ES2900472T3 - Procedimiento y disposición para posicionar de manera muy exacta un dispositivo de interacción robotizado por medio de radar - Google Patents

Procedimiento y disposición para posicionar de manera muy exacta un dispositivo de interacción robotizado por medio de radar Download PDF

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Abstract

Procedimiento para posicionar un dispositivo de interacción robotizado con respecto a un objeto, en el que - varias antenas de radar (5) se integran en el dispositivo de interacción o se montan sobre el dispositivo de interacción de modo que se puede explorar, como mínimo, una zona de un espacio de interacción del dispositivo de interacción con las antenas de radar (5), - las antenas de radar (5) se controlan para emitir y recibir señales de radar, - se determinan una o varias distancias de las antenas de radar (5) al objeto (7) a partir de las señales de radar recibidas y se genera una imagen 3D de una escena captada con las antenas de radar (5), y - las distancias determinadas a partir de las señales de radar recibidas y la imagen 3D generada se transmiten como datos a un control de robot que posiciona el dispositivo de interacción con respecto al objeto (7) basándose en estos datos, caracterizado por que al utilizar una herramienta de agarre de varios miembros como dispositivo de interacción se integra o se monta, como mínimo, una antena de radar (5) en cada o sobre cada uno de los miembros (1, 2) que se pueden mover relativamente entre sí de la herramienta de agarre y se determina respectivamente la distancia de cada miembro (1, 2) al objeto (7) a partir de las señales de radar recibidas.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y disposición para posicionar de manera muy exacta un dispositivo de interacción robotizado por medio de radar
Sector de aplicación técnico
La presente invención se refiere a un procedimiento para posicionar un dispositivo de interacción robotizado con respecto a un objeto, en el que varias antenas de radar se integran en el dispositivo de interacción o se montan sobre el dispositivo de interacción, de modo que con las antenas de radar, como mínimo, se puede explorar una zona de un espacio de interacción del dispositivo de interacción. La presente invención se refiere también a una disposición para realizar el procedimiento propuesto.
En la robótica, uno de los objetivos más importantes consiste en el agarre automático o la recepción de un objeto con una herramienta de agarre. En esta operación, el posicionamiento muy exacto de la herramienta de agarre con respecto al objeto desempeña un papel esencial. Para poder alcanzar esta exactitud de posición, son necesarios a su vez sensores muy precisos. Esto es válido a menudo también para otros dispositivos de interacción, por ejemplo para procesar de manera robotizada un objeto.
Además, existe la necesidad de acercar el dispositivo de interacción sin colisiones al objeto. Para ello es muy importante también el conocimiento del entorno directo del dispositivo de interacción en la navegación o posicionamiento de este dispositivo de interacción.
Estado de la técnica
Un procedimiento y un dispositivo para posicionar de manera muy exacta una herramienta robotizada se conocen, por ejemplo, por el documento de Patente DE 102012208252 A1. En este procedimiento se crea un modelo mecánico virtual del equipo que comprende en este caso varios robots conectados entre sí. Se captan las posiciones articuladas de las articulaciones de robot y se calcula una desviación entre una posición teórica y una posición real de la herramienta robotizada considerando el modelo mecánico virtual del equipo. Basándose en la desviación de posición calculada se corrige entonces de manera correspondiente la posición de la herramienta.
Por el documento de Patente DE 19541880 A1 se conocen un dispositivo y un procedimiento para extraer partes con sistemas robóticos o de manipulación estacionarios de portadores de piezas móviles. En el procedimiento se mide el alejamiento al objeto para un movimiento lineal de herramienta de agarre con un sensor adecuado para la medición de alejamiento, para deducir la aproximación de la herramienta de agarre al objeto a partir del mismo. Como ejemplos de técnicas adecuadas para la medición de alejamiento sin contacto se menciona en este caso entre otros también el radar.
