Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
das Problem von Kollisionen zwischen Robotern mit ihresgleichen
bzw. ihrer Umgebung unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile
des Standes der Technik zu lösen.
Dazu schafft die Erfindung ein Verfahren
der eingangs genannten Art, das regelmäßig beinhaltet:
Bestimmen
einer Anhaltzeit für
eine automatisch oder manuell gesteuerte Roboterbewegung auf der
Grundlage gegenwärtiger
und früherer
Gelenkstellungen und Gelenkgeschwindigkeiten für jedes Robotergelenk;
Vorhersagen
einer Konfiguration einer Bewegungsbahn des Roboters bei der Anhaltzeit;
Überprüfen der
vorhergesagten Konfiguration mittels Abstands-/Behinderungsalgorithmen
bezüglich
einer Behinderung von Teilen des Roboters durch Teile der anderen
Objekte oder umgekehrt; und
Anhalten des Roboters und/oder
der anderen Objekte im Falle einer drohenden Kollision.
Im Rahmen der Erfindung wird die
vorhergesagte Konfiguration unter Verwendung der Anhaltzeiten bestimmt,
wobei angenommen ist, dass der Roboter sich mit seiner aktuellen
Beschleunigung ausgehend von seiner aktuellen Stellung und Geschwindigkeit
weiterbewegt. Auf diese Weise liefern die vorhergesagten Bewegungsbahnen
eine sogenannte Anhaltkonfiguration, die als solche bezeichnet wird,
obwohl sie für
gewöhnlich
eine von Null verschiedene Geschwindigkeit aufweist.
Um Kollisionen zu verhindern, werden
demnach Konfigurationen nicht nur zur gegenwärtigen Zeit bezüglich Kollisionen überprüft, sondern
auch zu einer zukünftigen
Zeit, die aus reichend ist, damit die Maschinen vor einer ungewollten
Berührung
sicher stoppen können.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Roboter entlang seiner Bewegungsbahn abgebremst und kommt
damit auf dieser zum Stehen. Auf diese Weise kann der Betrieb direkt
aus der Anhaltstellung wiederaufgenommen werden, ohne dass weitere
Stellungskorrekturen vorzunehmen wären oder es zu einem Werkstückausschuss
käme. Darüber hinaus
stellt eine Anhalten der Maschinen auf ihren Bahnen sicher, dass
keine Kollisionen während
der Abbremsphase auftreten.
Nach einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung wird der Roboter ohne Beachtung seiner eigentlichen
Bewegungsbahn abgebremst und stoppt damit in der Regel abseits seiner
Bahn. Das bedeutet, dass jede Roboterachse von ihrer gegenwärtigen Geschwindigkeit
auf Null abgebremst wird, wobei ein einstellbarer Bremsverlauf vorgegeben
sein kann. Dies kann mittels Kurzschluss-Bremsen geschehen, wobei
die Antriebe durch mechanische Bremsen und durch Generatorbetrieb
abgebremst werden. Ein derartiger Bremsvorgang ist ratsam, wenn
ein Antrieb aus irgendeinem Grund nicht längs der Bahn gestoppt werden
kann, beispielsweise wenn die Bahnsteigung zu steil ist.
Um Kollisionen vorherzusagen oder
bezüglich
ihres Auftretens zu überprüfen, ist
es erforderlich, die Abstände
zwischen den Teilen des Roboters und der anderen Objekte zu ermitteln.
Dies beinhaltet die Bestimmung des Abstands zwischen geometrischen
Approximationen der betroffenen Gegenstände, bei denen es sich entweder
um einfache Formen wie Quader oder Kugeln oder um komplexe Polyeder,
d.h. vielflächige
geschlossene geometrische Gebilde handeln kann. Die am meisten verbreitete
Methode zum Bestimmen von Abständen zwischen
konvexen Polyedern ist die Methode nach Gilbert-Johnson-Keerthi (GJK), eine iterative Methode,
die die Geometrie in Simplexen unterteilt, bis sie zu einem minimalen
Abstand zwischen den beiden Objekten konvergiert. Dabei ist abzuwägen zwischen
der Genauigkeit der Näherung
und der Leistungsfähigkeit
(Ausführungszeit)
des Kollisions-Detektionsalgorithmus', der im Rahmen der
Erfindung zum Einsatz kommt. So stellt beispielsweise die Beschreibung
aller Verbindungen eines Roboters durch einhüllende Zylinder, Quader oder
Kugeln eine eher konservative Approximation dar, ermöglicht jedoch
eine schnelle Ausführbarkeit
des Kollisions-Detektionsalgorithmus'. Andererseits bedingt eine genauere
Approximation der Verbindungsstruktur durch Polyeder eine geringere
Leistungsfähigkeit
des Kollisions-Detektionsalgorithmus'. Daher beinhaltet
die geometrische Behinderungsüberprüfung nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein Bestimmen von
Abständen
zwischen geometrischen Approximationen, die verschiedene Genauigkeitsstufen
aufweisen, die gemäß einer
gewünschten
Genauigkeit der Abstandsüberprüfung geprüft werden.
Beispielsweise ist es nicht erforderlich, die genaueren Approximationen
zu überprüfen, wenn
die betreffenden Strukturen weit voneinander entfernt sind.
Das Erstellen von geometrischen Approximationen
ist eine anspruchsvolle und zeitintensive Aufgabe. Allerdings gibt
es bereits kommerziell verfügbare
Software, die automatisch CAD-Modelle in Geometriedateien übersetzt,
die sich mit Kollisions-Detektionsalgorithmen verwenden lassen.
