DE102020212464A1

DE102020212464A1 - Modulares Robotersystem zum Transportieren eines Objektes und Verfahren zum Transportieren eines Objektes

Info

Publication number: DE102020212464A1
Application number: DE102020212464.7A
Authority: DE
Inventors: Juan Mauricio Toro Ramos; Daniel Schütz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-10-01
Filing date: 2020-10-01
Publication date: 2022-04-07
Also published as: WO2022069181A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein modulares Robotersystem (1) zum Transportieren eines Objektes (10), umfassend mindestens zwei autonome Robotereinheiten (2), wobei die mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) jeweils einen Antrieb (3) und mindestens ein Verbindungsmittel (4) zum Verbinden mit dem Objekt (10) aufweisen, wobei Steuereinrichtungen (5) der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) dazu eingerichtet sind, sich nach einem Verbinden der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) mit dem Objekt (10) auf das Steuern und/oder Regeln der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit (20) umzustellen, und hierzu eine Steuer- und/oder Regelstrategie unter Berücksichtigung von kinematischen Eigenschaften der Antriebe (3) der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) und von einer Anordnung der Robotereinheiten (2) und deren verbindungsmittelbedingten Freiheitsgraden relativ zum verbundenen Objekt (10) auf die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit (20) umzustellen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Transportieren eines Objektes (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein modulares Robotersystem zum Transportieren eines Objektes und ein Verfahren zum Transportieren eines Objektes.
Mit fortschreitender Automatisierung in der Fertigung und in der Logistik kommen auch Robotersysteme zum Einsatz, die Objekte, insbesondere Erzeugnisse und Halberzeugnisse, von einem Ort zu einem anderen Ort transportieren können. Hierbei kommen vermehrt halbautonome oder autonome Robotersysteme zum Einsatz.
Aus der WO 2020/022479 A1 ist ein Transportroboter bekannt, der zum Transportieren eines Transportgegenstandes so konfiguriert ist, dass er den Transportgegenstand transportiert, während er ihn mit einem anderen Transportroboter sandwichartig fixiert.
Aus der US 2015/0142249 A1 ist ein koordiniertes Transportrobotersystem bekannt. Dieses umfasst einen ersten und einen zweiten Roboter, die jeweils eine mobile Einheit und eine Bewegungssteuereinheit enthalten; Fehlerabsorptionsmechanismen für die erste und zweite Position, die am ersten und zweiten Roboter vorgesehen sind; ein Impedanzmodell, das eine externe Kraft aus dem von der passiven Elementeinheit erfassten Verschiebungsbetrag schätzt; eine externe Kraftschätzeinheit, die die jeweiligen externen Kräfte schätzt, die auf den ersten und den zweiten Roboter wirken, basierend auf externen Kräften, die mit einem Dynamikmodell geschätzt und durch das Impedanzmodell geschätzt werden; ein Compliance-Modell, das die jeweiligen Positionskorrekturbeträge des ersten und des zweiten Roboters berechnet, um eine externe Kraft auf Null zu setzen; und eine Bewegungsbefehlsberechnungseinheit, die Bewegungsbefehle an den ersten und zweiten Roboter basierend auf den Positionskorrekturbeträgen berechnet. Jede der Bewegungssteuereinheiten steuert die jeweiligen mobilen Einheiten basierend auf den jeweiligen Bewegungsbefehlen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein modulares Robotersystem zum Transportieren eines Objektes und ein Verfahren zum Transportieren eines Objektes zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein modulares Robotersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird ein modulares Robotersystem zum Transportieren eines Objektes geschaffen, umfassend mindestens zwei autonome Robotereinheiten, wobei die mindestens zwei autonomen Robotereinheiten jeweils einen Antrieb und mindestens ein Verbindungsmittel zum Verbinden mit dem Objekt aufweisen, wobei Steuereinrichtungen der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten dazu eingerichtet sind, sich nach einem Verbinden der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten mit dem Objekt auf das Steuern und/oder Regeln der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit umzustellen, und hierzu eine Steuer- und/oder Regelstrategie unter Berücksichtigung von kinematischen Eigenschaften der Antriebe der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten und von einer Anordnung der Robotereinheiten und deren verbindungsmittelbedingten Freiheitsgraden relativ zum verbundenen Objekt auf die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit umzustellen.
Ferner wird insbesondere ein Verfahren zum Transportieren eines Objektes zur Verfügung gestellt, wobei mindestens zwei autonome Robotereinheiten eines modularen Robotersystems mittels Antrieben der mindestens zwei mobilen Robotereinheiten automatisiert zu dem Objekt gefahren werden, wobei die mindestens zwei mobilen Robotereinheiten jeweils mittels mindestens eines Verbindungsmittels mit dem Objekt verbunden werden, wobei Steuereinrichtungen der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten nach einem Verbinden der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten mit dem Objekt auf das Steuern und/oder Regeln der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit umgestellt werden, und wobei hierzu eine Steuer- und/oder Regelstrategie unter Berücksichtigung von kinematischen Eigenschaften der Antriebe der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten und von einer Anordnung der Robotereinheiten und deren verbindungsmittelbedingten Freiheitsgraden relativ zum verbundenen Objekt auf die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit umgestellt wird.
