DD293302A5

DD293302A5 - COLLISION RISK DETECTION METHOD FOR HANDLING EQUIPMENT WITH COMMON WORKING ROOM

Info

Publication number: DD293302A5
Application number: DD33944390A
Authority: DD
Inventors: Uwe Reichel; Hans J Zander
Original assignee: Technische Universitaet Dresden,De
Priority date: 1990-04-05
Filing date: 1990-04-05
Publication date: 1991-08-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kollisionsgefahrerkennung bei Handhabungseinrichtungen mit gemeinsamem Arbeitsraum, das mit Vorteil fuer den Einsatz von n2 Industrierobotern mit einem gemeinsamem Arbeitsraum aber mit voneinander unabhaengigen Handlungen oder auch bei kooperativen Handlungen zum Kollisionsschutz geeignet ist. Die Anwendung des Verfahrens ist auch in modifizierter Form z. B. fuer Bagger, Krane und Foerdereinrichtungen unter aequivalenten Bedingungen moeglich. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz fuer die Handhabungseinrichtungen paarweise rekursiv kollisionsgefaehrdete Teile bestimmt werden, die durch einfache geometrische Modelle, z. B. prismatische Koerper oder Zylinder, umschrieben werden. Die Parameter der Umschreibungen, z. B. die Kantenlaengen oder Durchmesser, haengen von der Stellung der Handhabungseinrichtungen ab. Die rechnerische Auswertung geschieht paarweise, indem Relationen zwischen den Koordinaten der Begrenzungen dieser beiden Umschreibungen hergestellt werden. Dabei wird nach einer Tangierung oder UEberschneidung der Modelle gesucht. Die Erfindung ist an Fig. 1 ersichtlich. Figur{geometrischer Koerper; Handhabungseinrichtung; hierarchisches System; Industrieroboter; Kollision; Kollisionsschutz; Koordinaten; Mehrrechnersystem; prismatischer Koerper; Zylinder}The invention relates to a method for detecting collision danger in handling devices with a common working space, which is advantageously suitable for the use of n2 industrial robots with a common working space but with mutually independent actions or even in cooperative actions for collision protection. The application of the method is also in modified form z. B. for excavators, cranes and Foerdereinrichtungen under equivalent conditions possible. According to the invention, the object is achieved by determining for the handling devices, in pairs, recursively collision-compromised parts, which can be identified by simple geometric models, e.g. As prismatic body or cylinder, be rewritten. The parameters of the paraphrases, z. As the Kantenlaengen or diameter, depend on the position of handling equipment. The computational evaluation is done in pairs by establishing relations between the coordinates of the boundaries of these two paraphrases. The search is for a tangent or overlap of the models. The invention can be seen in Fig. 1. Figure {geometric body; Handling equipment; hierarchical system; Industrial robots; Collision; Collision avoidance; coordinates; Multicomputer system; prismatic body; Cylinder}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kollisionsgefahrerkennung bei Handhabungseinrichtungen mit gemeinsamem Arbeitsraum, das mit Vorteil für den Einsatz von η 2 2 Industrierobotern mit einem gemeinsamen Arbeitsraum aber mit voneinander unabhängigen Handlungen oder auch bei kooperativen Handlungen zum Kollisionsschutz geeignet ist. Die Anwendung des Verfahrens ist auch in modifizierter Form z.B. für Bagger, Krane und Fördereinrichtungen unter äquivalenten Bedingungen möglich.The invention relates to a method for collision hazard detection in handling facilities with common working space, which is advantageously suitable for the use of η 2 2 industrial robots with a common working space but with mutually independent actions or even in cooperative actions for collision protection. The application of the method is also in modified form e.g. for excavators, cranes and conveyors under equivalent conditions.

