EP4482657A1 - Verfahren und vorrichtung zur automatisierten koordinierung der tätigkeiten von mehreren robotern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur automatisierten koordinierung der tätigkeiten von mehreren robotern

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Publication number
EP4482657A1
EP4482657A1 EP23700527.7A EP23700527A EP4482657A1 EP 4482657 A1 EP4482657 A1 EP 4482657A1 EP 23700527 A EP23700527 A EP 23700527A EP 4482657 A1 EP4482657 A1 EP 4482657A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
robot
tasks
robot cell
robots
common
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.)
Pending
Application number
EP23700527.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eric Roslin Wete Poaka
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.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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 Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP4482657A1 publication Critical patent/EP4482657A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1679—Program controls characterised by the tasks executed
    • B25J9/1682—Dual arm manipulator; Coordination of several manipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1656—Program controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1661—Program controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by task planning, object-oriented languages
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1656—Program controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1669—Program controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by special application, e.g. multi-arm co-operation, assembly, grasping
    • 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
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39117—Task distribution between involved manipulators

Definitions

  • the present invention relates to a method for the automated coordination of the activities of a number of robots, which can be used, for example, in multi-robot cells for production systems in body construction, and a device for carrying out the method.
  • a multi-robot cell different operations can be carried out on a component at the same time by a group of several robots.
  • the work processes are distributed among the robots in such a way that the total time for processing a component is as short as possible, whereby it must be taken into account that the robots in the group do not communicate with each other or collide with the component.
  • multi-robot cells are usually controlled digitally in production, they are still usually programmed manually. This is an error-prone and time-consuming task.
  • problems can occur during the operation of the multi-robot cell in production, for example due to a malfunction in one of the robots, such as the failure of a robot tool or a task that cannot be completed by the robot for other reasons. Such unexpected events are difficult to take into account when programming.
  • US Pat. No. 11,110,606 B2 discloses a method for coordinating robots within a multi-robot cell formed by a group of robots that work together on a component. If it is determined here that a robot within the group is not able to continue working on the component at a first point, this robot is removed from the group while other robots in the group continue to work. A working robot is then added to the group, which then starts working on the part at a second location. This allows the robots to continue working on the component according to a predetermined schedule, reducing downtime and reducing the effort involved in checking collision avoidance.
  • planned tasks of the robots of the common robot cell are recorded, with dependencies existing among the tasks.
  • the planned tasks are assigned to individual robots of the common robot cell during operation of the common robot cell.
  • Instructions for the execution of the planned tasks are transmitted to the individual robots of the common robot cell.
  • the robot cell status is recorded.
  • the execution of the tasks that have not yet been executed is optimized during the operation of the shared robot cell, taking into account the current robot cell state and the dependencies existing among the tasks.
  • At least one of the tasks can be performed by several robots of the common robot cell, a task originally assigned to a first robot of the common robot cell being assigned to a second robot as part of optimizing the execution of the tasks not yet performed assigned to the common robot cell.
  • This reallocation of tasks during operation can further increase the productivity of production systems with multi-robot cells.
  • a reduction in energy consumption can also be achieved as a result.
  • a robot in the common robot cell can be selected as the second robot, which is responsible for taking over the execution of the first Robot assigned task is suitable and the task performed by the second robot.
  • a production plant with a multi-robot cell can continue to be operated even in the event of a fault, so that the risk of production downtime is reduced or downtimes in the event of a fault are reduced.
  • the robot cell status for the robots of the common robot cell can include the current position of the robot or of grippers, tools or other production equipment of the robot, the current task, the last task processed and/or the current operating status.
  • the assumption of tasks can be adapted particularly well to the common robot cell and the robots of this common robot cell.
  • the current operating status of a robot can indicate in particular whether this robot is currently free, is executing an assigned task, has a fault or is being repaired. This makes it possible to adapt the reallocation to the respective operating states of the various robots in the common robot cell and to prevent the task from being assigned to a robot that is currently not suitable for processing the task.
  • a current status can be recorded for each task, which indicates whether this task is currently being processed, completed or not yet completed.
  • the reallocation in operation can be further optimized over time.
  • a device for the automated coordination of the activities of several robots, which carry out activities as a group in a common robot cell, comprises:
  • Means for optimizing the execution of the tasks not yet executed during the operation of the common robot cell taking into account the current robot cell state and the dependencies existing among the tasks.
  • the invention also includes a computer program with instructions that cause a device according to the invention to carry out the steps of the method according to the invention.
  • the invention also includes a multi-robot cell and a production plant with at least one multi-robot cell that is set up to carry out a method according to the invention or has a device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a flowchart of a method according to the invention
  • FIG. 3 schematically shows the execution of various tasks by the robots of FIG. 2 (A) according to the prior art and (B) according to the method of the invention.
  • FIG. 1 shows a flow chart of a method according to the invention.
  • the method can be used, for example, for automated coordination of the activities of multiple robots in a spot welding robot cell in automobile production, but is not limited to this.
  • a method step 11 the planned tasks to be performed by the robots of a common robot cell are recorded.
  • Another example of such dependencies is that a processing step of a workpiece can only take place after a previous processing step has been completed. It can also happen, for example, that robot A cannot perform task X while robot B is performing task Y, but it is also possible that robot A is performing task Y while robot B is performing task X.
  • the planned tasks are then assigned to the common robot cell.
  • optimal robot paths of the various robots are calculated and robot programs are generated accordingly, whereby optimization criteria such as path length, time and energy consumption can be used, to which different priorities can also be assigned.