Das modulare Robotersystem und das Verfahren erlauben es, eine Roboter-Objekt-Einheit auszubilden, bei der die Roboter und das Objekt nicht mehr als mechanisch getrennt betrachtet werden, sondern insbesondere als eine mechanisch integral, das heißt zusammenhängend, ausgebildete Einheit. Entsprechend wird diese ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit auch wie eine solche gesteuert bzw. geregelt. Insbesondere können sich die Eigenschaften und/oder Fähigkeiten der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit gegenüber den einzelnen autonomen Robotereinheiten ändern. Um diesen Eigenschaften und/oder Fähigkeiten Rechnung zu tragen, wird eine Steuer- und/oder Regelstrategie unter Berücksichtigung von kinematischen Eigenschaften der Antriebe der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten und von einer Anordnung der Robotereinheiten und deren verbindungsmittelbedingten, das heißt durch ein bzw. mehrere Verbindungsmittel verminderten oder erweiterten, Freiheitsgraden relativ zum verbundenen Objekt auf die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit umgestellt. Anders ausgedrückt wird durch das Verbinden der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten mit dem Objekt ein größerer, zusammenhängender autonomer Roboter ausgebildet, der auch als Einheit gesteuert und/oder geregelt wird.
Ein Vorteil des modularen Robotersystems und des Verfahrens ist, dass ein zu transportierendes Objekt einen integralen Bestandteil der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit ausbilden kann und hierbei insbesondere als eine Art mechanische Trägerstruktur wirken kann. Hierdurch kann eine Flexibilität des modularen Robotersystems erhöht werden, da sich individuelle Lösungen zum Transportieren eines Objektes unter Berücksichtigung der Objekteigenschaften maßschneidern lassen.
Das modulare Robotersystem ist insbesondere als heterogenes Robotersystem ausgebildet. Ein solches heterogenes Robotersystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass mindestens eine der verwendeten autonomen Robotereinheiten sich im Vergleich zu den restlichen verwendeten autonomen Robotereinheiten in mindestens einer Eigenschaft von diesen unterscheidet. Eine solche unterschiedliche Eigenschaft ist insbesondere eine kinematische Eigenschaft und/oder eine Eigenschaft des mindestens einen Verbindungsmittels. Die Möglichkeit, das modulare Robotersystem in heterogener Weise auszubilden, hat den Vorteil, dass eine Flexibilität beim Ausbilden der Roboter-Objekt-Einheit erhöht werden kann. Insbesondere können auf diese Weise verbesserte maßgeschneiderte Lösungen für komplexe Transportprobleme bereitgestellt werden.
Die Robotereinheiten können jeweils eine Sensorik zur Umfelderfassung und/oder eine Navigationseinrichtung zur autonomen Navigation und/oder Trajektorienplanung aufweisen. Ferner weisen die Robotereinheiten insbesondere einen Energiespeicher zum Bereitstellen von Energie auf.
Ein Verbindungsmittel kann insbesondere Greif-, Klemm- und/oder Rastmittel aufweisen, mit denen eine mechanisch lösbare Verbindung zum Objekt ausgebildet werden kann. Es kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass ein Verbindungsmittel eine Kopplungsschnittstelle aufweist, welche mit einer komplementär ausgebildeten Kopplungsschnittstelle an dem Objekt mechanisch lösbar verbunden werden kann. Das Verbindungsmittel kann insbesondere eine Aktorik aufweisen, welche zum Ausbilden und/oder Lösen der Verbindung mit dem Objekt gesteuert betätigt werden kann. Die Verbindung zwischen einer autonomen Robotereinheit und dem Objekt ist insbesondere mechanisch fest ausgebildet, das heißt das Objekt hat zu der betrachteten autonomen Robotereinheit keine Bewegungsfreiheit und kann sich relativ zu diesem nach dem Verbinden nicht bewegen, sondern ist insbesondere starr mit diesem verbunden. Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, dass die Verbindung bzw. ein Verbindungsmittel zumindest in einem vorgegebenen Bereich bzw. Umfang relative Bewegungen zwischen dem Objekt und einer Robotereinheit ermöglicht, wobei die Verbindung eine ausreichende, insbesondere auf eine jeweilige Transportaufgabe angepasste, Steifigkeit aufweisen kann. Eine Verbindung bzw. ein Verbindungsmittel kann beispielsweise mindestens ein Drehgelenk aufweisen.
Ein Verbindungsmittel kann jedoch auch mindestens eine Ausgleichseinrichtung aufweisen, mit der Relativbewegungen zwischen einer Robotereinheit und einem hiermit verbundenen Objekt ausgeglichen werden können, beispielsweise über mindestens ein hierfür eingerichtetes Dämpfungselement.
Nach dem Ausbilden der Roboter-Objekt-Einheit ist insbesondere vorgesehen, dass die Steuereinrichtungen der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten signaltechnisch miteinander gekoppelt werden bzw. gekoppelt sind. Hierzu weisen die Robotereinheiten insbesondere (drahtlose) Kommunikationsschnittstellen auf, mit denen die Steuereinrichtungen eine solche Kopplung herstellen können. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass eine Steuerung und/oder Regelung der Roboter-Objekt-Einheit von einer der Steuereinrichtungen alleine durchgeführt wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eine Koordination der Steuereinrichtungen erfolgt, sodass ein gemeinsames Steuern und/oder Regeln der Robotereinheiten im Verbund mit dem Objekt erfolgen kann.
