DE4425924A1 - Autonome mobile Einheit mit raumsparendem Manipulator und zugehöriges Steuerungsverfahren - Google Patents
Autonome mobile Einheit mit raumsparendem Manipulator und zugehöriges SteuerungsverfahrenInfo
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Description
Der Trend in der technischen Entwicklung geht dahin, regelmä
ßig wiederkehrende Tätigkeiten von Maschinen ausführen zu
lassen. Es wird weiter versucht, auch Tätigkeiten die eine
gewisse Mobilität erfordern von Maschinen verrichten zu
lassen. Beispiele für solche Tätigkeiten sind das Austragen
von Post, Reinigungstätigkeiten, oder das Füllen von Flächen
mit Farbe. Für diese Verrichtungen werden häufig autonome
mobile Einheiten eingesetzt. Diese müssen sich dabei in
unstrukturierten mit Hindernissen versehenen Umgebungen
bewegen. Dazu benötigen sie geeignete Orientierungsverfahren
und Sensoren, mit denen sie in ihrer Umgebung in Wechselwir
kungen treten können. Von W.D. Rencken wurde mit dem Artikel
"Concurrent Localization and Mapbuilding for mobile Robots
using Ultrasonics-Sensors" zu, PROC. 1993 IEEE/RSJ. Interna
tional Conference on Intelligence Robots and Systems, Yokoha
ma, Jap. 26.-30. Juli 1993, Seite 2192 bis 2197 ein Verfah
ren vorgestellt, welches sich mit der Orientierung und Weg
findung in unbekannten Umgebungen befaßt und dafür eine
Lösung aufzeigt. Ein weiteres Problem solcher autonomen
mobilen Einheiten besteht darin, daß diese einen einfachen
platzsparenden Manipulator besitzen müssen um die entspre
chenden Tätigkeiten verrichten zu können. Hierzu ist keiner
lei Stand der Technik bekannt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb
darin, eine autonome mobile Einheit anzugeben, die einen
Manipulator besitzt, der eine große Reichweite innerhalb der
Fläche besitzt, auf der sich die Einheit bewegt und der die
Einheit nicht bei ihrer Bewegung behindert. Weiterhin soll
für die Einheit und den Manipulator ein geeignetes Steue
rungsverfahren angegeben werden.
Für die Einheit und den Manipulator wird diese Aufgabe gemäß
den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Für das Steue
rungsverfahren wird die Aufgabe gemäß den Merkmalen des
Patentanspruches 11 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran
sprüchen.
Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Einheit besteht
darin, daß sie durch einen Manipulatorarm nicht an der Bewe
gung in komplexen Umgebungen gehindert wird und dabei der
Manipulator sehr kompakt ist im Vergleich zu seiner Reich
weite. Vorteilhaft kommen dabei im eingezogenen Zustand die
einzelnen Segmente des Manipulators übereinander zu liegen
und schließen mit der Kontur der autonomen mobilen Einheit
ab, so daß deren Grundfläche durch den Manipulator nur unwe
sentlich vergrößert wird.
Vorteilhaft lassen sich die einzelnen Segmente des Manipula
tors durch Seilzüge, welche über Umlenkrollen geführt sind,
betätigen. Diese Ausführungsform kommt besonders einer Anwen
dung im Konsumentenbereich zugute, da sie technisch nicht
sehr aufwendig und in der Praxis vielfältig erprobt ist.
Vorteilhafterweise sind in den einzelnen Drehgelenken des
Manipulatorarmes Stellmotoren vorgesehen, welche unabhängig
voneinander das jeweilige Segment in eine von der Steuerung
vorgegebene Drehlage bringen können. Durch eine gezielte und
direkte Beeinflussung der einzelnen Manipulatorsegmente kann
flexibel und schnell auf sich ändernde Umgebungsbedingungen
reagiert werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einheit besteht
darin, daß der Manipulatorarm innen hohl ausgebildet ist, und
daß die einzelnen Segmente druckdicht miteinander abschlie
ßen. So kann beispielsweise Farbe aufgebracht werden oder es
kann durch einen Unterdruck Schmutz von Flächen abgesaugt
werden.
Ein weiterer Vorteil wird bei der erfindungsgemäßen Einheit
dadurch erzielt, daß das letzte Segment des Manipulatorarmes
als Effektor ausgebildet ist. So kann beispielsweise ein
Pinsel oder eine Saugdüse direkt gesteuert werden und exakt
nach Vorgabe der Steuerung in der Umgebung positioniert
werden, um beispielsweise einer Wand zu folgen, oder ein
vordefiniertes Bewegungsmuster abzuarbeiten.
