CN109843514B

CN109843514B - 用于碰撞检测的方法和自治系统

Info

Publication number: CN109843514B
Application number: CN201780065924.1A
Authority: CN
Inventors: F.克劳特武尔姆
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2017-07-04
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2037-07-04
Also published as: US11358278B2; CN109843514A; EP3487670A1; WO2018036699A1; EP3287243A1; US20190184563A1

Abstract

本发明公开了用于碰撞检测的方法和自治系统。该方法用于检测真实环境中的自治系统的对象与部件之间即将发生的碰撞，该真实环境包括至少一个真实分散式自治部件，由此自治系统的至少一部分的虚拟图像是可获得的，从而仿真自治系统的至少一个方面，该方法包括以下步骤：a）将数据传输到自治系统的虚拟图像；b）在虚拟图像中生成围绕对象的虚拟图像的主体，该主体限定了不能够由至少一个自治部件的虚拟图像进入的体积；c）在虚拟图像中处理部件数据和对象数据并且因此生成提供关于对象和自治部件的虚拟图像的运动的信息的反馈数据；d）将来自自治系统的虚拟图像的反馈数据传输到真实自治部件，以供自治部件在关于进一步运动进行决策时使用。

Description

用于碰撞检测的方法和自治系统

技术领域

本发明涉及一种用于碰撞检测的方法和一种自治系统（autonomous system）。

背景技术

在工业制造业中，存在从传统集中式系统到自治分布式系统的趋势。自治分布式系统包括例如机器人的部件，其不受中央实例（central instance）控制并且对其行为具有一定程度的自治权。

此外，传统设备与诸如智能机器人、CNC机器、3D打印机和其它智能设备的新技术结合使用，该新技术具有到虚拟模拟或/和仿真环境的接口。因此，真实世界与其虚拟图像之间的相互作用能够被提供。因此，用于这些制造系统的术语是网络物理生产系统。

对于这些系统的规划、测试和操作，使用一种概念，其中，对于真实或物理工厂，存在反映某个部件或一组部件的某些方面的虚拟的数字拷贝。该虚拟的数字拷贝有时被称为数字双胞胎，并且在其正在运行的IT平台上虚拟的数字拷贝通常被称为“数字工厂”。

基本思想是探索或控制物理工厂的一些或所有部件的行为，而无需在物理部件上实际运行程序。

在这些自治分布式系统中，经常在自治部件（例如，机器人和人类同事）之间存在协作。然而，这带有的危险是，不仅可能发生部件之间的碰撞，而且人类同事可能被自治部件伤害。

本发明的一个目的是为避免自治分布式生产系统中的碰撞提供可能性。

发明内容

这通过根据本发明的用于检测真实环境中的自治系统的对象与部件之间即将发生的碰撞的方法、自治系统、软件、数据载体解决。有利的实施例是优选实施方案的主题。

本发明涉及一种用于检测真实环境中的自治系统的对象与部件之间即将发生的碰撞的方法，该真实环境包括至少一个真实的分散式自治部件。

对于自治系统的至少一部分，可获得虚拟图像，其模拟自治系统的至少一个方面。

例如，虚拟图像被建立为在提供处理能力的计算机上运行的自治系统的副本。对该副本的输入可以包括例如体系结构、硬件或从例如真实工厂的传感器得来的数据。副本不应被理解为存在显示自治系统的每个单个细节的精确拷贝。优选地，在虚拟图像正在运行的计算机的处理能力的帮助下，自治系统的某些方面在虚拟图像中被仿真。

