DE4207001A1 - Roboterfuehrungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Führen von Robotern.

Das Führen von Robotern in einer bekannten Umgebung eines Innenraums, wobei als Nebenbedingung Hindernisse zu vermei­ den sind, ist ein bekanntes Problem auf dem Gebiet des Planens von Roboterwegen. Es gibt verschiedene Verfahren, dieses Problem zu lösen, beispielsweise Vorrichtungen, die alle möglichen Pfade untersuchen und den günstigsten Pfad aussuchen, bevor sich der Roboter von seiner Startposition wegbewegt, oder Vorrichtungen, die ein Verfahren mit einem künstlichen Potentialfeld implementieren. Bei den Verfahren mit dem künstlichen Potentialfeld werden Hindernisse in einer Softwaresimulation auf einem logischen Chip, der am Roboter vorgesehen ist, als eine abstoßende Kraft und das Ziel als eine anziehende Kraft dargestellt. Ein logischer Chip ist normalerweise ein elektronischer Chip, der die gesamte Logik zum Führen des Roboters beinhaltet, wobei die Logik normalerweise durch elektronische binäre Bausteine, wie UND-Gatter, ODER-Gatter, NAND-Gatter usw. implementiert wird. Wenn das Verfahren mit dem künstlichen Potentialfeld verwendet wird, wird ein Potentialfeld über die Darstellung der Umgebung, durch die der Roboter zu führen ist, gelegt. Ein Pfad wird ausgewählt, indem ausgehend von der Roboter­ startposition dem Gradienten des Potentialfelds folgend auf das Ziel zu im Potentialfeld abgestiegen wird. Diese Lösung hat den Nachteil, daß der Algorithmus dazu neigt, bei be­ stimmten Hinderniskonfigurationen, insbesondere dann, wenn die Hindernisse konkav sind, ein lokales Minimum des Poten­ tialfelds zu finden und dort zur Ruhe zu kommen, anstatt das Ziel zu erreichen.

Als eine Alternative kann eine Roboterführungsvorrichtung ein Widerstandsgitter implementieren. Die Umgebung, durch die geführt werden soll, wird fiktiv in ein Gitter unter­ teilt, das Knotenpunkte an den Schnittpunkten der fiktiven Gitterteilungen hat, und jeder Knoten stellt eine bestimmte Position innerhalb des Bereichs, durch den geführt werden soll, dar. Auf dem logischen Chip wird das Widerstandsgitter derartig dargestellt, daß jeder Verbindung zwischen zwei Knoten ein bestimmter Widerstand (normalerweise in der Form eines ohmschen Widerstandes) zugewiesen wird. Das Wider­ standsgitter hat normalerweise eine hexagonale oder eine rechtwinklige Verbindungsstruktur. Hindernisse werden auf dem Logikchip als Bereiche großen oder unendlichen Wider­ stands inmitten einer Umgebung bzw. eines Hintergrundes mit niedrigem Widerstand dargestellt. Zwischen dem Knoten, der die gegenwärtige Position oder die Startposition des Robo­ ters darstellt, und dem das Ziel darstellenden Knoten wird an den Logikchip eine Spannung angelegt. Dann wird ein Strom fließen, und indem man dem Pfad des maximalen Stroms folgt, findet man einen nahezu optimalen Pfad auf das Ziel zu. Das Verfahren hat folgende Vorteile:

• 1. Wenn zumindest ein Pfad zwischen der gegenwärtigen Robo­ terposition und dem Ziel existiert, wird dieser Pfad - im Gegensatz zum Verfahren mit künstlichem Potentialfeld - gefunden, indem man der Richtung des maximalen Stroms folgt.
• 2. Das Verfahren kann durch direkte Hardware implementiert werden, die in Echtzeit betrieben werden kann, d. h., daß fortwährend ausgewertet wird, wo sich die Roboterposition innerhalb des befahrbaren Bereichs befindet, und daß die momentane Roboterposition fortlaufend als die Startposi­ tion des Roboters verwendet wird.

Gelegentlich werden kürzere Pfade dadurch gefunden, daß die Spannung an jeden der Knoten angelegt wird, der auf dem Pfad erreicht wurde, und daß die Richtung, in der fortgeschritten werden soll, immer nur für einen Knoten im voraus bestimmt wird. Diese Abwandlung berücksichtigt dann auch Fehler in der Roboterposition, wenn dieser vom vorgeschriebenen Pfad abweicht.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens mit einem Wider­ standsgitter (aus "Parallel analogue computation for real­ time path planning", Tarassenko, Marshall, Gomez-Castaneda and Murray, Proc. Oxford International workshop on VLSI for Artificial Intelligence and Neural Networks, 1990), werden die Verbindungen zwischen den Knoten aus einzelnen Transi­ storen gebildet, wobei eine RAM-Zelle (Random Access Memory element) mit der Basis bzw. dem Gate verbunden ist, so daß der Transistor entweder sperrt (keine Verbindung, d. h. Hin­ dernis) oder leitet (Verbindung mit geringem Widerstand, also Hintergrund).