Das Objekt soll insbesondere zumindest in Bezug auf eine Beziehung von Angriffspunkten der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten zueinander ein starres Objekt sein, sodass das Objekt einen mechanisch stabilen und während eines Transportes hinsichtlich seiner Abmessungen und mechanischen Eigenschaften unveränderlichen Teil der Roboter-Objekt-Einheit bilden kann.
Die Steuereinrichtungen können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtungen ferner dazu eingerichtet sind, zum Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie ein zugrundeliegendes kinematisches Modell der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit zu erzeugen und/oder anzupassen. Durch das Ausbilden der Roboter-Objekt-Einheit müssen die kinematischen Eigenschaften der Roboter-Objekt-Einheit beim Steuern und/oder Regeln berücksichtigt werden. Da die mindestens zwei autonomen Robotereinheiten in der Roboter-Objekt-Einheit mit dem Objekt über das jeweilige mindestens eine Verbindungsmittel mechanisch verbunden sind, können sich bei diesen ebenfalls kinematische Eigenschaften ändern. Insbesondere kann eine Art und eine Anzahl von Freiheitsgraden durch das Verbinden mit dem Objekt geändert sein. Daher muss ein kinematisches Modell für die Roboter-Objekt-Einheit erzeugt und/oder angepasst werden, um eine Bewegung der Roboter-Objekt-Einheit zuverlässig als integrale Einheit steuern und/oder regeln zu können.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass ein kinematisches Modell der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit mittels eines zentralen Servers erzeugt und an die Steuereinrichtungen übermittelt wird. Die Steuereinrichtungen berücksichtigen das übermittelte kinematische Modell beim Steuern und/oder Regeln der Roboter-Objekte-Einheit.
Es kann vorgesehen sein, dass zum Erzeugen des kinematischen Modells der Roboter-Objekt-Einheit eine mechanische Simulation durchgeführt wird, bei der kinematische Eigenschaften der Robotereinheiten, deren Anordnung am Objekt und Eigenschaften des Objektes berücksichtigt werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtungen ferner dazu eingerichtet sind, zum Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie mindestens eine kinematische Eigenschaft eines Antriebs von mindestens einem der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten zu verändern. Hierdurch können die kinematischen Eigenschaften der Roboter-Objekt-Einheit auf gewünschte Eigenschaften geändert werden. So können beispielsweise vor einem Verbinden als Ackermann-Antriebe betriebene Antriebe der Robotereinheiten umgestellt werden auf einen gemeinsamen Differentialbetrieb mit einer anderen autonomen Robotereinheit. Auch können angetriebene und/oder lenkbare Räder oder Antriebseinheiten aktiviert oder deaktiviert, beispielsweise passiv geschaltet, werden. Das Ändern der mindestens einen kinematischen Eigenschaft erfolgt hierbei insbesondere zum Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie, sodass die Roboter-Objekt-Einheit gewünschte kinematische Eigenschaften aufweist. Beispiele für gewünschte kinematische Eigenschaften sind: Ackermann-Kinematik, Differential-Kinematik oder Mecanum-Kinematik. Möglich ist beispielsweise auch das Ausbilden einer holonomen Roboter-Objekt-Einheit basierend auf aktiv angetriebenen Castor-Rädern.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das modulare Robotersystem mindestens eine Transporthilfeeinheit aufweist, wobei die mindestens eine Transporthilfeeinheit mit dem zu transportierenden Objekt und mindestens einer der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten verbunden werden kann oder verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, beim Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie die mindestens eine Transporthilfeeinheit zu berücksichtigen. Dies ermöglicht insbesondere auch das Transportieren von mechanisch nicht formstabilen Objekten, wie beispielsweise mechanisch nicht formstabile Behälter mit Schüttgut oder Flüssigkeiten. Diese können dann mit Hilfe der Transporthilfeeinheit durch das modulare Robotersystem transportiert werden. In einem einfachen Beispiel kann eine Transporthilfeeinheit eine Plattform oder eine Palette sein, auf der das zu transportierende Objekt angeordnet ist. Es sind jedoch auch anders, insbesondere komplexer, ausgebildete Transporthilfeeinheiten möglich. Durch das Verwenden mindestens einer Transporthilfeeinheit wird insbesondere eine Roboter-Objekt-Transporthilfe-Einheit ausgebildet. Dies wird beim Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie entsprechend berücksichtigt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens zwei autonomen Robotereinheiten sich in mindestens einer kinematischen Eigenschaft und/oder mindestens einer Eigenschaft des jeweiligen mindestens einen Verbindungsmittels unterscheiden. Hierdurch wird ein heterogenes modulares Robotersystem ausgebildet. Dies ermöglicht es, für spezifische Transportprobleme verbesserte maßgeschneiderte Transportlösungen bereitzustellen. Die kinematische Eigenschaft ist insbesondere eine Kinematik eines Antriebs der Robotereinheiten, beispielsweise in Form einer Ackermann-Kinematik, einer Differential-Kinematik oder einer Mecanum-Kinematik. Die jeweilige kinematische Eigenschaft wird beim Ausbilden der Roboter-Objekt-Einheit und beim Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie berücksichtigt. Auch das mindestens eine Verbindungsmittel kann unterschiedlich sein. Hierdurch können individuelle Transportlösungen für Objekte bereitgestellt werden, die hinsichtlich ihrer äußeren Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf eine äußere Form und eine Masseverteilung innerhalb des Objektes, unterschiedlich sind. Durch geeignete Auswahl der Robotereinheiten und deren Verbindungsmittel können für unterschiedliche Objekte unterschiedliche Roboter-Objekt-Einheiten ausgebildet und zum Transportieren verwendet werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mindestens eine Verbindungsmittel mindestens einer Robotereinheit austauschbar ist. Hierdurch kann objektabhängig ein geeignetes Verbindungsmittel ausgewählt und verwendet werden. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass verschiedene Verbindungsmittel in einem Magazin vorgehalten werden und bei Bedarf, insbesondere mittels einer hierfür eingerichteten Aktorik, automatisiert ausgewählt und verwendet werden. Hierdurch kann eine Flexibilität weiter erhöht werden.
