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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Begrenzung der Bewegung eines Roboters und eine Robotervorrichtung, welche
mit der Vorrichtung zur Begrenzung der Bewegung des Roboters versehen
ist.
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2. Stand der
Technik
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Roboter,
besonders jene für
Industriezwecke, sind in Automobilfertigungsfabriken oder anderswo
weit verbreitet. Wenn die Roboter betrieben werden, wird ein Roboterarm
und sein „Handgelenk" bzw. Manipulatorgelenk
(zusammen mit einem Werkstück
oder einem an dem Manipulatorgelenk angebrachten Werkzeug) durch
ein in einer Steuervorrichtung gespeichertes Programm angewiesen,
sich entlang einer vorgegebenen Bahn zu bewegen, so dass diese nicht
störend
auf periphere Vorrichtungen einwirken oder eine nutzlose Wegstrecke
zurücklegen. Ferner
wird gewöhnlich
eine Sicherheitsabsperrung außerhalb
der zuvor erwähnten
Bewegungsabläufe mit
einem notwendigen Spielraum aufgestellt, so dass dem Bedienpersonal
z.B. durch die Bewegung des Arms oder des Manipulatorgelenks des
Roboters niemals Schaden zugefügt
wird.
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Der
Bewegungsbereich eines Roboters ist ebenso oftmals durch einen Computer
gesteuert. Patentschrift 1 (JP Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 64-16395)
offenbart eine Steuervorrichtung für Industrieroboter, welche
adaptiert ist, zu vorgegebenen Zeiten festzustellen, ob die berechnete
Transportstellung des Armendes (dreidimensionale Koordinatenstellung
des Roboters) in einem zuvor eingestellten bewegungsgesperren Bereich
enthalten ist. Falls festgestellt wird, dass die berechnete Position
innerhalb des voreingestellten Bereichs liegt, wird die Bewegung
des Roboters angehalten. Patentschrift 2 (JP Patentveröffentlichung
(Kokai) Nr. 8-108383) offenbart eine Steuervorrichtung, wodurch
in einem mit einem Arm mit einem Manipulatorgelenk versehenen Roboter
eine Hüllkugel
erhalten wird, welche erzeugt wird, wenn das gehaltene Objekt um
das Manipulatorgelenk rotiert wird. Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein
einer Berührung
mit einem Hindernis während
die Hüllkugel
bewegt wird, wird sodann festgestellt und falls festgestellt wird,
dass eine Berührung
wahrscheinlich ist, ein neuer Weg bestimmt, welcher nicht darin
resultieren würde,
dass die Hüllkugel
mit dem Hindernis in Berührung
tritt.
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Durch
Verwendung der in Patentschriften 1 und 2 offenbarten Steuerverfahren
kann der Roboter bevor das an dem Armende befestigte Werkzeug oder
Werkstück
in den voreingestellten bewegungsgesperrten Bereich (Hindernis)
eintritt, mit Warninformationen versorgt werden, so dass der Roboter
sicherer betrieben werden kann. Diese Verfahren können das
Bedienpersonal vor Schaden schützen,
oder den Fall, dass das Armende mit peripheren Anlagen kollidiert,
wirksam verhindern, besonders wenn der Arm eine Bahn zurücklegt,
der von dem durch das Programm eingestellten abweicht, wie z.B.
wenn der Roboter unterrichtet wird oder nach Modifikation des Programms,
oder aufgrund von Störung
oder Rauschens.
Patentschrift 1: JP Patentveröffentlichung
(Kokai) Nr. 64-16395 A (1989)
Patentschrift 2: JP Patentveröffentlichung
(Kokai) Nr. 8-108383 A (1996)
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Wenn
ein Roboter entsprechend einem bestimmten Programm betrieben wird,
weisen das Werkstück
oder an seinem Gelenk oder dem Ende des Arms angebrachte Werkstück oder
die Werkzeuge alle einen bestimmten dreidimensionalen Bewegungsbereich
auf. Während
dem Betrieb des Roboters ist der dreidimensionale Bewegungsbereich
für jedes
Werkstück
oder Werkzeug unerlässlich,
und der zuvor erwähnte
bewegungsgesperrte Bereich wird mit einem bestimmten Spielraum (Sicherheitsbereich),
welcher sich auf der Außenseite
befindet, eingestellt. In dem Verfahren von Patentschrift 1 wird ermittelt,
ob die Transportstellung des Armendes (dreidimensionale Koordinatenstellung
des Roboters) mit dem bewegungsgesperrten Bereich in Berührung treten
wird. Obwohl somit das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer
Berührung zwischen
dem dreidimensionalen Transportbereich des Armendes und dem bewegungsgesperrten
Bereich festgestellt werden kann, kann das Verfahren nicht vorhersagen,
ob der Gelenk- oder der „Handgelenk"- bzw. Manipulatorgelenkbereich
des Roboters mit dem bewegungsgesperrten Bereich in Berührung treten
wird. Das sogenannte "Ellbogen-Schlag"-Phänomen in
Bezug auf die Gelenk- oder die Manipulatorgelenkbereiche kann demzufolge
entsprechend diesem Stand der Technik nicht leicht und effektiv verhindert
werden.