Bei der obigen Ausführungsform kann jeder Knoten mittels eines Verbindungstransistors mit einer Spannungsversorgungs­ schiene verbunden werden. Das Anlegen einer hohen Spannung von der Spannungsversorgungsschiene an einen bestimmten Knoten wird durch den Logikchip ausgewertet, und ein Robo­ terbewegungs-Steuerungschip, der auch am Roboter angebracht ist, stellt die gegenwärtige Roboterposition innerhalb des befahrbaren Bereichs als eben diesen Knoten dar. Genausogut kann jeder der Knoten über Verbindungstransistoren nach Masse verbunden werden, wobei der Knoten zum Anzeigen des Ziels geerdet wird. Das Führen eines Roboters besteht dann aus:

• 1. Programmieren des Widerstandsgitters mit dem Rand des befahrbaren Bereichs und den Positionen der Hindernisse,
• 2. Anlegen der Spannung von der Spannungsversorgungsschiene an den der gegenwärtigen Roboterposition entsprechenden Knoten, und
• 3. Auslesen des Pfades mit maximalem Strom.

Das Auslesen der Richtung mit maximalem Strom muß so ausge­ führt werden, daß das Gleichgewicht innerhalb des Gitters nicht verändert wird. Eine hinreichend einfache Anwendungs­ weise der obigen Ausführungsform erfordert es, daß diese Art des Auslesens auf einem Chip durchgeführt werden kann, wobei dieser Chip vorzugsweise der Logikchip ist. Die ausgewählten Daten werden dann üblicherweise einem Steuerungschip zuge­ führt, der die Befehle für die Roboterbewegung steuert.

Es gibt zwei Verfahren, mit denen das Auslesen auf dem Logikchip durchgeführt werden kann. Es können die Ströme in den Widerständen, die denjenigen Knoten umgeben, der die gegenwärtige Roboterposition darstellt, ausgelesen werden und dann der Maximalstrom ausgewählt werden. Um dieses ohne nennenswerte Änderung der fließenden Ströme durchzuführen, werden umfangreiche und große Schaltungen benötigt, so daß sich die Anzahl der Knoten, die auf einem Logikchip inte­ griert werden können, reduziert. Alternativ hierzu können die Spannungen der Knoten, die denjenigen Knoten umgeben, der die gegenwärtige Roboterposition repräsentiert, ausgele­ sen werden, und der Pfad mit minimaler Spannung wird ausge­ wählt. Dieses Verfahren ist wesentlich einfacher, da ledig­ lich einfache Source-Folger-Pufferschaltungen oder Emitter­ Folger-Pufferschaltungen verwendet werden können, um die Ausleseschaltung vom Gitter zu isolieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zum Planen eines Roboterpfades anzugeben.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Er­ findung gerichtet.

Im folgenden werden bezugnehmend auf die Zeichnungen einzel­ ne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer befahr­ baren Umgebung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Roboters,

Fig. 3 die Darstellung eines Teils eines Wider­ standsgitters, bei dem ein Knoten, der eine zugeordnete niedrigste Spannung hat, nicht einem Pfad mit maximalem Strom entspricht,

Fig. 4 ein Flußdiagramm für die Planung eines Robo­ terpfades,

Fig. 5 eine typische Schaltung zum Zuweisen einer hohen Spannung an eine Busleitung,

Fig. 6 eine typische Schaltung zum Zuweisen einer Spannung an eine Busleitung,

Fig. 7 eine typische Schaltung, um Kanten eines Widerstandsgitters als Verbindungen mit offe­ ner Schaltung darzustellen, und

Fig. 8 ein schematisches Diagramm einer typischen Komparatorschaltung, die zur Auswahl der Richtung der Roboterbewegung verwendet wird.

Erfindungsgemäß weist eine Vorrichtung zum Planen eines Roboterpfades auf
Einrichtungen zum Implementieren eines Widerstandsgitters mit Knoten und Verbindungen zwischen den Knoten,
Einrichtungen zum Implementieren der Steuerung der Roboter­ bewegungen,
Einrichtungen zum Implementieren der Richtungsauswahl der Roboterbewegung,
kennzeichnende Merkmale sind, daß
die Einrichtungen zum Implementieren der Auswahl der Richtung der Roboterbewegung Einrichtungen aufweisen zum Erfassen von Verbindungen zwischen Knoten mit offener Schal­ tung sowie Einrichtungen, die verhindern, daß sich der Robo­ ter längs eines Pfades bewegt, der einer Verbindung zwischen Knoten mit einer offenen Schaltung zugeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst somit ein Problem (nämlich Verbindungen zwischen Knoten mit offener Schal­ tung), das bisher nicht erkannt wurde und dessen Folgerungen nicht näher untersucht wurden.

Eine Verbindung zwischen zwei Knoten kann aus mehreren Grün­ den ein offener Schaltkreis, eine offene Schaltung oder einfach offen sein, beispielsweise weil sie einen Teil eines Hindernisses darstellt, oder Herstellungsfehler ergeben einen fehlerhaften Transistor, der unabhängig von der Pro­ grammierung immer offen bleibt.

