-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Roboteranordnung und ein Roboterkommunikationsverfahren. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Anordnung mit Fertigungsrobotern im industriellen Bereich.
-
Stand der Technik
-
Industrieroboter weisen bewegliche Elemente auf, welche mit einer hohen Präzision ausgerichtet werden können. Zur genauen Auslenkung kann eine schnelle und zuverlässige Übertragung von Steuerungssignalen an den Roboter bzw. an Elemente des Roboters erforderlich sein. Ferner ist häufig eine bidirektionale Kommunikation wünschenswert, um entsprechende Konfigurationswerte oder Sensorsignale von dem Roboter an eine zentrale Steuerungsvorrichtung zurück zu übertragen. Für eine schnelle und präzise Ansteuerung von insbesondere mehreren Industrierobotern ist eine kabelgebundene Datenübertragung jedoch meist nachteilig.
-
Zur kabellosen Übertragung von Signalen können die zu übermittelnden Informationen auf einen Lichtstrahl aufmoduliert werden und optisch übertragen werden. So ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 60 2004 003 989 T2 ein Kommunikationssystem bekannt, wobei von einem Laser erzeugtes kohärentes Licht eingesetzt wird, um Informationen an ein mobiles Gerät zu übertragen.
-
Derartige Kommunikationssysteme erfordern eine direkte Sichtverbindung zwischen dem aussendenden Laser und dem empfangenden mobilen Gerät.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung stellt eine Roboteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Roboterkommunikationsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 bereit.
-
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Roboteranordnung mit einem Roboter, welcher ein bewegliches Element und eine an dem beweglichen Element angeordnete erste Kommunikationsvorrichtung aufweist. Weiter ist in einer Umgebung des Roboters eine zweite Kommunikationsvorrichtung angeordnet. Die erste Kommunikationsvorrichtung ist dazu ausgebildet, ein Lichtsignal an die zweite Kommunikationsvorrichtung zu übertragen und/oder von der zweiten Kommunikationsvorrichtung zu empfangen. Das Licht des Lichtsignals ist ein nicht-kohärentes Licht bzw..inkohärentes Licht.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Roboterkommunikationsverfahren. Ein Lichtsignal wird von einer ersten Kommunikationsvorrichtung an eine zweite Kommunikationsvorrichtung oder von der zweiten Kommunikationsvorrichtung an die erste Kommunikationsvorrichtung übertragen. Die erste Kommunikationsvorrichtung ist an einem beweglichen Element eines Roboters angeordnet, während die zweite Kommunikationsvorrichtung in einer Umgebung des Roboters angeordnet ist. Das Licht des Lichtsignals ist ein nicht-kohärentes Licht bzw..inkohärentes Licht.
-
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Vorteile der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird zur optischen Kommunikation nicht-kohärentes Licht eingesetzt. Dadurch kann verhindert werden, dass es aufgrund der Bewegung des beweglichen Elements des Roboters zur Abschattungen kommt und das Lichtsignal möglicherweise nicht auf direkten Weg übertragen werden kann. Vielmehr kann auch in derartigen Szenarien weiterhin indirektes Streulicht zwischen den Kommunikationsvorrichtungen übertragen werden. Bevorzugt werden hierzu lichtstarke Beleuchtungselemente, wie beispielsweise eine Deckenbeleuchtung eingesetzt. Aufgrund der hohen Abstrahlleistung werden auch Raumbereiche, welche durch das bewegliche Element oder durch weitere Elemente des Roboters abgeschattet werden, mit Streulicht ausgeleuchtet, sodass die Kommunikation nicht unterbrochen wird.
-
Die erfmdungsgemäße Roboteranordnung ermöglicht somit eine Steigerung der Zuverlässigkeit der Kommunikation ohne die Komplexität des Kommunikationssystems zu erhöhen.