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In
dem Verfahren von Patentschrift 2 wird eine Hüllkugel, welche während das
gehaltene Objekt um das Manipulatorgelenk rotiert wird, erzeugt wird,
ermittelt, und es wird dann ermittelt, ob die Hüllkugel mit einem Hindernis
(welches mit dem bewegungsgesperrten Bereich als gleichbedeutend
betrachtet werden könnte)
in Berührung
treten wird. Von diesem Verfahren kann erwartet werden, dass es eine
mehr sicherheitsorientierte Haltsteuerung als die in Patentschrift
1 beschriebene bietet. Der Radius der erzeugten Hüllkugel
in diesem Stand der Technik ist jedoch der einer einfachen Hüllkugel,
die erzeugt wird "während das
gehaltene Objekt um das Manipulatorgelenk rotiert wird". Solch eine Hüllkugel
würde einen
großen
Radius aufweisen, und, wenn der bewegungsgesperrte Bereich eingestellt
werden soll so daß der
zuvor erwähnte
erforderliche dreidimensionale Bewegungsbereich sichergestellt ist,
müsste
der bewegungsgesperrte Bereich an einem von dem Roboter beträchtlich
entfernten Standort festgelegt werden. Dies würde in einer Verschwendung
der begrenzten Hallenfläche
einer Fabrik oder dergleichen resultieren, wobei ein verbessertes
Bewegungsbegrenzungsverfahren des Roboters gebraucht würde, um
eine geringere Raumanforderung bei dem Entwurf von Fabrikstraßen zu erreichen.
Zusätzlich
zieht dieser Stand der Technik nicht den Bewegungsbereich etwa des
Gelenkbereichs des Roboters in Erwägung.
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Angesichts
der zuvor erwähnten
Probleme des Standes der Technik, ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewegungsbegrenzung
für Roboter,
sowie eine Robotervorrichtung, welche mit der Bewegungsbegrenzungsvorrichtung
für Roboter
ausgestattet ist, zu schaffen. Bei der Einstellung des bewegungsgesperrten
Bereichs (die Begrenzung, welche nachstehend als "eine virtuelle Sicherheitsabsperrung" bezeichnet wird)
zur Begrenzung der Bewegung eines Roboters, kann die virtuelle Sicherheitsabsperrung
in einem schmäleren
Bereich als jene konventionelle Methoden eingestellt werden, während der
für den Roboterbetrieb
notwendige dreidimensionale Bewegungsbereich des Gelenks und des
Manipulatorgelenks des Roboters oder zum Beispiel jedes Werkstücks oder
an dem Manipulatorgelenk angebrachten Werkzeug sichergestellt wird.
Die Erfindung erlaubt deshalb eine effektive Nutzung der Hallenfläche, eines
Fabrikraums, oder dergleichen.
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Um
die zuvor erwähnte
Aufgabe der Erfindung zu erreichen, sieht die Erfindung im Rahmen
eines ersten Ziels ein Verfahren zur Begrenzung der Bewegung eines
Roboters vor, wobei das Verfahren folgende Schritte enthält:
Definition
einer virtuellen Sicherheitsabsperrung in einem Speicher mit einer
Bahn eines Werkstücks, oder
eines an dem Manipulatorgelenk eines in Betrieb befindlichen Roboters
angebrachten Werkzeugs, mit einem erforderlichen Spielraum;
Definition
von mindestens zwei dreidimensionalen Raumbereichen, welche Teile
des Roboters mit dem Werkstück
oder dem Werkzeug enthalten;
Passende Abgleichung einer vorhergesagten
Stellung des definierten dreidimensionalen Raumbereichs, welche
durch Bewegungsbahnberechnungen erhalten wird, mit der virtuellen
Sicherheitsabsperrung; und
Durchführung einer Steuerung zum Anhalten
der Bewegung des Arms, einschließlich der dreidimensionalen
Raumbereiche, falls mindestens ein Teil der vorhergesagten Stellung,
die durch Bewegungsbahnberechnungen erhalten wird, von einem der
definierten dreidimensionalen Raumbereiche in der virtuellen Sicherheitsabsperrung
enthalten ist.
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In
diesem Verfahren sind mindestens zwei dreidimensionale Raumbereiche,
welche einen Teil des Roboters, mit dem Werkstück oder dem Werkzeug enthalten,
definiert. Der Teil des Roboters der somit definierten dreidimensionalen
Raumbereiche enthält
das Gelenk oder Manipulatorgelenk des Hauptkörpers des Roboters, oder zum
Beispiel das Werkstück
oder das an dem Manipulatorgelenk angebrachte Werkzeug. Diese werden
geeigneterweise in Abhängigkeit
von der gegenwärtigen
Betriebsumgebung des Roboters oder der Verarbeitungsfähigkeit
der Steuervorrichtung ausgewählt.
Das Werkstück
oder Werkzeug kann als ein einzelner dreidimensionaler Raumbereich
definiert werden, oder es kann als eine Mehrzahl von separaten dreidimensionalen
Raumbereichen definiert werden, was von der Größe des Werkstücks oder
Werkzeugs abhängt.
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In
der obigen Erfindung, in der die beiden oder mehrere Bereiche als
dreidimensionale Raumbereiche definiert sind, wird, falls ein Teil
der vorhergesagten Stellung einer der dreidimensionalen Raumbereiche
basierend auf den Bewegungsbahnberechnungen die virtuelle Sicherheitsabsperrung überschritten
hat, eine Steuerung durchgeführt,
so dass die Bewegung des Arms mit dem mindestens einen dreidimensionalen
Raumbereich angehalten wird. Durch die Definition der beiden oder
mehreren Bereiche der dreidimensionalen Raumbereiche, kann daher
eine mehr sicherheitsorientierte Bewegungsbegrenzung durchgeführt werden
als in dem Fall, in dem die Steuerung basierend auf einem einzelnen
dreidimensionalen Raumbereich durchgeführt wird. Des weiteren kann
die virtuelle Sicherheitsabsperrung genauer und schmäler eingestellt
werden. Wenn andererseits die virtuelle Sicherheitsabsperrung im
Vorhinein als bestimmter Bereich eingestellt wird, kann der Bereich
innerhalb der virtuellen Sicherheitsabsperrung effektiver als die
Bewegungsbahn des Roboters genutzt werden. Die Hallenfläche und
der Fabrikraum oder dergleichen können daher effektiv genutzt
werden.