方法包括将数据传输到自治系统的虚拟图像的步骤。所述数据包括提供与至少一个真实自治部件的运动有关的信息的部件数据和提供与对象的运动有关的信息的对象数据。

在自治系统的虚拟图像中，生成围绕对象的虚拟图像（即对象的数字双胞胎）的主体（corpus），其限定了不能由至少一个自治部件进入的体积。

优选地，该主体具有盒子或平行六面体的形状。这减少了计算工作。

在虚拟图像中处理部件数据和对象数据，并且生成反馈数据，该反馈数据提供关于对象和自治部件的运动的信息。

例如，虚拟图像正在其上运行的计算机提供计算能力，以通过从传输到虚拟图像的数据开始并且然后通过使用运动模型或例如在直线运动的情况下通过考虑方向、速度和经过的时间的简单外推来模拟未来运动，直到反馈数据可在真实或物理自治部件或单元处获得。

这些反馈数据从自治系统的虚拟图像传送到真实自治部件。

优选地，反馈数据包括关于未来情况的数据，其已经在虚拟图像中被模拟，特别是通过使用具体自治部件或/和对象的运动的模型。

自治部件考虑反馈数据以用于关于进一步运动的决策。特别地，反馈数据可以启动运动以便避免碰撞。

根据有利的实施例，围绕对象或/和至少一个自治部件的主体可以根据对象或/和自治部件的速度的方向和大小而变化。在具有盒子的形式的主体的例子中，盒子的边缘在运动的方向上被延长。边缘被延长的实际长度取决于速度的大小，优选地取决于速度的平方。此外或替代地，实际长度还取决于传送时间和处理时间。因此，实际长度能够由由于稍后传送到真实自治系统中而造成的延迟时间、虚拟以及真实元件的处理时间来应对并且能够安装安全缓冲器。

根据另一实施例，传送时间可以包括从自治部件或对象到其虚拟图像并返回的时间。

根据另一实施例，处理时间可以包括自治部件或对象中的处理时间或/和在计算机上运行的虚拟图像中的处理时间。

本发明还涉及一种自治系统、对应的一个软件和用于存储所述一个软件的数据载体。

附图说明

本发明的另外的实施例、特征和优点将从结合附图获取的随后的描述和优选实施方案中变得明显，附图示出：

图1是具有自治部件和人类同事的真实环境和表示真实环境的拷贝的虚拟环境交换数据的示意图；

图2是自治分布式生产系统的一个部段的示意图；

图3是由盒子包围并佩戴定位装置的人类操作员的示意图；

图4是由虚拟环境中的盒子包围的人类操作员的虚拟图像伴随有生产系统的数字图像的示意图；

图5是由在运动方向上延伸的盒子包围的朝向虚拟环境中的自治部件运动的人类操作员的虚拟图像伴随有生产系统的数字图像的示意图；

图6是虚拟环境中的两个自治部件和安全区域伴随有生产系统的数字图像的示意图；

图7是围绕自治对象的虚拟图像的主体的示意图，所述主体具有允许与人类同事相互作用（例如，工件处理）的凹陷；

图8是像图7的示意图一样的示意图，其中凹陷被扩大以便于相互作用；

图9是示意图，示出了适合于由包围躯干和手脚的盒子的组合形成的人类工作者的主体。

具体实施方式

在以下描述中，将描述本发明的各种方面及其实施例。然而，本领域技术人员将理解，可以仅利用其一些或所有方面来实践实施例。出于解释的目的，阐述了具体的数字、材料和配置以提供全面的理解。然而，对于本领域技术人员来说也将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些实施例。

图1描绘了生产工厂的一个部段的真实环境RE，其正在与反映真实环境或其某些方面的虚拟环境VE交换T数据。

在真实环境RE中，存在自治部件AC、AC'，该自治部件AC、AC'彼此相互作用以便实现任务，例如，生产过程。自治部件AC、AC'是例如适于在生产过程内执行某组生产任务的机器人。自治部件AC、AC'不是集中控制的，而是具有限定的自治的范围以进行决策。