-
Besonders bevorzugt ist das Licht des Lichtsignals ein diffuses Licht, wobei beispielsweise ein Diffusor vor den entsprechenden Sendevorrichtungen ausgebildet sein kann. Dies ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation auch ohne direkte Sichtverbindung.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Roboteranordnung weist die erste Kommunikationsvorrichtung eine Vielzahl von Photodioden auf, welche an dem beweglichen Element verteilt angeordnet sind und das Lichtsignal empfangen. Die Messergebnisse der verschiedenen Photodioden können über ein Maximum-Ratio-Combining-Verfahren (MRC-Verfahren) miteinander verknüpft werden. Entsprechend können die Photodioden in Phase gebracht werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Roboteranordnung sind die Photodioden derart an dem beweglichen Element angeordnet, dass für jede mögliche Stellung des beweglichen Elements stets eine direkte optische Verbindung zwischen der zweiten Kommunikationsvorrichtung und zumindest einer Photodiode besteht. Beispielsweise können die Photodioden in verschiedenen Winkelstellungen um eine zentrale Achse eines Roboterarms herum angeordnet sein, sodass jederzeit mindestens eine Sendevorrichtung der ersten Kommunikationsvorrichtung in mindestens einem Erfassungskegel einer Photodiode liegt.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Photodioden auch derart angeordnet sein, dass jederzeit mindestens eine direkte optische Verbindung und/oder eine indirekte optische Verbindung besteht. Unter einer indirekten optischen Verbindung ist die Übertragung des Lichtsignals über mindestens eine reflektierende Fläche zu verstehen. Die reflektierende Fläche kann ein weiteres Element des Roboters oder eine in der Umgebung des Roboters befindliche Fläche sein. Letzteres umfasst beispielsweise Wände, Absperrungen, Roboterkäfige oder weitere Roboter und andere Vorrichtungen.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Roboteranordnung weist die zweite Kommunikationsvorrichtung eine Lichtquelle mit einer lichtaussendenden Fläche auf, wobei eine Breite der lichtaussendenden Fläche größer ist als eine Breite des beweglichen Elements des Roboters. Insbesondere ist die Breite der lichtaussendenden Fläche vorzugsweise größer als ein Vielfaches der Breite des beweglichen Elements des Roboters, insbesondere größer als das Doppelte, das Dreifache oder das Zehnfache der Breite des beweglichen Elements des Roboters. Dadurch können Abschattungseffekte weiter reduziert werden, da jederzeit ein großer Teil der Oberfläche des beweglichen Elements von der lichtaussendenden Fläche angestrahlt wird.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Robotervorrichtung umfasst die lichtaussendende Fläche eine Vielzahl von arrayförmig angeordneten LEDs. Aufgrund der über eine relativ große Fläche verteilten Abstrahlleistung kann eine insgesamt hohe Leuchtdichte sichergestellt werden, ohne dass dadurch jedoch Gefahren für das menschliche Auge entstünden.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Roboteranordnung weist die zweite Kommunikationsvorrichtung lichtaussendende Elemente und/oder lichtempfangende Elemente auf, welche in Abhängigkeit einer Bewegung des beweglichen Elements des Roboters verstellbar und/oder in ihrer räumlichen Position veränderbar sind. Beispielsweise kann eine zentrale Steuereinheit die Bewegungen des beweglichen Elements des Roboters prädizieren. Daraus kann die Steuereinheit die bevorzugte Lage von lichtaussendenden und/oder lichtempfangenden Elementen der ersten Kommunikationsvorrichtung ermitteln. Die Steuereinheit kann dann die Abstrahlrichtung und/oder die räumliche Position der lichtaussendenden bzw. lichtempfangenden Elemente der zweiten Kommunikationsvorrichtung derart ansteuern und ändern, dass weiterhin eine Kommunikation zwischen der ersten Kommunikationsvorrichtung und der zweiten Kommunikationsvorrichtung gewährleistet ist. Vorzugsweise werden die lichtaussendenden und/oder lichtempfangenden Elemente der zweiten Kommunikationsvorrichtung derart verstellt oder deren räumliche Position derart verändert, dass stets eine direkte optische Verbindung zwischen der ersten Kommunikationsvorrichtung und der zweiten Kommunikationsvorrichtung besteht.