CN112423944B - 用于借助自适应保护区域保护移动的物流机器人的工作区域的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在变换的工作环境(A)中保护移动的物流机器人的工作区域(B)的方法，其中，物流机器人由控制系统控制，并且当前的工作环境(A)借助传感器系统检测并且由安全系统监测。本发明提出，控制系统在新的工作环境(A)中自主地定义意图的、安全的工作区域(B)，并且安全系统自主地将已定义的工作区域(B)作为自由的保护区域(S，1，2，3，4)验证并且监测，并且在由于物体(O)进入到自由的保护区域(S，1，2，3，4)中而侵犯保护区域时自动地使物流机器人处于安全状态中。

Description

用于借助自适应保护区域保护移动的物流机器人的工作区域 的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在变换的工作环境中保护移动的物流机器人的工作区域的方法，其中，物流机器人由控制系统控制，并且当前的工作环境借助传感器系统检测并且由安全系统监测。

背景技术

机器人越来越多地使用在工业和物流业中，用于使工业制造中以及物流任务、例如拣选中的过程自动化。在此主要使用具有机械手臂、特别是机器人手臂的机器人。一个对此的实例是所谓的带有可弯曲手臂的机器人。

机械手臂的机器人应用在现今工业自动化中通常在单独的工作空间中运行，所述工作空间通常设计为由传感器监测的安全笼。在现有技术中第一协同机器人方案实现为当前的进一步改进方案，其中，人和机器人在同一工作环境中工作。然而出于安全原因在所述机器人方案中强烈地限制工作速度。所谓的协同速度为典型地最大250mm/s。此外，所述机器人方案由于与安全相关的力和力矩传感技术的必要性而具有非常高的制造成本。此外，通常只能提升非常小的有效负载(在小于千克范围内)，从而不利于调节有效负载与自载比。

现今机器人解决方案的主要部分可以表征为静止机器人解决方案，因为机器人手臂要么不动地固定在地面上要么可移动地安装在线性轴上。由此实现空间上强烈受限的工作空间，该工作空间通常通过安全围栏隔离。

存在具有在能自由移动的平台机器人上的手臂的移动式的第一方案。对此的实例是扁平的自动导引车辆(“automated guided vehicles”，AGV)或者无人驾驶地面运输工具、特别是移动拣选机器人。然而所述解决方案通常不能在混合运行中在不与操作员空间上隔离的情况下被使用。

虚拟保护围栏的第一方案实现为固定安置的安全围栏的变体，其中，借助适合的传感器(例如激光扫描仪)监测围绕机器人的自由区域。在侵犯通过虚拟保护围栏定义的保护区域时，机器人被安全地限制或关闭。

通过将机器人与人空间上隔离出现对于使用具有人-机器人协作的协同操作方案而言妨碍的栅栏。人和机器人并行使用的区域中的混合运行通常在例如安装在能运动的平台上的移动机器人单元的情况中也是不可能的。具有符合应用的运动学的、通过机器人壳体的造型实现避免危险的方案强烈地限制运动学的设计自由度。

这些障碍的结果表明对于已知的由其特征决定的协同机器人方案仅仅实现非常有限的应用领域。因此所述协同机器人方案目前仅仅实现极低的市场渗透。

在具有用于装卸的机器人手臂的物流机器人、特别是自主地面运输工具、例如移动拣选机器人的情况中实现协同方案是要求特别高的，因为物流机器人应该自由地在物流区域、例如贮存仓库中运动。所述物流机器人在此持续地遇到完全新的工作环境，这些工作环境必须被确保安全。

发明内容

本发明的任务在于，设计一种开头所述类型的方法，使得即使在变换的工作环境中在与人的混合运行中也能实现移动的、能自由行驶的物流机器人的安全可靠的运行。

该任务根据本发明通过如下方式来解决，控制系统在新的工作环境中自主地定义意图的、安全的工作区域，并且安全系统自主地将已定义的工作区域作为自由的保护区域验证并且监测，并且在由于物体进入到自由的保护区域而侵犯保护区域时自动地使物流机器人处于安全状态中。