Vorteilhaft ist ein solcher Effektor einer autonomen mobilen
Einheit mit einem Sensor ausgestattet der auf Hindernisse
reagiert. So läßt sich auf einfache Weise der Effektor ent
lang einer Wand führen. Bildet man diesen Sensor vorteilhaft
als Kraftmeßfühler aus, so kann zusätzlich ein entsprechendes
Moment von der Steuerung vorgegeben werden mit dem eine
Anpreßkraft des Effektors an beispielsweise eine Wand erzielt
werden kann.
Vorteilhaft ist dieser Kraftsensor als Rad ausgebildet, das
mit einer Achse auf dem Effektor befestigt ist, wobei an der
Achse Dehnmeßstreifen angebracht sind, mit welchen der Kraft
vektor bestimmt werden kann. Durch das Rad wird zuverlässig
vermieden, daß Reibungseinflüsse die Steuervorgänge verfäl
schen können.
Vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Einheit nach einem
Steuerverfahren betrieben, welches die Bewegung der autonomen
mobilen Einheit in der Umgebung und des Effektors, welcher an
einem Gehäusepunkt an der Einheit angebracht ist, berücksich
tigt. So kann vorteilhaft in jenen Teilen der Umgebung, die
nicht mit Hindernissen verstellt sind, der Effektor an der
Einheit angelegt werden und in anderen Teilen der Umgebung,
die es erforderlich machen, der Effektor ausgefahren werden
und unterhalb von Gegenständen der Umgebung operieren. Wei
terhin ist im erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft vorge
sehen, daß der Effektor nie in eine singuläre Position gerät
von der aus er nicht mehr operieren kann. D. h. für den Fall,
daß er zu nah an der Einheit anliegt, wird diese in ihrer
Bewegung abgestoppt, bzw. für den Fall, daß eine vollständige
Streckung des Manipulators droht wird die Einheit hinter dem
Effektor hergeführt um den Manipulator wieder einzuknicken.
Vorteilhaft ist es vorgesehen, den Effektor mit dem erfin
dungsgemäßen Verfahren hybrid zu steuern, d. h. in eine
Koordinatenrichtung wird eine Kraft aufgebracht, welche durch
den Kraftmeßfühler bestimmt wird und in die andere Richtung
wird durch die Steuerung eine konstante Geschwindigkeit
vorgegeben und eingehalten.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter
erläutert.
Fig. 1a und b zeigen ein globales bzw. ein lokales Koordina
tensystem des Manipulators bzw. des Effektors.
Fig. 2a und b zeigen Beispiele für die Regelung des Effek
tors, einmal für den Fall das freie Fahrt stattfindet
und zum anderen Mal für den Fall, das der Effektor
einer Wand folgen soll.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Effektors mit
einem Kraftsensor.
Fig. 4a und b zeigen eine erfindungsgemäße autonome mobile
Einheit einmal mit einem ausgefahrenen und das andere
Mal mit einem eingefahrenen Manipulatorarm.
Fig. 1a zeigt ein Koordinatensystem das sinnvollerweise für
die Modellierung des Manipulatorarmes in der Steuereinheit
der mobilen Einheit verwendet wird. Im Punkt A ist der Mani
pulator an der autonomen mobilen Einheit befestigt und
drehbar gelagert. Zur Vereinfachung der Steuervorgänge wird
in diesem Punkt ein Geschwindigkeitsvektor vorgegeben. Die
Lage der einzelnen Segmente SG1 bis SG3 läßt sich dann durch
die einzelnen Winkel Φ1, Φ2 und Φ3, welche die jeweiligen
Armsegmente miteinander bilden, beschreiben. Das Segment SG3
kann beispielsweise auch als Effektor ausgeführt sein. Mit
diesem Effektor kann die autonome mobile Einheit beispiels
weise Post austragen, Wände bemalen, Staubsaugen, oder ähnli
che Verrichtungen durchführen. Für die Modellierung des
Manipulatorarms wird vorteilhafter Weise davon ausgegangen,
daß die Dynamik des Armes keine Auswirkungen auf die Dynamik
der autonomen mobilen Einheit hat. Diese Annahme wurde ge
macht, da sie sonst ein System mit sechs Allgemeinen Varia
beln ergeben würde, welches sechs Differentialgleichungen
zweiter Ordnung zur Folge hätte. Ein solches Gleichungssystem
ist schwierig lösbar. Im Formelteil sind in Gleichung 9 die
Allgemeinkoordinaten in Gleichung 10 die verallgemeinerten
Kräfte und in Gleichung 11 die kinetischen Energien angege
ben. Aus diesen Energien ergibt sich die Gesamtenergie des
Systems zur Gleichung 12 und die potentielle Energie aus
Gleichung 13. Zur weiteren Herleitung der Zusammenhänge
werden die Gleichungen 12 und 13 in die Gleichung 8 einge
fügt, welche dann in Verbindung mit den Gleichungen 9 und 10
in die Gleichung 7 eingesetzt wird, um die Differentialglei
chungen zweiter Ordnung zu erhalten.