  • robot tasks are not entered when they are assigned to an individual robot in the shared robot cell. Rather, the accessibility and feasibility for the various robots are first checked for each task and, based on this, a suitable algorithm is used to determine which task should ideally be performed by which of the various robots. here In particular, it is also determined which tasks can be performed by several robots in the common robot cell. In addition, the travel times of the various robots are recorded and combinations of tasks that could lead to a collision are identified. For this purpose, offline data with a 3D model can be pre-calculated, which indicate for a large number of simulated movements if a collision would occur during a movement in order to eliminate such movements leading to collisions by adapting the robot trajectories.
  • the planned tasks are then assigned to individual robots of the common robot cell only during operation of the common robot cell.
  • the best possible assignments of the individual tasks to the robots of the common robot cell can be calculated by a unit for automatic task planning on the basis of suitable methods of artificial intelligence and models of the recorded travel times.
  • the unit for automatic task planning can be trained by so-called reinforcement learning or Q-learning with the help of machine learning algorithms.
  • the current status of the joint robot cell is constantly monitored, for example to be able to automatically identify and react to faults.
  • instructions for executing the planned tasks are then transmitted to the individual robots of the common robot cell.
  • This can be done in particular by wireless communication.
  • radio technologies based on a WLAN or Bluetooth standard or a mobile radio standard, for example the fourth or fifth generation (4G or 5G for short) can be used.
  • Communication protocols such as OPC UA (“Open Platform Communications Unified Architecture”) or from the HoT (“Industrial Internet of Things”) area can be used for data exchange.
  • the current robot cell status is then recorded during the execution of the various tasks.
  • various data such as a fault, the current position of the various robots or the status of a task, can also be transmitted to the unit for automatic task planning via wireless communication.
  • the data can be recorded by the respective robots themselves and made available via interfaces or also recorded and evaluated by additional sensors, such as one or more 3D cameras in combination with suitable image processing and evaluation.
  • additional sensors such as one or more 3D cameras in combination with suitable image processing and evaluation.
  • the execution of the tasks that have not yet been executed is optimized, taking into account the current robot cell status and the dependencies existing among the tasks.
  • the robot cell status can include various parameters for the robots of the common robot cell, such as in particular the respective current position of the robot or of tools, grippers or other production equipment of the robot, the current task, the last task processed and/or the current operating status.
  • the current operational state of a robot may indicate whether that robot is currently idle, performing an assigned task, has a malfunction, or is under repair.
  • the robot cell status contains information for the tasks assigned to the robot cell, in particular the current status, which indicates whether this task is currently being processed by the robot cell, has been completed or has not yet been completed.
  • the unit for automatic task planning can react to unexpected events that are identified by evaluating the transmitted data. For example, if a robot in the common robot cell malfunctions, the most suitable robot can be selected to take over a task from the malfunctioning robot and the activity can be assigned to this robot. If there are only two robots in the shared robot cell, it is only necessary to check whether the other robot can take over the task of the faulty robot. If, on the other hand, more than two robots are arranged in the common robot cell, the task can also be taken over by more than one other robot, if necessary. In this case, it is then determined by which of the other robots the cycle time loss when taking over the task can be reduced as much as possible.
  • the task can also be provided that several tasks assigned to the malfunctioning robot are divided among several other functional robots in the common robot cell. If, on the other hand, the task cannot be taken over within the shared robot cell, for example because there is only one other functional robot in addition to the malfunctioning robot, but this robot cannot take over the task of the malfunctioning robot, it is also possible that the task can be carried out by a robot in an adjacent robot cell is taken over.
  • the optimization takes place in real time, taking into account parameters such as the cycle time and the required energy consumption, and is continued until the joint robot cell has finished processing.
  • machine learning algorithms can be used to optimize automatic task scheduling at runtime by assessing the quality of the automatically performed task assignments.
  • a robot cell is shown schematically in FIG. 2, in which the method according to the invention can be carried out.
  • This can be a welding robot cell, for example.
  • two robots R1 and R2 are shown, each of which can perform tasks on a component BT in a task area AB1 or AB2.
  • the robot cell can also consist of more than two robots. For example, five robots can be provided in the robot cell, four of which can carry out spot welding on a component and a fifth robot checks the quality of the spot welding carried out by these four robots.
  • the example shown shows a total of ten positions 0 to 9 for the tools or grippers of the two robots when performing the respective tasks, with robot 1 initially assuming the home position 0 and robot 2 assuming the home position 5 at the beginning.
  • Tasks 1, 2, 3, 4 and 8 can be performed on the component by robot 1, tasks 3, 6, 7, 8 and 9 by robot 2.
  • Tasks 3 and 8 can therefore be performed by robot 1 as well as by Robot 2 running.
  • this can mean, for example, that the two robots in the robot cell should carry out eight welding points at positions 1 to 4 and 6 to 9, with each of the two robots being able to weld five points and there being two points 3 and 8 , which can be welded by both robots.
  • the execution of the tasks by the two robots R1 and R2, for example the execution of the eight spot welds, is shown for methods according to the prior art in partial figure 3A.
  • first task 1 is performed on the component by robot R1 while at the same time task 6 is performed by robot R2 cannot be performed by robot R1.
  • robot R1 then performs task 2 and robot R2 performs task 7.
  • this delay can be significantly reduced, as can be seen in partial figure 3B.
  • task 1 is first performed in parallel by robot R1 and task 6 is performed by robot R2, and then task 2 is performed by robot R1 and task 7 is performed by robot R2 on the component.
