter beschränktes Modell für eine Außenkontur (58) eines Greifarms (10) zu nutzen.
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10. Roboter Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell die Außenkontur (58) des Greifarms (10) durch wenigstens ein Polygon (52, 54) darstellt.
11. Roboter nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell die Außenkontur (58) des Greifarms (10) durch wenigstens einen Kreis (56) darstellt.
12. Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters, insbesondere eines Roboters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zwischen einer Anfangspose (14) und einer Endpose (16) in wenigstens zwei Bewegungsfreiheits- graden (oci, Cc 2 ) , wobei ein Bewegungspfad (36) zwischen der Anfangspose (14) und der Endpose (16) generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Generieren des Bewegungspfads (36) eine Landkarte (32) genutzt wird, in der zumindest eine Störkontur (34) verzeichnet ist.
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Roboter mit einer Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose
Die Erfindung betrifft einen Roboter, insbesondere von einem Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Be- wegungsfreiheitsgraden und einer Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose und ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters, zwischen einer Anfangspose und einer Endpose in wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden, wobei ein Bewegungspfad zwischen der Anfangspose und der Endpose gene- riert wird.
Aus dem Stand der Technik ist ein Roboter, beispielsweise ein Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Be- wegungsfreiheitsgraden bekannt. Der Roboter umfasst eine Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose entlang eines vorprogrammierten Bewegungspfads, der sich aus stückweise linearen oder kreisbogenförmigen Pfadsegmenten zusammensetzt. Zum Programmieren des Bewegungspfads ist es bekannt, dass ein Be- diener in einem Teach-In Vorgang einen Greifarm des Robo-
ters manuell auf dem Pfad führt und dabei Störkonturen in der Reichweite des Greifarms umgeht. Die Steuereinheit speichert einzelne überschleifpunkte des Pfads und reproduziert die Bewegung näherungsweise durch eine stückweise ge- radlinige Bewegung, die die überschleifpunkte verbindet. Alternativ können die einzelnen überschleifpunkte beim Programmieren der Steuereinheit eingegeben werden. Als "geradlinig" oder "linear" sollen in diesem Zusammenhang insbesondere auch solche Bewegungen bezeichnet werden, die in einem achsbezogenen Koordinatensystem des Roboters gerade verlaufen. In dem achsbezogenen Koordinatensystem des Roboters können neben linearen auch rotatorische Achsen in kartesischen Koordinaten dargestellt sein.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Roboter mit einer Steuereinheit auszustatten, die eine ungewollte Kollision des Roboters mit Gegenständen in seiner Reichweite wirkungsvoll verhindert.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Roboter, insbesondere einen Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden und einer Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose, wobei die Steuereinheit eine Speichereinheit zum Speichern einer Landkarte umfasst, in der zumindest eine
Störkontur verzeichenbar ist, sowie durch ein Verfahren zum Steuern eines solchen Roboters .
Die Erfindung geht aus von einem Roboter, insbesondere von einem Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden und einer Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose.
Es wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit eine Speichereinheit zum Speichern einer Landkarte umfasst, in der zumindest eine Störkontur verzeichnet werden kann. Die Steuereinheit kann zu beliebigen Punkten bzw. Posen der Be- wegung überprüfen, ob der Punkt oder die Pose innerhalb oder außerhalb einer Störkontur liegt. Erkennt die Steuereinheit, dass der Punkt oder die Pose innerhalb der Störkontur liegt, kann sie ein Warnsignal erzeugen oder eine Bewegung blockieren. Dadurch kann eine Kollision mit einem von der Störkontur dargestellten Gegenstand sicher vermieden werden.
Eine erfindungsgemäß ausgestaltete Steuereinheit kann prinzipiell zur Steuerung jedes Roboters genutzt werden, der sich im Bereich von statischen oder zumindest nur langsam veränderlichen Gegenständen bewegt. Wegen des vergleichsweise großen Rechenzeitaufwands bei den notwendigen Koordinatentransformationen ist die erfindungsgemäße Lösung jedoch besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit Gelenkrobo- tern oder SCARA-Robotern in der industriellen Anwendung einsetzbar.
Als "Landkarte" soll in diesem Zusammenhang eine mehrdimensionale Datenstruktur bezeichnet werden, die auch eine überlagerung oder Projektion einer oder mehrerer eindimensionaler Datenstrukturen sein kann. Die Landkarte ist eine Abbildung, die jeder Pose des Roboters einen Wert zuordnet, aus dem entnommen werden kann, ob sich der Roboter bzw. einer seiner Greifarme innerhalb oder außerhalb der Störkon- tur befindet. Ein schneller Zugriff auf die Landkarte kann erreicht werden, wenn die Dimension der Landkarte kleiner oder gleich einer Zahl der Bewegungsfreiheitsgrade des Roboters ist.
