EP4602388A1 - Sensormodul für ein mobiles robotersystem, mobiles robotersystem mit einem solchen sensormodul und verfahren zum betreiben des sensormoduls - Google Patents

Sensormodul für ein mobiles robotersystem, mobiles robotersystem mit einem solchen sensormodul und verfahren zum betreiben des sensormoduls

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EP4602388A1
EP4602388A1 EP23783322.3A EP23783322A EP4602388A1 EP 4602388 A1 EP4602388 A1 EP 4602388A1 EP 23783322 A EP23783322 A EP 23783322A EP 4602388 A1 EP4602388 A1 EP 4602388A1
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EP
European Patent Office
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sensor module
mobile robot
robot system
sensor
data
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Application number
EP23783322.3A
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Malte SPRINGER
Dhruvin Rajendra DOSHI
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Definitions

  • Sensor module for a mobile robot system mobile robot system with such a sensor module and method for operating the sensor module
  • the present invention relates to a sensor module for a mobile robot system and a mobile robot system with such a sensor module, which can be provided in particular for object transport.
  • the present invention further relates to a method for operating the sensor module.
  • the autonomous mobile robots can be equipped with various sensors for detecting the environment, such as one or more CMOS or CCD cameras, lidar, radar and/or ultrasonic sensors.
  • sensors for detecting the environment such as one or more CMOS or CCD cameras, lidar, radar and/or ultrasonic sensors.
  • One or more of these sensors can then also be arranged in a common sensor module, which can also have a computing unit for processing the recorded sensor data.
  • a sensor module can be permanently mounted on the respective robot. and supplied with electrical energy via a stationary power connection.
  • the invention is based on the knowledge that the detection range of a sensor module for detecting the environment during a transport task of a mobile robot system can be impaired by the object to be transported.
  • the object to be transported can be located in front of an environment camera of the mobile robot in such a way that the environment behind the object to be transported is partially or completely obscured.
  • attempts can be made to prevent this based on the known object shapes of the transport objects when designing the autonomous mobile robot by appropriately arranging the sensors on the autonomous mobile robot, this will not always be possible and thus limits the potential applications of the autonomous mobile robot.
  • new, unexpected object designs and object sizes of the transport objects can arise, which can lead to an impairment of the sensors. This can result in navigation of the autonomous mobile robot and thus safe autonomous travel not being possible or having to be aborted.
  • the sensor module according to the invention for a mobile robot system by making it portable and comprising the following components: one or more connections by means of which the sensor module can be mounted both on the mobile robot system and on an object to be transported by the mobile robot system; and at least one sensor by means of which the environment of the mobile robot system is detected, wherein the evaluation of the sensor data generated thereby enables the determination of the relative position of the sensor module with respect to the mobile robot system and/or the detection of a change in the relative position.
  • the arrangement of the sensor module can be dynamically adapted to the object geometry of the transport object without any noticeable effort.
  • the application area of an autonomous mobile robot equipped with such a sensor module is hardly limited by the object to be transported, so that it offers greater flexibility for object transport.
  • the sensor module is configured to detect first data with the at least one sensor when the sensor module is in a first position; to detect second data with the at least one sensor when the sensor module is in a second position after repositioning; and to supply the first and second data to an evaluation for determining the relative position and/or change in the relative position.
  • An advantage of this embodiment is that it is particularly easy to implement, since one or more image sensors for detecting the environment are already present.
  • the sensor module is configured with at least one inertial sensor to acquire inertial sensor data as soon as the sensor module mounted on the mobile robot system or the object to be transported is dismantled; to acquire when the sensor module has been repositioned; to stop the acquisition of the inertial sensor data; to determine the movement path of the sensor module from the acquired inertial sensor data; and to supply the position of the sensor module before dismantling and the determined movement path to an evaluation to determine the relative position and/or change in the relative position.
  • the sensor module is configured to detect when the sensor module has been repositioned; to detect sensor data with the at least one sensor; and to supply the detected sensor data to an evaluation for determining the relative position and/or change in the relative position, in which the detected sensor data are compared with data from a previously generated digital map of the environment of the mobile robot system.
  • a position can be determined even if the surroundings were not detected before the sensor module was repositioned.
  • the acquisition of the sensor data is controlled depending on this.
  • the sensor module advantageously comprises a communication unit for wireless communication with the mobile robot system. This ensures that the sensor data can be transmitted instantly even if the sensor module is not connected to the mobile robot system.
  • the sensor module comprises an evaluation unit with which the evaluation of the sensor data takes place, wherein the new position of the sensor module determined with the evaluation unit is then transmitted to the mobile robot system by means of the communication unit.
  • the recorded sensor data are transmitted to the mobile robot system by means of the communication unit and then evaluated by an evaluation unit of the mobile robot system.
  • the sensor module for detecting the environment of the mobile robot system comprises a camera and/or a LiDAR sensor and/or a radar sensor and/or an ultrasonic sensor.
  • the sensor module can advantageously comprise a compass sensor for detecting the mounting angle.
  • the invention also includes a mobile robot system that comprises a portable sensor module according to one of the preceding claims and a navigation unit for autonomous navigation, wherein the determined relative position of the sensor module with respect to the mobile robot system and/or the change in the relative position is taken into account in the navigation unit when determining the position of the mobile robot system.
  • Fig. 1 shows a portable sensor module according to the invention, mounted on a mobile robot system or on a transport object (B) located on the mobile robot system;
  • Fig. 3 shows, for a first embodiment, schematically the position determination of the sensor module (A) and method steps carried out for this purpose (B);
  • Fig. 4 shows, for a second embodiment, schematically the position determination of the sensor module (A) and method steps carried out for this purpose (B);
  • Fig. 5 shows schematically for a third embodiment the position determination of the sensor module (A) as well as method steps carried out for this purpose (B).
  • Fig. 6 shows schematically the joint operating principle of a mobile robot system and sensor module when mounted on the mobile robot system
  • FIG 1 shows a mobile robot system R with a portable sensor module SM according to the invention.