  • robot R1 checks whether one or more of the tasks that have not yet been performed and that were originally assigned to robot R2 are also being performed by another robot in the robot cell, in this case robot R1 can be. It is then established that, as shown schematically in FIG. 2, tasks 3 and 8 can be carried out by both robots R1 and R2. In the present example, robot R1 can therefore take over task 8 from robot R2. This task 8 is now performed by robot R1 while robot R2 is disturbed. If, in the above example, robot R2 is initially unable to continue spot welding due to a failure of the welding tongs, this can be taken over by robot R1 for the jointly possible spot welds. Robot R1 then carries out the further tasks 3 and 4.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur automatisierten Koordinierung der Tätigkeiten von mehreren Robotern (R1, R2), die als Gruppe Tätigkeiten in einer gemeinsamen Roboterzelle durchführen, werden geplante Aufgaben (1 – 4, 6 - 9) der Roboter (R1, R2) der gemeinsamen Roboterzelle erfasst (1), wobei unter den Aufgaben (1 – 4, 6 - 9) Abhängigkeiten bestehen. Die geplanten Aufgaben (1 – 4, 6 - 9) werden an individuelle Roboter (R1, R2) der gemeinsamen Roboterzelle während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle zugewiesen (2). Es werden Anweisungen für die Ausführung der geplanten Aufgaben (1 – 4, 6 - 9) an die individuellen Roboter (R1, R2) der gemeinsamen Roboterzelle übertragen (3). Während der Ausführung der Aufgaben (1 – 4, 6 - 9) wird der Roboterzellenzustand erfasst (4). Die Ausführung der noch nicht ausgeführten Aufgaben (3, 4, 8, 9) wird während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle unter Berücksichtigung des aktuellen Roboterzellenzustands und den unter den Aufgaben bestehenden Abhängigkeiten optimiert (5).

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur automatisierten Koordinierung der Tätigkeiten von mehreren Robotern
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Koordinierung der Tätigkeiten von mehreren Robotern, das beispielsweise bei Multi-Roboterzellen für Produktionsanlagen im Karosseriebau eingesetzt werden kann, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Durch die Vielseitigkeit und Flexibilität von Industrierobotern sind diese heute insbesondere in der Fertigung weit verbreitet und führen dabei eine Vielzahl von Aufgaben aus. Diese Flexibilität kann beispielsweise genutzt werden, um Varianten desselben Bauteils oder sogar verschiedene Bauteile in derselben Roboterzelle, die dem Arbeitsbereich für einen Industrieroboter entspricht, herzustellen.
In einer Multi-Roboterzelle können an einem Bauteil von einer Gruppe aus mehreren Robotern verschiedene Arbeitsgänge gleichzeitig ausgeführt werden. Durch eine Programmierung der Multi-Roboterzelle bzw. der Roboter in dieser Multi-Roboterzelle werden die Arbeitsgänge so auf die Roboter verteilt, dass die Gesamtzeit für die Bearbeitung eines Bauteils möglichst gering ist, wobei berücksichtigt werden muss, dass die Roboter der Gruppe nicht miteinander oder mit dem Bauteil kollidieren. Auch wenn Multi-Roboterzellen in der Produktion üblicherweise digital angesteuert werden, so werden sie aber dennoch üblicherweise noch manuell programmiert. Hierbei handelt es sich um eine fehleranfällige und zeitaufwändige Aufgabe. Ferner können während des Betriebs der Multi-Roboterzelle in der Produktion Probleme auftreten, beispielsweise durch eine Störung an einem der Roboter wie den Ausfall eines Roboterwerkzeugs oder eine aus anderen Gründen durch den Roboter nicht zu erledigende Aufgabe. Solche unerwarteten Ereignisse können bei der Programmierung nur schwer berücksichtigt werden.
Tritt ein Problem bei einem Roboter der gemeinsamen Multi-Roboterzelle auf, so kann dieses dazu führen, dass dann auch die weiteren Roboter in der gemeinsamen Multi- Roboterzelle ihre Tätigkeiten so lange nicht fortsetzen können, bis die Störung behoben ist. Dieses kann insbesondere bei einer erforderlich gewordenen Reparatur eines Roboters zu einem längeren Stillstand der Produktion und damit einer Verringerung der Produktivität und entsprechender Erhöhung der Produktionskosten führen. Wenn es sich um größere und kostspielige Roboter handelt, die komplexe Tätigkeiten ausführen, kann dieses zu einer deutlichen Zeitverzögerung führen, insbesondere wenn für solche Fälle kein entsprechender Ersatzroboter vorgehalten wird. Hinzu kommt, dass sich mit zunehmender Anzahl von Robotern in der Multi-Roboterzelle, die gemeinsam an einem Bauteil arbeiten, auch die Wahrscheinlichkeit, dass einer dieser Roboter eine Störung hat, erhöht.
