DE102012208095A1 - Method for operating mobile robot, involves determining positions of mobile carrier device in polar coordinates and position of mobile carrier device in coordinates of fixed global coordinate system and angular positions of robot arm axes - Google Patents

Method for operating mobile robot, involves determining positions of mobile carrier device in polar coordinates and position of mobile carrier device in coordinates of fixed global coordinate system and angular positions of robot arm axes Download PDF

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Uwe E. Zimmermann
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KUKA Laboratories GmbH
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Abstract

The method involves determining a target position and target orientation in a space of an end effector fixed to the robot arm (7) or a tool center point (8) arranged at the robot arm, to which a reference coordinate system with polar coordinates is assigned. The positions of the mobile carrier device (2) in the polar coordinates of the reference coordinate system, including an orientation of the mobile carrier unit relative to the reference coordinate system are determined, such that the tool center point assumes the specified target position and target orientation. The position of the mobile carrier device in the coordinates of a fixed global coordinate system (K-global) and the angular positions of the axes (A1 to A6) of the robot arm are determined, such that the tool center point assumes the specified target position and target orientation. An independent claim is included for a mobile robot with a robot arm.

Description

Die Erfindung betrifft einen mobilen Roboter und ein Verfahren zum Betreiben eines mobilen Roboters.The invention relates to a mobile robot and a method for operating a mobile robot.

Die US 5,550,953 offenbart einen mobilen Roboter und ein Verfahren zum Betreiben des mobilen Roboters. Der mobile Roboter umfasst einen Roboterarm mit mehreren, relativ zueinander bewegbaren Gliedern und ein Trägerfahrzeug, an dem der Roboterarm befestigt ist.The US 5,550,953 discloses a mobile robot and a method for operating the mobile robot. The mobile robot includes a robot arm having a plurality of relatively movable members and a host vehicle to which the robotic arm is attached.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Lage, d.h. die Position und Orientierung, des mobilen Roboters im Raum verbessert zu bestimmen, sodass der Roboterarm bzw. ein dem Roboterarm oder ein einem am Roboterarm befestigten Endeffektor zugeordneter Tool Center Point eine vorgegebene Soll-Position und Soll-Orientierung einnimmt bzw. einzunehmen vermag.The object of the invention is to control the position, i. to determine the position and orientation of the mobile robot improved in the room so that the robot arm or a tool center point associated with the robot arm or an end effector attached to the robot arm can assume or assume a predefined desired position and desired orientation.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines mobilen Roboters, der eine mobile Trägervorrichtung mit Antrieben zum Bewegen der Trägervorrichtung, wenigstens einen Roboterarm mit mehreren, hintereinander angeordneten, bezüglich Achsen relativ zueinander bewegbaren Gliedern und mit Antrieben zum Bewegen der Glieder, und eine Steuervorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, die Antriebe der mobilen Trägervorrichtung und des wenigstens einen Roboterarms anzusteuern, aufweisend folgende Verfahrensschritte:

  • a) Festlegen einer Soll-Position und Soll-Orientierung im Raum eines dem Roboterarm oder eines am Roboterarm befestigten Endeffektors zugeordneten Tool Center Points, dem ein Referenzkoordinatensystem mit Polarkoordinaten zugeordnet ist,
  • b) Festlegen der Lage oder möglicher Lagen der mobilen Trägervorrichtung in den Polarkoordinaten des Referenzkoordinatensystems inklusive einer Ausrichtung der mobilen Trägervorrichtung bezüglich des Referenzkoordinatensystems, sodass der Tool Center Point die festgelegte Soll-Position und Soll-Orientierung einnimmt oder einzunehmen vermag, und
  • c) basierend auf den Polarkoordinaten des Referenzkoordinatensystems, Bestimmen der Lage der mobilen Trägervorrichtung in Koordinaten eines feststehenden Weltkoordinatensystems und von Winkelstellungen der Achsen des Roboterarms, sodass der Tool Center Point die festgelegte Soll-Position und Soll-Orientierung einnimmt oder einzunehmen vermag.
The object of the invention is achieved by a method for operating a mobile robot, comprising a mobile carrier device with drives for moving the carrier device, at least one robot arm with a plurality of successively arranged with respect to axes relatively movable members and with drives for moving the members, and a control device, which is set up to control the drives of the mobile carrier device and of the at least one robot arm, comprising the following method steps:
  • a) specifying a desired position and desired orientation in the space of a tool center point assigned to the robot arm or an end effector attached to the robot arm, to which a reference coordinate system with polar coordinates is assigned,
  • b) setting the position or possible positions of the mobile carrier device in the polar coordinates of the reference coordinate system including an orientation of the mobile carrier device with respect to the reference coordinate system, so that the tool center point is able to take or take the specified desired position and target orientation, and
  • c) based on the polar coordinates of the reference coordinate system, determining the position of the mobile carrier device in coordinates of a fixed world coordinate system and angular positions of the axes of the robot arm, so that the tool center point is able to take or take the specified desired position and target orientation.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen mobilen Roboter, aufweisend eine mobile Trägervorrichtung mit Antrieben zum Bewegen der Trägervorrichtung, wenigstens einen Roboterarm mit mehreren, hintereinander angeordneten, bezüglich Achsen relativ zueinander bewegbaren Gliedern und Antrieben zum Bewegen der Glieder relativ zu den Achsen, und eine Steuervorrichtung, welche eingerichtet ist, die Antriebe der mobilen Trägervorrichtung und des Roboterarms anzusteuern. Der erfindungsgemäße mobile Roboter ist eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Dazu ist z.B. die Steuervorrichtung des erfindungsgemäßen mobilen Roboters geeignet konfiguriert, beispielsweise mittels eines, das erfindungsgemäße Verfahren ausführenden Computerprogramms, mit dem die Steuervorrichtung konfiguriert ist und welches insbesondere während des bestimmungsgemäßen Betriebs des erfindungsgemäßen mobilen Roboters auf dessen Steuervorrichtung läuft. Die Antriebe des Roboterarms und/oder der Trägervorrichtung sind vorzugsweise elektrische Antriebe und/oder geregelte Antriebe, insbesondere geregelte elektrische Antriebe.Another aspect of the invention relates to a mobile robot comprising a mobile carrier device having drives for moving the carrier device, at least one robotic arm having a plurality of members movable in relation to each other and movable relative to one another and drives for moving the members relative to the axes, and a control device , which is set up to control the drives of the mobile carrier device and the robot arm. The mobile robot according to the invention is set up to carry out the method according to the invention. For this purpose, e.g. the control device of the mobile robot according to the invention suitably configured, for example by means of a computer program executing the method according to the invention, with which the control device is configured and which in particular runs on its control device during the intended operation of the mobile robot according to the invention. The drives of the robot arm and / or the carrier device are preferably electric drives and / or regulated drives, in particular regulated electric drives.

