DE102018211943A1 - Radar system for collision avoidance of a robot - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung oder zumindest Abmilderung einer Kollision eines Roboters mit einem Objekt mithilfe eines Radargeräts, wobei sich das Objekt und zumindest ein Teil des Roboters relativ zueinander bewegen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:a) Aussenden elektromagnetischer Wellen in zumindest einen Teil der Umgebung des Roboters,b) Detektieren eines Signals, das aufgrund des Auftreffens der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen auf das Objekt von diesem zur Antenne reflektiert oder ausgesendet wird,c) Erzeugen eines Abbildes des Objekts nach dem SAR-Prinzip mittels des Prozessors und Bestimmen der relativen Entfernung und Geschwindigkeit zwischen dem Roboter und dem Objekt,d) Ermitteln, ob eine Kollision zwischen dem Roboter und dem Objekt droht, unde) falls eine Kollision droht, Ändern der geplanten Bewegung des Roboters in eine solche Bewegung, dass die Kollision vermieden oder zumindest abgemildert wird.Die Erfindung betrifft ferner ein System umfassend einen Roboter und ein Radargerät, wobei das System dazu geeignet ist, das oben genannte Verfahren durchzuführen.The invention relates to a method for avoiding or at least mitigating a collision of a robot with an object using a radar device, the object and at least part of the robot moving relative to one another. The method comprises the following steps: a) emitting electromagnetic waves into at least part of the surroundings of the robot, b) detecting a signal which is reflected or emitted from the object to the antenna due to the impact of the emitted electromagnetic waves on the object, c) generating an image of the object according to the SAR principle by means of the processor and determining the relative distance and speed between the robot and the object, d) determining whether there is a risk of a collision between the robot and the object, and e) if a collision is imminent, changing the planned movement of the robot into such a movement that the collision is avoided or at least mitigated. The invention further relates to a system comprising a robot and a radar device, the system being suitable for performing the above-mentioned method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung oder zumindest Abmilderung einer Kollision eines Roboters mit einem Objekt, wobei sich das Objekt und zumindest ein Teil des Roboters relativ zueinander bewegen. Die Erfindung betrifft ferner ein System umfassend einen Roboter und ein Radargerät, wobei das System dazu geeignet ist, ein solches Verfahren durchzuführen.The invention relates to a method for avoiding or at least mitigating a collision of a robot with an object, the object and at least part of the robot moving relative to one another. The invention further relates to a system comprising a robot and a radar device, the system being suitable for carrying out such a method.
In einer durch Roboter automatisierten Produktion besteht seit jeher die Herausforderung, eine Kollision des Roboters mit Objekten in der Umgebung des Roboters zu vermeiden. Unter einem Objekt wird im Kontext dieser Patentanmeldung jeglicher Gegenstand oder Lebewesen, insbesondere also auch Personen verstanden.In a production automated by robots, the challenge has always been to avoid a collision of the robot with objects in the vicinity of the robot. In the context of this patent application, an object is understood to mean any object or living being, in particular also people.
Für stationäre Roboter, d.h. Roboter, die sich relativ zu ihrer Umgebung nicht bewegen, gibt es klassischerweise Zäune oder Käfige um den Roboter. Die Zäune bzw. Käfige haben das Ziel, zu verhindern, dass ein Objekt in einen Bereich in näherer Umgebung des Roboters eindringt, in der es zu einer Kollision zwischen dem Roboter und dem Objekt kommen könnte. Alternativ sind virtuelle „Zäune“ bzw. Sicherheitszonen bekannt, die beispielsweise durch Lichtschranken oder Sensoren realisiert sind. Falls das Objekt eine vorbestimmte, gedachte Linie im Raum überschreitet, wird dies dem Sicherheitssystem des Roboters gemeldet, so dass entsprechende Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise akustische oder optische Warnsignale, Stillstand des Roboters oder aktives Wegdrehen des Roboters bezüglich des sich nähernden Objekts, eingeleitet werden können.For stationary robots, i.e. Robots that do not move relative to their surroundings traditionally have fences or cages around the robot. The aim of the fences or cages is to prevent an object from penetrating into an area in the immediate vicinity of the robot, in which a collision between the robot and the object could occur. Alternatively, virtual “fences” or security zones are known, which are implemented, for example, by light barriers or sensors. If the object crosses a predetermined, imaginary line in space, this is reported to the robot's safety system, so that appropriate countermeasures, such as acoustic or optical warning signals, the robot's standstill or the robot's active turning away with respect to the approaching object, can be initiated.