根据本发明的方法由此能够对于新的工作环境自主地识别安全的保护区域并且可以通过安全系统监测所述安全的保护区域。与传统的、固定安置的安全围栏和固定调节的虚拟保护围栏相反地，根据本发明自适应的保护区域可以持续地适应不同的工作环境。

本发明的一个优选的设计方案设置，控制系统将已定义的工作区域的数学描述传送到安全系统。

在此有利的是，物流机器人的电子控制系统自身不需要是安全的。也就是说，可以例如使用传统的机器人手臂控制装置。其安全保护通过安全系统进行，该安全系统可以设计为自己的电子安全控制系统。

符合目的地，非安全控制系统借助传感器扫描工作环境并且定义意图的、安全的工作区域。然后非安全控制系统将意图的安全的工作区域作为数学描述(优选地作为多边形)传送到安全系统，所述安全系统定义为优选地设计为扫描仪的安全传感器。所述安全传感器也可以是与在通过非安全控制系统扫描工作环境的情况中相同的传感器。安全系统确认，保护区域是自由的(即未被占据的)。

本发明的一个变体设置，控制系统从预定义的一组保护区域中选择保护区域，该保护区域覆盖意图的、安全的工作区域。

在此，所述非安全控制系统也是借助传感器扫描工作环境并且从预定义的一组保护区域中选择保护区域，该保护区域覆盖意图的、安全的工作区域并且以适合的方式满足意图的、安全的工作区域的已识别的轮廓。然后非安全控制系统将意图的安全的工作区域传送到安全系统，所述安全系统定义为优选地设计为扫描仪的安全传感器。所述安全传感器也可以是与在通过非安全控制系统扫描工作环境的情况中相同的传感器。确认，保护区域是自由的(即未被占据的)。

为此也可以使用非安全控制系统。非安全控制系统从预定义的一组保护区域中选择保护区域，该保护区域以适合的方式满足意图的工作区域的已识别的轮廓。保护区域的轮廓可以在此是任意的。在不限制通用性的情况下可以特别是涉及矩形的保护区域。

前述的方案特别是设置一种控制系统，其由非安全控制系统、例如机器人控制装置和(监测的)安全系统构成。该划分是合宜的，因为安全控制系统通常具有极其有限的功能范围并且由此在其中不能描述较复杂的算法。

下述的变体减小了算法复杂性，从而根据本发明的方法也能够在更简单地结构化的安全控制系统上实施。

替代扫描工作环境以能够定义适合的保护区域地，简化方案提出，将固定地定义的一组保护区域通过安全系统迭代地应用于变换的工作环境。

因此，本发明的一个有利的变体涉及一种方法，其中，控制系统将预定义的一组保护区域迭代地应用于工作环境，其中，使用以下算法：

1.选择小的保护区域i，

2.通过安全系统验证保护区域i是否是自由的，

2.1在验证为自由的保护区域i时：继续进行3.步骤，

2.2在验证为已占据的保护区域时：中止，

3.选择下一个更大的保护区域i，

4.继续进行2.步骤，

5.定义最大可能的保护区域作为最终验证为自由的保护区域的保护区域i-1。

符合目的地，预定义的一组保护区域在此包括矩形的保护区域。然而根据工作环境的特性，所述预定义的一组保护区域也可以具有以另外方式适合地成形的保护区域。

在本发明构思的一个进一步方案中，自由的保护区域如此靠近于工作区域的限定的轮廓，以至于人不能在间隙中停留。

也就是说，这个进一步方案设置，该保护区域非常靠近于限定的轮廓。由此仅仅保留小的未监测的区域。根据已存在的标准，未监测的区域必须这样选择，以使得人不能在所述未监测的区域中停留。通过这个进一步方案由此实现这种输送，自适应的保护区域如此定义，以使得未监测的保护空间保持小于标准中给定的界限。

