DE102017200084A1 - A method of providing a motion contour for a manipulator along predetermined landmarks - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Bewegungskontur (18) für einen Manipulator entlang eines Verlaufs von vorgegebenen Orientierungspunkten (Q), umfassend ein Berechnen einer Mehrzahl von Filterpunkten (F) innerhalb eines Filtertoleranzbereichs (16) um die Orientierungspunkte (Q) derart, dass jeder Filterpunkt (F) bei einem nächstgelegenen Orientierungspunkt (Q) der vorgegebenen Orientierungspunkte (Q) an einer Innenseite des Verlaufs der Orientierungspunkte (Q) bezüglich eines Richtungswechsels angeordnet ist. Das Verfahren umfasst ferner ein Berechnen einer geglätteten Bewegungskontur (18) mittels einer Spline-Näherung anhand der Filterpunkte (F) derart, dass die geglättete Bewegungskontur (18) innerhalb eines Glättungstoleranzbereichs um die Filterpunkte (F) verläuft. Die Erfindung betrifft ferner eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a method for providing a manipulator movement contour (18) along a course of predetermined landmarks (Q), comprising computing a plurality of filter points (F) within a filter tolerance region (16) around the landmarks (Q) such that each filter point (F) at a nearest landmark (Q) of the predetermined landmarks (Q) is located at an inner side of the course of the landmarks (Q) with respect to a change of direction. The method further comprises calculating a smoothed motion contour (18) by means of a spline approximation from the filter points (F) such that the smoothed motion contour (18) extends within a smoothing tolerance range around the filter points (F). The invention further relates to a computing unit and a computer program for carrying out the method.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Bewegungskontur für einen Manipulator entlang eines Verlaufs von vorgegebenen Orientierungspunkten. Die Erfindung liegt somit auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik und der Steuerung bzw. Regelung von Werkzeugmaschinen, insbesondere für Anwendungen in den Bereichen des numerisch gesteuerten bzw. NC-programmierten Fräsens (NC = numerical control), des Strahlschneidens, wie etwa mittels Laser und/oder Plasma und/oder Wasser, der Drehbearbeitung und/oder der Bewegung von Robotern.The present invention relates to a method for providing a motion contour for a manipulator along a course of predetermined landmarks. The invention is thus in the field of automation technology and the control or regulation of machine tools, in particular for applications in the fields of numerically controlled or NC-programmed milling (NC = numerical control), the jet cutting, such as by means of laser and / or Plasma and / or water, the turning and / or the movement of robots.
Stand der TechnikState of the art
Im Rahmen der Automatisierung von Arbeits- und/oder Prozessschritten kann es wünschenswert sein, eine Maschine bzw. einen Manipulator automatisiert entlang vorgegebener Orientierungspunkte zu bewegen, beispielsweise um den Manipulator entlang der vorgegebenen Orientierungspunkte bzw. innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs entlang der bzw. um die vorgegebenen Orientierungspunkte herum zu führen. Dies kann beispielsweise bei Anwendungen wünschenswert sein, bei welchem mit dem Manipulator ein Werkstück innerhalb eines Toleranzbereichs um die vorgegebenen Orientierungspunkte gefräst und/oder geschnitten und/oder gesägt werden soll.In the context of the automation of work and / or process steps, it may be desirable to automatically move a machine or a manipulator along predetermined orientation points, for example around the manipulator along the predetermined orientation points or within a predetermined tolerance range along or around the predetermined one Guide around points. This may be desirable, for example, in applications in which a workpiece is to be milled and / or cut and / or sawn with the manipulator within a tolerance range around the predetermined orientation points.
Dabei ist es wünschenswert, eine Bewegungskontur für den Manipulator bereitzustellen, welche nicht nur die Anforderungen hinsichtlich der Orientierungspunkte und des Toleranzbereichs erfüllt, sondern auch einen c2-stetigen Verlauf aufweist, bei welchem der Manipulator keinen sprungartigen Richtungs-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsänderungen ausgesetzt wird.It is desirable to provide a motion contour for the manipulator, which not only meets the requirements of the landmarks and the tolerance range, but also has a c 2 -stetigen course in which the manipulator is not exposed to sudden changes in direction, speed and acceleration ,
Eine Bewegungskontur für einen Manipulator kann herkömmlicherweise aus mehreren, insbesondere linearen, Teilsegmenten zusammengesetzt werden, etwa aus linearen Teilsegmenten zwischen den einzelnen, vorgegebenen Orientierungspunkten. Um zu hohe Belastungen für den Manipulator bzw. für das Automatisierungssystem zu vermeiden, kann zur Eliminierung von Konturknicken, d.h. von lediglich c0-stetigen Übergängen, ein Überschleifen der Bewegungen gemäß der einzelnen Teilsegmente vorteilhaft oder notwendig sein.A movement contour for a manipulator can conventionally be composed of several, in particular linear, subsegments, for example of linear subsegments between the individual, predetermined orientation points. In order to avoid excessively high loads on the manipulator or on the automation system, it may be advantageous or necessary to smooth the movements according to the individual subsegments in order to eliminate contour creases, ie only c 0 continuous transitions.
Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren, beispielsweise als Bestandteil der NC-Firmware, bereitzustellen, welches eine glatte (insbesondere c2-stetige) Kontur erzeugt.It is therefore desirable to provide a method, for example as part of the NC firmware, which produces a smooth (in particular c 2 -steady) contour.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bereitstellen einer Bewegungskontur für einen Manipulator entlang eines Verlaufs von vorgegebenen Orientierungspunkten sowie 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.According to the invention, a method for providing a movement contour for a manipulator along a course of predefined orientation points as well as a computing unit and a computer program for carrying it out with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
Die Erfindung vermeidet sprungartige Geschwindigkeitsänderungen und/oder Richtungsänderungen, die zu hohen Beschleunigungen und/oder Rucken, d.h. Beschleunigungsänderungen, und daher zu hohen Belastungen für den Manipulator bzw. für das Automatisierungssystem führen können. Dadurch werden auch unerwünschte Schwingungen des Manipulators und/oder des Automatisierungssystems, welche zu mechanischen Belastungen führen und/oder eine Präzision bei der Orientierung, Positionierung und/oder Bewegung des Manipulators und/oder des Automatisierungssystems reduzieren, vermieden.The invention avoids abrupt changes in speed and / or changes in direction resulting in high accelerations and / or jerks, i. Acceleration changes, and therefore can lead to high loads for the manipulator or for the automation system. This also unwanted oscillations of the manipulator and / or the automation system, which lead to mechanical loads and / or reduce precision in the orientation, positioning and / or movement of the manipulator and / or the automation system, avoided.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen einer Bewegungskontur für einen Manipulator entlang eines Verlaufs von vorgegebenen Orientierungspunkten. Das Verfahren umfasst ein Berechnen einer Mehrzahl von Filterpunkten innerhalb eines Filtertoleranzbereichs um die Orientierungspunkte derart, dass jeder Filterpunkt bei einem nächstgelegenen Orientierungspunkt der vorgegebenen Orientierungspunkte an einer Innenseite des Verlaufs der Orientierungspunkte bezüglich eines Richtungswechsels angeordnet ist. Das Verfahren umfasst ferner ein Berechnen einer geglätteten Bewegungskontur mittels einer Spline-Näherung anhand der Filterpunkte derart, dass die geglättete Bewegungskontur innerhalb eines Glättungstoleranzbereichs um die Filterpunkte verläuft.In one aspect, the invention relates to a method of providing a motion contour for a manipulator along a course of predetermined landmarks. The method includes calculating a plurality of filter points within a filter tolerance range around the landmarks such that each filter dot is located at a nearest landmark of the predetermined landmarks on an interior of the course of the landmarks with respect to a direction change. The method further comprises calculating a smoothed motion contour by means of a spline approximation from the filter points such that the smoothed motion contour extends within a smoothing tolerance range around the filter points.
Die Orientierungspunkte können dabei vorgegeben sein, um beispielsweise einen gewünschten Verlauf einer Schnittkontur und/oder einer Fräskontur, welche mittels des Manipulators erzeugt werden soll, festzulegen. Insbesondere kann die Erfindung für das Bereitstellen von zumindest teilweise gekrümmten Bewegungskonturen vorteilhaft sein, d.h. für Bewegungskonturen, welche nicht ausschließlich entlang einer Geraden verlaufen, wenngleich die Erfindung auch auf einen geraden Verlauf von Orientierungspunkten anwendbar ist.The orientation points can be predetermined, for example, to set a desired course of a cutting contour and / or a milling contour, which is to be generated by means of the manipulator. In particular, the invention may be advantageous for providing at least partially curved movement contours, ie for movement contours which are not exclusively along one Straight line, although the invention is also applicable to a straight course of landmarks.
Das Berechnen der Filterpunkte kann dabei unter Verwendung einer beliebigen Art von geometrischen Filtern erfolgen, welche Filterpunkte derart erstellen können, dass die Filterpunkte auf den jeweiligen Orientierungspunkten beruhen, aber aufgrund des Filterns zumindest teilweise eine von den Orientierungspunkten abweichende Position einnehmen.The calculation of the filter points can be done using any type of geometric filters that filter points can create such that the filter points based on the respective landmarks, but at least partially take a position deviating from the landmarks due to the filtering.