Die US 11,110,606 B2 offenbart ein Verfahren zur Koordinierung von Robotern innerhalb einer aus einer Gruppe von Robotern gebildeten Multi-Roboterzelle, die gemeinsam Arbeiten an einem Bauteil durchführen. Wird hierbei festgestellt, dass ein Roboter innerhalb der Gruppe nicht in der Lage ist, die Arbeit an dem Bauteil an einer ersten Stelle fortzusetzen, so wird dieser Roboter aus der Gruppe entfernt, während andere Roboter der Gruppe die Arbeit fortsetzen. Es wird dann ein funktionierender Roboter zu der Gruppe hinzugefügt, der daraufhin die Arbeit an dem Bauteil an einer zweiten Stelle aufnimmt. Dieses ermöglicht es den Robotern, nach einem vorgegebenen Zeitplan an dem Bauteil weiterzuarbeiten, so dass die Stillstandszeit reduziert und der Aufwand für die Prüfung der Kollisionsvermeidung verringert wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Koordinierung der Tätigkeiten von mehreren Robotern, die als Gruppe Tätigkeiten in einer gemeinsamen Roboterzelle durchführen, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur automatisierten Koordinierung der Tätigkeiten von mehreren Robotern, die als Gruppe Tätigkeiten in einer gemeinsamen Roboterzelle durchführen, werden geplante Aufgaben der Roboter der gemeinsamen Roboterzelle erfasst, wobei unter den Aufgaben Abhängigkeiten bestehen. Die geplanten Aufgaben werden während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle an individuelle Roboter der gemeinsamen Roboterzelle zugewiesen. Es werden Anweisungen für die Ausführung der geplanten Aufgaben an die individuellen Roboter der gemeinsamen Roboterzelle übertragen. Während der Ausführung der Aufgaben wird der Roboterzellenzustand erfasst. Die Ausführung der noch nicht ausgeführten Aufgaben wird während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle unter Berücksichtigung des aktuellen Roboterzellenzustands und den unter den Aufgaben bestehenden Abhängigkeiten optimiert.
Auf diese Weise wird die Flexibilität der Planung, Programmierung und Ausführung der Aufgaben während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle erhöht und die Abarbeitung von Aufgaben in der gemeinsamen Roboterzelle weiter optimiert. Ferner ermöglicht dieses, Produktionsanlagen mit Multi-Roboterzellen möglichst autonom und selbstadaptiv zu betreiben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann mindestens eine der Aufgaben von mehreren Robotern der gemeinsamen Roboterzelle ausgeführt werden, wobei eine Aufgabe, die ursprünglich einem ersten Roboter der gemeinsamen Roboterzelle, zugewiesen worden ist, im Rahmen der Optimierung der Ausführung der noch nicht ausgeführten Aufgaben einem zweiten Roboter der gemeinsamen Roboterzelle zugewiesen wird.
Durch diese Aufgabenreallokation während des Betriebs kann die Produktivität von Produktionsanlagen mit Multi-Roboterzellen weiter erhöht werden. Ebenso kann hierdurch ggfs. eine Reduzierung des Energieverbrauchs erreicht werden.
Insbesondere kann für den Fall, dass eine Störung des ersten Roboters identifiziert wird, die dazu führt, dass dieser erste Roboter eine zugeordnete Aufgabe nicht ausführen kann, als zweiter Roboter ein Roboter der gemeinsamen Roboterzelle ausgewählt werden, der für die Übernahme der Ausführung der dem ersten Roboter zugewiesenen Aufgabe geeignet ist, und die Aufgabe von dem zweiten Roboter ausgeführt.
Auf diese Weise kann auch im Störfall eine Produktionsanlage mit einer Multi-Roboterzelle Weiterbetrieben werden, so dass die Gefahr eines Stillstands der Produktion verringert bzw. Stillstandzeiten im Störfall reduziert werden.
Insbesondere kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Roboterzellenzustand für die Roboter der gemeinsamen Roboterzelle jeweils die aktuelle Position des Roboters oder von Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln des Roboters, die aktuelle Aufgabe, die letzte abgearbeitete Aufgabe und/oder den aktuellen Betriebszustand umfassen.
Durch die Berücksichtigung dieser Parameter kann die Aufgabenübernahme besonders gut auf die gemeinsame Roboterzelle und die Roboter dieser gemeinsamen Roboterzelle eingepasst werden.
Der aktuelle Betriebszustand eines Roboters kann hierbei insbesondere angeben, ob dieser Roboter aktuell frei ist, bei der Ausführung einer zugewiesenen Aufgabe ist, eine Störung aufweist oder in Reparatur ist. Dieses ermöglicht, die die Reallokation auf die jeweiligen Betriebszustände der verschiedenen Roboter der gemeinsamen Roboterzelle anzupassen und zu verhindern, dass die Aufgabe einem Roboter zugewiesen wird, der zur Abarbeitung der Aufgabe momentan nicht geeignet ist.
Weiterhin kann für jede Aufgabe ein aktueller Zustand erfasst werden, der angibt, ob diese Aufgabe aktuell in Bearbeitung, erledigt oder noch nicht erledigt ist.
Dieses ermöglicht, die die Reallokation im Betrieb auch in Bezug auf die der Roboterzelle zugeordneten Aufgaben zu optimieren.
Weiterhin kann erfasst werden, welche Zeit die individuellen Roboter bei Betrieb der gemeinsamen Roboterzelle für die Erledigung der verschiedenen Aufgaben benötigen und/oder wie häufig und unter welchen Bedingungen Störungen auftreten, wobei die Zuweisung der Aufgaben an individuelle Roboter der gemeinsamen Roboterzelle entsprechend angepasst wird.
Durch einen solchen Lernprozess kann die Reallokation im Betrieb im Laufe der Zeit weiter optimiert werden.
Ebenso kann basierend auf den erfassten Störungen prognostiziert werden, wann mit einer zukünftigen Störung eines Roboters zu rechnen ist, wobei die Zuweisung der Aufgaben entsprechend angepasst wird.
Dieses ermöglicht, bereits frühzeitig auf potentielle Störungen zu reagieren und damit gegebenenfalls eine Reallokation der Aufgaben vorzunehmen, noch bevor eine solche Störung auftritt.