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Roboteranordnung umfasst die zweite Kommunikationsvorrichtung eine Deckenbeleuchtung, welche dazu ausgebildet ist, das Lichtsignal auszusenden. Vorteilhafterweise wird als Deckenbeleuchtung eine leuchtkräftige Lampe eingesetzt, welche eine für das menschliche Auge unbedenkliche Leuchtdichte aufweist. Gleichzeitig kann aufgrund der großen lichtaussendenden Fläche eine hohe Abstrahlleistung gewährleistet werden. Dadurch ist zumindest über das Streulicht eine Kommunikation zwischen den Kommunikationsvorrichtungen möglich. Zusätzlich kann die Deckenbeleuchtung zur Ausleuchtung des umliegenden Raumes verwendet werden. Insbesondere wird dieselbe Lichtquelle der Deckenbeleuchtung zeitlich gleichzeitig zur Ausleuchtung des Raumes und zur Aussendung des Lichtsignales verwendet. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass das Lichtsignal derart auf das von der Deckenbeleuchtung abgestrahlte Licht aufmoduliert ist, dass die Modulation für den menschlichen Betrachter nicht wahrnehmbar ist. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Modulationsfrequenz größer 50 Hz, insbesondere größer 100 Hz, ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Roboteranordnung sind in der Umgebung des Roboters weiter Reflektorelemente angeordnet, welche dazu ausgelegt sind, das ausgesendete optische Lichtsignal auf die erste Kommunikationsvorrichtung und/oder zweite Kommunikationsvorrichtung zu reflektieren bzw. streuen. Die Reflektorelemente können beispielsweise an Decken, Wänden, Roboterkäfigen oder weiteren Vorrichtungen angeordnet werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Reflektorelemente auch an dem Roboter selbst ausgebildet werden. Die Reflektorelemente sind vorzugsweise dazu ausgelegt, zusätzliches Streulicht zu generieren, um zumindest eine indirekte Kommunikation zwischen der ersten Kommunikationsvorrichtung und der zweiten Kommunikationsvorrichtung zu gewährleisten.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Roboteranordnung umfassen die erste Kommunikationsvorrichtung und/oder die zweite Kommunikationsvorrichtung Glühlampen und/oder Gasentladungslampen und/oder Leuchtdioden.
-
Die Erzeugung des Lichtsignals kann erfindungsgemäß vorzugsweise durch Amplitudenmodulation des ausgesendeten Lichts erfolgen. Vorzugsweise werden die Informationen mittels eines orthogonalen Frequenzmultiplexverfahrens (OFDM) aufmoduliert.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste Kommunikationsvorrichtung Sendevorrichtungen, welche räumlich in Richtung der zweiten Kommunikationsvorrichtung ausgerichtet bzw. orientiert sind. Insbesondere sind sämtliche Sendevorrichtungen der ersten Kommunikationsvorrichtungen in Richtung der zweiten Kommunikationsvorrichtung ausgerichtet. Zusätzlich oder alternativ können die erste Kommunikationsvorrichtung und die zweite Kommunikationsvorrichtung über ein Zeitmultiplexverfahren (TDMA) und/oder Frequenzmultiplexverfahren (FDMA) miteinander kommunizieren. Durch diese Maßnahmen wird Eigeninterferenz verhindert, das heißt ein unerwünschtes Blenden der Empfängervorrichtung der ersten oder zweiten Kommunikationsvorrichtung durch die Sendevorrichtung der ersten bzw. zweiten Kommunikationsvorrichtung.
-
Figurenliste
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht eine Roboteranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 2 eine schematische Ansicht einer zur Übertragung des Lichtsignals verwendeten Lichtquelle.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Roboteranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Roboteranordnung 10 umfasst einen industriellen Fertigungsroboter 1 mit einem beweglichen Element 2. Das bewegliche Element 2 ist ein Roboterarm, welcher um mehrere Gelenke schwenkbar ausgebildet ist. Der Roboter 1 kann zum Bewegen oder Verarbeiten von zu fertigenden Objekten eingerichtet sein.
-
Die Bewegungen des beweglichen Elements 2 des Roboters 1 werden vorzugsweise über eine (nicht gezeigte) zentrale Steuerungseinheit gesteuert.