自治的范围可以取决于具体的生产任务、自治部件AC、AC'的实际星座（constellation）等。

在生产工厂内还有一个对象H，例如人类，其与自治部件AC、AC'相互作用。

相互作用可以是人类H与一个或多个自治部件AC、AC'一起执行生产任务，或者是人类H正在生产工厂内运动。

虚拟环境VE是真实环境RE的虚拟图像。虚拟图像正在IT平台上运行。这特别地意味着在真实计算机的帮助下真实环境RE被仿真，使得真实环境RE的份额被虚拟地再现在该计算机上。这使得能够在不妨碍（即，不干预）运行操作的情况下监控、监督或测试真实环境RE，例如自治系统。

被再现的自治系统的份额取决于虚拟化的目的。例如，只有某个方面或部分可以被虚拟化以用于其优化或测试。

对应地，真实环境RE的每个元件或仅一些元件在虚拟环境VE中具有对应的元件。

诸如自治部件的元件，例如机器人，具有多个产生传感器数据的传感器。

传感器可以包括位置检测传感器、运动检测传感器、加速度传感器、力传感器、照相机、音频传感器、气味传感器等、检测某些物质的存在的传感器等。对应地，传感器数据可以包括位置（例如空间位置）相关的数据、速度/加速度或/和运动/加速度的方向相关的数据、与力的大小和方向有关的数据、视觉数据、音频数据、气味数据、与某些物质的存在和数量有关的数据等。

作为对真实环境RE中的每个元件在虚拟环境VE中具有对应元件的情况的替代，仅真实环境RE的某些元件在虚拟环境VE中具有对应的对象。这允许对生产工厂的某些方面进行建模、测试或监视。该目标也能够利用实施例来实现，其中真实环境RE的所有元件可以在虚拟环境中具有对应元件，但是仅关于一些元件的数据从真实环境RE传输到虚拟环境VE或被使用用于虚拟环境VE中的进一步计算。

在虚拟环境VE中，在真实元件的虚拟或计算机化表示的帮助下，真实环境RE中的元件的实际行为能够被建模。如上所述，虚拟表示有时被称为数字双胞胎。

在自治部件的这些数字双胞胎（例如数字双胞胎DT（AC）、DT（AC'））的帮助下，真实环境RE中的生产工厂能够被建模。真实对象的传感器提供在数据传输T中被传输到虚拟环境VE中的数据。在那里，在3D建模软件的帮助下，数字双胞胎通常被做成与真实对象相同，例如在形状上，但是特别地与实际状态有关，例如机器人的位置和其握持手臂的位置、机器人的各种构成的运动等。

利用其，自治部件AC、AC'的未来行为能够被模拟，并且未来情况，例如碰撞，能够被确定。这些模拟数据作为信息被传输回到自治部件AC、AC'，自治部件AC、AC'可以使用这些模拟数据以用于进行决策。

对于真实环境RE和虚拟环境VE之间的数据传输T，能够使用各种传输模式，诸如接线或无线传输方法或其任何组合。

根据有利的实施例，在真实环境中存在从自治部件AC、AC'到中央传送实体的无线连接，诸如根据802.11标准的一个无线连接。从该中央传送实体存在接线连接，例如，以太网连接。

替代地或附加地，数据通过有线连接传输到不动的自治部件，诸如传送带或固定的机器人。

围绕对象，例如人类工作者H，在虚拟环境VE中生成主体C，其导致在真实环境RE中不能够被进入的区域。出于说明目的，该区域在真实环境RE中也被描绘为盒子。替代地，多于一个盒子可以被使用以形成主体C，例如，以建模人类的身体和手臂。