Ebenso kann in einer Ausführungsform vorgesehen werden,, dass von einer Einheit zur Aufgabenplanung mittels drahtloser Funkübertragung Robotersteuercode mit Anweisungen für die Ausführung geplanter Aufgaben an die Roboter der gemeinsamen Roboterzelle übertragen werden und Daten zum Roboterzellenzustand mittels drahtloser Funkübertragung an die Einheit zur Aufgabenplanung übertragen werden.
Dieses gewährleistet eine möglichst hohe Flexibilität bei der Kommunikation mit den einzelnen Robotern der gemeinsamen Roboterzelle, was insbesondere bei Roboterzellen, die eine Vielzahl von Robotern umfassen oder bei Umbauten der Roboterzelle von Vorteil ist. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur automatisierten Koordinierung der Tätigkeiten von mehreren Robotern, die als Gruppe Tätigkeiten in einer gemeinsamen Roboterzelle durchführen, umfasst:
Mittel zum Erfassen geplanter Aufgaben der Roboter der gemeinsamen Roboterzelle, wobei unter den Aufgaben Abhängigkeiten bestehen;
Mittel zum Zuweisen der geplanten Aufgaben an individuelle Roboter der gemeinsamen Roboterzelle während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle;
Mittel zum Übertragen von Anweisungen für die Ausführung der geplanten Aufgaben an die individuellen Roboter der gemeinsamen Roboterzelle;
Mittel zum Erfassen des Roboterzellenzustands während der Ausführung der Aufgaben; und
Mittel zum Optimieren der Ausführung der noch nicht ausgeführten Aufgaben während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle unter Berücksichtigung des aktuellen Roboterzellenzustands und den unter den Aufgaben bestehenden Abhängigkeiten.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Instruktionen, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens veranlasst.
Schließlich umfasst die Erfindung auch eine Multi-Roboterzelle und eine Produktionsanlage mit mindestens einer Multi-Roboterzelle, die eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.
Fig. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 zeigt schematisch eine Multi-Roboterzelle mit zwei Robotern; und
Fig. 3 zeigt schematisch die Ausführung verschiedener Aufgaben durch die Roboter aus Fig. 2 (A) gemäß dem Stand der Technik und (B) gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.
Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren kann beispielsweise zur automatisierten Koordinierung der Tätigkeiten von mehreren Robotern einer Punktschweißroboterzelle in der Automobilproduktion eingesetzt werden, ist aber nicht darauf beschränkt.
In einem Verfahrensschritt 11 werden die geplanten Aufgaben, die durch die Roboter einer gemeinsamen Roboterzelle durchgeführt werden sollen, erfasst. Hierbei bestehen unter den einzelnen Aufgaben Abhängigkeiten. Diese können beispielsweise darin bestehen, dass für verschiedene Bearbeitungsschritte von dem jeweiligen Roboter bzw. Werkzeugen, Greifern oder anderen Fertigungsmitteln des Roboters jeweils die gleiche Position eingenommen werden muss und daher durch eine Bahnplanung Kollisionen vermieden werden müssen. Ein weiteres Beispiel für solche Abhängigkeiten besteht darin, dass ein Bearbeitungsschritt eines Werkstücks erst erfolgen kann, nachdem ein vorhergehender Bearbeitungsschritt abgeschlossen ist. Hierbei kann es beispielsweise auch auftreten, dass ein Roboter A eine Aufgabe X nicht ausführen kann, während Roboter B eine Aufgabe Y ausführt, es aber umgekehrt möglich ist, dass Roboter A Aufgabe Y erledigt, während Roboter B Aufgabe X durchführt.
In einem Verfahrensschritt 12 werden dann die geplanten Aufgaben der gemeinsamen Roboterzelle zugewiesen. Hierbei erfolgt insbesondere auch eine automatische und effiziente Planung von Roboterbahnen. Basierend auf dem Abbild der gemeinsamen Roboterzelle und den zu erledigenden Aufgaben werden hierfür optimale Roboterbahnen der verschiedenen Roboter berechnet und Roboterprogramme entsprechend erzeugt, wobei als Optimierungskriterien u.a. Streckenlänge, Zeit und Energieverbrauch herangezogen werden können, denen ferner verschiedene Prioritäten zugeordnet werden können.
Die Eingabe von Roboteraufgaben erfolgt hierbei nicht mit der Zuweisung zu einem individuellen Roboter der gemeinsamen Roboterzelle. Vielmehr werden für jede Aufgabe zunächst die Erreichbarkeit und Machbarkeit für die verschiedenen Roboter geprüft und basierend darauf mittels eines geeigneten Algorithmus ermittelt, welche Aufgabe optimalerweise durch welchen der verschiedenen Roboter erledigen werden sollte. Hierbei wird insbesondere auch ermittelt, welche Aufgaben von mehreren Robotern der gemeinsamen Roboterzelle getätigt werden können. Außerdem werden die Verfahrzeiten der verschiedenen Roboter aufgenommen und Kombinationen von Aufgaben identifiziert, die zu einer Kollision führen könnten. Hierfür können offline Daten mit einem 3D-Modell vorberechnet werden, die für eine große Anzahl von simulierten Bewegungen angeben, wenn bei einer Bewegung eine Kollision erfolgen würde, um durch eine Anpassung der Robotertrajektorien solche zu Kollisionen führende Bewegungen zu eliminieren.