在此，自由的保护区域优选地如此靠近于工作区域的限定的轮廓，以至于在自由的保护区域和限定的轮廓之间保留最大10cm的间距。

通过根据本发明的方法可以生成并且验证连续的、无间隙的保护区域，该保护区域可以借助曲线轨迹限定，所述曲线轨迹优选地由多边形预给定。在本发明的一个另外的设计方案中，多个自由的保护区域被组合。由此产生不连续的保护区域，所述不连续的保护区域由此也可以具有间隙。

在本发明的一个符合实际的实施方式中，控制系统通过评估传感器数据来定义意图的、安全的工作区域。为此，优选地至少一个设计为扫描仪的传感器扫描工作环境。符合目的地在此使用激光扫描仪作为传感器。

本发明的一个优选的应用情况设置，使用具有用于在变换的工作环境中装卸的至少一个机器人手臂的、移动的能自由行驶的机器人车辆、特别是自主地面运输工具作为物流机器人，其中，所述控制系统至少控制机器人手臂。

在此有利地使用非安全控制系统作为控制系统，所述非安全控制系统的控制措施由安全系统监测。

本发明的一个另外的符合目的的变体设置，使用安全控制系统作为控制系统，所述安全系统集成到该安全控制系统中。

本发明实现一系列的优点：

可以开拓不具有固定的保护区域隔离装置的工作区域。

此外可以提高工作速度，因为机器人能够以“不协同的”速度运动。此外可以处理增大的有效负载，因为不需要对机器人持续的力和力矩监测并且由此能够以增大的速度使更大的有效负载运动，该速度大于监测极限。也可以减小传感器的成本，因为不需要通过安装于机器人的传感器进行协作监测。最后同样可以减小机器人手臂的成本，因为替代成本高昂的协同的机器人可以使用标准工业机器人。

附图说明

根据在示意图中示出的实施例具体地说明本发明的其他优点和细节。附图中：

图1示出在自适应地保护的工作环境中对保护区域的定义，

图2示出在自适应地保护的工作环境中的预定义的一组保护区域，和

图3示出对用于保护机器人的工作环境的最大未占据的保护区域的选择。

具体实施方式

在图1中示出在自适应地保护的工作环境A中对保护区域S的定义。在本实例中，保护区域S通过多边形S定义。为此，在图1中未示出的物流机器人的非安全控制系统借助传感器扫描工作环境A并且定义意图的、安全的工作区域B。如图1中所示地，一个工作区域B被选择，该工作区域未被物体O、在这种情况中即货板O占据。然后非安全控制系统将作为数学描述(在此作为多边形S)的、意图的安全的工作区域B传送到安全系统，所述安全系统定义为特别是设计为扫描仪的安全传感器。安全系统确认，保护区域S是自由的(未占据的)。

在图2中示出一组预定义的保护区域1，2，3，4。在此，保护区域1，2，3，4例如具有矩形的形状。为此，图2中未示出的物流机器人的非安全控制系统借助传感器扫描工作环境A并且定义意图的、安全的工作区域B。保护区域1，2，4是自由的、即未占据的，而保护区域3由物体O、在这种情况中即货板O占据。图2中未示出的物流机器人的非安全控制系统从预定义的一组保护区域1，2，3，4中选择保护区域1，2，4，该保护区域以适合的方式满足意图的工作区域B的已识别的轮廓。然后非安全控制系统将未占据的保护区域1，2，4传送到安全系统，所述安全系统定义为特别是设计为扫描仪的安全传感器。安全系统确认，保护区域1，2，4是自由的(未占据的)。

