EP4018275A1 - System und verfahren zur steuerung zumindest einer maschine, insbesondere eines kollektivs von maschinen - Google Patents

System und verfahren zur steuerung zumindest einer maschine, insbesondere eines kollektivs von maschinen

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Publication number
EP4018275A1
EP4018275A1 EP20764589.6A EP20764589A EP4018275A1 EP 4018275 A1 EP4018275 A1 EP 4018275A1 EP 20764589 A EP20764589 A EP 20764589A EP 4018275 A1 EP4018275 A1 EP 4018275A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
machine
language
control
control function
command
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20764589.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas SPENNINGER
Sven Parusel
Simon Haddadin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Franka Emika GmbH
Original Assignee
Franka Emika GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Franka Emika GmbH filed Critical Franka Emika GmbH
Publication of EP4018275A1 publication Critical patent/EP4018275A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/418—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS] or computer integrated manufacturing [CIM]
    • G05B19/41845—Total factory control, i.e. centrally controlling a plurality of machines, e.g. direct or distributed numerical control [DNC], flexible manufacturing systems [FMS], integrated manufacturing systems [IMS] or computer integrated manufacturing [CIM] characterised by system universality, reconfigurability, modularity
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/4155—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by programme execution, i.e. part programme or machine function execution, e.g. selection of a programme
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/31—From computer integrated manufacturing till monitoring
    • G05B2219/31455—Monitor process status
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • the present invention relates to a system and a method for controlling at least one machine, in particular a system and a method for the synchronous or asynchronous control of a group of machines.
  • each machine has its own individualized or individual machine language, which is composed of defined command codes.
  • the command structure or command syntax that forms this machine language is designed so that the machine can be programmed or controlled or activated in order to carry out intended functions or, if necessary, generated by autonomous planning, on the basis of which the machine then interacts with the environment.
  • a user controls the machine using machine language and gives the machine instructions using appropriate commands so that it can carry out defined operations.
  • These instructions can refer to the programming of the machine (setup) itself as well as to the actual machine control during operation.
  • a machine is programmed in advance with regard to the operations to be carried out by it within the framework of the programming language provided, in order to generate the corresponding control commands for this purpose, which are then to be carried out after the programming.
  • control commands are entered via a human-machine interface (HMI).
  • HMI human-machine interface
  • the HMI can be designed to display a control command, for example “move effector from position A to position B”, via an individually designed graphical user interface, which the user then actuates from another manufacturer also knows this control command, but it can be implemented in the robot-side input and control system using other algorithms and must be programmed or activated by a user in a different way, for example purely textually.
  • the invention relates to a system for controlling at least one machine, which is assigned an individual machine language that includes defined command variables, with the machine undergoing at least one change of state in the course of the control, comprising: a man-machine interface, the one Interaction language is assigned, which comprises defined command sizes; and at least one control module that is designed to generate at least one control function depending on the type of machine and / or the machine language assigned to it in relation to a command variable of the interaction language and / or in relation to a command variable of the individual machine language, which is designed to transform the command size of the interaction language into an associated command size of the individual machine language.
  • machine in the sense of a generic term is to be understood as a unit or component to be controlled, of any configuration, which one or more operations in an interaction with the Environment, an object, a workpiece and / or a person, and which can include, for example:
  • Has command structure i.e. machine language
  • Communication variables (or also command codes) in the context of this disclosure are to be understood as meaning all instructions which can result from a user input and which cause the machine to fulfill a specific function and / or to carry out a specific operation.
  • control module is also designed as a function of the type of machine and / or to generate at least one inverse rule function of the machine language assigned to this in relation to a state variable of the interaction language and / or in relation to a state variable of the individual machine language, which is designed to transform a state variable of the individual machine language into an associated state variable of the interaction language.
  • State variables (or also signal variables, state signals) in the context of this disclosure are to be understood as meaning all variables which then enable the control module or the user to provide feedback via the transformation in the interaction language in the course of the changes in the state of the machine caused by the command variables, including of a possible influencing disturbance.
  • the essence of the invention can therefore be seen in the fact that, with regard to any control variable, the forward transformation via a first control function between the interaction language and the machine language on the one hand and with regard to any state variable, the reverse transformation via an inverse control function between the Machine language and the interaction language on the other hand are mapped by the system or the method according to the invention in the broadest sense of the program as an implementation of a process computing model.
  • the method and the system according to the invention enable at least one machine to be controlled live by a user with immediate feedback from the machine while the machine is executing the commands entered by the user.
  • control is carried out by the user "on the fly", ie in real time.
  • the codes resulting from the control functions and inverse control functions are generated while the program on which they are based is running.
  • the method implemented according to the invention is quasi a “programming in the loop ".
  • a virtual process computer is implemented according to the invention, the system assuming how the controller programs could be configured with it in the sense of a corresponding control law, the control functions for transforming the command or state variables can be generated, which reflects the actual abstraction process.
  • the system-side control module establishes communication with a machine-side control module in order to establish a communication in the Interaction language of the system-side control module stored command variable, which corresponds to a defined operation, to link with a corresponding command variable that is stored in the machine language of the machine-side control module, the system-side
  • Control module external to the machine-side control module and this is superordinate.
  • the system according to the invention functions more or less analogously to a "simultaneous translator".
  • the process of the process computing model does not necessarily have to be designed to be deterministic.
  • the future output of the controlled variable to be determined via the control function does not necessarily have to be known in advance, since this may also only arise from the interaction of the machine with the environment, with the change in state, for example, due to forces occurring on the machine or due to movement patterns of the Machine is played.
  • control module can furthermore be designed in such a way that the control function is generated as a function of the inverse control function and / or vice versa.
  • control module can be designed in such a way that the control function and / or the inverse control function can be changed during the state change of the machine, specifically, for example, as a function of specified or actual feedback parameters.
  • the system according to the invention can be designed to be open in terms of function and / or time. For example, releases, i.e. what should be implemented on the machine side in any case, and restrictions, i.e. what must not occur on the machine side, can be added to or removed from the individual control functions.
  • the process computation model implemented according to the invention for the forward transformation of command variables and the reverse transformation of state variables brings about an abstraction of an individual machine language specified for a machine.
  • system and the method described below are designed, in particular, for controlling a collective which is composed of several different types or classes of machines.
  • control module being designed for each machine to generate at least one corresponding control function and at least one corresponding inverse control function.
  • the machine languages are usually not compatible with one another, or only with restrictions.
  • the collective can be designed as a potentially heterogeneous system or network, for example a production plant consisting of several machines and robots, each of which performs different tasks and comes from different manufacturers and therefore has different, incompatible machine languages and use.
  • a "collective” should therefore be understood not only as machines that are not physically coupled to one another but that work together in some form, such as in production plants, but also systems that are physically coupled to one another, such as a robot arm that carries a gripper mechanism at its distal end
  • the members / machines of the collective can be distributed locally and / or globally and connected to one another via a network or wirelessly.
  • control module is also designed, the control functions and the inverse Generate control functions in relation to the machines of a collective synchronously or asynchronously.
  • control of the individual machines of the collective by a user via the interaction language can take place individually, simultaneously or as a function of the desired sequence of the collective.
  • the system and the method according to the invention implement a uniform abstraction in the program with respect to all different machine languages that are present in a collective of machines.
  • the interaction language functions as a kind of abstraction language, as a result of which a uniform system for controlling at least one machine of a collective is proposed, which can be used regardless of the internal control system of this machine or the programming type and machine language provided for this, since it is capable to communicate with all the different machine languages of machines, such as robots, of the most varied of designs or from different manufacturers.
  • the user can use the simplified programming of the higher-level system, which can preferably be identified by a simple operating logic (e.g. dialog-based, purely textual or via graphic symbols) of a graphical user interface of the HMI, in order to transfer an operation command to the individual control system of the machine , which is then carried out by the latter without the user having to go into the possibly very complicated logic of the machine-side control system.
  • a simple operating logic e.g. dialog-based, purely textual or via graphic symbols
  • a user therefore does not have to deal in detail with all the programming instructions on the market for control systems of different machines / robots and familiarize themselves with them in order to have a simple operation carried out by the machine / robot or even by a collective of machines / robots, but can only use the higher-level system, which has a much simpler logic in terms of its programming and therefore better user-friendliness.