Bewegliche Roboter, d.h. Roboter, die sich relativ zu ihrer Umgebung bewegen, riskieren prinzipiell sowohl mit stationären als auch mit ebenfalls relativ zur Umgebung sich bewegenden Objekten zu kollidieren. Physische Zäune oder Käfige sind für bewegliche Roboter ungeeignet, da damit unter Umständen große Bereiche einer Produktionshalle abgesperrt werden müssten. Solche Maßnahmen sind für immer dichter besetzte Produktionshallen und die steigende Interaktion zwischen Robotern untereinander oder Robotern und Menschen wenig praktikabel.Movable robots, i.e. In principle, robots that move relative to their surroundings risk to collide with both stationary and objects that also move relative to their surroundings. Physical fences or cages are unsuitable for moving robots, as this may have to be used to block large areas of a production hall. Such measures are less practical for increasingly densely populated production halls and the increasing interaction between robots or robots and humans.
Ähnliche Herausforderungen existieren im Allgemeinen auch für Roboter, die an sich beispielsweise mittels eines Standfußes fest mit dem Boden verbunden sind, aber bewegliche Teile, z.B. Schwenk- oder Greifarme, aufweisen. Auch hier drohen Kollisionen der beweglichen Teile des Roboters mit Objekten in der Umgebung des Roboters.Similar challenges generally exist for robots, which are fixed to the floor by means of a base, for example, but have moving parts, e.g. Have swivel or gripper arms. Here, too, there is a risk of collisions between the moving parts of the robot and objects in the vicinity of the robot.
Als logische Konsequenz weisen bewegliche Roboter oder stationäre Roboter mit beweglichen Teilen heutzutage oftmals Vorrichtungen zur Einrichtung und Überwachung einer virtuellen Sicherheitszone des Roboters auf. Diese Vorrichtungen beinhalten z.B. Licht- bzw. Laserschranken. Falls der Abstand zwischen dem Objekt und dem Roboter einen bestimmten Mindestabstand unterschreitet, wird dies dem Sicherheitssystem des Roboters gemeldet, so dass entsprechende Gegenmaßnahmen, wie im Kontext stationärer Roboter bereits beschrieben, eingeleitet werden können. Eine Alternative zu den virtuellen Zäunen stellen am Roboter angebrachte Kameras dar. Diese können die Umgebung des Roboters erfassen, und basierend darauf eine Umgebungskarte erstellen. Die Umgebungskarte wird vorteilhafterweise laufend vom Sicherheitssystems des Roboters aktualisiert.As a logical consequence, mobile robots or stationary robots with moving parts nowadays often have devices for setting up and monitoring a virtual security zone of the robot. These devices include e.g. Light or laser barriers. If the distance between the object and the robot falls below a certain minimum distance, this is reported to the robot's safety system, so that appropriate countermeasures can be initiated, as already described in the context of stationary robots. An alternative to the virtual fences are cameras attached to the robot. These can capture the surroundings of the robot and create an environment map based on this. The area map is advantageously updated continuously by the robot's security system.