Eine typische Vorrichtung, die zur Implementierung der Er­ findung verwendet werden kann, ist beispielsweise diejenige, die zwischen zwei Knoten eine Verbindung mit offener Schal­ tung dadurch festlegt, daß angemessene Knotenspannungen, die hoch in bezug auf andere Knotenspannungen sind, zugewiesen werden, so daß dann, wenn die Roboterbewegungsrichtung ent­ sprechend dem Kriterium der niedrigsten Knotenspannung aus­ gewählt wird, ein Vergleich der Knotenspannungen ergibt, daß eine Verbindung zwischen Knoten mit offener Schaltung keine gültige Auswahl für die Richtung der Roboterbewegung dar­ stellt. Wenn anders herum die Roboterbewegung mit dem Krite­ rium der höchsten Knotenspannung ausgewählt wird, können Knotenspannungen, die mit Verbindungen zwischen Knoten mit offener Schaltung assoziiert sind, eine im Vergleich zu anderen Knotenspannungen niedrige Spannung zugewiesen wer­ den. Beide oben genannten beispielhaften Vorrichtungen, die zur Implementierung der Erfindung geeignet sind, verwenden Auswahlkriterien, die auf einem Spannungsvergleich basieren, um eine Spannung auszuwählen, die derjenigen, die dem Ziel­ knoten zugeordnet ist, am nächsten liegt. Andere Implemen­ tierungen weisen eine andernorts stattfindende Beurteilung von Knotenspannungen derjenigen Knoten auf, die die Position eines Roboters umgeben, mit einer daran anschließenden Aus­ wahl der Bewegungsrichtung auf der Grundlage von berechneten Stromgrößen. Solche Berechnungen können Interpolationssche­ mata beinhalten, beispielsweise die Auswahl der Bewegungs­ richtung entsprechend der Bestimmung einer gewichteten Summe aller Stromvektoren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verhindert außerdem ein Problem, das im Stand der Technik immer wieder auftritt, wonach der Roboter zwischen zwei Knoten oszilliert. Diese Oszillation kann verhindert werden, indem der Beginn eines Oszillationszyklus zwischen zwei Knoten erfaßt wird, und wenn dies auftritt, wird die Verbindung zwischen den zwei Knoten so verändert, daß sie eine offene Schaltung ist, so daß die Oszillationsschleife unterbrochen ist.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer befahrbaren Umgebung 1, beispielsweise eines Raums oder eines Stockwerks einer Fabrik, die fiktiv in ein rechtwinkliges Netzwerk von Knoten unterteilt ist, was als Interknotennetzwerk bezeich­ net wird. Typischerweise wird ein Raum von etwa 9 m² in ein Interknotennetzwerk von 100 Knoten unterteilt, obwohl natür­ lich auch feinere oder gröbere Interknotennetzwerke verwen­ det werden können. Jeder Knoten des Interknotennetzwerks stellt eine individuelle und diskrete Position innerhalb der befahrbaren Umgebung dar. Knoten 2 stellt die Positionierung eines (typischerweise zylindrischen) Roboters 3 dar, Fig. 4 die Zielposition für den Roboter, zu der er geführt werden soll. In der befahrbaren Umgebung sind außerdem Hindernisse 5, 6 und 7 vorhanden. Hindernisse können beispielsweise Tische oder Türen sein, wenn die befahrbare Umgebung ein Raum ist, oder Ausrüstungsteile und Maschinen, wenn die befahrbare Umgebung eine Fabriketage ist. Ein typisches Roboterführungsproblem ist es dann, den Roboter dazu zu bringen, einem Pfad, beginnend an der Startposition, bei­ spielsweise Knoten 2 und endend an der Zielposition, bei­ spielsweise dem Knoten 4, derart zu folgen, daß der Roboter allen Hindernissen, die in der befahrbaren Umgebung vorhan­ den sind, beispielsweise den Hindernissen 5, 6 und 7, aus­ weicht. Die Führung des Roboters durch Implementierung des sogenannten Widerstandsgitterverfahrens verwendet die Knoten des Interknotennetzwerks als die Darstellung von diskreten Positionen innerhalb der befahrbaren Umgebung und weist jeder Verbindung zwischen einem Knoten und den jeweiligen Nachbarknoten Widerstände zu. Jeder Verbindung zwischen Knoten sind Widerstände entsprechend standardisierten Wider­ standsgittertechniken zugeordnet, derart, daß Hindernisse als Bereiche hohen oder unendlich hohen Widerstands vor einem Hintergrund von konstant niedrigem Widerstand darge­ stellt sind. Typische Standard-Widerstandsgittertechniken haben Verbindungen zwischen Knoten, die vollständig außer­ halb eines Hindernisses liegen und denen ein geringer Wider­ stand zugeordnet ist. Verbindungen zwischen Knoten, die Positionen darstellen, die teilweise oder ganz innerhalb eines Hindernisses liegen, werden hohe Widerstände zugeord­ net. Jedes Hindernis wird vergrößert dargestellt, um die physikalische Ausdehnung des Roboters zu berücksichtigen (ist beispielsweise der Roboter zylindrisch, wird die Dar­ stellung der Hindernisse um den halben Durchmesser des Robo­ ters vergrößert, es kann aber auch die Darstellung des Roboters um den halben Durchmesser des Roboters vergrößert werden), und Verbindungen zwischen Knoten, die ganz oder teilweise in die Darstellung der vergrößerten Regionen fal­ len, wird ein Widerstand zugewiesen, der entweder hoch oder mittel im Vergleich zum Hintergrund mit niedrigem Widerstand ist.