  • the higher-level system forms, as it were, a generalized operating system for many machines, for example all robots on the market. It can be easily adapted to new operating or control systems, as well as machine languages, from existing or new machine or robot systems and also to new operations to be carried out without great programming effort.
  • system according to the invention enables, in a simple manner, the simultaneous or staggered actuation of machines or machine groups that are spatially separated from one another.
  • system of the invention is also designed to independently recognize which machine-side control system, ie which machine language, it is currently using is connected or is to communicate in order to then independently provide the "translation” or transformation algorithms necessary for the desired command size for generating the control functions.
  • Such an autonomous “mapping" can be achieved by means of appropriate learning or deep learning algorithms or neural Networks are made or implemented.
  • the invention also relates to a method for controlling at least one machine that is assigned an individual machine language that includes defined command values, by means of a control module that interacts with a human-machine interface that is assigned an interaction language that is also defined Command variables, comprising, the machine experiencing a change of state in the course of the control, having the steps:
  • the method comprises the following steps: as a function of the type of machine and / or the machine language assigned to it, generating an inverse control function in relation to a state variable of the interaction language and / or in relation to a state variable of the individual machine language; and Transforming the state variable of the individual machine language into an associated state variable of the interaction language using the inverse rule function.
  • control function can be generated as a function of the inverse control function and / or vice versa.
  • control function and / or the inverse control function can be changed during the state change of the machine.
  • the method according to the invention is preferably designed so that if several machines are provided, each of which is assigned an individual machine language, a control function and an inverse control function are generated for each machine, with the control functions and the inverse control functions synchronously with respect to the machines or can be generated asynchronously.
  • the system or method according to the invention enables a user to control a machine or a collective of machines online directly and in real time via a corresponding network, regardless of the type of machines and their programming and command languages.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a human-machine interface
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a machine to be controlled
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a structure of a system according to the invention in relation to the control of a single machine K ⁇ ;
  • FIG. 4 shows a further schematic representation of a structure of a system according to the invention in relation to the control of a single machine K ⁇ ;
  • FIG. 6 shows a representation of a robot as a physically connected collective
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a structure of a system according to the invention in relation to the control of a group of machines.
  • a man-machine interface HMI is shown schematically, with the help of which a user input commands of an interaction language assigned to this HMI, visually, textually, by voice control, via graphic symbols or a virtual reality device via an input module EM can enter.
  • the user receives feedback via the HMI about the status of a machine, component or unit to be controlled by the system according to the invention or of a collective of machines to be controlled.
  • the interaction language forms, so to speak, the user-side command language which, according to the invention, is preferably designed uniformly with respect to all machines with which the system is to interact.
  • Corresponding command values r lr ..., ri are stored or predefined in the interaction language. If the machine to be controlled is, for example, a robot, the command variable r ⁇ can mean, for example, "Move the robot from position A to position B", whereby the type of robot and its inherent machine language are available to the system and thus to the user Operation of the interaction language are not necessarily known.
  • the machine language of the machine includes all instructions defined by command variables that can be executed directly by the machine in the context of operations, whereby the quantity and the formal structure or syntax of these instructions, i.e. the command set, differ from machine to machine, even if the machines come to the same result when implementing a command variable.
  • a six-axis, position-controlled robot from a first manufacturer with a first machine language (machine code, machine program) as well as a six-axis, position-controlled, technically differently implemented robot from a second manufacturer with a second machine language is able to determine its effectors from the position A to the position B, ie the result or the functional performance of both robots is identical, but the execution takes place via different command values of the machine language.
  • FIG. 2 the structure of a machine Ki to be controlled by the system according to the invention is shown schematically.
  • This machine Ki has its own machine language which is not identical to the user interaction language in terms of type and programming.
  • this Machine language which does not have to be identical and not compatible with machine languages of other machines or machine classes, are also stored command variables Ri, ..., Ri which correspond to the command variables of the interaction language with regard to their execution, ie the result to be achieved.
  • the command variable Ri of the machine language therefore also means "move the robot from position A to position B"
  • the command variables R 2 to Ri can include further commands that can be executed after the command R x.
  • FIG. 3 the structure of a system according to the invention is shown schematically in relation to the control of a single machine K ⁇ .
  • the system according to the invention is designed, for example, by appropriate programming in relation to the software or at least one arithmetic core, in relation to each command variable ri, ..., ri of the interaction language in each case at least one control function fi, ..., fi generate with which these command values r 1 ..., is converted or transformed to the respectively assigned or corresponding command variable Ri, ..., Ri of the machine language of the machine Ki.
  • this process takes place in such a way that the control functions fi,..., Fi are implemented via at least one algorithm stored or implemented in the software or the computing kernel depending on the type or class of the machine K ⁇ , for example a six-axis one , position-controlled robot that determines this machine K ⁇ internal individual (usually manufacturer-dependent) machine language and / or the type of command itself.
  • the command structure or command syntax of the interaction language does not have to know the command structure or command syntax of the machine Ki for this purpose.
  • the machine Ki itself is described as a computer model of a state machine which experiences a change of state in the course of the execution of each command variable, which is indicated by the arrow Z in FIG.
  • the computer model can be described as a Turing machine.
  • the change of state does not necessarily have to be of a dynamic nature.
  • the machine Ki can, for example, also be a sensor of any type whose current state, ie measured value, is queried via a corresponding input in the interaction language by means of a command variable r 2 , e.g. in the sense of "Determine prevailing temperature” by the
  • the system's control module generates a corresponding control function f 2 , which maps this input to the controlled variable R 2 of the machine (sensor) in the sense of "Determine the prevailing temperature” of the sensor.
  • the temperature as a state variable or a state signal can then be transferred back to the control module or the HMI for displaying or transmitting the information to the user, which is to be explained below in connection with FIG. 4.
  • control module is also designed so that in the course of generating the control functions f lf ..., fi there is constant feedback from the command variables R 2 , ..., Ri of the machine K 2 , which is symbolized by the arrows Ui, ..., Ui is shown.
  • the invention is consequently characterized in that it is defined for communication between a user Interaction language and a given, individualized machine language virtually implements a process computing model, in the broadest sense the basic structure of a control loop in which actual and / or virtual state variables and / or disturbance variables are included in the feedback control.
  • a control loop is preferably generated virtually in a program, with the individual command variables as virtual control variables.
  • the system In order to recognize whether and to what extent the status change (e.g. "Robot has moved from position A to position B") of the machine to be controlled has occurred, the system (and thus the user via the HMI) must receive a corresponding feedback to be delivered.
  • the status change e.g. "Robot has moved from position A to position B
  • a set of state variables Si, ..., Si is assigned to the machine language of the machine K ⁇ . These state variables Si, ..., Si in turn correspond to a set of equivalent state variables si, defined in the interaction language,
  • the at least one control module is further designed such that at least one inverse control function fi 1 , ..., fi _1 is generated in relation to a state variable Si, ..., si of the interaction language, which is designed to be a to transform or map the corresponding state variable Si, ..., Si of the machine Ki into the associated state variable si, ..., si of the interaction language.
  • the generation of the inverse control function follows the approach according to the invention, the communication between the machine language and the interaction language as one To map process computing model, with corresponding algorithms being stored in the control module.
  • the output of the information obtained in this way can be conveyed to the user via a correspondingly designed display module DM.
  • the user therefore only needs a single interaction language with a defined set of instructions in order to control machines, components and / or machine collections or to communicate with them.
  • the interaction language is preferably designed to be user-friendly and easy to understand, for example via an app control on a graphical user interface, and is independent and self-sufficient in relation to all machine languages of the machines to be controlled.
  • the system according to the invention is therefore designed to accomplish the abstraction across all different machine languages by means of predetermined algorithms implemented in the system, in that all possible virtual and / or actual parameters in relation to the process calculation model implemented by these algorithms, such as controlled variables, state variables as possible disturbance variables (e.g. latencies) can also be taken into account.
  • the system is used to control a preferably potentially heterogeneously distributed collective of machines, components or units.
