DE4207001A1 - Roboterfuehrungsvorrichtung - Google Patents
RoboterfuehrungsvorrichtungInfo
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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.
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.
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.
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.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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GB919104576A GB9104576D0 (en) | 1991-03-05 | 1991-03-05 | Robot navigation apparatus |
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FR (1) | FR2673736A1 (de) |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007013303A1 (de) | 2007-03-16 | 2008-09-18 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur Berechnung einer kollisionsvermeidenden Trajektorie für ein Fahrmanöver eines Fahrzeugs |
CN101512452B (zh) * | 2006-07-31 | 2011-02-02 | 皮尔茨公司 | 基于摄像机监控具有移动机器部件的机器以防碰撞 |
CN109242973A (zh) * | 2018-09-18 | 2019-01-18 | 珠海金山网络游戏科技有限公司 | 一种碰撞测试方法、装置、电子设备及存储介质 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 1991-03-05 GB GB919104576A patent/GB9104576D0/en active Pending
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- 1992-03-05 FR FR9202664A patent/FR2673736A1/fr active Pending
- 1992-03-05 DE DE4207001A patent/DE4207001A1/de not_active Withdrawn
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WO2008113636A1 (de) | 2007-03-16 | 2008-09-25 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur berechnung einer kollisionsvermeidenden trajektorie für ein fahrmanöver eines fahrzeugs |
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