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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Bewegungskontur für einen Manipulator und eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung. Die Erfindung liegt somit auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik und der Steuerung bzw. Regelung von Werkzeugmaschinen, insbesondere für Pick-and-Place Anwendungen.
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Stand der Technik
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Im Rahmen der Automatisierung von Arbeits- und/oder Prozessschritten kann es wünschenswert sein, Gegenstände mit einer Maschine bzw. einem Manipulator automatisiert an einem Startpunkt aufzugreifen bzw. aufnehmen und an einem gewünschten Endpunkt abzusetzen. Ferner kann es wünschenswert sein, die aufzunehmenden und abzusetzenden Gegenstände auch aus der Bewegung aufzunehmen und auf beweglichen Unterlagen abzusetzen, beispielsweise wenn Gegenstände von einem Förderband (Pickband) auf ein anderes Förderband (Placeband) transportiert werden sollen. In solchen Fällen kann es erforderlich sein, nach dem Aufnehmen und vor dem Absetzen, also während des Transports, eine Orientierungsänderung und/oder eine Geschwindigkeitsänderung (sog. Umsynchronisieren) des Manipulators bzw. des zu transportierenden Gegenstands zu bewerkstelligen, um die Bewegungen der Förderbänder zu kompensieren.
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Eine Bewegungskontur für einen Manipulator kann herkömmlicherweise aus mehreren, insbesondere linearen, Teilsegmenten zusammengesetzt werden. Um abrupte Geschwindigkeits- und/oder Richtungsänderungen an den Schnittstellen zwischen den einzelnen Teilsegmenten zu reduzieren oder gar ganz zu vermeiden, kann ein Überschleifen der Bewegungen der einzelnen Teilsegmente wünschenswert sein.
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Sowohl mit als auch ohne Überschleifen ist es bei der Bereitstellung von Bewegungskonturen für einen Manipulator für Pick-and-Place-Anwendungen, d.h. für das Aufnehmen, Transportieren und Absetzen eines Gegenstands, meist erforderlich, die Bewegungskontur aus mehreren Teilsegmenten in geeigneter Weise zusammenzusetzen. Typischerweise sind dafür die folgenden Teilsegmente erforderlich, aus welchen in geeigneter Weise die Bewegungskontur zusammengesetzt werden muss:
- - Teilsegment 1: Positionieren des Manipulators über dem zu transportierenden Produkt und ggf. Synchronisieren der Manipulatorbewegungen mit dem Pick-Band, d.h. mit einem Förderband, von welchem das Produkt aufgenommen werden soll, bzw. Umsynchronisieren vom Place-Band zum Pick-Band, sofern der Manipulator noch mit einem Place-Band synchronisiert ist, d.h. mit einem Band, auf welchem zuvor vom Manipulator ein Produkt abgesetzt wurde;
- - Teilsegment 2: Fahrt des Manipulators senkrecht nach unten zum Produkt und Aufnehmen (Pick) des Produkts;
- - Teilsegment 3: Fahrt nach oben über das Produkt;
- - Teilsegment 4: Fahrt zum Place-Band mit Umsynchronisieren des Manipulators vom Pick-Band zum Place-Band;
- - Teilsegment 5: Fahrt senkrecht nach unten zum Place-Band und Absetzen (Place) des Produkts;
- - Teilsegment 6: Fahrt nach oben über das Produkt
- - ggf. Wiederholen aller Teilsegmente
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Zum Programmieren einer derartigen Pick-and-Place-Aktion für einen Manipulator ist demnach ein Zusammensetzen einer Bewegungskontur aus einer großen Anzahl von Teilsegmenten erforderlich. Derartige Teilsegmente können unter Umständen mittels einem überschleifen zusammengefügt werden, d.h. mittels eines verfrühten Starten des folgenden Teilsegments, um ruckartige Übergänge zwischen den Teilsegmenten zu vermeiden.