在图2中，描绘了执行移动形式为立方体的工件WP的任务时的真实环境RE中的自治部件AC、AC'。

在图3中，描绘了处于危险中的对象（该对象根据在那里示出的实施例为人类H），其可以正在真实环境RE中运动。为了检测对象的位置，其配备了可穿戴检测仪W。

该可穿戴检测仪W可以包括GPS系统或/和陀螺仪或/和用于测量传播时间的系统或/和照相机、红外传感器、超声传感器等。

替代地或附加地，处于危险中的对象可以是自治对象中的一个或多个。

对于下面描述的实施例，处于危险中的对象被考虑为人类，但是示例可应用于任何其它处于危险中的对象，诸如，特别是易损的，机器人或生产中使用的任何设备。

围绕处于危险中的对象，特别是人类，在虚拟图像中创建主体C，该主体C包围人类。主体C可以特别地具有盒子（特别是平行六面体）的形式。这有利地减少了计算工作。通常对于3D建模，三角形被使用并且因此盒子的任何一个侧面都能够仅用两个三角形建模。

该主体C包围图4中描绘的虚拟环境VE中的人类。为了模拟真实环境RE中可能的，即非危险的运动，主体C被处理为自治部件的数字双胞胎DT（AC）、DT（AC'）不可以进入的体积。因此，对于数字双胞胎DT（AC）、DT（AC'），允许的运动，即不伤害人类的运动能够在虚拟环境中被确定，从而具有安全缓冲器，该安全缓冲器应对由于处理时间、传输时间或者位置确定中的不准确性引起的延迟。此外，通过简单主体C的充分形成，实现了计算工作的减少。

关于允许的运动的该信息被反馈到真实环境RE中，到达可能需要使用该信息的自治部件AC、AC'，例如，在一定范围内自治对象到信息所关注的地方。自治部件AC、AC'然后在关于其进一步动作自治决策时考虑该信息。

如上所述，可以实施附加的体积安全措施，其考虑了路径或速度确定的不准确性以及由于虚拟和真实环境之间的传输或/和处理时间等而发生的延迟时间。

从真实环境RE到虚拟环境VE的数据的传输、虚拟环境VE中的计算任务、因此获取的信息到真实环境RE的反馈需要时间。如果延迟变得太大，则存在在自治部件AC、AC'能够实际上使用反馈信息之前发生碰撞的危险，因为自治部件AC、AC'可能还没有接收或/和处理反馈信息。为了解决该问题，主体C可变地形成。

根据一个实施例，主体C的大小关于周围自治部件的危害潜在性而变化。

根据另一实施例，计算主体C的大小，使得在发生的通信延迟或/和处理延迟期间所覆盖的路径小于主体的维度。因此，尽管存在延迟，随着反馈及时到达，也可以在未来碰撞发生之前检测到未来碰撞并且可以避免未来碰撞。

替代地或附加地，还将不准确性添加到主体的该维度，例如，盒子的边缘通过这些准确性被延长。

为了避免碰撞，自治部件AC、AC'能够决策减速、停止相应的运动、改变方向等。

可以通过可穿戴设备显示的信号（例如闪烁、振动警报、声音等）警告人类H可能的碰撞。

在图5中，描绘了实施例，其中主体C具有盒子的形状，该盒子具有平行于运动方向以及与其垂直的边缘，即立方体。

盒子在由相应箭头指示的运动的方向上被扩大。这种扩大是关于速度进行的，即对于较高的速度，平行于运动的方向的边缘变得比对于较低速度的边缘更长。

根据有利的实施例，边缘的长度以该方式计算：

首先，确定一个基本盒子，该盒子在围绕人类的所有方向上提供足够的空间，以便保持不受伤害。然后，在运动的方向上存在添加的附加的边缘长度。计算该附加的边缘长度，使得在信号从人类或遭受危险的对象到虚拟实体并返回的行进时间加上相应的处理时间期间可能被覆盖的距离仍然在盒子内。该估计基于速度/方向和处理时间的先前的测量值来完成。

此外，在图5中，自治部件AC也配备有作为周围主体C的盒子。通过不仅对处于危险中的对象（特别是人类）使用周围主体，自治部件和处于危险中的对象的各个运动的相互连接能够更容易地被考虑。有利地，两个安全盒子的边缘长度均在运动的方向上被延伸。