  • the sensor module SM contains various components, in particular one or more environmental sensors for detecting the environment of the mobile robot system, For the sake of clarity, only one sensor S is shown as an example in the figure.
  • the environmental sensors are used in particular to detect obstacles in order to be able to adapt the route of the mobile robot system or to stop the mobile robot system if a collision is imminent.
  • the obstacles can be, for example, objects on the route, buildings, or other mobile robot systems. Curbs or larger uneven surfaces can also be detected and, if necessary, overcome in combination with an active chassis.
  • the computing unit RR is set up to control the active chassis of the mobile robot system depending on the recorded sensor data on the environment of the mobile robot system and the information on the route.
  • the mobile robot system has wheels that can be driven by direct current motors, for example.
  • all four wheels are driven individually, but it is also possible for only some of the wheels to be driven.
  • all or only some of the wheels can be steered in order to be able to adjust the direction of travel.
  • a larger number of wheels or a drive with chains or legs can be provided, which can be particularly advantageous if the mobility platform should also be able to overcome curbs, steps or larger uneven floors.
  • the mobile robot system R comprises, among other things, a navigation unit (not shown) which calculates the route to be covered by the mobile robot system based on electronic maps and position information provided, for example, by an integrated GPS receiver.
  • Figure 1B shows the mobile robot system R with a transport object T on it, schematically represented by several barrels on a transport pallet.
  • the transport pallet shields the area provided for receiving the sensor module in the mobile robot system in such a way that the sensor module can no longer be operated without errors. For this reason, according to the invention, the sensor module is now dismantled from the mobile robot system before the transport pallet is positioned on the mobile robot system.
  • connection unit A2 can now be mounted on a transport object, in this case on the barrel at the front in the direction of travel, so that the surroundings of the mobile robot system can again be detected without errors by the sensor module SM.
  • the connection unit A2 is designed in such a way that it allows installation on any surface, but electrical contacts do not have to be provided in the connection unit A2.
  • the sensor module can thus be operated while it is on the transport object using a battery unit integrated in the sensor module; in this case, data transmission to the mobile robot system can take place via wireless communication, for example via Bluetooth, WLAN or mobile communications.
  • Radar sensors that are based on emitting a radar wave and evaluating the echo are also well suited. Finally, the use of acoustic methods based on ultrasonic waves is also possible. If several sensors are used simultaneously in the sensor module These can also be based on different methods. In addition, depending on the design, the sensor module can also contain an inertial sensor for detecting the movement of the sensor module and a compass sensor.
  • a battery unit SB is also provided in the sensor module for an independent power supply when the sensor module is mounted on the transport object.
  • This battery unit can be charged via electrical contacts as long as the sensor module is mounted on the mobile robot system. It can also be provided to provide a separate charger for this purpose.
  • connection unit A1 is intended for mounting on the mobile robot system, connection unit A2 for mounting on a transport object. In principle, however, it is also conceivable to integrate the two connection units A1 and A2 into a common connection unit.

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Abstract

Ein Sensormodul (SM) für ein mobiles Robotersystem (R) ist portabel ausgestaltet. Das Sensormodul (SM) umfasst einen oder mehrere Anschlüsse (A1, A2), mittels der das Sensormodul (SM) sowohl an dem mobilen Robotersystem (R) als auch an einem durch das mobile Robotersystem zu transportierenden Objekt (T) montiert werden kann. Das Sensormodul (SM) umfasst ferner mindestens einen Sensor (S), mittels dem die Umgebung des mobilen Robotersystem erfasst wird, wobei die Auswertung der dabei erzeugten Sensordaten die Ermittlung der relativen Position des Sensormoduls (SM) in Bezug auf das mobile Robotersystem und/oder die Ermittlung einer Veränderung der relativen Position ermöglicht.

Description

Beschreibung
Sensormodul für ein mobiles Robotersystem, mobiles Robotersystem mit einem solchen Sensormodul und Verfahren zum Betreiben des Sensormoduls
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensormodul für ein mobiles Robotersystem und ein mobiles Robotersystem mit einem solchen Sensormodul, welches insbesondere zum Objekttransport vorgesehen sein kann. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben des Sensormoduls.
Für autonome mobile Roboter gibt es eine Vielzahl von Anwendungsbereichen. So gibt es beispielsweise im Bereich der Logistik für selbstfahrende Transportroboter unterschiedliche Konzepte, die eine selbstständige Lieferung von Waren an einen vorbestimmten Bestimmungsort, sei es in einer Logistik- oder Produktionshalle oder auch beim Endkonsumenten, ermöglichen. Ein mobiles Robotersystem mit einer Mobilitätsplattform zum Transport austauschbarer Module ist beispielsweise in der DE 102017210 584 A1 offenbart. Das dort beschriebene Robotersystem umfasst eine Mobilitätsplattform zum Transport austauschbarer Module, bei dem ein Elektropermanentmagnet zur Kopplung von der Mobilitätsplattform mit einem austauschbaren Modul vorgesehen ist. Ebenso gibt es Konzepte für Parkroboter mit einer Plattform für den Transport von Fahrzeugen, bei denen das Fahrzeug am Eingang eines Parkhauses vom Fahrer und an den Passagieren verlassen und den Parkroboter übergeben werden. Der Parkroboter steuert dann einen freien Stellplatz an, an dem er das Fahrzeug ablädt.
