DE102019124717B4

DE102019124717B4 - Robotersystem

Info

Publication number: DE102019124717B4
Application number: DE102019124717.9A
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Grimmel; Fabian Benedikt; Martin Görner; Thomas Hulin; Benedikt Pleintinger
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2039-09-14
Also published as: DE102019124717A1; WO2021047801A1; GB202203199D0; GB2601699B; GB2601699A

Abstract

Robotersystem (10),mit einem Schienensystem (12), wobei das Schienensystem (12) an mindestens Stelle einen geknickten Verlauf aufweist und mindestens einer Fortbewegungsvorrichtung (14) mit einem Antrieb (16a/16b, 18a/18b, 20a/20b, 22a/22b),wobei der Antrieb der Fortbewegungsvorrichtung (14) mit dem Schienensystem (12) zusammenwirkt, derart, dass die Fortbewegungsvorrichtung auf dem geknickten Verlauf des Schienensystems (12) verfahren kann,wobei das Schienensystem (12) mehrere Schienen (26, 28) aufweist, wobei jede Schiene (26, 28) zwei im Querschnitt L-förmige Profile (30, 32) aufweist, zwischen denen ein durchgehender Spalt (24) verläuft,wobei der Antrieb (16a/16b, 18a/18b, 20a/20b, 22a/22b) mehrere angetriebene Rollen zum Verfahren der Fortbewegungsvorrichtung (14) entlang einer Schiene (26, 28) aufweist,wobei die Rollen (16a/16b, 18a/18b, 20a/20b, 22a/22b) auf der Oberseite jeweils eines im Wesentlichen waagerecht verlaufenden Schenkels (30a, 32a) der beiden L-förmigen Profile (30, 32) aufliegen,wobei das Schienensystem (12) mindestens eine Kreuzung (34) aufweist, an der sich mindestens zwei Schienen (26, 28) in einem Winkel zueinander treffen,dadurch gekennzeichnet, dassdie Fortbewegungsvorrichtung (14) Spaltdetektionssensoren (36a - 36h) zur Detektion der Lage des Spaltes relativ zur Fortbewegungsvorrichtung (14) aufweist,wobei die Fortbewegungsvorrichtung (14) ferner Kreuzungsdetektionssensoren (38a/38b, 40a,/40b, 42a/42b, 44a/44b) zur Detektion einer Kreuzung (34) aufweist, der sich die Fortbewegungsvorrichtung (14) beim Verfahren auf einer Schiene (26, 28) nähert.

Description

Die Erfindung betrifft ein schienengeführtes Robotersystem.
Aus DE 10 2017 215 166 A1 ist ein solches schienengeführtes Robotersystem bekannt. Es weist ein Schienensystem auf, auf dem ein Roboter zur Manipulation mit Hilfe einer Fortbewegungsvorrichtung verfahren werden kann. Hierbei weist das Schienensystem einen geknickten Verlauf und insbesondere eine Kreuzung auf. Die Fortbewegungsvorrichtung kann an einer Kreuzung in verschiedene Richtungen bewegt werden.
Hintergrundinformationen zum Stand der Technik können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:

DE 20 2018 102 171 U1
DE 20 2013 004 209 U1
DE 10 2012 023 999 A1
US 2017 / 0 344 028 A1
US 2007 / 0 031 217 A1

Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, ein schienenbasiertes Robotersystem bereitzustellen, das eine verbesserte Manövrierbarkeit aufweist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Robotersystem gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Steuern eines Robotersystems gemäß Anspruch 10.
Das erfindungsgemäße Robotersystem weist ein Schienensystem auf, das an mindestens einer Stelle einen geknickten Verlauf und insbesondere eine Kreuzung aufweist. Ferne weist das Robotersystem mindestens eine Fortbewegungsvorrichtung mit einem Antrieb auf. Dieser kann beispielsweise eine Vielzahl von angetriebenen Rollen aufweisen. Die Fortbewegungsvorrichtung wirkt derart mit dem Schienensystem zusammen, dass sie auf dem geknickten Verlauf des Schienensystems verfahren werden kann.
Mit der Fortbewegungsvorrichtung kann ein Verbindungselement verbunden sein, das wiederum mit einem Manipulator und/oder einer Sensorvorrichtung und/oder einer Beleuchtungsvorrichtung und/oder einer Aufzeichnungsvorrichtung verbindbar ist. Andere Vorrichtungen sind ebenfalls in Abhängigkeit von der durchzuführenden Aufgabe des Roboters möglich.
Erfindungsgemäß weist das Robotersystem mehrere Schienen auf, wobei jede Schiene zwei im Querschnitt L-förmige Profile aufweist, zwischen denen ein durchgehender Spalt verläuft. Durch diesen Spalt kann das Verbindungelement geführt werden.
Der Antrieb weist mehrere angetriebene Rollen zum Verfahren der Fortbewegungsvorrichtung entlang einer Schiene auf.
Die Rollen liegen auf der Oberseite jeweils eines im Wesentlichen waagerecht verlaufenden Schenkels der beiden L-förmigen Profile auf.
Das Schienensystem weist erfindungsgemäß mindestens eine Kreuzung auf, an der sich mindestens zwei Schienen in einem Winkel zueinander treffen.
Die Fortbewegungsvorrichtung weist Spaltdetektionssensoren zur Detektion der Lage des Spaltes relativ zur Lage der Fortbewegungsvorrichtung auf.
Ferner weist die Fortbewegungsvorrichtung Kreuzungsdetektionssensoren zur Detektion einer Kreuzung auf, der sich die Fortbewegungsvorrichtung beim Fahren auf einer Schiene nähert.
Erfindungsgemäß ist es somit möglich, unter Verwendung der Kreuzungsdetektionssensoren eine Kreuzung zu erkennen, bevor die Fortbewegungsvorrichtung an dieser Kreuzung angekommen ist. Anders ausgedrückt sind die Kreuzungsdetektionssensoren derart an der Fortbewegungsvorrichtung angebracht, dass sie eine Kreuzung schon dann erkennen können, wenn sich die Fortbewegungsvorrichtung dieser Kreuzung nähert, jedoch noch nicht an der Kreuzung angekommen ist. Wenn sich die Fortbewegungsvorrichtung einer Kreuzung nähert, kann sie bereits abgebremst werden, so dass ein sanfteres Abbremsen erfolgen kann.
Wenn sich die Fortbewegungsvorrichtung exakt über der Kreuzung befindet, kann sie anhand der Spaltdetektionssensoren relativ zur Schiene ausgerichtet werden, indem ihre Position relativ zur Schiene und damit zum Spalt detektiert wird. Nach erfolgter Ausrichtung der Fortbewegungsvorrichtung an der Kreuzung kann diese auf einer anderen Schiene weiterfahren, als sie an der Kreuzung angekommen ist.
Es ist bevorzugt, dass die Spaltsensoren an der Unterseite der Fortbewegungsvorrichtung in einem Bereich angeordnet sind, der über dem Spalt angeordnet ist.
Auch können die Spaltsensoren an einem Verbindungselement angebracht sein, das an der Unterseite der Fortbewegungsvorrichtung angebracht ist und durch den Spalt verläuft. Hierbei können die Spaltsensoren am Verbindungselement in Richtung der Spaltwände gerichtet sein, die von dem waagerecht verlaufenden Schienenteilen der L-förmigen Profile gebildet werden. Hierdurch kann der Abstand des Verbindungselements und damit der Fortbewegungsvorrichtung zu den Spaltwänden ermittelt werden. Ein Ausrichten der Fortbewegungsvorrichtung relativ zum Spalt und damit relativ zur Schiene ist somit möglich.
Um die Kreuzung im Vorhinein detektieren zu können, ist es bevorzugt, dass die Spaltsensoren in Fahrtrichtung der Fortbewegungsvorrichtung auf der Schiene verkippt sind, wobei der Verkippungswinkel insbesondere verstellbar sein kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kreuzungsdetektionssensoren in seitlicher Richtung an der Fortbewegungsvorrichtung in Richtung des senkrecht verlaufenden Teils des L-förmigen Profils angebracht.
Bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die zwei Schenkel des L-förmigen Profils einen beliebigen Winkel aufweisen, der nicht unbedingt ein rechter Winkel sein muss. Der Winkel muss lediglich derart ausgestaltet sein, dass der senkrecht verlaufende Schenkel des L-förmigen Profils dazu verwendet werden kann, die Fortbewegungsvorrichtung auf der Schiene zu führen oder zu zentrieren. Hierzu kann auch ein spitzer oder stumpfer Winkel verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind jeweils zwei Kreuzungsdetektionssensoren an jeder Ecke der Fortbewegungsvorrichtung insbesondere in einem im Wesentlichen rechten Winkel zueinander angeordnet.
Alternativ hierzu kann je ein Kreuzungsdetektionssensor an jeder Ecke der Fortbewegungsvorrichtung in einem Winkel von im Wesentlichen 45° zum Rand der Fortbewegungsvorrichtung angeordnet sein. In dieser Ausführungsform werden weniger Kreuzungsdetektionssensoren benötigt. Beispielsweise können bei einer rechteckigen Fortbewegungsvorrichtung lediglich vier Kreuzungsdetektionssensoren (einer an jeder Ecke) verwendet werden.
Alternativ können die Kreuzungsdetektionssensoren von einer 360°-Kamera gebildet werden, die an der Fortbewegungsvorrichtung angebracht ist. Diese ist derart in Richtung der Schiene bzw. des Spaltes gerichtet, dass sie eine Kreuzung beim Verfahren der Fortbewegungsvorrichtung auf der Schiene detektieren kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern eines Robotersystems, insbesondere, wie es bisher beschrieben wurde. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sämtliche Merkmale des Robotersystems aufweisen sowie umgekehrt.
Eine Fortbewegungsvorrichtung wird auf einer Schiene mit einem mittigen Spalt in Richtung einer Schienenkreuzung verfahren. Es erfolgt während dieser Fortbewegung eine Ausrichtung der Fortbewegungsvorrichtung relativ zum Spalt unter Verwendung von Spaltdetektionssensoren.
Bei Annäherung an eine Kreuzung erfolgt ein Detektieren der nahenden Schienenkreuzung durch Kreuzungsdetektionssensoren an der Fortbewegungsvorrichtung.
Sodann erfolgt ein Abbremsen der Fortbewegungsvorrichtung vor der Kreuzung, so dass diese an der Kreuzung stehen bleibt.
Anschließend erfolgt ein Ausrichten der Fortbewegungsvorrichtung relativ zum Spalt unter Verwendung von Spaltdetektionssensoren.
Sodann erfolgt ein Verfahren der Fortbewegungsvorrichtung von der Kreuzung weg auf einer anderen Schiene als der derjenigen Schiene, auf der Fortbewegungsvorrichtung an der Kreuzung angekommen ist.
Bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Kreuzungsdetektionssensoren und/oder die Spaltdetektionssensoren induktive Sensoren, Reflektionssensoren (IR-Sensoren), Kameras, Berührungs- oder Kraftsensoren, Schallsensoren, insbesondere Ultraschallsensoren, Tiefenbildsensoren (zum Beispiel Stereokamera), Lidar-Sensoren und/oder time-of-flight Sensoren sein. Wichtig ist lediglich, dass die Sensoren dazu in der Lage sind, eine nahende Kreuzung bzw. die Lage des Spaltes relativ zur Fortbewegungsvorrichtung zu erkennen.
Die zusätzlichen Spaltdetektionssensoren sind insbesondere deswegen notwendig, weil die senkrecht verlaufenden Schenkel der L-förmigen Profile nicht durchgehend verlaufen und somit die Kreuzungsdetektionssensoren, die in Richtung dieser senkrecht verlaufenden Wände gerichtet sein können, beispielsweise in einer Kreuzung, in der es keine senkrecht verlaufenden Schenkel gibt, die Lage des Spaltes nicht genau ermitteln können. Hierzu sind somit gesonderte Spaltdetektionssensoren notwendig.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können an mindestens vier Seiten der Fortbewegungsvorrichtung jeweils ein Spaltsensor und jeweils mindestens ein angetriebenes Rad angeordnet sein. Es kann sodann ein Ausrichten der Fortbewegungsvorrichtung zur Schiene dadurch erfolgen, dass das angetriebene Rad insbesondere ausschließlich in Abhängigkeit von der vom dazugehörigen Spaltsensor detektierten Position des Spaltes relativ zur Fortbewegungsvorrichtung angetrieben wird. Mit diesem sehr einfachen Regelungsverfahren ist eine sehr einfache aber dennoch effektive Ausrichtung der Fortbewegungsvorrichtung relativ zur Schiene möglich.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:

1 eine Draufsicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 eine geschnittene Seitenansicht derselben Ausführungsform.
3 eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gemäß 1 weist das Robotersystem (10) eine Fortbewegungsvorrichtung (14) auf, die auf einem Schienensystem (12) verfahren werden kann. Das Schienensystem weist eine Vielzahl von Schienen auf, von denen in 1 zwei Schienen (26, 28) dargestellt sind, die in einem rechten Winkel zueinander verlaufen und somit eine Kreuzung bilden. Kreuzungen können beliebige Winkel aufweisen. Ferner können auch mehr als zwei Schienen an einer Kreuzung aufeinandertreffen.
Wie in 2 erkennbar, weist eine Schiene zwei L-förmige Profile (30, 32) auf, zwischen denen ein Spalt (24) angeordnet ist. In diesem Spalt verläuft ein Verbindungselement (46) nach unten, über das die Fortbewegungsvorrichtung (14) mit einem Manipulator oder anderen Vorrichtungen verbunden werden kann. Diese können verschiedene Aufgaben erfüllen.
Zum Verfahren der Fortbewegungsvorrichtung (14) und damit des Roboters auf einer Schiene, muss die Fortbewegungsvorrichtung an jeder Seite zwei Rollen (16a/16b, 18a/18b, 20a/20b, 22a/22b) auf, bei denen es sich beispielsweise um Omniwheels handeln kann.
An jeder Seite der Fortbewegungsvorrichtung weist diese Sensoren zur Spaltdetektion (36a, 36b, 36c, 36d), die an der Unterseite der Fortbewegungsvorrichtung (14), d. h. zur Schiene hin gerichtet, angebracht sind. Diese können beispielsweise eine Linienform aufweisen.
Ferner sind an jeder Ecke der Fortbewegungsvorrichtung (14) jeweils zwei Kreuzungsdetektionssensoren (38a/38b, 40a/40b, 42a/42b, 44a/44b) angeordnet, die insbesondere einen Winkel von 90° zueinander aufweisen. Wie in 2 erkennbar, sind diese Sensoren in Richtung der senkrecht verlaufenden Schenkel (30b, 32b) der L-förmigen Profile der Schiene gerichtet. Sofern diese senkrecht verlaufenden Schenkel unterbrochen werden, wird eine solche Unterbrechung durch die Kreuzungsdetektionssensoren detektiert, so dass davon ausgegangen werden kann, dass sich die Fortbewegungsvorrichtung einer Kreuzung nähert. Sie kann somit rechtzeitig abgebremst werden. Dies ist in 1 erkennbar. In der in 1 dargestellten Position der Fortbewegungsvorrichtung wird durch keinen der Kreuzungsdetektionssensoren ein senkrecht verlaufender Schenkel der L-förmigen Profile detektiert.
Alternativ oder zusätzlich können an der Seite des Verbindungselements (46) zu den Wänden (24a, 24b) der waagerecht verlaufenden Schenkel (30a, 32a) der L-förmigen Profile (30, 32) Spaltdetektionssensoren (37a, 37b) angeordnet sein.
Eine alternative Ausführungsform ist in 3 dargestellt. Hier sind die Spaltdetektionssensoren (36a - 36h) im Wesentlichen in einer Kreisform an der Unterseite der Fortbewegungsvorrichtung angeordnet. Es ist beispielsweise in dieser Ausführungsform möglich, den Spalt durch zwei benachbarte Spaltdetektionssensoren (36d, 36e)zu detektieren, sofern dieser Spalt gleichzeitig durch diese beiden Spaltdetektionssensoren erfassbar ist. Hierdurch kann die Erfassungsgenauigkeit erhöht werden.
Weiterhin sind in dieser Ausführungsform die Kreuzungsdetektionssensoren in einem Winkel von 45° relativ zu den vier Rändern der Fortbewegungsvorrichtung (14) angeordnet. Hierdurch können weniger Kreuzungsdetektionssensoren verwendet werden, als in der Ausführungsform gemäß den 1 und 2.