Die Landkarte wird besonders vorteilhaft in einem Initiali- sierungsprozess des Roboters generiert, um die beim Ermitteln eines Bewegungspfads aufzuwendende Rechenzeit möglichst gering zu halten.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, einen Bewegungspfad zwischen der Anfangspose und der Endpose selbsttätig in Abhängigkeit von der Landkarte zu generieren. Da- durch kann ein Bedienkomfort deutlich erhöht werden, da nur noch ein Anfangs- und Endpunkt der Bewegung programmiert werden muss, sofern sich die Umgebung des Roboters und damit die zu berücksichtigende Störkontur nicht ändert. Es kann eine systematische Trennung zwischen den anwendungs- spezifischen Bewegungsdaten bzw. den Koordinaten der anzusteuernden Posen und den oftmals anwendungsunabhängigen Störkonturen erreicht werden. Unter "vorgesehen" soll in diesem Zusammenhang auch "ausgelegt" und "ausgestattet" verstanden werden.
Wenn die Steuereinheit derart programmiert ist, dass sie die Landkarte zum Generieren des Bewegungspfads in wenigstens zwei Bereiche mit unterschiedlicher Detailgenauigkeit aufteilt, kann eine zum Generieren des Bewegungspfads auf- zuwendende Rechenzeit deutlich reduziert werden, da auf überflüssige Detailtreue in Bereichen, die weitläufig frei von Störkonturen sind, verzichtet werden kann. In solchen Bereichen kann die Steuereinheit den Bewegungspfad aus langen Segmenten zusammensetzen, während in kritischen Berei- chen mit stark strukturierten Störkonturen ein klein- schrittiger Bewegungsablauf generiert werden kann. Das Generieren des Bewegungspfads kann weiter beschleunigt werden, wenn die Bewegung vorzugsweise durch solche Bereiche geführt wird, die hinsichtlich der Detailgenauigkeit unkri- tisch
sind lind nur in Fällen, in denen es unvermeidbar oder in einem Gesamtzusammenhang vorteilhaft ist, die Bewegung in Bereiche geführt wird, in denen zur Kollisionsvermeidung eine hohe Detailgenauigkeit notwendig ist.
Ist die Steuereinheit derart programmiert, dass sie die Landkarte zum Generieren des Bewegungspfads in mehrere Unterkarten mit vorgegebenen Pfad-Teilen aufteilt, kann das Generieren des Pfads weiter beschleunigt werden, da zum
Durchqueren der den Unterkarten entsprechenden Bereiche des Bewegungsraums des Roboters auf die vorgegebenen Pfad-Teile zurückgegriffen werden kann. Die vorgegebenen Pfad-Teile verbinden vorzugsweise Randpunkte der Unterkarten geradli- nig miteinander.
Ein Transformationsvorgang von einem raumbezogenen Koordinatensystem auf ein achsbezogenes Koordinatensystem kann auf den Initialisierungsprozess der Steuereinheit vorver- legt werden, wenn die Speichereinheit zum Speichern der
Landkarte in dem achsbezogenen Koordinatensystem vorgesehen ist. Beim Generieren des Bewegungspfads ist dann eine Koordinatentransformation nicht mehr notwendig.
Eine Referenzfahrt des Roboters kann verkürzt werden bzw. ganz entfallen, wenn der Roboter wenigstens einen Absolutwert-Geber zum erfassen eines Absolutwerts von wenigstens einer Koordinate einer aktuellen Pose umfasst. Besonders vorteilhaft sind Ausgestaltungen der Erfindung, in denen alle Achsen des Roboters bzw. eines Greifarms des Roboters mit Absolutwert-Gebern ausgestattet sind.
Die Steuereinheit kann die Störkontur selbsttätig erkennen, wenn der Roboter wenigstens einen Sensor zum Erkennen der
Störkontur umfasst. In einer besonders flexiblen Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor Teil einer Kamera, insbesondere einer CCD-Kamera, die Bilder von einer Umgebung des Roboters erfasst. Durch einschlägige Bildverarbeitungspro- gramme kann die Steuereinheit aus den von der Kamera er- fassten Bildern die Störkontur ermitteln und in die Landkarte eintragen.
Eine externe Eingabe der Landkarte kann vermieden werden, die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, die Landkarte abhängig von einer vorgegebenen Störkontur zu generieren. Eine Vorgabe der Störkontur ist dabei besonders komfortabel und ohne aufwändige Umrechnungsvorgänge in einem World- Koordinatensystem des Roboters möglich.