Kollisionsvermeidung beinhaltet eine
genaue Vorgabe der Bewegungsbahnen. Da die Bewegung von Industrierobotern
hinreichend gleichmäßig und
ruckfrei erfolgt, sind relativ einfache Konfigurations-Vorhersagealgorithmen
zum Vorhersagen der Bewegungsbahnen ausreichend. Ausgehend von den
tat sächlichen
Stellungen und Geschwindigkeiten jedes einzelnen Gelenkes i zu gegenwärtigen und
frühren
Zeiten lässt
sich die Bewegungsbahn des Gelenks – ausgedrückt als zukünftige Gelenkstellung θi – mittels
der Beziehung:θi = 1/2γiti,s
2 + .
i,0ti,s + θi,0 (1)vorhersagen,
wobei θi,0 und .
i,0 die Gelenkstellung
bzw. Gelenkgeschwindigkeit zur gegenwärtigen Zeit t, γi die geschätzte Gelenkbeschleunigung
zur Zeit t und ti,s die Anhaltzeit bezeichnet.
Die Gelenkbeschleunigung γi kann ausgehend von der Gelenkgeschwindigkeit
zur Zeit t und zu früheren
Zeiten t–k,
t–k =
t – k·Δt (k = 1,
2, 3, ...), abgeschätzt
werden, wobei Δt
das Überprüfungs-Zeitintervall
bezeichnet, dessen Dauer der Abtastperiode der Robotersteuerung
entsprechen und demgemäß beispielsweise
Werte um 12 ms annehmen kann. Die Gelenkstellung θ und die
Gelenkgeschwindigkeit . sind gegeben als Winkelstellung (Einheit:
Grad) bzw Winkelgeschwindigkeit (Grad/s).
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung wird die Geschwindigkeit .
i des
Gelenks i ausgehend von der Gelenkstellung θ
i,0 zur
gegenwärtigen
Zeit t und zu früheren
Zeiten t
–k unter
Verwendung des Gear'schen
Verfahrens, d.h. mittels der Beziehung:
abgeschätzt, wobei θ
i,–k = θ
i(t
–k) und c
f =
1/(12Δt)
, c
0 = 25, c
1 = –48, c
2 = 36, c
3 = –16, c
4 = 3.
Gleichfalls wird die Beschleunigung γ
i des
Gelenkes i ausgehend von der Gelenkgeschwindigkeit .
i,0; zur
gegenwärtigen
Zeit t und zu früheren
Zeiten t
–k,
t
–k =
t – k·Δt, unter
Verwendung von
abgeschätzt. Eine Untersuchung der
Vorhersagegenauigkeit hat ergeben, dass diese bis hin zu Vorhersagezeiten
von 240 ms für
typische Roboteranwendungen ausreichend ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung umfasst die Konfigurationsvorhersage und Behinderungsüberprüfung:
Bestimmen
eines Anhaltabstands θi,stop des Gelenkes i gemäß .
i,stop = .
i,0
2/(2γi,max),
wobei γi,max eine maximale negative Beschleunigung
des Gelenkes bezeichnet;
Addieren des Anhaltabstands zu der
gegenwärtigen
Stellung des Gelenkes, um so eine Konfiguration nach der Anhaltezeit
zu erhalten; und Bestimmen eines Abstands zwischen Teilen des Roboters
und der anderen Objekte bei dieser Konfiguration. Hierbei handelt
es sich um einen eher konservativen Zugang: Beispielsweise betragen
die maximale Geschwindigkeit und die maximale negative Beschleunigung
des ersten Gelenkes eines Standard-Industrieroboters 240 Grad/s
bzw. 880 Grad/s2. Daher beträgt der Anhaltewinkel
des Gelenkes bei maximaler Geschwindigkeit etwa 33 Grad. Aufgrund
dieses großen
Anhalteabstands könnte
für die
Anhaltekonfiguration eine Kollision vorausgesagt werden, obwohl
die geplante Bewegungsbahn eigentlich kollisionsfrei ist.
Um die Genauigkeit der Stellungsvorhersage
zu verbessern, ist nach einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, einen Filter auf die Gelenkstellungs- und Geschwindigkeitsdaten anzuwenden,
die zur Stellungsvorhersage benutzt werden. Vorzugsweise wird der
Filter im Zeitbereich auf die Daten angewendet. Nach einer weiteren
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung geschieht die Filterung durch
Berechnen eines laufenden Mittels, welches die Daten effektiv glättet und
auf diese Weise vor allem die hochfrequenten Anteile herausfiltert,
die vor allem im Zuge abrupter Richtungswechsel der Roboterbewegung (Sprünge) auftreten.
Die Filterlänge
kann an die gewünschte
Vorhersagegenauigkeit oder Irregularität des Bewegungsprofils angepasst
werden. Alternativ dazu kann die Filterung auch im Frequenzbereich
erfolgen.
Die Anhaltzeit einer Roboterachse
hängt von
den folgenden Parametern ab:
- – Achsgeschwindigkeit:
Je höher
die Geschwindigkeit desto länger
dauert es, den Roboter abzubremsen.
- – Maximale
erlaubte Geschwindigkeitsabnahme: Je größer die maximale erlaubte Geschwindigkeitsabnahme,
desto weniger Zeit wird benötigt,
um den Roboter abzubremsen;
- – Roboterkonfiguration:
Da die Trägheit
des Roboters von seiner Konfiguration abhängt, hängt auch die Anhaltzeit einer
gegebenen Achse von den Werten der verbleibenden Achsen ab, insbesondere
von den Achsen am Ende der kinematischen Kette, d.h. in Richtung
des distalen Endes des Roboters.
- – Nutzlast:
Je schwerer die Last und je größer ihre
Trägheit,
desto mehr Zeit wird benötigt,
um den Roboter abzubremsen.
Die Anhaltzeit lässt sich anhand einer Nachschlagtabelle
abschätzen.