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Je
größer die
Anzahl der definierten dreidimensionalen Raumbereiche, desto schmäler kann der
Bereich der virtuellen Sicherheitsabsperrung definiert werden. Die
Anzahl wird geeigneterweise in Abhängigkeit der Verarbeitungsfähigkeiten
der Steuervorrichtung oder zum Beispiel des gegenwärtigen Betriebsumfelds
des Roboters bestimmt. Wenn das Werkstück oder Werkzeug groß dimensioniert
sind, können
diese in einer Mehrzahl von Teilen unterteilt werden und ein dreidimensionaler
Raumbereich kann für
jedes Teil definiert werden, so dass die virtuelle Sicherheitsabsperrung
schmäler
eingestellt werden kann.
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Wenn
die Betriebsumgebung geändert
wird, wie z.B. nach Unterrichtung, oder wenn Störungen auftreten, wird der
Roboterarm von Punkt A nach Punkt X, z.B. in einer Bahn, welche
nicht in dem Programm enthalten ist, bewegt. In diesem Fall wird
eine neue Bahn zu Punkt X durch Schätzung (Bewegungsbahnberechnungen)
durch einen Computer berechnet. Falls an der vorhergesagten Stellung
festgestellt wird, dass einer der dreidimensionalen Raumbereiche
mit der virtuellen Sicherheitsabsperrung des Roboters in Berührung kommt,
wird eine Haltsteuerung des Roboterarms (mit dem mindestens einen
dreidimensionalen Raumbereich) durchgeführt. Mit der Erhöhung der
Geschwindigkeit und Größe der Roboter,
werden die Arm- und Manipulatorgelenkbereiche mit größerer Massenträgheit bewegt,
so dass ein Zeitraum (Abstand) für
das Abbremsen vorgesehen werden muss.
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Die
Schätzung
erlaubt dem Roboter selbst eine von der virtuellen Sicherheitsabsperrung
durch einen vorgegebenen Abstand entfernte Vorwärtsposition als Bremsstartposition
zu erkennen, so dass der Arm sicher angehalten werden kann.
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In
der vorliegenden Erfindung kann die virtuelle Sicherheitsabsperrung
angesichts der Verarbeitungsfähigkeit
der Steuervorrichtung zum Beispiel als eine Reihe von Linien, eine
Reihe von Kurven, oder eine Reihe von Linien und Kurven definiert
werden. In der Praxis sollte die virtuelle Sicherheitsabsperrung derart
in dem Speicher definiert werden, so dass diese innerhalb eines
Sicherheitsabsperrungskörpers
in der Fabrik oder dergleichen befindlich ist. Auf diese Weise können die
Bewegungen des Roboters sicherer begrenzt werden. Für das Ausmaß der virtuellen Sicherheitsabsperrung,
nämlich
der Bewegungsbahn des Roboters im Betrieb mit dem Werkstück oder dem
an dem Manipulatorgelenk des Roboters angebrachten Werkzeugs kann
kein Spielraum vorgesehen werden. Zur verbesserten Sicherheit ist
jedoch die Einstellung eines Spielraums mit einer bestimmten Breite
vorzuziehen. Der Spielraum kann adaptiert werden, um durch Neuschreiben
des Programms modifizierbar zu sein. Durch Einstellung einer großen Breite
des Spielraums, kann der Freiheitsgrad der Bewegung des Roboterarms
erhalten werden, es wäre
jedoch ein größerer Raum
erforderlich. Durch Einstellung einer schmäleren Breite des Spielraums, kann
das Volumen des verschwendeten Raums reduziert werden, aber der
Freiheitsgrad der Bewegung des Roboterarms würde reduziert werden und obwohl
das Sicherheitsniveau zunehmen würde, würde die
Häufigkeit
der Durchführung
der Haltsteuerung des Arms zunehmen. Der Spielraum mit einer geeigneten
Breite sollte daher in Abhängigkeit
von dem gegenwärtigen
Betriebsumfeld des Roboters eingestellt werden.
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In
der vorliegenden Erfindung können
die dreidimensionalen Raumbereiche in jeglicher gewünschter
Weise definiert werden, wie z.B. anhand von einer Reihe von Punkten,
einer Reihe von Linien oder einer Reihe von Hüllkugeln. Eine Mehrzahl dreidimensionaler
Raumbereiche eines einzigen Roboters können durch dasselbe Verfahren
oder unterschiedliche Verfahren in Kombination definiert werden.
Es ist jedoch vorzuziehen, alle der dreidimensionalen Raumbereiche
in Form von Hüllkugeln
zu definieren, da Hüllkugeln
durch den Mittelpunkt und Radius definiert werden können, so
dass die Datenmenge reduziert werden kann.