Ein Nachteil von Licht- bzw. Laserschranken ist unter anderem die relativ hohe Energie, die derartige Systeme kontinuierlich verbrauchen. Kameras benötigen ferner insbesondere gute Sichtverhältnisse, die in staubiger Produktionsumgebung oder bei unzureichender Ausleuchtung der Produktionshalle nicht immer zuverlässig bzw. nur mit großem Aufwand zuverlässig gewährleistet werden können. Eine weitere Limitierung bildauswertender, d.h. kamerabasierter Überwachungsverfahren ist die Frequenz, mit der das Bild aufgenommen wird. Diese hängt stark von der Ausgestaltung der Kamera und des zugehörigen Prozessors ab, kann aber in der Praxis bei hohen Relativbewegungen zwischen Roboter und Objekt durchaus signifikant sein.One disadvantage of light or laser barriers is the relatively high energy that such systems consume continuously. Cameras also need good visibility, which cannot always be guaranteed reliably or only with great effort in a dusty production environment or with insufficient illumination of the production hall. Another limitation of image evaluating, i.e. Camera-based surveillance is the frequency at which the picture is taken. This depends heavily on the design of the camera and the associated processor, but in practice it can be quite significant with high relative movements between the robot and the object.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile bestehender Systeme und Verfahren zu überwinden. Insbesondere soll ein Konzept entwickelt werden, wie zuverlässig und kostengünstig Kollisionen zwischen einem Roboter und einem Objekt, wobei sich das Objekt und zumindest ein Teil des Roboters relativ zueinander bewegen, vermieden oder zumindest abgemildert werden können.It is an object of the present invention to overcome the disadvantages of existing systems and methods. In particular, a concept is to be developed of how reliably and inexpensively collisions between a robot and an object, the object and at least part of the robot moving relative to one another, can be avoided or at least mitigated.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung und das Verfahren der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Variationen der Erfindung finden sich in den untergeordneten Ansprüchen wieder.This object is achieved by the device and the method of the independent claims. Advantageous further developments and variations of the invention can be found in the subordinate claims.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, in dem
- a) elektromagnetische Wellen mittels einer Aussendeeinheit in zumindest einen Teil der Umgebung des Roboters ausgesendet werden,
- b) ein Signal, das aufgrund des Auftreffens der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen auf das Objekt von diesem zu einer Empfangseinheit reflektiert oder ausgesendet wird, detektiert wird,
- c) ein Abbild des Objekts nach dem SAR-Prinzip mittels des Prozessors erzeugt und die relative Entfernung und Geschwindigkeit zwischen dem Roboter und dem Objekt bestimmt wird,
- d) ermittelt wird, ob eine Kollision zwischen dem Roboter und dem Objekt droht, und
- e) falls eine Kollision droht, die geplante Bewegung des Roboters in eine solche Bewegung geändert wird, dass die Kollision vermieden oder zumindest abgemildert wird.
- a) electromagnetic waves are emitted into at least part of the surroundings of the robot by means of an emitting unit,
- b) a signal is detected which is reflected or emitted from the object to a receiving unit due to the impact of the emitted electromagnetic waves on the object,
- c) an image of the object according to the SAR principle is generated by the processor and the relative distance and speed between the robot and the object is determined,
- d) it is determined whether there is a risk of a collision between the robot and the object, and
- e) if a collision threatens, the planned movement of the robot is changed to such a movement that the collision is avoided or at least mitigated.
Die vorliegende Erfindung schlägt also einen völlig neuen und unerwarteten Weg vor, um Kollisionen zwischen einem Roboter und sich relativ dazu bewegenden Gegenständen oder Personen zu vermeiden: eine radarbasierte Erzeugung eines Abbilds der Umgebung, wobei für eine besonders hohe Auflösung ein Radar mit synthetischer Apertur (SAR - „Synthetic Aperture Radar“) verwendet wird. Die hohe Auflösung des generierten Abbilds der Umgebung, die mittels SAR erreicht werden kann, ist deswegen entscheidend, da durch ein hoch aufgelöstes, detailgetreues Abbild der Umgebung insbesondere auch die potenziell kollisionsverursachenden Objekte präzise abgebildet werden können. Dies erlaubt eine zuverlässige Bewertung, ob eine Kollision zwischen dem Roboter und Objekten der Umgebung zu besorgen ist und, falls dies bejaht wird, zur Einleitung entsprechender Gegenmaßnahmen.The present invention therefore proposes a completely new and unexpected way to avoid collisions between a robot and objects or people moving relative to it: a radar-based generation of an image of the surroundings, with a radar with a synthetic aperture (SAR - "Synthetic Aperture Radar") is used. The high resolution of the generated image of the environment, which can be achieved by means of SAR, is decisive, since a potentially high-resolution, detailed image of the environment, in particular, can also be used to precisely reproduce the objects causing the collision. This allows a reliable assessment of whether a collision between the robot and surrounding objects is to be taken care of and, if so, to initiate appropriate countermeasures.
Die elektromagnetischen Wellen, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahren vom Radargerät des Roboters ausgesendet werden, sind vorteilhafterweise im Radiofrequenzbereich und werden auch als Radiowellen oder Funkwellen oder Hertzsche Wellen bezeichnet. Aufgrund der verfügbaren Frequenzbandbreite sind Radarsysteme im GHz-Bereich (Giga-Hertz-Bereich) typisch.The electromagnetic waves which are emitted by the radar device of the robot in the context of the method according to the invention are advantageously in the radio frequency range and are also referred to as radio waves or radio waves or Hertzian waves. Due to the available frequency bandwidth, radar systems in the GHz range (Giga-Hertz range) are typical.