El documento de Patente DE 102007045381 A1 describe un sistema y un procedimiento para captar y/o reconocer objetos en procesos de producción y fabricación asistidos por robot. En este sistema se disponen varios sensores de radar sobre una cadena de producción, en la que se mueven los objetos, que captan en base a radar la posición y la ubicación respectivas de los objetos y suministran los datos obtenidos al dispositivo de control del robot. La interacción con los objetos tiene lugar entonces basándose en estos datos. Se propone también obtener una imagen 3D de la escena con el objeto respectivo, con los sensores de radar.
La Patente US 2015/0032252 A1 describe un procedimiento así como un sistema para coger y depositar mercancía con ayuda de un robot móvil. El robot presenta un brazo de agarre móvil con un efector de extremo que se controla mediante uno o varios sensores. Para el ajuste preciso del efector de extremo, un sensor puede estar montado también directamente en el efector de extremo. Como ejemplos de sensores se mencionan cámaras con sensor de profundidad 3D, cámaras de color y de blanco y negro, dispositivos de medición de alejamiento por láser, dispositivos de sonar y dispositivos de radar.
El documento de Patente DE 102005000732 A1 describe un sistema de localización basado en radio, que se basa en varios transpondedores estacionarios, con cuya ayuda se puede captar la posición de un elemento móvil, por ejemplo del elemento de agarre de un brazo de robot. El elemento de agarre se puede posicionar entonces basándose en estos datos. Para mejorar la exactitud de posicionamiento, un radar secundario está montado en el elemento de agarre del brazo de robot, con el que se determina la posición del transpondedor a través de una formación de imágenes de radar.
Por el documento de Patente DE 10 2008 041 602 A1 se conoce un brazo de robot de varios miembros que presenta sensores de distancia en varios miembros.
El objetivo de la presente invención consiste en indicar un procedimiento y una disposición para posicionar un dispositivo de interacción robotizado, que posibilite un posicionamiento muy exacto con respecto a un objeto y que se pueda utilizar en casi cualquier entorno sin modificaciones en el lugar de utilización respectivo.
Representación de la invención
El objetivo se alcanza con el procedimiento y la disposición, según las reivindicaciones 1 y 6. Configuraciones ventajosas del procedimiento así como de la disposición son objeto de las reivindicaciones dependientes o se pueden extraer de la siguiente descripción así como del ejemplo de realización.
En el procedimiento propuesto, varias antenas de radar están integradas en el dispositivo de interacción o montadas sobre el dispositivo de interacción de modo que se puede explorar, como mínimo, una zona de un espacio de interacción del dispositivo de interacción con las antenas de radar. Las antenas de radar se integran en este caso en cada elemento móvil o rígido del dispositivo de interacción o se montan sobre aquel elemento que es importante para el posicionamiento. Cada una de estas antenas de radar presenta una posición definida en el dispositivo de interacción así como una característica de radiación definida, de modo que se conocen las relaciones geométricas de la posición de antena e iluminación de la escena para cada antena de radar. Las antenas de radar se controlan mediante una electrónica adecuada para emitir y recibir señales de radar. A partir de las señales de radar recibidas, para cada antena de radar se determina un alejamiento o una distancia a un objeto que se encuentra en el espacio de interacción y se genera una imagen 3D de la escena captada con las antenas de radar. Debido a la posición y característica conocidas de las antenas de radar, a partir de los datos captados se conoce la ubicación y la orientación espaciales del dispositivo de interacción con respecto al objeto con mucha exactitud y se utilizan para el posicionamiento muy exacto del dispositivo de interacción. La electrónica puede estar agrupada en este caso en una unidad de electrónica individual o estar distribuida también en varias unidades de electrónica. La electrónica transmite los datos determinados al control de robot. Según el tipo del robot, mediante el control de robot se controlan, por ejemplo, el brazo de robot y también el movimiento de los miembros individuales de la herramienta de agarre de varios miembros utilizada como dispositivo de interacción.