Characteristic of the known technical solutions

In der Robotertechnik und in der Bauindustrie sind verschiedene Verfahren zum Kollisionsschutz bekannt. Eine Einrichtung zur Vermeidung von Kollisionen zwischen η Robotern ist in der Patentschrift DD-WP 224804 beschrieben. Mit Hilfe von StarWStop-Signalen wird gewährleistet, daß sich immer nur ein Roboter im gemeinsamen Arbeitsraum aufhält. Dieser gemeinsame Arbeitsraum kann auch in Teilarbeitsräume zerlegt werden. Ein Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß lange Wartezeiten auftreten können, wenn keine Unterteilung des gemeinsamen Arbeitsraumes vorgenommen wird. Mit der Festlegung von Teilarbeitsräumen erhöht sich der Hardware- und der Auswerteaufwand. In der Patentschrift DD-WP 226270 wird ein Verfahren zur Kollisionsgefahrerkennung bei Kranen vorgestellt. Es beruht auf der Festlegung von Grenzwerten. Sie werden durch indirektes „Teach-In" gewonnen und einem Rechner übergeben, der sie ständig mit den aktuellen Koordinaten vergleicht und bei Kollisionsgefahr Alarm auslöst und die Kranbewegung stoppt. Dieses Verfahren versagt bei komplizierten Anordnungen und bei einer hohen Anzahl von Freiheitsgraden. Es wurde nur für einfache Anwendungsfälle konzipiert. Andere Verfahren und Einrichtungen, die ebenfalls Zusammenstöße zwischen Kranen vermeiden, beruhen auf den Einsatz von Sensoren. Sie werden in den Patentschriften DD-WP 144161, DD-WP 0151731, DE-PS 2750906 und DE-OS 3241900 beschrieben. Dabei erfolgt eine Bestimmung des Abstandes der Krane mit Hilfe von Sendern, Reflektoren und Empfängern. Bei Unterschreitung eines Mindestabstandes wird Alarm ausgelöst und die Leistung der Antriebe abgeschaltet. Der Nachteil dieser Verfahren und Einrichtungen besteht darin, daß schienengebundene Handhabungseinrichtungen vorausgesetzt werden und nur ein Freiheitsgrad in die Auswertung einbezogen wird.Various methods of collision protection are known in robotics and in the construction industry. A device for preventing collisions between η robots is described in the patent DD-WP 224804. StarWStop signals ensure that only one robot stays in the common workspace. This shared workspace can also be divided into partial workrooms. A disadvantage of the method is that long waiting times can occur if no division of the common working space is made. The definition of partial workrooms increases the hardware and the evaluation effort. In the patent DD-WP 226270 a method for collision hazard detection in cranes is presented. It is based on the definition of limit values. They are obtained through indirect "teach-in" and passed to a computer that constantly compares them with the current coordinates and triggers an alarm in the event of a collision and stops the crane movement.This procedure fails with complicated arrangements and with a high number of degrees of freedom Other methods and devices which also avoid collisions between cranes are based on the use of sensors and are described in patents DD-WP 144161, DD-WP 0151731, DE-PS 2750906 and DE-OS 3241900. A determination of the distance of the cranes with the help of transmitters, reflectors and receivers.A shortfall of a minimum distance alarm is triggered and the performance of the drives is switched off.The disadvantage of these procedures and facilities is that rail-bound handling devices are presupposed and only one degree of freedom the evaluation einb is attracted.

Zwei Verfahren, die in einer Dissertation (Hoyer, H.: Verfahren zur automatischen Kollisionsvermeidung von Robotern im koordinierten Betrieb. - Dissertation A, FernUniversität Hagen, 1984) vorgestellt werden, basieren auf der Berechnung von Kollisionsschutzparametern, die von der Lage der Roboter abhängen. Liegen diese Kenngrößen innerhalb bestimmter Bereiche,Two methods, which are presented in a dissertation (Hoyer, H .: Methods for Automatic Collision Avoidance of Robots in Coordinated Operation - Dissertation A, FernUniversität Hagen, 1984), are based on the calculation of collision protection parameters, which depend on the position of the robots. Are these characteristics within certain ranges,

dann werden Maßnahmen zum Kollisionsschutz eingeleitet. Die Verfahren sind stark an die konkrete Roboterstruktur gebunden. In die Auswertung werden nur die Greiferspitzen einbezogen.then measures for collision protection are initiated. The procedures are strongly linked to the concrete robot structure. Only the hook tips are included in the evaluation.