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Als
eine Vorrichtung zur Durchführung
des oben beschriebenen Verfahrens sieht die Erfindung ferner eine
Vorrichtung zur Begrenzung der Bewegung des Roboters vor, mit:
Mitteln
zur Definition einer virtuellen Sicherheitsabsperrung mit einer
Bewegungsbahn eines Werkstücks
oder eines an dem Manipulatorgelenk eines in Betrieb befindlichen
Roboters angebrachten Werkzeugs in einem Speicher;
Mitteln
zur Definition mindestens zwei dreidimensionaler Raumbereiche, die
einen Teil des Roboters enthalten, welcher das Werkstück oder
das Werkzeug enthält;
Mitteln
zur Berechnung einer vorherzusagenden Stellung jeder der definierten
dreidimensionalen Raumbereiche in einer Bewegungsbahn;
Mitteln
zur Abgleichung der vorhergesagten Stellungen jeder der dreidimensionalen
Raumbereiche mit der virtuellen Sicherheitsabsperrung;
Mitteln
zur Feststellung, ob mindestens ein Teil der vorhergesagten Stellung
oder irgendeine der definierten dreidimensionalen Raumbereiche,
basierend auf den Bewegungsbahnberechnungen in der virtuellen Sicherheitsabsperrung
enthalten sind; und
Steuermittel zum Anhalten der Bewegung
des Arms mit dem dreidimensionalen Raumbereich, falls festgestellt
wird, dass mindestens ein Teil der vorhergesagten Stellung des dreidimensionalen
Raumbereichs in der virtuellen Sicherheitsabsperrung enthalten ist.
All diese Mittel können
in die Steuervorrichtung des Hauptkörpers des Roboters aufgenommen werden.
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Die
Erfindung sieht ferner einen Roboter mit der oben beschriebenen
Bewegungsbegrenzungsvorrichtung für Roboter als Teil ihrer Steuervorrichtung
vor. Einer oder falls erforderlich mehrere solcher Roboter sind
auf den Boden angeordnet, so dass sie unabhängig betrieben und gesteuert
werden können. Die
Bewegungsbegrenzungsvorrichtung des Roboters der Erfindung erlaubt
es, die virtuelle Sicherheitsabsperrung als schmalen Bereich zu
definieren, so dass die Sicherheit sichergestellt werden kann, auch
wenn eine Mehrzahl von Robotern enger aneinander angeordnet ist
als dies im Stand der Technik der Fall ist. Der Fabrikraum kann
daher effektiv genutzt werden.
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Wie
oben erwähnt,
kann in der Bewegungsbegrenzungsvorrichtung des Roboters der Erfindung der
Freiheitsgrad der Bewegung des Roboterarms durch Einstellung des
virtuellen Sicherheitsabsperrungsbereichs (d.h. durch wie viel Spielraum
vorhanden ist) geändert
werden. Die Erfindung sieht ebenfalls eine Robotervorrichtung vor,
in welcher aus dieser Tatsache Vorteil gezogen wird, wobei die Robotervorrichtung
eine Steuervorrichtung und zwei oder mehrere der oben beschriebenen
Roboter aufweist, die von der Steuervorrichtung gesteuert werden,
wobei die Mittel zur Definition der virtuellen Sicherheitsabsperrung
für jeden
Roboter im Speicher in der Lage sind, verschiedene Spielräume für die virtuelle Sicherheitsabsperrung
einzustellen.
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In
dieser Robotervorrichtung ist die Breite des Spielraums der virtuellen
Sicherheitsabsperrung vor dem Betrieb, für jene der Mehrzahl von Robotern, welche
gegenwärtig
betrieben werden, derart definiert, dass die Breite keinerlei Problem
für den
gegenwärtigen
Betrieb darstellt, während
die Breite des Spielraums der virtuellen Sicherheitsabsperrung anderer
Roboter, welche nicht betrieben werden als eine extrem schmale Breite
definiert wird. Auf diese Weise kann die Haltsteuerung aufgrund
der schmäleren
virtuellen Sicherheitsabsperrung unmittelbar aktiviert werden, für den Fall,
dass ein Roboter mit der virtuellen Sicherheitsabsperrung mit der
schmalen Spielraumbreite aufgrund einer Störung oder aus einem anderen
Grund unerwartete Bewegungen durchführt, so dass zuverlässigerweise
verhindert werden kann, dass der Roboter außer Kontrolle gerät und mit
dem Bedienungspersonal oder peripheren Anlagen kollidiert. Selbstverständlich können die
anderen Roboter, welche den tatsächlichen
Betrieb durchführen
sollen, zuverlässigerweise
vorgegebene Bewegungen durchführen.
In dieser Robotervorrichtung kann ein sicherer Betrieb des Roboters
daher in Form von Software sichergestellt werden, so dass ein zuverlässiger Betrieb,
auch wenn eine Mehrzahl von Robotern unter einer Steuervorrichtung
aufgestellt sind, sichergestellt werden kann.
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Die
Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Begrenzung der Bewegung
eines Roboters vor, welches die folgenden Schritte enthält:
Erfassung
einer Bewegungsbahn als Referenzwert bei jedem Schritt an einem
oder mehreren Stellen mit einem Werkstück oder einem an einem Manipulatorgelenk
des Roboters angebrachten Werkzeugs durch einmaligen Betrieb des
Roboters;
Einstellung eines Grenzwertes für jeden Schritt durch Hinzufügung eines
Spielraums zu dem Referenzwert;
Feststellung, ob einer der
Messwerte in individuellen Schritten während dem nachfolgenden Betrieb
des Roboters innerhalb des entsprechenden Grenzwertes ist; und
Durchführung einer
Steuerung zum Anhalten der Bewegung eines Roboterarms, falls eine
der Messwerte die entsprechenden Grenzwerte überschreitet.
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In
dieser Erfindung entsprechen die Grenzwerte der zuvor erwähnten "virtuellen Sicherheitsabsperrung". In diesem Verfahren
kann ebenfalls der Freiheitsgrad der Bewegung des Roboterarms durch das
Ausmaß der
eingestellten Breite des Spielraums verändert werden. Dieses Verfahren
ist daher in Fällen
effektiv, in denen der Roboter in Umgebungen betrieben werden muss,
in welchen auch nur ein geringer Fehler der Position oder Stellung
nicht toleriert werden kann. Durch Erfassung der Bewegungsbahn als
Referenzwerte an einer Mehrzahl von Stellen bei jedem Schritt, kann
eine mehr sicherheitsorientierte Begrenzung der Bewegung des Roboters
realisiert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt das Bewegungsbegrenzungsverfahren
und die Vorrichtung des Roboters entsprechend der Erfindung, und
dem Betrieb eines mit der Vorrichtung ausgestatteten Roboters dar.