  • Each machine K x to K experiences a change of state Zi to Z, which occurs in the course of the control.
  • the machines themselves do not have to be functionally related and can also be located in different locations. However, they can also work together without having to have mutually compatible machine languages, for example within the framework of a joint production facility, which is shown by way of example by the arrows A, B.
  • the machine K can be a machine tool that is equipped by a robot K in that it removes workpieces from a conveyor belt K and transfers them again after processing.
  • machines K to K have different, mutually incompatible machine languages
  • the communication between the machines, their control and possibly also programming takes place via the abstraction principle according to the inventive method with the interaction language as the uniform command language for all machines K7 to K 9 .
  • the collective can, however, also be several components of a single, independent machine that functionally interact, such as a robot arm K from one manufacturer that carries a gripper mechanism K from another manufacturer at its distal end, as shown by way of example in FIG. 6, the robot arm K 3 , or its control / machine language, and the gripper mechanism K 5 , or its control / machine language, being able to have only partial or no information from one another.
  • a robot arm K from one manufacturer that carries a gripper mechanism K from another manufacturer at its distal end, as shown by way of example in FIG. 6, the robot arm K 3 , or its control / machine language, and the gripper mechanism K 5 , or its control / machine language, being able to have only partial or no information from one another.
  • FIG. 7 the control of a collective according to the method according to the invention is shown schematically.
  • Each machine K 2 and K 2 has a set of command variables (Ri, ..., Ri) Ki and (Ri, ..., R 2) K 2 in their own machine language. Likewise, each machine K 2 and K 2 is assigned a set of state variables (Si, ..., Si) Ki and (S 1 , ..., S 2) K 2 , which are already present (e.g. existing temperature) or are only set by a change of state as a result of the control (e.g. then changed temperature).
  • control module software, calculation core.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft unter anderem ein System zur Steuerung zumindest einer Maschine (Ki), der eine individuelle Maschinensprache zugeordnet ist, die definierte Befehlsgrößen (R1,..., Ri) umfasst, wobei im Zuge der Steuerung die Maschine (Ki) eine Zustandsänderung (Zi) erfährt, mit einem Steuermodul, das ausgestaltet ist, in Abhängigkeit der Art der Maschine (Ki) und/oder der dieser zugordneten Maschinensprache Befehlsgrößen (r1,..., ri) einer Interaktionssprache in entsprechende Befehlsgrößen (R1,..., Ri) einer individuellen Maschinensprache zu transformieren.

Description

System und Verfahren zur Steuerung zumindest einer Maschine, insbesondere eines Kollektivs von Maschinen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zur Steuerung zumindest einer Maschine, insbesondere ein System und ein Verfahren zur synchronen oder asynchronen Steuerung eines Kollektivs von Maschinen.
Grundsätzlich besitzt jede Maschine, wie diese im Folgenden definiert sein soll, für sich eine eigene individualisierte bzw. individuelle Maschinensprache, die sich aus definierten Befehlscodes zusammensetzt. Die diese Maschinensprache bildende Befehlsstruktur bzw. Befehlssyntax ist ausgebildet, damit die Maschine programmiert oder gesteuert bzw. aktiviert werden kann, um dieser zugedachte definierte oder ggfs, durch autonomes Planen erzeugte Funktionen auszuführen, auf Grund von welchen die Maschine dann mit der Umwelt interagiert. D.h. mittels der Maschinensprache steuert ein Benutzer die Maschine und gibt über entsprechende Befehle der Maschine Anweisungen, damit diese definierte Operationen durchführen kann. Diese Anweisungen können sich sowohl auf die Programmierung der Maschine (Setup) selbst als auch auf die tatsächliche Maschinensteuerung im Betrieb beziehen.
Ein Problem im Zusammenwirken von mehreren Maschinen unterschiedlicher Ausgestaltung besteht unter anderem darin, dass jeder Hersteller einer Maschine eine eigene, speziell für diese ausgebildete und entworfene Maschinensprache benutzt, die ggfs, auf einer eigenständigen Programmierlogik basiert und mit den Maschinensprachen der anderen Hersteller nicht kompatibel oder nur unter Einschränkungen kompatibel ist. Dies wirkt sich auch auf den Benutzer aus, der für jede Maschine eine andere Programmierung und andere Steuerungsbefehle verwenden und erlernen muss.
Hierbei wird eine Maschine in Bezug auf die von dieser auszuführenden Operationen im Rahmen der vorgesehenen Programmiersprache vorab programmiert, um hierfür die entsprechenden Steuerbefehle zu generieren, die im Anschluss an die Programmierung dann ausgeführt werden sollen.
In der Regel werden die Steuerbefehle, definiert als Befehlsgrößen, über eine Mensch-Maschine-Schnittsteile (HMI) eingegeben. Bei einer Maschine, bspw. einem Roboter eines Herstellers, kann die HMI ausgebildet sein, einen Steuerbefehl, z.B. „Bewege Effektor von Position A nach Position B", über eine individuell gestaltete graphische Benutzeroberfläche darzustellen, den der Benutzer dann betätigt. Die Steuerung eines Roboters eines anderen Herstellers kennt diesen Steuerbefehl auch, jedoch kann dieser im roboterseitigen Eingabe- und Steuerungssystem über andere Algorithmen implementiert sein und muss von einem Benutzer auf eine andere Art und Weise, bspw. rein textuell, programmiert bzw. aktiviert werden.
So können sich folglich die einzelnen Steuerungssysteme von Maschinen, Robotern usw. voneinander so unterscheiden, dass für die Durchführung von ein und derselben Operation jeweils unterschiedliche Programmierschritte und/oder Befehlseingaben von einem Benutzer durchgeführt werden müssen, die sich hinsichtlich ihrer Komplexität und damit der Bedienerfreundlichkeit unterscheiden können. Selbstredend ist dies umständlich und aufwändig. Benutzer müssen auf jede Maschine separat geschult werden. Des Weiteren erweist es sich als nachteilig, dass spezifisches Expertenwissen betreffend einer Maschinen (programmier)spräche sowie der Funktionalität der Maschine selbst erforderlich ist. Hinzu kommt, dass bei einem Maschinenkollektiv, bei der unterschiedliche Maschinen beispielsweise an einer Produktionsstraße Zusammenarbeiten sollen, jede Maschine für sich separat programmiert und gesteuert wird, und diese Maschinen wiederum hinsichtlich ihres Zusammenwirkens aufeinander abgestimmt werden müssen. Ggfs. sind einzelne Maschinen hinsichtlich ihrer Ausgestaltung im Vorfeld gar nicht darauf ausgelegt worden, miteinander kooperieren zu können, geschweige denn miteinander zu kommunizieren. Unterschiedliche Maschinen, wie bspw. Roboter, Förderbänder, Werkzeugmaschinen, Sensoren usw. in einen gemeinsamen Kontext einer Produktionsanlage zu integrieren, so dass diese fehlerfrei und effektiv Zusammenarbeiten können, gestaltet sich daher als sehr aufwändig und zeitintensiv, mit damit einhergehendem Kostenaufwand.
Diese Schritte müssen stets vorab in der jeweils maschineneigenen Programmiersprache programmiert werden. Schon gar nicht wird dadurch eine gleichzeitige Abstimmung von mehreren, unterschiedliche Programmiersprachen nutzenden Maschinen, die im Zuge einer oder mehrerer Operationen Zusammenarbeiten sollen, möglich, d.h. eine während den einzelne durchgeführten Programmierungen quasi „live" realisierte Synchronisierung dieser, in ihren Programmier- und Befehlssprachen nicht kompatiblen Maschinen in Bezug auf die gemeinsam auszuführenden Operationen.
Auch ist es denkbar, dass gleichartige Maschinen oder unterschiedliche Maschinen und Einheiten eines Kollektivs lokal verteilt sind, so dass eine einheitliche, gemeinsame und/oder gleichzeitige Steuerung durch einen Benutzer vor Ort nicht möglich ist. Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zu schaffen und ein Verfahren bereitzustellen, mit Hilfe von welchen zumindest eine Maschine unabhängig von der dieser Maschine innewohnenden Maschinensprache auf einfache Art und Weise gesteuert werden kann. Insbesondere ist es jedoch eine Aufgabe der Erfindung, ein Kollektiv von in der Regel unterschiedlichen Maschinen zu steuern .