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Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem eine effiziente Bewegungskontur für einen Manipulator erstellt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bereitstellen einer Bewegungskontur für einen Manipulator und eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Im Rahmen der Erfindung wird ein Verfahren vorgestellt, bei denen für einen Manipulator besonders vorteilhafte Bewegungskonturen von einem Startpunkt zu einem vorgegebenen Endpunkt bereitgestellt werden, indem die Bewegungskontur einen Spline aufweist und/oder auf besonders einfache Weise lediglich aus dem Startpunkt, aus dem Endpunkt, einer vorgegebenen Starthöhe, einer vorgegebenen Endhöhe und einer vorgegebenen Maximalhöhe bestimmt wird.
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Ein Manipulator kann dabei beispielsweise ein Aktor einer Werkzeugmaschine sein. Für Pick-and-Place-Aktionen kann beispielsweise ein Manipulator besonders geeignet sein, welcher in der Lage ist, ein zu beförderndes Produkt aufzunehmen und wieder abzusetzen. Beispielsweise kann ein Manipulator einen Greifarm aufweisen, mit welchem ein zu beförderndes Produkt erfasst werden kann.
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Eine Bewegungskontur ist dabei vorzugsweise eine vorzugebende Bahn, entlang welcher sich der Manipulator in Ausführung der gewünschten Tätigkeit vorzugsweise bewegen soll. Je nach Tätigkeit, welche der Manipulator ausführen soll, kann eine dafür individuelle Bewegungskontur vorzugeben sein. Insbesondere kann eine Anforderung an eine geeignete Bewegungskontur sein, dass der Manipulator bei der Ausführung der Bewegung bzw. dem Folgen der Bewegungskontur nicht mit Hindernissen und/oder anderen Manipulatoren kollidiert.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass zum Bereitstellen der Bewegungskontur ein einziges Bewegungskommando ausreichend sein kann, welches sodann in dem Bereitstellen der gewünschten bzw. einer geeigneten Bewegungskontur resultiert. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass nicht notwendigerweise ein Zusammensetzen einer Vielzahl von unterschiedlichen Teilsegmenten, insbesondere von jeweils linearen bzw. geradlinigen Teilsegmenten, wie dies gemäß Stand der Technik oftmals erforderlich ist, und welche zudem gegebenenfalls noch mit erforderlichen Überschleifbewegungen bzw. Überschleifbereichen ausgestattet sein müssen, nötig ist. Mit anderen Worten kann ein herkömmlicherweise notwendiges Definieren bzw. Festlegen einer Mehrzahl von Teilsegmenten durch das erfindungsgemäße Verfahren obsolet werden, da eine Mehrzahl solcher Teilsegmente durch einen oder mehrere Splines, bzw. durch einen Spline mit einem oder mehreren Spline-Segmenten, bzw. durch das Bereitstellen der Bewegungskontur anhand der vorgegebenen Parameter, d.h. anhand des Startpunkts, des Endpunkts, der Starthöhe, der Endhöhe und der Maximalhöhe, ersetzt werden kann. Darüber hinaus bietet die Erfindung den Vorteil, dass für die Bewegungskontur lediglich wenige Vorgaben gemacht werden müssen, aus welchen sodann eine Bewegungskontur gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt werden kann. Somit bietet die Erfindung den Vorteil, dass der Aufwand für den Benutzer zur Bereitstellung einer Bewegungskontur verringert werden kann.
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Eine besonders ruckarme Kontur wird bereitgestellt, indem diese einen Spline aufweist. Ein Spline ist dabei eine mathematische Funktion bzw. Kurve, welche sich aus einer oder mehreren Polynomfunktionen zusammensetzt. Insbesondere kann der Spline ein oder mehrere Spline-Segmente umfassen, welche jeweils durch eine Polynomfunktion definiert sind. Sofern der Spline, mehrere Spline-Segmente aufweist, können diese aneinander angrenzend angeordnet sein, wobei die Punkte, an denen zwei Spline-Segmente aneinander angrenzen, vorzugsweise als Knotenpunkte bezeichnet werden. Insbesondere kann der Spline genau zwei Spline-Segmente umfassen. Ein Spline n-ten Grades ist dabei ein Spline, welcher aus Polynomen höchstens n-ten Grades zusammengesetzt ist. Mit anderen Worten umfasst ein Spline n-ten Grades nur Spline-Segmente, welche jeweils durch ein Polynom höchstens n-ten Grades definiert sind. Zudem können insbesondere an den Knotenpunkten Randbedingungen vorliegen, wie etwa dass der Spline an den Knotenpunkten zumindest (n-1)-mal stetig differenzierbar sein soll. Beispielsweise kann ein Knotenpunkt an einer höchsten Stelle des Splines angeordnet sein und auf diese Weise einen Scheitelpunkt darstellen, d.h. dass alle anderen Punkte des Splines eine geringere Höhe aufweisen als der Scheitelpunkt. Es sei jedoch betont, dass die Bewegungskontur noch weitere Segmente aufweisen kann, welche kein Spline sind, beispielswese Geraden usw.