Die mobile Trägervorrichtung kann vorzugsweise als ein Trägerfahrzeug mit Rädern ausgebildet sein, wobei die Antriebe der mobilen Trägervorrichtung eingerichtet sind, die Räder zu bewegen. Der erfindungsgemäße mobile Roboter kann auch als ein humanoider Roboter ausgeführt sein, dessen mobile Trägervorrichtung als Roboterbeine ausgeführt ist.The mobile carrier device may preferably be formed as a carrier vehicle with wheels, wherein the drives of the mobile carrier device are adapted to move the wheels. The mobile robot according to the invention can also be designed as a humanoid robot whose mobile carrier device is designed as a robot leg.

Die Freiheitsgrade eines konventionellen mobilen Roboters bzw. dessen mobile Plattform bzw. dessen Trägervorrichtung werden üblicherweise unabhängig von dem darauf befestigten Roboterarm betrachtet und als globale kartesische Position im 2D Raum als ein 3-Tupel mit Koordinaten eines feststehenden Weltkoordinatensystems (x, y, θ) angegeben, also genauer gesagt als Position und einer Rotation um den Mittelpunkt des Trägerfahrzeugs in der 2D-Ebene.The degrees of freedom of a conventional mobile robot or its mobile platform or its carrier device are usually considered independently of the robotic arm attached thereto and indicated as a global Cartesian position in 2D space as a 3-tuple with coordinates of a fixed world coordinate system (x, y, θ) that is, more specifically, as position and rotation about the center of the host vehicle in the 2D plane.

Eine mobile Plattform bzw. die Trägervorrichtung erweitert den Arbeitsreich des darauf montierten Roboterarms bzw. Manipulators über seine Reichweite hinaus. Dadurch ergeben sich zusätzliche Freiheitsgrade für den mobilen Roboter und in Folge dessen gegebenenfalls auch zusätzliche Redundanzen des mobilen Roboters, welche identifiziert und mathematisch beschrieben werden können, so dass eine eindeutige Zuordnung von kartesischen Koordinaten bezüglich des Weltkoordinatensystems des Endeffektors (x, y, z, A, B, C) zu Winkelstellungen des Roboterarms und kartesischer Position (x, y, θ) der mobilen Plattform bzw. der mobilen Trägervorrichtung möglich ist.A mobile platform or the carrier device extends the working range of the robotic arm or manipulator mounted thereon beyond its reach. This results in additional degrees of freedom for the mobile robot and, as a result, additional redundancies of the mobile robot, which can be identified and described mathematically, so that an unambiguous assignment of Cartesian coordinates with respect to the world coordinate system of the end effector (x, y, z, A , B, C) to angular positions of the robot arm and Cartesian position (x, y, θ) of the mobile platform or the mobile carrier device is possible.

Erfindungsgemäß werden zunächst die Soll-Position und die Soll-Orientierung, also die Soll-Lage bzw. Soll-Pose des Tool Center Points des mobilen Roboters bzw. dessen Roboterarms oder des am Roboterarm befestigten Endeffektors festgelegt. Vorzugsweise werden die Soll-Position und die Soll-Orientierung des Tool Center Points in Koordinaten des feststehenden Weltkoordinatensystems festgelegt. Anschließend wird jedoch die entsprechende Lage, d.h. Position und Orientierung, des mobilen Roboters bzw. dessen Trägervorrichtung nicht in Koordinaten des Weltkoordinatensystems vorgegeben, sondern zunächst in Polarkoordinaten des dem Tool Center Point zugeordneten Referenzkoordinatensystems. Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen mobilen Roboter um einen redundanten Roboter, d.h., wie es nach einer Variante des erfindungsgemäßen mobilen Roboters vorgesehen ist, ist dessen Roboterarm derart ausgebildet, dass der erfindungsgemäße mobile Roboter redundante Freiheitsgrade aufweist, dann werden vorzugsweise die möglichen Lagen des Trägerfahrzeugs in den Polarkoordinaten des Referenzkoordinatensystems inklusive möglicher Ausrichtungen bezüglich des Referenzkoordinatensystems festgelegt. Dadurch ergeben sich Voraussetzungen für eine erleichterte Berechnung der Lage und Orientierung bzw. der Lagen und Orientierungen des Trägerfahrzeugs, sowie eine intuitivere Bedienung und Handhabung des mobilen Roboters beispielsweise beim Programmieren des Aufgabe. According to the invention, first the desired position and the desired orientation, ie the desired position or target pose of the tool center point of the mobile robot or its robot arm or of the Fixed to the robot arm attached end effector. Preferably, the desired position and the desired orientation of the tool center point are defined in coordinates of the fixed world coordinate system. Subsequently, however, the corresponding position, ie position and orientation, of the mobile robot or its carrier device is not given in coordinates of the world coordinate system, but first in polar coordinates of the tool center point associated with the reference coordinate system. If the mobile robot according to the invention is a redundant robot, ie, as is provided according to a variant of the mobile robot according to the invention, its robot arm is designed such that the mobile robot according to the invention has redundant degrees of freedom, then preferably the possible positions of the carrier vehicle in the polar coordinates of the reference coordinate system including possible orientations with respect to the reference coordinate system. This results in conditions for easier calculation of the position and orientation or the positions and orientations of the host vehicle, as well as a more intuitive operation and handling of the mobile robot, for example when programming the task.