Die Verwendung eines Radars mit synthetischer Apertur ist aus der Fernerkundung bekannt. Dafür wird ein entsprechendes Radargerät an Bord eines Flugzeugs, Marschflugkörpers (Cruise Missile) oder Satelliten platziert. Die Strahlrichtung der Antenne des Radargeräts muss sich senkrecht zur Bewegungsrichtung des Flugzeugs/ des Satelliten o.ä. sein. Das Prinzip der synthetischen Apertur besteht darin, die Momentaufnahme einer großen Antenne durch viele Aufnahmen einer kleinen, bewegten Antenne zu ersetzen. Im Verlauf dieser Bewegung wird jedes Objekt im Zielgebiet unter veränderlichem Blickwinkel angestrahlt und entsprechend aufgenommen. Sofern der Weg der realen Antenne hinreichend genau bekannt und die Szenerie unbeweglich ist, kann aus Intensität und Phasenlage der empfangenen Radarechos die Apertur einer großen Antenne synthetisiert und so eine hohe Ortsauflösung in Bewegungsrichtung der Antenne erzielt werden.The use of a synthetic aperture radar is known from remote sensing. For this purpose, a corresponding radar device is placed on board an airplane, cruise missile or satellite. The beam direction of the antenna of the radar device must be perpendicular to the direction of movement of the aircraft / satellite or the like. his. The principle of the synthetic aperture is to replace the snapshot of a large antenna with many shots of a small, moving antenna. In the course of this movement, every object in the target area is illuminated with a variable angle of view and recorded accordingly. If the path of the real antenna is known with sufficient accuracy and the scenery is immobile, the aperture of a large antenna can be synthesized from the intensity and phase of the received radar echoes, thus achieving a high spatial resolution in the direction of movement of the antenna.
Die Funkwellen können fokussiert oder unfokussiert emittiert werden. Es können lediglich die am Objekt reflektierten Funkwellen von der Antenne des Radargeräts detektiert werden (Primärradar). Alternativ kann sich am Objekt auch ein Transponder befinden, der auf die vom Radargerät emittierten Funkwellen reagiert und seinerseits ein Signal zum Radargerät zurücksendet (Sekundärradar). Als Strahlungsquelle für die Funkwellen sind Impuls- oder Dauerstrichradargeräte möglich.The radio waves can be emitted in a focused or unfocused manner. Only the radio waves reflected on the object can be detected by the antenna of the radar device (primary radar). Alternatively, a transponder can also be located on the object, which responds to the radio waves emitted by the radar device and in turn sends a signal back to the radar device (secondary radar). Pulse or continuous wave radar devices are possible as radiation sources for the radio waves.
Es ist zum einen möglich, dass das Radargerät stationär relativ zur Umgebung des Roboters ist und sich das zu detektierende Objekt relativ zur Umgebung bewegt. Das Radargerät kann beispielsweise an der Decke der Fertigungshalle, in der sich der Roboter befindet, befestigt sein. Dies macht vor allem für stationäre Roboter und Roboter mit einem kleinen Bewegungsradius Sinn, für die das Radargerät unweit des Roboters bzw. unweit des Mittelpunkts von dessen Bewegungsradius vorteilhafterweise platziert wird.On the one hand, it is possible for the radar device to be stationary relative to the surroundings of the robot and for the object to be detected to move relative to the surroundings. The radar device can, for example, be attached to the ceiling of the production hall in which the robot is located. This is particularly useful for stationary robots and robots with a small range of motion, for which the radar device is advantageously placed not far from the robot or near the center of its range of motion.
Zum anderen kann sich auch der Roboter relativ zu seiner Umgebung bewegen und (relativ zur Umgebung) stationäre Objekte detektieren. In diesem Fall wird das Radargerät vorteilhafterweise am Roboter befestigt, so dass es sich mit dem Roboter mitbewegt.On the other hand, the robot can also move relative to its surroundings and (relative to the surroundings) detect stationary objects. In this case, the radar device is advantageously attached to the robot so that it moves with the robot.