Para captar la(s) distancia(s) así como una imagen 3D se pueden elegir distintos modos de funcionamiento de radar que se pueden utilizar según las condiciones generales de la medición. De este modo, cada antena de radar puede emitir de manera continua (Onda continua, Continuous Wave, CW) con una frecuencia individual por antena de radar. Además, se puede utilizar un procedimiento de varias longitudes de onda, en el que se emiten de manera continua varias longitudes de onda individuales por antena de radar (Onda continua modulada, Multiple Continuous Wave, MCW). Existe también la posibilidad de una emisión continua con modulación en frecuencia por antena de radar (Onda continua modulada en frecuencia, Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) o la utilización de la técnica de multiplexación en tiempo de las señales de emisión. Se pueden utilizar también formas de frecuencia de emisión ortogonales para hacer funcionar en paralelo las antenas de emisión y recepción. Para mejorar adicionalmente la determinación de exactitud de posición y/o la interacción de entorno, se pueden combinar también estos modos de funcionamiento de radar.
Para el funcionamiento de las antenas de radar para la determinación muy exacta de distancia entre las antenas de radar y el objeto, se utiliza un radar que se basa en tecnología de alta frecuencia en el rango de los centímetros, los milímetros, las microondas y/o los teraherzios. Este se puede seleccionar y utilizar según los requisitos de entorno y escena y, según el modo de funcionamiento de radar o tecnología de alta frecuencia utilizados y el grado de miniaturización posible, puede ser un sistema de alta frecuencia por antena de radar o (al utilizar varias antenas de radar) también un sistema de alta frecuencia para el funcionamiento coherente de todas las antenas de radar.
La representación 3D de la escena puede tener lugar a su vez con técnicas de formación de imágenes diferentes, pudiéndose utilizar respectivamente todos los modos de funcionamiento de radar mencionados anteriormente. Dado que están presentes varias antenas de radar, se puede realizar una formación de imágenes de apertura real. En función de las posiciones de antena de radar espaciales se aplican y representan para ello todas las mediciones de alejamiento en un mapa 3D. Con un número suficiente de puntos de medición, esta técnica proporciona imágenes interpretables. Además, existe la posibilidad de una formación de imágenes de apertura sintética. Para ello, el robot mueve el dispositivo de interacción con respecto al objeto. Este movimiento de las antenas de radar se utiliza para fijar con el mismo una apertura sintética y a continuación generar con el principio de SAR (SAR: Radar de apertura sintética, Synthetic Aperture Radar) conocido una imagen de la escena. Esto requiere adicionalmente un conocimiento de posición muy exacto del dispositivo de interacción en cada instante o del movimiento del dispositivo de interacción generado con el robot. Esta técnica se puede realizar también con sólo una antena de radar en el dispositivo de interacción. Sin embargo, en el procedimiento propuesto y la disposición correspondiente siempre se utilizan preferentemente varias antenas de radar en o sobre el dispositivo de interacción. Una posibilidad adicional de la generación de una imagen 3D de la escena consiste en la utilización de la denominada formación de imágenes MIMO (MIMO: Entradas múltiples y salidas múltiples, Multiple-Input Multiple-Output). Para ello son necesarias también varias antenas de radar que se hacen funcionar por ejemplo según el principio de MIMO coherente. A partir del mismo se puede calcular entonces una imagen 3D de la escena con ayuda de una electrónica de evaluación, preferentemente como parte de la electrónica para activar las antenas de radar. Un movimiento mecánico del dispositivo de interacción con respecto al objeto no es necesario para ello.
El procedimiento propuesto se utiliza con una herramienta de agarre de varios miembros como dispositivo de interacción. Los miembros individuales de esta herramienta de agarre se pueden mover relativamente entre sí, para poder agarrar de manera adecuada el objeto. Entonces, en cada uno de estos miembros que se pueden mover relativamente entre sí está integrada o montada sobre el miembro respectivo, como mínimo, una antena de radar, para poder determinar respectivamente la distancia de cada miembro al objeto a partir de las señales de radar de las antenas de radar. Para cada una de estas antenas de radar se realiza una determinación de distancia al objeto y después o bien se utiliza la información individual por antena de radar para posicionar la herramienta de agarre y los miembros individuales de la herramienta de agarre o bien se recurre a los resultados de medición disponibles de manera parcial o completa para el posicionamiento. El número de las antenas de radar por elemento o miembro de la herramienta de agarre depende del escenario de utilización respectivo y de la exactitud de posicionamiento requerida.