Für solche Transportaufgaben ist eine genaue Bahnplanung des autonomen mobilen Roboters von grundlegender Bedeutung. Dieses wiederum erfordert eine möglichst exakte Erfassung des aktuellen Umfelds des autonomen mobilen Roboters, da dieser nur so in der Lage ist, durch seine Umgebung zu navigieren und dabei Hindernisse zu erkennen und Zusammenstöße mit diesen Hindernissen zu vermeiden. Hierfür können die autonomen mobilen Roboter mit verschiedenen Sensoren zur Umfelderfassung, wie einer oder mehreren CMOS- oder CCD- Kameras, Lidar-, Radar- und oder auch Ultraschallsensoren ausgestattet sein. Einer oder mehrere dieser Sensoren können dann auch in einem gemeinsamen Sensormodul angeordnet werden, das zusätzlich auch eine Recheneinheit für die Datenverarbeitung der erfassten Sensordaten aufweisen kann. Ein solches Sensormodul kann auf dem jeweiligen Roboter fest montiert werden und von diesem über einen stationären Stromanschluss mit elektrischer Energie versorgt werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Sensormodul für ein mobiles Robotersystem, ein mobiles Robotersystem mit einem solchen Sensormodul und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensormoduls zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Sensormodul für ein mobiles Robotersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein mobiles Robotersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Erfassungsbereich eines Sensormoduls zur Umfelderfassung bei einer Transportaufgabe eines mobilen Robotersystems durch das zu transportierende Objekt beeinträchtigt werden kann. So kann sich beispielsweise das zu transportierende Objekt so vor einer Umfeldkamera des mobilen Roboters befinden, dass das hinter dem zu transportieren Objekt befindliche Umfeld teilweise oder auch völlig verdeckt wird. Auch wenn zwar versucht werden kann, dieses ausgehend von den bekannten Objektformen der Transportobjekte bei der Konstruktion des autonomen mobilen Roboters durch geeignete Anordnung der Sensoren an dem autonomen mobilen Roboter zu verhindern, wird dieses aber nicht immer möglich sein und schränkt so die potentiellen Einsatzmöglichkeiten des autonomen mobilen Roboters ein. Ferner können auch nach Inverkehrbringen des autonomen mobilen Roboters neue, unerwartete Objektgestaltungen und Objektgrößen der Transportobjekte auftreten, die zu einer Beeinträchtigung der Sensoren führen können. Dieses kann zur Folge haben, dass eine Navigation des autonomen mobilen Roboters und damit eine sichere autonome Fahrt nicht möglich ist oder abgebrochen werden muss.
Diese Nachteile können bei dem erfindungsgemäßen Sensormodul für ein mobiles Robotersystem vermieden werden, indem dieses portabel ausgestaltet ist und folgende Komponenten umfasst: einen oder mehrere Anschlüsse, mittels der das Sensormodul sowohl an dem mobilen Robotersystem als auch an einem durch das mobile Robotersystem zu transportierenden Objekt montiert werden kann; und mindestens einen Sensor, mittels dem die Umgebung des mobilen Robotersystem erfasst wird, wobei die Auswertung der dabei erzeugten Sensordaten die Ermittlung der relativen Position des Sensormoduls in Bezug auf das mobile Robotersystem und/oder die Ermittlung einer Veränderung der relativen Position ermöglicht.
Auf diese Weise kann die Anordnung des Sensormodul ohne merklichen Aufwand dynamisch an die Objektgeometrie des Transportobjekts angepasst werden. Der Anwendungsbereich eines mit einem solchen Sensormodul versehenen autonomen mobilen Roboters wird so kaum noch durch das zu transportierende Objekt eingeschränkt, so dass dieser eine höhere Flexibilität für den Objekttransport bietet.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Sensormodul eingerichtet mit dem mindestens einen Sensor erste Daten zu erfassen, wenn sich das Sensormodul in einer ersten Position befindet; mit dem mindestens einen Sensor zweite Daten zu erfassen, wenn sich das Sensormodul nach einer Umpositionierung in einer zweiten Position befindet; und die ersten und zweiten Daten einer Auswertung zur Ermittlung der relativen Position und/oder Veränderung der relativen Position zuzuführen.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass diese besonders einfach zu implementieren ist, da eine oder mehrere Bildsensoren zur Erfassung des Umfelds ohnehin vorhanden sind.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist das Sensormodul eingerichtet mit mindestens einem Inertialsensor Inertialsensordaten zu erfassen, sobald das an dem mobilen Robotersystem oder dem zu transportierenden Objekt montierte Sensormodul demontiert wird; zu erfassen, wenn das Sensormodul neu positioniert worden ist; die Erfassung der Inertialsensordaten zu stoppen; den Bewegungspfad des Sensormoduls aus den erfassten Inertialsensordaten zu ermitteln; und die Position des Sensormoduls vor der Demontage und der ermittelte Bewegungspfad einer Auswertung zur Ermittlung der relativen Position und/oder Veränderung der relativen Position zuzuführen.
Dieses ermöglicht die Positionserfassung auch dann, wenn beispielsweise eine Erfassung mit bildgebenden Verfahren aufgrund der Umfeldbedingungen schwierig ist oder gestört wird oder in dem Umfeld keinerlei geeignete Struktur erkennbar ist, die für eine Erkennung einer Positionsänderung ausgewertet werden kann. Gemäß einer dritten Ausführungsform ist das Sensormodul eingerichtet zu erfassen, wenn das Sensormodul neu positioniert worden ist; mit dem mindestens einen Sensor Sensordaten zu erfassen; und die erfassten Sensordaten einer Auswertung zur Ermittlung der relativen Position und/oder Veränderung der relativen Position zuzuführen, bei der die erfassten Sensordaten mit Daten einer zuvor generierten digitalen Karte des Umfelds des mobilen Robotersystems verglichen werden.
Auf diese Weise kann beispielsweise auch dann eine Positionsermittlung erfolgen, wenn vor der Umpositionierung der Sensormoduls keine Erfassung des Umfelds erfolgt ist.
Vorzugsweise wird hierbei erfasst, wenn ein Anschluss des Sensormoduls von dem mobilen Robotersystem oder dem zu transportierenden Objekt gelöst wird oder ein zuvor gelöster Anschluss nach einer Umpositionierung mit dem zu transportierenden Objekt oder dem mobilen Robotersystem verbunden wird; und in Abhängigkeit davon die Erfassung der Sensordaten gesteuert.