Anschließend wird die Lage der Trägervorrichtung in Koordinaten des feststehenden Weltkoordinatensystems basierend auf den Polarkoordinaten des Referenzkoordinatensystems bestimmt. Außerdem werden erfindungsgemäß im selben Schritt und basierend auf den Polarkoordinaten des Referenzkoordinatensystems Winkelstellungen der Achsen des Roboterarms derart bestimmt, sodass der Tool Center Point die festgelegte Soll-Position und Soll-Orientierung einnimmt oder einzunehmen vermag.Subsequently, the position of the carrier device in coordinates of the fixed world coordinate system is determined based on the polar coordinates of the reference coordinate system. In addition, according to the invention, angular positions of the axes of the robot arm are determined in the same step and based on the polar coordinates of the reference coordinate system, so that the tool center point can assume or assume the specified desired position and desired orientation.

Die Lage der mobilen Trägervorrichtung kann z.B. manuell festgelegt werden. Nach einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Lage oder die möglichen Lagen der mobilen Trägervorrichtung in den Polarkoordinaten des Referenzkoordinatensystems und die Orientierung oder die möglichen Orientierungen der mobilen Trägervorrichtung bezüglich des Referenzkoordinatensystems automatisch mittels eines übergeordneten Planungssystems, insbesondere mittels einer Bahnplanung und/oder einer Regelstrategie festgelegt. Dadurch kann z.B. auch eine Kollision des mobilen Roboters mit einem Objekt vermieden werden. The location of the mobile carrier device may be e.g. manually set. According to a preferred variant of the method according to the invention, the position or the possible positions of the mobile carrier device in the polar coordinates of the reference coordinate system and the orientation or the possible orientations of the mobile carrier device with respect to the reference coordinate system automatically by means of a higher-level planning system, in particular by means of a path planning and / or a control strategy established. Thereby, e.g. Also, a collision of the mobile robot with an object can be avoided.

Um eine komplette Bahn für den mobilen Roboter zu bestimmen, werden vorzugsweise die Schritte a) bis c) für mehrere, hintereinander folgende Soll-Positionen und Soll-Lagen des Tool Center Points wiederholt. In order to determine a complete path for the mobile robot, the steps a) to c) are preferably repeated for a plurality of consecutively following desired positions and desired positions of the tool center point.

Das Trägerfahrzeug ist vorzugsweise als ein omnidirektional bewegbares Trägerfahrzeug (holonome Plattform) ausgeführt. Vorzugsweise sind daher die Räder des Trägerfahrzeugs als omnidirektionale Räder ausgebildet. Ein Beispiel eines omnidirektionalen Rades ist das dem Fachmann bekannte Mecanum-Rad. Aufgrund der omnidirektionalen Räder ist es dem erfindungsgemäßen mobilen Roboter bzw. dessen Trägerfahrzeug ermöglicht, sich frei im Raum zu bewegen. So kann sich das Trägerfahrzeug nicht nur nach vorne, nach hinten oder seitlich bewegen oder Kurven fahren, sondern sich auch z.B. um eine vertikal ausgerichtete Achse drehen.The carrier vehicle is preferably designed as an omnidirectionally movable carrier vehicle (holonomic platform). Preferably, therefore, the wheels of the carrier vehicle are designed as omnidirectional wheels. An example of an omnidirectional wheel is the Mecanum wheel known to those skilled in the art. Due to the omnidirectional wheels, it is possible for the mobile robot according to the invention or its carrier vehicle to move freely in space. Thus, the host vehicle can not only move forwards, backwards, or sideways, or make turns, but can also travel e.g. rotate around a vertical axis.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich gegebenenfalls ein überlegter Ansatz bei der Positionierung von mobilen Robotern, da eine analytische Rückwärtsrechnung für das Gesamtsystem, d.h. den mobilen Roboter, gegebenenfalls bereit gestellt und benutzt werden kann. Mit Hilfe der analytischen Rückwärtsrechnung kann man gegebenenfalls über alle Lösungen zur Aufgabe, d.h. dass der Tool Center Point seine Soll-Position und Soll-Orientierung einnimmt, iterieren. Dies ist gegebenenfalls sinnvoll für ein grafisches Programmiertool, sowie eine automatische Planungssoftware.Optionally, the method of the present invention provides a well thought-out approach to the positioning of mobile robots, since an analytical backward calculation for the overall system, i. the mobile robot, if necessary, can be provided and used. With the help of analytical backward calculation, it is possible, if necessary, to decide on all solutions to the task, i. that the Tool Center Point assumes its desired position and target orientation, iterate. This may be useful for a graphical programming tool, as well as automatic planning software.

Gegebenenfalls können zusätzliche kinematische Redundanzen zur Kollisionsvermeidung, zur Energieoptimierung, Vermeidung von Achsendanschlägen, usw. genutzt werdenOptionally, additional kinematic redundancies for collision avoidance, energy optimization, avoids Achsendanschlägen, etc. can be used

Gegebenenfalls kann eine Redundanz des mobilen Roboters zur Kollisionsvermeidung im Applikationsprozess (z.B. Schweißen, Kleben, Lackieren mit mobilem Roboter) innerhalb einer kollisionsfreien Bahnplanung ermöglicht werden.Optionally, redundancy of the mobile robot for collision avoidance in the application process (e.g., welding, bonding, mobile robot painting) may be enabled within collision-free path planning.