Eine Tagungsveröffentlichung (Yuh, J.: On-line Adaptive Collision Avoidance Motion Control Strategy For Two Planar Robots. Proceeding of the IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics.—Alexandria, 20-23 October 1987.- pp.21-A conference publication (Yuh, J .: On-line Adaptive Collision Avoidance Motion Control Strategy For Two Planar Robots, Proceeding of the IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics.-Alexandria, 20-23 October 1987.- pp.21-

25) enthält einen Beitrag zum On-Iine-Kollisionsschutz, verbunden mit einer Steuerstrategie für zwei planare Roboter. Die Greiferspitze des höherpriorisierten Roboters bewegt sich entläng einer Geraden vom Start- zum Zielpunkt. Parallel zu dieser Verbindungsstrecke wird unter Beachtung eines Sicherheitsabstandes eine Gerade festgelegt. Dabei entstehen zwei Gebiete. Bewegt sich der niederpriorisierte Roboter in das Kollisionsgebiet, wird ein Soll-Wert entlang der Begrenzungsgeraden festgelegt. Dieses Verfahren setzt lineare Bewegungen der Greiferspitzen der Roboter voraus und wurde nur für planare Roboter entwickelt.25) contributes to on-line collision protection, coupled with a control strategy for two planar robots. The gripper tip of the higher prioritized robot moves along a straight line from the start point to the destination point. Parallel to this link, a straight line is defined, taking into account a safety distance. This creates two areas. If the low prioritized robot moves into the collision area, a setpoint value is set along the boundary line. This procedure requires linear movements of the robot's gripper tips and was developed only for planar robots.

Object of the invention The object of the invention is to provide a method that a risk of collision between

Handhabungseinrichtungen, die einen gemeinsamen Arbeitsraum besitzen, erkennt und eine Kollision ausschließt. Darlegung des Wesens der ErfindungHandling devices that have a common workspace, recognizes and excludes a collision. Explanation of the essence of the invention

It is the object of the invention to provide a method for collision detection for handling devices

gemeinsamem Arbeitsraum anzugeben, bei dem zum Umschreioen kollisionsgefährdeter Teile der Handhabungseinrichtungen einfache geometrische Modelle verwendet weiden. Dabei soll eine paarweise Auswertung zwischen zwei Handhabungseinrichtungen erfolgen. Als Mittel werden Handhabungseinrichtungen mit Meßsystemen und Rechnersysteme als Auswerteeinheiten eingesetzt. Eine Kollision der Handhabungseinrichtungen soll ausgeschlossen werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß für die Handhabungseinrichtungen paarweise rekursiv kollisionsgefährdete Teile bestimmt werden, die durch einfache geometrische Modelle, z. B. prismatische Körper oder Zylinder, umschrieben werden. Die Parameter der Umschreibungen, z. B. die Kantenlängen oder Durchmesser, hängen von der Stellung der Handhabungseinrichtungen ab. Die rechnerische Auswertung geschieht paarweise, indem Relationen zwischen den Koordinaten der Begrenzungen dieser beiden Umschreibungen hergestellt werden. Dabei wird nach einer Tangierung oder Überschneidung der Modelle gesucht. Diese Verfahrensweise entspricht der Durchschnittsbildung von zwei Mengen M, M₂. Damit werden die kollisionsgefährdeten Teile für den nächsten Rekursionsschritt bestimmt. Sie ergeben sich aus den Teilen der Handhabungseinrichtungen, die sich innerhalb des Schnittgebildes befinden. Sie werden erneut umschrieben. Durch ein Vorhaltemaß wird einer Tangierung vorgebeugt. Es berücksichtigt das Bremsverhalten und wird aus den Meßgrößen für die zu überwachenden Handhabungseinrichtungen bestimmt.indicate common working space, in which simple geometrical models used to Umschreioen collision-prone parts of the handling equipment. This should be done in pairs evaluation between two handling facilities. As means handling equipment with measuring systems and computer systems are used as evaluation. A collision of handling equipment should be excluded. According to the invention the object is achieved in that for the handling devices in pairs recursive collision-prone parts are determined by simple geometric models, eg. As prismatic body or cylinder, be rewritten. The parameters of the paraphrases, z. As the edge lengths or diameters, depend on the position of the handling equipment. The computational evaluation is done in pairs by establishing relations between the coordinates of the boundaries of these two paraphrases. The search is for a tangent or overlap of the models. This procedure corresponds to the averaging of two sets M, M ₂ . This determines the collision-prone parts for the next recursion step. They arise from the parts of the handling devices that are located within the cut. They are rewritten. By a Vorhaltemaß a Tangierung is prevented. It takes into account the braking behavior and is determined from the measured variables for the handling equipment to be monitored.