Experimentell wurde verifiziert, daß diese Differentialglei
chungen zweiter Ordnung sehr schwer zu lösen sind, da die
Rechenkapazität der heutigen Steuerungsrechner nicht aus
reicht, um dies in einer akzeptablen Zeit zu bewerkstelligen.
Ein Maß für diese Zeit ist beispielsweise die erforderliche
Reaktionszeit der Einheit, oder die minimale Zykluszeit, mit
der die Steuerung der Einheit arbeitet. Aus diesen Gründen
wurde die oben gewählte Einschränkung bezüglich der Dynamik
gemacht.
Das in Fig. 1a dargestellte Modell des Manipulatorarmes läßt
sich einfacher berechnen. Die verallgemeinerten Koordinaten
sind in Gleichung 14 und die verallgemeinerten Kräfte in
Gleichung 15 angegeben. Die kinetischen Energien ergeben sich
aus Gleichung 16 und die kinetische Energie des Systems wird
in Gleichung 17 dargestellt. Die potentielle Energie des
Systems wird mit Gleichung 18 beschrieben. Bei diesem Lö
sungsansatz wurde die Annahme gemacht, daß der Punkt A in dem
der Manipulatorarm befestigt ist, eine Position und eine
Geschwindigkeit und eine Beschleunigung aufweist. Damit wird
eine Bewegung bzw. eine Beschleunigung oder Verzögerung der
mobilen Einheit an der der Arm befestigt ist, beschrieben.
Zur Lösung der Differentialgleichung werden die Gleichungen
17 und 18 in die Gleichung 8 eingesetzt. Zusammen mit den
Gleichungen 14 und 15 werden sie dann in die Gleichung 7
eingesetzt, um die Differentialgleichungen zweiter Ordnungen
zu erhalten. Aus dieser Vorgehensweise ergeben sich drei
Differentialgleichungen zweiter Ordnung. Zur Bewegungssteue
rung des Armes müssen diese drei Differentialgleichungen
simultan für die zweiten Ableitungen der verallgemeinerten
Koordinaten gelöst werden. Die Lösung dafür wird mit Hilfe
der linearen Algebra gefunden. Gleichung 19 repräsentiert
dabei die Form der Gleichungen, welche man aus der Lagran
ge′schen Dynamik erhält. Zur Lösung dieser Gleichung muß die
Matix M und der Vektor N entwickelt werden. Die Variable
ist der Vektor der zweiten Ableitung der verallgemeinerten
Variablen. Die allgemeine Form ist in Gleichung 20 und die
speziellen Werte für dieses System sind in Gleichung 21
angegeben. Die Matrix M ist in Gleichung 22 und der Vektor N
in Gleichung 23 dargestellt. Aus der Lösung der Gleichung 19
für ergeben sich die Differentialgleichungen, die in den
Formeln 25 bis 27 dargestellt sind. Jede Gleichung wird durch
denselben Faktor D dividiert, welcher die Determinante der
Matrix M darstellt und in Gleichung 24 angegeben ist. Mit
diesem speziellen Lösungsbeispiel ist es möglich, die Bewe
gungen des Manipulators und des angebrachten Effektors mit
akzeptablen Zeitverhalten zu berechnen.