Die zum Generieren der Landkarte aufzuwendende Rechenzeit kann reduziert werden, wenn die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, zum Generieren der Landkarte ein auf höchstens 20 Parameter beschränktes Modell für eine Außenkontur eines Greifarms zu nutzen. Wegen der durch die modellhafte Näherung gewonnenen Rechenzeitvorteile kann auf einen schnellen Prozessor und großen Arbeitsspeicher verzichtet werden, wodurch sich letztlich auch Kostenvorteile für die Herstellung des Roboters ergeben.
Eine besonders schnelle und einfache Bestimmung der Störkontur kann erreicht werden, wenn das Modell die Außenkontur des Greifarms durch wenigstens ein Polygon darstellt.
Alternativ oder ergänzend dazu kann das Modell die Außenkontur des Greifarms durch wenigstens einen Kreis darstellen. Auch Kombinationen von Kreisen und Polygonen oder anderen einfachen geometrischen Formen sind denkbar. Das Modell muss im Allgemeinen nicht die volle dreidimensionale
Außenkontur des Greifarms darstellen, sondern kann auf eine Projektion von der Dimension der Landkarte beschränkt werden.
Eine hinreichend präzise Modellierung eines Greifarms des Roboters kann mit geringem Aufwand dadurch erreicht werden, dass jeder unabhängige Armteil des Greifarms durch eine einzige elementare geometrische Form, beispielsweise durch ein Polygon, beschrieben wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters, insbesondere eines Roboters der oben beschriebenen Art.
Es wird vorgeschlagen, dass beim Generieren des Bewegungspfads eine Landkarte genutzt wird, in der zumindest eine Störkontur verzeichnet ist. Eine Kollision mit durch die Störkontur dargestellten Gegenständen oder Hindernissen in einer Reichweite des Roboters kann dadurch vermieden wer- den.
Weitere Merkmale der Erfindung und deren Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Roboter mit einem Greifarm in einer Draufsicht mit einem schematisch dargestellten ersten Modell aus zwei Linien für eine Außenkontur des
Greifarms;
Fig. 2 den Roboter mit dem Greifarm aus Figur 1 mit einem schematisch dargestellten zweiten Modell aus Kreisen für eine Außenkontur des Greifarms;
Fig. 3 den Roboter mit dem Greifarm aus den Figuren 1 und 2 mit einem schematisch dargestellten dritten Modell aus zwei Rechtecken für eine Außenkontur des Greifarms;
Fig. 4 den Roboter mit dem Greifarm aus den Figuren 1 - 3 mit einem schematisch dargestellten weiteren Modell aus zwei Polygonen für eine Außenkontur des Greifarms;
Fig. 5 einen Arbeitsraum des Roboters aus den Figuren 1 - 4 mit Gegenständen, die eine Störkontur erzeugen, in einer Draufsicht in Welt-Koordinaten;
Fig. 6 eine Landkarte mit den Störkonturen der Anordnung der Gegenstände aus Figur 5 gemäß dem ersten Modell für die Außenkontur des Greifarms;
Fig. 7 eine Landkarte mit Störkonturen gemäß dem dritten Modell für die Außenkontur des Greifarms;
Fig. 8 eine schematische Darstellung zum manuellen Generieren eines Bewegungspfads in einer Landkarte mit Störkonturen;
Fig. 9 eine schematische Darstellung zum autonomen Generieren eines Bewegungspfads in einer Landkarte mit Störkonturen;
eine schematische Darstellung zum autonomen Generieren eines Bewegungspfads in einer Landkarte mit Störkonturen nach einem alternativen Algo- rithmus;
Fig. 10 eine schematische Darstellung zum autonomen Generieren eines Bewegungspfads in einer Landkarte mit Störkonturen nach einem weiteren alternativen Algorithmus, der die Landkarte in Bereiche mit unterschiedlicher Detailgenauigkeit aufteilt;
Fig. 11 eine erste Unterkarte der Landkarte aus Figur 11;
Fig. 12 eine zweite Unterkarte der Landkarte aus Figur 11;
Fig. 13 eine dritte Unterkarte der Landkarte aus Figur 11
Fig. 14. eine vierte Unterkarte der Landkarte aus Figur 11; und
Fig. 15 eine schematische Darstellung zum autonomen Generieren eines Bewegungspfads in einer Landkarte mit Störkonturen nach einem weiteren alternativen
Algorithmus, der die Landkarte in rechteckige Unterkarten aufteilt.