Gelöst werden diese Aufgaben mit einem System zur Steuerung nach Anspruch 1 und mit einem Verfahren zur Steuerung nach Anspruch 8.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur Steuerung zumindest einer Maschine, der eine individuelle Maschinensprache zugeordnet ist, die definierte Befehlsgrößen umfasst, wobei im Zuge der Steuerung die Maschine zumindest eine Zustandsänderung erfährt, aufweisend: eine Mensch-Maschine-Schnittsteile, der eine Interaktionssprache zugeordnet ist, die definierte Befehlsgrößen umfasst; und zumindest ein Steuermodul, das ausgestaltet ist, in Abhängigkeit der Art der Maschine und/oder der dieser zugordneten Maschinensprache in Bezug auf eine Befehlsgröße der Interaktionssprache und/oder in Bezug auf eine Befehlsgröße der individuellen Maschinensprache zumindest eine Regelfunktion zu generieren, die ausgebildet ist, die Befehlsgröße der Interaktionssprache in eine zugehörige Befehlsgröße der individuellen Maschinensprache zu transformieren.
Im Rahmen dieser Offenbarung soll hierbei „Maschine" im Sinne eines Oberbegriffs als eine zu steuernde Einheit oder Komponente jeglicher Ausgestaltung verstanden werden, die eine oder mehrere Operationen in einer Interaktion mit der Umgebung, einem Gegenstand, einem Werkstück und/oder einem Menschen durchführen kann, und die beispielsweise umfassen kann:
- Werkzeugmaschinen jeglicher Art
- stationäre oder mobile Roboter,
- Industrieroboter
Leichtbauroboter mit oder ohne Mensch-Roboter- Kollaborationsfähigkeiten
- Sensoren jeglicher Art
- Manipulatoren
- Recheneinheiten
- Beförderungseinheiten
- Simulationen
- Haushaltsgeräte
- medizinische und chirurgische Geräte
- Sortieranlagen und -Vorrichtungen
- autonome Fahrzeuge
- mobile Plattformen
- Signalanlagen
- usw., d.h. im Prinzip jede tatsächliche oder virtuelle Einheit, die zu ihrer Funktion und/oder Interaktion mit der Umwelt, die die Zustandsänderungen widerspiegeln, eine eigenständige
Befehlsstruktur (d.h. Maschinensprache) aufweist, die von einem Benutzer herangezogen werden kann bzw. benutzt werden muss.
Unter „Befehlsgrößen" (oder auch Befehlscodes) im Rahmen dieser Offenbarung sollen alle Anweisungen verstanden werden, die aus einer Benutzereingabe resultieren können und die Maschine dazu veranlassen, eine bestimmte Funktion zu erfüllen und/oder eine bestimmte Operation auszuführen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Steuermodul des Weiteren ausgestaltet, in Abhängigkeit der Art der Maschine und/oder der dieser zugordneten Maschinensprache in Bezug auf eine Zustandsgröße der Interaktionssprache und/oder in Bezug auf eine Zustandsgröße der individuellen Maschinensprache zumindest eine inverse Regelfunktion zu generieren, die ausgebildet ist, eine Zustandsgröße der individuellen Maschinensprache in eine zugehörige Zustandsgröße der Interaktionssprache zu transformieren.
Dies dient einerseits der Feedback-Kontrolle innerhalb des Steuermoduls bei der Ausführung eines Befehls und andererseits in einem übergeordneten Kontext dann auch der Darstellung eines erfassten Zustands der Maschine oder einer Zustandsänderung der Maschine in bspw. einem Darstellungsmodul der HMI.
Unter „Zustandsgrößen" (oder auch Signalgrößen, Zustandssignale) im Rahmen dieser Offenbarung sollen alle Größen verstanden werden, die im Zuge der durch die Befehlsgrößen erwirkten Zustandsänderungen der Maschine dem Steuermodul bzw. dem Benutzer über die Transformation in der Interaktionssprache dann eine Rückmeldung ermöglichen, inklusive von einen möglichen Einfluss nehmenden Störgrößen.
Der Kern der Erfindung ist folglich darin zu sehen, dass in Bezug auf jegliche Regelgröße die Hin-Transformation über eine erste Regelfunktion zwischen der Interaktionssprache und der Maschinensprache auf der einen Seite und in Bezug auf jegliche Zustandsgröße die Rück-Transformation über eine inverse Regelfunktion zwischen der Maschinensprache und der Interaktionssprache auf der anderen Seite von dem System bzw. dem Verfahren gemäß der Erfindung programmtechnisch im weitesten Sinne als eine Ausführung eines Prozessrechenmodells abgebildet wird. Das Verfahren bzw. das System gemäß der Erfindung ermöglicht die Live-Steuerung zumindest einer Maschine durch einen Benutzer mit unmittelbarer Rückmeldung durch die Maschine, während die Maschine die vom Benutzer eingegebenen Befehle ausführt. Im Gegensatz zu einer Programmierung von Maschinen, die tatsächlich zeitlich vor Ausführung der aus den Befehlen resultierenden Operationen durchgeführt werden muss, erfolgt bei der Erfindung die Steuerung durch den Benutzer „on-the- fly", d.h. in Echtzeit. Es findet stets eine direkte Interaktion zwischen dem Benutzer und der/den Maschine/n statt; die aus den Regelfunktionen und inversen Regelfunktionen resultierenden Codes werden erzeugt, während das diesen zugrunde liegende Programm läuft. Mit anderen Worten, bei dem erfindungsgemäß implementierten Verfahren handelt es sich quasi um ein „Programming in the Loop".
Wie bei einem gegenständlichen Mikrorechner, der Reglerprogramme beinhaltet, die in Abhängigkeit der Struktur und der Parameter der zu Grunde gelegten Reglergesetze konfiguriert und parametriert werden, wird gemäß der Erfindung ein virtueller Prozessrechner implementiert, wobei das System annimmt, wie die Reglerprogramme konfiguriert sein könnten, damit im Sinne eines entsprechenden Reglergesetzes die Regelfunktionen zur Transformation der Befehls- bzw. Zustandsgrößen generiert werden können, was den eigentlichen Abstraktionsprozess widerspiegelt.
Die Übertragung einer Befehlsgröße einer Interaktionssprache in eine entsprechende Befehlsgröße einer Maschinensprache kann daher allgemein als ein gerichtetes Zustandsraummodell beschrieben werden.
Vereinfacht ausgedrückt stellt gemäß der Erfindung das systemseitige Steuermodul mit einem maschinenseitigen Steuermodul eine Kommunikation her, um eine in der Interaktionssprache des systemseitigen Steuermoduls hinterlegte Befehlsgröße, die einer definierten Operation entspricht, mit einer entsprechenden Befehlsgröße zu verknüpfen, die in der Maschinensprache des maschinenseitigen Steuermoduls hinterlegt ist, wobei das systemseitige
Steuermodul extern zu dem maschinenseitigen Steuermodul und diesem übergeordnet ist.
Der eigentliche Prozess der Transformation in beiden Richtungen ist im Grunde eine Abbildung mit Eingangsgrößen (= Regelgrößen der Interaktionssprache), Ausgangsgrößen (= Stell- /Regelgrößen in der Maschinensprache) und Zustandsgrößen (bspw. Sensorsignale über die Zustandsänderung), wobei ein ständiges Feedback bzw. eine Rückkopplung in Bezug auf die Regelfunktionen über die Zustandsgrößen und ggfs, einfließenden Störgrößen aktiv sein kann.
Das erfindungsgemäße System funktioniert quasi analog wie ein „Simultanübersetzer" .
Dabei muss der Ablauf des Prozessrechenmodells nicht zwangsläufig deterministisch ausgelegt sein. Die über die Regelfunktion zu bestimmende zukünftige Ausgabe der Regelgröße muss nicht zwangsläufig vorab bekannt sein, da sich diese unter Umständen auch erst durch die Interaktion der Maschine mit der Umgebung ergeben kann, wobei die Zustandsänderung bspw. durch an der Maschine auftretende Kräfte oder durch Bewegungsmuster der Maschine wiedergegeben wird.