Des Weiteren kann es sich bei dem Roboter auch um einen an sich fest mit dem Boden (oder der Decke) verbundenen Roboter handeln, der ein Teil, beispielsweise einen Schwenk- oder Greifarm, aufweist, der beweglich relativ zur Umgebung des Roboters ist. Eine Person könnte sich beispielsweise dem ausgeschalteten Roboter nähern, um eine gewisse Tätigkeit in der Nähe des Roboters zu verrichten. Bei Aktivierung des Roboters könnte sich die Person noch in Reichweite des Schwenk- bzw. Greifarms des Roboters befinden. Bewegt sich nun der Schwenk- bzw. Greifarm in Richtung der Person, würde das Radargerät die sich verringernde Entfernung zwischen dem Schwenk- bzw. Greifarm und der Person detektieren und ebenso erkennen, dass bei Fortführung der Armbewegung des Roboters und angenommenen Stehenbleibens des Person am derzeitigen Ort eine Kollision zwischen dem Roboterarm und der Person droht. Der Roboter kann derart ausgestaltet sein, dass daraufhin die geplante Bewegung des Schwenk- bzw. Greifarms des Roboters geändert wird, so dass die Kollision vermieden oder zumindest abgemildert wird.Furthermore, the robot can also be a robot which is inherently firmly connected to the floor (or the ceiling) and has a part, for example a swivel or gripper arm, which is movable relative to the surroundings of the robot. For example, a person could approach the robot that was turned off to perform some activity near the robot. When the robot is activated, the person could still be within range of the robot's swivel or gripper arm. If the swivel arm or gripper arm now moves in the direction of the person, the radar device would detect the decreasing distance between the swivel arm or gripper arm and the person and would also recognize that if the robot continues to move the arm and the person is assumed to have stopped at the current position Collision between the robot arm and the person is imminent. The robot can be designed in such a way that the planned movement of the swivel or gripper arm of the robot is then changed, so that the collision is avoided or at least mitigated.
Schließlich können auch sowohl der Roboter als Ganzes als auch das Objekt sich relativ zur Umgebung bewegen. Auch hier kann das um das SAR-Prinzip angewendet werden und die Kollisionswahrscheinlichkeit zwischen dem Roboter und dem Objekt bestimmt werden. Lediglich bei sowohl einem stationären Roboter als auch einem stationären Objekt ist ein Abbild des Objekts mittels SAR nicht möglich (das Gleiche gilt im Prinzip, wenn sich der Roboter und das Objekt mit der gleichen Geschwindigkeit in die gleich Richtung bewegen, da dies auch zu einer Relativgeschwindigkeit von Null führt).Finally, both the robot as a whole and the object can move relative to the environment. Here too, the SAR principle can be applied and the collision probability between the robot and the object can be determined. Only with both stationary robots as well as a stationary object cannot be imaged using SAR (the same applies in principle if the robot and the object move in the same direction at the same speed, as this also leads to a relative speed of zero) ,
In einer möglichen Ausführungsform können die Radiowellen nur in eine definierte Richtung relativ zum Roboter ausgesendet werden. Vorteilhafterweise weist das Radargerät jedoch einen Mechanismus auf, mit dem die Radiowellen (nacheinander) in unterschiedliche Richtungen relativ zum Roboter emittiert werden können. Dies erlaubt ein Erzeugen eines Abbilds eines größeren Teils der Umgebung, so dass potenziell kollisionsverursachende Objekte mit einer höheren Wahrscheinlichkeit ermittelt werden können. Ein Mechanismus, der eine Emission elektromagnetischer Wellen in unterschiedliche Richtungen erlaubt, könnte beispielsweise in einem rotierbaren und/oder schwenkbaren Sender bestehen.In one possible embodiment, the radio waves can only be emitted in a defined direction relative to the robot. However, the radar device advantageously has a mechanism with which the radio waves can be emitted (in succession) in different directions relative to the robot. This allows an image of a larger part of the environment to be generated, so that objects which may cause collisions can be identified with a higher probability. A mechanism which allows electromagnetic waves to be emitted in different directions could, for example, consist of a rotatable and / or pivotable transmitter.