Fig. 1b zeigt den Effektor EF, welcher an einem Segment des
Manipulatorarmes SG eingebracht ist. Für diesen Effektor wird
vorzugsweise ein lokales Koordinatensystem Yf und Xf
verwendet. Dieses Koordinatensystem bildet mit den globalen
Koordinaten den Winkel Φf. Bei der Bewegungssteuerung des
Effektors wird vorteilhafterweise der Einfluß des Fahrzeuges,
dessen Wechselwirkung mit dem Arm und die Wechselwirkung des
Effektors mit dem Arm berücksichtigt. Der Arm fungiert dabei
als Bindeglied zwischen dem Fahrzeug und dem Effektor EF. Zur
Manipulatorsteuerung kann beispielsweise die Position des
Armes kontrolliert werden. Das bedeutet, daß mit dem Effektor
des Armes eine bestimmte Zielposition angesteuert werden
soll. Diese Position wird dabei in kartesischen Koordinaten
als Winkel des Effektors mit dem globalen Koordinatensystem
beschrieben, wobei daraus die einzelnen Winkel zwischen den
unterschiedlichen Segmenten des Armes berechnet werden
können. Die Zielposition wird dabei in kartesischen
Koordinaten des Effektors EF angegeben. Daraus lassen sich
die einzelnen Winkelpositionen der unterschiedlichen Segmente
berechnen. Aus denen wiederum lassen sich die einzelnen
Drehmomente ableiten, welche für Antriebsmotoren gelten
müssen, die an den einzelnen Gelenken zwischen den jeweiligen
Segmenten des Manipulatorarmes angebracht sind. K1 und K2
sind dabei Kontrollparameter; die resultierende Gleichung ist
in Gleichung 1 des Formelteiles angegeben. Dabei bedeutet der
Index i die Nummer des Segmentes, wobei das Segment 1 direkt
mit der autonomen mobilen Einheit verbunden ist und der
höchste Wert, beispielsweise 3 den Effektor bedeutet. Der
Winkel Φ ist dabei in lokalen Koordinaten angegeben. Um ein
geschmeidigeres Bewegungsverhalten des Manipulators zu
erzielen, ist es jedoch vorteilhafter nicht die Position
sondern die Geschwindigkeit des Effektors zu kontrollieren.
Fig. 2a zeigt ein regelungstechnisches Blockschaltbild für
die Kontrolle der Geschwindigkeit des am Manipulator ange
brachten Effektors EF. Die Kontrolle der Geschwindigkeit
anstatt der Position des Effektors kann verwendet werden, um
eine geschmeidigere Bewegungstrajektorie des Effektors zu
erhalten. Den Angaben in Fig. 2a liegt wiederum das Koordi
natensystem aus Fig. 1b zugrunde. Beispielsweise sind von
einem Benutzer oder von der Steuereinheit die Geschwindigkei
ten Xf, Yf und Φf vorgebbar. Aus diesen Geschwindigkeiten
werden die Winkelgeschwindigkeiten der einzelnen Motoren, die
an den Gelenken der Segmente des Manipulators angebracht
sind, berechnet. Die dafür gültige Herleitung kann wiederum
aus dem Formelteil entnommen werden. Am Effektor können drei
unterschiedliche Geschwindigkeiten kontrolliert werden. Zum
einen die kartesischen Geschwindigkeiten und und die
Winkelgeschwindigkeit des Effektors Zur Steuerung der
autonomen mobilen Einheit sollten die Geschwindigkeiten die
von der Steuereinheit oder vom Benutzer vorgegeben wurden,
verwendet werden, um die einzelnen Winkelgeschwindigkeiten
der Gelenke zu bestimmen. Die Ableitung dieser einzelnen
Winkelgeschwindigkeiten ist in den Gleichungen 28 bis 36
angegeben. Die für das Ausführungsbeispiel geltenden Herlei
tungen sind in den Gleichungen 37 und 38 und die resultie
rende Transformation in Gleichung 39 angegeben. Die einzelnen
Motordrehmomente wurden dabei so gesteuert, wie sie in der
Gleichung 2 angegeben sind. Dabei bedeuten die Konstanten K1
bis K3 die einzelnen Steuerparameter.
Das in Fig. 2a dargestellte regelungstechnische Block
schaltbild verdeutlicht die einzelnen Zusammenhänge. Die in
Fig. 2a gezeigte Version der Geschwindigkeitsregelung kann
verwendet werden, wenn sich die autonome mobile Einheit in
einer Umgebung bewegt, die weitestgehend von Hindernissen
frei ist. Für diesen Fall gilt, daß keine Wechselwirkungen
wie Reitkräfte oder Impulse auf den Manipulator einwirken und
so keine dadurch hervorgerufenen Schwingungen in der Steue
rung des Armes auftreten können.