Im Rahmen der Erfindung ist an vielen Stellen von Punkten (z.B. Orientierungspunkte, Filterpunkte und Kontrollpunkte) die Rede. Es ist hierbei anzumerken, dass ein solcher Punkt nicht nur ein 2- oder 3-dimensionaler Punkt im Raum ist, etwa P = (x,y,z), sondern es sich um einen mehrdimensionalen Punkt handeln kann. Beispielsweise umfasst im NC-Bereich ein Punkt nicht nur die Position eines Werkzeugs - man spricht hier vom TCP (tool center point) - sondern auch zusätzlich die Orientierung des Werkzeugs. Die Orientierung eines rotationssymmetrisches Werkzeugs (Fräser, Laserstrahl, etc.) kann z.B. durch einen Richtungsvektor im Raum Rho = (Rho_x,Rho_y,Rho_z) beschrieben werden. Solche Punkte sind dann 6-dimensional, d.h. P =(x,y,z,Rho_x,Rho_y,Rho_z). Die Orientierung eines nichtrotationssymmetrisches Werkzeugs, z.B. der Greifer eines Roboters, wird vorzugsweise durch ein Quaternion Q = (Qw,Qx,Qy,Qz) beschrieben, so dass die Punkte von der Form P = (x,y,z,Qw,Qx,Qy,Qz), d.h. 7-dimensional sind.Within the scope of the invention, there are many points of interest (e.g., landmarks, filter points, and checkpoints). It should be noted that such a point is not just a 2- or 3-dimensional point in space, such as P = (x, y, z), but may be a multi-dimensional point. For example, in the NC area, a point not only includes the position of a tool - this is referred to as the TCP (tool center point) - but also the orientation of the tool. The orientation of a rotationally symmetric tool (milling cutter, laser beam, etc.) can e.g. are described by a directional vector in space Rho = (Rho_x, Rho_y, Rho_z). Such points are then 6-dimensional, i. P = (x, y, z, Rho_x, Rho_y, Rho_z). The orientation of a non-rotationally symmetric tool, e.g. The gripper of a robot is preferably described by a quaternion Q = (Qw, Qx, Qy, Qz) such that the points of the form P = (x, y, z, Qw, Qx, Qy, Qz), i. 7-dimensional.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass Bewegungskonturen bereitgestellt werden können, welche geringere Krümmungen und/oder geringere Krümmungsänderungen aufweisen als Bewegungskonturen, welche mit herkömmlichen Verfahren bereitgestellt werden. Dies hat zur Folge, dass auf den Manipulator und/oder auf das gesamte Automatisierungssystem wirkende Beschleunigungen und/oder Rucke bei sonst gleicher Bahngeschwindigkeit reduziert werden können.The invention offers the advantage that motion contours can be provided which have smaller curvatures and / or smaller changes in curvature than motion contours provided by conventional methods. As a result, accelerations and / or jerks acting on the manipulator and / or on the entire automation system can be reduced at otherwise the same web speed.
Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass gemäß der Erfindung eine bessere Reproduzierbarkeit erreicht werden kann, d.h. dass Abweichungen zwischen diversen bereitgestellten Bewegungskonturen, welche auf den gleichen oder ähnlich positionierten Orientierungspunkten beruhen, geringer sind als mittels herkömmlicher Verfahren bereitgestellte Bewegungskonturen. Dieser Vorteil ergibt sich insbesondere daraus, dass gemäß der Erfindung ein Filtern, d.h. ein Bestimmen von Filterpunkten, und eine Glättung mittels einer Spline-Näherung erfolgen, welche einen Filtertoleranzbereich bzw. einen Glättungstoleranzbereich aufweisen. Dies hat insbesondere bei Anwendungen, wie etwa beim Zeilenfräsen einer Freiformfläche den Vorteil, dass eine besonders hohe Güte einer Fräszeilenkonstanz erreicht werden kann, da gemäß der Erfindung die Fräszeilenkonstanz vorzugsweise im Wesentlichen von einer Größe bzw. Breite des Glättungstoleranzbereichs abhängt, nicht jedoch von einer Größe bzw. Breite des Filtertoleranzbereichs. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, bei welchen beispielsweise nur eine Glättung mit großem Glättungstoleranzbereich ohne vorherige Filterung zur Anwendung gelangt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein wesentlich kleinerer Glättungstoleranzbereich verwendet bzw. erreicht werden, weshalb gemäß der Erfindung eine höhere Fräszeilenkonstanz erreicht werden kann.Furthermore, the invention offers the advantage that according to the invention a better reproducibility can be achieved, i. that deviations between various provided movement contours, which are based on the same or similarly positioned landmarks, are less than provided by conventional methods motion contours. This advantage results in particular from the fact that according to the invention filtering, i. determining filter points, and smoothing by means of a spline approximation, which have a filter tolerance range or a smoothing tolerance range. This has the advantage, in particular in applications such as the line milling of a free-form surface, that a particularly high quality of a milling line constancy can be achieved since, according to the invention, the milling line constancy preferably essentially depends on a size or width of the smoothing tolerance range, but not on a size or width of the filter tolerance range. Compared to conventional methods in which, for example, only smoothing with a large smoothing tolerance range without prior filtering is used, according to the present invention, a much smaller smoothing tolerance range can be used or achieved, for which reason a higher milling line consistency can be achieved according to the invention.