图3示出，如同借助迭代方法那样选择最大的未占据的保护区域1，4。在此，图3中未示出的物流机器人的控制系统将预定义的一组保护区域迭代地应用于工作环境A。在本实例中涉及与图2中相同的一组保护区域1，2，3，4，其中，在图3中仅仅示出迭代方法的结果。首先选择小的保护区域。通过安全系统验证，保护区域是否是自由的。如果是自由的，则选择下一个较大的保护区域。这个过程如此长时间地进行，直到定义最大可能的保护区域作为最终验证为自由的保护区域的保护区域。在本实例中，该最大可能的保护区域是保护区域1和4，该保护区域未被物体O、在此即货板O占据。

Claims (14)

1.一种用于在变换的工作环境(A)中保护移动的物流机器人的工作区域(B)的方法，其中，所述物流机器人由控制系统控制，并且当前的工作环境(A)借助传感器系统检测并且由安全系统监测，其特征在于，所述控制系统在新的工作环境(A)中自主地定义意图的、安全的工作区域(B)，并且所述安全系统自主地将已定义的工作区域(B)作为自由的保护区域(S，1，2，3，4)验证并且监测，并且在由于物体(O)进入到所述自由的保护区域(S，1，2，3，4)中而侵犯保护区域时自动地使所述物流机器人处于安全状态中，其中，所述控制系统将预定义的一组保护区域(S，1，2，3，4)迭代地应用于所述工作环境(A)，其中，使用以下算法：

1)选择所述预定义的一组保护区域(S，1，2，3，4)中的小的保护区域作为被选择的保护区域i，

2)通过所述安全系统验证所述被选择的保护区域i是否是自由的，

2a)在所述被选择的保护区域i被验证为自由的保护区域i时：继续进行步骤3)，

2b)在所述被选择的保护区域i被验证为已占据的保护区域时：继续进行步骤5)，

3)选择所述预定义的一组保护区域(S，1，2，3，4)中的下一个更大的保护区域作为被选择的保护区域i，

4)继续进行步骤2)，

5)将意图的、安全的工作区域(B)定义为最后被验证为自由的保护区域i；

其中，所述预定义的一组保护区域(S，1，2，3，4)包括至少两个保护区域，以及

所述预定义的一组保护区域(S，1，2，3，4)中的至少一个被验证为自由的，所述预定义的一组保护区域(S，1，2，3，4)中的至少一个被验证为已占据的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制系统将所述已定义的工作区域(B)的数学描述传送到所述安全系统。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制系统从预定义的一组保护区域(S，1，2，3，4)中选择保护区域(S，1，2，3，4)，该保护区域覆盖所述意图的、安全的工作区域(B)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定义的一组保护区域(S，1，2，3，4)包括矩形的保护区域(S，1，2，3，4)。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述自由的保护区域(S，1，2，3，4)如此靠近于所述工作区域(B)的限定的轮廓，以至于人不能在间隙中停留。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述自由的保护区域(S，1，2，3，4)如此靠近于所述工作区域(B)的限定的轮廓，以至于在所述自由的保护区域(S，1，2，3，4)和所述限定的轮廓之间保留最大10cm的间距。

7.根据权利要求1-3、6中任一项所述的方法，其特征在于，多个自由的保护区域(S，1，2，3，4)被组合。

8.根据权利要求1-3、6中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制系统通过评估所述传感器数据来定义所述意图的、安全的工作区域(B)。

9.根据权利要求1-3、6中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个设计为扫描仪的传感器扫描所述工作环境(A)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使用激光扫描仪作为传感器。

11.根据权利要求1-3、6、10中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有用于在变换的工作环境(A)中装卸的至少一个机器人手臂的移动机器人车辆作为物流机器人，其中，所述控制系统至少控制所述机器人手臂。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述移动机器人车辆是自主地面运输工具。

13.根据权利要求1-3、6、10、12中任一项所述的方法，其特征在于，使用非安全控制系统作为控制系统，所述非安全控制系统的控制措施由所述安全系统监测。

14.根据权利要求1-3、6、10、12中任一项所述的方法，其特征在于，使用安全控制系统作为控制系统，所述安全系统集成到所述安全控制系统中。