Fig. 2 zeigt ein beispielhaftes Blockschaltbild für die
Regelung des Manipulators, wenn auf diesen eine Kraft von
außen einwirkt. Diese Kraft kann beispielsweise mit einem
Kraftmeßfühler, welcher an dem Effektor angebracht ist,
gemessen werden. Der Kraftwert wird beispielsweise an die
Steuereinheit weitergeleitet und diese steuert die Motormo
mente dahingehend, daß diese Kraft bezüglich einer Umrandung
beispielsweise einer Raumbegrenzung entlang deren sich der
Roboter bewegen soll, konstant gehalten wird. Bei dieser
vorteilhaften Steuerung der erfindungsgemäßen autonomen
mobilen Einheit wird das Hybridprinzip verwendet. Dabei wird
versucht in eine Richtung des lokalen Achsenkreuzes des
Effektors beispielsweise der Y-Richtung den Effektor mit
einer definierten Kraft gegen eine Wand des Raumes, in wel
chem sich die Einheit bewegt, zu pressen. Parallel zu der
Wand, beispielsweise in X-Richtung wird eine bestimmte Ge
schwindigkeit der Einheit bzw. des Effektors eingehalten.
Vorteilhaft kann bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform
auf eine Entkopplungsmatrix verzichtet werden. Die anzuwen
dende Kraft kann dabei beispielsweise von einem Benutzer in
Abhängigkeit der vorliegenden Anwendung vorgegeben werden.
Die Drehmomente zur Erzeugung der korrekten Winkelgeschwin
digkeiten in den einzelnen Gelenken werden dabei berechnet,
wie dies bei der Methode der Geschwindigkeitskontrolle ge
schah. Anschließend werden die jeweiligen Momente für die
Geschwindigkeiten und die Kräfte addiert und gemeinsam damit
die einzelnen Motoren angesteuert.
Bei der Steuerung ist insbesondere zu beachten, daß sowohl
die Einheit als auch der Effektor unterschiedliche Geschwin
digkeiten besitzen können. Die beiden unterschiedlichen
Bewegungen werden dabei überlagert und müssen bei der Steue
rung berücksichtigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
vermeidet dabei insbesondere Singularitäten des Systems. Das
Steuerverfahren beruht dabei prinzipiell darauf, daß wenn der
Arm einen singulären Punkt erreicht, das Fahrzeug versucht
dem Arm zu folgen. Insbesondere kann dabei eine Sicherheits
zone festgesetzt werden, mit der die Reichweite des Arms
begrenzt wird. Beispielsweise kann sie so gewählt werden, daß
falls der Arm 85% seiner Länge erreicht das Fahrzeug dem Arm
folgt und somit verhindert, daß der Arm 100% seiner möglichen
Strecklänge erreicht. Dasselbe kann beispielsweise für das
innere Ende der Reichweite des Arms gelten. Beispielsweise
kann falls der Arm 15% seiner totalen Strecklänge erreicht
hat, das Fahrzeug so gesteuert werden, daß es sich vom Effek
tor wegbewegt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf
diese Weise ein reflexartiges Verhalten der autonomen mobilen
Einheit erreicht. Der Vorgang des Anpressens des Effektors an
eine Wand und der Vorfahrtsfahrt der Einheit läßt sich analog
mit einem Menschen vergleichen, der seine Hand an eine Wand
hält und dieser, allein durch Berührung, der Wand mit der
Hand folgt.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Effektors der einen Kraft
meßfühler besitzt. Die Fig. 3a ist eine Draufsicht und in
Fig. 3b ist eine Seitenansicht des Effektors gezeigt. Der
Kraftmeßfühler besteht dabei aus einem Rad R, das an einer
Achse AC drehbar gelagert ist. Weiter sind an der Achse AC
Dehnmeßstreifen angebracht, mit denen ein Kraftvektor der auf
das Rad einwirkt, bestimmt werden kann. Um ein Verkanten des
Effektors in engen Raumbereichen zu vermeiden, sind an seinen
äußeren Kanten Berührungssensoren BS angebracht. Mit diesen
Berührungssensoren kann beispielsweise bei auftreten eines
Hindernisses in einer Steuereinheit, in Abhängigkeit einer
Bewegungstrajektorie des Effektors EF ein Ausweichmanöver
eingeleitet werden.