在图6中，描绘了虚拟环境中的主体，其不与对象相关联。因此，不将由自治对象进入的区域能够被限定。因此，例如，如果事故已经发生，某一空间能够保持未被占用。

在图7中，描绘了实施例，其中，在围绕自治部件DT（AC）、DT（AC'）的虚拟图像的主体C中形成凹陷R。该凹陷内的体积被排除在不能够被进入的主体的体积之外。附加的规则可以被应用于凹陷R的体积，例如，凹陷体积可以被普遍地进入或可以由某些对象进入，例如仅由人类进入。

根据另一实施例，对于不同对象（对象的数字双胞胎），主体C被不同地限定。例如，存在用于人类动作者的主体类型、用于网络物理部件的另外的主体类型、用于工件的主体类型或用于安全区域的主体类型。做出这种区分之后，能够限定更精细的一套规则，以便允许生产过程的进程中的相互作用，但是仍然确保人类和部件的安全。

根据示例性的一组规则，在人类与网络物理部件之间、工件与工件之间、网络物理部件与安全区域之间、网络物理部件与网络物理部件之间不允许发生碰撞。

在人类或网络物理部件与工件之间可以允许“碰撞”或更确切地说相互作用。

因此，在小的限定的通道中，生产过程中所需的相互作用或/和接触是可能的。从而仍然能够避免危险的碰撞。

根据图8，凹陷被扩大以便于处理工件WP，特别是当使用如上所述的用于侵入的一组规则时。因此，例如，大的通道可以被限定，以使得容易处理，同时仍然确保不发生危险的碰撞。

在图9中，描绘了人类H，其正佩戴用于位置确定的检测仪。基于虚拟环境VE中的这些检测仪数据，附接到人类的主体C能够被生成。在所描绘的示例中，主体C由包围身体和手臂的多个盒子形成。用于形成主体C的盒子的数量取决于工作环境和人类同事的职责。

尽管已经根据优选实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说显然的是，实施例之间的完全地或在一个或多个方面中的修改或组合在所有实施例中是可能的。

已经根据由计算机系统执行的操作，使用与本领域技术人员通常采用的方式一致的诸如数据等的术语来呈现说明书的部分，以将其工作的实质传达给其他本领域技术人员。如本领域技术人员所熟知的，这些量采用能够通过计算机系统的机械和电气部件存储、传输、组合和以其它方式操纵的电信号、磁信号或光信号的形式；并且术语计算机系统包括通用以及专用数据处理机器、路由器、桥接器、转换器等，它们是独立的、附属的或嵌入式的。

附加地，各种操作将以有助于理解本发明的方式依次描述为多个离散步骤。然而，描述的顺序不应该被解释为暗示这些操作必须依赖于顺序，特别是它们的呈现顺序。

在说明书中提到“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。

在说明书中的各种地方中出现的短语“在一个实施例中”不一定都指的是同一个实施例。

Claims

1.一种用于检测真实环境（RE）中的自治系统的对象与部件（AC、AC'）之间即将发生的碰撞的方法，所述真实环境（RE）包括至少一个真实分散式自治部件（AC、AC'），由此所述自治系统的至少一部分的虚拟图像（VE）是可获得的，从而仿真所述自治系统的至少一个方面，所述方法包括以下步骤：

a）将数据传输（T）到所述自治系统的所述虚拟图像（VE），所述数据包括

- 提供与至少一个真实自治部件（AC、AC'）的运动有关的信息的部件数据，以及

- 提供与所述对象的运动有关的信息的对象数据；

b）在所述虚拟图像（VE）中生成围绕所述对象的所述虚拟图像的主体（C），所述主体（C）限定不能够由至少一个自治部件（AC、AC'）的所述虚拟图像进入的体积；

c）在所述虚拟图像（VE）中处理所述部件数据和所述对象数据，并且因此生成提供关于所述对象和所述自治部件（AC、AC'）的所述虚拟图像的运动的信息的反馈数据；

d）将来自所述自治系统的所述虚拟图像（VE）的反馈数据传输（T）到所述真实自治部件（AC、AC'），以供所述自治部件（AC、AC'）在关于进一步运动进行决策时使用。