Die Bedingung „keine Kollisionsgefahr" ist erfüllt, wenn die letzten Umschreibungen der zu überwachenden Handhabungseinrichtungen keine gemeinsamen Koordinaten besitzen. Die rekursive Bestimmung kollisionsgefährdeter Teile wird abgebrochen, wenn ein bestimmtes Kriterium erfüllt wird, z. B. eine maximale Schrittanzahl erreicht ist oder die geometrischen Modelle eine bestimmte Größe unterschreiten. Die Bedingung „Kollisionsgefahr" ist erfüllt, wenn die letzten Umschreibungen der kollisionsgefährdeten Teile der zu überwachenden Handhabungseinrichtungen gemeinsame Koordinaten aufweisen. In diesem Fall sind Maßnahmen zur Kollisionsverhütung einzuleiten. Andererseits kann nach dem Abbruch der Rekursion auch ein bekanntes Verfahren zum Kollisionsgefahrtest für die zuletzt bestimmten kollisionsgefährdeten Teile der Handhabun jseinrichtungen, z. B. eine Abstandsbestimmung, verwendet werden.The condition "no risk of collision" is fulfilled if the last descriptions of the handling equipment to be monitored have no common coordinates The recursive determination of collision-prone parts is aborted if a certain criterion is met, eg a maximum number of steps has been reached or the geometric models The condition "risk of collision" is fulfilled if the last paraphrases of the collision-prone parts of the handling devices to be monitored have common coordinates. In this case measures must be taken to avoid collisions. On the other hand, after the termination of the recursion, a known method for collision hazard test for the last certain collision-prone parts of the handling devices, for. As a distance determination can be used.

Die Ausführung des Verfahrens erfolgt unter der Nutzung eines hierarchischen Rechnersystems bestehend aus einer Rechnereinheit und η Transformationsrechnern. Ein Sicherheitsabstand kann eingeführt werden durch eine virtuelle Vergrößerung der Handhabungseinrichtungen oder der Umschreibungen. Sollten bestimmte technologische Bedingungen die Abschaltung der Auswertung für zwei Handhabungseinrichtungen erforderlich machen, so ist eine paarweise Deaktivierung notwendig.The execution of the method is carried out using a hierarchical computer system consisting of a computer unit and η transformation computers. A safety distance can be introduced by a virtual enlargement of the handling devices or the paraphrase. If certain technological conditions require the shutdown of the evaluation for two handling devices, a pairwise deactivation is necessary.

embodiment

Die Erfindung soll nachfolgend mit einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigenThe invention will be explained in more detail below with an exemplary embodiment. In the drawings show

Fig. 1: das Prinzip der Kollisionsverhütung mit den Umschreibungen durch geometrische Modelle für zwei Industrieroboter mitFig. 1: the principle of collision avoidance with the paraphrases by geometric models for two industrial robots with

gemeinsamem Arbeitsraum Fig. 2: ein Rechnersystem zur Koordinatenberechnung und Bestimmung der Umschreibungen der geometrischen Modelle.Fig. 2: a computer system for coordinate calculation and determination of the paraphrases of the geometric models.