Darüber hinaus hat die Erfindung den Vorteil, dass eine Bewegungskontur bereitgestellt werden kann, welche stetig und zweimal stetig differenzierbar ist. Insbesondere kann eine Bewegungskontur bereitgestellt werden, welche c2-stetig ist, d.h. dass auch die zweite Ableitung der Bewegungskontur stetig ist und daher keine abrupten Änderungen einer Krümmung der Bewegungskontur auftreten. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass das Auftreten von abrupten Bewegungsänderungen bzw. Richtungsänderungen eines der Bewegungskontur folgenden Manipulators besonders effektiv vermieden werden kann. Insbesondere können auf diese Weise ein homogeneres Geschwindigkeitsprofil und/oder eine homogenere Bewegung erreicht werden als mit herkömmlichen Verfahren, welche oftmals nur auf einem Bereitstellen von Filterpunkten beruhen und bei denen die bereitgestellte Bewegungskontur einer nur c1-stetigen Filterpunktkurve entspricht, d.h. dass nur die erste Ableitung der Bewegungskontur stetig ist.In addition, the invention has the advantage that a movement contour can be provided which is continuous and twice continuously differentiable. In particular, a motion contour can be provided which is c 2 continuous, ie that the second derivative of the motion contour is also continuous and therefore no abrupt changes of a curvature of the motion contour occur. This has the advantageous effect that the occurrence of abrupt changes in movement or changes in direction of a manipulator following the movement contour can be avoided particularly effectively. In particular, a more homogeneous velocity profile and / or a more homogeneous movement can be achieved in this way than with conventional methods, which often rely only on providing filter points and in which the provided motion contour corresponds to a c1-continuous filter point curve, ie only the first derivative the motion contour is steady.
Vorzugsweise ist eine Summe aus dem Filtertoleranzbereich und dem Glättungstoleranzbereich zumindest stellenweise, vorzugsweise jedoch über den gesamten Verlauf der vorgegebenen Orientierungspunkte, kleiner oder gleich einem vorgegebenen Gesamttoleranzbereich um die vorgegebenen Orientierungspunkte. Dies hat den Vorteil, dass ein etwaiger, vorgegebener Gesamttoleranzbereich in den Filtertoleranzbereich und den Glättungstoleranzbereich aufgeteilt werden kann. Da beispielsweise für eine Fräszeilenkonstanz lediglich der Glättungstoleranzbereich maßgeblich ist, kann somit eine deutlich höhere Fräszeilenkonstanz erreicht werden, als dies möglich wäre, wenn ausschließlich eine Glättung erfolgt, bei welcher der Glättungstoleranzbereich gleich dem Gesamttoleranzbereich ist. Zudem kann dadurch sichergestellt werden, dass trotz des Berechnens von Filterpunkten und des zusätzlichen Durchführens einer Glättung gemäß der Erfindung ein vorgegebener Toleranzbereich bzw. Gesamttoleranzbereich eingehalten werden kann. Besonders bevorzugt werden der Filtertoleranzbereich und der Glättungstoleranzbereich derart gewählt, dass der Filtertoleranzbereich deutlich größer als der Glättungstoleranzbereich ist. Beispielsweise können der Filtertoleranzbereich und der Glättungstoleranzbereich jeweils dem 0,5-fachen des Gesamttoleranzbereichs entsprechen. Bevorzugt entspricht der Filtertoleranzbereich dem 0,6-fachen und der Glättungstoleranzbereich dem 0,4-fachen des Gesamttoleranzbereichs. Weiter bevorzugt entspricht der Filtertoleranzbereich dem 0,7-fachen und der Glättungstoleranzbereich dem 0,3-fachen des Gesamttoleranzbereichs. Mehr bevorzugt entspricht der Filtertoleranzbereich dem 0,8-fachen und der Glättungstoleranzbereich dem 0,2-fachen des Gesamttoleranzbereichs. Am meisten bevorzugt entspricht der Filtertoleranzbereich dem 0,9-fachen und der Glättungstoleranzbereich dem 0,1-fachen des Gesamttoleranzbereichs. Dies hat den Vorteil, dass trotz eines großen Gesamttoleranzbereichs ein kleiner Glättungstoleranzbereich und somit eine hohe Fräszeilenkonstanz erzielt werden können.Preferably, a sum of the filter tolerance range and the smoothing tolerance range is at least locally, but preferably over the entire course of the predetermined orientation points, less than or equal to a predetermined total tolerance range around the predetermined orientation points. This has the advantage that any given total tolerance range can be divided into the filter tolerance range and the smoothing tolerance range. Since, for example, only the smoothing tolerance range is decisive for a milling line constancy, a significantly higher milling line constancy can thus be achieved than would be possible if only a smoothing occurs in which the smoothing tolerance range is equal to the total tolerance range. In addition, it can be ensured that, despite the calculation of filter points and additionally performing a smoothing according to the invention a predetermined tolerance range or total tolerance range can be maintained. Particularly preferably, the filter tolerance range and the smoothing tolerance range are selected such that the filter tolerance range is significantly greater than the smoothing tolerance range. For example, the filter tolerance range and the smoothing tolerance range may each be 0.5 times the total tolerance range. Preferably, the filter tolerance range is 0.6 times and the smoothing tolerance range is 0.4 times the total tolerance range. More preferably, the filter tolerance range is 0.7 times and the smoothing tolerance range is 0.3 times the total tolerance range. More preferably, the filter tolerance range is 0.8 times and the smoothing tolerance range is 0.2 times the total tolerance range. Most preferably, the filter tolerance range is 0.9 times and the smoothing tolerance range is 0.1 times the total tolerance range. This has the advantage that despite a large total tolerance range, a small smoothing tolerance range and thus a high milling line constancy can be achieved.