Für das reflexartige Verhalten des Roboterarmes in Verbindung
mit dem Effektor sind unterschiedliche Einflußfaktoren maß
geblich. Zum einen die Art des Berühungssensors zum zweiten
die Lage des Berührungssensors am Effektor und zum dritten
die Form des Effektors selbst. Die einfachste Form des Effek
tors besteht in einem Rechteck, an dessen Ecken Berührungs
sensoren angebracht sind. Eine weitere Ausführungsform eines
Effektors besteht darin, daß das Rechteck beibehalten wird,
jedoch eine Seite des Rechtecks mit der die Wand berührt
wird, als Halbkreis ausgebildet wird, an welchem mehrere
Berührungssensoren im gleichen Abstand angebracht werden. Bei
der Berührung des Effektors mit einem Hindernis kann aus der
Zahl und der Lage der Berührungssensoren, welche ein Signal
abgeben, in einer Steuereinheit darauf geschlossen werden,
wie ein geeignetes Ausweichmanöver, bzw. ein Steuermanöver um
der Wand zu folgen, durchzuführen ist. Bei der Ausfüh
rungsform in Fig. 3 ist zu beachten, daß das Rad an welchen
die Kraft gemessen wird, leicht über die Kontur des Effektors
hinausragt.
Diese Ausführungsform besitzt einige Vorteile. Zum einen kann
die Kraft, mit welcher der Effektor an die Wand drückt kon
trolliert werden. Zum anderen kann der Effektor viel besser
gesteuert werden, da der Kraftvektor auch eine Richtungsin
formation bezüglich der Krafteinwirkung enthält. Als weiterer
Vorteil wird die Reibung zwischen der Wand und dem Effektor
vermindert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit
dieser Ausführungsform nicht lediglich punktweise einzelne
Signale geliefert werden, sondern daß einer Steuerungseinheit
des Armes eine kontinuierliche Kraftinformation zur Verfügung
gestellt wird und damit eine geschmeidigere Bewegung des
Effektors erreichbar ist, als wenn einzelne Schalter betätigt
oder nicht betätigt werden.
Bei der Steuerung des Armes und der Einheit kann durch die
Aufnahme des Kraftvektors sichergestellt werden, daß der
Effektor absolut senkrecht zur Wand steht. Zur Kontrolle des
Effektors EF kann ein Kontrollvektor angegeben werden. Dieser
Vektor ist in Gleichung 3 des Formelteiles dargestellt. Die
ersten drei Elemente repräsentieren dabei die zugewiesenen
Geschwindigkeiten des Effektors. Die letzten drei Elemente
repräsentieren die zugewiesenen Kräfte und Momente die am
Effektor ausgeübt werden sollen. Für den Fall, daß nur der
Kraftsensor in Kontakt mit der Wand kommt, reduziert sich der
Kontrollvektor auf die Form, welche in Gleichung 4 angegeben
ist. Dabei gilt zusätzlich Gleichung 5 und Gleichung 6. Der
Vektor, der die Kraftrichtung angibt ist mit und der senk
recht darauf stehende Vektor ist mit bezeichnet. Hier wird
beispielsweise, nachdem ein Wandkontakt hergestellt wurde,
der Effektor mit einer Kraft von K₃ = 5N an die Wand gepreßt.
Gleichzeitig soll er sich mit einer Winkelgeschwindigkeit von
Φf (tx) um den Mittelpunkt des Sensors drehen bis der Kraft
vektor, der gemessen wird, senkrecht auf die Y-Achse des
Effektors steht (tx = 0.0). Dies wird dadurch erreicht, daß
die Winkelgeschwindigkeit proportional zu tx gemacht wird.
Das bedeutet, daß, wenn diese Komponente gleich 0 ist, daß
auch die Winkelgeschwindigkeit gleich 0 ist. Um schnell
genug steuern zu können, muß eine bestimmte Funktion verwen
det werden, um es zu berechnen. Diese Funktion ist in Glei
chung 6 des Formelteiles dargestellt. Falls beispielsweise
die Kraftkomponente in X-Richtung sich einen gewissen Bereich
um 0 herum nähert, wird der Effektor durch die Steuereinheit
in X-Richtung bewegt wie dies Gleichung 5 angibt. Dabei kann
beispielsweise so vorgegangen werden, daß er sich ständig
senkrecht zum gemessenen Kraftvektor bewegt. In vorteilhafter
Weise wird durch dieses reflexartige Verhalten dem Effektor
ein Navigieren auch um konvexe oder konkave Ecken herum
ermöglicht.