Gegebenenfalls kann eine Nullraumbewegung unter Verwendung des mobilen Roboters ermöglich werden.Optionally, null space movement can be enabled using the mobile robot.

Es kann eine Möglichkeit zur koordinierten Bewegung von Trägerfahrzeug und Roboterarm durch Verwendung der gemeinsamen Inverskinematik gegeben sein.There may be a possibility for coordinated movement of the carrier vehicle and robot arm by using the common inverse kinematics.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist exemplarisch in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:An embodiment of the invention is illustrated by way of example in the accompanying schematic drawings. Show it:

1 einen mobilen Roboter, der ein Trägerfahrzeug und einen am Trägerfahrzeug befestigten Roboterarm umfasst, 1 a mobile robot comprising a host vehicle and a robotic arm attached to the host vehicle,

2 ein omnidirektionales Rad, 2 an omnidirectional wheel,

3 ein die Bestimmung der Lage des Trägerfahrzeugs veranschaulichendes Diagramm und 3 a diagram illustrating the determination of the attitude of the host vehicle and

4 ein eine inverse Kinematik des mobilen Roboters beschreibendes Diagramm. 4 a diagram describing an inverse kinematics of the mobile robot.

Die 1 zeigt einen mobilen Roboter 1, welcher im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein omnidirektional bewegbares Trägerfahrzeug 2 aufweist. Dieses umfasst z.B. einen Fahrzeuggrundkörper 3 und mehrere, am Fahrzeuggrundkörper 3 drehbar angeordnete Räder 4, welche insbesondere als omnidirektionale Räder ausgebildet sind. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist das Trägerfahrzeug 2 vier omnidirektionale Räder 4 auf. Wenigstens eines der Räder 4, vorzugsweise alle Räder 4 wird bzw. werden mit einem oder mehreren Antrieben angetrieben. Die nicht näher dargestellten Antriebe sind vorzugsweise elektrische Antriebe, insbesondere geregelte elektrische Antriebe und sind mit einer beispielsweise im oder am Fahrzeuggrundkörper 3 angeordneten Steuervorrichtung 5 verbunden, welche eingerichtet ist, das Trägerfahrzeug 2 durch entsprechendes Ansteuern der Antriebe für die Räder 4 zu bewegen. The 1 shows a mobile robot 1 which, in the case of the present embodiment, an omnidirectionally movable carrier vehicle 2 having. This includes, for example, a vehicle body 3 and several, on the vehicle body 3 rotatably arranged wheels 4 , which are designed in particular as omnidirectional wheels. In the case of the present embodiment, the carrier vehicle 2 four omnidirectional wheels 4 on. At least one of the wheels 4 , preferably all wheels 4 is or are driven by one or more drives. The drives, not shown, are preferably electric drives, in particular regulated electric drives and are provided with an example in or on the vehicle body 3 arranged control device 5 connected, which is set up, the host vehicle 2 by appropriate activation of the drives for the wheels 4 to move.

Ein Beispiel eines omnidirektionalen Rades ist das sogenannte Mecanum-Rad. Ein als omnidirektionales Rad ausgebildetes Rad 4 des mobilen Roboters 1 bzw. dessen Trägerfahrzeugs 2 ist in der 2 als Frontansicht gezeigt.An example of an omnidirectional wheel is the so-called Mecanum wheel. A wheel designed as an omnidirectional wheel 4 of the mobile robot 1 or its carrier vehicle 2 is in the 2 shown as a front view.

Das als omnidirektionales bzw. Mecanum Rad ausgebildete Rad 4 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels zwei starr miteinander verbundene Radscheiben 21 auf, zwischen denen mehrere Rollkörper 22 bezüglich ihrer Längsachsen 23 drehbar gelagert sind. Die beiden Radscheiben 21 können bezüglich einer Drehachse 24 drehbar gelagert sein und mittels einer der Antriebe des Trägerfahrzeugs 2 derart angetrieben werden, dass sich die beiden Radscheiben 21 bezüglich der Drehachse 24 drehen.The wheel designed as omnidirectional or Mecanum wheel 4 has in the case of the present embodiment, two rigidly interconnected wheel discs 21 on, between which several rolling bodies 22 with respect to their longitudinal axes 23 are rotatably mounted. The two wheel discs 21 can with respect to a rotation axis 24 be rotatably mounted and by means of one of the drives of the carrier vehicle 2 be driven so that the two wheel discs 21 with respect to the axis of rotation 24 rotate.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die Rollkörper 22 gleichmäßig zueinander beabstandet und derart an den Radscheiben 21 gelagert, dass ihre Rollflächen über den Umfang der Radscheiben 21 herausragen. Außerdem sind die Rollkörper 22 derart an den Radscheiben 21 gelagert, dass ihre Längsachsen 23 mit der Drehachse 24 einen Winkel α von beispielsweise 45° aufweisen.In the case of the present embodiment, the rolling bodies 22 evenly spaced and so on the wheel discs 21 stored that their rolling surfaces over the circumference of the wheel discs 21 protrude. Besides, the rolling bodies 22 like that on the wheel discs 21 stored that their longitudinal axes 23 with the rotation axis 24 an angle α of, for example, 45 °.

