DE102010007025A1 - Method for monitoring manipulator area, particularly for robot, involves presetting geometric limit of area to be monitored and monitoring object within predetermined limit by environment sensing unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung auf Objekte innerhalb eines Manipulatorraumes, dessen geometrische Grenze teilautomatisiert vorgegeben wird.The present invention relates to a method and a device for monitoring objects within a manipulator space, the geometric limit of which is preset in a partially automated manner.
Um Beschädigungen von bei der Bahnplanung nicht vorgesehenen Objekten und insbesondere Verletzungen von Menschen durch Manipulatoren wie insbesondere Industrieroboter zu verhindern, ist es bislang üblich, den Arbeitsraum des Manipulators physisch abzusperren, beispielsweise durch Schutzzäune, Lichtschranken oder dergleichen, die den Zutritt zu einer Automatisierungszelle verhindern. Eine solche Lösung ist jedoch aufwändig und unflexibel und damit insbesondere für mobile oder interagierende Manipulatoren ungünstig.In order to prevent damage to objects not intended for rail planning and, in particular, to prevent human injury by manipulators, in particular industrial robots, it has hitherto been customary to physically close off the working space of the manipulator, for example by protective fences, light barriers or the like, which prevent access to an automation cell. However, such a solution is complicated and inflexible and thus unfavorable, especially for mobile or interacting manipulators.
Daher schlägt die
Dieses System ist aufgrund der Bildverarbeitung aufwändig. Zudem kann eine Änderung eines Objektes innerhalb des Arbeitsraumes, beispielsweise der Ersatz einer Zuführeinrichtung durch eine Zuführeinrichtung mit anderen optischen Konturen, unnötig als Arbeitsraumverletzung klassifiziert werden.This system is complex due to image processing. In addition, a change of an object within the working space, for example, the replacement of a feeder by a feeder with other optical contours, can be classified unnecessarily as a workspace infringement.
Alternativ ist aus der
Nachteilig erfordern beide Verfahren zur Vorgabe der Grenzen des überwachten Raumes eine manuelle Definition durch den Anwender, die in der Regel mittels einer graphischen Benutzeroberfläche erfolgt, auf der der Anwender geometrische Primitive wie Punkte und Linien positionieren muss. Dies ist insbesondere beim Teachen mehrerer unterschiedlicher neuer Arbeitsräume, wie dies etwa bei mobilen Manipulatoren oder auf Messeständen mit sich kurzfristig ändernder Umgebung der Fall ist, zeitaufwändig und fehleranfällig.Unfortunately, both methods for specifying the boundaries of the monitored space require manual definition by the user, which is usually done by means of a graphical user interface on which the user must position geometric primitives such as points and lines. This is especially time-consuming and error-prone when teaching several different new workspaces, as is the case with mobile manipulators or at trade fair stands with a rapidly changing environment.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Überwachung eines Manipulatorraumes zu verbessern.The object of the present invention is to improve the monitoring of a manipulator space.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 8 stellt eine Vorrichtung, Anspruch 10 ein Computerprogrammprodukt, insbesondere ein Speichermedium oder einen Datenträger, zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Claim 8 provides a device, claim 10, a computer program product, in particular a storage medium or a data carrier, for performing a method according to claim 1 under protection. The subclaims relate to advantageous developments.