Erst während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle werden dann die geplanten Aufgaben an individuelle Roboter der gemeinsamen Roboterzelle zugewiesen. Hierfür können von einer Einheit zur automatischen Aufgabenplanung auf Basis von geeigneten Verfahren der künstlichen Intelligenz und Modellen der aufgenommenen Verfahrzeiten möglichst optimale Zuweisungen der einzelnen Aufgaben an die Roboter der gemeinsamen Roboterzelle berechnet werden. So kann die Einheit zur automatischen Aufgabenplanung beispielsweise durch sogenanntes Reinforcement Learning bzw. Q-Learning mit Hilfe maschineller Lernalgorithmen trainiert werden. Ferner wird der aktuelle Zustand der gemeinsamen Roboterzelle permanent überwacht, um beispielsweise automatisch Störfälle identifizieren und darauf reagieren zu können.
Im darauffolgenden Verfahrensschritt 13 werden dann Anweisungen für die Ausführung der geplanten Aufgaben an die individuellen Roboter der gemeinsamen Roboterzelle übertragen. Dieses kann insbesondere durch eine drahtlose Kommunikation erfolgen. So können hierfür Funktechnologien gemäß einem WLAN- oder Bluetooth-Standard oder einem Mobilfunkstandard, beispielsweise der vierten oder fünften Generation (abgekürzt 4G oder 5G) eingesetzt werden. Für den Datenaustausch kann auf Kommunikationsprotokolle wie beispielsweise OPC UA („Open Platform Communications Unified Architecture“) oder aus dem Bereich HoT („Industrial Internet of Things“) zurückgegriffen werden.
In Verfahrensschritt 14 erfolgt dann während der Ausführung der verschiedenen Aufgaben eine Erfassung des jeweils aktuellen Roboterzellenzustands. Hierfür können ebenfalls über eine drahtlose Kommunikation diverse Daten, wie beispielsweise über eine Störung, die aktuelle Position der verschiedenen Roboter oder den Zustand einer Aufgabe an die Einheit zur automatischen Aufgabenplanung übermittelt werden. Die Daten können hierbei von den jeweiligen Robotern selbst erfasst und über Schnittstellen zur Verfügung gestellt werden oder aber ebenso durch zusätzliche Sensoren, wie beispielsweise eine oder mehrere 3D- Kameras in Kombination mit geeigneter Bildverarbeitung und -auswertung, erfasst und ausgewertet werden. Auf dieser Basis erfolgt während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle in Verfahrensschritt 15 eine Optimierung der Ausführung der noch nicht ausgeführten Aufgaben unter Berücksichtigung des aktuellen Roboterzellenzustands und den unter den Aufgaben bestehenden Abhängigkeiten.
Der Roboterzellenzustand kann hierbei diverse Parameter für die Roboter der gemeinsamen Roboterzelle umfassen, wie insbesondere die jeweilige aktuelle Position des Roboters oder von Werkzeugen, Greifern oder anderen Fertigungsmitteln des Roboters, die aktuelle Aufgabe, die letzte abgearbeitete Aufgabe und/oder den aktuellen Betriebszustand. Der aktuelle Betriebszustand eines Roboters kann insbesondere angeben, ob dieser Roboter aktuell frei ist, bei der Ausführung einer zugewiesenen Aufgabe ist, eine Störung aufweist oder in Reparatur ist. Weiterhin enthält der Roboterzellenzustand Informationen für die der Roboterzelle zugeordneten Aufgaben, insbesondere den aktuellen Zustand, der angibt, ob diese Aufgabe aktuell durch die Roboterzelle in Bearbeitung, erledigt oder noch nicht erledigt ist.
Hierbei kann die Einheit zur automatischen Aufgabenplanung auf unerwartete Ereignisse reagieren, die durch Auswertung der übermittelten Daten identifiziert werden. So kann beispielsweise bei einer Störung eines Roboters der gemeinsamen Roboterzelle der optimal geeignete Roboter für eine Übernahme einer Aufgabe des gestörten Roboters ausgewählt werden und die Tätigkeit diesem Roboter zugewiesen werden. Befinden sich nur zwei Roboter in der gemeinsamen Roboterzelle, so muss hierbei lediglich überprüft werden, ob der andere Roboter die Aufgabe des gestörten Roboters übernehmen kann. Sind dagegen in der gemeinsamen Roboterzelle mehr als zwei Roboter angeordnet, so kann gegebenenfalls die Aufgabe auch von mehr als einem anderen Roboter übernommen werden. In diesem Fall wird dann ermittelt, durch welchen der anderen Roboter der Taktzeitverlust bei der Übernahme der Aufgabe möglichst stark reduziert werden kann. Ebenso kann es in diesem Fall auch vorgesehen werden, dass mehrere dem gestörten Roboter zugeordnete Aufgaben auf mehrere weitere funktionstüchtige Roboter in der gemeinsamen Roboterzelle aufgeteilt werden. Kann dagegen die Aufgabenübernahme nicht innerhalb der gemeinsamen Roboterzelle erfolgen, beispielsweise weil zusätzlich zu dem gestörten Roboter nur ein weiterer funktionstüchtiger Roboter vorhanden ist, dieser aber die Aufgabe des gestörten Roboters nicht übernehmen kann, so ist es auch möglich, dass die Aufgabe durch einen Roboter in einer benachbarten Roboterzelle übernommen wird. Die Optimierung erfolgt hierbei in Echtzeit unter Berücksichtigung von Parametern wie der Taktzeit und dem erforderlichen Energieverbrauch und wird so lange fortgesetzt, bis die Bearbeitung durch die gemeinsame Roboterzelle beendet ist.