Vorteilhafterweise umfasst das Sensormodul eine Kommunikationseinheit zur drahtlosen Kommunikation mit dem mobilen Robotersystem. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine Übertragung der Sensordaten auch dann instantan erfolgen kann, wenn das Sensormodul nicht mit dem mobilen Robotersystem verbunden ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Sensormodul eine Auswerteeinheit, mit welcher die Auswertung der Sensordaten erfolgt, wobei die mit der Auswerteeinheit ermittelte neue Position des Sensormoduls dann mittels der Kommunikationseinheit an das mobile Robotersystem übertragen wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die erfassten Sensordaten mittels der Kommunikationseinheit an das mobile Robotersystem übertragen und dann durch eine Auswerteeinheit des mobilen Robotersystem ausgewertet werden.
Vorzugsweise umfasst das Sensormodul zur Erfassung der Umgebung des mobilen Robotersystem eine Kamera und/oder einen LiDAR-Sensor und/oder einen Radarsensor und/oder einen Ultraschallsensor. Ebenso kann das Sensormodul vorteilhafterweise zur Erfassung des Montagewinkels einen Kompasssensor umfassen.
Weiterhin kann das Sensormodul vorteilhafterweise zusätzlich eine oder mehrere der folgenden folgende Komponenten umfassen: eine Batterieeinheit zur Energieversorgung des Sensormoduls, wenn das Sensormodul nicht an dem mobilen Robotersystem montiert ist; eine Justiereinheit zur Feinpositionierung und/oder Feinausrichtung des Sensormoduls.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind bei dem Sensormodul ein erster Anschluss, mittels dem das Sensormodul an das mobile Robotersystem montiert werden kann, und ein zweiter Anschluss, mittels dem das Sensormodul an einem zu transportierenden Objekt montiert werden kann, vorgesehen.
Hierbei weist der erste Anschluss vorteilhafterweise zusätzlich eine elektrische Kontaktierung für eine Batterieeinheit des Sensormoduls und/oder zur Datenübertragung auf.
Die Erfindung umfasst auch ein mobiles Robotersystem, dass ein portables Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Navigationseinheit zur autonomen Navigation umfasst, wobei in der Navigationseinheit die ermittelte relative Position des Sensormoduls in Bezug auf das mobile Robotersystem und/oder die Veränderung der relativen Position bei der Positionsbestimmung des mobilen Robotersystem berücksichtigt wird.
Ferner umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines portablen Sensormoduls, wobei mittels mindestens einem Sensor des portablen Sensormoduls die Umgebung des mobilen Robotersystem erfasst wird und die Auswertung der dabei erzeugten Sensordaten die Ermittlung der relativen Position des Sensormoduls in Bezug auf das mobile Robotersystem und/oder eine Veränderung der relativen Position ermöglicht.
Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Computerprogramm mit Instruktionen zur Ausführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich. Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes portables Sensormodul, montiert an einem mobilen Robotersystem oder an einem auf dem mobilen Robotersystem befindlichen Transportobjekt (B);
Fig. 2 zeigt schematisch Komponentenstruktur eines erfindungsgemäßen Sensormoduls;
Fig. 3 zeigt für eine erste Ausführungsform schematisch die Positionsermittlung des Sensormoduls (A) sowie dafür durchgeführte Verfahrensschritte (B);
Fig. 4 zeigt für eine zweite Ausführungsform schematisch die Positionsermittlung des Sensormoduls (A) sowie dafür durchgeführte Verfahrensschritte (B);
Fig. 5 zeigt für eine dritte Ausführungsform schematisch die Positionsermittlung des Sensormoduls (A) sowie dafür durchgeführte Verfahrensschritte (B).
Fig. 6 zeigt schematisch das gemeinsame Funktionsprinzip von einem mobilen Robotersystem und Sensormodul, wenn dieses auf dem mobilen Robotersystem montiert ist;
Fig. 7 zeigt schematisch das gemeinsame Funktionsprinzip von einem mobilen Robotersystem und Sensormodul, wenn dieses auf einem Objekt montiert ist; und
Fig. 8 zeigt unterschiedliche Montagepositionen des Sensormoduls auf dem mobilen Robotersystem (A), sowie zwei Beispiele für ein mobiles Robotersystem mit mehreren Sensormodulen (B).
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 mobiles Robotersystem R mit einem erfindungsgemäßen portablen Sensormodul SM. Das Sensormodul SM enthält verschiedene Komponenten, insbesondere einen oder mehrere Umfeldsensoren zur Erfassung des Umfelds des mobilen Robotersystems, von denen in der Figur der Übersichtlichkeit halber jedoch lediglich exemplarisch ein Sensor S dargestellt ist. Die Umfeldsensoren dienen hierbei insbesondere der Hinderniserkennung, um die Fahrtroute des mobilen Robotersystems anpassen zu können bzw. das mobile Robotersystem bei einer drohenden Kollision zu stoppen. Bei den Hindernissen kann es sich beispielsweise um auf der Fahrtroute befindliche Gegenstände, Gebäude, oder aber auch andere mobile Robotersysteme handeln. Ebenso können Bordsteine oder größere Bodenunebenheiten erkannt und gegebenenfalls in Kombination mit einem aktiven Fahrwerk überwunden werden.
In Figur 1A ist das Sensormodul mittels einer Anschlusseinheit A1 mit dem mobilen Robotersystem R mechanisch und elektrisch verbunden. Dieser Anschluss ist hierbei so ausgestaltet, dass er einerseits eine einfache Montierbarkeit ermöglicht, andererseits aber gewährleistet, dass das Sensormodul sowohl auf dem mobilen Robotersystem R als auch auf dem einem zu transportierenden Objekt stabil montiert werden kann. Ferner sind elektronische Kontakte vorgesehen, mittels der das Sensormodul mit einer Batterie RB des mobilen Robotersystems verbunden werden kann, um eine Batterie im Sensormodul hierüber aufladen zu können. Ebenso ist ein elektrischer Anschluss zur Datenübertragung vorhergesehen, mittels dem beispielsweise Sensordaten von dem Sensormodul an eine Recheneinheit RR des mobilen Robotersystems übertragen werden können.