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Eine solche Bewegungskontur weist dabei ferner den Vorteil auf, dass ein Spline definitionsgemäß keine Unstetigkeiten aufweist, und somit eine dem Spline zumindest teilweise entsprechende Bewegungskontur keine abrupten Änderungen der Bewegungsrichtung und/oder der Geschwindigkeit verursacht bzw. aufweist. Ein Überschleifen der Bewegungen entlang verschiedener Spline-Segmente ist demnach nicht zwingend erforderlich. Auch können dadurch unerwünschte mechanische Schwingungen vermieden werden.
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Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass eine zumindest teilweise dem Spline entsprechende Bewegungskontur einen hinsichtlich Bewegungsdauer und Bewegungskontinuität vorteilhaften oder gar optimierten Verlauf zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt aufweist. Dies kann wiederum den Vorteil aufweisen, dass die benötigte Zeitdauer für die Bewegung des Manipulators entlang der Bewegungskontur verringert werden kann und damit eine Effizienz des Manipulators bzw. des Systems gesteigert werden kann. Auch kann gemäß der vorliegenden Erfindung auf besonders einfache Weise ein vorteilhaftes Geschwindigkeitsprofil der Bewegung des Manipulators entlang der Bahnkontur erreicht werden, bei welchem Geschwindigkeitsüberhöhungen und/oder Geschwindigkeitseinbrüche auf effiziente Weise vermieden werden können.
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Bevorzugt weist der Spline genau zwei Spline-Segmente auf, wobei besonders bevorzugt die beiden Spline-Segmente an einem zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt liegenden Knotenpunkt aneinander angrenzen und wobei vorzugsweise der Knotenpunkt vorzugsweise derart definiert wird, dass dieser auf der Maximalhöhe positioniert ist und dabei beispielsweise einen Scheitelpunkt definiert. Die Maximalhöhe wird zweckmäßigerweise so vorgegeben, dass sich ein Manipulator beim Folgen der Bewegungskontur entsprechend dem Spline über zu erwartende Hindernisse hinweg bewegt. Dies bietet zudem den Vorteil, dass zum Bereitstellen der Bewegungskontur, insbesondere im Bereich des Splines, nicht notwendigerweise ein Höhenprofil der Bewegungskontur zusätzlich oder separat definiert werden muss, sondern dass dies bevorzugt bereits beim Definieren des Splines berücksichtigt wird.
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Vorzugsweise weist die Bewegungskontur neben dem Spline noch wenigstens ein, vorzugsweise genau zwei, Geradensegmente auf. Dies hat den Vorteil, dass der Spline mit einem oder mehreren Geradensegmenten kombiniert werden kann. Beispielsweise kann in Bereichen, in welchen für den Manipulator nur eine geringe Bewegungsfreiheit besteht, die Bewegung entlang eines Geradensegments vorteilhaft sein und in anderen Bereichen, in welchen eine größere Bewegungsfreiheit vorliegt, die Bewegung entlang eines Splines vorteilhaft sein. Vorzugsweise grenzen der Spline und ein Geradensegment aneinander an. Besonders bevorzugt verläuft ein Geradensegment zwischen dem Startpunkt und einem ersten Ende des Splines. Alternativ oder zusätzlich kann ein Geradensegment zwischen einem anderen Ende des Splines und dem Endpunkt verlaufen. Beispielsweise kann der Spline somit an beiden Enden an jeweils ein Geradensegment angrenzen. Dies hat den Vorteil, dass die Bewegungskontur beispielsweise zunächst geradlinig von dem Startpunk weg erstreckt, dann im Wesentlichen dem Spline folgt und sodann geradlinig auf den Endpunkt zuläuft. Auf diese Weise können beispielsweise Bereiche, welche von anderen Hindernissen umgeben sein können, wie etwa der Startpunkt und/oder der Zielpunkt, beim Definieren des Splines unberücksichtigt bleiben, d.h. der Spline kann ohne Rücksicht auf etwaige Hindernisse nahe am Startpunkt und/oder am Endpunkt definiert werden.