-
Das bewegliche Element 2 verfügt über eine erste Sendevorrichtung 4 und eine erste Empfängervorrichtung 3, welche zusammen eine erste Kommunikationsvorrichtung 5 bilden. Weiter ist an einer Decke in einer Umgebung des Roboters 1 eine zweite Kommunikationsvorrichtung 8 ausgebildet, welche eine zweite Sendevorrichtung 6a und eine zweite Empfängervorrichtung 7 aufweist.
-
Die erste Sendevorrichtung 4 ist dazu ausgebildet, mindestens ein Lichtsignal L3 auszusenden. Die Sendevorrichtung 4 verfügt dazu über mehrere Lichtquellen 41, 42, welche moduliertes Licht aussenden. Die Informationen können beispielsweise über ein orthogonales Frequenzmultiplexverfahren aufmoduliert werden.
-
Das von den Lichtquellen 41, 42 ausgesendete Licht ist ein nicht-kohärentes Licht. Die elektromagnetischen Wellen des ausgesendeten Lichts sind somit nicht durch eine feste Phasenbeziehung hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Ausbreitung charakterisiert. Insbesondere ist die Kohärenzlänge des ausgesendeten Lichts kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert. Dieser vorgegebene Schwellenwert ist vorzugsweise um ein Vielfaches kleiner als eine typische Kohärenzlänge von Lasern. Bevorzugt liegt die Kohärenzlänge des ausgesendeten Lichts unterhalb der Zentimeterskala und besonders bevorzugt unterhalb der Millimeterskala. Die Kohärenzlänge beträgt somit bevorzugt höchstens einige Mikrometer.
-
Die Lichtquellen 41, 42 können beispielsweise Photodioden oder eine Vielzahl von vorzugsweise arrayförmig angeordneten Photodioden aufweisen. Die Lichtquellen können jedoch auch Glühlampen oder Gasentladungslampen umfassen.
-
Besonders bevorzugt senden die Lichtquellen 41, 42 diffuses Licht aus. Hierzu können die Lichtquellen 41, 42 Diffusoren aufweisen, welche im Strahlengang des ausgesendeten Lichts angeordnet sind, und dazu ausgebildet sind, diffuses Licht zu erzeugen.
-
Bevorzugt ist das ausgesendete Licht im Wesentlichen isotrop, d. h. die Lichtquellen 41, 42 weisen eine geringe Richtcharakteristik auf. Insbesondere können die Lichtquellen 41, 42 einen großen Abstrahlwinkel aufweisen. Der Abstrahlwinkel ist vorzugsweise größer als ein vorgegebener Schwellenwert, beispielsweise größer als 90 Grad, und besonders bevorzugt größer als 120 Grad.
-
Die zweite Sendevorrichtung 6a dazu ausgelegt, ein Lichtsignal L1, L2 auszusenden. Hierzu ist die zweite Sendevorrichtung 6a als Deckenbeleuchtung ausgebildet. Eine Breite d2 der lichtaussendenden Fläche der zweiten Sendevorrichtung 6a ist um ein Vielfaches größer als ein maximaler Durchmesser dl des beweglichen Elements 2. Weiter ist der Abstrahlwinkel ϕ der zweiten Sendevorrichtung 6a ebenfalls groß, das heißt beispielsweise größer als 90 Grad, und besonders bevorzugt größer als 120 Grad.
-
Die erste Empfängervorrichtung 3 umfasst eine Vielzahl von Photodioden 31, 32, 33, welche an dem beweglichen Element 2 des Roboters 1 angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, das von der zweiten Sendevorrichtung 6a ausgesendete Lichtsignal L1, L2 zu empfangen. Die Photodioden 31, 32, 33 sind vorzugsweise derart verteilt, dass sie zusammen einen möglichst großen Raumbereich überwachen. Insbesondere können die Photodioden 31, 32, 33 derart angeordnet sein, dass jederzeit eine der Photodioden 31, 32, 33 ein Lichtsignal L1, L2 von der zweiten Sendevorrichtung 6a empfängt. Die Photodioden 31, 32, 33 können das Lichtsignal L1 entweder direkt empfangen oder das Lichtsignal L2 auf indirektem Weg nach einer Reflexion empfangen. Optional sind dazu an den Wänden des den Roboter 1 umgebenen Roboterkäfigs Reflektorelemente 91, 92 vorgesehen, welche das ausgesendete Lichtsignal L2 reflektieren. Die Reflektorelemente 91, 92 streuen das Lichtsignal L2 vorzugsweise unter einem großen Streuwinkel, sodass die Größe und Anzahl der Raumbereiche, welche das Lichtsignal L2 zumindest indirekt erreichen kann, vergrößert werden kann.