Eine Umgebungserfassungseinrichtung überwacht, ob innerhalb eines Manipulatorraumes ein oder mehrere nicht vorgesehene bzw. zulässige Objekte vorhanden sind. Ist dies der Fall, kann eine entsprechende, gegebenenfalls abgestufte, Reaktion erfolgen. So kann zum Beispiel ein Arbeitsraum des Manipulators für alle oder ausgewählte Teile des Manipulators, etwa sein Werkzeug und/oder seinen Arm, zulässig sein. Wird in diesem Arbeitsraum ein nicht vorgesehenes Objekt erfasst, kann der Manipulator beispielsweise sicher stillgesetzt werden, um eine Kollision zu verhindern. Beispielsweise in Eindringrichtung vor dem Arbeitsraum kann ein Warnraum definiert sein. Wird in diesem Warnraum ein nicht vorgesehenes Objekt erfasst, kann zum Beispiel eine Warnung ausgegeben und/oder die Geschwindigkeit des Manipulators reduziert werden. Gleichermaßen kann auch ein, etwa für Bedienpersonen zulässiger, Schutzraum überwacht werden, wobei dann insbesondere Teile des Manipulators als nicht vorgesehene Objekte erfasst werden und eine entsprechende Reaktion, etwa Warnung, Geschwindigkeitsreduktion oder Stillsetzung auslösen. Im überwachten Raum zulässige Objekte, also insbesondere solche, deren Vorhandensein bei der Planung eines Manipulatorarbeitsprogrammes berücksichtigt wurden, etwa Teile des Manipulators selber, Zu- und Abführeinrichtungen, Werkzeugschränke und dergleichen, können vorzugsweise innerhalb des Arbeitsraumes vorgesehen werden, so dass ihre Erfassung keine der oben erläuterten Reaktionen auslöst.An environment detection device monitors whether one or more unavailable or permissible objects are present within a manipulator space. If this is the case, a corresponding, possibly graduated, reaction can take place. For example, a working space of the manipulator for all or selected parts of the manipulator, such as his tool and / or his arm, be allowed. If an unintentional object is detected in this working space, the manipulator can for example be safely shut down in order to prevent a collision. For example, in the direction of penetration in front of the workspace, a warning room can be defined. If an unidentified object is detected in this warning space, for example, a warning can be output and / or the speed of the manipulator can be reduced. Equally, it is also possible to monitor a protective room which is permissible, for example, for operators, in which case parts of the manipulator, in particular, are detected as objects not intended and trigger a corresponding reaction, such as warning, speed reduction or shutdown. In the monitored room permissible objects, ie in particular those whose existence was considered in the planning of a manipulator work program, such as parts of the manipulator itself, supply and discharge devices, tool cabinets and the like, may preferably be provided within the working space, so that their detection none of the above triggered reactions triggers.
Erfindungsgemäß wird nun eine geometrische Grenze des zu überwachenden bzw. überwachten Raumes nicht mehr rein manuell, sondern teil- oder vollständig automatisiert auf Basis einer vorab erfassten Umgebung und/oder einer Kinematik des Manipulators vorgegeben.According to the invention, a geometrical boundary of the space to be monitored or monitored is no longer specified purely manually but partially or completely automatically on the basis of a previously recorded environment and / or kinematics of the manipulator.
Dabei kann die Grenze teil- oder vollständig automatisiert durch, insbesondere längs eine(r), vorzugsweise ausgedehnte(n), zwei- oder dreidimensionalen erfassten Umgebungskontur definiert werden. Auf diese Weise muss der Anwender die Grenze nicht manuell entsprechend der Umgebungskontur durch Eingabe von Geometrieprimitiven oder dergleichen definieren und die Umgebungskontur durch diese mühsam und fehleranfällig approximieren. Stattdessen wird die Grenze automatisch beispielsweise längs einer erfassten Umgebungskontur vorgegeben.In this case, the boundary can be defined partially or completely automatically by, in particular, along a (r), preferably extended (n), two- or three-dimensional detected environmental contour. In this way, the user does not have to manually define the boundary according to the surrounding contour by inputting geometric primitives or the like and to approximate the surrounding contour with difficulty and error prone. Instead, the limit is automatically set, for example along a detected environmental contour.
In einem ersten Schritt kann dabei die Grenze in Abhängigkeit von der Umgebungserfassungseinrichtung, beispielsweise ihrer Reichweite und dergleichen, vorgegeben werden. Dann kann in einem zweiten Schritt in Bereichen, in denen innerhalb der im ersten Schritt festgelegten Grenze ausgedehnte Umgebungskonturen erfasst worden sind, die Grenze auf Basis dieser Umgebungskonturen definiert werden.In a first step, the limit may be specified as a function of the environmental detection device, for example its range and the like. Then, in a second step, in areas in which extended environmental contours have been detected within the boundary defined in the first step, the boundary can be defined on the basis of these environmental contours.