Das so implementierte Prozessrechenmodell wird unter Berücksichtigung von Parametern und/oder Störgrößen einer ständigen Feedbackregelung unterzogen, bei denen es sich um tatsächliche, während der Zustandsänderung messbare physikalische Größen und/oder um virtuell erzeugte Größen handeln kann. In einer Weiterbildung des Systems kann das Steuermodul des Weiteren so ausgestaltet sein, dass die Regelfunktion in Abhängigkeit der inversen Regelfunktion und/oder umgekehrt generiert wird.
Des Weiteren kann das Steuermodul so ausgestaltet sein, dass die Regelfunktion und/oder die inverse Regelfunktion während der Zustandsänderung der Maschine geändert werden kann, und zwar beispielsweise in Abhängigkeit von vorgegebenen oder tatsächlichen Rückkopplungsparametern.
Mit anderen Worten, das System gemäß der Erfindung kann in funktionaler und/oder zeitlicher Hinsicht offen ausgelegt sein. Beispielsweise lassen sich den einzelnen Regelfunktionen Freigaben, d.h. was soll maschinenseitig auf alle Fälle realisiert werden, und Beschränkungen, d.h. was darf maschinenseitig auf keinen Fall eintreten, schritthaltend hinzufügen oder von diesen entfernen.
Programmseitig wird durch das so gemäß der Erfindung realisierte Prozessrechenmodell für die Hin-Transformation von Befehlsgrößen und die Rück-Transformation von Zustandsgrößen eine Abstraktion einer für eine Maschine vorgegebenen individuellen Maschinensprache herbeigeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung sind das System und das nachfolgend beschriebene Verfahren insbesondere auf eine Steuerung eines Kollektivs ausgelegt, das sich aus mehreren, unterschiedlichen Arten bzw. Klassen von Maschinen zusammensetzt.
Hierbei sind mehrere Maschinen vorgesehen, denen jeweils eine individuelle Maschinensprache zugeordnet ist, wobei das Steuermodul ausgestaltet ist, für jede Maschine jeweils zumindest eine entsprechende Regelfunktion und zumindest eine entsprechende inverse Regelfunktion zu generieren.
Die Maschinensprachen sind in der Regel nicht oder nur mit Einschränkungen miteinander kompatibel.
Das Kollektiv kann dabei als ein potentiell heterogenes System bzw. Netzwerk ausgebildet sein, bspw. eine Produktionsanlage bestehend aus mehreren Maschinen und Robotern, die jede(r) für sich unterschiedliche Aufgaben erfüllen und von unterschiedlichen Herstellern stammen und daher unterschiedliche, nicht miteinander kompatible Maschinensprachen aufweisen und nutzen.
Als „Kollektiv" im Rahmen dieser Offenbarung sollen folglich nicht nur physisch nicht miteinander gekoppelte, jedoch in irgendeiner Form zusammenarbeitende Maschinen, wie bei Produktionsanlagen, sondern auch physisch miteinander gekoppelte Systeme verstanden werden, wie beispielsweise ein Roboterarm, der an seinem distalen Ende einen Greifermechanismus trägt. Der Roboterarm stammt von einem ersten Hersteller und weist eine eigene Maschinensprache (=Robotersprache) auf, während der daran montierte Greifermechanismus von einem zweiten Hersteller stammt und eine von der Robotersprache getrennte, eigenständige Maschinensprache (=Greifersprache) aufweist.
Im Prinzip sind der physischen Ausgestaltung des Kollektivs zur Realisierung und Anwendung des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens keine Grenzen gesetzt. Die Mitglieder/Maschinen des Kollektivs können lokal und/oder global verteilt sein und über ein Netzwerk oder drahtlos miteinander verbunden werden.
Vor diesem Hintergrund ist das Steuermodul des Weiteren ausgestaltet, die Regelfunktionen und die inverse Regelfunktionen in Bezug auf die Maschinen eines Kollektivs synchron oder asynchron zu generieren.
Mit anderen Worten, die Steuerung der einzelnen Maschinen des Kollektivs durch einen Benutzer über die Interaktionssprache kann individuell, gleichzeitig oder in Abhängigkeit des gewünschten Ablaufs des Kollektivs erfolgen.
Unabhängig von den Maschinensprachen und der Anzahl der Maschinen wird durch das System und das Verfahren gemäß der Erfindung programmseitig eine einheitliche Abstraktion in Bezug auf alle unterschiedlichen Maschinensprachen realisiert, die in einem Kollektiv von Maschinen vorliegen.
Die Interaktionssprache fungiert quasi als eine Art Abstraktionssprache, wodurch ein einheitliches System zur Steuerung zumindest einer Maschine eines Kollektivs vorgeschlagen wird, das unabhängig von dem dieser Maschine innenwohnenden Steuerungssystem bzw. der hierfür jeweils vorgesehenen Programmierungsart und Maschinensprache herangezogen werden kann, da es in der Lage ist, mit allen verschiedenen Maschinensprachen von Maschinen, wie bspw. Robotern, der unterschiedlichsten Ausgestaltung bzw. von unterschiedlichen Herstellern zu kommunizieren.
Der Benutzer kann die vereinfachte Programmierung des übergeordneten Systems, die sich vorzugsweise durch eine einfache Bedienlogik (bspw. dialoggestützt, rein textuell oder über graphische Symbole) einer graphischen Benutzeroberfläche der HMI ausweisen kann, heranziehen, um einen Operationsbefehl auf das individuelle Steuerungssystem der Maschine zu übertragen, der von dieser dann ausgeführt wird, ohne dass der Benutzer in die ggfs. sehr komplizierte Logik des maschinenseitigen Steuerungssystems näher einsteigen muss. Ein Benutzer muss sich daher nicht mit allen am Markt befindlichen Programmieranweisungen von Steuerungssystemen unterschiedlicher Maschinen/Roboter im Detail befassen und sich in diese einarbeiten, um eine einfache Operation von der Maschine/dem Roboter oder gar von einem Kollektiv aus Maschinen/Robotern durchführen zu lassen, sondern kann sich ausschließlich des übergeordneten Systems bedienen, was hinsichtlich seiner Programmierung eine wesentlich einfachere Logik und daher bessere Benutzerfreundlichkeit aufweist.
Das übergeordnete System bildet quasi ein generalisiertes Betriebssystem für viele Maschinen, beispielsweise aller am Markt befindlichen Roboter. Es lässt sich auf einfache Art und Weise an neue Betriebs- bzw. Steuerungssysteme, sowie Maschinensprachen, von bestehenden oder neuen Maschinen- oder Robotersystemen und auch an neu durchzuführenden Operationen ohne großen programmiertechnischen Aufwand anpassen.
Neben einer vereinfachten Bedienung über mehrere Maschinenklassen hinweg stellt sich durch die Bereitstellung und Realisierung des erfindungsgemäßen Systems und des nachfolgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ein erheblicher Zeitgewinn bei der Steuerung, sowohl in Bezug auf die Programmierung (Setup) als auch Bedienung der Maschinen ein, was mit einem erheblichen wirtschaftlichen Vorteil einhergeht .
Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße System auf einfache Art und Weise die gleichzeitige oder zeitlich versetzte Betätigung von Maschinen oder Maschinenkollektiven, die räumlich voneinander getrennt sind.
Insbesondere ist das System der Erfindung auch dazu ausgelegt, eigenständig zu erkennen, mit welchem maschinenseitigen Steuersystem, d.h. mit welcher Maschinensprache es gerade verbunden ist bzw. kommunizieren soll, um dann eigenständig die für die gewünschte Befehlsgröße notwendigen „Übersetzungs- " bzw. Transformationsalgorithmen zur Generierung der Regelfunktionen zur Verfügung zu stellen. Ein solches autonomes „Mapping" kann durch entsprechende Learning- oder Deep Learning-Algorithmen oder neuronale Netze erfolgen bzw. implementiert werden.