Allerdings schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Abschätzen der
Anhaltzeiten der Achsen in einer Art und Weise, die trotz der großen Anzahl
von Parametern auch für
Echtzeit-Anwendungen geeignet ist:
Aus diesem Grund ist zwecks
weiterer Verbesserung sowohl der Genauigkeit als auch der Geschwindigkeit der
Ermittlung der Anhaltzeit nach einer Weiterentwicklung der Erfindung
vorgesehen, dass zur Konfigurationsvorhersage und Behinderungsüberprüfung wenigstens
ein neuronales Netz zum Abschätzen
von Anhaltzeiten für
die Roboterachsen eingesetzt wird. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung
wird für
jedes Robotergelenk ein neuronales Netz verwendet. Dadurch wird
die Abschätzung
der Anhaltzeit flexibler und lässt
sich besser an eine bestimmte Situation anpassen.
Zu diesem Zweck verwendet das erfindungsgemäße Verfahren
mehrschichtige neuronale Netze (NN) mit möglicher Rückübertragung von Informationen
innerhalb des Netzes. Die neuronalen Netze verarbeiten als Eingangswerte
die Parameter, die die Anhaltzeit der Achsen beeinflussen, und liefern
eine Abschätzung
der Anhaltzeit. Die neuronalen Netze werden mit Datensätzen trainiert,
die durch Messung am Roboter gewonnen wurden. Die Trainings-Datensätze sollten
den gesamten Bereich der relevanten Parameter abdecken und dabei
eine oder mehrere Einflussgrößen wie
Gelenkgeschwindigkeiten, Gelenkwinkel, Gelenkstellungen, Stellungen
und Geschwindigkeiten der Roboterbasis sowie Werkzeug- oder Lastmassen
beinhalten. Sobald die neuronalen Netze trainiert sind, können sie
zur genauen Abschätzung
der Anhaltzeiten eingesetzt werden.
US 6,356,806 B1 /
DE 198 57 436 A1 offenbart
die Verwendung einer Kombination eines Standard-PC-Betriebssystems
und ei nes Echtzeit-Betriebssystems zur Robotersteuerung. Die Geometrie
eines Roboters und eines Werkstücks
werden mittels eines externen CAD- oder eines Offline-Simulationssystems näherungsweise
dargestellt und die resultierenden Geometriedateien in Verbindung
mit dem Standard-PC-Betriebssystem der Robotersteuerung gespeichert.
Um die Geometriedatei, die in der Regel in Verbindung mit dem PC-Betriebssystem
erzeugt und unterhalten wird, für
Anwendungen nutzbar zu machen, die unter dem Echtzeit-Betriebssystem
ablaufen, wenn das erfindungsgemäße Verfahren
zur Kollisionsvermeidung zusammen mit einer derartigen dualen Steuerung
Anwendung findet, werden vorzugsweise alle gewonnen Informationen
bezüglich
Kollisionen in einer Arbeitsbereich-Beschreibungsdatei gespeichert, um so
zur Weiterleitung an das Echtzeit-Betriebssystem zur Verfügung zu
stehen, das für
die Steuerung der Roboterbewegung verantwortlich ist.
Nach einer Weiterentwicklung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
enthält
die Arbeitsbereich-Beschreibungsdatei Zeiger auf geometrische Approximationsdateien,
die zum Beschreiben aller Objekte im Arbeitsbereich notwendig sind.
Nach einer alternativen Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Kopie der Arbeitsbereich-Beschreibungsdatei in jeder Steuerung
im Arbeitsbereich, d.h. in jeder zusammenwirkenden Vorrichtung unterhalten
und aktualisiert. Darüber
hinaus wird die Arbeitsbereich-Beschreibungsdatei zumindest dann
aktualisiert, wenn eine geometrische Veränderung innerhalb des Arbeitsbereichs
erfolgt, z.B. durch Befestigen eines neuen Werkzeugs am Roboter.
Die Aktualisierung kann auch im Bereich des Echtzeit-Betriebssystems erfolgen.
Die meisten Roboteranwendungen erfordern
ein gewisses Maß an
zulässiger
und gesteuerter Berührung,
beispielsweise bei der Materialhandhabung, beim Schweißen usw.
Daher muss die Robotersteuerung wissen, dass derartige Kontakte
nicht wie potentiell gefährliche
Kollisionen behandelt werden müssen,
die zu einem Abbruch der Roboterbewegung führen. Aus diesem Grund wird
im Vorfeld einer erlaubten Berührung zwischen
dem Roboter und einem Objekt, z.B. während eines Handhabungsvorgangs,
eine Verbindung geschaffen, die dafür sorgt, dass der Roboter und
ggf. das Objekt während
einer nachfolgenden "Kollision" nicht angehalten
werden. Die Verbindung kann nach Beendigung der erlaubten Berührung wieder
aufgelöst
werden.
In diesem Zusammenhang muss unterschieden
werden zwischen Situationen, in denen alle Maschinen in einem Arbeitsbereich
sich längs
bekannter, vorgegebener Bahnen bewegen, und Situationen, in denen die
Bahnen in Echtzeit modifiziert werden, beispielsweise durch sensorische
Informationen (Kameras oder dergleichen). Erstere werden im folgenden
als "synchron" bezeichnet, während letztere "asynchron" genannt werden.