Die Grenze kann automatisch und/oder durch den Anwender noch angepasst werden. So kann beispielsweise eine solcherart vorgegebene Grenze automatisch oder teilautomatisiert auf Basis entsprechender Benutzereingaben insgesamt oder streckenweise zum Manipulator hin verkürzt werden, um etwa Toleranzen vorzusehen oder einen Bremsweg des Manipulators zu berücksichtigen. Gleichermaßen kann die vorgegebene Grenze auch insgesamt oder streckenweise verlängert werden, beispielsweise als Schutzraumgrenze oder um ein Eindringen eines Arbeitswerkzeugs in eine zu bearbeitende Umgebung zu ermöglichen.The limit can be adjusted automatically and / or by the user. Thus, for example, such a predetermined limit can be shortened automatically or partially automatically based on corresponding user inputs in total or in sections to the manipulator in order to provide tolerances or to take into account a braking distance of the manipulator. Similarly, the predetermined limit can also be extended in whole or in sections, for example as a protective space boundary or to allow penetration of a working tool into an environment to be processed.
Zusätzlich oder alternativ kann eine vorab erfasste Umgebung auch zur hybriden, i. e. kombiniert manuell und teilautomatisierten Vorgabe der Grenze, insbesondere in einer graphischen Benutzeroberfläche, zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere nicht ausgedehnte Umgebungskonturen, unter denen vorliegend insbesondere erfasste Objekte bzw. Konturen mit geringerer Ausdehnung in einer oder mehreren Raumrichtungen wie Ecken, Kanten, Stützen, Träger und dergleichen verstanden werden, können als Ankerelemente dienen, die vollständig automatisch oder durch den Anwender teilautomatisiert mit, beispielsweise benachbarten, Ankerelementen oder längs ausgedehnter Umgebungskonturen definierten Grenzbereichen verbunden werden können, beispielsweise über Geometrieprimitive wie Linien, insbesondere Geraden oder Kurven, Flächen, insbesondere Ebenen oder Sphären, Körper, insbesondere Quader oder Kugeln, und dergleichen. Gleichermaßen können insbesondere solche erfassten Objekte bzw. Konturen dazu dienen, nicht überwachte Teilräume, beispielsweise Zugangskorridore, Zu- und Abführpassagen und dergleichen zu definieren.Additionally or alternatively, a previously detected environment can also be used for hybrid, i. e. combined manual and semi-automated specification of the boundary, in particular in a graphical user interface, to be provided. In particular, not extended environmental contours, which in the present case especially understood objects or contours are understood with lesser extent in one or more spatial directions such as corners, edges, columns, beams and the like, can serve as anchoring elements that are fully automatic or semi-automatic with the user, For example, geometry primitives such as lines, in particular lines or curves, surfaces, in particular planes or spheres, bodies, in particular cuboids or spheres, and the like can be connected, for example, adjacent anchoring elements or along extended environmental contours. Similarly, such detected objects or contours can serve to define unmonitored subspaces, for example access corridors, supply and discharge passages and the like.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Umgebung des Manipulators vorab durch die Umgebungserfassungseinrichtung erfasst, die nachfolgend auch zur Überwachung des Raumes verwendet wird. Dies spart nicht nur apparativen Aufwand, sondern reduziert auch Transferfehler zwischen der Erfassung der Umgebung zur Vorgabe der Grenze einerseits und der Überwachung des so begrenzten Raumes andererseits. Die Umgebungserfassungseinrichtung kann beispielsweise einen oder mehrere, vorzugsweise berührungslose, Abstandssensoren aufweisen, etwa Laserscanner zur eindimensionalen Abstandserfassung, die durch entsprechendes Verschwenken und/oder Verfahren auch zwei- oder dreidimensionale Abstände erfassen können. Gleichermaßen sind jedoch auch Ultraschall-, Infrarot-, Mikrowellen-, Radar-, bildgebende und -auswertende oder andere Sensoren einsetzbar.In a preferred embodiment, the environment of the manipulator is detected in advance by the environment detection device, which is subsequently also used to monitor the room. This not only saves equipment expenditure, but also reduces transfer errors between the detection of the environment for setting the limit on the one hand and the monitoring of the so limited space on the other. The environment detection device can, for example, have one or more, preferably non-contact, distance sensors, for example laser scanners for one-dimensional distance detection, which can detect two- or three-dimensional distances by corresponding pivoting and / or method. Similarly, however, ultrasonic, infrared, microwave, radar, imaging and -auswertende or other sensors are used.