Wie bereits erwähnt, können maschinelle Lernalgorithmen eingesetzt werden, um die automatische Aufgabenplanung zur Laufzeit zu optimieren, indem die Güte der automatisch erfolgten Aufgabenzuweisungen bewertet wird. Darüber hinaus kann erlernt werden, wie oft verschiedene Ereignisse, wie insbesondere Störungen, jeweils auftreten und wie lang diese jeweils andauern. Basierend darauf und weiteren Informationen, wie beispielsweise dem Modell der Verfahrzeiten, kann dann eine automatische Anpassung der Entscheidungsfindung erfolgen.
In Figur 2 wird schematisch eine Roboterzelle gezeigt, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Schweißroboterzelle handeln. In dem dargestellten Beispiel sind zwei Roboter R1 und R2 gezeigt, die jeweils in einem Aufgabenbereich AB1 bzw. AB2 Aufgaben an einem Bauteil BT ausführen können. Auch wenn in dem dargestellten Beispiel lediglich zwei Roboter gezeigt sind, so kann die Roboterzelle aber auch aus mehr als zwei Robotern bestehen. So können beispielsweise in der Roboterzelle fünf Roboter vorgesehen sein, von denen vier Punktschweißungen an einem Bauteil vornehmen können und ein fünfter Roboter die Qualität der von diesen vier Robotern vorgenommenen Punktschweißungen überprüft.
In dem dargestellten Beispiel sind insgesamt zehn Positionen 0 bis 9 für die Werkzeuge bzw. Greifer der beiden Roboter bei Erfüllung der jeweiligen Aufgaben wiedergegeben, wobei Roboter 1 zu Beginn die Grundstellungsposition 0 und Roboter 2 zu Beginn die Grundstellungsposition 5 einnimmt. An dem Bauteil können von Roboter 1 die Aufgaben 1 , 2, 3, 4 und 8 ausgeführt werden, von Roboter 2 die Aufgaben 3, 6, 7, 8 und 9. Die Aufgaben 3 und 8 können damit sowohl von Roboter 1 als auch von Roboter 2 ausgeführt werden. Für das oben genannte Beispiel einer Schweißroboterzelle kann dieses beispielsweise bedeuten, dass die beiden Roboter der Roboterzelle acht Schweißpunkte an den Positionen 1 bis 4 und 6 bis 9 ausführen sollen, wobei jeder der beiden Roboter fünf Punkte schweißen kann und es zwei Punkte 3 und 8 gibt, die von beiden Robotern geschweißt werden können.
Die Ausführung der Aufgaben durch die beiden Roboter R1 und R2, beispielsweise die Ausführung der acht Punktschweißungen, ist für Verfahren gemäß dem Stand der Technik in Teilfigur 3A dargestellt. In diesem Fall wird zunächst durch den Roboter R1 die erste Aufgabe 1 am Bauteil ausgeführt während zeitgleich von dem Roboter R2 die Aufgabe 6, die nicht durch Roboter R1 ausgeführt werden kann, durchgeführt wird. Nach der parallelen Ausführung dieser beiden Aufgaben durch die beiden Roboter R1 und R2 erledigt Roboter R1 als nächstes Aufgabe 2 und Roboter R2 die Aufgabe 7. Tritt nun bei Roboter R2 eine Störung auf, die dazu führt, dass die diesem Roboter zugewiesenen Aufgaben erst dann wieder erledigt werden können, wenn die Störung durch eine Reparatur oder einen Ersatz von Teilen des Roboters R2 oder einen Ersatz des kompletten Roboters R2 behoben worden ist, so kann es zu einer deutlichen Verzögerung AtisT gegenüber der Taktzeit t bei einem störungsfreien Betrieb kommen.
So kann beispielsweise der Ausfall der Schweißzange von Roboter R2 während oder unmittelbar nach Ausführung der Punktschweißung 7 dazu führen, dass die Punktschweißungen 8 und 9 erst nach einem Ersatz der Schweißzange ausgeführt werden können
Erfindungsgemäß kann diese Verzögerung deutlich verringert werden, wie in Teilfigur 3B ersichtlich ist. Auch hier wird zunächst parallel durch den Roboter R1 die Aufgabe 1 und durch Roboter R2 die Aufgabe 6 und dann durch Roboter R1 die Aufgabe 2 und durch Roboter R2 die Aufgabe 7 am Bauteil ausgeführt.