2.根据权利要求1所述的方法，包括另外的步骤e）所述真实自治部件（AC、AC'）进行动作，由此考虑所述反馈数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述动作包括改变运动，使得所述真实自治部件（AC、AC'）不与所述对象碰撞。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，还围绕所述至少一个自治部件（AC、AC'）创建主体（C）。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述部件数据包括传感器数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述传感器数据来自所述至少一个自治部件（AC、AC'）上的传感器，或者/以及来自所述自治系统的场所中的传感器。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述部件数据包括来自所述自治系统的至少一部分的模型或/和部件（AC、AC'）到另一部件（AC、AC'）或所述对象的相对位置的数据。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述主体（C）中的至少一个是盒子。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，围绕至少一个所述对象或/和至少一个部件的所述主体（C）能够根据速度的大小或/和速度的方向或/和另外的自治部件（AC、AC'）的存在而变化。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，对于所述另外的自治部件（AC、AC'）的存在，所述自治系统的预定义部段内的自治部件（AC、AC'）的数量或/和所述自治部件的类型被考虑。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，对于所述另外的自治部件（AC、AC'）的存在，所述自治部件的危害潜在性被考虑。

12.根据权利要求11所述的方法，由此所述危害潜在性根据以下事项中的至少一个确定：

- 所述自治部件（AC、AC'）的大小或/和类型

- 可能的运动的范围

- 速度范围

- 加速度的方向或/和大小；

- 所述自治部件（AC、AC'）的运动部分的重量。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述自治部件（AC、AC'）的所述运动部分为机器人手臂。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述主体（C）是具有平行于运动的方向的边缘以及与其垂直的边缘的盒子，并且平行于所述运动的方向的所述盒子的所述边缘被延长以下距离中的至少一个：

- 在由于所述自治系统（RE）和所述虚拟图像（VE）之间的传输而造成的延迟时间期间由所述对象所覆盖的距离；

- 在以下事项中的至少一个的处理时间期间由所述对象所覆盖的距离

- 自治部件（AC、AC'）

- 所述自治部件的虚拟图像（DT（AC），DT（AC'））；

- 位置确定的不准确性；

- 通过采取速度不准确性时间延迟或/和处理时间确定的距离；

- 通过在围绕所述对象的附近半径中的自治部件（AC、AC'）的速度确定的至少一个距离。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述对象是人类，所述人类正配备有检测仪（W）以用于确定位置，并且其中，在虚拟环境中，根据从可穿戴检测仪（W）得来的对象数据生成所述主体（C）。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述检测仪（W）用于确定空间位置。

17.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，检测仪被附接到所述对象以用于确定所述对象的位置，并且提供传送接口以用于传送所述位置的数据。

18.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述主体（C）形成为使得其包括至少一个凹陷（R），所述凹陷内的体积被排除在不允许被进入的所述主体（C）的所述体积之外。

19.根据前述权利要求18所述的方法，其中，对于排除的体积，根据所述对象设置用于接近的规则。

20.根据前述权利要求19所述的方法，其中，所述排除的体积允许被进入或/和允许仅由所述对象或/和工件进入。

21.自治系统，包括至少一个自治部件（AC，AC'）和处于危险中的至少一个对象，其中，为了避免碰撞，执行根据权利要求1至20中任一项所述的方法。

22.根据前述权利要求21所述的自治系统，其中，所述自治系统用于在生产中使用。

23.一个软件，用于当在计算机上运行时执行根据权利要求1至20中任一项所述的方法。

24.数据载体，根据权利要求23所述的一个软件被存储在所述数据载体上。