Derartige Situationen ergeben sich auch im Verhältnis zwischen einem Roboter
und einem Werkzeug, welches dieser benutzt. Ein Bestandteil des
Arbeitsbereichs ist mit einem anderen Bestandteil verbunden, wenn
sich ersterer in einem Bezugssystem bewegt, welches an letzterem
angeheftet ist. Damit ist die Relativbewegung zwischen den beiden
Bestandteilen synchron und es existiert keine potentielle Kollision
zwischen ihnen, solange die Verbindung besteht. Beispielsweise führt eine
Bewegung einer der beiden Bestandteile, wie eines ersten Roboters,
zu einer entsprechenden Bewegung des anderen Bestandteils, wie eines
zweiten Roboters. Ruf diese Weise ist das (räumliche) Verhältnis der
beiden konstant. Ein Kollisionspotential kann vor Schaffung der
Verbindung bestehen, oder nachdem die Verbindung gelöst worden
ist. Demnach ist ein Werkzeug, das mit einem Werkstück in Berührung kommt,
mit dem Werkstück
ver bunden. Es bewegt sich daher in einem Bezugssystem, das an das
Werkstück
angeheftet ist. Der Vorgang ist demzufolge synchron, und es existiert
kein Kollisionspotential zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück. Allerdings
handelt es sich bei bis zu 90% der im alltäglichen Einsatz von Industrierobotern
auftretenden Fälle
um asynchrone Fälle.
Um das vorstehend beschriebene Verfahren
bei einem Roboter zur Kollisionsvermeidung zwischen dem Roboter
und wenigstens einem anderen Objekt einsetzen zu können, schlägt die Erfindung
weiterhin eine Steuerungsvorrichtung vor, die aufweist: Mittel zum
regelmäßigen Bestimmen
einer Anhaltezeit für
eine automatisch oder manuell gesteuerte Roboterbewebung auf der
Grundlage gegenwärtiger
und frührer
Gelenkstellungen und Gelenkgeschwindigkeiten für jedes Robotergelenk; Mittel
zum regelmäßigen Vorhersagen
einer Konfiguration einer Bewegungsbahn des Roboters nach den Anhaltezeiten;
Mittel zum regelmäßigen Überprüfen der
vorhergesagten Konfiguration mittels Abstands-/Behinderungs-Algorithmen
bezüglich
einer Behinderung von Teilen des Roboters durch Bestandteile der
anderen Objekte, und Mittel zum Anhalten des Roboters und/oder der
anderen Objekte im Falle einer drohenden Kollision.
Die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung ist
im folgenden als CAM (Collision Avoidance Manager) bezeichnet. Die
CAM ist eine Steuerung, die für
die Detektion von bzw. die Reaktion auf Kollisionen zwischen wenigstens
zwei Bestandteilen des Arbeitsbereiches zuständig ist. In einem Arbeitsbereich
kann mehr als eine CAM vorgesehen bzw. vorhanden sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung
besitzt diese Prozessormittel zum parallelen Ausführen von
zwei Betriebssystemen, von denen ei nes ein Standard-PC-Betriebssystem
und das andere ein Echtzeit-Betriebssystem zum Steuern der Roboterbewegung
ist. Die Prozessormittel sind zum Ausführen eines Übersetzer-Programms für die Kommunikation zwischen
dem PC- und dem Echtzeit-Betreibssystem ausgebildet. Auf diese Weise
existiert für
den Benutzer unter dem PC-Betriebssystem (z.B. WindowsTM)
eine standardisierte Benutzeroberfläche, wodurch die Programmierung
des Roboters sehr vereinfacht wird. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung
sind die Prozessormittel zum Ausführen von entsprechenden Teilen
eines Programms ausgebildet, durch das ein Verfahren zur Kollisionsvermeidung
implementiert ist. Nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung
weist diese Speichereinheiten in Verbindung mit beiden Betriebssystemen
zum Speichern von Geometriedaten für den Arbeitsbereich auf.
Wie bereits früher erwähnt, werden alle Informationen
bezüglich
Kollisionen (z.B. potentielle Kollisionen, Zeiger auf Geometriedateien
usw.) in Speichereinheiten der CAM in speziellen Arbeitsbereich-Beschreibungsdateien
gespeichert, die Arbeitsbereich-Diagramme (WorkCell Diagrams WCD)
genannt werden. Für
jeden Bestandteil des Arbeitsbereichs werden so Informationen bezüglich seiner
potentiellen Kollisionen und Geometriedateien in den Speichereinheiten
abgelegt. Diese Informationen werden in die Echtzeit-Steuerung geladen,
so dass die vorstehend beschriebenen Kollisions-Vermeidungsaufgaben
(Collision Avoidance Tasks CAT), beispielsweise die tatsächliche
Vorhersage der Roboterbewegung und des Abbremsen auf oder abseits der
Bahn gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens,
diese in Echtzeit nutzen können.
Um Kollisions-Informationen zwischen
den beiden Betriebssystemen zu kommunizieren, beinhaltet die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung
ein Übersetzungsprogramm
(Interpreter), das vorzugsweise unter dem Echtzeit-Betriebssystem
läuft.
Da ein Arbeitsbereich mehrere CAM
in Verbindung mit einer Mehrzahl von kollisionsüberwachten Robotern oder dergleichen
beinhalten kann, umfasst die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung Prozessormittel
zumindest in Verbindung mit dem Echtzeit-Betriebssystem, die für die Kommunikation
mit den Echtzeit-Betriebssystemen entsprechender anderer Steuerungsvorrichtungen
in einem gemeinsamen Arbeitsbereich ausgebildet sind. Die dadurch
definierte Steuerungs-Kommunikationsaufgabe erhält Daten von den entsprechenden
Robotersteuerungen (diejenigen Steuerungen, für die eine bestimmte CAM Kollisionen
detektiert).
Kommunikation zwischen Steuerungen
ist eine Voraussetzung für
viele Aspekte des Zusammenwirkens von Robotern. Damit die erfindungsgemäße Kollisionsvermeidung
funktioniert, müssen
verschiedene Daten an die CAM übermittelt
werden. Die CAM muss die Konfiguration aller Bestandteile des Arbeitsbereichs kennen.
