FI68131C - Foerfarande och anordning foer gestaltande av omgivningen tillen arbetsmaskin med flera leder med en laserindikator - Google Patents

Description

1 68131

MENETELMÄ JA LAITE MONINIVELISEN TYÖKONEEN YMPÄRISTÖN HAHMOTTAMISEKSI LASEROSOITTIMELLA

Keksinnön kohteena on menetelmä ja laite moninivelisen puomis-totyyppisen työkoneen kuten esim. nosto- ja siirtolaitteen, kaivinkoneen, metsäharvesterin ja kallioporauskoneen toimintaympäristön hahmottamiseksi laserosoittimellä automaattista 5 liikeratojen määrittämistä ja koneen ohjausta varten. Keksintöä voidaan soveltaa myös teollisuusrobotin työkierron opetukseen.

Nykyisin moninivelistä työkonetta kuten esim. hydraulinosturia, kaivinkonetta ja porauspuomistoa ohjataan nivelkohtaisesti siten, että koneen käyttäjä ohjatessaan eri niveliä samalla 10 koordinoi puomin pään liikkeen. Kun ohjattavia niveliä saattaa yhdessä puomissa olla jopa seitsemän, saattaa puomin ohjaus olla hankalaa. Kehittyneimmissä manipulaattorijärjestelmissä on käytetty tietokonetta hyväksi liikkeen koordinoinnissa siten, että käyttäjä voi ohjata ohjaussauvasta suoraan puomin pääte-15 pistettä ja tietokone laskee eri nivelien ohjauksen ja huolehtii ohjauksien toteutumisesta siten, että puomin pää liikkuu suoraviivaisesti käyttäjän haluamaan suuntaan. Käyttäjä voi myös ohjelmoida tietokoneen automaattisia työkiertoja ohjaussauvan ja painikkeiston avulla. Mainittu ohjaustapa on yleises-20 ti tunnettu mutta rajoitetusti sovellettu puomityyppisten koneiden ohjaukseen.

Keksitty menetelmä tähtää siihen, että koneen käyttäjä voidaan vapauttaa lähes täysin puomin ohjauksesta ja puomia ohjaamalla suoritettavasta automaattisten liikkeiden opetuksesta suoritet-25 tavan tehtävän kuvaukseen ja toiminnan valvontaan. Koneen käyttäjä kuvaa ennen työsuoritusta sopivalla laitteella (laser-osoitin) työkoneen ympäristön ohjausyksikölle ja tämän yksinkertaisen kuvauksen perusteella ohjausyksikkö määrittää työkierrot tehtävän suoritusta varten. Käyttäjän tehtäväksi jää 30 valvoa työsuoritusta ja tarvittaessa korjata liikeratoja. Keksitty menetelmä antaa täysin uuden ohjausmahdollisuuden puomis-totyyppisiä työkoneita varten. Menetelmälle on tunnusomaista patenttivaatimuksista ilmenevät seikat.

68131

Keksinnön kohteena on myös menetelmän toteuttamiseen tarvittava laite. Järjestelmän komponentteihin kuuluvat suunnattava laser-osoitin ja menutyyppinen käyttäjän näppäimistö, joiden avulla työympäristö kuvataan. Järjestelmän komponentit eivät itsessään 5 ole keksinnön kohteena vaan niiden toiminta on yleisesti tunnettu. Keksinnöllistä on tunnettujen periaatteiden uusi yhdis-tämistapa. Menetelmän soveltamiseen kehitetylle laitteelle on tunnusomaista patenttivaatimuksissa ilmenevät seikat-

Keksittyä menetelmää voidaan soveltaa myös teollisuusrobottien 10 ja manipulaattoreiden opetukseen, joka on tunnetusti hankalaa ja aikaa vievä työvaihe. Ensimmäisen sukupolven robotit opetetaan kuljettamalla robotti yhden kerran työkierto läpi ja tallettamalla tämä kierto muistiin, josta se voidaan tämän jälkeen toistaa. Toisen sukupolven robotit opetetaan ohjauskielellä.