Weiterhin ist die Recheneinheit RR eingerichtet, das aktive Fahrwerk des mobilen Robotersystems in Abhängigkeit von den erfassten Sensordaten zum Umfeld des mobilen Robotersystems und den Informationen zur Fahrtroute anzusteuern. Im dargestellten Beispiel weist das mobile Robotersystem Räder auf, die beispielsweise durch Gleichstrommotoren angetrieben werden können. Hierbei werden vorzugsweise alle vier Räder einzeln angetrieben, es ist aber ebenso möglich, dass nur ein Teil der Räder angetrieben wird. Ebenso können alle oder auch nur ein Teil der Räder lenkbar sein, umso die Fahrtrichtung anpassen zu können. Statt vier Rädern kann auch eine größere Anzahl von Rädern oder ein Antrieb mit Ketten oder Beinen vorgesehen sein, was insbesondere von Vorteil sein kann, wenn die Mobilitätsplattform in der Lage sein soll, auch Bordsteine, Stufen oder größere Bodenunebenheiten zu überwinden.
Ferner weist das mobile Robotersystem R unter anderem eine nicht dargestellte Navigationseinheit auf, die beruhend auf elektronischen Karten und Positionsinformationen, die beispielsweise von einem integrierten GPS-Empfänger geliefert werden, die von dem mobilen Robotersystem zurückzulegende Route berechnet. Figur 1B zeigt das mobile Robotersystem R mit einem darauf befindlichen Transportobjekt T, schematisch dargestellt durch mehrere auf einer Transportpalette befindlichen Fässer. Hierbei wird durch die Transportpalette der Bereich, der für die Aufnahme des Sensormoduls in dem mobilen Robotersystem vorgesehen ist, so abgeschirmt, dass das Sensormodul nicht mehr fehlerfrei betrieben werden kann. Aus diesem Grund wird nun erfindungsgemäß das Sensormodul von dem mobilen Robotersystem demontiert, bevor die Transportpalette auf dem mobilen Robotersystem positioniert wird. Eine geeignete Anschlusseinheit A2 kann nun so an einem Transportobjekt, in diesem Fall an dem in Fahrtrichtung vordersten Fass, montiert werden, dass das Umfeld des mobilen Robotersystems durch das Sensormodul SM wieder fehlerfrei erfasst werden kann. Die Anschlusseinheit A2 ist hierbei so ausgestaltet, dass sie eine Montage auf beliebigen Flächen ermöglicht, elektrische Kontakte müssen in der Anschlusseinheit A2 dagegen nicht vorgesehen sein. So kann das Sensormodul, während es sich an dem Transportobjekt befindet, mittels einer in dem Sensormodul integrierten Batterieeinheit betrieben werden, die Datenübertragung zu dem mobilen Robotersystem kann in diesem Fall durch kabellose Kommunikation, beispielsweise mittels Bluetooth, WLAN oder Mobilfunk erfolgen.
Figur 2 zeigt schematisch die Komponentenstruktur eines erfindungsgemäßen Sensormodul. Von den dargestellten Komponenten sind einige lediglich optional, ebenso kann das Sensormodul aber auch noch weitere, nicht dargestellte Komponenten enthalten.
Das Sensormodul SM umfasst insbesondere die Sensorik S mit einem oder mehreren Sensoren zur Erfassung des Umfelds des mobilen Robotersystems. Hierfür kommen verschiedene Sensortypen in Betracht. Es können optische Verfahren eingesetzt werden, die auf einer Bilderfassung durch Kameras im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich beruhen. Hierbei können neben Mono- auch Stereokameras eingesetzt werden, die zusätzlich eine Tiefeninformation liefern. Ebenso erlauben TOF-Kameras mit einem Laufzeitverfahren (englisch: time of flight), bei dem für jeden Bildpunkt die Zeit, die das Licht eines Lichtpulses bis zum Objekt und wieder zurück braucht, gemessen wird, für jeden Bildpunkt die Entfernung des darauf abgebildeten Objektes zu bestimmen. Eine Bilderfassung mittels einer Kamera ermöglicht hierbei ggfs. durch Verfahren der Bildanalyse und Bilderkennung auch eine Erkennung der erfassten Objekte. Weiterhin kann mit einem Laserstrahl ein relevanter Bereich abgescannt oder mit einem Lidarverfahren abgetastet werden. Gut geeignet sind auch Radarsensoren, die auf dem Aussenden einer Radarwelle und dem Auswerten des Echos beruhen. Schließlich ist auch der Einsatz von akustischen Verfahren basierend auf Ultraschallwellen möglich. Wenn in dem Sensormodul mehrere Sensoren gleichzeitig verwendet werden, können diese auch auf unterschiedlichen Verfahren beruhen. Zusätzlich können in dem Sensormodul, je nach Ausführungsform, auch ein Inertialsensor zur Erfassung der Bewegung des Sensormoduls sowie ein Kompasssensor vorgesehen sein.
Ebenso umfasst das Sensormodul eine Recheneinheit SR, die beispielsweise einen Mikroprozessor, einen elektronischen Speicher und eine oder mehrere elektrische Schnittstellen aufweisen kann. Insbesondere kann durch die Recheneinheit SR auch eine Auswerteeinheit implementiert sein, mit der die erfassten Sensordaten verarbeitet werden können. Eine Kommunikationseinheit K ermöglicht den Datenaustausch des Sensormoduls mit dem mobilen Robotersystem. Die Kommunikation kann kabelgebunden erfolgen, wenn das Sensormodul an dem mobilen Robotersystem montiert ist, bei Montage des Sensormoduls auf dem Transportobjekt dagegen ist eine kabellose Kommunikation erforderlich.