Handelt es sich bei dem Roboter um einen relativ zur Umgebung beweglichen Roboter und soll auf einen oben genannten Mechanismus mit drehbarem oder schwenkbarem Sender verzichtet werden, kann das Radargerät vorteilhafterweise eine erste Antenne und eine zweite Antenne aufweisen, die im Wesentlichen im 90°-Winkel zueinander ausgerichtet sind. Vorzugsweise befinden sich die erste und zweite Antenne in etwa in der Bewegungsebene des Roboters. Mit der „Bewegungsebene“ ist im Zusammenhang dieser Patentanmeldung die Ebene gemeint, in der sich der bewegliche Roboter bewegt.If the robot is a robot that is movable relative to the surroundings and if the above-mentioned mechanism with a rotatable or pivotable transmitter is to be dispensed with, the radar device can advantageously have a first antenna and a second antenna, which are essentially at a 90 ° angle to one another are aligned. The first and second antennas are preferably located approximately in the plane of movement of the robot. In the context of this patent application, the “movement plane” means the plane in which the moving robot moves.
Besonders gute Messergebnisse nach dem SAR-Prinzip lassen sich erzielen, wenn die erste Antenne nicht nur senkrecht zur zweiten Antenne angeordnet ist und die beiden Antennen sich nicht nur im Wesentlichen in der Bewegungsebene befinden, sondern wenn die beiden Antennen zusätzlich etwa im 45°-Winkel zu der Bewegungsrichtung des (relativ zur Umgebung beweglichen) Roboters ausgerichtet sind. Dies ermöglicht nämlich eine optimale Detektion der von einem Objekt reflektierten oder ausgesendeten Signale für jegliche Objekte, die sich in der Bewegungsebene des Roboters an einem beliebigen Punkt um diesen herum befinden.Particularly good measurement results according to the SAR principle can be achieved if the first antenna is not only arranged perpendicularly to the second antenna and the two antennas are not only essentially in the plane of movement, but if the two antennas are also approximately at a 45 ° angle to the direction of movement of the robot (movable relative to the environment). This enables an optimal detection of the signals reflected or emitted by an object for any objects that are located anywhere in the movement plane of the robot.
Es kann ferner vorteilhaft sein, wenn das Verfahren zur Vermeidung einer Kollision eines Roboters mit einem sich relativ zum Roboter bewegenden Objekt einen Schritt umfasst, in dem die absolute Position des Roboters bestimmt wird. Dies kann satellitengestützt erfolgen (etwa via GPS - Global Positioning System) oder odometrisch, d.h. indem die Position des Roboters basierend auf den erfolgten Radumdrehungen, falls der Roboter durch Räder angetrieben ist, oder basierend auf den gemachten Schritten berechnet wird.It can also be advantageous if the method for avoiding a collision of a robot with an object moving relative to the robot comprises a step in which the absolute position of the robot is determined. This can be done by satellite (e.g. via GPS - Global Positioning System) or odometrically, i.e. by calculating the position of the robot based on the wheel revolutions made if the robot is driven by wheels or based on the steps taken.
Die odometrische Positionsbestimmung wird umso ungenauer, je weiter der Kalibrierpunkt zurückliegt, auf dem aufbauend die Radumdrehungen bzw. Schritte gezählt werden. Die satellitengestützte Positionsbestimmung hat prinzipiell immer dieselbe inhärente Unschärfe, benötigt jedoch relativ viel Energie und ist abhängig von dem Empfang der entsprechenden Satellitendaten, der je nach Produktionsstandort und Position innerhalb der Produktionshalle mehr oder weniger gut ist. Die höchste Genauigkeit bei der Positionsbestimmung lässt sich prinzipiell durch eine Kombination beider Methoden erreichen.The odometric position determination becomes all the more inaccurate the further back the calibration point lies on which the wheel revolutions or steps are counted. In principle, the satellite-based position determination always has the same inherent blur, but requires a relatively large amount of energy and is dependent on the reception of the corresponding satellite data, which is more or less good depending on the production location and position within the production hall. The highest accuracy when determining the position can in principle be achieved by a combination of both methods.
Auch wenn die Kenntnis der absoluten Lage des Roboters keine notwendige Voraussetzung für ein erfolgreiches Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahren zur Kollisionsvermeidung ist, ist es in der Praxis oftmals von Vorteil, wenn neben der relativen Entfernung und relativen Geschwindigkeit zwischen dem Roboter und dem Objekt auch die absolute Position und die absolute Geschwindigkeit des Objekts bestimmt werden kann.Even if knowledge of the absolute position of the robot is not a necessary prerequisite for successfully carrying out the method according to the invention for collision avoidance, in practice it is often advantageous if, in addition to the relative distance and relative speed between the robot and the object, the absolute position and the absolute speed of the object can be determined.