Fig. 2 zeigt schematisch den Roboter 3, der für die Bewegung in einer befahrbaren Umgebung geeignet ist. Der Roboter hat Sensoren 10, die zur Erfassung der Position des Roboters innerhalb der befahrbaren Umgebung verwendet werden. Die Sensoren sind typischerweise elektromagnetische Detektoren, beispielsweise Infrarotdetektoren, oder Vibrationssensoren, beispielsweise Vielwellensensoren oder Sonar. Die von den Sensoren bereitgestellte Information wird als Eingabe für einen Auswertungschip 11 verwendet, der die von den Sensoren empfangene Information derartig auswertet, daß er Informa­ tionen an den Logikchip 12 und an das Steuerungsmodul 13 beispielsweise in Form von Koordinaten der gegenwärtigen Roboterstartposition in bezug auf das Interknotennetzwerk und dem zugeordneten Widerstandsnetzwerk ausgibt. Der Logik­ chip weist u. a. eine Logik zur Führung des Roboters von seiner anfänglichen Startposition zur Zielposition auf. Das Steuerungsmodul führt Funktionen durch, u. a. das Bewegen des Roboters 3 mittels beispielsweise einer Motoreinheit 14, eines Lenkmechanismus 15 und Rädern 16. Das Steuerungsmodul kann auch andere Funktionen ausführen, beispielsweise Über­ tragung von Signalen zum Logikchip betreffend die momentane Position des Roboters, Hinderniserfassung und das Mitteilen von Positionen von neuen oder veränderten Hindernissen an den Logikchip.

Fig. 3 zeigt ein einfaches Widerstandsgitter 20 mit einer Verbindung zwischen Knoten mit einer offenen Schaltung, möglicherweise aufgrund eines fehlerhaften Transistors oder aufgrund der Darstellung eines Teiles eines Hindernisses. Das Widerstandsgitter basiert auf einem Interknotennetzwerk von hexagonaler Topologie, das Widerstandsgitter kann auch als Teil eines größeren typischen Widerstandsgitters ange­ sehen werden. Im Widerstandsgitter 20 wurde der Knoten 21 durch ein Steuerungsmodul (nicht dargestellt) als die Start­ position des Roboters bestimmt, so daß entsprechend herkömm­ lichen Widerstandsgitterverfahren dieser Knoten an eine hohe Spannung gelegt ist, in diesem Fall an eine Spannung, die von einer Spannungsversorgungsschiene (ebenso nicht darge­ stellt) stammt. Die Spannungsversorgungsschiene kann auf einer beliebig ausgewählten Spannung liegen, üblicherweise wird sie so nah wie möglich an 5 V gehalten. Knoten 27 ist als Darstellung der Zielposition, die durch den Roboter zu erreichen ist, festgelegt, und ist somit entsprechend dem gewöhnlichen Widerstandsgitterverfahren geerdet, beispiels­ weise auf eine Spannung von 0 V gelegt. Die Nachbarn des Knoten 21 sind die Knoten 22, 23 und 24, von denen dem Knoten 23 durch den Logikchip eine Spannung kleiner als die der anderen Nachbarknoten zugewiesen wurde, da er dem Kno­ ten, der die Zielposition darstellt, Knoten 27, am nächsten liegt. Die Auswahl eines Bewegungspfades zwischen Knoten 21 und 27 mittels einer herkömmlichen Widerstandsgitterlogik wird nun aber eine ungültige Roboterbewegung auslösen, da die Verbindung 28 zwischen den Knoten 21 und 23 eine offene Schaltung ist. Sobald sich ein Roboter längs eines Pfades bewegt, der durch eine Verbindung zwischen Knoten mit offe­ ner Schaltung dargestellt ist, stoppt dies alle weiteren Bewegungen des Roboters. Das durch die Verbindungen zwischen Knoten mit offener Schaltung auftretende Problem ist ver­ gleichsweise selten bei der Anwendung von Widerstandsgittern für die Führung von Robotern, hat aber nichtsdestoweniger katastrophale Auswirkungen auf die Bewegung des Roboters, wenn sie doch auftreten, da die Bewegung eines Roboters in die Richtung, die durch eine Verbindung zwischen Knoten mit offener Schaltung dargestellt wird, zu einer Kollision mit einem Hindernis und nachfolgender Beschädigung des Roboters und/oder des Hindernisses führen könnte.