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Bevorzugt ist die Bewegungskontur an einem Übergang zwischen dem Spline und einem Geradensegment stetig in Ihrem Verlauf. Weiter bevorzugt ist die Bewegungskontur an dem Übergang differenzierbar und besonders bevorzugt stetig differenzierbar. Dies bietet den Vorteil, dass beim Bewegen des Manipulators entlang der Bewegungskontur abrupte bzw. ruckartige Richtungsänderungen und/oder Geschwindigkeitsänderungen vermieden werden und auf diese Weise ein sanfter Übergang der Bewegungskontur von einem Geradensegment auf den Spline erreicht werden kann. Beispielsweise kann der Spline derart bestimmt werden, dass ein stetig differenzierbarer Übergang, insbesondere ein c2-Übergang, zwischen dem Spline und dem angrenzenden Geradensegment vorliegt.
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Beispielsweise kann zumindest ein Geradensegment in vertikaler Richtung bzw. in z-Richtung verlaufen. Die vertikale Richtung ist dabei vorzugsweise eine Richtung parallel zur Erdbeschleunigung. Beispielsweise kann der Manipulator dazu eingerichtet sein, einen Pick-and-Place-Vorgang auszuführen, wobei sich die aufzunehmenden und abzusetzenden Gegenstände gegebenenfalls in einer horizontalen Ebene, d.h. in einer Ebene senkrecht zur Erdbeschleunigung, bewegen, beispielsweise weil der Manipulator die Gegenstände von einem Förderband auf ein anderes Förderband transportieren soll. Beispielsweise kann es in diesem Fall besonders vorteilhaft sein, wenn die Bewegungskontur vom Startpunkt zuerst entlang eines Geradensegments vertikal nach oben verläuft, dann dem Spline entsprechend in Richtung des Endpunktes verläuft, und sodann entlang eines vertikalen Geradensegments vertikal nach Unten zum Endpunkt verläuft.
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Vorzugsweise ist der Spline von zumindest 3. Ordnung, bevorzugt zumindest 4. Ordnung, weiter bevorzugt zumindest 5. Ordnung. Dies bietet den Vorteil, dass abrupte Bewegungsänderungen besonders effektiv vermieden werden können, da der Spline von besonders großer Stetigkeit bzw. Homogenität ist.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt eines Definierens eines Geschwindigkeitsprofils für zumindest einen Teil der Bewegungskontur. Dies hat den Vorteil, dass auch die Geschwindigkeit während der Bewegung entlang der Bewegungskontur besonders homogen festgesetzt werden kann.
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Vorzugsweise erfolgt eine Orientierungsänderung und/oder eine Geschwindigkeitsänderung und/oder eine Synchronisierungsänderung bzw. ein Umsynchronisieren des Manipulators in einem Bereich zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt, der auf dem Spline liegt. Eine Orientierungsänderung kann beispielsweise erforderlich sein, wenn der zu transportierende Gegenstand in einer anderen Orientierung abgelegt werden soll, als er aufgenommen wurde. Auch kann in einem Bereich der Bewegungskontur, in welchem die Bewegungskontur dem Spline entspricht, eine Änderung der Synchronisierung erfolgen. Eine Änderung der Synchronisierung kann beispielsweise erforderlich sein, wenn der Manipulator zum Aufnehmen des Produkts mit einem Förderband am Startpunkt synchronisiert sein muss, um etwa dessen Bewegung zu folgen, und zum Absetzen des Produkts mit einem anderen Förderband am Endpunkt synchronisiert sein muss, um zum Absetzen dessen Bewegung zu folgen. Dies hat den Vorteil, dass für eine Änderung der Orientierung und/oder Synchronisierung die Bewegungsdauer genutzt werden kann, während welcher die Bewegung dem Spline entspricht. Besonders vorteilhaft ist dies, wenn in diesem Bereich der Bewegungskontur, der dem Spline entspricht, keine Hindernisse zu erwarten sind, so dass beispielsweise eine Orientierungsänderung keine Kollision mit einem solchen Hindernis verursacht. Darüber hinaus kann sich ein Vorteil daraus ergeben, dass derartige Orientierungsänderungen und/oder Synchronisierungen bereits bei der Definition des Splines berücksichtigt werden können und somit nicht notwendigerweise noch weitere Segmente in der Bewegungskontur dafür vorgesehene werden müssen.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Manipulators und/oder eines Automatisierungssystems, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1A und 1B zeigen eine Bewegungskontur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung.