Es wird ferner auch eine Robotereinheit für ein modulares Robotersystem nach einer oder mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen geschaffen, umfassend einen Antrieb, mindestens ein Verbindungsmittel, eingerichtet zum Verbinden mit einem zu transportierenden Objekt, und eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, sich zum Ausbilden einer Roboter-Objekt-Einheit mit einem Objekt und mindestens einer anderen autonomen Robotereinheit auf das Steuern und/oder Regeln der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit umzustellen, und hierzu eine Steuer- und/oder Regelstrategie unter Berücksichtigung von kinematischen Eigenschaften des Antriebs und eines Antriebs der mindestens einen anderen Robotereinheit und von einer Anordnung der Robotereinheiten und deren verbindungsmittelbedingten Freiheitsgraden relativ zum verbundenen Objekt auf die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit umzustellen.
Weitere Merkmale zur Ausgestaltung der Robotereinheit ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des modularen Robotersystems. Die Vorteile der Robotereinheit sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des modularen Robotersystems.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens zwei autonomen Robotereinheiten zum Transportieren des Objektes in Abhängigkeit von Eigenschaften des Objektes und/oder von Eigenschaften eines Transportwegs ausgewählt und/oder angeordnet werden. Hierdurch können objektindividuelle und/oder transportwegindividuelle Transportlösungen bereitgestellt werden. Eigenschaften des Objektes sind insbesondere eine äußere Form und/oder eine Masse des Objektes und/oder sonstige physikalische Eigenschaften. Die Objekteigenschaften umfassen insbesondere Anforderungen an das mindestens eine Verbindungsmittel. Hierbei ist bzw. wird beispielsweise festgelegt, ob das Objekt gegriffen werden muss oder ob auf andere Weise eine Verbindung ausgebildet werden muss oder kann (z.B. über komplementär ausgebildete Kopplungsschnittstellen oder durch ein einfaches Aufladen und/oder Tragen des Objektes). Eigenschaften des Transportweges können eine Wegstrecke (z.B. Länge, Rampe, Stockwerkwechsel mittels Fahrstuhl, Treppensteigen etc.), eine Untergrundbeschaffenheit und/oder ein Transportumfeld (Regen, Schnee, Innenraum etc.) umfassen. Das Auswählen und/oder Anordnen der autonomen Robotereinheiten erfolgt beispielsweise mittels eines zentralen Servers, der signaltechnisch, beispielsweise über hierfür eingerichtete Kommunikationsschnittstellen, mit den autonomen Robotereinheiten verbunden ist und entsprechende Steueranweisungen an diese übertragen kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, einen Fuhrpark aus autonomen Robotereinheiten mit verschiedenen Eigenschaften bereitzuhalten, aus dem der zentrale Server für eine Transportaufgabe entsprechend geeignete autonome Robotereinheiten auswählt und/oder an dem Objekt anordnet bzw. eine solche Auswahl und/oder Anordnung veranlasst.
In einer weiterbildenden Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Robotereinheiten und/oder Verbindungsmittel der Robotereinheiten unter Berücksichtigung von gewünschten kinematischen Eigenschaften der auszubildenden Roboter-Objekt-Einheit ausgewählt und/oder angeordnet werden. Hierdurch können notwendige und/oder gewünschte Freiheitsgrade der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit berücksichtigt werden. Beispielsweise kann gewünscht und vorgesehen sein, dass die auszubildende oder ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit holonom und/oder omnidirektional bewegbar ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des modularen Robotersystems zum Transportieren eines Objektes;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des modularen Robotersystems zum Transportieren eines Objektes;
3a eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verbindungsmittels;
3b eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsmittels;
3c eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsmittels;
4a eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsmittels (nicht verbunden mit einem Objekt);
4b eine schematische Darstellung der weiteren Ausführungsform des Verbindungsmittels aus 4a (verbunden mit einem Objekt);
5a eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsmittels (Seitenansicht);
5b eine schematische Darstellung der weiteren Ausführungsform des Verbindungsmittels aus 5a (Draufsicht);
5c eine schematische Darstellung der mit der weiteren Ausführungsform des Verbindungsmittels aus den 5a und 5b ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit;
6 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Transportieren eines Objektes.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des modularen Robotersystems 1 zum Transportieren eines Objektes 10 gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das modulare Robotersystem 1 zwei autonome Robotereinheiten 2.