Daher sind für
jeden Roboter oder jedes Objekt, das die CAM überwacht, die folgenden Wert
zu übermitteln:
- – Gelenkwerte:
Diese definieren die Konfiguration des Roboters bezüglich seiner
Basis;
- – Basiskoordinaten:
Diese definieren die Verbindung mit den Gelenkwerten die Konfiguration
des Roboters im Arbeitsbereich. Die Basis kann selbst beweglich
sein, beispielsweise wenn der Roboter auf einer Schiene angeordnet
ist;
- – Gelenkgeschwindigkeiten
und Basisgeschwindigkeiten: Diese werden in den Kollisions-Vorhersagealgorythmen
verwendet. Dabei ist die Geschwindigkeit des Basis-Bezugssystems für die Steuerung
nicht ohne weiteres verfügbar
und muss unter Verwendung von Daten gemessen oder geschätzt werden,
die eine externe Maschine, die die Roboterbasis bewegt, zur Verfügung stellt;
- – Werkstückänderungen;
- – Werkzeugänderungen;
- – Änderungen
des Bewegungsziels; und
- – Änderungen
des Kollisionspotentials.
Werkzeug- und Werkstückänderungen
am Roboter, der durch die CAM gesteuert wird, werden durch den Interpreter
an die Echtzeit-Steuerung übermittelt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung
weist die Steuerungsvorrichtung zusätzlich eine Eingabeeinrichtung
zum Eingeben von Geometriedaten für den Arbeitsbereich auf. Auf
diese Weise kann eine externe CAD-Geometriedatei der CAM einfach
zur Verfügung
gestellt werden. Die Eingabeeinrichtung kann beispielsweise als
Diskettenlaufwerk oder Netz-Verbindungseinrichtung
ausgebildet sein.
Aus der vorstehenden Beschreibung
ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung sich durch eine Vielzahl
an Vorteilen gegenüber
dem Stand der Technik auszeichnet:
Der Benutzer muss beim Programmieren
eines Roboters keinerlei Vorkehrungen zur Kollisionsvermeidung treffen,
wie ein Definieren gemeinsamer Arbeitsbereiche. Darüber hinaus
kann das erfindungsgemäße Verfahren
als Absicherung zusammen mit vorbekannten expliziten Verfahren eingesetzt
werden.
Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren
ein automatisches Einrichten des Arbeitsbereiches vom Standpunkt
der Kollisionsvermeidung. Es ermittelt automatisch, welche Teile
ein Kollisionsrisiko bezüglich
welcher anderen Teile aufweisen.
Da das erfindungsgemäße Verfahren
darauf aufbaut, die Konfigurationen der bewegten Teile über einen
Zeitraum vorauszusagen, der lang genug ist, um die Maschinen sicher
abzubremsen, und anschließend diese
Konfigurationen bezüglich
möglicher
Behinderungen überprüft, müssen die
Bewegungsbahnen zuvor nicht bekannt sein. Wird eine Kollision vorausgesagt,
so werden die Maschinen entlang oder abseits ihrer Bahn gestoppt.
Da vor allem die Lern- und Validierungsphasen
sich durch langsame Geschwindigkeiten auszeichnen, sind in diesen
Phasen auch die Anhaltezeiten und -abstände sehr gering. Aus diesem
Grund ist das erfindungsgemäße Verfahren
in diesen Fällen
besonders gut geeignet.
Kollisionen, die durch Programmierfehler
oder unerwartete große
Bahnänderungen
hervorgerufen werden, führen
zu einer Berührung
von Objekten, die unter normalen Umständen jederzeit weit voneinander entfernt
sein sollten. In diesen Fällen
ist das Vorhersagen einer Anhaltekonfiguration unter Umständen zu
aufwändig
und nicht erforderlich. Es reicht in diesen Fällen aus, den Abstand zwischen
den entsprechenden Objekten zu überwachen
und diese abzustoppen, falls sie sich einander bis auf einem bestimmten
vorgegebenen Abstand annähern.
Dieses vereinfachte Verfahren lässt
sich in jeder Arbeitsphase und für
jede Bewegungsgeschwindigkeit anwenden, wenn die Abstandsschwelle
groß genug
gewählt
werden kann. Ist dies nicht der Fall, so ist das vorstehend beschriebene
genauere Verfahren anzuwenden.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung
sind im folgenden mit Blick auf die Zeichnungen beschrieben. Es
zeigt:
1 ein
Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Kollisionsvermeidung;
2 ein
Blockschaltbild einer Robotersteuerung für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 schematische
Darstellungen mit verschiedenen geometrischen Approximationen eines
Roboters und seiner Teile bzw. Verbindungen;
4 eine
schematische Darstellung einer Roboterbewegung in der Nähe eines
Hindernisses;
5 Ergebnisse
einer numerischen Simulation einer Kollisionsbewegung zweier Roboter;
und
6 eine
schematische Darstellung eines dreischichtigen neuronalen Netzes,
das zur Vorhersage der Anhaltzeit in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Kollisionsvermeidung eingesetzt wird.
1 zeigt
eine Roboterbewegung M, die von einer bekannten Robotersteuerung
(nicht gezeigt) gesteuert und zur Kollisionsvermeidung durch das
erfindungsgemäße Verfahren 1.0 überwacht
wird. Im Zuge einer Initialisierungsphase 1.1 werden potentielle
Kollisionen zwischen Robotern, Werkzeu gen und stationären Objekten,
d.h. Objekten, die an einem festen Ort innerhalb des Arbeitsbereichs
angeordnet sind, ermittelt. Die Einhüllenden, d.h. die einhüllenden
Fläche
des Raumbereichs, den die Roboter im Arbeitsbetrieb erreichen können, werden
benutzt, um zu ermitteln, ob Kollisionen mit anderen Robotern und/oder
stationären
Objekten möglich
sind. Anschließend
erfolgt eine Kollisionsüberwachung
C durch das erfindungsgemäße Verfahren 1.0 regelmäßig zu Zeiten
t, die voneinander durch Zeitintervalle Δt im Verlauf der Roboterbewegung
M bebabstandet sind.