- 2A und 2B zeigen eine Erläuterung eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zur Bereitstellung einer Bewegungskontur.
- 3 zeigt eine Bewegungskontur gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung.
- 4 zeigt eine Bewegungskontur gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung.
- 5 zeigt ein Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofil umfassend mehrere nicht-erfindungsgemäße Bewegungskonturen.
- 6 zeigt ein mögliches optimiertes Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofil umfassend mehrere Bewegungskonturen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1A zeigt eine Bewegungskontur 10 in einer schematischen Darstellung in Seitenansicht, welche mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform erstellt wurde. Die Bewegungskontur 10 weist dabei einen Spline 12 auf, d.h. einen Bereich, in welchem die Bewegungskontur 10 im Wesentlichen einem Spline 12 entspricht. Darüber hinaus weist die Bewegungskontur 10 zwei Geradensegmente 14a, 14b auf.
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Die Bewegungskontur 10 ist dazu ausgebildet, um einen Manipulator vom Startpunkt 102 zum Endpunkt 104 entlang der Bewegungskontur 10 zu bewegen. Der Startpunkt 102 ist in vertikaler Richtung, d.h. in z-Richtung, auf einer Startpunkthöhe 102a angeordnet, während sich der Endpunkt 104 in vertikaler Richtung auf einer Endpunkthöhe 104a befindet, welche tiefer liegt, als die Startpunkthöhe 102a.
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Ein erstes Geradensegment 14a erstreckt sich vom Startpunk 102 in vertikaler Richtung nach oben und entspricht in seiner Länge einer Starthöhe 106. An dem vom Startpunkt 102 abgewandten Ende grenzt das Geradensegment 14a an den Spline 12 an, welcher sich von dem ersten Geradenelement 14a zu einer Position erstreckt, welche sich vertikal über dem Endpunkt 104 befindet. Daran angrenzend befindet sich ein zweites Geradenelement 14b, welches von dem über dem Endpunkt 104 befindlichen Ende des Splines 12 in vertikaler Richtung nach unten zum Endpunkt 104 auf der Endpunkthöhe 104a erstreckt. Das zweite Geradensegment 14b weist dabei eine Länge auf, welche der Endhöhe 108 entspricht.
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Wie in 1A zu erkennen ist, wird die Bewegungskontur 10 gemäß der gezeigten Ausführungsform als eine stetige und kontinuierliche Kontur aus zwei Geradensegmenten 14a, 14b und einem Spline 12 gebildet, die insbesondere auch an den Schnittstellen zwischen dem Spline 12 und den Geradensegmenten 14a, 14b stetig und vorzugsweise stetig differenzierbar ist. Der Bewegungskontur 10 folgend erfolgt zunächst eine vertikale Bewegung vom Startpunkt 102, welcher auf der Startpunkthöhe 102a liegt, um die Starthöhe 106 nach oben, dann eine Bewegung entsprechend dem Spline 12, welche vertikale und horizontale Komponenten aufweist, und anschließend ein vertikales Absenken um die Endhöhe 108 auf die Position des Endpunkts 104 auf der Endpunkthöhe 104a.