Die autonomen Robotereinheiten 2 umfassen jeweils einen Antrieb 3 und ein Verbindungsmittel 4 zum Verbinden mit dem Objekt 10. Der Antrieb 3 ist im gezeigten Beispiel als Differential-Antrieb mit zwei separat ansteuerbaren Hinterrädern 3-1 und einem lenkbaren Vorderrad 3-2 ausgebildet. Das Verbindungsmittel 4 umfasst beispielsweise ein Greifmittel, mit dem das Objekt 10 gegriffen und mechanisch fixiert derart werden kann, dass sich das Objekt 10 relativ zu den autonomen Robotereinheiten 2 nicht mehr bewegen kann. Durch das Verbinden der autonomen Robotereinheiten 2 mit dem Objekt 10 wird eine Roboter-Objekt-Einheit 20 ausgebildet.
Die autonomen Robotereinheiten 2 weisen ferner jeweils eine Steuereinrichtung 5 auf, mit denen die autonomen Robotereinheiten 2, insbesondere die Antriebe 3, gesteuert und/oder geregelt werden. Hierzu können die autonomen Robotereinheiten 2 ferner eine Sensorik 6 zur Umfelderfassung und eine Kommunikationsschnittstelle 7 aufweisen, mit der die Steuereinrichtungen 5 untereinander und mit einem zentralen Server (nicht gezeigt) kommunizieren können.
Die Steuereinrichtungen 5 der autonomen Robotereinheiten 2 sind dazu eingerichtet, sich nach einem Verbinden der beiden autonomen Robotereinheiten 2 mit dem Objekt 10 auf das Steuern und/oder Regeln der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit 20 umzustellen. Hierzu wird eine Steuer- und/oder Regelstrategie unter Berücksichtigung von kinematischen Eigenschaften der Antriebe 3 der beiden autonomen Robotereinheiten 2 und von einer Anordnung der Robotereinheiten 2 und deren verbindungsmittelbedingten Freiheitsgraden relativ zum verbundenen Objekt 10 auf die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit 20 umgestellt.
Es kann hierbei vorgesehen sein, dass eine der Steuereinrichtungen 5 auch die andere der beiden Robotereinheiten 2 steuert und/oder regelt. Hierbei wird insbesondere ein kinematisches Modell, dass dem Steuern und/oder Regeln zugrunde liegt und zum Bereitstellen und Erzeugen von Steuersignalen für die Antriebe 3 dient, angepasst, sodass dieses die kinematischen Eigenschaften der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit 20 abbildet. Anders ausgedrückt wird die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit 20 wie ein einziger beweglicher Roboter behandelt und die Antriebe 3 entsprechend gesteuert und/oder geregelt.
Es kann hierbei insbesondere vorgesehen sein, dass die mindestens zwei autonomen Robotereinheiten 2 sich in mindestens einer kinematischen Eigenschaft und/oder mindestens einer Eigenschaft des jeweiligen mindestens einen Verbindungsmittels 4 unterscheiden. Hierdurch kann das modulare Robotersystem 1 heterogen ausgebildet sein bzw. ausgebildet werden, sodass eine Flexibilität beim Transportieren des Objektes 10 erhöht werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass zum Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie mindestens eine kinematische Eigenschaft eines Antriebs 3 von mindestens einem der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten 2 verändert wird. Beispielsweise können Räder 3-1, 3-2 passiv geschaltet werden, sodass diese nur noch mitrotieren, jedoch nicht mehr aktiv angetrieben werden. Ferner können auch im autonomen Betrieb einer Robotereinheit 2 lenkbare Räder 3-2 passiv lenkbar oder nicht-lenkbar geschaltet werden. Im gezeigten Beispiel können die innenliegenden angetriebenen Räder 3-1 beispielsweise nach dem Verbinden der Robotereinheiten 2 mit dem Objekt 10 passiv geschaltet werden, sodass nur noch die außenliegenden Räder 3-1 angetrieben werden. Die lenkbaren Räder 3-2 werden im angepassten kinematischen Modell bzw. signaltechnisch derart angesteuert, dass die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit 20 als Ackermann-Antrieb betrieben werden kann. Es hat somit eine Umstellung der Steuer- und/oder Regelstrategie von Differential-Antrieben der einzelnen autonomen Robotereinheiten 2 zu einem (gemeinsamen) Ackermann-Antrieb der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit 20 stattgefunden. Die Räder 3-1, 3-2 der Antriebe 3 werden zum Abfahren einer zum Transportieren des Objektes 10 vorgesehenen Trajektorie entsprechend von zumindest einer der Steuereinrichtungen 5 angesteuert.
Es kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Verbindungsmittel 4 mindestens einer Robotereinheit 2 austauschbar ist. Beispielsweise kann ein Magazin mit mehreren Verbindungsmitteln 4 vorgesehen sein, die sich nach Bedarf austauschen und auf ein zu transportierendes Objekt 10 anpassen lassen.