Um die Differentialgleichungen des Manipulatorarmes herzulei
ten, wurde die Lagrange′sche Dynamik verwendet. Die Gleichung
dafür ist in Gleichung 7 des Formelteils angegeben. Das L in
der Gleichung repräsentiert die Lagrange′sche, welche in
Gleichung 8 angegeben ist. Dabei ist mit T die Summe aus der
kinetischen Energie der einzelnen Teile und mit V die Summe
der Potentiellen Energie der Teile bezeichnet. Mit qj werden
die verallgemeinerten Variablen und mit Qj werden die verall
gemeinerten externen Kräfte bezeichnet. Die einzelnen ver
schiedenen Segmente des Armes haben dabei eine Masse, eine
Trägheit und eine Länge. Diese werden hier beispielsweise mit
m₁, m₂, m₃, und I₁, I₂, I₃ und l₁, l₂, l₃, beschrieben. Die
Lagerreibungskoeffizienten der einzelnen Drehlager werden
dabei mit B₁ bis B₃ bezeichnet. Jenes Armsegment, das am
Roboter festgemacht ist, erhält die Nummer 1. In beiden
Analysen wurden die lokalen Variablen Φ1 bis Φ3 in die glo
balen Variablen β₁ bis β₃ umgesetzt. Diese bedeuten dabei die
jeweiligen Winkel, welche die einzelnen Armsegmente mit der
globalen X-Achse bilden. Mit den Variablen X₁ bis X₃ und Y₁
bis Y₃ werden die Koordinaten der Schwerpunkte der einzelnen
Armsegmente bezeichnet. Im einzelnen gelten in diesem Ausfüh
rungsbeispiel folgende physikalischen Parameter:
Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen autonomen mobilen Einheit. In Teil a ist diese
Einheit mit dem ausgestreckten Manipulatorarm dargestellt.
Die Einheit ist mit AE bezeichnet. Sie besitzt Räder R, mit
denen sie sich fortbewegen kann, indem diese beispielsweise
angetrieben werden. Der Manipulatorarm ist hier in drei
Segmenten dargestellt, es können jedoch auch mehr oder weni
ger Segmente für seinen Aufbau verwendet werden. Die Berech
nung der Kinematik gestaltet sich dann entsprechend aufwendi
ger oder weniger aufwendig. Das Armsegment SG1 ist in einem
Drehlager DG1, welches eine Drehachse DA1 besitzt an der
autonomen mobilen Einheit AE befestigt. An seinem Ende ist
ein Segment SG2 in einem Drehlager DG2 mit einer Drehachse
DA2 festgemacht. Als Segment 3 ist hier ein Effektor EF
verwendet worden. Dieser Effektor ist mit einer Seite drehbar
in einem Drehgelenk DG3 mit einer Drehachse DA3 an dem Arm
segment SG2 befestigt.
Zu beachten ist hierbei, daß die einzelnen Achsen der jewei
ligen Drehgelenke achsparallel sind und senkrecht auf den
Untergrund stehen, auf dem sich die Einheit fortbewegt. In
einzelnen Anwendungsfällen kann es auch sinnvoll sein, die
Drehlage des Drehgelenks 1 anders als senkrecht zum Unter
grund zu wählen. Beispielsweise wenn Wände bemalt werden
sollen, kann es sinnvoll sein den Arm nach oben auszustrek
ken, d. h. den Arm seitlich um 90° gedreht an einer Seiten
wand der Einheit anzubringen, um damit Wände von oben bis
unten überstreichen zu können.
Fig. 4b zeigt eine erfindungsgemäße autonome mobile Einheit
mit einem eingezogenen Manipulatorarm. Dabei ist zu beachten,
daß die Segmente SG2, SG1 und der Effektor übereinander zu
liegen kommen. Durch diese vorteilhafte Ausführungsform des
Manipulators wird vermieden, daß dieser im eingezogenen
Zustand die Bewegungsfreiheit der Einheit beeinträchtigt.
Deutlich ist zu erkennen das der eingezogene Manipulator
unwesentlich über die Grundfläche der autonomen mobilen
Einheit AE hinausragt.
Claims (12)
1. Autonome mobile Einheit mit Manipulator,
- a) bei der eine Steuereinheit zur Steuerung von Bewegungen der Einheit und des Manipulators vorgesehen ist,
- b) bei welcher der Manipulator um eine Drehachse drehbar gelagert an einer Gehäusebegrenzung der Einheit angebracht ist,
- c) bei welcher der Manipulator, aus mindestens drei sich länglich erstreckenden Segmenten besteht, welche an ihren Enden drehbar über Drehlager miteinander verbunden sind, wobei die Drehlager jeweils eine Drehachse aufweisen,
- d) bei der die Drehachsen näherungsweise zueinander achspa rallel sind und im Wesentlichen senkrecht auf den Untergrund stehen, auf welchem sich die Einheit bewegt,
- e) bei der Stellmittel vorgesehen sind, mit denen die einzel nen Segmente unabhängig voneinander in ihren Drehlagern verdrehbar sind,
- f) bei der die Segmente so angeordnet sind, daß sie für den Fall in dem sie durch Verdrehung an der Gehäusebegrenzung zu liegen kommen, den Anlegezustand, übereinander zu liegen kommen,
- g) und bei der die Länge und Breite der Segmente so bemessen ist, daß diese im Anlegezustand nicht, oder nur unwesentlich über die Grundfläche der Einheit hinausragen.