In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Steuerung zumindest einer Maschine, der eine individuelle Maschinensprache zugeordnet ist, die definierte Befehlsgrößen umfasst, mittels eines Steuermoduls, das mit einer Mensch-Maschine-Schnittsteile zusammenwirkt, der eine Interaktionssprache zugeordnet ist, die ebenfalls definierte Befehlsgrößen, umfasst, wobei im Zuge der Steuerung die Maschine eine Zustandsänderung erfährt, aufweisend die Schritte :
Erkennen der Art der Maschine und/oder der dieser zugeordneten Maschinensprache; in Abhängigkeit der Art der Maschine und/oder der dieser zugordneten Maschinensprache Generieren einer Regelfunktion in Bezug auf eine Befehlsgröße der Interaktionssprache und/oder in Bezug auf eine Befehlsgröße der individuellen Maschinensprache; und
- Transformieren der Befehlsgröße der Interaktionssprache in eine zugehörige Befehlsgröße der individuellen Maschinensprache unter Anwendung der Regelfunktion.
Des Weiteren umfasst das Verfahren die Schritte: in Abhängigkeit der Art der Maschine und/oder der dieser zugordneten Maschinensprache Generieren einer inversen Regelfunktion in Bezug auf eine Zustandsgröße der Interaktionssprache und/oder in Bezug auf eine Zustandsgröße der individuellen Maschinensprache; und Transformieren der Zustandsgröße der individuellen Maschinensprache in eine zugehörige Zustandsgröße der Interaktionssprache unter Anwendung der inversen Regelfunktion .
Das Verfahren zeichnet sich weiter dadurch aus, dass die Regelfunktion in Abhängigkeit der inversen Regelfunktion und/oder umgekehrt generiert werden kann.
In einer Weiterbildung des Verfahrens kann die Regelfunktion und/oder die inverse Regelfunktion während der Zustandsänderung der Maschine geändert werden.
Dies alles geschieht gemäß der Erfindung bei Ablauf bzw. Ausführung der zugrunde liegenden Operationen, d.h. „on-the- fly".
Vorzugsweise ist das Verfahren gemäß der Erfindung ausgebildet, dass, wenn mehrere Maschinen vorgesehen sind, denen jeweils eine individuelle Maschinensprache zugeordnet ist, eine Regelfunktion und eine inverse Regelfunktion für jede Maschine generiert wird, wobei die Regelfunktionen und die inversen Regelfunktionen in Bezug auf die Maschinen synchron oder asynchron generiert werden können.
Durch das erfindungsgemäße System bzw. Verfahren wird ein Benutzer in die Lage versetzt, eine Maschine oder ein Maschinenkollektiv über ein entsprechendes Netzwerk unmittelbar und in Echtzeit online zu steuern, und zwar unabhängig von der Art der Maschinen und ihren Programmier- und Befehlssprachen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der anhand der beiliegenden Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiele. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Mensch-Maschine- Schnittsteile;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zu steuernden Maschine;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems in Bezug auf die Steuerung einer einzigen Maschine K± ;
Fig. 4 eine weitere schematische Darstellung eines Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems in Bezug auf die Steuerung einer einzigen Maschine K± ;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Kollektivs von Maschinen;
Fig. 6 eine Darstellung eines Roboters als ein physisch verbundenes Kollektiv; und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines erfindungsgemäßen Systems in Bezug auf die Steuerung eines Kollektivs von Maschinen.
In der Fig. 1 ist schematisch eine Mensch-Maschine- Schnittstelle HMI gezeigt, mit Hilfe von welcher ein Benutzer Eingabebefehle einer dieser HMI zugeordneten Interaktionssprache, visuell, textuell, durch Sprachsteuerung, über graphische Symbole oder eine Virtual-Reality-Vorrichtung über ein Eingabemodul EM eingeben kann. Gleichzeitig erhält der Benutzer über die HMI eine Rückmeldung über den Status einer durch das erfindungsgemäße System zu steuernden Maschine, Komponente oder Einheit bzw. eines zu steuernden Maschinenkollektivs .
Die Interaktionssprache bildet sozusagen die benutzerseitige Befehlssprache, die gemäß der Erfindung vorzugsweise einheitlich in Bezug auf alle Maschinen ausgelegt ist, mit denen das System Zusammenwirken soll. In der Interaktionssprache sind entsprechende Befehlsgrößen rl r ..., ri, hinterlegt bzw. vordefiniert. Handelt es sich bei der zu steuernden Maschine bspw. um einen Roboter, kann die Befehlsgröße r± bspw. bedeuten „Bewege den Roboter von Position A nach Position B", wobei die Art des Roboters und dessen inhärente Maschinensprache dem System und damit dem Benutzer zur Bedienung der Interaktionssprache nicht zwangsläufig bekannt sind.
Die Maschinensprache der Maschine umfasst alle durch Befehlsgrößen definierten Instruktionen, die von der Maschine im Rahmen von Operationen direkt ausgeführt werden können, wobei die Menge und die formale Struktur bzw. Syntax dieser Instruktionen, also der Befehlssatz, sich von Maschine zu Maschine unterscheiden, selbst wenn die Maschinen im Rahmen der Umsetzung einer Befehlsgröße zu dem gleichen Ergebnis kommen. Bspw. ist ein sechsachsiger, positionsgeregelter Roboter eines ersten Herstellers mit einer ersten Maschinensprache (Maschinencode, Maschinenprogramm) ebenso wie ein sechsachsiger, positionsgeregelter, technisch unter Umständen unterschiedlich realisierter Roboter eines zweiten Herstellers mit einer zweiten Maschinensprache in der Lage, jeweils ihre Effektoren von der Position A zu der Position B zu bewegen, d.h. das Ergebnis bzw. die funktionale Leistung beider Roboter ist identisch, jedoch erfolgt hierfür die Ausführung über unterschiedliche Befehlsgrößen der Maschinensprache .
In der Fig. 2 ist schematisch der Aufbau einer durch das System gemäß der Erfindung zu steuernden Maschine Ki gezeigt.
Diese Maschine Ki besitzt eine eigenständige, mit der benutzerseitigen Interaktionssprache hinsichtlich Art und Programmierung nicht identische Maschinensprache. In dieser Maschinensprache, die mit Maschinensprachen anderer Maschinen bzw. Maschinenklassen nicht identisch und nicht kompatibel sein muss, sind ebenfalls Befehlsgrößen Ri, ..., Ri hinterlegt, die hinsichtlich ihrer Ausführung, d.h. dem zu erzielenden Ergebnis, den Befehlsgrößen der Interaktionssprache entsprechen .
In dem genannten Beispiel bedeutet daher die Befehlsgröße Ri der Maschinensprache ebenso „Bewege den Roboter von Position A nach Position B", wobei die Befehlsgrößen R2 bis Ri weitere Befehle umfassen können, die im Anschluss an den Befehl Rx ausgeführt werden können.
In der Fig. 3 ist schematisch der Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems in Bezug auf die Steuerung einer einzigen Maschine K± gezeigt.
Das System gemäß der Erfindung ist ausgelegt, bspw. durch eine entsprechende Programmierung in Bezug auf die Software oder zumindest eines Rechenkerns, in Bezug auf jede Befehlsgröße ri, ..., ri der Interaktionssprache jeweils zumindest eine Regelfunktion fi, ..., fi zu generieren, mit der diese Befehlsgrößen r1 ..., auf die dieser jeweils zugeordneten bzw. entsprechenden Befehlsgröße Ri, ..., Ri der Maschinensprache der Maschine Ki umgewandelt bzw. transformiert wird.
Gemäß der Erfindung erfolgt dieser Vorgang derart, dass sich die Regelfunktionen fi, ..., fi über zumindest einen in der Software oder dem Rechenkern hinterlegten bzw. implementierten Algorithmus in Abhängigkeit der Art bzw. der Klasse der Maschine K±, bspw. einem sechsachsigen, positionsgesteuerten Roboter, der dieser Maschine K± innenwohnenden individuellen (in der Regel herstellerabhängigen) Maschinensprache und/oder der Art des Befehls selbst bestimmt. Tatsächlich muss hierzu die Befehlsstruktur bzw. Befehlssyntax der Interaktionssprache die Befehlsstruktur bzw. Befehlssyntax der Maschine Ki nicht kennen.