Es kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Verbindungsmittel 4 einer Robotereinheit 2 einklappbar ist, sodass bei Nichtgebrauch Platz gespart werden kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Verbindungsmittel 4 von einer Verstauposition (nicht gezeigt) in eine Betriebsposition (nicht gezeigt) und zurück gebracht werden kann. Dies kann beispielsweise mittels einer hierfür eingerichteten Aktorik (nicht gezeigt) erfolgen.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des modularen Robotersystems 1 zum Transportieren eines Objektes 10 gezeigt. Die autonomen Robotereinheiten 2 umfassen hierbei Antriebe 3 mit jeweils zwei Rädern 3-1, 3-2, die beispielsweise als Differentialantrieb betrieben werden. Wenn die autonomen Robotereinheiten 2 nicht mit dem Objekt 10 zur Roboter-Objekt-Einheit 20 verbunden sind, kann vorgesehen sein, dass weitere Hilfsräder (nicht gezeigt) verwendet, insbesondere ausgeklappt werden. Jede autonome Robotereinheit 2 umfasst als Verbindungsmittel 4 jeweils einen Aufnahmebereich 8 in Form einer kleinen Plattform. Mit diesem Aufnahmebereich 8 kann das Objekt 10 aufgenommen werden, indem die autonome Robotereinheit 2 unter das
Objekt 10 fährt und dieses von unten auf den Aufnahmebereich 8 auflädt. Beim Verbinden mit dem Objekt 10 bzw. beim Aufladen des Objektes 10 kann vorgesehen sein, dass Hilfsstützen 9 verwendet werden, auf denen das Objekt 10 vor dem Verbinden gelagert ist und welche nach dem Verbinden entfernt und/oder eingefahren werden, sodass das Objekt 10 nur auf den Aufnahmebereichen 8 der autonomen Robotereinheiten 2 aufliegt und hierdurch die Roboter-Objekt-Einheit 20 ausgebildet wird. Ansonsten ist die Ausführungsform wie die in der 1 gezeigte Ausführungsform ausgebildet.
Alternativ oder zusätzlich kann das modulare Robotersystem 1 eine Transporthilfeeinheit 30 aufweisen, welche mit dem zu transportierenden Objekt 10 und mindestens einer der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten 2 verbunden werden kann oder verbunden ist. Die Steuereinrichtungen 5 sind dazu eingerichtet, beim Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie die mindestens eine Transporthilfeeinheit 30 zu berücksichtigen.
In den 3a, 3b und 3c sind schematische Darstellungen von verschiedenen Ausführungsformen des Verbindungsmittels 4 gezeigt, wie es eine autonome Robotereinheit 2 aufweisen kann.
Das Verbindungsmittel 4 gemäß der in der 3a gezeigten Ausführungsform weist einen Greifmechanismus 11 auf, mit dem ein zu transportierendes Objekt gegriffen werden kann. Hierbei kann vorgesehen sein, Greif-, Rast-, Schraub- und/oder Klemmmittel zu verwenden, um das Objekt an dem Verbindungsmittel mechanisch fest zu fixieren. Hierbei kann auch eine steuerbare Aktorik vorgesehen sein, die das Verbindungsmittel bzw. die Greif-, Rast-, Schraub- und/oder Klemmmittel bedarfsgerecht steuert, um eine Verbindung mit dem Objekt auszubilden oder eine bestehende Verbindung zu lösen.
Das Verbindungsmittel 4 gemäß der in der 3b gezeigten Ausführungsform weist einen Aufnahmebereich 8 auf, auf dem ein zu transportierendes Objekt gelagert werden kann. Diese Ausführungsform wurde bereits in der in der 2 gezeigten Ausführungsform verwendet. Der Aufnahmebereich 8 kann rutschhemmende Elemente (nicht gezeigt) aufweisen, mit denen eine Verbindung zum Objekt verbessert und eine Relativbewegung unterbunden zueinander werden kann.
Das Verbindungsmittel 4 gemäß der in der 3c gezeigten Ausführungsform weist ebenfalls einen Aufnahmebereich 8 auf, auf dem ein zu transportierendes Objekt gelagert werden kann. Im Gegensatz zu der in der 3b gezeigten Ausführungsform ist der Aufnahmebereich 8 jedoch um eine vertikale Achse drehbar gelagert. Hierdurch können aktiv oder passiv lenkbare Räder für die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit bereitgestellt werden.
In den 4a und 4b sind schematische Darstellungen von einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsmittels 4 gezeigt, wie es eine autonome Robotereinheit 2 aufweisen kann.
Hierbei umfasst das Verbindungsmittel 4 eine Kopplungsschnittstelle 12, die mit einer komplementär hierzu ausgebildeten Kopplungsschnittstelle 13, die an einem zu transportierenden Objekt 10 angeordnet ist, zusammenwirkt und eine mechanisch lösbare Verbindung zwischen Objekt 10 und autonomer Robotereinheit ausbildet. Hierbei können Rast-, Klemm- und/oder Schraubmittel zum Einsatz kommen. Diese können insbesondere mittels einer hierfür eingerichteten Aktorik (nicht gezeigt) steuerbar sein, sodass eine mechanische Verbindung gezielt ausgebildet und wieder gelöst werden kann.
Das zu transportierende Objekt 10 kann selbst passive Rollen 14 aufweisen.
In den 5a (Seitenansicht) und 5b (Draufsicht) sind schematische Darstellungen von einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsmittels 4 gezeigt, wie es eine autonome Robotereinheit 2 aufweisen kann. Die autonome Robotereinheit 2 ist hierbei der Übersichtlichkeit halber stark vereinfacht dargestellt. Das Verbindungsmittel 4 weist hierbei einen Zapfen 16 eines Scharniergelenks 15 auf. Der Zapfen 16 wird zum Ausbilden des Scharniergelenks 15 in einen Hohlylinder 17 geschoben, der über ein horizontal verlaufendes Trägerelement 18 fest mit dem Objekt 10 verbunden ist.