2. Autonome mobile Einheit nach Anspruch 1, bei der als
Stellmittel über Umlenkrollen geführte Seilzüge vorgesehen
sind.
3. Autonome mobile Einheit nach Anspruch 1, bei der als
Stellmittel Motoren an den jeweiligen Drehgelenken vorgesehen
sind.
4. Autonome mobile Einheit nach einem der vorangehenden
Ansprüche, bei der die Segmente innen hohl und druckdicht
miteinander verbunden sind.
5. Autonome mobile Einheit nach einem der vorangehenden
Ansprüche, bei der das letzte Segment als Effektor ausgebil
det ist.
6. Autonome mobile Einheit nach Anspruch 5, bei der der
Effektor als Saugdüse, oder Pinsel ausgebildet ist.
7. Autonome mobile Einheit nach einem der vorangehenden
Ansprüche, bei der das äußerste Segment mindestens einen
Sensor zum Feststellen eines Hindernisses aufweist.
8. Autonome mobile Einheit nach Anspruch 7, bei der als
Sensor ein Berührungsschalter vorgesehen ist.
9. Autonome mobile Einheit nach Anspruch 7, bei der als
Sensor ein Kraftmeßfühler vorgesehen ist.
10. Autonome mobile Einheit nach Anspruch 9, bei der als
Kraftmeßfühler ein Rad auf einer Achse vorgesehen ist, aus
deren Verbiegung über Dehnmeßstreifen der Kraftvektor abge
leitet wird.
11. Steuerverfahren für eine autonome mobile Einheit mit
einem um eine Drehachse drehbaren Manipulator aus mehreren,
an ihren Enden über Drehlager mit einer Drehachse verbunde
nen Segmenten bei der alle Drehachsen des Manipulators nähe
rungsweise achsparallel sind und im Wesentlichen senkrecht
auf den Untergrund stehen, auf welchem sich die Einheit
bewegt und die als äußerstes Segment einen Effektor mit
Kraftmeßfühler besitzt,
- a) bei dem falls der Effektor auf seinem Weg zu einem Ziel
keiner Raumbegrenzung folgen soll, in einem auf den Effektor
bezogenen lokalen Koordinatensystem dessen Geschwindigkeits
komponenten in x-, y- und Drehrichtung vorgegeben werden ,und
daraus Antriebsmomente für an den Drehgelenken vorgesehene
Motoren zum Verdrehen der Segmente abgeleitet werden, so daß
für drei Segmente gilt:
mit:
Index 1, 2, 3, Nummer des Segmentes von der Einheit aus gezählt
Index tar Zielpunktbezogen
T Antriebsdrehmoment
k Regelparameter
zeitliche Ableitung einer globalen Variable
Φ Winkel zwischen den einzelnen Seg menten, für das erste mit der x-Achse - b) bei dem falls der Effektor einer Raumbegrenzung folgen soll über den Kraftmeßfühler die Andruckkraft zwischen der Raumbegrenzung und dem Effektor gemessen wird, wobei die Andruckkraft dadurch konstant gehalten wird, daß aus der Geometrie des Manipulators der aktuell gemessenen Andruck kraft und einer Soll-Andruckkraft ein Korrekturmoment ermit telt wird, welches zu dem unter a) gefundenen Moment nach Betrag und Richtung aufsummiert wird um die jeweiligen An triebsmomente zu ermitteln,
- c) und bei dem in Abhängigkeit einer aktuellen Strecklänge des Manipulators die Einheit in Bewegung versetzt, bzw. angehalten wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem als Streckfaktor das
Verhältnis aus aktueller Strecklänge des Manipulators und
möglicher Strecklänge des Manipulators gebildet wird, wobei
bei Überschreiten eines ersten Grenzwert es für den Streckfak
tor die Einheit in Richtung des Effektors bewegt wird und bei
Unterschreiten eines zweiten Grenzwertes für den Streckfaktor
die Einheit angehalten wird.
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