Ebenso ist in dem Sensormodul eine Batterieeinheit SB für eine unabhängige Stromversorgung vorgesehen, wenn das Sensormodul auf dem Transportobjekt montiert ist. Diese Batterieeinheit kann über elektrische Kontakte geladen werden, solange das Sensormodul auf dem mobilen Robotersystem montiert ist. Ebenso kann auch vorgesehen sein, hierfür ein separates Ladegerät vorzusehen.
Weiterhin weist das Sensormodul die bereits oben erwähnten Anschlusseinheiten A1 und A2 auf. Anschlusseinheit A1 ist hierbei für die Montage an dem mobilen Robotersystem vorgesehen, Anschlusseinheit A2 für die Montage an einem Transportobjekt. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, die beiden Anschlusseinheiten A1 und A2 in einer gemeinsamen Anschlusseinheit zu integrieren.
Eine optionale Justiereinheit J kann zur Feinpositionierung und/oder Feinausrichtung des Sensormoduls vorgesehen sein. Schließlich kann bei dem Sensormodul eine Anzeigeeinheit A, beispielsweise mittels einer oder mehrerer LEDs oder einem LCD-Display, vorgesehen sein, mit der Status-Meldungen an einen Nutzer des mobilen Robotersystems ausgegeben werden können.
Für die Bahnplanung und Navigation ist eine Transformation zwischen einem Koordinatensystem des mobilen Robotersystems und dem Koordinatensystem des Sensormoduls erforderlich, um die Position des Sensormoduls in Bezug auf das mobile Robotersystem zu ermitteln. Diese muss nach einer Umpositionierung des Sensormoduls aktualisiert bzw. neu kalibriert werden. Hierfür werden in den Figuren 3 bis 5 drei verschiedene Ausführungsformen erläutert.
Bei einer ersten Ausführungsform werden hierbei, wie in Figur 3A schematisch dargestellt, mit dem Sensormodul zwei Datensätze zum Roboterumfeld erfasst und direkt verglichen. Hierbei können die Datensätze Daten unterschiedlichster Art enthalten, welche das Roboterumfeld in geeigneter Weise widerspiegeln. Im Folgenden wird exemplarisch von Bilddaten ausgegangen, die beispielsweise mit einer herkömmlichen Kamera erfasst werden. Es können aber ebenso Bilddaten eines Ultraschall- oder Radarsensors oder auch zwei Lidar-Scans (2D oder 3D) erfasst werden, um durch ein Registrierungsverfahren die Positionsänderung zu bestimmen. Dieses erfolgt sowohl, wenn das Sensormodul auf dem Roboter montiert ist, als auch, wenn sich das Sensormodul auf einem Transportobjekt befindet, welches in Figur 3A aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Im Einzelnen erfolgen hierbei die folgenden in Figur 3B dargestellten Verfahrensschritte.
Zunächst werden in einem Schritt 31 Bilddaten für einen Bereich B durch einen im Sensormodul integrierten Sensor, beispielsweise eine Kamera, erfasst. Dieses kann von einem Nutzer des mobilen Robotersystems initiiert werden. So kann beispielsweise ein Nutzer des mobilen Robotersystems durch ein manuelles Bedienelement oder eine Spracheingabe einen Bedienbefehl für das Erfassen der Bilddaten geben. Ebenso kann die Erfassung aber auch automatisch erfolgen, wenn erfasst wird, dass der Anschluss des Sensormoduls gelöst wird, um das Sensormodul umzupositionieren. In Schritt 32 wird dann erfasst, wenn sich das Sensormodul nach einer Umpositionierung in einer zweiten Position befindet. Auch hierfür kann eine manuelle Eingabe des Nutzers erfolgen oder automatisch detektiert werden, wenn das Sensormodul nach der Umpositionierung mit einem der Anschlüsse an dem zu transportierenden Objekt oder dem mobilen Robotersystem montiert wird.
In Schritt 33 werden dann mit dem gleichen Sensor an der neuen Position des Sensormoduls erneut Bilddaten für den Bereich B erfasst. Die in der ursprünglichen Position und der neuen Position erfassten Bilddaten werden dann in Schritt 34 zur Ermittlung der relativen Position und/oder Veränderung der relativen Position verglichen. Im darauffolgenden Schritt 35 wird basierend darauf die neue Position des Sensormoduls ermittelt. Hierbei wird auf ein vordefiniertes festes Koordinatensystem K1 des mobilen Robotersystems und das durch die Position des Sensormoduls bei Montage an dem mobilen Robotersystem definierte Koordinatensystem K2 zurückgegriffen. Durch die Auswertung der Bilddaten kann die Position des Koordinatensystems K3 des Sensormoduls an der neuen Position in Bezug auf die ursprüngliche Position des Sensormoduls ermittelt werden, woraus sich dann die Position dieses Koordinatensystem K3 in Bezug auf das Koordinatensystem K1 des mobilen Robotersystems ergibt. In Schritt 36 wird die neue Position an das mobile Robotersystem übertragen und steht dann dort für die Bahnplanung und Navigation zur Verfügung.
Bei einer zweiten Ausführungsform wird, wie in Figur 4A schematisch dargestellt, zur Ermittlung der Positionsänderung ein Bewegungspfad des Sensormoduls ermittelt.
Hierfür ist ein in dem Sensormodul integrierter Inertialsensor besonders geeignet. Mit diesem werden gemäß dem Verfahren in Figur 4B in einem Schritt 41 fortlaufend Inertialsensordaten erfasst, sobald das an dem mobilen Robotersystem oder dem zu transportierenden Objekt montierte Sensormodul demontiert wird. In Schritt 42 wird dann, entsprechend Schritt 32 bei der ersten Ausführungsform, erfasst, wenn das Sensormodul neu positioniert worden ist und in Schritt 43 die Erfassung der Inertialsensordaten beendet. Daraufhin wir dann in Schritt 44 aus den erfassten Inertialsensordaten der Bewegungspfad des Sensormoduls und daraus die aktuelle Position des Sensormoduls ermittelt, um diese dann in Schritt 45 an das mobile Robotersystem zu übertragen und dort zu aktualisieren. Die Ermittlung des Bewegungspfads des Sensormoduls kann anstatt mit einem Inertialsensor aber auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise indem fortlaufend Bilddaten einer Kamera oder eines anderen geeigneten Sensors erfasst und ausgewertet werden.