In 5c ist eine schematische Darstellung einer Roboter-Objekt-Einheit 20 mit vier autonomen Robotereinheiten 2 gezeigt, die als Verbindungsmittel 4 jeweils die in den 5a und 5b gezeigten Scharniergelenke 15 aufweisen. Hierbei ist schematisch eine Bewegung auf einer Kreisbahn um einen Momentanpol M und die jeweilige Anordnung der Scharniergelenke 15 gezeigt. Die Trägerelemente 18 sind in der gezeigten Ausführungsform über ein weiteres Scharniergelenk 19 mit dem Objekt 10 verbunden, sodass zusätzliche Freiheitsgrade bestehen und beim Steuern und/oder Regeln berücksichtigt werden müssen.
In 6 ist ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Transportieren eines Objektes gezeigt.
In einer Maßnahme 100 werden mindestens zwei autonome Robotereinheiten eines modularen Robotersystems mittels eines Antriebs der mindestens zwei mobilen Robotereinheiten zu dem Objekt gefahren. Die Robotereinheiten fahren hierbei autonom bzw. automatisiert zum Objekt und ordnen sich an hierfür vorgesehenen Positionen am Objekt an.
In einer Maßnahme 101 werden die mindestens zwei mobilen Robotereinheiten jeweils mittels mindestens eines Verbindungsmittels mit dem Objekt verbunden, beispielsweise mittels hierfür eingerichteter Aktoriken. Hierbei bilden die mindestens zwei autonomen Robotereinheiten und das Objekt eine Roboter-Objekt-Einheit.
In einer Maßnahme 102 werden Steuereinrichtungen der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten nach einem Verbinden der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten mit dem Objekt auf das Steuern und/oder Regeln der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit umgestellt. Hierzu wird eine Steuer- und/oder Regelstrategie unter Berücksichtigung von kinematischen Eigenschaften der Antriebe der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten und von einer Anordnung der Robotereinheiten und deren verbindungsmittelbedingten Freiheitsgraden relativ zum verbundenen Objekt auf die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit umgestellt.
Zum Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie wird ein zugrundeliegendes kinematisches Modell der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit erzeugt und/oder angepasst.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass zum Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie mindestens eine kinematische Eigenschaft eines Antriebs von mindestens einem der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten verändert wird. Dies kann insbesondere unter Berücksichtigung von Vorgaben für gewünschte und/oder notwendige Freiheitsgrade der Roboter-Objekt-Einheit erfolgen. Es kann beispielsweise hierzu vorgesehen sein, dass einzelne Antriebe der mindestens zwei Robotereinheiten deaktiviert oder passiv geschaltet werden, andere hingegen aktiviert oder aktiv gehalten werden.
In einer Maßnahme 103 wird die Roboter-Objekt-Einheit autonom bzw. automatisiert zu einem Zielort gefahren. Hierbei wird die Roboter-Objekt-Einheit insbesondere derart gesteuert und/oder geregelt, dass die einzelnen Robotereinheiten zusammenwirken wie ein einziger größerer (kombinierter) autonomer Roboter. Das Steuern und/oder Regeln kann hierbei sowohl von einer der Steuereinrichtungen der autonomen Robotereinheiten als auch durch mehrere Robotereinheiten erfolgen, wobei diese dann ein Steuern und/oder Regeln untereinander koordinieren. Das Steuern und/oder Regeln erfolgt hierbei auf Grundlage eines zugrundeliegenden kinematischen Modells für die Roboter-Objekt-Einheit. Insbesondere werden auf Grundlage des kinematischen Modells der Roboter-Objekt-Einheit zum Abfahren einer geplanten Trajektorie Steuersignale für die jeweiligen Antriebe der mindestens zwei Robotereinheiten erzeugt und bereitgestellt.
In einer Maßnahme 104 werden die Verbindungen zwischen den Verbindungsmitteln der Robotereinheiten und dem Objekt am Zielort wieder gelöst, beispielsweise indem hierfür eingerichtete Aktoriken mittels der Steuereinrichtungen angesteuert werden.
In einer Maßnahme 105 werden die autonomen Robotereinheiten von dem Objekt weggefahren und können im Anschluss für weitere Transportaufgaben eingesetzt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei autonomen Robotereinheiten zum Transportieren des Objektes in Abhängigkeit von Eigenschaften des Objektes und/oder von Eigenschaften eines Transportweges ausgewählt und/oder angeordnet werden.