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2 zeigt ein Blockdiagramm
der erfindungsgemäßen Bewegungsbegrenzungsvorrichtung
des Roboters.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm
der Bewegungsbegrenzungsvorrichtung des Roboters.
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4 stellt eine Haltsteuerung
der Erfindung dar, wie sie in einem tatsächlichen Roboter durchgeführt wird.
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5 zeigt ein weiteres Beispiel
in der Weise, in welcher die dreidimensionalen Raumbereiche definiert
sind.
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6 zeigt ein weiteres Beispiel
der erfindungsgemäßen Robotervorrichtung.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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8 zeigt ein Ablaufdiagramm
der in 7 gezeigten Ausführungsform.
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9 zeigt eine Datentabelle
oder dergleichen für
die in 7 gezeigte Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezugnehmend
auf 1 wird das erfindungsgemäße Verfahren
und die Vorrichtung zur Bewegungsbegrenzung des Roboters, als auch
der Betrieb eines mit der Vorrichtung ausgerüsteten Roboters beschrieben.
Ein Sicherheitsabsperrungskörper 10 wird
in einer Fabrikhalle aufgestellt und ein Roboter 1 innerhalb
der Sicherheitsabsperrung 10 angeordnet. Der Roboter 1 enthält einen
Hauptkörper 2 und
zwei Arme 3 und 4. An dem Ende des Arms 4 ist ein
Manipulatorgelenk 5 angebracht. Ein Werkzeug 7 oder
eine Schweißpistole
ist über
eine Haltevorrichtung 6 an das Manipulatorgelenk 5 angeschlossen. Die
Arme 3 und 4 sind durch ein Gelenk 8 verbunden. Bezugszeichen 9 bezeichnet
ein auf dem Boden befindliches zu schweißendes Objekt oder Werkstück. Eine
Steuervorrichtung (CPU) 20 sendet ein erforderliches Signal
an den Hauptkörper 2 des
Roboters, und die Arme 3 und 4 oder das Manipulatorgelenk 5 werden
in wiederholender Weise in bestimmten Bahnen bewegt. Die Steuervorrichtung
(CPU) 20, welche ein Lehrwerkzeug 21 enthält, unterrichtet
den Roboter oder schreibt das Programm um. Das Lehrwerkzeug 21 enthält eine
Anzeige 22 und ein Eingabeteil 23. Das Display 22 zeigt
zum Beispiel die Betriebszustände
des Roboters 1 an.
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Vor
dem Betrieb des Roboters 1 wird eine virtuelle Sicherheitsabsperrung 50,
wie in 2 gezeigt, durch
eine Einstelleinrichtung a für
die virtuelle Sicherheitsabsperrung definiert. Die virtuelle Sicherheitsabsperrung 50 wird
dann in einem Speicher der Steuervorrichtung 20 durch eine
Speichereinrichtung b der virtuellen Sicherheitsabsperrung gespeichert. In
der Praxis gibt es die Erfordernis, eine erforderliche Anzahl von
Robotern 1 innerhalb eines begrenzten Raums der Fabrikhalle
aufzustellen. Der Sicherheitsabsperrungskörper 10 ist basierend
auf diesem Erfordernis ausgelegt, und die virtuelle Sicherheitsabsperrung 50 wird
dann für
jeden Roboter innerhalb die Sicherheitsabsperrung 10 gelegt
und in einem normalen Vorgang in dem Speicher gespeichert. In diesem
Fall werden die Bewegungsabläufe
des Roboterarms derart gelehrt, so dass die Bewegungsabläufe des
Werkstücks
und der an dem Manipulatorgelenk 5 des im Betrieb befindlichen
Roboters angebrachten Werkzeuge innerhalb der virtuellen Sicherheitsabsperrung 50 enthalten
sind. Alternativ können die
Bewegungsabläufe
des Roboterarms zuerst eingestellt werden, und die virtuelle Sicherheitsabsperrung 50 kann
sodann eingestellt werden, so dass sie diese Bewegungsabläufe aufnimmt.
Während
die virtuelle Sicherheitsabsperrung 50 in dem erläuterten Beispiel
durch vier Linien 51 bis 54 definiert ist, kann diese
durch Kurven oder eine Kombination aus Kurven und Linien definiert
werden.
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Die
dreidimensionale Raumbereichseinstelleinrichtung c definiert drei
dreidimensionale Raumbereiche S1, S2 und S3, welche das Gelenk 8,
das Manipulatorgelenk 5, die Teile des Roboters 1 sind, und
das Werkzeug 7 oder die Schweißpistole enthalten, z.B. alle
als Kugeln. Die dreidimensionale Raumbereichsspeichereinrichtung
d speichert diese sodann in dem Speicher der Steuervorrichtung 20.
Der dreidimensionale Raumbereich S1, welcher das Gelenk 8 enthält, wird
insbesondere als eine Kugel definiert, deren Mittelpunkt dem Abwinklungsmittelpunkt des
Gelenks 8 mit einem vorgegebenen Radius entspricht. Der
dreidimensionale Raumbereich S2, welcher das Manipulatorgelenk 5 enthält, ist
als eine Kugel definiert, deren Mittelpunkt auf der Mittelachse des
Manipulatorgelenks 5 mit einem Radius der etwa die Hälfte der
Länge des
Manipulatorgelenks 5 beträgt, liegt. Der dreidimensionale
Raumbereich S3, welcher das Werkzeug 7 enthält, ist
als eine Kugel definiert, deren Mittelpunkt auf der Mittelachse
der Schweißpistole
liegt und einen Radius von etwa der Hälfte der gemeinsamen Mengen
der Haltevorrichtung 6 und der Schweißpistole 7 aufweist.