Sensordaten S vom Roboter und/oder
aus dem Arbeitsbereich, z.B. Gelenkwinkel und Gelenkgeschwindigkeiten
des Roboters, Kamerabilder usw. werden dem Verfahren zur Kollisionsvermeidung 1.0 zur Verfügung gestellt
und zusammen mit anderen Parametern, wie der Nutzlast oder der Roboterkonfiguration, zum
Abschätzen 1.2 der
Anhaltzeit ts benutzt, z.B. mittels neuronaler
Netze, wie in Verbindung mit 6 gezeigt.
Mittels der abgeschätzten Zeit
ts sagt ein Algorithmus eine Roboterbahn
während
der Anhaltezeit voraus 1.3, die anschließend bei 1.4 zur
Behinderungsüberprüfung benutzt
wird, die ein Überprüfen des
Abstandes zwischen Bestandteilen des Arbeitsbereichs umfasst. Wenn
eine zukünftige
Kollision detektiert wird, stoppt der Roboter 1.5a. Dies
kann entweder längs
der Roboterbahn oder abseits geschehen, beispielsweise durch einfaches
mechanisches Bremsen. Wird keine Kollision detektiert 1.5b,
so beginnt ein neuer Steuerzyklus C'.
Das im vorstehenden unter Bezugnahme
auf 1 beschriebene Verfahren
zur Kollisionsvermeidung wird bei der Steuerungsvorrichtung gemäß 2 implementiert, die im
folgenden als CAM (Collision Avoidance Manager) 2.0, 2.0' be zeichnet
ist. Die CAM besitzen Kenntnisse bezüglich der anderen Bestandteile eines
Arbeitsbereichs 2.1, die nachfolgend beschrieben sind.
Innerhalb des Arbeitsbereichs 2.1 gemäß 2 befinden sich mehrere
Roboter oder zusammenwirkende Vorrichtungen, von denen nur die an
sich bekannten Steuerungen (Leistungsversorgungs- und Bewegungssteuerungen) 2.2, 2.2' gezeigt sind.
Die CAM 2.0, 2.0' beinhalten
einen PC-Bereich PC und einen Echtzeit-Bereich RT, die durch Ausführen eines
Standard-PC-Betriebssystems, wie Microsoft WindowsTM,
und eines Echtzeit-Betriebssystems, wie VxWorksTM,
definiert sind, wozu entweder ein oder eine Mehrzahl von Prozessormittel/n
PM1, PM2 in Form von Mikroprozessoren vorgesehen ist bzw. sind.
In der gezeigten Ausgestaltung trifft dieser Sachverhalt auch auf
die Robotersteuerungen 2.2, 2.2' zu.
Die PC-Bereiche PC der CAM 2.0, 2.0' weisen Prozessormittel
PM1 und Speichereinheiten SM auf, die in beispielhafter Weise dargestellt
und zum Ausführen
und/oder Speichern zeitlich unabhängiger Geometriedateien 2.3,
eines Arbeitsbereichs-Diagramms (WCD) 2.4 mit allen Informationen über Kollisionen
im Arbeitsbereich 2.1 während
einer programmierten Roboterbewegung M sowie zum Ausführen eines
speziellen Programms 2.5 zum Kodifizieren einer Roboterbewegung
M ausgebildet sind. Die Echtzeit-Bereiche RT der CAM 2.0, 2.0' weisen Prozessormittel
PM2 und Speichereinheiten SM auf, die beispielhaft dargestellt und
zum Ausführen
und/oder Speichern eines Interpreters 2.6 zum Kommunizieren
dynamischer Werkstück-/Werkzeugveränderungen 2.7 an
der durch die CAM 2.0, 2.0' gesteuerten Vorrichtung an die
RT ausgebildet sind. Die RT enthalten zusätzlich Geometriedaten 2.8,
auf die eine Kollisionsvermeidungs-Aufgabe (Collision Avoidance
Task CAT) 2.9 zugreift. Die CAT 2.9 erhält Eingangsdaten
von einer Kommunikationsaufgabe 2.10, die den RT einer
CAM 2.0 mit den RT unterschiedlicher CAM 2.0' und Robotersteuerungen 2.2, 2.2' verbindet.
In der gezeigten Ausgestaltung teilen sich der PC und der RT der
CAM 2.0 gemeinsame Speichereinheiten SM.
Die Geometriedatei 2.11,
die den Arbeitsbereich 2.1 beschreibt, wird entweder im
Arbeitsbereich 2.1 selbst oder außerhalb des Arbeitsbereichs 2.1 mittels
CAD oder durch Offline-Simulation erzeugt. Eine Dateneingabe 2.12 der
Geometriedatei 2.11 zu den PC der CAM 2.0, 2.0' geschieht über eine
Netzverbindung oder ein Diskettenlaufwerk (in letzterem Fall mittels
entnehmbarer Datenträger;
nicht gezeigt).
Da die Robotersteuerung
2.2,
2.2' denselben Aufbau
wie konventionelle Steuerungen besitzen, wird auf eine detaillierte
Beschreibung verzichtet. Einzelheiten betreffend einer Robotersteuerung
2.2,
2.2' mit zwei Betriebssystemen
findet sich in
US 6,356,806
B1 /
DE 198
57 436 A1 .