Typische Schritte, die durch eine Vorrichtung für die Führung eines Roboters, längs eines Pfades 25 innerhalb einer befahrbaren Umgebung durchgeführt werden, werden nun be­ schrieben. Fiktiv ist die befahrbare Umgebung in ein Inter­ knotennetzwerk unterteilt. Knoten des Interknotennetzwerks sind diskrete Positionen innerhalb der befahrbaren Umgebung und sind auf einem Logikchip als Knoten eines Widerstands­ gitters dargestellt. Die befahrbare Umgebung wird durch die Sensoren des Roboters überwacht, so daß die ursprüngliche Startposition und die Positionen eines oder mehrerer Hinder­ nisse erfaßt werden. Die Sensoren senden ein Signal an einen Auswertechip, der wiederum Signale an den Logikchip schickt, die Informationen über diese Positionen enthalten. Der Logikchip kombiniert diese Informationen mit derjenigen über die Zielposition (wie sie durch das Befehlsmodul bereit­ gestellt wurde), um zwischen die Knoten des Widerstands­ gitters angemessene Widerstände zu legen. Jede Verbindung zwischen Knoten des Widerstandsnetzes wird ein Widerstand entsprechend seiner Position in bezug auf das oder die Hindernisse gegeben. Die Startposition, die die anfängliche Startposition zu Beginn der Führung des Roboters ist, wird in einem Schieberegister gespeichert. Der Logikchip liest dann die Spannungen all der Knoten, die den die anfängliche Startposition repräsentierenden Knoten umgeben. Der Logik­ chip ist hierzu in der Lage, da in seine Struktur ein Bus vorgesehen ist, wobei als Bus eine Übertragungseinrichtung für eine Anzahl von Informationseinheiten parallel von einem Teil einer Logik zu einer anderen verstanden wird. Ein Bus besteht aus einer Anzahl von Busleitungen, typischerweise Kabeln, Leitungen oder Verbindungen, von denen jede in der Lage ist, eine Informationseinheit zu übertragen. Innerhalb des Logikchips 12 sind die Busleitungen über das Gitter so verteilt, daß für jeden bestimmten Knoten ausreichend viele Busleitungen verfügbar sind, um Informationen über jede mögliche Bewegungsrichtung von dem bestimmten Knoten zu übertragen. Somit würde ein Bus für ein Widerstandsgitter hexagonaler Topologie sechs Leitungen haben, die in der Lage sind, sechs Informationseinheiten zu übertragen. Obwohl jeder Knoten den Zugriff hat, seine Spannung als Information an eine passende Busleitung zu liefern, wird es nur den Spannungen derjeniger Knoten erlaubt, auf den Bus gelegt zu werden, deren Knoten unmittelbare Nachbarknoten des die anfängliche Startposition darstellenden Knotens sind. Nach­ dem für die Zuführung von Informationen bezüglich der Kno­ tenspannungen zum Bus die geeigneten Verbindungen definiert worden sind, wird jede geeignete Verbindung zwischen Knoten daraufhin bewertet, ob sie eine Verbindung zwischen Knoten mit offener Schaltung ist. Wenn eine Knotenverbindung zwischen dem die anfängliche Startposition darstellenden Knoten und einem unmittelbar benachbarten Knoten eine offene Schaltung ist, wird für den unmittelbar benachbarten Knoten eine hohe Spannung an eine geeignete Busleitung angelegt. Typischerweise ist diese hohe Spannung die gleiche wie die, die an den die Startposition repräsentierenden Knoten ange­ legt wurde, beispielsweise 5 V von einer Spannungsversor­ gungsschiene. Alternativ hierzu kann die hohe Spannung auch anders und insbesondere etwas kleiner als die Spannung der Versorgungsschiene sein. Wenn eine Knotenverbindung keine offene Schaltung ist, wird die Spannung, die an dem entspre­ chenden unmittelbaren Nachbarknoten anliegt, durch eine geeignete Busleitung an den Logikchip 12 übertragen. Wenn die Information vom Bus geladen wurde, wird die minimale Spannung ausgewählt. Der Logikchip führt diese Information dem Befehlsmodul 13 in Form eines ausgewählten Knotens zu, der die kleinste Spannung hat. Das Befehlsmodul weist dann die Motoreinheit 14, den Lenkmechanismus 15 und die Räder 16 an, den Roboter zu der Position zu bewegen, die durch den Knoten repräsentiert wird, der eine minimale Spannung zwi­ schen sich und dem die ursprüngliche Startposition repräsen­ tierenden Knoten hat. Die neue Roboterposition wird nun seine gegenwärtige Startposition, und alle Vorgänge, die auf die ursprüngliche Startposition angewendet wurden, werden nun dem gleichen Flußdiagramm folgend auf die gegenwärtige Startposition angewendet.

Die gegenwärtige Startposition verändert sich während der Bewegung des Roboters, da jede Bewegung eine neue gegenwär­ tige Roboterstartposition erzeugt, genausogut können aber auch die Ziel- und Hindernispositionen während der Führung durch die befahrbare Umgebung Veränderungen unterworfen sein. Nach jeder Bewegung des durch den befahrbaren Bereich geführten Roboters können die Widerstände der Verbindungen zwischen den Knoten Änderungen unterworfen sein, um eine neue Beurteilung der Positionen des oder der Hindernisse zu erhalten. Um mögliche Veränderungen der Positionen des oder der Hindernisse einarbeiten zu können, weist der Ablauf der Tätigkeiten der Vorrichtung einen logischen Schritt des Beurteilens dieser Möglichkeit sowie des Programmierens dieser Änderungen im Widerstandsgitter auf, so daß die Wi­ derstände der Verbindungen zwischen den Knoten geändert werden können, um die neue befahrbare Umgebung darzustellen. Der Tätigkeitenablauf der oben beschriebenen Vorrichtung ist in dem in Fig. 4 dargestellten Flußdiagramm zusammengefaßt.