Jeder der dreidimensionalen Raumbereiche kann die Kugel mit dem
zuvor erwähnten
Mittelpunkt und Radius sein. Falls einer der dreidimensionalen Raumbereiche
als eine Kugel mit größerem Radius
definiert wird, wäre es
erforderlich, obwohl das Sicherheitsniveau erhöht werden kann, den durch die
virtuelle Sicherheitsabsperrung 50 umfassten Bereich zu
erweitern (oder das Programm zu modifizieren, so dass die Bewegungsreichweite
jedes Teils geschmälert
wird), was in einen verringerten räumlichen Wirkungsgrad resultieren
würde (oder
die Bewegung des Arms wäre
begrenzt).
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Der
Roboter wird entsprechend dem voreingestellten Programm betrieben.
Die Steuervorrichtung beginnt mit Bewegungsberechnungen (Bewegungsbahnberechnungen)
für die
dreidimensionalen Raumbereiche S1 bis S3 (Schritt 301),
wie in dem Ablaufdiagramm von 3 gezeigt.
Basierend auf den Berechnungen werden vorhergesagte Transportstellungen
(geschätzte
Stellungen) berechnet (Schritt 302). Eine Abgleichungseinrichtung
e gleicht die durch die Bewegungsbahnberechnungen erhaltenen vorhergesagten
Stellungen mit der dem Speicher gespeicherten virtuellen Sicherheitsabsperrung
an vorgegebenen Zeiten ab. Eine Entscheidungseinrichtung f entscheidet
dann, ob mindestens ein Teil einer der definierten dreidimensionalen
Raumbereiche S1 bis S3 die virtuelle Sicherheitsabsperrung 50 (Schritt 303) überschreitet
oder nicht. Die virtuelle Sicherheitsabsperrung 50 ist
wie oben beschrieben definiert, und keiner der dreidimensionalen
Raumbereiche S1 bis S3 überschreitet
die virtuelle Sicherheitsabsperrung 50, solange der Roboter
entsprechend dem voreingestellten Programm arbeitet, und vorgegebene
Bewegungen wiederholt werden.
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Wenn
der Werkstückinhalt
des Roboters geändert werden soll, werden z.B. neue Daten über das Lehrwerkzeug 21 an
den Roboter 1 (Steuervorrichtung 30) gespeist.
Demzufolge wird eine neue Zielstellung eingestellt, und die Vorgänge der
Schritte 301 bis 303 werden nochmals durchgeführt. Die
zuvor eingestellte Definition der virtuellen Sicherheitsabsperrung 50 wird
aus Sicherheitsgründen
beibehalten wie sie ist. Da in diesem Zustand eine vorhergesagte
Transportstellung (geschätzte
Stellung) für eine
neue Zielstellung berechnet wird, ist es möglich, dass die vorhergesagte
Stellung die virtuelle Sicherheitsabsperrung 50 überschreitet.
Falls die Entscheidungseinrichtung f ermittelt, dass die virtuelle
Sicherheitsabsperrung 50 überschritten werden würde, initiiert
eine Haltsteuereinrichtung g der Steuervorrichtung eine Haltsteuerung
(Schritt 304). Falls erforderlich wird auf dem Display 22 des
Lehrwerkzeugs 21 eine Haltnachricht angezeigt (Schritt 305).
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Die
dreidimensionalen Raumbereiche S1 bis S3 sind in diesem Beispiel
für drei
Stellen des Roboters 1 eingestellt, und die Haltsteuerung
wird nach Ermittlung, dass die vorhergesagte Stellung einen der drei
Bereiche der virtuellen Sicherheitsabsperrung 50 überschreiten
würde initiiert,
so dass ein hohes Niveau an Sicherheit sichergestellt werden kann.
Der dreidimensionale Raumbereich S1 ist in diesem Beispiel für das Gelenk 8 des
Arms eingestellt, so dass das Problem des sogenannten "Ellbogen-Schlagsphänomen" verhindert werden
kann. Da ferner die Berührung
mit der virtuellen Sicherheitsabsperrung basierend auf einer Mehrzahl
von dreidimensionalen Raumbereichen erfasst wird, kann jeder der
dreidimensionalen Raumbereiche relativ schmal sein. Demzufolge kann
der Spielraum zwischen den Bewegungsabläufen des Roboters und der virtuellen
Sicherheitsabsperrung geschmälert
werden. In dem Fall, in dem die virtuelle Sicherheitsabsperrung
im Voraus eingestellt wird, können
mehr Roboter innerhalb derselben Hallenfläche aufgestellt werden.
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Bezugnehmend
auf 4 wird die zuvor
erwähnte
Haltsteuerung in Bezug auf einen tatsächlichen Roboter beschrieben.
Der dreidimensionale Raumbereich S3 ist für das Werkzeug 7 oder
die Schweißpistole
definiert, und die virtuelle Sicherheitsabsperrung 50 ist
im Speicher gespeichert. Es werden Berechnungen für eine Bewegung
Richtung Punkt X (Schritt 301) durchgeführt, und die vorhergesagte
Transportstellung (Schritt 302) wird berechnet. Die Tatsache,
dass die vorhergesagte Bahn des dreidimensionalen Raumbereichs S3
mit der virtuellen Sicherheitsabsperrung 50 in Berührung kommen würde, wird
sodann unmittelbar erkannt (Schritt 303), und die Haltkontrolle
wird unmittelbar, d.h. in ausreichendem Maße vor der Stellung der virtuellen
Sicherheitsabsperrung initiiert. Der Arm kann daher auch, wenn die
Trägheitskraft
in Erwägung
gezogen wird, vor der virtuellen Sicherheitsabsperrung angehalten werden.