Ein überwachter Raum weist eine Grenze auf. Dabei kann der Raum aus Teilräumen, etwa von verschiedenen Sensoren überwachten Räumen und/oder nicht überwachten Teilräumen wie Zugangskorridoren und dergleichen zusammengesetzt sein. Entsprechend kann seine Grenze auch mehrere Abschnitte oder Bereiche aufweisen, welche nicht notwendigerweise alle zusammenhängen. Insbesondere kann eine manipulatorferne, äußere Grenze des überwachten Raumes eine Grenze im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen.A monitored room has a boundary. In this case, the space may be composed of partial spaces, for example rooms monitored by different sensors and / or unmonitored partial spaces such as access corridors and the like. Accordingly, its boundary may also have several sections or areas which are not necessarily all related. In particular, a manipulator-remote, outer boundary of the monitored space can represent a limit in the sense of the present invention.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:Further advantages and features emerge from the subclaims and the exemplary embodiments. This shows, partially schematized:
Auf der mobilen Plattform
In der Umgebung sind exemplarisch eine ausgedehnte Umgebungskontur
Bei in einer horizontalen Ebene maximal ausgestrecktem Roboter fährt das Werkzeug
Man erkennt in
Erfindungsgemäß wird daher die äußere Grenze WS' des zu überwachenden Arbeitsraumes in einem ersten, in
In einem zweiten, in
In einem weiteren Schritt wird die Grenze WS in diesem Bereich automatisch um einen vom Bediener vorgegebenen oder von dem Roboter oder seinem Arbeitsprogramm abhängigen Faktor verkürzt, so dass sie nicht mehr auf der Kontur
In einem weiteren Schritt will der Bediener einen nicht auf Objekte überwachten Zugangskorridor zum Standplatz des mobilen Roboters definieren, der beispielsweise auf dem Hallenboden markiert und durch die beiden Pfeiler
Hierzu wird ihm die vorab erfasste Umgebung einschließlich der durch den Scanner
Durch die automatisierte Vorgabe der Grenze WS auf Basis der Kinematik des Roboters, insbesondere seiner jeweiligen maximalen Erstreckung, und der durch die Scanner
Ein weiterer Vorteil zeigt sich bei einer toleranzbedingten Fehlpositionierung der bewegten Basis eines mobilen Manipulators gegenüber einer geteachten Ausgangs-Basisposition. Während hier die Überwachung des für die Ausgangs-Basisposition vorgegebenen Raumes zu einem Ansprechen der Überwachung führen kann, wenn der Manipulator etwa aufgrund von Navigationsfehleren zu nahe an einer Umgebungskontur positioniert ist, führt die wenigstens teilautomatisierte Vorgabe der Grenze auf Basis der in der aktuellen Ist-Basisposition erfassten Umgebung zu einem korrekt an die geänderte Position angepassten überwachten Raum.Another advantage is shown by a tolerance-related incorrect positioning of the moving base of a mobile manipulator with respect to a taught starting base position. While the monitoring of the space specified for the home base position may result in a response of the monitor when the manipulator is positioned too close to an environmental contour due to navigation errors, for example, the at least semi-automated specification of the boundary will be based on the current actual time. Basic environment to a monitored space that has been properly adjusted to the changed position.
Im Betrieb überprüfen die Laserscanner
Erfasst hingegen einer der Laserscanner
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Roboterrobot
- 1.11.1
- Grundgestellbase frame
- 1.21.2
- Karussellcarousel
- 1.31.3
- Schwingewing
- 1.41.4
- Armpoor
- 1.51.5
- Zentralhandwrist
- 22
- mobile Plattformmobile platform
- 2.12.1
- Raupenkettecaterpillar track
- 3A3A
- 3D3D
- Laserscanner (Umgebungserfassungseinrichtung)Laser scanner (environment detection device)
- 4.14.1
- ausgedehnte Umgebungskonturextensive environment contour
- 4.24.2
- Pfeilerpier
- A–DA-D
- Erfassungsbereichdetection range
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Owner name: KUKA ROBOTER GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: KUKA ROBOTER GMBH, 86165 AUGSBURG, DE |
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R163 | Identified publications notified |
Effective date: 20130319 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: KUKA ROBOTER GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: KUKA LABORATORIES GMBH, 86165 AUGSBURG, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE |
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