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1B zeigt die Bewegungskontur 10 aus 1A in Draufsicht. Dabei ist insbesondere erkennbar, dass die Bewegungskontur 10 bzw. die Bewegung des Manipulators entlang der Bewegungskontur 10 im Bereich des ersten Geradensegments 14a vertikal nach oben erfolgt, wie als Pfeil aus der Zeichenebene heraus dargestellt ist, und im Bereich des zweiten Geradensegments 14b eine Bewegung vertikal nach unten erfolgt, wie als Pfeil in die Zeichenebene hinein dargestellt ist.
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Anhand der 2A und 2B wird ein Verfahren zum Bereitstellen der Bewegungskontur aus 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erläutert. 2A zeigt die Bewegungskontur 10 in einer Seitenansicht, während 2B die Bewegungskontur 10 in Draufsicht darstellt. Der Spline 12 weist dabei ein erstes Spline-Segment 12a und ein zweites Spline-Segment 12b auf. Zur Bereitstellung der Bewegungskontur 10 wird zunächst das erste Geradensegment 14 definiert, indem ausgehend vom Startpunkt 102 durch Addition der Starthöhe 106 zur z-Koordinate des Startpunkts 106a ein Punkt 202 bestimmt wird bzw. dessen Koordinaten berechnet werden. Das erste Geradensegment wird sodann derart definiert, dass sich dieses zwischen dem Startpunkt 102 und dem Punkt 202 vertikal nach oben bzw. in z-Richtung erstreckt und eine Länge aufweist, welche der Starthöhe 106 entspricht.
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Auf ähnliche Weise werden die Koordinaten von Punkt 210 derart bestimmt bzw. berechnet, dass ausgehend vom Endpunkt 104 zur Endpunkthöhe 104a die Endhöhe 108 addiert wird, um auf diese Weise die Koordinaten des Punktes 210 zu erhalten. Punkt 210 liegt vertikal über dem Endpunkt 210 und ist im Abstand der Endhöhe 108 in vertikaler Richtung bzw. z-Richtung vom Endpunkt 104 beabstandet. Das zweite Geradensegment wird derart bestimmt, dass es sich zwischen dem Punkt 210 und dem Endpunkt 104 erstreckt und demnach in vertikaler Richtung bzw. in z-Richtung ausgehend vom Punkt 210 auf den Endpunkt 104 zuläuft.
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Die Punkte 202 und 210 befinden sich gemäß der gezeigten, bevorzugten Ausführungsform auf unterschiedlicher Höhe in z-Richtung. Darüber hinaus weist Punkt 202 die gleiche Orientierung auf wie der Startpunkt 102 und Punkt 210 weist die gleiche Orientierung auf wie der der Endpunkt 104. Mit anderen Worten findet während einer Bewegung des Manipulators entlang der Geradensegmente 14a, 14b keine Änderung der Orientierung statt. Dies bietet den Vorteil, dass Kollisionen mit anderen Gegenständen in den Bereichen um den Startpunkt 102 und/oder um den Endpunkt 104 herum, in welchen der Manipulator und/oder das vom Manipulator aufzunehmende Produkt gegebenenfalls einen sehr geringen Abstand zu anderen Gegenständen und/oder anderen Produkten aufweist, vermieden werden können. Mit anderen Worten erfolgt während Bewegungen des Manipulators entlang der Geradensegmente 14a, 14b vorzugsweise nur ein geradlinige Bewegung in z-Richtung, ohne dass dabei eine Relativbewegung zum Startpunkt 102 bzw. Endpunkt 104 in x-Richtung und/oder in y-Richtung stattfindet (wenn sich die Punkte in der x/y-Ebene bewegen, folgt der Manipulator dieser Bewegung) und/oder eine Drehung des Manipulators und/oder des vom Manipulators aufgenommenen Produktes veranlasst wird.