15 Myös tämä opetustapa on hankala, koska käyttäjä joutuu tavanomaisen tietokonekielen mukaisesti määrittelemään työkierron ja käsiteltävät kohteet. Keksitty menetelmä ja laite yhdistettynä opetuskieleen antaa moneen sovellutukseen paremmin soveltuvan opetusmenetelmän teollisuusrobotteja varten kuin mitä nykyisin 20 on käytössä.

Keksinnön tarkoituksena on kehittää yksinkertainen menetelmä ja järjestelmä moninivelisten puomistotyyppisten työkoneiden kuten esim. nosto- ja siirtolaitteiden, kaivinkoneiden, metsäharves-tereiden ja kallioporauskoneiden ympäristön kuvaamiseksi auto-25 maattisesti suoritettavaa työkiertojen määrittämistä varten.

Keksintö tähtää siten ensisijaisesti vaikeissa ympäristöolosuhteissa toimivien puomityyppisten työkoneiden automaation kehittämiseen. Keksittyä kuvausmenetelmää ja järjestelmää voidaan soveltaa myös teollisuusrobottien opetukseen, jolloin keksityl-30 lä menetelmällä ja järjestelmällä voidaan nopeuttaa niiden opetusta.

Keksinnön perusideana on se, että käyttäjä jäsentää ja hahmottaa koneen ympäristön sekä tuottaa jäsentämisen tuloksena pis-temallin työympäristöstä. Tämä pistemalli approksimoi työava-35 ruutta hyvin karkealla tavalla. Pistemallin jokainen piste edustaa tiettyä kohtaa työavaruudessa. Tätä pistemallia täydennetään kahdella tavalla: syöttämällä menu-tyyppiseltä käyttä- 68131 & Ί jän päätteeltä geometrisia tasokuvioita, ns. muotoprimitiivejä sekä täydentämällä matemaattisilla algoritmeilla pisemallin jotakin osa-aluetta laskemalla esim. konveksi peite jollekin pistejoukolle. Tämän täydentämisen tuloksena koneen työavaruut-5 ta kuvaava malli tietokoneen muistissa on niin tarkassa muodossa kuin mitä liikeratojen laskennan kannalta on välttämätöntä. Tuotettuun malliin perustuen voidaan määritellä työkierrot ja laskea radat työkiertojen toteutusta varten. Työkiertojen määrittelyssä käyttäjä voi täydentää mallia osoittamalla esim. 10 siirrettävien esineiden tartuntakohdat ja niiden pääteaseman.

Keksintö käsittää myös laitteen menetelmän soveltamiseksi. Järjestelmä sisältää seuraavat komponentit: laserosoitin, menu-tyyppinen käyttäjän näppäimistö, laskentayksikkö ja puomin ohjausyksikkö. Laser-osoittimella käyttäjä osoittaa pistemallia 15 vastaavat kohteet työympäristöstä. Menu-tyyppistä näppäimistöä käytetään mallin täydentämiseen antamalla geometriset tasokuviot. Laskentayksikössä suoritetaan se matemaattinen laskenta, joka tarvitaan lopullisen mallin tuottamista ja liikeratojen määrittämistä varten. Puomin ohjausyksikkö suorittaa lasketun 20 radan mukaisen ohjauksen. Keskeisin komponentti on suunnattava laserosoitin, jolla kohteet työympäristöstä osoitetaan. Laser-osoitin mittaa lasersäteen suunnan kahdella asentoanturilla ja etäisyyden valopulssin kulkuaikaan perustuen, työympäristössä olevista kohteista ilman heijastavaa prismaa Toinen keskeinen 25 komponentti on käyttäjän älykäs menu-tyyppinen näppäimistö.