La disposición propuesta para realizar el procedimiento comprende varias antenas de radar que están integradas en el dispositivo de interacción o están montadas sobre el dispositivo de interacción y, como mínimo, una electrónica, con la que están conectadas las antenas de radar y que se pueden controlar para emitir y recibir señales de radar. La electrónica está formada en este caso de modo que controla las antenas de radar para el posicionamiento del dispositivo de interacción para emitir y recibir señales de radar, determina las distancias de las antenas de radar al objeto a partir de las señales de radar recibidas y genera una imagen 3D de la escena captada con las varias antenas de radar. Estos datos se proporcionan o transmiten al control para el robot y/o el dispositivo de interacción, para que el control pueda posicionar el dispositivo de interacción basándose en estos datos de la manera deseada con respecto al objeto. La disposición se caracteriza porque el dispositivo de interacción es una herramienta de agarre con varios miembros que se pueden mover relativamente entre sí, estando, como mínimo, una de las antenas de radar integrada en o montada sobre cada uno de los miembros de la herramienta de agarre que se pueden mover relativamente entre sí. La electrónica está configurada en este caso de modo que determina respectivamente la distancia de cada miembro al objeto a partir de las señales de radar recibidas.
Además de la electrónica, incluyendo la técnica de alta frecuencia para el funcionamiento de las antenas de radar, la disposición propuesta debe contener también una electrónica que modifique las mediciones de alejamiento procedentes de las antenas de radar individuales y proporcione una asociación correcta localmente, tridimensional, de la posición de antena y medición de alejamiento. Por tanto, deben estar presentes también codificadores angulares en la herramienta de agarre que puedan medir de manera exacta el movimiento de los miembros individuales entre sí. La electrónica transmite los valores asociados entonces al control del robot. Las partes de electrónica pueden estar implementadas de manera independiente entre sí en este caso, según la característica del robot o del dispositivo de interacción, o pueden estar unificadas en una unidad de electrónica común.
De este modo, el procedimiento propuesto y la disposición correspondiente combinan una medición de distancia con una representación 3D de la escena, respectivamente partiendo del dispositivo de interacción. De este modo se alcanzan el posicionamiento muy exacto del dispositivo de interacción con respecto al objeto con el que se va a interactuar y una representación 3D simultánea del mismo objeto y se posibilita de este modo un nuevo nivel de la interacción de robots. No son necesarias para ello transformaciones en el entorno, en el que se utilizan los robots, según el procedimiento propuesto. La utilización de la técnica de radar posibilita también la capacidad de medición mediante medios que amortiguan mucho ópticamente como niebla. Los objetivos de medición considerados como enormemente difíciles hasta ahora, tales como la interacción con objetos frágiles en entornos severos, se vuelven posibles con el procedimiento propuesto y la disposición correspondiente.
El procedimiento propuesto y la disposición correspondiente se pueden utilizar para poder controlar de manera muy exacta las herramientas de agarre para agarrar un objeto.
Breve descripción de los dibujos
El procedimiento propuesto así como la disposición correspondiente se explican en detalle otra vez a continuación mediante un ejemplo de realización en relación con los dibujos. En ellos muestran:
la figura 1, una representación esquemática de una herramienta de agarre de varios miembros con antenas de radar integradas en sección transversal, así como
la figura 2, la herramienta de agarre de la figura 1 en vista en planta.
Maneras de realización de la invención
El presente ejemplo aborda la utilización del procedimiento para posicionar una herramienta de agarre de varios miembros. En el futuro aparecerán cada vez más robots para los más diferentes objetivos y acompañarán a los seres humanos en el día a día. Para trabajos de alta precisión, en los que es necesaria la funcionalidad de una mano como herramienta de agarre, por ejemplo para agarrar un vaso, la herramienta de agarre se diseñará, por tanto, de manera análoga a la mano humana. A continuación se explicará otra vez el procedimiento propuesto y la disposición correspondiente mediante el posicionamiento de una herramienta de agarre de este tipo.