Aufgrund der omnidirektionalen Räder 4 ist es dem mobilen Roboter 1 bzw. dessen Trägerfahrzeug 2 ermöglicht, sich frei im Raum zu bewegen. So kann sich das Trägerfahrzeug 2 nicht nur nach vorne, nach hinten oder seitlich bewegen oder Kurven fahren, sondern sich auch um eine beliebige vertikal ausgerichtete Achse beispielsweise um die Achse A1 des Roboterarms drehen.Due to the omnidirectional wheels 4 it is the mobile robot 1 or its carrier vehicle 2 allows you to move freely around the room. So can the carrier vehicle 2 not only moving forward, backward, or sideways, or turning, but also rotating about any vertically aligned axis, for example, about the axis A1 of the robotic arm.

Der mobile Roboter 1 umfasst ferner einen Roboterarm 7, der insbesondere am Trägerfahrzeug 2 bzw. an dessen Fahrzeuggrundkörper 3 befestigt ist. Aufgrund der omnidirektionalen Räder 4 stellt das Trägerfahrzeug 2 somit im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine holonome Plattform für den Roboterarm 7 dar. Das Trägerfahrzeug 2 kann aber auch als eine nicht-holonomen Plattform für den Roboterarm 7 ausgeführt sein. Das Trägerfahrzeug 2 stellt somit eine mobile Trägervorrichtung dar, an der der Roboterarm 7 befestigt ist. Ist der mobile Roboter z.B. als humanoider oder insektenähnlicher Roboter ausgebildet, dann kann beispielsweise diese Trägervorrichtung auch als mehrere Roboterbeine ausgebildet sein, mittels derer der Roboter bewegbar ist. The mobile robot 1 further comprises a robot arm 7 in particular on the carrier vehicle 2 or on the vehicle body 3 is attached. Due to the omnidirectional wheels 4 represents the carrier vehicle 2 Thus, in the case of the present embodiment, a holonomic platform for the robot arm 7 dar. The carrier vehicle 2 but can also act as a non-holonomic platform for the robotic arm 7 be executed. The carrier vehicle 2 thus represents a mobile carrier device to which the robot arm 7 is attached. For example, if the mobile robot is designed as a humanoid or insect-like robot, then this carrier device can also be designed as a plurality of robot legs, by means of which the robot can be moved.

Der Roboterarm 7 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mehrere, nacheinander angeordnete und mittels Gelenke verbundene Glieder. Bei den Gliedern handelt es sich insbesondere um ein Gestell 9, mittels dem der Roboterarm 7 am Fahrzeuggrundkörper 3 befestigt ist.The robot arm 7 comprises in the case of the present embodiment, a plurality of successively arranged and connected by joints members. The limbs are in particular a frame 9 , by means of which the robot arm 7 on the vehicle body 3 is attached.

Der Roboterarm 7 weist als ein weiteres Glied ein z.B. relativ zum Gestell 9 insbesondere um die vertikal verlaufende Achse A1 drehbar gelagertes Karussell 10 auf. Weitere Glieder des Roboterarms 7 sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Schwinge 11, ein Ausleger 12 und eine vorzugsweise mehrachsige Roboterhand 13 mit einer als z.B. Flansch ausgeführten Befestigungsvorrichtung 6 zum Befestigen eines Endeffektors bzw. eines Werkzeugs. Die Schwinge 11 ist am unteren Ende z.B. an einem nicht näher dargestellten Schwingenlagerkopf auf dem Karussell 10 um eine vorzugsweise horizontale Achse A2 schwenkbar gelagert. Am oberen Ende der Schwinge 11 ist wiederum um eine ebenfalls vorzugsweise horizontale Achse A3 der Ausleger 12 schwenkbar gelagert. Dieser trägt endseitig die Roboterhand 13 mit ihren beispielsweise drei Drehachsen (Achsen A4–A6). Die Roboterhand 13 kann aber auch nur 2 Drehachsen aufweisen.The robot arm 7 has as a further link, for example, relative to the frame 9 in particular about the vertical axis A1 rotatably mounted carousel 10 on. Further links of the robot arm 7 are in the case of the present embodiment, a rocker 11 , a boom 12 and a preferably multi-axis robotic hand 13 with a fastening device designed as a flange, for example 6 for fastening an end effector or a tool. The swingarm 11 is at the lower end, for example, on a swing bearing head not shown on the carousel 10 pivotally mounted about a preferably horizontal axis A2. At the upper end of the swingarm 11 is again about a likewise preferably horizontal axis A3 of the boom 12 pivoted. This carries the end of the robot hand 13 with their example, three axes of rotation (axes A4-A6). The robot hand 13 but can also have only 2 axes of rotation.

Der Roboterarm 7 umfasst ferner mit der Steuervorrichtung 5 verbundene Antriebe. Die Antriebe sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels elektrische Antriebe, insbesondere geregelte elektrische Antriebe. In der 1 sind nur einige der elektrischen Motoren 14 dieser elektrischen Antriebe gezeigt.The robot arm 7 further comprises the control device 5 connected drives. The drives are in the case of the present embodiment, electric drives, in particular regulated electrical drives. In the 1 These are just a few of the electric motors 14 shown these electrical drives.

Im Betrieb des mobilen Roboters 1 ist es vorgesehen, dass die Steuervorrichtung 5 die Antriebe des Roboterarms 7 und der Räder 4 derart ansteuert, sodass die Befestigungsvorrichtung 6 bzw. ein der Befestigungsvorrichtung 6 bzw. des an der Befestigungsvorrichtung 6 befestigten Endeffektors zugeordneter sogenannter Tool Center Point 8 eine vorgegebene Soll-Lage bzw. Soll-Pose, also eine Soll-Position und Soll-Orientierung im Raum einnimmt. Dazu wird das Trägerfahrzeug 2, gesteuert durch die Steuervorrichtung 5, entsprechend dieser Soll-Pose in eine Position gebracht und in eine Orientierung im Raum ausgerichtet und die Achsen A1–A6 des Roboterarms 7 in entsprechende Achsstellungen bzw. Winkelstellungen θ1–θ6 gebracht.In the operation of the mobile robot 1 it is envisaged that the control device 5 the drives of the robotic arm 7 and the wheels 4 so controls, so that the fastening device 6 or one of the fastening device 6 or on the fastening device 6 attached end effector associated with so-called Tool Center Point 8th a predetermined target position or target pose, that occupies a desired position and target orientation in space. This is the carrier vehicle 2 controlled by the control device 5 , placed in a position according to this target pose and in an orientation in the Space aligned and the axes A1-A6 of the robot arm 7 in corresponding axis positions or angular positions θ1-θ6 brought.