Figur 1 zeigt einen Roboter, und zwar lediglich beispiel- haft einen als SCARA-Roboter ausgebildeten Industrieroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden mit den rotatorischen Koordinaten a lt (X 2 und einer hier nur schematisch dargestellten Steuereinheit 12 zum Steuern einer Be-
wegung zwischen einer Anfangspose 14 und einer Endpose 16 (Figur 7) .
Der Roboter umfasst einen schwenkbaren Greifarm 10, der um eine erste, vertikal verlaufende rotatorische Achse Al schwenkbar ist. Der Greifarm 10 ist auf einem Sockel 22 montiert und besteht aus zwei durch ein Gelenk 24 verbundenen Armteilen 60, 62. Die Armteile 60, 62 sind durch das Gelenk 24 um eine parallel zu der ersten rotatorischen Ach- se Al verlaufende zweite rotatorische Achse A2 schwenkbar. Weitere Achsen des Roboters sind hier nicht explizit dargestellt.
Der Greifarm 10 des Roboters umfasst zwei hier nur Schema- tisch dargestellte Absolutwert-Geber 26, 28 zum Erfassen eines Absolutwerts der rotatorischen Koordinaten OCi, 0C2 einer aktuellen Pose. Die Erfindung wäre jedoch prinzipiell auch dann anwendbar, wenn der Greifarm 10 lediglich Inkre- mentgeber zum Erfassen von Veränderungen der Werte der ro- tatorischen Koordinaten oci, OC 2 hätte. Es wäre dann eine Referenzfahrt zu Referenzmarken mit bekannter Position im Raum notwendig.
Im Bereich des Greifarms 10 sind störende Gegenstände 64, und zwar im vorliegenden Beispiel Stangen, angeordnet
(Figur 5) . Die vertikale Ausdehnung wird als unendlich betrachtet. Eine dritte und eine vierte Achse des Roboters und ein am Tool-Center-Point (TCP) befestigter Pfeil werden in der hier beschriebenen Näherung nicht betrachtet. Die Verallgemeinerung der erfindungsgemäßen Lösung auf die Betrachtung von mehr als zwei Achsen Al, A2 ist für den Fachmann aber nahe liegend und offensichtlich.
Die Steuereinheit 12 umfasst eine Speichereinheit 30 zum Speichern einer Landkarte 32, in der zumindest eine Störkontur 34 verzeichnet werden kann. Die Speichereinheit 30 ist zum Speichern der Landkarte 32 in einem achsbezogenen Koordinatensystem vorgesehen. Die Steuereinheit 12 muss dazu die Konturen der Gegenstände 64 derart in das achsbezogene Koordinatensystem eintragen, dass eine Kollisionsgefahr zwischen dem Greifarm 10 und einem der Gegenstände 64 aus der Landkarte 32 ablesbar ist. Ein Speicherplatz ist für eine binäre 360X360-Matrix reserviert, die die Landkarte 32 bildet. Hat ein Eintrag den Wert Null, so liegt der durch den entsprechenden Eintrag repräsentierte Punkt außerhalb der Störkontur 34, anderenfalls liegt der Punkt innerhalb der Störkontur 34 und ist daher für den Greifarm 10 ohne Kollision mit einem Gegenstand 64 nicht erreichbar.
Die Genauigkeit der Karte, bestimmt durch die Schrittweite der Karte, entspricht der Genauigkeit der Posen-Bestimmung des Roboters bzw. vice versa. Die Steuereinheit 12 misst den Wert der Koordinaten OCi, OC 2 bzw. Winkel und liest den der Pose durch die ganzzahligen Indizes der Matrix zugeordneten Wert aus der Speichereinheit 12 aus. Die Matrix bildet daher eine diskrete, zweidimensionale Landkarte 32, die jeder Pose bzw. jedem Wertepaar der Koordinaten oti, (X 2 ein Indexpaar und dadurch einen Wert zuordnet.
Es wären weitere Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, bei denen die Landkarte mehr-, insbesondere dreidimensional ist, der Wertebereich der Landkarte 32 mehr als zwei Elemente hat und/oder in denen der einer Pose zugeordnete Wert beispielsweise eine Kenngröße für eine Entfernung zur nächsten Störkontur 34 ist. Ferner ist es natürlich denkbar, die Schrittweite der Diskretisierung der Landkarte 32 kleiner oder größer als 1° zu wählen.
Die Figuren 1 - 16 zeigen mehrere alternative Ausgestaltungen der Erfindung. Funktionsgleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung geht jeweils insbesondere auf Unterschiede zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ein, während im Hinblick auf gleich bleibende Merkmale auf die Beschreibung zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen verwiesen wird.