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Darüber hinaus wird ein Punkt 206 berechnet bzw. definiert, welcher zwischen dem Startpunkt 102 und dem Endpunkt 104 angeordnet ist. Vorzugsweise befindet sich der Punkt in seiner Projektion in die x/y-Ebene genau in der Mitte zwischen dem Startpunkt 102 und dem Endpunkt 104 und weist daher sowohl zum Startpunkt 102 als auch zum Endpunkt 104 in der Projektion in die x/y-Ebene einen Abstand auf, welcher halb so groß ist wie der Abstand des Startpunktes 102 zum Endpunkt 104 in einer Projektion in die x/y-Ebene. Die z-Koordinate bzw. Höhe des Punktes 206 wird vorzugsweise derart bestimmt, dass zu einer minimalen z-Koordinate des Startpunkts 102 und des Endpunkts 104, d.h. hier zur z-Koordinate des Endpunkts 104, da der Endpunkt 104 tiefer angeordnet ist als der Startpunkt 102, eine Maximalhöhe 110, d.h. ein maximaler Abstand in z-Richtung, addiert wird. Die Maximalhöhe kann dabei vorbestimmt sein und/oder durch systembedingte und/oder anderweitig einzuhaltende Rahmenbedingungen vorgegeben sein. Es kann vorteilhaft sein, die Maximalhöhe 110 möglichst groß zu wählen, um eine Gefahr von Kollisionen mit Hindernissen während einer Bewegung des Manipulators entlang der Bewegungskontur 10 zu verringern oder gar ganz zu vermeiden.
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Zudem werden die weiteren Punkte 204 und 208 berechnet bzw. definiert, welche hinsichtlich ihrer x-Koordinaten und y-Koordinaten mit dem Startpunkt 102 bzw. dem Endpunkt 104 identisch sind und hinsichtlich ihrer z-Koordinate dem Punkt 206 entsprechen, also vorzugweise die Maximalhöhe aufweisen.
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Zwischen den Punkten 202 und 206 wird ein erstes Spline-Segment 12a definiert, wobei der Punkt 204 zur Berechnung einer räumlichen Ableitung des ersten Spline-Segments 12a an den Punkten 202 und 206 verwendet wird. Eine zweite räumliche Ableitung des ersten Spline-Segments 12a an den Punkten 202 und 206 wird Null gesetzt bzw. gemäß einem Null-Vektor gesetzt. Das erste Spline-Segment wird dabei vorzugsweise als ein Spline-Segment 5. Ordnung berechnet.
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Auf ähnliche Weise wird zwischen den Punkten 206 und 210 ein zweites Spline-Segment 12b definiert, wobei der Punkt 208 zur Berechnung einer räumlichen Ableitung des zweiten Spline-Segments 12b an den Punkten 206 und 210 verwendet wird. Eine zweite räumliche Ableitung des zweiten Spline-Segments 12b an den Punkten 206 und 210 wird Null gesetzt bzw. gemäß einem Null-Vektor gesetzt. Das zweite Spline-Segment wird dabei vorzugsweise als ein Spline-Segment 5. Ordnung berechnet.
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Sodann wird die Bewegungskontur aus dem ersten Geradensegment 14a, dem Spline umfassend das erste Spline-Segment 12a und das zweite Spline-Segment 12b, und dem zweiten Geradensegment 14b zusammengesetzt.
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Vorzugsweise wird ferner ein Geschwindigkeitsprofil für die Bewegung des Manipulators über die gesamte Bewegungskontur 10 definiert. Das Geschwindigkeitsprofil kann dabei dazu dienen, die Geschwindigkeit der Bewegung des Manipulators entlang der Bewegungskontur 10 vorzugeben bzw. festzulegen.
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Eine Synchronisation des Manipulators mit dem Startpunkt 102 und dem Endpunkt 104 (soweit diese sich in der x/y-Ebene bewegen) erfolgt gemäß der bevorzugten Ausführungsform hauptsächlich, vorzugsweise ausschließlich, in einem Bereich der Bewegungskontur 10, welche dem Spline 12 entspricht. Mit anderen Worten erfolgt in den Bereichen der Bewegungskontur 10, welche dem ersten Geradensegment 14a und/oder dem zweiten Geradensegment 14b entsprechen, keine Synchronisationsänderung des Manipulators mit dem Startpunkt 102 und dem Endpunkt 104. Auf diese Weise kann eine Gefahr von Kollisionen des Manipulators bzw. des vom Manipulator transportierten Produkts mit Hindernissen, wie etwa andere Produkten, reduziert oder gar ganz vermieden werden. Insbesondere werden eine Bewegung in x-Richtung und eine Bewegung in y-Richtung zwischen den Punkten 202 (hier dem Punkt 102 folgend) und 210 (dort dem Punkt 104) folgend umsynchronisiert, z.B. linear.