Bevorzugt erfolgt das Berechnen der Filterpunkte mittels eines Mittelwertfilters bzw. eines gleitenden Mittelwerts. Das Mittelwertfilter bzw. der gleitende Mittelwert ist dabei insbesondere ein Geometriefilter, welches über den Verlauf der Orientierungspunkte geschoben wird bzw. auf den Verlauf der Orientierungspunkte angewendet wird. Dabei erzeugt das Mittelwertfilter für jeden Orientierungspunkt zumindest einen Filterpunkt. Die Verwendung eines Mittelwertfilters zum Berechnen der Filterpunkte weist dabei den Vorteil auf, dass das Berechnen von Filterpunkten auf besonders einfache Weise und/oder mit geringem Rechenaufwand erfolgen kann. Besonders bevorzugt werden die Filterpunkte derart berechnet, dass sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Orientierungspunkten zwei, drei oder mehr Filterpunkte befinden.Preferably, the filtering points are calculated by means of an average filter or a moving average. The mean value filter or the moving average is in particular a geometry filter, which is pushed over the course of the landmarks or is applied to the course of the landmarks. The mean value filter generates at least one filter point for each landmark. The use of a mean value filter for calculating the filter points has the advantage that the calculation of filter points can be done in a particularly simple manner and / or with little computational effort. Particularly preferably, the filter points are calculated in such a way that there are two, three or more filter points between two consecutive orientation points.
Bevorzugt erfolgt das Berechnen eines Filterpunkts der Mehrzahl von Filterpunkten für den nächstgelegenen Orientierungspunkt unter Berücksichtigung eines den nächstgelegenen Orientierungspunkt umgebenden Bereichs des Verlaufs der vorgegebenen Orientierungspunkte. Insbesondere können ein Krümmungsradius und/oder ein Knickwinkel zwischen Verbindungsvektoren des nächstgelegenen Orientierungspunkts zu benachbarten Orientierungspunkten berücksichtigt werden. Bevorzugt kann eine Länge des gleitenden Mittelwerts bzw. des Mittelwertfilters an den Krümmungsradius und/oder den Knickwinkel angepasst werden. Beispielsweise kann bei einem kleinen bzw. spitzen Knickwinkel eine kurze Filterlänge geeignet sein, um eine Positionierung des berechneten Filterpunkts innerhalb des Filtertoleranzbereichs zu gewährleisten, während bei großen bzw. stumpfen Knickwinkeln eine lange Filterlänge verwendet werden kann, ohne dass die Positionierung des berechneten Filterpunkts den Filtertoleranzbereich verlässt.Preferably, the calculation of a filter point of the plurality of filter points for the nearest landmark takes place taking into account a region of the course of the given landmarks surrounding the nearest landmark. In particular, a radius of curvature and / or a bend angle between connection vectors of the nearest landmark to adjacent landmarks can be taken into account. Preferably, a length of the moving average or the mean value filter can be adapted to the radius of curvature and / or the bend angle. For example, at a small or acute kink angle, a short filter length may be appropriate to ensure positioning of the calculated filter point within the filter tolerance range, while at long kink angles a long filter length may be used without positioning the calculated filter point the filter tolerance range leaves.
Bevorzugt wird die Länge des Filters automatisch bestimmt bzw. festgelegt. Besonders bevorzugt bestimmen dabei die vorgegebenen Orientierungspunkte und der Filtertoleranzbereich die Länge des Filters und somit ein Verhalten des Filters. Ein beispielhafter Algorithmus zur Bestimmung des Filters ist in der Figurenbeschreibung erläutert.Preferably, the length of the filter is automatically determined or fixed. In this case, the predefined orientation points and the filter tolerance range particularly preferably determine the length of the filter and thus a behavior of the filter. An exemplary algorithm for determining the filter is explained in the description of the figures.
Vorzugsweise erfolgt das Berechnen eines Filterpunkts für den nächstgelegenen Orientierungspunkt unter Berücksichtigung zumindest eines benachbarten Orientierungspunktes des nächstgelegenen Orientierungspunktes. Insbesondere können zur Berechnung eines Filterpunkts für einen bestimmten Orientierungspunkt mehrere benachbarte Orientierungspunkte berücksichtigt werden. Beispielsweise kann sich der gleitende Mittelwert bzw. der Mittelwertfilter über den nächstgelegenen Orientierungspunkt und zumindest einen, bevorzugt mehrere, benachbarte Orientierungspunkte erstrecken. Dies hat den Vorteil, dass ein homogener Verlauf der Filterpunkte erreicht werden kann, da bei der Positionierung bzw. Berechnung der Filterpunkte ein größerer Bereich des Verlaufs der Orientierungspunkte berücksichtigt wird als in einem Fall, in welchem nur der nächstgelegenen Orientierungspunkt berücksichtigt wird, für welchen ein Filterpunkt erstellt werden soll. Vorzugsweise werden die Filterpunkte derart berechnet, dass die Filterpunkte in gleichen bzw. regelmäßigen Abständen, d.h. äquidistant, angeordnet sind.Preferably, the calculation of a filter point for the nearest landmark takes place taking into account at least one neighboring landmark of the nearest landmark. In particular, several neighboring landmarks can be taken into account for the calculation of a filter point for a particular landmark. For example, the moving average or the mean value filter may extend beyond the nearest landmark and at least one, preferably several, neighboring landmarks. This has the advantage that a homogeneous course of the filter points can be achieved, since in the positioning or calculation of the filter points a larger area of the course of the landmarks is taken into account than in a case in which only the nearest landmark is taken into account for which one Filter point to be created. Preferably, the filter points are calculated such that the filter points are at regular intervals, i. equidistant, are arranged.