-
Die erste Kommunikationsvorrichtung 5 ist dazu ausgebildet, die mittels des empfangenen Lichtsignals L1, L2 übertragenen Informationen zu extrahieren. Falls das Lichtsignal L1, L2 von mehreren Photodioden 31, 32, 33 gleichzeitig empfangen wird, werden die generierten Daten mittels eines Maximum-Ratio-Combining-Verfahrens kombiniert. Die Photodioden 31, 32, 33 der ersten Empfängervorrichtung 3 können mit einer (nicht gezeigten) Steuereinheit des Roboters 1 verbunden sein. Die Steuereinheit des Roboters 1 extrahiert die aufmodulierten Informationen und kann dazu ausgebildet sein, Funktionen des Roboters 1 anhand der extrahierten Informationen zu steuern. Insbesondere kann die Steuerung des beweglichen Elements 2 unter Zuhilfenahme der Informationen durch die Steuereinheit des Roboters 1 durchgeführt werden.
-
Die an der Decke angeordnete zweite Empfängervorrichtung 7 ist dazu ausgebildet, das von den Photodioden 41, 42 der ersten Sendevorrichtung 4 ausgesendete Lichtsignal L3 zu empfangen und auszuwerten.
-
Die in 1 illustrierte Roboteranordnung ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Roboter und der Umgebung über die erste Kommunikationsvorrichtung 5 und die zweite Kommunikationsvorrichtung 8. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann jedoch vorgesehen sein, dass lediglich eine Kommunikation in einer Richtung möglich ist. Beispielsweise kann die zweite Kommunikationsvorrichtung 8 lediglich dazu ausgebildet sein, ein Lichtsignal auszusenden, während die erste Kommunikationsvorrichtung 5 des Roboters 1 lediglich dazu ausgelegt ist, das ausgesendete Lichtsignal empfangen.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Lichtquelle 6a der zweiten Kommunikationsvorrichtung 8 bewegbar ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Lichtquelle 6a an einer Schiene der Decke verfahrbar angeordnet sein, sodass eine Position der Lichtquelle 6a relativ zu dem Roboter 1 verändert werden kann. Zusätzlich kann die Ausrichtung der Lichtquelle 6a veränderbar sein. Die Lichtquelle 6a kann derart angesteuert werden, dass die Position und Ausrichtung der Lichtquelle 6a jederzeit ein direktes Lichtsignal L1 und/oder ein indirektes Lichtsignal L2 auf die Photodioden 31, 32, 33 der ersten Empfängervorrichtung 3 aussendet.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Sendevorrichtung der zweiten Kommunikationsvorrichtung 8 eine Vielzahl von Lichtquellen umfassen, welche um den Roboter 1 herum verteilt angeordnet sind. Die Lichtquellen können derart in der Umgebung des Roboters 1 positioniert werden, dass mögliche Abschattungen vermieden werden. Insbesondere kann die Anordnung der Lichtquellen derart durchgeführt werden, dass für jede Ausrichtung des beweglichen Elements 2 mindestens eine direkte Verbindung und/oder indirekte Verbindung zwischen mindestens eine Lichtquelle und mindestens einer Photodiode 31, 32, 33 der ersten Empfängervorrichtung 3 besteht.
-
In 2 ist eine weitere mögliche Ausgestaltung einer Lichtquelle 6b der zweiten Kommunikationsvorrichtung 8 illustriert. Die Lichtquelle 6b ist als Deckenbeleuchtung ausgebildet, welche eine Vielzahl von arrayförmig angeordneten LEDs 61 aufweist. Die Länge xl und die Breite x2 der Lichtquelle 6b ist jeweils größer als die Breite dl des beweglichen Elements 2.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 602004003989 T2 [0003]