Die Auswertung der Kollisionsverhütung erfolgt in zwei Schritten. Zuerst bestimmen die Transformationsrechner (Fig. 2) asu den aktuellen und den vorherigen Positionswerten die Geschwindigkeiten der Roboterglieder. Sie dienen der Bestimmung der Vorhaltemaße. Daraufhin werden die geometrischen Modelle der Industrieroboter mit Hilfe der Transformationsrechner unter Nutzung der aktuellen Koordinaten und der berechneten Vorhaltemaße in ein ortsfestes Vergleichskoordinatensystem transformiert. Dem schließt sich die Bestimmung der 1. Umschreibungen (1), (3) für die Industrieroboter an. Dazu werden zwei Ebenen berechnet, die jeweils zwei Gebiete festlegen. Eines der beiden Gebiete enthält den zugehörigen Industrieroboter vollständig. Die Ebenen stehen senkrecht auf der Verbindungsstrecke der Roboterfußpunkte und schneiden sie. Sie haben keine gemeinsamen Punkte mit dem entsprechenden Roboter und nehmen zu ihm einen bestimmten Sicherheitsabstand ein. Unter bestimmten Bedingungen tritt eine Überlappung der I.Umschreibungen (5) auf. Ist das nicht der Fall, beginnt die Auswertung von vorn. Der Überlappungstest erfolgt in der Vergleichseinheit (Fig. 2), der die berechneten Parameter von denThe evaluation of the collision prevention takes place in two steps. First, the transformation calculators (Figure 2) determine the velocities of the robot members as the current and previous position values. They serve to determine the Vormaßemaße. Subsequently, the geometric models of the industrial robots are transformed into a stationary comparison coordinate system with the aid of the transformation computers using the current coordinates and the calculated provisional measures. This is followed by the determination of the first paraphrases (1), (3) for the industrial robots. To do this, two levels are calculated, each defining two areas. One of the two areas contains the associated industrial robot completely. The planes are perpendicular to the connecting path of the robot feet and cut them. They have no common points with the corresponding robot and take him to a certain safety distance. Under certain conditions there is an overlap of the I. rewrites (5). If this is not the case, the evaluation starts again from the beginning. The overlap test is performed in the comparison unit (FIG. 2), which calculates the calculated parameters from the

Transformationsrechnern erhält und sie für die Berechnung der 2. Umschreibungen (2), (4) an den jeweils anderen Transformationsrechner übermittelt. Im zweiten Schritt werden die Teile der Industrieroboter, die sich Innerhalb der Überlappung (5) befinden, mit Hilfe von Quadern unter Beachtung eines Sicherheitsabstandes umschrieben (2), (4). Es erfolgtReceives transformation calculator and transmitted them for the calculation of the second paraphrases (2), (4) to the other transformation computer. In the second step, the parts of the industrial robots, which are located within the overlap (5), are circumscribed with the help of blocks, observing a safety distance (2), (4). It takes place

wiederum eine Übergabe der berechneten Kenngrößen an die Vergleichseinheit. Sie testet, ob sich die zwei Quader schneiden. Wenn dieser Fall eintritt, werden Maßnahmen zur Kollisionsvermeidung eingeleitet. Die Erzeugung der entsprechenden Signale erfolgt in der Vergleichseinheit. Über die Transformationsrechner werden sie an die Industrierobotersteuerungen (Fig. 2) übermittelt. Besteht keine Kollisionsgefahr, beginnt Jie Auswertung von vorn.in turn, a transfer of the calculated characteristics to the comparison unit. It tests whether the two cuboids intersect. When this happens, collision avoidance measures are initiated. The generation of the corresponding signals takes place in the comparison unit. They are transmitted via the transformation computers to the industrial robot controls (FIG. 2). If there is no risk of collision, Jie evaluation starts from the beginning.

Claims

1. Method for collision hazard detection in handling devices with common

Working space, characterized in that for the handling means in pairs recursive collision-prone parts are determined whose description by simple geometric models, eg. As prismatic body or cylinder, takes place, the parameters of the paraphrases, z. B. edge lengths or diameters, depend on the position of the handling equipment, wherein the result for the next recursion step collision-prone parts of the handling equipment, which in turn are to be circumscribed, located within the cut of these paraphrases.

2. The method according to claim 1, characterized in that is prevented by a Vorhaltemaß a risk of collision.

3. The method according to claim 1, characterized in that the condition "no risk of collision" is present when the last paraphrases the collision-prone parts of the handling equipment to be monitored have no common coordinates.

4. The method according to claim 1, characterized in that the condition "risk of collision" is present if, after the abort of the recursive calculations due to a certain number of steps or the size of a geometric model, the last paraphrases the collision-prone parts to be monitored handling facilities common coordinates ,

A method according to claim 1, characterized in that the recursive determination of parts susceptible to collision meets the fulfillment of a certain criterion, e.g. a certain number of steps, is aborted and then a collision hazard test for the last certain collision-prone parts of the handling equipment according to a known method, eg. B. a distance test takes place.

6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that for the implementation of the method, a hierarchical computer system consisting of a comparison unit and η transformation computers is used.