Vorzugsweise nähert die Spline-Näherung einen Verlauf der Filterpunkte mittels einer Spline-Kurve. Dies hat den Vorteil, dass zusätzlich zur Verwendung der Mittelwertfilters bzw. zur Berechnung der Filterpunkte eine weitere Glättung auf Basis der Filterpunkte erfolgt. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass, wenngleich der Verlauf der Filterpunkte unstetig sein mag und/oder nicht stetig differenzierbar sein mag oder nur einmal stetig differenzierbar bzw. c1-stetig sein mag, die durch eine anschließende Näherung bzw. Glättung mittels der Spline-Näherung bereitgestellte Bewegungskontur als eine c2-stetige Funktion bereitgestellt werden kann. Mit anderen Worten kann durch die Spline-Näherung des Verlaufs der Filterpunkte eine Bewegungskontur auf Basis der Filterpunkte erreicht werden, welche auch in seiner zweiten Ableitung stetig ist. Vorzugsweise sind die Filterpunkte dazu in gleichen Abständen, d.h. äquidistant, angeordnet.The spline approximation preferably approximates a profile of the filter points by means of a spline curve. This has the advantage that, in addition to the use of the mean value filter or for the calculation of the filter points, a further smoothing takes place on the basis of the filter points. This offers in particular the advantage that, although the course of the filter points may be discontinuous and / or may not be continuously differentiable or may only be continuously differentiable or c 1 -continuous, by a subsequent approximation or smoothing by means of the spline Approximation provided motion contour can be provided as a c 2 continuous function. In other words, a movement contour based on the filter points can be achieved by the spline approximation of the course of the filter points, which is continuous even in its second derivative. Preferably, the filter points are arranged at equal intervals, ie equidistant.
Vorzugsweise wird die Spline-Kurve mittels einer Mehrzahl von Kontrollpunkten gebildet, wobei die Kontrollpunkte auf Basis der Filterpunkte berechnet werden. Mit anderen Worten werden ausgehend von den Filterpunkten die Kontrollpunkte berechnet, welche wiederum die Spline-Kurve beeinflussen und/oder zumindest teilweise bestimmen und/oder zumindest teilweise festlegen. Dies ist eine besonders effektive Weise, den Verlauf der Filterpunkte mittels einer Spline-Näherung zu nähern bzw. zu glätten. Die Kontrollpunkte sind dabei Punkte, welche den Verlauf der Spline-Kurve beeinflussen, wobei die Spline-Kurve nicht notwendigerweise durch die Kontrollpunkte selbst verläuft. Für eine Spline-Kurve bzw. einen Spline n-ten Grades müssen dabei mindestens n+1 Kontrollpunkte bereitgestellt werden. Dies bietet den Vorteil, dass mit geringem Rechenaufwand durch Kombination aus dem Berechnen von Filterpunkten, etwa mittels eines Mittelwertfilters, und aus der Verwendung eines Splines zur Bereitstellung eine besonders glatte bzw. geglättete Bewegungskontur erreicht werden kann. Die Spline-Kurve und somit auch die geglättete Bewegungskontur verlaufen somit nicht notwendigerweise durch die Kontrollpunkte und/oder durch die Filterpunkte. Insbesondere kann eine geglättete Bewegungskontur derart ausgebildet sein, dass diese weder durch einen Kontrollpunkt noch durch einen Filterpunkt verläuft. Preferably, the spline curve is formed by means of a plurality of control points, the control points being calculated on the basis of the filter points. In other words, based on the filter points, the control points are calculated, which in turn influence the spline curve and / or at least partially determine and / or at least partially determine. This is a particularly effective way to approach or smooth the profile of the filter points by means of a spline approximation. The control points are points that influence the course of the spline curve, whereby the spline curve does not necessarily run through the control points themselves. For a spline curve or a spline nth degree at least n + 1 checkpoints must be provided. This offers the advantage that a particularly smooth or smoothed motion contour can be achieved with little computational effort by combination of the calculation of filter points, for example by means of an average filter, and the use of a spline for the provision. The spline curve and thus also the smoothed motion contour thus do not necessarily run through the control points and / or through the filter points. In particular, a smoothed motion contour can be designed in such a way that it does not extend through a control point or through a filter point.