Tritt nun wieder bei Roboter R2 eine Störung auf, so wird erfindungsgemäß überprüft, ob eine oder mehrere der noch nicht ausgeführten Aufgaben, die ursprünglich Roboter R2 zugeordnet worden sind, auch durch einen anderen Roboter in der Roboterzelle, im vorliegenden Fall dem Roboter R1, ausgeführt werden kann. Hierbei wird dann festgestellt, dass wie in Figur 2 schematisch dargestellt, die Aufgaben 3 und 8 von beiden Roboter R1 und R2 ausgeführt werden können. Im vorliegenden Beispiel kann daher Roboter R1 die Aufgabe 8 von Roboter R2 übernehmen. Diese Aufgabe 8 wird nun von Roboter R1 während der Störung von Roboter R2 ausgeführt. Wenn also in dem oben genannten Beispiel aufgrund eines Ausfalls der Schweißzange Roboter R2 Punktschweißungen zunächst nicht weiter durchführen kann, kann dieses für die gemeinsam möglichen Punktschweißungen von Roboter R1 übernommen werden. Im Anschluss erledigt Roboter R1 dann die weiteren Aufgaben 3 und 4. Nachdem die Störung von Roboter R2 behoben worden ist, kann dieser dann die noch verbleibende, ihm zugeordnete Aufgabe 9 erledigen. Insgesamt wird damit für die Erledigung der neuen Aufgaben durch Roboter R1 zwar immer noch ein zusätzlicher Zeitaufwand AtsoLL gegenüber der Taktzeit t für einen störungsfreien Betrieb benötigt, gegenüber dem Verfahren aus Teilfigur 3A wird der Taktzeitverlust jedoch deutlich um die Zeitspanne tred reduziert. Bezugszeichenliste
11 - 15 Verfahrensschritte
R1 Roboter
R2 Roboter
0 Grundstellung Roboter R1
5 Grundstellung Roboter R2
AB1 Aufgabenbereich Roboter R1
AB2 Aufgabenbereich Roboter R2
1 - 4, 6 - 9 Roboteraufgaben
BT Bauteil

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur automatisierten Koordinierung der Tätigkeiten von mehreren Robotern (R1, R2), die als Gruppe Tätigkeiten in einer gemeinsamen Roboterzelle durchführen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Erfassen (1) geplanter Aufgaben (1 - 4, 6 - 9) der Roboter (R1 , R2) der gemeinsamen Roboterzelle, wobei unter den Aufgaben (1 - 4, 6 - 9) Abhängigkeiten bestehen;
Zuweisen (2) der geplanten Aufgaben (1 - 4, 6 - 9) an individuelle Roboter (R1 , R2) der gemeinsamen Roboterzelle während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle;
Übertragen (3) von Anweisungen für die Ausführung der geplanten Aufgaben (1 - 4, 6 - 9) an die individuellen Roboter (R1, R2) der gemeinsamen Roboterzelle; Erfassen (4) des Roboterzellenzustands während der Ausführung der Aufgaben (1 - 4, 6 - 9); und
Optimieren (5) der Ausführung der noch nicht ausgeführten Aufgaben (3, 4, 8, 9) während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle unter Berücksichtigung des aktuellen Roboterzellenzustands und den unter den Aufgaben bestehenden Abhängigkeiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei mindestens eine der Aufgaben (3, 8) von mehreren Robotern (R1, R2) der gemeinsamen Roboterzelle ausgeführt werden kann und eine Aufgabe, die ursprünglich einem ersten Roboter (R2) der gemeinsamen Roboterzelle, zugewiesen worden ist, im Rahmen der Optimierung der Ausführung der noch nicht ausgeführten Aufgaben einem zweiten Roboter (R1) der gemeinsamen Roboterzelle zugewiesen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Störung des ersten Roboters (R2) identifiziert wird, die dazu führt, dass dieser erste Roboter (R2) eine zugeordnete Aufgabe nicht ausführen kann; als zweiter Roboter (R1) ein Roboter der gemeinsamen Roboterzelle ausgewählt wird, der für die Übernahme der Ausführung der dem ersten Roboter (R2) zugewiesenen Aufgabe geeignet ist, und die Aufgabe von dem zweiten Roboter (R1) ausgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Roboterzellenzustand für die Roboter (R1 , R2) der gemeinsamen Roboterzelle jeweils die aktuelle Position des Roboters oder von Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln des Roboters, die aktuelle Aufgabe, die letzte abgearbeitete Aufgabe und/oder den aktuellen Betriebszustand umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der aktuelle Betriebszustand eines Roboters (R1, R2) angibt, ob dieser Roboter aktuell frei ist, bei der Ausführung einer zugewiesenen Aufgabe ist, eine Störung aufweist oder in Reparatur ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jede Aufgabe ein aktueller Zustand erfasst wird, der angibt, ob diese Aufgabe aktuell in Bearbeitung, erledigt oder noch nicht erledigt ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei erfasst wird, welche Zeit die individuellen Roboter (R1 , R2) bei Betrieb der gemeinsamen Roboterzelle für die Erledigung der verschiedenen Aufgaben benötigen und/oder wie häufig und unter welchen Bedingungen Störungen auftreten, und; die Zuweisung der Aufgaben an individuelle Roboter (R1 , R2) der gemeinsamen Roboterzelle entsprechend angepasst wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei basierend auf den erfassten Störungen prognostiziert wird, wann mit einer zukünftigen Störung eines Roboters (R1 , R2) zu rechnen ist und die Zuweisung der Aufgaben entsprechend angepasst wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von einer Einheit zur Aufgabenplanung mittels drahtloser Funkübertragung Robotersteuercode mit Anweisungen für die Ausführung geplanter Aufgaben an die Roboter (R1, R2) der gemeinsamen Roboterzelle übertragen werden und Daten zum Roboterzellenzustand mittels drahtloser Funkübertragung an die Einheit zur Aufgabenplanung übertragen werden.
10. Vorrichtung zur automatisierten Koordinierung der Tätigkeiten von mehreren Robotern (R1, R2), die als Gruppe Tätigkeiten in einer gemeinsamen Roboterzelle durchführen, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
Mittel zum Erfassen geplanter Aufgaben der Roboter der gemeinsamen Roboterzelle, wobei unter den Aufgaben Abhängigkeiten bestehen; Mittel zum Zuweisen der geplanten Aufgaben an individuelle Roboter der gemeinsamen Roboterzelle während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle;
Mittel zum Übertragen von Anweisungen für die Ausführung der geplanten Aufgaben an die individuellen Roboter der gemeinsamen Roboterzelle;
Mittel zum Erfassen des Roboterzellenzustands während der Ausführung der Aufgaben; und
Mittel zum Optimieren der Ausführung der noch nicht ausgeführten Aufgaben während des Betriebs der gemeinsamen Roboterzelle unter Berücksichtigung des aktuellen Roboterzellenzustands und den unter den Aufgaben bestehenden Abhängigkeiten.
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