Hat sich ein Roboter zumindest zweimal von seiner anfängli­ chen Startposition wegbewegt, kann ein zusätzlicher Logik­ schritt im Ablauffluß der Vorrichtung vorgesehen sein. Die­ ser zusätzliche Logikschritt ist auch in dem in Fig. 4 dargestellten Flußdiagramm gezeigt. In diesem Logikschritt wird beurteilt, ob die gegenwärtige Startposition des Robo­ ters, wie sie im Schieberegister gespeichert ist, die glei­ che ist wie seine Startpositionen zwei Bewegungsschritte vor dieser Beurteilung. Befindet sich der Roboter an der glei­ chen Position wie zwei Bewegungsschritte vorher, ist dies die Folge einer Oszillation. Um diese Oszillationsfolge zu unterbrechen, wird derjenigen Verbindung zwischen Knoten ein hoher Widerstand zugewiesen, die als eine Verbindung ausge­ wählt wurde, die in der Richtung entsprechend dem maximalen Spannungsabfall von der Ausgangsposition für die gegenwär­ tige Startposition liegt (d. h. die gleiche Knotenverbindung zu einem Knoten, der als des Roboters gegenwärtige Start­ position im letzten Bewegungsschritt vor der gegenwärtigen Beurteilung festgelegt wurde), so daß verhindert wird, daß der Logikchip diese spezielle Knotenverbindung abermals als Verbindung zwischen Knoten mit minimaler Spannung auswählt.

Ein typischer Algorithmus, der zur Zuweisung einer hohen Spannung an eine Verbindung zwischen Knoten, im folgenden auch "Knotenverbindung" genannt, mit offener Schaltung durch den Logikchip 12 implementiert werden kann, wird nun angege­ ben. Diese Logik wird für jede Verbindung zwischen Knoten durchgeführt.

Für jede Verbindung falls (Buserdungszyklus) dann Bus erden, um ihn zu entladen; andernfalls (Knoten X mit Quelle verbun­ den) dann
falls (Verbindung zu Knoten Y geschlossen) dann lege Spannung Y an Busleitung;
sonst Busleitung auf HOCH legen; andernfalls (Knoten Y mit Quelle verbunden) dann falls (Verbindung zu Knoten X ge­ schlossen) dann Spannung X auf Busleitung legen;
sonst
Busleitung auf HOCH legen;
sonst
Busleitung erdfrei.

Somit wird für jede sinnvolle Knotenverbindung (hier verall­ gemeinert dargestellt als zwischen den Knoten X und Y) die sinnvolle Busleitung für diese spezielle Knotenverbindung geerdet, also überprüft, um sicherzustellen, daß sie unbe­ legt ist und somit bereit zum Empfangen der Spannung des Knotens. Nach diesem Vorgang überprüft der Algorithmus, ob dem Knoten X eine hohe Spannung zugewiesen wurde (überprüft also, ob die gegenwärtige Startposition des Roboters die durch den Knoten X repräsentierte Position ist) und ob die Knotenverbindung zwischen den Knoten X und Y geschlossen, also keine offene Schaltung ist. Wenn der Knoten X der die gegenwärtige Startposition des Roboters darstellende Knoten ist und die Knotenverbindung zwischen den Knoten X und Y (Verbindung XY) geschlossen ist, wird die Spannung des Kno­ ten Y auf eine sinnvolle Busleitung für diese Knotenverbin­ dung gelegt. Wenn die Knotenverbindung zwischen X und Y eine offene Schaltung ist, wird die entsprechende Busleitung für diese Knotenverbindung auf HOCH gelegt (also eine hohe Spannung zugewiesen). Wenn allerdings Knoten X nicht mit der Quelle verbunden ist und somit nicht der Knoten ist, der die gegenwärtige Startposition des Roboters darstellt, fährt der Algorithmus fort zu überprüfen, ob dem Knoten Y eine hohe Spannung zugewiesen wurde (also ob die gegenwärtige Start­ position des Roboters die durch den Knoten y repräsentiert ist), und ob die Knotenverbindung zwischen den Knoten y und X (Verbindung XY) geschlossen ist. Wenn bezugnehmend auf knoten Y beide obigen Bedingungen erfüllt sind, wird die Spannung des Knoten X auf die für diese Knotenverbindung geeignete Busleitung gelegt. Wenn die Knotenverbindung XY eine offene Schaltung ist, wird die entsprechende Busleitung für diese Knotenverbindung auf HOCH gelegt (also hohe Spannung zugewiesen). Wenn Knoten Y nicht die gegenwärtige Startposition des Roboters darstellt, wird die für die Kno­ tenverbindung geeignete Busleitung erdfrei gehalten, d. h. sie übernimmt keine Spannungsinformation von den mit der Knotenverbindung XY verbundenen Knoten, da weder X noch Y die gegenwärtige Startposition des Roboters darstellen.