Vorzugsweise wird die Spline-Kurve derart gebildet bzw. berechnet, dass die Spline-Kurve innerhalb, insbesondere vollständig innerhalb, des Glättungstoleranzbereichs angeordnet ist. Beispielsweise kann die Spline-Kurve mittels eines iterativen Verfahrens gebildet bzw. berechnet werden, wobei das iterative Verfahren beispielsweise solange fortgesetzt wird, bis die gesamte Spline-Kurve innerhalb des Glättungstoleranzbereichs angeordnet ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die gesamte Spline-Kurve innerhalb des Glättungstoleranzbereichs liegt.Preferably, the spline curve is formed or calculated in such a way that the spline curve is arranged within, in particular completely inside, the smoothing tolerance range. For example, the spline curve may be calculated using an iterative method, for example, the iterative process being continued until the entire spline curve is located within the smoothing tolerance range. This ensures that the entire spline curve is within the smoothing tolerance range.
Weiter bevorzugt ist die Spline-Kurve eine Spline-Kurve mindestens 3. Grades. Dies bietet den Vorteil, dass auf besonders effektive Weise eine homogene Bewegungskontur bereitgestellt werden kann, welche c2-stetig ist.More preferably, the spline curve is a spline curve at least 3rd degree. This offers the advantage that a homogeneous motion contour can be provided in a particularly effective manner, which is c 2 -continuous.
Besonders bevorzugt ist die Spline-Kurve eine B-Spline-Kurve. Dies hat den Vorteil, dass sich dabei ergebende lineare Gleichungssysteme besonders einfach lösbar sind. Ferner kann eine B-Spline-Kurve aufgrund lokaler Eigenschaften durch ein gegebenenfalls nachträgliches Verschieben von Kontrollpunkten auf einfache Weise verändert werden.Most preferably, the spline curve is a B-spline curve. This has the advantage that resulting linear systems of equations are particularly easy to solve. Furthermore, due to local characteristics, a B-spline curve can be changed in a simple manner by an optionally subsequent shifting of control points.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer Fräsmaschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.An arithmetic unit according to the invention, e.g. a control unit of a milling machine is, in particular programmatically, adapted to perform a method according to the invention.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms, beispielsweise NC-Firmware einer NC-kontrollierten Maschine, 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.The implementation of the method in the form of a computer program, for example, NC firmware of an NC-controlled machine is advantageous because this causes very low costs, especially if an executive controller is still used for other tasks and therefore already exists. Suitable data carriers for providing the computer program are in particular magnetic, optical and electrical memories, such as e.g. Hard drives, flash memory, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically by means of exemplary embodiments in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.
Figurenlistelist of figures
-
1A bis1D zeigen in einer schematischen Darstellung die Berechnung von Filterpunkten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.1A to1D show in a schematic representation the calculation of filter points according to a preferred embodiment. -
2 zeigt in einer schematischen Darstellung die Berechnung von Filterpunkten gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.2 shows a schematic representation of the calculation of filter points according to a second preferred embodiment. -
3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Berechnung von Filterpunkten gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.3 shows a schematic representation of the calculation of filter points according to a third preferred embodiment. -
4A bis4D zeigen in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zur Berechnung einer Spline-Kurve gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.4A to4D show in a schematic representation a method for calculating a spline curve according to a preferred embodiment. -
5 zeigt einen beispielhaften Verlauf einer geglätteten Bewegungskontur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.5 shows an exemplary course of a smoothed motion contour according to a preferred embodiment. -
6 bis8 zeigen anhand eines Verlaufs von Orientierungspunkten bevorzugte Möglichkeiten für die Filterung.6 to8th show by means of a course of landmarks preferred filtering options.
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
Anhand der
Der Mittelwertfilter erstreckt sich in
Der Mittelwertfilter
Auch in
In gleicher Weise erfolgt die Berechnung bzw. Positionierung des Filterpunkts F4 in
Der berechnete Filterpunkt FK ergibt sich durch die Mittelung auf einer Innenseite bezüglich eines Richtungswechsels des Verlaufs der vorgegebenen Orientierungspunkte Q1 bis Q7, wobei der Richtungswechsel des Verlaufs am dem Filterpunkt FK nächstliegenden Orientierungspunkt Q4 bestimmt wird (siehe
Ferner zeigt
Auch ist in
Anhand der
Eine B-Spline-Kurve vom Grad p ist definiert durch:
Durch den Knotenvektor
Das Erstellen des Knotenvektors
Mit anderen Worten werden die Abstände zwischen den aufeinanderfolgenden Knotenpunkten Ui und Ui+1 gemäß den jeweiligen Abständen zwischen den aufeinanderfolgenden Orientierungspunkten Qi und Qi+1 bestimmt.In other words, the distances between the successive nodes U i and U i + 1 are determined according to the respective distances between the successive landmarks Q i and Q i + 1 .
Ferner zeigt
Anhand von
Aus einer Lösung des genannten, überbestimmten Gleichungssystems ergeben sich die Kontrollpunkte P0 bis Pn. Nach der Berechnung der Kontrollpunkte P0 bis Pn werden die Abstände
Beispielsweise erfolgt das Entfernen gemäß einem Algorithmus, der in Les Piegl, Wayne Tiller: „The Nurbs Book“, Springer Verlag beschrieben ist.For example, the removal is done according to an algorithm described in Les Piegl, Wayne Tiller: "The Nurbs Book", Springer Verlag.