Figur 2 zeigt einen Roboter in einer alternativen Ausge- staltung der Erfindung, in der der Greifarm 10 hier nur skizzenhaft dargestellte Sensoren 46 - 46''' zum Erkennen einer Störkontur 34 umfasst. Die Sensoren 46 - 46''' sind als induktive Näherungssensoren ausgebildet.
In einem Initialisierungsvorgang nutzt die Steuereinheit 12 zum Generieren der Landkarte 32 ein auf wenige Parameter beschränktes Modell für eine Außenkontur 58 eines Greifarms 10. Es sind verschiedene Modelle denkbar, die in den Figuren 1 - 4 schematisch dargestellt sind und im Folgenden er- läutert werden.
In einer realistischen Implementierung des Modells, die hier nicht explizit dargestellt ist, nähert das Steuerprogramm die Außenkontur 58 bzw. das Volumen des Greifarms 10 durch Massepunkte bzw. Voxel oder Finite Elemente. Wegen der notwendigen hohen Zahl von Massepunkten ist der Rechenaufwand zur Erstellung der Landkarte 32 sehr hoch und erfordert zudem eine ähnlich aufwändige Modellierung der Gegenstände 64 im Bereich des Greifarms 10. Daher werden im Folgenden Modelle beschrieben, die einen im Vergleich zur Modellierung durch Massepunkte verringerten Rechenaufwand erfordern.
In einer ersten Implementierung eines Steuerprogramms
stellt das Modell die Außenkontur 58 des Greifarms 10 durch zwei Linien 48, 50 dar, die jeweils einen Armteil 60, 62 des Greifarms 10 abbilden. Die Koordinaten der Endpunkte der Linien 48, 50 können bei Kenntnis der Längen der Linien 48, 50 und der rotatorischen Koordinaten (Xi, Gt 2 trigonometrisch berechnet werden. Da eine Breite des Greifarms 10 bzw. der Armteile 60, 62 in dem Modell nicht berücksichtigt ist, müssen zur sicheren Vermeidung von Kollisionen Sicher- heitszonen zwischen den Linien 48, 50 und den durch Randkonturen beschriebenen Gegenständen 64 berücksichtigt werden, die wenigstens so groß sind wie der maximale Abstand der Außenkontur 58 von den Linien 48, 50.
Eine aus der Störkontur-Konstellation gemäß Figur 5 resultierende Landkarte 32 gemäß der ersten Implementierung ist in Figur 6 dargestellt. Die in Figur 5 links vom Roboter angeordneten Gegenstände 64 erzeugen eine gemeinsame Zusammenhangskomponente der Störkontur 34. Der zentral vor dem Roboter angeordnete Gegenstand blockiert einen Winkelbereich bezüglich der ersten rotatorischen Koordinate OCi. Links und rechts aus diesem Winkelbereich heraus ragende Ausbuchtungen sind dadurch bedingt, dass ein hinteres Ende des vorderen Armteils 62 des Greifarms 10 gegen den Gegen- stand stößt. Ein rechts vom Roboter radial weiter entfernt angeordneter Gegenstand erzeugt eine dritte, inselartige Zusammenhangskomponente der Störkontur 34.
In einer zweiten Implementierung eines Steuerprogramms stellt das Modell bzw. die Steuereinheit 12 die Außenkontur 58 des Greifarms 10 durch sieben verschieden große Kreise 56 dar (Figur 2) . Die Flächen der Kreise 56 überdecken die Außenkontur 58 vollständig. Die Koordinaten der Mittelpunkte der Kreise 56 liegen auf den Linien 48, 50 (Figur 1) und
werden bei Kenntnis der Längen der Linien 48, 50 und der rotatorischen Koordinaten oci, α 2 trigonometrisch berechnet. Die Konturen der Gegenstände 64 werden in gleicher Weise durch Kreise überdeckt. Zum Berechnen der Landkarte 32 überprüft die Steuereinheit 12 zu jedem Wertepaar der Koordinaten (Xi, OC 2 , ob einer der den Greifarm 10 überdeckenden Kreise 56 einen der die Gegenstände 64 überdeckenden Kreise schneidet. Ist dies der Fall, so trägt die Steuereinheit 12 einen Punkt der Störkontur 34 in die Landkarte 32 ein.