Fig. 5 zeigt eine logische Schaltung 29, wie sie durch C- MOS-Logikschaltungen aufgebaut wird, um eine Busleitung auf HOCH zu legen, wenn eine Knotenverbindung XY eine offene Schaltung ist. Die Schaltung 29 wird zwischen eine durch eine Spannungsversorgungsschiene 30 bereitgestellte Spannung von etwa 5 V und 0 V gelegt. Der Bus wird über Transistoren 35, 44 und 45 geerdet. Wenn Knoten X die gegenwärtige Start­ position des Roboters darstellt, existiert über Transistoren 31, 32, 38 und 40 ein Schaltungspfad. Wenn Knoten Y die gegenwärtige Startposition des Roboters darstellt, existiert über Transistoren 33, 39 und 41 ein Schaltungspfad. Wenn entweder Knoten X oder Knoten Y die Startposition des Robo­ ters darstellen, entsteht über Transistoren 36 und 37 ein Schaltungspfad, wenn die Knotenverbindung XY eine offene Schaltung ist. Sind weder X noch Y die gegenwärtige Start­ position des Roboters, entsteht ein Schaltungspfad über die Transistoren 31, 32, 33 und 34 sowie Gatter 38, 39, 40 und 41, so daß keine Spannung an die entsprechende Busleitung angelegt wird. Transistor 42 und Gatter 43 werden zur Inver­ tierung von Signalen verwendet, so daß die den Transistor 45 erreichenden Signale invertiert werden. Wenn aufgrund der gegenwärtigen Startposition des Roboters die den Transistor 45 erreichenden Signale durch X (oder Y) repräsentiert wer­ den, und wenn die Knotenverbindung XY geschlossen ist, wird über die Schaltung, die weiter unten bezugnehmend auf Fig. 6 beschrieben wird, die Spannung der Knotenverbindung XY auf die Busleitung gelegt. Wenn aber die gegenwärtige Startposi­ tion des Roboters zwar durch X (oder Y) repräsentiert wird, die Knotenverbindung XY jedoch eine offene Schaltung ist, wird Schalter 46 geschlossen gehalten und der Busleitung wird von der Spannungsversorgungsschiene her eine Spannung von etwa 5 V zugewiesen.

Fig. 6 zeigt eine logische Schaltung 50, die dazu verwendet wird, die Spannung der Knotenverbindung XY auf die entspre­ chende Busleitung zu legen. Die Schaltung tritt in Aktion, wenn die logische Schaltung 29 bestimmt hat, daß Knoten X (oder Y) die gegenwärtige Startposition des Roboters reprä­ sentiert und daß die Knotenverbindung XY geschlossen ist. Sollen die logische Schaltung 50 und die logische Schaltung 29 teilweise gemeinsam aufgebaut werden, können Transistoren 51 und 52 gemeinsam verwendet werden, so daß sie auch Tran­ sistoren 31 und 33 (oder 32 und 34, wenn Knoten Y die gegen­ wärtige Startposition des Roboters darstellt) der Logik­ schaltung 29 sind. Die Busleitung ist durch Transistor 53 und Gatter 55 geerdet. Wenn Knoten X (oder Y) als der Knoten bestimmt wurde, der die anfängliche oder gegenwärtige Start­ position darstellt, existiert ein Schaltungspfad über die Transistoren 51, 52, 56 und 57, Gatter 54 und 58 sind offen, wenn die Knotenverbindung XY geschlossen ist. An der Schal­ tungsverbindung 60 liegt somit eine hohe Spannung an, und Gatter 61 leitet eine gepufferte Knotenspannung der geeigne­ ten Busleitung zu.

Befindet sich die gegenwärtige Startposition eines Roboters an der Kante einer befahrbaren Umgebung 1, werden Randeffek­ te dadurch berücksichtigt, daß eine von der Spannungsversor­ gungsschiene 30 stammende Spannung auf eine entsprechende Busleitung gelegt wird, wenn eine nicht existierende Verbin­ dung angesprochen wird. Dies wird durch die Verwendung von logischen Schaltungen implementiert, die an jedem der Knoten angebracht sind, die eine Position am Rande der befahrbaren Umgebung darstellen, wo eine Blindverbindung in die Logik­ schaltung eingebaut ist.

Fig. 7 zeigt eine logische Schaltung zur Implementierung einer Blindverbindung. Man sieht, daß diese logische Schaltung in etwa die gleiche wie die logische Schaltung 29 ist, mit der Ausnahme, daß Transistoren 33 und 34 und Gatter 39 und 41 bei den Komponenten fehlen, die zur Definierung der Knoten, die mögliche gegenwärtige Startpositionen des Roboters repräsentieren, verwendet werden. Auch die Gatter 36 und 37 sind nicht vorhanden, was dazu führt, daß der Logikschaltungs-Freigabeschalter 46 die Signale, die den Transistor 45 erreichen, unterbinden kann, so daß die Blind­ knotenverbindung eine hohe Spannung von der Versorgungs­ schiene 30 auf die Busleitung legen kann.

Nachdem jeder Busleitung eine Spannung zugeführt wurde, ist es notwendig, die Minimalspannung aus den sechs über den Bus zugeführten Spannungen herauszusuchen. Eine Möglichkeit hierzu ist die, jede der Spannungen einem Analog/Digital­ wandler zuzuführen und digital die minimale Spannung auszu­ wählen. Alternativ hierzu kann eine analoge Schaltung 70, wie in Fig. 8 dargestellt, verwendet werden. Die Komparato­ ren 71, 72, 73, 74, 75 und 76 sind aus Operationsverstärkern gebildet. Die sechs Busleitungen werden so zugeführt, daß jede einzelne Busleitung in einen bestimmten Komparator als Eingang läuft. Jeder Komparator hat außerdem einen Eingang mit einer Referenzspannung 78. Die Referenzspannung wird allmählich von 0 V bis zur Spannung der Spannungsversor­ gungsschiene erhöht. Der erste Komparator, dessen Zustand umschaltet, was durch die Decodierlogik 79 als das Zuleiten einer Spannung, die im wesentlichen kleiner als die der anderen Komparatoren ist, erfaßt wird, entspricht der Kompa­ rator-Busleitung, die mit der geringsten Spannung beauf­ schlagt ist. Nachdem ein Umschaltzustand erreicht wurde, verhindert eine Rückkopplung 80 von der Decodierlogik die weitere Zunahme der Referenzspannung. Die Decodierlogik gibt dann eine digitale Ziffer als eine Eingabe für den Logikchip aus, die die Busleitung mit der geringsten Spannung dar­ stellt, wobei der Logikchip dann diese Information zu den Befehlsmodulen in Form der Richtung, in die sich der Roboter bewegen sollte, schickt. Das Befehlsmodul weist dann die Motoreinheit 14, den Lenkmechanismus 15 und die Räder 16 an, den Roboter in die durch den Logikchip bestimmte Richtung um eine vorbestimmte Distanz zu bewegen, wobei die Distanz den Knotenabstand des Interknotennetzwerks darstellt. Der Robo­ ter bewegt sich somit von Knoten zu Knoten, bis er die Zielposition erreicht.