Das Entfernen eines Knotens Uk und des entsprechenden Kontrollpunkts führt zu einer Abweichung der neuen Kurve
Es ist hierbei von Bedeutung, dass die beiden Kurven nur in dem u-Bereich voneinander abweichen, in dem die Basisfunktion Nk-2,3(u) von Null verschieden ist, d.h. im Intervall Uk-2 <= u < Uk+2.It is important here that the two curves deviate only in the u-range in which the basic function N k-2,3 (u) is different from zero, ie in the interval U k-2 <= u <U k +2 .
Mit der obigen mathematischen Beziehung lässt sich vor dem Entfernen des Knotens Uk feststellen, ob die neue Kurve den Toleranzbereich Eb verlässt oder nicht. Verlässt sie ihn, ist der Knoten nicht entfernbar.With the above mathematical relationship can be determined before removing the node U k , whether the new curve leaves the tolerance range E b or not. If she leaves, the knot is not removable.
Man berechnet nun für alle innere Knoten U4 bis Um-4 die Schranken Bk. Für das kleinste Bk wird überprüft, ob die Kurve den Toleranzbereich verlässt. Falls nicht, wird der Knoten entfernt. Danach werden die nun neuen Schranken Bk berechnet und wieder der Knoten mit dem kleinsten Bk entfernt. Das Verfahren wird solange wiederholt, bis kein Knoten mehr entfernbar ist.The bounds B k are now calculated for all internal nodes U 4 to U m-4 . For the smallest B k it is checked whether the curve leaves the tolerance range. If not, the node is removed. Then the new bounds B k are calculated and the node with the smallest Bk is removed again. The process is repeated until no more nodes are removable.
Anschließend kann mit den verbleibenden Kontrollpunkten die Spline-Näherung durchgeführt werden.Subsequently, the spline approximation can be performed with the remaining control points.
Nach einer Mehrzahl von Iterationsschritten, die jeweils ein Berechnen einer Spline-Kurve
Anhand der
Zur weiteren Erläuterung des Algorithmus genügt eine eindimensionale Darstellung des Sachverhalts, wie in den
Die
Zeile
Zeile
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Zeile
Die Fortsetzung ist in
- Zeile
1 : Die Filterlänge L wächst bei konstantem linkem Rand auf u3. Die Filtermitte erreicht u4. Dort wird ein Filterpunkt erzeugt. Der rechte Filterrand erreicht u5. Die Filterlänge ist L = 1,0. - Zeile
2 : Da ML5 = 5,0 größer ist als L, wächst L bei konstantem linkem Rand auf u3 weiter an, bis der rechte Rand u7 erreicht. In diesem Zustand ist L = 2,0 und die Filtermitte liegt zufällig bei u5. Dort wird ein Filterpunkt erzeugt. - Zeile
3 : Wegen ML5 = 1,0 muss jetzt die Filterlänge auf L = 1,0 abnehmen. Dies geschieht bei konstantem rechtem Rand auf u5, bis L = 1,0 - Zeile
4 : Das Filter wird bei konstanter Länge L = 1,0 über u7 geschoben. Der rechte Rand erreicht die Endstelle u8. - Zeile
5 : L nimmt bei konstantem rechtem Rand bei u8 ab. Bei L = 0,7 könnte beispielsweise ein Zwischenfilterpunkt erzeugt werden. - Zeile
6 : Der Endpunkt ist erreicht.L hat auf 0 abgenommen. Der letzte Filterpunkt liegt exakt auf Q8.
- row
1 : The filter length L grows to u 3 with a constant left edge. The filter center reaches u 4 . There a filter point is generated. The right filter edge reaches u 5 . The filter length is L = 1.0. -
row 2 Since ML 5 = 5.0 is larger than L, L continues to grow to u 3 at a constant left edge until the right edge reaches u 7 . In this state L = 2.0 and the filter center happens to be at u 5 . There a filter point is generated. - row
3 : Due to ML 5 = 1.0, the filter length now has to decrease to L = 1.0. This happens at constant right edge on u 5 , until L = 1.0 - row
4 : The filter is pushed over u 7 at a constant length L = 1.0. The right edge reaches the terminal u 8 . - row
5 : L decreases at constant right edge at u 8 . For example, if L = 0.7, an intermediate filter point could be generated. - row
6 : The endpoint is reached. L has decreased to 0. The last filter point is exactly on Q 8 .
Claims (14)
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
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DE102017200084.8A Pending DE102017200084A1 (en) | 2016-12-06 | 2017-01-05 | A method of providing a motion contour for a manipulator along predetermined landmarks |
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DE (1) | DE102017200084A1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CN110900612A (en) * | 2019-12-17 | 2020-03-24 | 东莞市三姆森光电科技有限公司 | Pose-synchronous six-axis industrial robot track smoothing method |
DE102021204004B3 (en) | 2021-04-21 | 2022-07-07 | Kuka Deutschland Gmbh | Creating a robot program and operating a robot |
CN116079714A (en) * | 2022-12-02 | 2023-05-09 | 盐城工学院 | Six-axis mechanical arm track planning method based on B spline |
-
2017
- 2017-01-05 DE DE102017200084.8A patent/DE102017200084A1/en active Pending
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