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5 zeigt ein weiteres Beispiel
der Definition der dreidimensionalen Raumbereiche. Das Manipulatorgelenk 5 ist
in diesem Beispiel mit einer großen Haltevorrichtung 6 versehen,
welche ein großes Werkstück 71,
wie z.B. eine Automobilkarosserie, hält. Der dreidimensionale Raumbereich,
welcher das Werkstück 71,
oder eine Kugel S31 enthält,
weist einen großen
Radius auf und trägt
nicht sehr zur Verbesserung der Umgebungsraumwirksamkeit bzw. Effizienz
bei. Das Werkstück 71 wird
deswegen in eine Mehrzahl von Teilen (im dargestellten Beispiel
zwei) geteilt, so dass das vollständige Werkstück in einer Mehrzahl
(2) kleinerer Kugeln (S32 und S33) mit kleineren Radien
enthalten ist, wodurch ein hohes Niveau an Raumnutzeffekt bzw. Effizienz
beibehalten wird.
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6 zeigt ein weiteres Beispiel
der Robotervorrichtung der Erfindung. In diesem Beispiel sind die
zuvor erwähnten
beiden Roboter 1 und 1A mit einer Einzelsteuervorrichtung 20 verbunden.
Die beiden Roboter sind adaptiert, um durch Umschalten auf einer
Softwarebasis individuell betrieben zu werden. Die Einrichtung zur
Definierung der virtuellen Sicherheitsabsperrung im Speicher kann
unterschiedliche Spielräume
für die
Roboter 1 und 1A definieren. Die Einrichtung definiert
insbesondere den Spielraum der virtuellen Sicherheitsabsperrung
für einen
der beiden Roboter 1 und 1A, welcher gegenwärtig betrieben wird,
nämlich
Roboter 1, eine solche Breite aufzuweisen, so dass sich
kein Problem im gegenwärtigen
Betrieb ergibt. Andererseits definiert die Einrichtung den Spielraum
der virtuellen Sicherheitsabsperrung für den anderen Roboter 1A,
welcher nicht betrieben wird, eine extrem schmale Breite aufzuweisen.
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Sollte
der Roboter 1A, welcher nicht betrieben wird, eine unerwartete
Bewegung aufgrund einer Störung
oder dergleichen ausführen,
wird die Haltsteuerung auf diese Weise unmittelbar für den Roboter 1A wegen
der schmalen virtuellen Sicherheitsabsperrung aktiviert. Der Roboter
kann daher in zuverlässiger
Weise daran gehindert werden, außer Kontrolle zu operieren
und das Bedienpersonal oder periphere Anlagen zu treffen, während der
Roboter 1 zur gegenwärtigen
Durchführung
der Arbeit erforderliche Bewegungen zuverlässig und normal ausführen kann.
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Bezugnehmend
auf 7 wird eine weitere Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. 8 zeigt
ein Ablaufdiagramm der Ausführungsform.
In 7 bezeichnet Bezugszeichen 61 die
Bahn einer einzelnen Bewegung des Roboters von Punkt A bis Punkt
B, und a1, a2,..., an, bezeichnen beliebige Punkte auf der Bahn 61.
Der Roboter wird aktiviert (Schritt 801) und Referenzwerte
a1P, a2P,..., anP, welche die Transportstellungsinformation oder
Stellungsinformation an den Punkten a1, a2,..., an, betreffen, werden
als geeignete Koordinatenwerte bezogen, welche dann in einem Speicher
(Schritt 802) (siehe auch 9)
gespeichert werden. Der Spielraum K mit einer erforderlichen Breite
wird dann für jeden
Referenzwert eingegeben und gespeichert (Schritt 803).
Wenn die Koordinatenwerte X, Y und Z für Referenzwerte a1p px, py
und pz sind, bilden px ± k,
py ± k
und pz ± k
den Bereich mit einem Spielraum (nämlich der zuvor erwähnten "virtuellen Sicherheitsabsperrung").
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Bei
dem nachfolgenden Roboterbetrieb, werden die Messwerte a1P, a2P,...,
anP an den Punkten a1, a2,..., an (Schritt 804) bezogen,
und diese Werte werden mit den Referenzwerten a1P, a2P,..., anP
an entsprechenden Punkten (Schritte 805 und 806) verglichen. Wenn
zum Beispiel die Koordinatenwerte für die Messwerte a1P an Punkt < 1 Px, Py und Pz
sind, wird zwischen Px und px ± k,
Py und py ± k
und Pz und pz ± k
verglichen. Falls der Bereich mit Spielraum k ("virtuelle Sicherheitsabsperrung") nicht wie in 9 gezeigt überschritten
wird, wird die Bewegung des Arms fortgesetzt und ähnliche
Vergleiche zwischen gemessenen Werten und Referenzwerten werden
am nächsten
Punkt a2 durchgeführt.
Dieser Vorgang wird wiederholt. Falls der Messwert den Bereich mit
Spielraum k ("virtuelle
Sicherheitsabsperrung")
an einem der Punkte überschreitet,
führt die Steuervorrichtung
eine Haltsteuerung durch (Schritt 807).