Sämtliche
Informationen bezüglich
Kollisionen, die sich aus der zur Verfügung gestellten Geometriedatei 2.3 ergeben,
werden im WCD 2.4 gespeichert. In diesem Zusammenhang existieren
zwei Arten von potentiellen Kollisionen: Bedingte potentielle Kollisionen
(Conditional Potential Collisions CPC) und unbedingte potentielle
Kollisionen (Un-Conditional Potential Collisions U-CPC). Eine CPC
illustriert den Fall, wenn die potentielle Kollision nur unter bestimmten
Umständen
zwischen zwei Bestandteilen in einem Arbeitsbereich 2.1 gegeben
ist. Beispielsweise könnte
ein Werkstück
X potentiell mit einem Werkzeug Y kollidieren, wenn Werkstück X durch
einen bestimmten ersten Roboter unter Verwendung von Werkzeug Z
gehandhabt und zugleich Werkzeug Y an einem bestimmten zweiten Roboter
montiert ist. In allen anderen Fällen
sind Werkstück
X und Werkzeug Y so weit voneinander entfernt, dass kein Kollisionspotential
existiert. Eine U- CPC
beschreibt den Fall, wenn das Kollisionspotential zu allen Zeiten
zwischen den Bestandteilen existiert. Beispielsweise kann eine U-CPC
zwischen bestimmten Verbindungen zweier Roboter bestehen, wenn die
Arbeitsvolumina, d.h. die von den beiden Robotern erreichbaren Raumbereiche
sich zu allen Zeiten überlappen.
Eine spezielle Eigenschaft der Geometriedatei im WCD 2.4 verweist
auf die geometrische Approximation, die mit dem Gegenstand, z.B.
dem Inhalt des Arbeitsbereichs 2.1, zu verwenden ist. Ein
lokaler Teilsatz des WCD 2.4 wird in jeder CAM 2.0, 2.0' unterhalten
und aktualisiert. Auf diese Weise kennt jede CAM 2.0, 2.0' alle potentiellen
Verhältnisse im
Arbeitsbereich 2.1. Bei einer Veränderung der Geometrie des Arbeitsbereichs 2.1,
beispielsweise einer Werkzeugänderung,
fügt ein
spezieller Programmeditor (nicht gezeigt), der in Verbindung mit
dem WCD 2.4 eingesetzt wird, eine entsprechende Anweisung
in das Programm 2.5 ein, das den Interpreter 2.6 veranlasst, die
dynamischen Werkzeug-/Werkstückinformationen 2.7 im
RT zu aktualisieren, die den zeitlich veränderlichen Teil der Geometriedatei 2.3 beinhalten
und auf die die CAT 2.9, die für die tatsächliche Vorhersage der Roboterbewegung
und das im Gefährdungsfalle
notwendige Abstoppen der Maschinen verantwortlich ist, in Echtzeit
zugreifen kann.
Die dynamischen Werkzeug-/Werkstückinformationen 2.7 im
RT der CAM 2.0, 2.0' umfassen
Zeiger auf die Geometriedaten 2.8, die auch im RT enthalten
und deshalb für
die CAT 2.9 zur effizienten Kollisionsvermeidung in Echtzeit
zugänglich
sind. Die Ausführung
der CAT 2.9 wird auch durch die Ausgabe der Kommunikationsaufgabe 2.10 beeinflusst,
die eine Verbindung zwischen den RT weiterer CAM 2.0' und/oder Robotersteuerungen 2.2, 2.2' zur Verfügung stellt,
sofern diese im Arbeitsbereich 2.1 vorhanden sind. Dies
geschieht entweder durch direkte Kommunikation oder durch Veränderungen der
Geometriedaten 2.8 und/oder der dynamischen Werkstück-/Werkzeuginformationen 2.7 innerhalb
des RT der CAM 2.0.
3 zeigt
verschieden Möglichkeiten
der Approximierung von Teilen oder Verbindungen eines Roboters 3.0 (3a) in vereinfachter schematischer
Darstellung: 3b(a) zeigt eine hantelförmige Roboterverbindung 3.1 in
einer Näherung
als Quader oder Zylinder 3.2, 3b(b) zeigt
eine Darstellung derselben Verbindung 3.1 als Kugel 3.3.
Derartige näherungsweise
Darstellungen 3.2, 3.3 sind recht konservativ,
was eine Optimierung des verwendeten Raumbereiches angeht, ermöglichen
jedoch eine schnelle Ausführbarkeit eines
Kollisions-Detektionsalgorithmus' aufgrund
ihrer geometrischen und mathematischen Einfachheit. Eine näherungsweise
Darstellung von Verbindungen 3.1 mittels komplexerer Polyeder 3.4,
d.h. vielseitiger geschlossener geometrischer Figuren führt zu einer
größeren Genauigkeit,
bedingt jedoch eine herabgesetzte Leistungsfähigkeit des Kollisions-Detektionsalgorithmus', was dessen Ausführgeschwindigkeit
anbelangt (3b(c)). Daher verwendet
das erfindungsgemäße Verfahren
vorzugsweise hierarchisch aufgebaute Approximationen mit verschiedenen
Genauigkeitsstufen 3.2–3.4.
Wenn die Näherungsformen 3.2–3.4 der
Verbindungen 3.1 des Roboters 3.0 in einem Arbeitsbereich 2.1 weit
voneinander entfernt sind, ist es nicht notwendig, dass die CAT 2.9 die
genaueren Darstellungen 3.4 der Verbindungen 3.1 überprüft, was
demgemäß nur für dichte
Annäherungen
geschieht.
Die geometrischen Approximationen 3.2–3.4 der
Verbindungen 3.1 eines Roboters 3.0 sind in der
Geometriedatei 2.3 und den Geometriedaten 2.8 in
Speichereinheiten SM der CAM 2.0, 2.0' gespeichert,
so dass die CAT 2.9 in Echtzeit auf sie zugreifen kann,
um so den eigentlichen erfindungsgemäßen Kollisions-Vermeidungsalgorithmus
auszuführen.