Die Maschine Ki selbst wird dabei als ein Rechnermodell einer Zustandsmaschine beschrieben, die im Zuge der Ausführung einer jeden Befehlsgröße eine Zustandsänderung erfährt, was in der Fig. 3 exemplarisch durch den Pfeil Z angegeben ist. In der einfachsten Form kann das Rechnermodell als eine Turing- Maschine beschrieben werden.
Hierbei muss die Zustandsänderung nicht zwangsläufig dynamischer Natur sein. Bei der Maschine Ki kann es sich beispielsweise auch um einen Sensor jeglicher Art handeln, dessen aktueller Zustand, d.h. Messwert, über eine entsprechende Eingabe in der Interaktionssprache mittels einer Befehlsgröße r2 abgefragt wird, z.B. im Sinne von „Ermittle vorherrschende Temperatur", indem das Steuermodul des Systems eine entsprechende Regelfunktion f2 erzeugt, die diese Eingabe auf die Regelgröße R2 der Maschinen (sensor)spräche im Sinne von „Ermittle vorherrschende Temperatur" des Sensors abbildet. Die Temperatur als eine Zustandsgröße bzw. ein Zustandssignal kann dann an das Steuermodul bzw. die HMI zur Darstellung bzw. Übermittlung der Information an den Benutzer zurück transferiert werden, was im Folgenden im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert werden soll.
Gemäß der Erfindung ist das Steuermodul des Weiteren dazu ausgelegt, dass im Zuge der Generierung der Regelfunktionen flf ..., fi eine ständige Rückkopplung von den Befehlsgrößen R2, ..., Ri der Maschine K2 erfolgt, was sinnbildlich durch die Pfeile Ui, ..., Ui dargestellt ist.
Die Erfindung zeichnet sich folglich dadurch aus, dass sie zur Kommunikation zwischen einer benutzerseitig definierten Interaktionssprache und einer vorgegebenen, individualisierten Maschinensprache virtuell ein Prozessrechenmodell implementiert, im weitesten Sinne die Grundstruktur eines Regelkreises, bei dem tatsächliche und/oder virtuelle Zustandsgrößen und/oder Störgrößen in die Feedback-Kontrolle mit einfließen. Gemäß der Erfindung wird ein solcher Regelkreis vorzugsweise programmtechnisch virtuell erzeugt, mit den einzelnen Befehlsgrößen als virtuelle Regelgrößen.
Um zu erkennen, ob und in welchem Umfang die Zustandsänderung (bspw. „Roboter hat sich von Position A zu Position B bewegt") der jeweils zu steuernden Maschine erfolgt ist, muss dem System (und damit dem Benutzer über die HMI) eine entsprechende Rückmeldung geliefert werden.
Dies ist exemplarisch in Fig. 4 dargestellt.
Der Maschinensprache der Maschine K± ist ein Satz von Zustandsgrößen Si, ..., Si zugeordnet. Diese Zustandsgrößen Si, ..., Si wiederum entsprechen einem Satz von in der Interaktionssprache definierten äquivalenten Zustandsgrößen si,
..., Si.
Gemäß der Erfindung ist das zumindest eine Steuermodul des Weiteren so ausgestaltet, dass in Bezug auf eine Zustandsgröße Si, ..., si der Interaktionssprache jeweils zumindest eine inverse Regelfunktion fi1, ..., fi_1 generiert wird, die ausgebildet ist, eine entsprechende Zustandsgröße Si, ..., Si der Maschine Ki in die zugehörige Zustandsgröße si, ..., si der Interaktionssprache zu transformieren bzw. abzubilden.
Auch hier folgt die Generierung der inversen Regelfunktion dem erfindungsgemäßen Ansatz, die Kommunikation zwischen der Maschinensprache und der Interaktionssprache als ein Prozessrechenmodell abzubilden, wobei hierfür entsprechende Algorithmen im Steuermodul ablegt sind.
Sowohl die Hin-Transformation in Bezug auf eine Regelgröße über die Generierung einer Regelfunktion fi als auch die Rück- Transformation in Bezug eine Zustandsgröße, die mit der Regelgröße in einem funktionalen Zusammenhang stehen kann, über die Generierung einer inversen Regelfunktion f^1 bewirkt an der Schnittstelle zur Interaktionssprache eine einheitliche Abstraktion über alle zu steuernden Maschinen K± , vorzugsweise einer Klasse, hinweg. Die Ausgabe der so erhaltenen Information (erreichte Position, Temperatur, usw.) kann dem Benutzer über ein entsprechend ausgebildetes Darstellungsmodul DM vermittelt werden.
Der Benutzer benötigt gemäß der Erfindung daher nur eine einzige Interaktionssprache mit einem definierten Befehlssatz, um Maschinen, Komponenten und/oder Maschinenansammlungen zu steuern bzw. mit diesen zu kommunizieren. Die Interaktionssprache ist dabei vorzugsweise bedienerfreundlich und leicht verständlich ausgelegt, bspw. über eine App- Steuerung auf einer graphischen Benutzeroberfläche, und im Verhältnis zu allen Maschinensprachen der zu steuernden Maschinen unabhängig und autark.
Das erfindungsgemäße System ist daher ausgelegt, die Abstraktion über alle unterschiedlichen Maschinensprachen hinweg durch vorgegebene, im System implementierte Algorithmen, dadurch zu bewerkstelligen, dass alle möglichen virtuellen und/oder tatsächlichen Parameter in Bezug auf das durch diese Algorithmen realisierte Prozessrechenmodell, wie Regelgrößen, Zustandsgrößen als auch mögliche Störgröße (bspw. Latenzen) berücksichtigt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das System jedoch verwendet, um ein vorzugsweise potentiell heterogen verteiltes Kollektiv von Maschinen, Komponenten oder Einheiten zu steuern .
Fig. 5 zeigt schematisch ein solches Kollektiv bestehend aus den Maschinen Kx bis K9 .
Jede Maschine Kx bis K für sich erfährt eine Zustandsänderung Zi bis Z , die sich im Zuge der Steuerung einstellt.
Die Maschinen selbst müssen in keinem funktionalen Zusammenhang stehen und können sich auch an unterschiedlichen Orten befinden. Sie können jedoch auch Zusammenarbeiten, ohne dass sie miteinander kompatible Maschinensprachen besitzen müssen, beispielsweise im Rahmen einer gemeinsamen Produktionsanlage, was exemplarisch durch die Pfeile A, B dargestellt ist. Z. Bsp. kann es sich bei der Maschine K um eine Werkzeugmaschine handeln, die von einem Roboter K bestückt wird, indem dieser Werkstücke einem Förderband K entnimmt und diesem nach der Bearbeitung wieder übergibt.
Obwohl die Maschinen K bis K für sich unterschiedliche, miteinander nicht kompatible Maschinensprachen besitzen, erfolgt die Kommunikation der Maschinen untereinander, deren Steuerung und ggfs. auch Programmierung über das Abstraktionsprinzip gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der Interaktionssprache als einheitliche Befehlssprache für alle Maschinen K7 bis K9 .
Bei dem Kollektiv kann es sich jedoch auch um mehrere Komponenten einer einzigen, eigenständigen Maschine handeln, die funktional Zusammenwirken, wie beispielsweise ein Roboterarm K eines Herstellers, der an seinem distalen Ende einen Greifermechanismus K eines anderen Herstellers trägt, wie dies exemplarisch in der Fig. 6 dargestellt ist, wobei der Roboterarm K3, bzw. seine Steuerung/Maschinensprache, und der Greifermechanismus K5, bzw. seine Steuerung/Maschinensprache nur teilweise oder gar keine Informationen voneinander haben können.
In der Fig. 7 ist schematisch die Steuerung eines Kollektivs nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt.
Jede Maschine K2 und K2 weist jeweils einen Satz von Befehlsgrößen (Ri, ..., Ri)Ki und (Ri, ..., R2)K2 in deren eigener Maschinensprache auf. Ebenso ist jeder Maschine K2 und K2 ein Satz von Zustandsgrößen (Si, ..., Si)Ki und (S1, ..., S2)K2 zugeordnet, die bereits vorhanden sind (bspw. vorhandene Temperatur) oder sich durch eine Zustandsänderung infolge der Steuerung erst einstellen (bspw. dann geänderte Temperatur).