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist dem Tool Center ein Koordinatensystem, d.h. ein Referenzkoordinatensystem KRef zugeordnet, das in der 3 gezeigt ist. Der Ursprung des Referenzkoordinatensystem KRef liegt insbesondere im Tool Center Point 8.In the case of the present exemplary embodiment, the tool center is assigned a coordinate system, ie a reference coordinate system K Ref , which is stored in the 3 is shown. The origin of the reference coordinate system K Ref lies in particular in the Tool Center Point 8th ,

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird nun die Lage des Trägerfahrzeugs 2, also dessen Position und Orientierung, die das Trägerfahrzeug 2 einnimmt, damit der Tool Center Point 8 seine Soll-Pose einnimmt, nicht in Koordinaten eines feststehenden Weltkoordinatensystems Kglobal festgelegt, sondern zunächst in Polarkoordinaten ρ1, ρ2 des Referenzkoordinatensystems KRef inklusive einer Ausrichtung ρ3 der mobilen Trägervorrichtung 3 bezüglich des Referenzkoordinatensystems (KRef).In the case of the present embodiment, the position of the carrier vehicle is now 2 , ie its position and orientation, the carrier vehicle 2 takes the tool center point 8th assumes its target pose, not determined globally in coordinates of a fixed world coordinate system K, but first in polar coordinates ρ1, ρ2 of the reference coordinate system K Ref including an orientation ρ3 of the mobile carrier device 3 with respect to the reference coordinate system (K Ref ).

Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist das Trägerfahrzeug 2 also die den Polarkoordinaten ρ1, ρ2 des Referenzkoordinatensystem KRef und der Ausrichtung ρ3 zugeordnete Freiheitsgrade auf. Sind für eine Soll-Pose des Tool Center Points 6 mehrere Positionen und Orientierungen des Trägerfahrzeugs 2 möglich, dann können die Polarkoordinaten ρ1, ρ2 und die Ausrichtung ρ3 als Redundanzparameter angesehen werden.In the case of the present embodiment, the carrier vehicle 2 that is to say the degrees of freedom assigned to the polar coordinates ρ1, ρ2 of the reference coordinate system K Ref and the orientation ρ3. Are for a target pose of the Tool Center Points 6 several positions and orientations of the carrier vehicle 2 possible, then the polar coordinates ρ1, ρ2 and the orientation ρ3 can be regarded as redundancy parameters.

Anstelle eines 3-Tupels, welche die Position und Orientierung des Trägerfahrzeugs 2 im Raum bezüglich des globalen Weltkoordinatensystems KRef mit den Koordinaten x, y, θ beschreibt, wird zunächst ein 3-Tupel bestimmt, welches die Lage des Trägerfahrzeugs 2 mittels der Polarkoordinaten ρ1, ρ2 und der Ausrichtung ρ3 im lokalen Referenzkoordinatensystem KRef beschreibt.Instead of a 3-tuple, indicate the position and orientation of the host vehicle 2 in the space with respect to the global world coordinate system K Ref with the coordinates x, y, θ describes, a 3-tuple is first determined, which determines the position of the host vehicle 2 by means of the polar coordinates ρ1, ρ2 and the orientation ρ3 in the local reference coordinate system K Ref .

Dabei beschreiben die Polarkoordinaten ρ1, ρ2 die Position bezüglich des Referenzkoordinatensystems KRef in zweidimensionalen Polarkoordinaten und zusätzliche die Drehung des Trägerfahrzeugs 2 mittels der Ausrichtung ρ3.The polar coordinates ρ1, ρ2 describe the position with respect to the reference coordinate system K Ref in two-dimensional polar coordinates and additionally the rotation of the carrier vehicle 2 by means of the orientation ρ3.

Also beschreibt die Polarkoordinate ρ1 die Entfernung des Trägerfahrzeugs 2 vom Ursprung des Referenzkoordinatensystems KRef, die Polarkoordinate ρ2 die Anfahrtrichtung des Trägerfahrzeugs 2 auf einem Entfernungskreis K mit dem Radius ρ1, und die Ausrichtung ρ3 die Orientierung des Trägerfahrzeugs 2 bezüglich des Referenzkoordinatensystems KRef und gegebenenfalls relativ zu einem Trägerfahrzeug-Koordinatensystems KTräger, dessen Ursprung vorzugsweise im Ursprung eines dem Roboterarm 7 zugeordneten Koordinatensystems liegt, sodass vorzugsweise eine Drehachse des Trägerfahrzeugs 2 mit der Achse A1 des Roboterarms 7, bezüglich derer das Karussell 10 relativ zum Gestell 9 drehbar ist, zusammen fällt.Thus, the polar coordinate ρ1 describes the distance of the host vehicle 2 from the origin of the reference coordinate system K Ref , the polar coordinate ρ2 the approach direction of the host vehicle 2 on a distance circle K of radius ρ1, and the orientation ρ3 on the orientation of the host vehicle 2 with respect to the reference coordinate system K Ref and possibly relative to a carrier vehicle coordinate system K carrier , whose origin is preferably at the origin of the robot arm 7 assigned coordinate system, so preferably a rotation axis of the host vehicle 2 with the axis A1 of the robot arm 7 concerning which the carousel 10 relative to the frame 9 is rotatable, falls together.