In einer dritten Implementierung eines Steuerprogramms stellt das Modell bzw. die Steuereinheit 12 die Außenkontur 58 des Greifarms 10 durch zwei Polygone 52, 54 dar (Figur 3), und zwar durch Rechtecke, die jeweils einen der Armtei- Ie 60, 62 überdecken und den entsprechenden Armteil 60, 62 repräsentieren. Die 16 Randlinien der beiden Polygone 52, 54 werden zum Generieren der Landkarte 32 ebenso wie die Randlinien der Gegenstände 64 im Bereich des Greifarms 10 von der Steuereinheit 12 durch Geraden dargestellt und durch die beiden Koordinaten OCi, OC 2 und durch zwei Längen und zwei Breiten parametrisiert . Zwei weitere Parameter beschreiben die Lage der Achsen Al, A2 innerhalb der Polygone 52, 54. Insgesamt ergeben sich demnach weniger als 20 Parameter des Modells. Zum Generieren der Landkarte 32 über- prüft die Steuereinheit 12 zu jedem Wertepaar der Koordinaten OCi, OC 2 , ob und in welchem Punkt eine der Randlinien der Polygone 52, 54 eine der Randlinien der Gegenstände 64 schneidet. Liegt der Schnittpunkt jeweils zwischen den Endpunkten der Randlinien, so trägt die Steuereinheit 12 an der entsprechenden Pose einen Punkt der Störkontur 34 in die Landkarte 32 ein.
Figur 7 zeigt eine gemäß der dritten Implementierung gewonnene Landkarte 32 mit einer Störkontur 34. Inselartige,
freie Einschlüsse in der Störkontur 34 resultieren daraus, dass die Polygone 52 , 54 im mathematischen Modell einen Gegenstand 64 umschließen, so dass keine der Randlinien der Polygone 52, 54 eine der Randlinien des Gegenstands 64 schneidet. Die entsprechenden Posen sind in der Realität für den Greifarm 10 nicht zugänglich.
In einer vierten Implementierung eines Steuerprogramms stellt das Modell die Außenkontur 58 des Greifarms 10 durch zwei Polygone 52', 54' dar (Figur 4), und zwar durch ein
Rechteck 52' und durch ein unregelmäßiges Sechseck 54', das einem konischen Verlauf des vorderen Armteils 62 Rechnung trägt. Die Polygone 52', 54' werden analog zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel durch ihre Randlinien be- schrieben, und die Landkarte 32 wird durch die überprüfung der Schnittpunkte der Geraden in der oben beschriebenen Weise generiert.
In alternativen Ausgestaltungen der Erfindung können die Außenkontur 58 des Greifarms 10 und die Konturen der Gegenstände 64 durch weitere geometrische Formen, beispielsweise Dreiecke, andere Polygone, Ellipsen oder durch Kombinationen aus solchen elementaren Figuren modelliert werden. Ein höherer Detaillierungsgrad des Modells kann insbesondere für die vorderen Bereiche des Greifarms 10 in der Nähe des Tool-Center-Points lohnenswert sein.
Die Steuereinheit 12 ist durch eine implementierte Steuerungssoftware dazu ausgelegt, im Betrieb selbsttätig einen Bewegungspfad 36 (Figur 7) zwischen der Anfangspose 14 und der Endpose 16 in Abhängigkeit von der Landkarte 32 zu generieren.
Die Steuereinheit 12 nutzt dabei die Landkarte 32 bzw. die
in der Landkarte 32 verzeichnete Störkontur 34 und generiert den Bewegungspfad 36 abhängig von der vorgegebenen Störkontur 34 bzw. von den Gegenständen 64, deren Koordinaten entweder manuell eingegeben oder durch den Roboter selbsttätig über die Sensoren 46 - 46''' (Figur 2) erfasst sein können.
Figur 8 zeigt einen manuell in Abhängigkeit von der Landkarte 32 generierten Pfad. Ausgehend von einer Anfangspose 14 legt ein Programmierer überschleifpunkte 66, 66' derart in die freien Bereiche außerhalb der Störkontur 34, dass die Verbindungsgeraden zwischen den überschleifpunkten 66, 66' bzw. zwischen der Anfangspose 14 und dem ersten über- schleifpunkt 66 oder dem letzten überschleifpunkt und der Endpose 16 vollständig außerhalb der Störkontur 34 liegt.