Es kann weiterbildend vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Robotereinheiten und/oder Verbindungsmittel der Robotereinheiten unter Berücksichtigung von gewünschten kinematischen Eigenschaften der auszubildenden Roboter-Objekt-Einheit ausgewählt und/oder angeordnet werden. Beispielsweise können aus einer Vielzahl von verschiedenen Robotereinheiten, welche unterschiedliche Kinematiken aufweisen und/oder unterschiedliche Verbindungsmittel aufweisen, jeweils für eine spezifische Aufgabe geeignete Robotereinheiten ausgewählt und zusammengestellt werden. Dies kann beispielsweise mittels eines zentralen Servers (z.B. mit einer zentralen Flottenmanagementsoftware) erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: modulares Robotersystem
2: autonome Robotereinheit
3: Antrieb
3-1: Rad
3-2: Rad
4: Verbindungsmittel
5: Steuereinrichtung
6: Sensorik
7: Kommunikationsschnittstelle
8: Aufnahmebereich
8: Hilfsstütze
10: Objekt
11: Greifmechanismus
12: Kopplungsschnittstelle
13: (komplementäre) Kopplungsschnittstelle
14: (passive) Rolle
15: Scharniergelenk
16: Zapfen
17: Zylinder
18: Trägerelement
19: weiteres Scharniergelenk
20: Roboter-Objekt-Einheit
30: Transporthilfeeinheit
M: Momentanpol
100-105: Maßnahmen

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

WO 2020/022479 A1 [0003]
US 2015/0142249 A1 [0004]

Claims

Modulares Robotersystem (1) zum Transportieren eines Objektes (10), umfassend: mindestens zwei autonome Robotereinheiten (2), wobei die mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) jeweils einen Antrieb (3) und mindestens ein Verbindungsmittel (4) zum Verbinden mit dem Objekt (10) aufweisen, wobei Steuereinrichtungen (5) der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) dazu eingerichtet sind, sich nach einem Verbinden der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) mit dem Objekt (10) auf das Steuern und/oder Regeln der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit (20) umzustellen, und hierzu eine Steuer- und/oder Regelstrategie unter Berücksichtigung von kinematischen Eigenschaften der Antriebe (3) der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) und von einer Anordnung der Robotereinheiten (2) und deren verbindungsmittelbedingten Freiheitsgraden relativ zum verbundenen Objekt (10) auf die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit (20) umzustellen.
Modulares Robotersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtungen (5) ferner dazu eingerichtet sind, zum Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie ein zugrundeliegendes kinematisches Modell der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit (20) zu erzeugen und/oder anzupassen.
Modulares Robotersystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtungen (5) ferner dazu eingerichtet sind, zum Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie mindestens eine kinematische Eigenschaft eines Antriebs (3) von mindestens einem der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) zu verändern.
Modulares Robotersystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Transporthilfeeinheit (30), welche mit dem zu transportierenden Objekt (10) und mindestens einer der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) verbunden werden kann oder verbunden ist, wobei die Steuereinrichtungen (5) dazu eingerichtet sind, beim Umstellen der Steuer- und/oder Regelstrategie die mindestens eine Transporthilfeeinheit (30) zu berücksichtigen.
Modulares Robotersystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) sich in mindestens einer kinematischen Eigenschaft und/oder mindestens einer Eigenschaft des jeweiligen mindestens einen Verbindungsmittels (4) unterscheiden.
Modulares Robotersystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungsmittel (4) mindestens einer Robotereinheit (2) austauschbar ist.
Robotereinheit (2) für ein modulares Robotersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend: einen Antrieb (3), mindestens ein Verbindungsmittel (4), eingerichtet zum Verbinden mit einem zu transportierenden Objekt (10), und eine Steuereinrichtung (5), wobei die Steuereinrichtung (5) dazu eingerichtet ist, sich zum Ausbilden einer Roboter-Objekt-Einheit (20) mit einem Objekt (10) und mindestens einer anderen autonomen Robotereinheit (2) auf das Steuern und/oder Regeln der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit (20) umzustellen, und hierzu eine Steuer- und/oder Regelstrategie unter Berücksichtigung von kinematischen Eigenschaften des Antriebs (3) und eines Antriebs (3) der mindestens einen anderen Robotereinheit (2) und von einer Anordnung der Robotereinheiten (2) und deren verbindungsmittelbedingten Freiheitsgraden relativ zum verbundenen Objekt (10) auf die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit (20) umzustellen.
Verfahren zum Transportieren eines Objektes (10), wobei mindestens zwei autonome Robotereinheiten (2) eines modularen Robotersystems (1) mittels Antrieben (3) der mindestens zwei mobilen Robotereinheiten automatisiert zu dem Objekt (10) gefahren werden, wobei die mindestens zwei mobilen Robotereinheiten (2) jeweils mittels mindestens eines Verbindungsmittels (4) mit dem Objekt (10) verbunden werden, wobei Steuereinrichtungen (5) der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) nach einem Verbinden der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) mit dem Objekt (10) auf das Steuern und/oder Regeln der ausgebildeten Roboter-Objekt-Einheit (20) umgestellt werden, und wobei hierzu eine Steuer- und/oder Regelstrategie unter Berücksichtigung von kinematischen Eigenschaften der Antriebe (3) der mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) und von einer Anordnung der Robotereinheiten (2) und deren verbindungsmittelbedingten Freiheitsgraden relativ zum verbundenen Objekt auf die ausgebildete Roboter-Objekt-Einheit (20) umgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei autonomen Robotereinheiten (2) zum Transportieren des Objektes (10) in Abhängigkeit von Eigenschaften des Objektes (10) und/oder von Eigenschaften eines Transportwegs ausgewählt und/oder angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Robotereinheiten (2) und/oder Verbindungsmittel (4) der Robotereinheiten (2) unter Berücksichtigung von gewünschten kinematischen Eigenschaften der auszubildenden Roboter-Objekt-Einheit (20) ausgewählt und/oder angeordnet werden.