Eine Lage des Trägerfahrzeugs 2 in den Koordinaten x, y, θ des Weltkoordinatensystems Kglobal lässt sich damit immer eindeutig in den Polarkoordinaten ρ1, ρ2 bezüglich des Referenzsystems KRef und der Ausrichtung ρ3 beschreiben.A location of the carrier vehicle 2 in the coordinates x, y, θ of the world coordinate system K global can thus always be unambiguously described in the polar coordinates ρ1, ρ2 with respect to the reference system K Ref and the orientation ρ3.

Um die Lage des Trägerfahrzeugs 2 und den Roboterarm 7 derart auszurichten, dass der Tool Center Point 6 seine Soll-Pose einnimmt, berechnet im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Steuervorrichtung 5 die den Achsen A1–A6 des Roboterarms 2 zugeordneten Winkelstellungen θ1–θ6 und die Lage des Trägerfahrzeugs 2 in Koordinaten x, y, θ des Weltkoordinatensystems Kglobal basierend auf den Polarkoordinaten ρ1, ρ2 und der Ausrichtung ρ3 und den Koordinaten der Soll-Lage des Tool Center Points 8. Dies ist in der 4 illustriert.To the location of the carrier vehicle 2 and the robot arm 7 to align that with the Tool Center Point 6 assumes its desired pose, calculated in the case of the present embodiment, the control device 5 the axes A1-A6 of the robot arm 2 associated angular positions θ1-θ6 and the position of the host vehicle 2 in coordinates x, y, θ of the world coordinate system K global based on the polar coordinates ρ1, ρ2 and the orientation ρ3 and the coordinates of the target position of the tool center point 8th , This is in the 4 illustrated.

Aufgrund der Soll-Pose des Tool Center Points 6, die insbesondere in kartesischen Koordinaten x, y, z, A, B, C bezüglich des Weltkoordinatensystems angegeben ist, und den Polarkoordinaten ρ1, ρ2, und der Ausrichtung ρ3, gegebenenfalls auch zusätzlich aufgrund von kinematischen Redundanzparametern des Roboterarms 7, berechnet somit die Steuervorrichtung die Lage des Trägerfahrzeugs 2 in Koordinaten x, y, θ des Weltkoordinatensystems Kglobal und die Winkelstellungen θ1–θ6 der Achsen A1–A6 des Roboterarms 7.Due to the target pose of the Tool Center Point 6 , which is indicated in particular in Cartesian coordinates x, y, z, A, B, C with respect to the world coordinate system, and the polar coordinates ρ1, ρ2, and the orientation ρ3, possibly also in addition due to kinematic redundancy parameters of the robot arm 7 Thus, the control device calculates the position of the host vehicle 2 in coordinates x, y, θ of the world coordinate system K global and the angular positions θ1-θ6 of the axes A1-A6 of the robot arm 7 ,