Eine weitere vielversprechende Variante der Erfindung, die insbesondere dazu geeignet ist, die Aufgabe der Erfindung, Kollisionen zuverlässig zu vermeiden, bestmöglich zu lösen, ist die Einbeziehung maschinellen Lernens. Hierbei sollte der Roboter während einer Lernphase mehrfach zumindest einen Teil seiner Umgebung erfassen und Muster und Gesetzmäßigkeiten in den erfassten Daten erkennen. Diese Muster und Gesetzmäßigkeiten können dann bei der Bestimmung einer gewohnten Umgebung verwendet werden. Die „Bestimmung der gewohnten Umgebung“ kann auch als „Leermessung“ bezeichnet werden. Sie dient dazu, überraschend auftauchende Objekte mit höherer Genauigkeit und Zuverlässigkeit von bekannten und gewöhnlich präsenten Objekten zu unterscheiden und zu detektieren.Another promising variant of the invention, which is particularly suitable for solving the problem of the invention to reliably avoid collisions, is the inclusion of machine learning. Here, the robot should record at least part of its surroundings several times during a learning phase and recognize patterns and regularities in the recorded data. These patterns and laws can then be used to determine a familiar environment. The "determination of the familiar environment" can also be called "empty measurement". It serves to distinguish and detect surprisingly appearing objects with higher accuracy and reliability from known and usually present objects.
Alternativ oder zusätzlich kann maschinelles Lernen auch in einem anderen Kontext genutzt werden, um die Detektionsgenauigkeit des Radargeräts zu erhöhen: während einer Lernphase erzeugt der Prozessor in einem ersten Schritt Abbilder von Objekten nach dem SAR-Prinzip in der Umgebung des Roboters. Diese Abbilder werden in einem zweiten Schritt mit tatsächlichen Bildern dieser Objekte verglichen, die ein Nutzer den erzeugten Abbildern zuordnet. Mittels dieses Verfahrens wird das System „trainiert“ und kann die vom Benutzer gegebene Information, ob bzw. inwieweit ein erzeugtes Abbild korrekt war, verwerten um seine Detektionsgenauigkeit zu verbessern.Alternatively or additionally, machine learning can also be used in a different context to increase the detection accuracy of the radar device: during a learning phase, the processor generates images of objects in the vicinity of the robot according to the SAR principle in a first step. In a second step, these images are compared with actual images of these objects, which a user assigns to the generated images. Using this method, the system is “trained” and can use the information given by the user as to whether or to what extent a generated image was correct in order to improve its detection accuracy.
Ferner ist es möglich, dass die Kenntnis sich wiederholender Bewegungen des Roboters oder Teile davon ebenfalls für die Kollisionsvermeidung verwendet wird. Dies wird auch als die Kenntnis der aktuellen und voraussichtlich zukünftigen Pose des Roboters bezeichnet.It is also possible that the knowledge of repetitive movements of the robot or parts thereof is also used for collision avoidance. This is also known as the knowledge of current and probably future pose of the robot.