Figur 9 zeigt einen autonom von der Steuereinheit 12 generierten Bewegungspfad 36, der durch einen Algorithmus mit der Maßgabe maximaler Sicherheit erzeugt ist. Der Algorith- mus basiert darauf, dass sich der erste Armteil 60 durch
Schwenken um die Achse Al in Schritten, die der Schrittweite der Landkarte 32 entsprechen, in Richtung der Endpose 16 bewegt. Die rotatorische Koordinate (X 2 des zweiten Armteils 62 wird in jedem Schritt derart eingestellt, dass der größtmögliche Abstand zu allen Störkonturen 34 eingehalten wird. Das Verfahren prüft dazu die möglichen Werte der Koordinate OC 2 bei vorgegebener Koordinate CCi in einem zusammenhängenden Bereich, ermittelt den Mittelwert der kollisionsfreien Posen in diesem Bereich, erhöht den Wert der Ko- Ordinate OCi um 1 und generiert den Bewegungspfad 36 durch das Setzen von überschleifpunkten 66. Für den Fall, dass der Mittelwert der kollisionsfreien Posen zu stark von der Koordinate OC 2 des letzten überschleifpunkts 66 abweicht, werden die Fluktuationen auf einen Maximalwert begrenzt
oder es wird ein anderes, dem Fachmann als sinnvoll erscheinendes, intelligentes Glättungsverfahren verwendet.
Wenn der Wert der Koordinate OCi dem entsprechenden Wert der Zielpose 16 entspricht, wird versucht, die Achse A2 in Po ¬ sition zu bringen.
Figur 10 zeigt einen autonom von der Steuereinheit 12 generierten Bewegungspfad 36, der durch einen alternativen Al- gorithmus nach der Maßgabe minimaler Strecke erzeugt ist. Dabei wird der Wert der Koordinate oci ausgehend von der Anfangspose 14 oder von einem überschleifpunkt 66 zunächst so weit wie möglich in Richtung der Zielpose 16 verschoben. Wenn eine kollisionsverursachende Pose angetroffen wird, setzt die Steuereinheit 12 einen überschleifpunkt 66 an der letzten kollisionsfreien Pose mit dem Wert X der Koordinate OCi. Anschließend wird der Wert der Koordinate Ct 2 ausgehend von dem überschleifpunkt 66 so weit verschoben, bis die Pose mit dem Wert X + 1 bzw. X - I der Koordinate OC x keine Kollision verursacht. Die Steuereinheit 12 setzt einen
überschleifpunkt 66' an die derart gefundene Pose, von der aus der Wert X der Koordinate α x weiter in Richtung des entsprechenden Werts der Zielpose 16 verschoben werden kann. Die oben beschriebenen Schritte werden wiederholt, bis die Achse Al in Position ist. Anschließend wird versucht, die Achse A2 in Position zu bringen. Im günstigsten Fall muss kein einziger überschleifpunkt generiert werden.
Die beiden zuletzt beschriebenen Methoden der Pfad- Generierung können durch eine simultane Pfad-Generierung beschleunigt werden, die gleichzeitig von der Anfangspose 14 und von der Zielpose 16 startet. Diese Erweiterung ist insbesondere dann notwendig, wenn sich die Zielpose 16 in der Nähe einer Störkontur 34 befindet.
Figur 11 zeigt in einer schematisierten Weise eine alternative Ausgestaltung der Steuerungssoftware, die zwischen einem kritischen Bereich 38 der Landkarte 32 und einem unkri- tischen Bereich 40 der Landkarte 32 unterscheidet. Hierbei ist die Steuereinheit 12 derart programmiert, dass sie die Landkarte 32 zum Generieren des Bewegungspfads 36 in zwei Bereiche 38,40 mit unterschiedlicher Detailgenauigkeit aufteilt. Ein erster, kritischer Bereich 38 weist eine hohe Flächendichte der Randlinien der Störkontur 34 auf, während ein zweiter Bereich 40 frei von Störkonturen 34 ist.
Die Steuereinheit 12 teilt die Landkarte 32 zum Generieren des Bewegungspfads 36 in mehrere Unterkarten 42 - 42''' mit vorgegebenen Pfad-Teilen 44 auf. Die Unterkarten 42 - 42''' sind jeweils rechteckig und ihre Größe hängt von dem Bereich 38, 40 ab, in dem sie angeordnet sind. Zur Illustration des Verfahrens sind vier der Unterkarten 42 - 42''' mit römischen Ziffern XII - XV markiert und in den Figuren 12 - 15 detailliert dargestellt.
Figur 12 zeigt eine erste Unterkarte 42 der Landkarte 32, die frei von Störkonturen 34 ist. Die Pfad-Teile 44 verbinden jeweils die Eckpunkte der Unterkarte 42 entlang eines Rands der Unterkarte 42 miteinander.
Eine in Figur 13 dargestellte Unterkarte 42' zeigt eine an einem linken Rand in die Unterkarte 42 ' hinein ragende Störkontur 34. Die Start- und Zielpunkte der vorgegebenen Pfad-Teile 44 liegen außerhalb der Störkontur 34 auf einem unregelmäßigen Viereck auf dem Rand der Unterkarte 42 ' .