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines mobilen Roboters (1), der eine mobile Trägervorrichtung (2) mit Antrieben zum Bewegen der Trägervorrichtung (2), wenigstens einen Roboterarm (7) mit mehreren, hintereinander angeordneten, bezüglich Achsen (A1–A6) relativ zueinander bewegbaren Gliedern (913) und mit Antrieben zum Bewegen der Glieder (913), und eine Steuervorrichtung (5) aufweist, welche eingerichtet ist, die Antriebe der mobilen Trägervorrichtung (2) und des wenigstens einen Roboterarms (7) anzusteuern, aufweisend folgende Verfahrensschritte: a) Festlegen einer Soll-Position und Soll-Orientierung im Raum eines dem Roboterarm (7) oder eines am Roboterarm (7) befestigten Endeffektors zugeordneten Tool Center Points (8), dem ein Referenzkoordinatensystem (KRef) mit Polarkoordinaten (ρ1, ρ2) zugeordnet ist, b) Festlegen der Lage oder möglicher Lagen der mobilen Trägervorrichtung (2) in den Polarkoordinaten (ρ1, ρ2) des Referenzkoordinatensystems (KRef) inklusive einer Ausrichtung (ρ3) der mobilen Trägervorrichtung (2) bezüglich des Referenzkoordinatensystems (KRef), sodass der Tool Center Point (8) die festgelegte Soll-Position und Soll-Orientierung einnimmt oder einzunehmen vermag, und c) basierend auf den Polarkoordinaten (ρ1, ρ2) des Referenzkoordinatensystems (KRef) und der Ausrichtung (ρ3) der mobilen Trägervorrichtung (2) bezüglich des Referenzkoordinatensystems (KRef), Bestimmen der Lage der mobilen Trägervorrichtung (2) in Koordinaten eines feststehenden Weltkoordinatensystems (Kglobal) und von Winkelstellungen (θ1–θ6) der Achsen (A1–A6) des Roboterarms (7), sodass der Tool Center Point (8) die festgelegte Soll-Position und Soll-Orientierung einnimmt oder einzunehmen vermag.Method for operating a mobile robot ( 1 ), which is a mobile carrier device ( 2 ) with drives for moving the carrier device ( 2 ), at least one robotic arm ( 7 ) with a plurality of successively arranged, with respect to axes (A1-A6) relative to each other movable members ( 9 - 13 ) and with drives for moving the links ( 9 - 13 ), and a control device ( 5 ), which is set up, the drives of the mobile carrier device ( 2 ) and the at least one robot arm ( 7 ), comprising the following method steps: a) Specification of a desired position and desired orientation in the space of a robot arm ( 7 ) or one on the robot arm ( 7 attached end effector associated with Tool Center Points ( 8th ), to which a reference coordinate system (K Ref ) with polar coordinates (ρ1, ρ2) is assigned, b) determining the position or possible positions of the mobile carrier device ( 2 ) in the polar coordinates (ρ1, ρ2) of the reference coordinate system (K Ref ) including an orientation (ρ3) of the mobile carrier device ( 2 ) with respect to the reference coordinate system (K ref ) so that the tool center point ( 8th ) assumes or is able to assume the specified desired position and desired orientation, and c) based on the polar coordinates (ρ1, ρ2) of the reference coordinate system (K Ref ) and the orientation (ρ3) of the mobile carrier device ( 2 ) with respect to the reference coordinate system (K Ref ), determining the position of the mobile carrier device ( 2 ) in coordinates of a fixed world coordinate system (K global ) and angular positions (θ1-θ6) of the axes (A1-A6) of the robot arm ( 7 ), so the Tool Center Point ( 8th ) assumes or is able to assume the specified desired position and desired orientation. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die mobile Trägervorrichtung als ein Trägerfahrzeug (2) mit Rädern (4) ausgebildet ist und die Antriebe der mobilen Trägervorrichtung eingerichtet sind, die Räder (4) zu bewegen. Method according to Claim 1, in which the mobile carrier device is used as a carrier vehicle ( 2 ) with wheels ( 4 ) and the drives of the mobile carrier device are set up, the wheels ( 4 ) to move. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, zusätzlich aufweisend Festlegen der Soll-Position und der Soll-Orientierung des Tool Center Points (8) in Koordinaten des feststehenden Weltkoordinatensystems (Kglobal). Method according to claim 1 or 2, additionally comprising determining the desired position and the desired orientation of the Tool Center Point ( 8th ) in coordinates of the fixed world coordinate system (K global ). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Lage oder die möglichen Lagen der mobilen Trägervorrichtung (2) in den Polarkoordinaten (ρ1, ρ2) des Referenzkoordinatensystems (KRef) inklusive der Ausrichtung (ρ3) der mobilen Trägervorrichtung bezüglich des Referenzkoordinatensystems (KRef) automatisch mittels eines übergeordneten Planungssystems, insbesondere mittels einer Bahnplanung und/oder einer Regelstrategie festgelegt wird. Method according to one of Claims 1 to 3, in which the position or the possible positions of the mobile carrier device ( 2 ) in the polar coordinates (ρ1, ρ2) of the reference coordinate system (K Ref ) including the orientation (ρ3) of the mobile carrier device with respect to the reference coordinate system (K Ref ) is automatically determined by means of a higher-level planning system, in particular by means of a path planning and / or a control strategy. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend Widerholen der Schritte a) bis c) für mehrere, hintereinander folgende Soll-Positionen und Soll-Lagen des Tool Center Points (8).Method according to one of claims 1 to 4, comprising repeating steps a) to c) for a plurality of consecutively following desired positions and desired positions of the Tool Center Points ( 8th ). Mobiler Roboter, aufweisend – eine mobile Trägervorrichtung (2) mit Antrieben zum Bewegen der Trägervorrichtung (2), – wenigstens einen Roboterarm (7) mit mehreren, hintereinander angeordneten, bezüglich Achsen (A1–A6) relativ zueinander bewegbaren Gliedern (913) und Antrieben zum Bewegen der Glieder (913) relativ zu den Achsen (A1–A6), und – eine Steuervorrichtung (5), welche eingerichtet ist, die Antriebe der mobilen Trägervorrichtung (2) und des Roboterarms (7) anzusteuern, wobei der mobile Roboter (1), insbesondere dessen Steuervorrichtung (5) eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.Mobile robot, comprising - a mobile carrier device ( 2 ) with drives for moving the carrier device ( 2 ), - at least one robot arm ( 7 ) with a plurality of successively arranged, with respect to axes (A1-A6) relative to each other movable members ( 9 - 13 ) and drives for moving the links ( 9 - 13 ) relative to the axes (A1-A6), and - a control device ( 5 ), which is set up, the drives of the mobile carrier device ( 2 ) and the robot arm ( 7 ), whereby the mobile robot ( 1 ), in particular its control device ( 5 ) is arranged to carry out the method according to one of claims 1 to 5. Mobiler Roboter nach Anspruch 6, bei dem die mobile Trägervorrichtung als ein Trägerfahrzeug (2) mit Rädern (4) ausgebildet ist und die Antriebe die mobilen Trägervorrichtung eingerichtet sind, die Räder (4) zu bewegen.Mobile robot according to claim 6, wherein the mobile carrier device as a carrier vehicle ( 2 ) with wheels ( 4 ) is formed and the drives are the mobile carrier device, the wheels ( 4 ) to move. Mobiler Roboter nach Anspruch 7, bei dem das Trägerfahrzeug (2) einen Fahrzeuggrundkörper (3) aufweist, an dem die Räder (4) drehbar angeordnet sind und an dem der Roboterarm (7) befestigt ist.Mobile robot according to claim 7, in which the carrier vehicle ( 2 ) a vehicle body ( 3 ), on which the wheels ( 4 ) are rotatably arranged and on which the robot arm ( 7 ) is attached. Mobiler Roboter nach Anspruch 8, bei dem die Räder (4) des Trägerfahrzeugs (2) als omnidirektionale Räder ausgebildet sind.Mobile robot according to claim 8, in which the wheels ( 4 ) of the host vehicle ( 2 ) are designed as omnidirectional wheels. Mobiler Roboter nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dessen Roboterarm (7) derart ausgebildet ist, dass der mobile Roboter (1) redundante Freiheitsgrade aufweist.Mobile robot according to one of claims 6 to 9, whose robot arm ( 7 ) is designed such that the mobile robot ( 1 ) has redundant degrees of freedom.
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