Bei einer dritten Ausführungsform werden, wie in Figur 5A schematisch dargestellt, zur Ermittlung der Positionsänderung mit dem Sensormodul erfasste Sensordaten mit Daten einer zuvor generierten digitalen Karte des Umfelds des mobile Robotersystem verglichen.
Hierbei wird gemäß dem Verfahren in Figur 5B in einem Schritt 51 zunächst eine initiale 3D- Karte der Umgebung des mobilen Robotersystems erfasst und abgespeichert, um auf diese dann später für die Ermittlung der aktuellen Position des Sensormoduls zurückgreifen zu können. Nachdem in Schritt 52 erfasst worden ist, dass das Sensormodul neu positioniert worden ist, wird in Schritt 53 das aktuelle Umfeld des mobilen Robotersystems mit einem Sensor des Sensormoduls erfasst. Daraufhin werden dann in Schritt 54 die aktuell erfassten Sensordaten mit den in der 3D-Karte vorliegenden Daten verglichen, um basierend darauf im darauffolgenden Schritt 55 die Transformation des Koordinatensystems des Sensormoduls und damit dessen neue Position zu ermitteln. Diese wird dann wiederum in Schritt 56 an das mobile Robotersystem übertragen und dort aktualisiert. Auch wenn die in den Figuren 3 bis 5 dargestellten Ausführungsformen separat beschrieben worden sind, kann ferner auch eine Kombination der beschriebenen Verfahren vorgesehen werden. So kann beispielsweise die Positionsermittlung basierend auf dem Vergleich mit einer digitalen Karte mit einer Nutzung von Inertialsensordaten kombiniert werden.
Die Figuren 6 und 7 zeigen schematisch das Funktionsprinzip für das von dem mobilen Robotersystem und dem portablen Sensormodul gebildeten Gesamtsystems. Die einzelnen Komponenten des Sensormoduls SM entsprechen hierbei den in Figur 2 gezeigten Komponenten, von dem mobilen Roboter sind, wie in Figur 1A, lediglich die Batterieeinheit RB und die Recheneinheit RR dargestellt. In den Darstellungen sind Ladevorgänge mit einer gestrichelten Linie ( — ), die Stromversorgung der Komponenten durch eine durchgezogene Linie ( - — ) und der Datenaustausch zwischen verschiedenen Komponenten mit einer gepunkteten Linie ( ■ ■ ■ ) gekennzeichnet.
Figur 6 zeigt schematisch das Funktionsprinzip, wenn das Sensormodul SM auf dem mobilen Robotersystem R montiert ist. Mittels der Batterieeinheit RB des mobilen Robotersystems wird über die Anschlusseinheit A1 die Batterie SB des Sensormoduls geladen. Ebenso wird über den Anschluss A1 ein Datenaustausch zwischen der Recheneinheit RR des mobilen Robotersystems und der Recheneinheit SR des Sensormoduls ermöglicht. Die Recheneinheit des Sensormoduls kann dann insbesondere die Sensorik ansteuern und Daten von der Sensorik empfangen. Ebenso kann die Recheneinheit des Sensormoduls aber auch mit anderen Komponenten des Sensormoduls Daten austauschen, exemplarisch angedeutet ist hier eine Datenausgabe über die Anzeigeeinheit A. Die Batterie des Sensormoduls versorgt die anderen Komponenten des Sensormoduls, wobei in dem dargestellten Beispiel von einer rein mechanischen Justiereinheit J ausgegangen wird, die keinerlei Stromversorgung benötigt.
Figur 7 zeigt schematisch das Funktionsprinzip, wenn das Sensormodul SM über die Anschlusseinheit A2 auf einem Transportobjekt T montiert ist. Die Stromversorgung der Einzelkomponenten des Sensormoduls erfolgt weiterhin über die Batterie SB des Sensormoduls, wobei die Batterie nun nicht mehr über die Anschlusseinheit A1 von der Batterieeinheit RB des mobilen Robotersystems geladen werden kann. Ebenso kann der Datenaustausch zwischen der Recheneinheit des mobilen Robotersystems RR und der Recheneinheit des Sensormoduls SR nun nicht mehr über den Anschluss A1 erfolgen, sondern erfolgt stattdessen kabellos über die Kommunikationseinheit K des Sensormoduls. Das Sensormodul kann hierbei an verschiedenen Bereichen des mobilen Robotersystems montiert werden. Dieses ist in Figur 8A anhand acht möglicher Positionen schematisch wiedergegeben. Ferner können, auch wenn in den obigen Ausführungsbeispielen jeweils nur ein erfindungsgemäßes Sensormodul eingesetzt wurde, ebenso auch mehrere solcher portablen Sensormodule SM1 , SM2, SM3 gleichzeitig auf dem mobilen Robotersystem montiert und zusammen verwendet werden, wie in Figur 8B dargestellt. Von diesen Sensormodulen können dann, wie oben beschrieben, eine oder mehrere von dem mobilen Robotersystem demontiert und an einem oder mehreren Transportobjekten montiert werden.
Ferner wird das erfindungsgemäße Sensormodul in den dargestellten Beispielen für ein mobiles Robotersystem mit Transportaufgaben verwendet, ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern kann ebenso auch für mobile Robotersysteme mit anderen Anwendungsbereichen, wie zum Beispiel im Bereich der Inspektions-, Reinigungs- oder Servicerobotik verwendet werden.