Eine weitere, in Figur 14 dargestellte Unterkarte 42'' zeigt einen Abschnitt der Störkontur 34, welche die Unter-
karte 42'' durch einen vertikalen, für den Greifarm 10 nicht zugänglichen Streifen in zwei Teile aufteilt. Eine erste Gruppe von Start- und Zielpunkten ist auf einem unregelmäßigen Viereck am Rand des ersten Teils der Unter- karte 42'' angeordnet und eine zweite Gruppe von Start- und Zielpunkten ist auf einem Dreieck am Rand des zweiten Teils
der Unterkarte 42'' angeordnet. Es ergeben sich sieben Teil-Pfade 44, die Start- und Zielpunkte jeweils innerhalb einer Gruppe entlang des Rands des Vierecks bzw. des Dreiecks miteinander verbinden.
Eine in Figur 15 dargestellte Unterkarte 42''' wird an zwei Stellen von einer Störkontur 34 geprägt, und zwar von einem ersten, an einer linken oberen Ecke in die Unterkarte 42 ' ' ' hinein ragenden Teil der Störkontur 34 und einen zweiten, als Spitze in die Unterkarte 42''' hinein ragenden Teil der Störkontur 34. Insgesamt sieben Start- und Zielpunkte sind durch Teil-Pfade 44 paarweise miteinander verbunden.
In Figur 16 zeigt eine alternative Möglichkeit zur Pfadge- nerierung aus einer Landkarte 32, in der zwischen kritischen und unkritischen Bereichen unterschieden wird. Die Steuereinheit 12 unterteilt die Landkarte 32 in Rechtecke mit unterschiedlichen Größen. Die Rechtecke sind jeweils frei von der Störkontur 34. In Figur 16 sind sechs solcher Rechtecke mit römischen Ziffern I - VI bezeichnet. Die Aufteilung der Landkarte 32 in die Rechtecke erfolgt durch aus der Bildverarbeitung bekannte Such-Einlegeverfahren.
Zum Erzeugen des Bewegungspfads 36 nutzt die Steuereinheit 12 folgende Verhaltensregeln:
Innerhalb eines Rechtecks kann eine direkte Point-to- Point (PTP) -Bewegung erfolgen. Wenn beispielsweise eine Pose im Rechteck I erreicht wird und sich die End- pose 16 ebenfalls im Rechteck I befindet, kann sich der Greifarm 10 ohne weitere überschleifpunkte zu der Endpose 16 bewegen.
Zwei benachbarte Rechtecke mit einer gemeinsamen Seite können hinsichtlich der vorhergehenden Verhaltensregel immer als ein Rechteck betrachtet werden. Wenn beispielsweise eine Pose im Rechteck II erreicht wird und sich die Endpose 16 im Rechteck V befindet, kann sich der Greifarm 10 ohne weitere überschleifpunkte in die Endpose 16 bewegen .
Befindet sich keine Störkontur 32 im Arbeitsraum, kann ein einziges Rechteck gebildet werden.
Durch die Aufteilung der Landkarte 32 in Unterkarten 42 - 42''' bzw. durch die Einteilung in kritische und unkritische Bereiche 38, 40 kann der Landkarte 32 eine zur Pfadge- nerierung erforderliche Information besonders schnell ent- nommen werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird der Roboter nicht von einer integrierten Steuereinheit 12 gesteuert, sondern von einer externen, als universell pro- grammierbarer Computer ausgebildeten Recheneinheit. Die Recheneinheit nutzt Verfahren zum Steuern einer Bewegung des Roboters zwischen einer Anfangspose 14 und einer Endpose 16 in wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden Od, (X 2 , wobei
ein Bewegungspfad 36 zwischen der Anfangspose 14 und der Endpose 16 von der Recheneinheit generiert wird.
Beim Generieren des Bewegungspfads 36 nutzt die Rechenein- heit in der oben beschriebenen Weise eine Landkarte 32, in der zumindest eine Störkontur 34 verzeichnet ist.
Bezugszeichenliste
10 Greifarm
12 Steuereinheit
14 Anfangspose
16 Endpose
22 Sockel
24 Gelenk
26 Absolutwert-Geber
28 Absolutwert-Geber
30 Speiehereinheit
32 Landkarte
34 Störkontur
36 Bewegungspfad
38 Bereich
40 Bereich
42 Unterkarte
44 Pfad-Teil
46 Sensor
48 Linie
50 Linie
52 Polygon
26
54 Polygon
56 Kreis
58 Außenkontur
60 Armteil
62 Armteil
64 Gegenstand
66 überschleifpunkt al Koordinate a2 Koordinate
Al Achse
A2 Achse
X Wert
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Next Patent: SYNCHRONIZATION METHOD