Claims

Robotersystem (10), mit einem Schienensystem (12), wobei das Schienensystem (12) an mindestens Stelle einen geknickten Verlauf aufweist und mindestens einer Fortbewegungsvorrichtung (14) mit einem Antrieb (16a/16b, 18a/18b, 20a/20b, 22a/22b), wobei der Antrieb der Fortbewegungsvorrichtung (14) mit dem Schienensystem (12) zusammenwirkt, derart, dass die Fortbewegungsvorrichtung auf dem geknickten Verlauf des Schienensystems (12) verfahren kann, wobei das Schienensystem (12) mehrere Schienen (26, 28) aufweist, wobei jede Schiene (26, 28) zwei im Querschnitt L-förmige Profile (30, 32) aufweist, zwischen denen ein durchgehender Spalt (24) verläuft, wobei der Antrieb (16a/16b, 18a/18b, 20a/20b, 22a/22b) mehrere angetriebene Rollen zum Verfahren der Fortbewegungsvorrichtung (14) entlang einer Schiene (26, 28) aufweist, wobei die Rollen (16a/16b, 18a/18b, 20a/20b, 22a/22b) auf der Oberseite jeweils eines im Wesentlichen waagerecht verlaufenden Schenkels (30a, 32a) der beiden L-förmigen Profile (30, 32) aufliegen, wobei das Schienensystem (12) mindestens eine Kreuzung (34) aufweist, an der sich mindestens zwei Schienen (26, 28) in einem Winkel zueinander treffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Fortbewegungsvorrichtung (14) Spaltdetektionssensoren (36a - 36h) zur Detektion der Lage des Spaltes relativ zur Fortbewegungsvorrichtung (14) aufweist, wobei die Fortbewegungsvorrichtung (14) ferner Kreuzungsdetektionssensoren (38a/38b, 40a,/40b, 42a/42b, 44a/44b) zur Detektion einer Kreuzung (34) aufweist, der sich die Fortbewegungsvorrichtung (14) beim Verfahren auf einer Schiene (26, 28) nähert.
Robotersystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltdetektionssensoren (36a - 36h) an der Unterseite der Fortbewegungsvorrichtung (14) in einem Bereich angeordnet sind, der sich über dem Spalt (24) bewegt.
Robotersystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltdetektionssensoren (36a - 36h) an einem Verbindungselement (46) angebracht sind, das an der Unterseite der Fortbewegungsvorrichtung (14) angebracht ist und durch den Spalt (24) verläuft, wobei die Spaltdetektionssensoren am Verbindungselement (46) in Richtung der Spaltwände (24a, 24b) gerichtet sind, die von den waagerecht verlaufenden Schienenenteilen (30a, 32a) der L-förmigen Profile (30, 32) gebildet werden.
Robotersystem (10) nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltdetektionssensoren (36a - 36h) in Fahrtrichtung der Fortbewegungsvorrichtung (14) auf der Schiene (26, 28) verkippt sind, wobei der Verkippungswinkel insbesondere verstellbar ist.
Robotersystem (10) nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreuzungsdetektionssensoren in seitlicher Richtung an der Fortbewegungsvorrichtung (14) in Richtung des senkrecht verlaufenden Teils (30b, 32b) des L-förmigen Profils (30, 32) angebracht sind.
Robotersystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Kreuzungsdetektionssensoren (38a/38b, 40a/40b, 42a/42b, 44a/44b) an jeder Ecke der Fortbewegungsvorrichtung (14) insbesondere in einem im wesentlichen rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
Robotersystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Kreuzungsdetektionssensor (39a - 39d) an jeder Ecke der Fortbewegungsvorrichtung (14) in einem Winkel von im Wesentlichen 45° zum Rand der Fortbewegungsvorrichtung (14) angeordnet ist.
Robotersystem (10) nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreuzungsdetektionssensoren von einer 360°-Kamera gebildet werden, die an der Fortbewegungsvorrichtung (14) angebracht ist.
Robotersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schienensystem (12) mindestens eine Kreuzung aufweist, an der mindestens drei Schienen insbesondere derart zusammentreffen, dass sich die Spalte (24) der Schienen überschneiden.
Verfahren zum Steuern eines Robotersystems (10) insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit den folgenden Verfahrensschritten: Verfahren einer Fortbewegungsvorrichtung (14) auf einer Schiene (26) mit einem mittigen Spalt (24) in Richtung einer Schienenkreuzung (34) und gleichzeitiges Ausrichten der Fortbewegungsvorrichtung (14) relativ zum Spalt (24) unter Verwendung von Spaltdetektionssensoren (36a - 36h), Detektieren der nahenden Schienenkreuzung (34) durch Kreuzungsdetektionssensoren (38a/38b, 40a/40b, 42a/42b, 44a/44b) an der Fortbewegungsvorrichtung (14), Abbremsen der Fortbewegungsvorrichtung (14) vor der Kreuzung (34), so dass diese an der Kreuzung stillsteht, Ausrichten der Fortbewegungsvorrichtung (14) relativ zum Spalt (24) unter Verwendung der Spaltdetektionssensoren (36a - 36h), Verfahren der Fortbewegungsvorrichtung (14) von der Kreuzung (34) weg auf eine andere Schiene (28) als derjenigen, auf der die Fortbewegungsvorrichtung (14) an der Kreuzung (34) angekommen ist.
Verfahren zum Steuern eines Robotersystems (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens vier Seiten der Fortbewegungsvorrichtung (14) jeweils ein Spaltdetektionssensor (36a - 36h) und jeweils mindestens ein angetriebenes Rad (16a/16b, 18a/18b, 20a/20b, 22a/22b) angeordnet ist, gekennzeichnet durch den Schritt: Ausrichten der Fortbewegungsvorrichtung (14) relativ zur Schiene (26, 28), indem das angetriebene Rad insbesondere ausschließlich in Abhängigkeit von der vom dazugehörigen Spaltdetektionssensor detektierten Position des Spaltes (24) relativ zur Fortbewegungsvorrichtung (14) angetrieben wird.