Der letzte Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet ein Ändern der geplanten Bewegung des Roboters derart, dass eine Kollision des Roboters mit dem Objekt vermieden oder zumindest abgemildert wird, falls eine solche Kollision aufgrund der Positionen von Roboter und Objekt und der Relativbewegung zwischen ihnen droht. Die Bewegungsänderung des Roboters kann ein „aktives“ Wegdrehen des Roboters oder Teile davon vom Objekt umfassen. Die Bewegungsänderung kann auch ein Stillstand des Roboters und Verharren darin bis ein Signal zur Bewegungsaufnahme gegeben wurde beinhalten. Die Bewegungsänderung kann auch ein Ausweichen des Roboters auf einen anderen Bewegungspfad als ursprünglich geplant umfassen, um dadurch eine Kollision zwischen Roboter und Objekt zu vermeiden. Schließlich ist zu erwähnen, dass in manchen Fällen eine Kollision zwischen dem Roboter und einem Objekt nicht gänzlich vermieden werden kann, durch das erfindungsgemäße Verfahren und eine vorteilhafte Bewegungsänderung des Roboters im letzten Verfahrensschritt können aber die Folgen der Kollision abgemildert werden. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn ein Objekt, beispielsweise eine Person, sich so unvermittelt und dicht auf den Roboter zubewegt, dass dieser zwar noch eine Ausweichbewegung initiiert, eine Kollision bzw. ein Streifen von Roboter und der Person aber nicht gänzlich verhindert werden kann.The last step of the method according to the invention includes changing the planned movement of the robot such that a collision of the robot with the object is avoided or at least mitigated if such a collision threatens due to the positions of the robot and the object and the relative movement between them. The change in motion of the robot can include an “active” turning away of the robot or parts thereof from the object. The change in movement can also include a standstill of the robot and persistence in it until a signal to start movement has been given. The change in movement can also involve the robot moving to a different movement path than originally planned, in order thereby to avoid a collision between the robot and the object. Finally, it should be mentioned that in some cases a collision between the robot and an object cannot be completely avoided, but the consequences of the collision can be mitigated by the method according to the invention and an advantageous change in movement of the robot in the last method step. This is the case, for example, when an object, for example a person, moves so suddenly and close to the robot that the robot still initiates an evasive movement, but a collision or a streak of the robot and the person is not completely prevented can.
Die Erfindung betrifft auch ein System umfassend einen Roboter und ein Radargerät, wobei das System bzw. der Roboter zur Ausführung eines der vorgenannten Verfahren geeignet ist. Das Radargerät sollte insbesondere die folgenden Komponenten aufweisen:
- - eine Aussendeeinheit, die elektromagnetische Wellen in zumindest einen Teil der Umgebung des Roboters aussenden kann;
- - eine Empfangseinheit, die ein Signal, das aufgrund des Auftreffens der elektromagnetischen Wellen auf dem Objekt von diesem zur Antenne reflektiert oder ausgesendet wird, detektieren kann; und
- - einen Prozessor, der ebenfalls ein Teil des Radargeräts ist, und der ein Abbild des Objekts nach dem SAR-Prinzip erzeugen und die relative Entfernung und Geschwindigkeit zwischen dem Roboter und dem Objekt bestimmen kann.
- an emitting unit that can emit electromagnetic waves in at least part of the surroundings of the robot;
- a receiving unit that can detect a signal that is reflected or emitted from the object to the antenna due to the impingement of the electromagnetic waves on the object; and
- - A processor, which is also part of the radar device, and which can generate an image of the object according to the SAR principle and can determine the relative distance and speed between the robot and the object.
Die Aussendeeinheit und die Empfangseinheit können durch ein einzelnes Bauteil, das insbesondere eine oder mehrere Antennen umfasst, realisiert sein. In diesem Fall spricht man von einem monostatischen Radarsystem. Alternativ können die beiden Einheiten auch getrennt sein (z.B. aufweisend eine Sende- und eine Empfangsantenne), was dann als bistatisches Radarsystem bezeichnet wird.The transmitter unit and the receiver unit can be realized by a single component, which in particular comprises one or more antennas. In this case one speaks of a monostatic radar system. Alternatively, the two units can also be separate (e.g. having a transmitting and a receiving antenna), which is then referred to as a bistatic radar system.
Es kann dabei vorteilhaft sein, das Radargerät an einem exponierten Teil des Roboters anzubringen. Dies erlaubt prinzipiell ein möglichst ungehindertes Aussenden und Empfangen der Radiowellen des Radargeräts.It may be advantageous to attach the radar device to an exposed part of the robot. In principle, this allows the radio waves of the radar device to be transmitted and received as freely as possible.
Im Folgenden wird die Erfindung konkret anhand einer Abbildung beschrieben, die natürlich nur ein Beispiel, d.h. eine mögliche Ausführungsform der Erfindung darstellt und keinesfalls beschränkend für den beanspruchten Schutzumfang des Patents wirkt.In the following, the invention is described concretely with reference to an illustration, which of course is only an example, i.e. represents a possible embodiment of the invention and is in no way restrictive of the claimed scope of protection of the patent.
Die Abbildung zeigt schematisch einen stationären Roboter
Ferner ist in der Abbildung ein Objekt
Claims (12)
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DE102018211943.0A Withdrawn DE102018211943A1 (en) | 2018-07-18 | 2018-07-18 | Radar system for collision avoidance of a robot |
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