Gemäß der Erfindung wird daher dann in Bezug auf jede Regelgröße ein entsprechender Satz Fi von Regelfunktionen f - fi für die Maschine K2 und Satz F2 von Regelfunktionen f - f2 für die Maschine K2 und in Bezug auf jede Zustandsgröße ein entsprechender Satz Fi-1 von inversen Regelfunktionen fi_1 - f^1 für die Maschine K2 und F2 _1 von inversen Regelfunktionen fi_1 - fi1 für die Maschine K2 erzeugt, wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 vorhergehend erläutert wurde.
Dadurch lässt sich eine einheitliche Abstraktion über alle Maschinenklassen bzw. -arten und deren Maschinensprachen hinweg realisieren.
Die Erzeugung der einzelnen Regelfunktionen ist durch vorgegebene und/oder anpassbare und/oder über (Deep) Learning- Algorithmen möglich, die im Steuermodul (Software, Rechenkern) implementiert sind. Dadurch wird ein formales Interaktionsmodell, also eine Art Interaktionssteuerung geschaffen, mit der der Benutzer unterschiedliche, hinsichtlich ihrer Maschinensprache zwangsläufig nicht miteinander kompatible Maschinen, einzeln, d.h. asynchron, oder synchron betätigen kann, so dass diese Maschinen in einem höheren Ablaufkontext integriert sind, wie dies z.B. bei einer aus unterschiedlichen Maschinen bestehenden Produktionsanlage der Fall wäre.

Claims

Ansprüche
1. System zur Steuerung zumindest einer Maschine (Ki), der eine individuelle Maschinensprache zugeordnet ist, die definierte Befehlsgrößen (Ri , ..., Ri) umfasst, wobei im Zuge der Steuerung die Maschine (Ki) eine Zustandsänderung (Zi) erfährt, aufweisend:
- eine Mensch-Maschine-Schnittsteile (HMI), der eine Interaktionssprache zugeordnet ist, die definierte Befehlsgrößen (ri , ..., ri) umfasst; und
- ein Steuermodul, das ausgestaltet ist, in Abhängigkeit der Art der Maschine (Ki) und/oder der dieser zugordneten Maschinensprache in Bezug auf eine Befehlsgröße (rx , ..., ri) der Interaktionssprache und/oder in Bezug auf eine Befehlsgröße (Ri , ..., Ri) der individuellen Maschinensprache eine Regelfunktion (fx , ..., fi) zu generieren, die ausgebildet ist, die Befehlsgröße (rx , ..., ri) der Interaktionssprache in eine zugehörige Befehlsgröße (Ri , ..., Ri) der individuellen Maschinensprache zu transformieren.
2. System nach Anspruch 1, bei dem das Steuermodul des Weiteren ausgestaltet ist, in Abhängigkeit der Art der Maschine (K±) und/oder der dieser zugordneten Maschinensprache in Bezug auf eine Zustandsgröße (si , ..., Si) der Interaktionssprache und/oder in Bezug auf eine Zustandsgröße (Si , ..., Si) der individuellen Maschinensprache eine inverse Regelfunktion (fi-1 , ..., fi
1) zu generieren, die ausgebildet ist, eine Zustandsgröße (Si , ..., Si) der individuellen Maschinensprache in eine zugehörige Zustandsgröße (si Si) der Interaktionssprache zu transformieren.
3. System nach Anspruch 2, bei dem das Steuermodul des
Weiteren ausgestaltet ist, die Regelfunktion (fi , ..., fi) in Abhängigkeit der inversen Regelfunktion (fit1 , ..., fi-1) und/oder umgekehrt zu generieren.
4. System nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Steuermodul des Weiteren ausgestaltet ist, die Regelfunktion (fx , ..., fi) und/oder die inverse Regelfunktion (fi-1 , ..., fi-1) während der Zustandsänderung der Maschine (K±) zu ändern.
5. System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem mehrere
Maschinen (Kx , ..., K±) vorgesehen sind, denen jeweils eine individuelle Maschinensprache zugeordnet ist, und bei dem das Steuermodul ausgestaltet ist, für jede Maschine (Ki , ..., Ki) eine Regelfunktion (fx , ..., fi) und eine inverse Regelfunktion (fi-1 , ..., fi-1) zu generieren.
6. System nach Anspruch 5, bei dem das Steuermodul des
Weiteren ausgestaltet ist, die Regelfunktionen (fi , ..., fi) und die inversen Regelfunktionen (fi-1 , ..., fi-1) in
Bezug auf die Maschinen (Ki , ..., Ki) synchron oder asynchron zu generieren.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zumindest eine Maschine (Ki) ein Roboter oder ein Teil eines Roboters ist.
8.Verfahren zur Steuerung zumindest einer Maschine (Ki), der eine individuelle Maschinensprache zugeordnet ist, die definierten Befehlsgrößen (Rx Ri) umfasst, mittels eines Steuermoduls, das mit einer Mensch-Maschine- Schnittstelle (HMI) zusammenwirkt, der eine Interaktionssprache zugeordnet ist, die definierte Befehlsgrößen (ri ri), umfasst, wobei im Zuge der
Steuerung die Maschine (Ki) eine Zustandsänderung (Zi) erfährt, aufweisend die Schritte:
- Erkennen der Art der Maschine (Ki) und/oder der dieser zugeordneten Maschinensprache;
- in Abhängigkeit der Art der Maschine (K.) und/oder der dieser zugordneten Maschinensprache Generieren einer Regelfunktion (fx , ..., f in Bezug auf eine Befehlsgröße (ri ri) der Interaktionssprache und/oder in Bezug auf eine Befehlsgröße (Ri Ri) der individuellen
Maschinensprache; und
- Transformierender Befehlsgröße (rx r±) der
Interaktionssprache in eine zugehörige Befehlsgröße (Ri
Ri) der individuellen Maschinensprache unter Anwendung der Regelfunktion (fi , ..., f±) .
9.Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren aufweisend die Schritte :
- in Abhängigkeit der Art der Maschine (Ki) und/oder der dieser zugordneten Maschinensprache Generieren einer inversen Regelfunktion (fr1 , ..., fi-1) in Bezug auf eine Zustandsgröße (si Si) der Interaktionssprache und/oder in Bezug auf eine Zustandsgröße (Si Si) der individuellen Maschinensprache; und
- Transformieren der Zustandsgröße (Si , ..., Si) der individuellen Maschinensprache in eine zugehörige Zustandsgröße (si Si) der Interaktionssprache unter
Anwendung der inversen Regelfunktion (fr1 , ..., fr1).
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Regelfunktion (fi , ..., fi) in Abhängigkeit der inversen Regelfunktion (fi-1 , ..., fr1) und/oder umgekehrt generiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Regelfunktion (fi , ..., fi) und/oder die inverse Regelfunktion (fi1 , ..., f± 1) während der Zustandsänderung (Zi) der Maschine (Ki) geändert werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem mehrere Maschinen (Ki , ..., Ki) vorgesehen sind, denen jeweils eine individuelle Maschinensprache zugeordnet ist, aufweisend:
- Generieren einer Regelfunktion (fx , ..., fi) und einer inversen Regelfunktion (fi-1 , ..., fi-1) für jede Maschine
(Ki , ..., Ki), wobei die Regelfunktionen (fx , ..., fi) und die inversen Regelfunktionen (fi-1 , ..., fi-1) in Bezug auf die Maschinen (Kx , ..., K±) synchron oder asynchron generiert werden.
13. Computersystem mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12 auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.
14. Digitales Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, wobei die Steuersignale so mit einem programmierbaren Computersystem Zusammenwirken können, dass ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12 ausgeführt wird.
15. Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, wenn der Programmcode auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.
16. Computer-Programm mit Programmcodes zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, wenn das Programm auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung abläuft.
EP20764589.6A 2019-08-20 2020-08-20 System und verfahren zur steuerung zumindest einer maschine, insbesondere eines kollektivs von maschinen Withdrawn EP4018275A1 (de)

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