Behinderungsüberprüfung geschieht mittels bekannter
Techniken, wie dem Verfahren von Gilbert, Johnson und Keerthi (GJK),
welches ein iteratives Verfahren darstellt, bei dem die Geometrie
in Simplexen unterteilt wird, bis sie zum minimalen Abstand zwischen
den beiden Objekten hin konvergiert. Derartige Verfahren sind nicht
Gegenstand der eigentlichen Erfindung und daher hier nicht weiter
erläutert.
4 zeigt
schematisch ein Objekt 4.0, z.B. eine Verbindung eines
Roboters, der parallel zu einer horizontalen Oberfläche 4.1 und
zugleich in Richtung einer vertikalen Wand 4.2 bewegt ist.
Ein Anhalten des Objektes 4.0 auf seiner Bahn P im Falle
einer vorhergesagten Kollision mit einem anderen Objekt 4.0' vermiedet ein
Zusammenstoßen
der Objekte 4.0 und 4.0'. Wird das Objekt 4.0 jedoch
abseits der Bahn P gestoppt, so wird zwar ein Zusammenstoss verhindert,
jedoch kann in der Folge eine Kollision mit der horizontalen Oberfläche 4.1 resultieren.
Darüber
hinaus würde
das Vorhersagen einer Kollision mit der Oberfläche 4.1 einen ungewollten
Fehlalarm auslösen.
Daher werden im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens Roboterbewegungen
vorzugsweise längs
der Bahn vorhergesagt und gestoppt.
Um das erfindungsgemäße Verfahren
zur Vermeidung von Kollisionen zu überprüfen, wurden numerische Simulationen
der Bewegung von zwei identischen Robotern 3.0, wie in 3a dargestellt, in einem
gemeinsamen Arbeitsbereich 2.1 durchgeführt. Jede Verbindung 3.1 des
Roboters 3.0 wurde modellhaft als Abfolgen von Kugeln 3.3 nachgebildet.
Die Bahnen P, P' jedes
der Roboter 3.0 wurden als eine Abfolge von Gelenkwinkeln
vorgegeben, die unter Verwendung einer Spline-Funktin dritten Grades interpoliert
wurden. Die Anhaltzeit ts wurde zu 100 ms
angenommen.
Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt. In einem ersten Beispiel
führen
die Bahnen der beiden Roboter zu einer Kollision. Der Abstand d
zwischen den Robotern als Funktion der Zeit t ist in 5a dargestellt. 5b zeigt den Abstand d zwischen
den Robotern unter Verwendung der CAM. Die Relativbewegung der Roboter
wird durch die CAM gestoppt, bevor es zu einer Kollision kommt (d > 0 für alle Werte
von t). In einer anderen Simulation (5c)
bewegten sich die Roboter auf Bahnen, die ohne Kollision zu einer
Annährung bis
auf 0,5 mm führen.
Ziel der Simulation ist eine Überprüfung, ob
durch eine derartige Annäherung
ein Fehlalarm ausgelöst
wird. 5c zeigt, wie
sich die Roboter einander annähern
und anschließend
wieder voneinander entfernen. Auch wenn die CAM eingeschaltet ist,
wird keine Kollision längs
der Bahn vorhergesagt, so dass die Maschinen – wie dies in der Praxis gewünscht ist – nicht
anhalten müssen.
Wenn die Roboter in einem konstanten gegenseitigen Abstand von 0,5
mm anstelle des vorstehend beschriebenen Annäherungs-und-Entfernungs-Szenarios
gehalten werden (vergleiche 5c),
ergibt sich dasselbe Simulationsergebnis, d.h. eine Kollision wurde
nicht vorhergesagt, und keine der Maschinen wurde angehalten.
In der mit Blick auf 5 beschriebenen
Simulation wurde die Anhaltzeit als konstant angenommen. Nach einer
alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann die Anhaltezeit mittels
einer vorab gespeicherten Nachschlagtabelle aufgefunden werden.
Allerdings schlägt
die Erfindung mit Blick auf Echtzeit-Anwendungen vor, die Anhaltezeit
der Roboterachsen unter Verwendung von neuronalen Netzen NN für jedes
Gelenk des Roboters in Echtzeit abzuschätzen. Ein erfindungsgemäßes neuronales
Netz zur Abschätzung
der Anhaltezeit für
eine Achse eines typischen Industrieroboters ist in 6 dargestellt.
Ein neuronales Netz NN ist eine Rechnerarchitektur,
in der eine Mehrzahl von Elementarprozessoren (Knoten) 6.0 zum
parallelen Verarbeiten von Informationen verbunden sind und auf
diese Weise ein Netz bilden. Die Struktur neuronaler Netze ist von
der Struktur des menschlichen Gehirns abgeleitet.
Neuronale Netze werden insbesondere
für Aufgaben
eingesetzt, die menschliches Verhalten imitieren, z.B. bei Verfahren
zur Bilderkennung. Sie sind als solche bekannt und deshalb hier
nicht detailliert beschrieben.
Die neuronalen Netze NN für die verschiedenen
Achsen eines Industrieroboters weisen eine Mehrzahl von Schichten
L2, L2, L3 aus Elementarprozessoren oder Knoten 6.0 auf,
die von Schicht zu Schicht durch Signalpfade 6.1 verbunden
sind. Die Schichten L1, L2, L3 heißen Eingabeschicht, Zwischenschicht
bzw. Ausgabeschicht. Die Knoten 6.0 der Eingabeschicht
L1 erhalten als Eingabedaten die Parameter, die die Anhaltzeit einer
Achse beeinflussen, z.B. die Achsengeschwindigkeit . und die Nutzlast
m. Diese Information breitet sich im Netz NN aus und erzeugt eine
Abschätzung
der Anhaltzeit ts der Achse in der Ausgabeschicht
L3, die anschließend
für die
erfindungsgemäße Kollisionsdetektion
benutzt wird.