Die oben angegebenen Ausführungsformen wurden so beschrie­ ben, daß die gesamte oder der größte Teil der Richtungsaus­ wahllogik auf dem Logikchip 12 angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, den größten (oder ganzen) Teil der Selektions­ logik außerhalb des Chips in einem externen Prozessor durchzuführen, so daß sich eine Vereinfachung der Logikchip- Schaltung ergibt. Typischerweise kann jede beliebige der Logiken zur Bestimmung beispielsweise bestimmter Knotenspan­ nungen auf Busleitungen, Erden von Busleitungen oder Zuweisung von hoher Spannung zu bestimmten Knoten durch einen externen Prozessor ausgeführt werden, der dann die Richtungsauswahlinformation den entsprechenden Bereichen der Roboterführungsvorrichtung zuführt.

Die Logikimplementierung (auf dem Chip oder außerhalb des Chips) kann durch eine Reihe von Kriterien festgelegt sein - beispielsweise Leistungsaufnahme der verschiedenen Chips, die von der Führungsvorrichtung geforderte Ansprechgeschwin­ digkeit, Erleichterung der Kommunikation zwischen Logikchips auf dem Chip und außerhalb des Chips, Anzahl der verfügbaren Busleitungen, Topologie des Interknotennetzwerks usw. Eine typische Implementierung einer Logik, bei der die Leistungs­ aufnahme der Richtungsauswahllogik klein ist, kann einen Ladetransistor pro Busleitung zur Verwendung als Knotenaus­ lesepuffer aufweisen, im Gegensatz zu einem Ladetransistor pro Knoten. Typischerweise kann die Anzahl der Busleitungen begrenzt werden, indem geeignete ausgelesene Knotenspannun­ gen gespeichert werden und dann in ihrem Spannungswert ver­ glichen werden, im Gegensatz zum Vergleich von simultan zugeführten ausgelesenen Knotenspannungen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Planen eines Roboterpfads mit
Einrichtungen zum Implementieren eines Widerstandsgitters mit Knoten (21-28) und Verbindungen (29) zwischen den Knoten,
Einrichtungen zum Implementieren einer Steuerung der Roboterbewegungen,
Einrichtungen zum Implementieren einer Auswahl der Richtung der Roboterbewegung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Implementieren der Auswahl der Richtung der Roboterbewegung Einrichtungen zum Erfassen von Verbindungen zwischen Knoten mit offener Schaltung aufweist sowie Einrichtungen, die verhindern, daß sich der Roboter auf einem Pfad bewegt, der einer Verbindung zwischen Knoten mit offener Schaltung zugeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtungen zur Implementierung der Auswahl der Richtung der Roboter­ bewegung Einrichtungen zum Vergleichen von den Knoten zugewiesenen Spannungen aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Einrichtungen zum Vergleichen von den Knoten zugewiesenen Spannungen Einrichtungen zum Auswählen der niedrigsten, einem Knoten zugewiesenen Spannung aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Einrichtungen zum Verhindern einer Roboterbewegung längs eines Pfades, der einer Verbindung zwischen Knoten mit offener Schaltung zugeordnet ist, Einrichtungen zum Zuweisen einer hohen Spannung an einen Knoten mit einer Verbindung zwischen Knoten mit offener Schaltung aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Einrichtungen zum Vergleichen von den Knoten zugeordneten Spannungen Einrichtungen zum Auswählen der höchsten, einem Knoten zugewiesenen Spannung aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Einrichtungen zum Verhindern einer Roboterbewegung längs eines Pfades, der einer Verbindung zwischen Knoten mit offener Schaltung zugeordnet ist, Einrichtungen zum Zuweisen einer niedrigen Spannung an einen Knoten mit einer Ver­ bindung zwischen Knoten mit offener Schaltung aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtungen zum Implementieren der Auswahl der Richtung der Roboter­ bewegung Einrichtungen zum Beurteilen von den Knoten zugewiesenen Spannungen aufweist, und zwar der Spannung derjenigen Knoten, die verschiedene und diskrete Positio­ nen, die die Roboterposition umgeben, darstellen, und Einrichtungen zur Richtungsauswahl auf der Grundlage von berechneten Stromgrößen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Widerstandsgit­ ter eine hexagonale Topologie hat.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Widerstandsgit­ ter eine rechtwinklige Topologie hat.