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3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Bewegungskontur in einer Seitenansicht (oben) und in Draufsicht (unten), welche mit einem Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstellt wurde. Die in 3 gezeigte bevorzugte Ausführungsform der Bewegungskontur 10 umfasst dabei lediglich ein Geradensegment 14a, welches sich vom Startpunkt 102 vertikal nach oben erstreckt, und einen Spline 12, wobei der Spline 12 nur ein Spline-Segment 12a umfasst. Dabei läuft die Bewegungskontur 10 bereits im Bereich des Splines 12 bzw. des Spline-Segments 12a auf den Endpunkt 104 zu, ohne dass nach dem Spline 12 noch ein zweites Geradensegment folgt, welches auf den Endpunkt zuläuft. Eine derartige Ausführungsform kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn das letzte Produkt bei einer Pick- und Place-Anwendung auf dem Förderband abgelegt wurde und sich nur noch vom Band weg bewegt werden soll und/oder wenn der Endpunkt höher liegt als der Startpunkt und ein geradliniges Zulaufen der Bewegungskontur 10 vertikal von oben auf den Endpunkt 104 nicht zwingend erforderlich ist. Sofern auch kein vertikaler Verlauf der Bewegungskontur 10 im Bereich des Startpunkts 102 erforderlich ist, kann auch eine weitere Ausführungsform vorgesehen werden, welche nur einen Spline 12, insbesondere nur ein Spline-Segment 12a aufweist, und kein Geradensegment 14a aufweist. Auf diese Weise kann eine Bewegungskontur 10 besonders einfach bereitgestellt werden.
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Ähnlich zu 3 zeigt auch 4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei welcher die Bewegungskontur 10 einen Spline 12, welcher nur ein Spline-Segment 12a umfasst, und nur ein Geradensegment 14a umfasst. Dabei erstreckt sich der Spline 12 direkt vom Startpunkt 102 weg, ohne dass zwischen dem Startpunkt 102 und dem Spline 12 noch ein Geradensegment angeordnet ist. Am Punkt 210 geht der Spline 12 in ein Geradensegment 14a über, welches sodann vertikal auf den Endpunkt 104 zuläuft. Eine derartige Ausführungsform kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn sich initial zum ersten Produkt auf einem Förderband hinbewegt werden soll und/oder wenn der Startpunkt 102 höher liegt als der Endpunkt 104 und ein vertikaler bzw. geradliniger Verlauf der Bewegungskontur 10 vertikal vom Startpunkt 102 weg nicht zwingend erforderlich ist. Sofern auch kein vertikaler Verlauf der Bewegungskontur 10 im Bereich des Endpunkts 104 erforderlich ist, kann auch eine weitere Ausführungsform vorgesehen werden, welche nur einen Spline 12, insbesondere nur ein Spline-Segment 12a aufweist, und kein Geradensegment 14a aufweist. Auf diese Weise kann eine Bewegungskontur 10 besonders einfach bereitgestellt werden.
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5 zeigt Verläufe von Geschwindigkeit v und Beschleunigung a jeweils über die Zeit für mehrere nicht-erfindungsgemäße Bewegungskonturen 500. Es ist erkennbar, dass jede Bewegungskontur 500 wenigstens zwei Phasen 501, 502 mit jeweils mehreren Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen aufweist. Dies kann z.B. zur Anregung von Schwingungen in der Mechanik führen.
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6 zeigt Verläufe von Geschwindigkeit v und Beschleunigung a jeweils über die Zeit für mehrere Bewegungskonturen 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, beispielsweise gemäß 1B. Jede Bewegungskontur 10 besteht nur aus jeweils einer Beschleunigungs- und Verzögerungsphase. Dadurch überlagern sich nicht wie in 6 mehrere Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen. Dies bietet den Vorteil, dass die Bewegung zeitlich kürzer ist und die Mechanik weniger zu Schwingungen angeregt wird.