Cada elemento móvil o rígido de la herramienta de agarre que es importante para el posicionamiento, en el caso de una imitación de mano como herramienta de agarre por ejemplo los elementos de dedo y la palma de la mano, se dotan de una o varias antenas de radar. Cada una de estas antenas de radar presenta una posición definida en el elemento así como una característica de radiación definida, de modo que las relaciones geométricas de la posición de antena e iluminación de la escena para cada antena de radar son conocidas. La figura 1 muestra para ello en sección transversal un ejemplo de una herramienta de agarre de este tipo con miembros o elementos móviles, que se parece a una mano. En la figura 1 se representan para ello la palma de la mano 1, así como los elementos de dedo 2, que se pueden mover unos respecto a los otros respectivamente y se pueden controlar para dar un movimiento mutuo. El movimiento de agarre 3 se indica mediante una flecha. La herramienta de agarre está sujeta a un brazo de robot, del que únicamente se representa el elemento de brazo 4 más exterior en la figura. A este respecto, se puede tratar por ejemplo de un robot de brazo articulado. En cada uno de los elementos o miembros móviles individuales están integradas antenas de radar 5, tal como se indica en la figura. Estas antenas de radar 5 están dispuestas en el lado de los miembros hacia el cual tiene lugar el movimiento de agarre 3. Además, la figura muestra en una de las antenas de radar 5 también una característica de radiación 6, a modo de ejemplo, de las antenas de radar, que se conoce para cada una de las antenas de radar 5 individuales. El objeto 7 que se va a agarrar también se representa esquemáticamente en la figura 1. La figura 2 muestra una vista en planta del lado de agarre de la herramienta de agarre con los elementos de dedo 2 diferentes, la palma de la mano 1, respectivamente con las antenas de radar 5 integradas, así como el elemento de brazo 4 del brazo de robot.
Para cada una de las antenas de radar 5 se realiza una determinación de distancia 8 al objeto 7 y después se utiliza o bien la información individual por antena de radar 5 para el posicionamiento o se recurre a los resultados de medición disponibles de manera parcial o completa para el posicionamiento.
La electrónica para el funcionamiento de las antenas de radar y la determinación de distancia no se representa en la figura. Para la asociación correcta localmente, tridimensional, de la posición de antena y la medición de distancia la electrónica necesita también la información sobre la ubicación mutua exacta de los miembros individuales de la herramienta de agarre. Para ello están dispuestos codificadores angulares en la herramienta de agarre, que pueden medir de manera muy exacta el movimiento de los elementos de mano entre sí. Estos datos, así como los alejamientos medidos son procesados por el control del robot para el posicionamiento exacto de la herramienta de agarre y de los miembros individuales de la herramienta de agarre.
La disposición de radar de las figuras 1 y 2 se utiliza también para realizar una representación 3D del objeto 7 que se va a agarrar o de toda la escena, en la que se encuentra el objeto 7, a partir del lado de agarre de la herramienta de agarre. Para las técnicas de formación de imágenes utilizadas para ello, es necesario también el conocimiento muy exacto de la posición mutua de los elementos de mano individuales o de todo el robot. La electrónica correspondiente para evaluar los codificadores angulares es necesaria también para esta formación de imágenes. La imagen tridimensional de la escena posibilita entonces el movimiento sin colisiones de la herramienta de agarre para agarrar el objeto.
El procedimiento y la disposición ofrecen por consiguiente la posibilidad de generar todas las informaciones necesarias para el posicionamiento muy exacto y la representación tridimensional utilizando únicamente el campo visual mínimo de la herramienta de interacción. El procedimiento se caracteriza en particular porque no son necesarios más sensores en el entorno del robot o del objeto.