Bezugszeichenliste
R Mobiles Robotersystem
RR Recheneinheit des mobilen Robotersystems
RB Batterie des mobilen Robotersystems
SM, SM1 , SM2, SM3 Sensormodul
S Sensor
A1 , A2 Anschlusseinheit
A Anzeigeeinheit
K Kommunikationseinheit
SR Recheneinheit des Sensormoduls
J Justiereinheit
SB Batterie des Sensormoduls
B erfasster Bereich des Roboterumfelds
31 - 36 Verfahrensschritte erste Ausführungsform der Positionsermittlung des Sensormoduls
41 - 45 Verfahrensschritte zweite Ausführungsform der Positionsermittlung des Sensormoduls
51 - 56 Verfahrensschritte dritte Ausführungsform der Positionsermittlung des Sensormoduls

Claims

Patentansprüche Sensormodul (SM) für ein mobiles Robotersystem (R), welches portabel ausgestaltet ist und folgende Komponenten umfasst: einen oder mehrere Anschlüsse (A1, A2), mittels der das Sensormodul (SM) sowohl an dem mobilen Robotersystem (R) als auch an einem durch das mobile Robotersystem zu transportierenden Objekt (T) montiert werden kann; und mindestens einen Sensor (S), mittels dem die Umgebung des mobilen Robotersystem erfasst wird, wobei die Auswertung der dabei erzeugten Sensordaten die Ermittlung der relativen Position des Sensormoduls (SM) in Bezug auf das mobile Robotersystem und/oder die Ermittlung einer Veränderung der relativen Position ermöglicht. Sensormodul nach Anspruch 1 , das eingerichtet ist, mit dem mindestens einen Sensor (S) erste Daten zu erfassen (31), wenn sich das Sensormodul (SM) in einer ersten Position befindet; mit dem mindestens einen Sensor (S) zweite Daten zu erfassen (33), wenn sich das Sensormodul (SM) nach einer Umpositionierung in einer zweiten Position befindet; und die ersten und zweiten Daten einer Auswertung zur Ermittlung (35) der relativen Position und/oder Veränderung der relativen Position zuzuführen. Sensormodul nach Anspruch 1 , das eingerichtet ist, mit mindestens einem Inertialsensor Inertialsensordaten zu erfassen (41), sobald das an dem mobilen Robotersystem oder dem zu transportierenden Objekt montierte Sensormodul (SM) demontiert wird; zu erfassen, wenn das Sensormodul (SM) neu positioniert (42) worden ist; die Erfassung der Inertialsensordaten zu stoppen (43); den Bewegungspfad des Sensormoduls (SM) aus den erfassten Inertialsensordaten zu ermitteln (44); und die Position des Sensormoduls (SM) vor der Demontage und der ermittelte Bewegungspfad einer Auswertung zur Ermittlung der relativen Position und/oder Veränderung der relativen Position zuzuführen. Sensormodul nach Anspruch 1 , das eingerichtet ist, zu erfassen (52), wenn das Sensormodul (SM) neu positioniert worden ist; mit dem mindestens einen Sensor (S) Sensordaten zu erfassen (53); und die erfassten Sensordaten einer Auswertung zur Ermittlung der relativen Position und/oder Veränderung der relativen Position zuzuführen, bei der die erfassten Sensordaten mit Daten einer zuvor generierten digitalen Karte des Umfelds des mobilen Robotersystems verglichen (54) werden. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei erfasst wird, wenn ein Anschluss (A1 , A2) des Sensormoduls (SM) von dem mobilen Robotersystem (R) oder dem zu transportierenden Objekt (T) gelöst wird oder ein zuvor gelöster Anschluss nach einer Umpositionierung mit dem zu transportierenden Objekt (T) oder dem mobilen Robotersystem (R) verbunden wird; und in Abhängigkeit davon die Erfassung der Sensordaten gesteuert wird. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Kommunikationseinheit (K) zur drahtlosen Kommunikation mit dem mobilen Robotersystem umfasst. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Auswerteeinheit, mit welcher die Auswertung der Sensordaten erfolgt, umfasst, wobei die mit der Auswerteeinheit ermittelte neue Position des Sensormoduls mittels der Kommunikationseinheit (K) an das mobile Robotersystem übertragen wird. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erfassten Sensordaten mittels der Kommunikationseinheit (K) an das mobile Robotersystem (R) übertragen werden und durch eine Auswerteeinheit des mobilen Robotersystem ausgewertet werden. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieses zur Erfassung der Umgebung des mobilen Robotersystem eine Kamera und/oder einen LiDAR-Sensor und/oder einen Radarsensor und/oder einen Ultraschallsensor umfasst. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieses zur Erfassung des Montagewinkels einen Kompasssensor umfasst. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieses zusätzlich eine oder mehrere der folgenden folgende Komponenten umfasst: eine Batterieeinheit zur Energieversorgung des Sensormoduls, wenn das Sensormodul nicht an dem mobilen Robotersystem montiert ist; eine Justiereinheit (J) zur Feinpositionierung und/oder Feinausrichtung des Sensormoduls. Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster Anschluss (A1), mittels dem das Sensormodul an das mobile Robotersystem montiert werden kann, und ein zweiter Anschluss (A2), mittels dem das Sensormodul an einem zu transportierenden Objekt montiert werden kann, vorgesehen sind. Sensormodul nach Anspruch 12, wobei der erste Anschluss (A1) zusätzlich eine elektrische Kontaktierung für eine Batterieeinheit des Sensormoduls und/oder zur Datenübertragung aufweist. Mobiles Robotersystem (R), dass ein portables Sensormodul (SM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Navigationseinheit zur autonomen Navigation umfasst, wobei in der Navigationseinheit die ermittelte relative Position des Sensormoduls in Bezug auf das mobile Robotersystem und/oder die Veränderung der relativen Position bei der Positionsbestimmung des mobilen Robotersystem berücksichtigt wird. Verfahren zum Betreiben eines portablen Sensormoduls, wobei mittels mindestens einem Sensor des portablen Sensormoduls die Umgebung des mobilen Robotersystem erfasst wird und die Auswertung der dabei erzeugten Sensordaten die Ermittlung der relativen Position des Sensormoduls in Bezug auf das mobile Robotersystem und/oder eine Veränderung der relativen Position ermöglicht.
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