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In
dem in 9 gezeigten Beispiel
ist der Absolutwert des Unterschieds zwischen den Messwerten und
den Referenzwerten an Punkt a3 größer oder gleich dem Spielraum
k, so dass an diesem Punkt die Haltsteuerung durch die Steuervorrichtung durchgeführt wird.
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In
diesem Verfahren kann ebenfalls der Freiheitsgrad der Bewegung des
Roboterarms durch Änderung
des Spielraums k geändert
werden. Diese Methode ist daher in Fällen, in denen der Roboter
in Umgebungen betrieben wird, in denen nur ein geringer Positions-
bzw. Stellungsfehler nicht toleriert werden kann, effektiv. Ferner
können
in diesem Verfahren, was die Bewegungsbahn im Rahmen einer einzelnen
Bewegung des Roboters von Punkt A bis Punkt B angeht, zwei oder
mehrere Punkte von den Bewegungsräumen oder den dreidimensionalen Raumbereichen,
welche die Werkstücke
oder die an dem Manipulatorgelenk 5 des Roboters angebrachten
Werkzeuge enthalten, extrahiert werden. Die zuvor erwähnte "Bewegungsbahn" kann dann für jeden der
zwei oder mehreren Punkten eingestellt werden, und Referenzwerte
können
für jede
Bewegungsbahn bezogen werden, so dass im nachfolgenden Betrieb Messwerte
für jede
Bewegungsbahn bezogen und mit den Referenzwerten verglichen werden
können. Auf
diese Weise kann eine mehr sicherheitsorientierte Begrenzung der
Roboterbewegungen realisiert werden.
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In
der vorliegenden Erfindung können
die durch die Steuervorrichtung gespeicherten Daten grob in die
die virtuelle Sicherheitsabsperrung betreffende Daten, die die Bewegung
des Roboterarms betreffenden Programmdaten, und die Systemparameter
betreffende Daten unterteilt werden. Während dem Betrieb unter Verwendung
dieses Typs von Roboter ist es wünschenswert,
dass die einzelnen Datenstücke
gesichert werden, und die die Programmdaten und die Systemparameter
betreffenden Daten könnten
in der Fabrikhalle neu geschrieben werden müssen. Es sollte jedoch vom
Standpunkt des Sicherheitsmanagements aus nicht erlaubt werden, dass
die die virtuelle Sicherheitsabsperrung betreffenden Daten in der
Fabrikhalle leicht neu geschrieben werden können. Es ist daher effektiv,
ein Datenmanagementverfahren einzusetzen, wodurch die die virtuelle
Sicherheitsabsperrung betreffenden Daten in einem unterschiedlichen
Bereich von dem die Bewegung des Roboterarms betreffenden Programmdaten
und die Systemparameter betreffenden Daten speichert, und wodurch
die die virtuelle Sicherheitsabgrenzung betreffenden Daten nicht,
ohne dass ein Passwort eingegeben wird, neu geschrieben werden können.
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Ferner
ist es, von dem Standpunkt erhöhter Roboterbetriebssicherheit
aus besonders empfehlenswert, die Geräteanordnung um den Roboter
herum, die virtuelle Sicherheitsabgrenzung 50, den Roboter
selbst, und die Werkstücke
sowie Werkzeuge visuell darzustellen und auf dem Display 22 des
Lehrwerkzeugs 21 anzuzeigen, so dass deren Bewegungsabläufe in fortlaufender
Weise, während
der Roboter betrieben wird, angezeigt werden.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung werden zwei oder mehrere dreidimensionale Raumbereiche,
welche das Gelenk 8, das Manipulatorgelenk 5 oder
das Werkstück
oder durch das Manipulatorgelenk 5 des Roboters 1 gehaltene
Werkzeuge enthalten, definiert. Basierend auf der Feststellung,
ob einer der dreidimensionalen Raumbereiche mit der virtuellen Sicherheitsabsperrung
zur Begrenzung der Bewegung des Roboters in Berührung kommt, wird der Roboterarm
angehalten. Der virtuelle Sicherheitsabsperrungsbereich kann daher schmaler
als der konventionelle Bereich eingestellt werden, was es ermöglicht,
die Hallenfläche
oder den Fabrikraum oder dergleichen effektiv ohne Verschwendung
zu nutzen. Ferner wird eine durch Bewegungsbahnberechnungen vorhergesagte
Stellung mit der virtuellen Sicherheitsabsperrung abgeglichen, und
die Bewegung des Arms wird nach Feststellung, dass eine Berührung mit
der virtuellen Sicherheitsabsperrung bevorsteht, unmittelbar angehalten.
Der Arm kann daher vor Erreichen der virtuellen Sicherheitsabsperrung
angehalten werden, auch wenn es sich um einen groß dimensionierten
oder Hochgeschwindigkeitsroboter handelt. Es kann daher ein sicherer
Betrieb des Roboters durchgeführt werden.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung wird der Roboter tatsächlich betrieben und Referenzwerte
werden von einer Vielzahl von Punkten auf der Bewegungsbahn des
Roboters bezogen. Ein Spielraum beliebiger Breite wird zu den Referenzwerten
hinzugefügt,
um die virtuelle Sicherheitsabsperrung zu erhalten. Im nachfolgenden
Betrieb wird eine Bewegungshaltsteuerung davon abhängig, ob der
Messwert an jedem Punkt die virtuelle Sicherheitsabsperrung überschreitet
oder nicht, durchgeführt.
In dieser Ausführungsform
können ähnliche
Effekte wie die oben beschriebenen erreicht werden. Insbesondere
durch Schmälerung
des Spielraums kann eine Erfassungsfähigkeit erwartet werden, so dass
ein geringfügiger
Positions- oder Stellungsfehler erfasst werden kann.