Listado de números de referencia
1 Palma de la mano de la herramienta de agarre
2 Elementos de dedo de la herramienta de agarre
3 Movimiento de agarre
4 Elemento de brazo del brazo de robot
5 Antenas de radar
6 Característica de radiación de una antena de radar
7 Objeto
8 Determinación de distancia

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para posicionar un dispositivo de interacción robotizado con respecto a un objeto, en el que - varias antenas de radar (5) se integran en el dispositivo de interacción o se montan sobre el dispositivo de interacción de modo que se puede explorar, como mínimo, una zona de un espacio de interacción del dispositivo de interacción con las antenas de radar (5),
- las antenas de radar (5) se controlan para emitir y recibir señales de radar,
- se determinan una o varias distancias de las antenas de radar (5) al objeto (7) a partir de las señales de radar recibidas y se genera una imagen 3D de una escena captada con las antenas de radar (5), y
- las distancias determinadas a partir de las señales de radar recibidas y la imagen 3D generada se transmiten como datos a un control de robot que posiciona el dispositivo de interacción con respecto al objeto (7) basándose en estos datos,
caracterizado por que al utilizar una herramienta de agarre de varios miembros como dispositivo de interacción se integra o se monta, como mínimo, una antena de radar (5) en cada o sobre cada uno de los miembros (1,2) que se pueden mover relativamente entre sí de la herramienta de agarre y se determina respectivamente la distancia de cada miembro (1,2) al objeto (7) a partir de las señales de radar recibidas.
2. Procedimiento, según la reivindicación 1, caracterizado por que se utilizan codificadores angulares entre los miembros (1, 2), para determinar la ubicación de los miembros (1, 2) uno con respecto al otro, y la herramienta de agarre se controla para agarrar el objeto (7) basándose en la ubicación mutua de los miembros (1, 2), en las distancias determinadas a partir de las señales de radar recibidas de los miembros (1, 2) al objeto (7) y en la imagen 3D generada a partir de las señales de radar recibidas.
3. Procedimiento, según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la imagen 3D se genera mediante una formación de imágenes MIMO.
4. Procedimiento, según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la imagen 3D se genera a partir de las distancias determinadas con las antenas de radar (5) individuales.
5. Procedimiento, según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la imagen 3D se genera por medio de SAR mediante el movimiento controlado del dispositivo de interacción con respecto al objeto (7).
6. Disposición para posicionar un dispositivo de interacción robotizado con respecto a un objeto, con
- varias antenas de radar (5) que está integradas en el dispositivo de interacción o están montadas sobre el dispositivo de interacción de modo que se puede explorar, como mínimo, una zona de un espacio de interacción del dispositivo de interacción con las antenas de radar (5), y
- como mínimo, una electrónica, con la que están conectadas las antenas de radar (5) y se pueden controlar para emitir y recibir señales de radar, estando configurada la electrónica de modo que
- controla las antenas de radar (5) para emitir y recibir señales de radar para un posicionamiento del dispositivo de interacción,
- determina una o varias distancias de las antenas de radar (5) al objeto (7) a partir de las señales de radar recibidas,
- genera una imagen 3D de una escena captada con las antenas de radar (5), y
- proporciona las distancias determinadas a partir de las señales de radar recibidas y la imagen 3D generada como datos para un control de robot que puede posicionar el dispositivo de interacción con respecto al objeto (7) basándose en estos datos,
caracterizado por que el dispositivo de interacción es una herramienta de agarre con varios miembros (1, 2) que se pueden mover relativamente entre sí, estando integrada o montada, como mínimo, una de las antenas de radar (5) en o sobre cada uno de los miembros (1,2) que se pueden mover relativamente entre sí de la herramienta de agarre y estando configurada la electrónica de modo que determina respectivamente la distancia de cada miembro (1, 2) al objeto (7) a partir de las señales de radar recibidas.
7. Disposición, según la reivindicación 6, caracterizada por que la herramienta de agarre presenta codificadores angulares, con los que se puede captar una ubicación relativa de los miembros (1, 2) entre sí.
ES17704743T 2016-02-11 2017-02-10 Procedimiento y disposición para posicionar de manera muy exacta un dispositivo de interacción robotizado por medio de radar Active ES2900472T3 (es)

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DE102016202052.8A DE102016202052B3 (de) 2016-02-11 2016-02-11 Verfahren und Anordnung zur hochgenauen Positionierung einer robotergeführten Interaktionsvorrichtung mittels Radar
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