Keksintöä kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisesti esimerkkien avulla viitaten oheisiin kuviin, joista

Kuva 1 havainnollistaa ympäristön kuvausmenetelmää Kuva 2 esittää erästä esimerkkitapausta laserosoittimen to-30 teutuksesta

Kuva 3 esittää erästä esimerkkitapausta älykkäästä käyttäjän menu-tyyppisestä näppäimistöstä 68131

Kuva 4 kaaviokuvaa menetelmän eräästä soveltamis järjestelmästä

Kuva 5 periaatetta, miten laserosoittimella osoitettujen pisteiden paikat lasketaan puomiston 5 kantakoordinaatistossa

Kuva 6 kahta esimerkkitapausta liikeradan laskemiseksi

Keksityn menetelmän perustapahtuma on luoda ensin pistemalli, joka kuvaa moninivelisen työkoneen työympäristöä riittävän tarkasti. Kuvassa 1 on esitetty havainnollisesti puomin perus-10 koordinaatistoon sijoitettu pistejoukko, joka edustaa pistemal-lia. Pistemallia täydennetään menetelmän mukaan joko käyttäjän antamien geometristen muotoprimitiivien, joita ovat tasoon piirretyt peruskuviot kuten ympyrä, suorakulmio ja suoraviiva, tai/ja matemaattisten algoritmien avulla. Kuvassa 1 on esitetty 15 myös täydennetty malli aikaisemmasta pistemallista. Kohde (A) on täydennetty sylinteriksi käyttäjän antaman muodon ja sen halkaisijan perusteella. Tämä voi kuvata esimerkiksi nostettavaa tukkia. Este (B) on täydennetty matemaattisen algoritmin mukaisesti. Algoritmi voi olla esim. konveksien peitteen annet-20 tuun pistejoukkoon 3-dimensionaalisessa avaruudessa laskeva algoritmi, joka on yleisesti tunnettu. Pääteasema (C) täydennetään suoralla viivalla, joka määrittää siirrettävän kappaleen aseman pääteasemassa. Täydennetty malli sisältää riittävän tiedon puomin liikeratojen laskemiseksi. Käyttäjä voi lisäksi 25 täydentää mallia liikeratojen laskentaa varten määrittämällä siirrettävästä kohteesta tartuntakohdan ja sen miten este tulisi ohittaa.

Seuraavassa selvitetään yksityiskohtaisesti keksinnön kohteena olevan järjestelmän erästä toteutusta. On huomattava, että 30 keksityn järjestelmän toteutustapa voi vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Keksityn opetusmenetelmän peruskomponentti on laseretäisyysmit-talaite, jonka yksi toteutustapa on esitetty kuvassa 2. Etäi-syysmittalaite toimii osoittimena, joka voidaan suunnata halut-35 tuun kohtaan puomiston työavaruudessa kahden pyörivän nivelen (2, ja 02) avulla. Kohdistaminen tapahtuu tähtäimen (2, C) avulla. Kun käyttäjä on kohdistanut laitteen haluamaansa kohteeseen, hän tallettaa kohteen koordinaatit painamalla paino- 68131 nappia (2, B), jolloin etäisyysmittalaitteen asento (<*2 ja a2) ja etäisyystieto luetaan muistiin. Etäisyysmittalaite on konstruoitu siten, että se mittaa pulssitetun puolijohdelaserin lähettämän valopulssin kulkuajan lähettimestä (2, E) kohteeseen 5 (2, G) ja takaisin vastaanottimeen (2, D). Keskiarvostamalla mittaustuloksia saadaan riittävä tarkkuus ja resoluutio. Koska pulssitaajuus voi olla suuri (10 kHz), saadaan yksi etäisyys-mittauslukema (keskiarvostuksen jälkeen) aina 10 ms:n jälkeen, joka on riittävä mittausnopeus. Puolijohdelaserin säteilyteho 10 kollimoidaan lähettimen linssillä siten, että keilan leveys on mahdollisimman pieni ( = 1 cm^, kohteen pinnalla 10 m:n päässä). Toinen keskeinen komponentti keksityssä järjestelmässä on menu-tyyppinen näppäimistö, jolla käyttäjä voi antaa geometrisia muotioprimitiivejä laskentayksikölle sekä tietoja laserosoi-15 tuksen kohteesta. Kuvassa 3 on esitetty eräs esimerkki menu-näppäimistöstä .

Kuvassa 4 on esitetty kaavio kohteena olevasta järjestelmästä. Puoraikoneen (4, B) käyttäjä (4, A) kohdistaa laserosoittimen (4, C) puomin ympäristössä olevaan kohteeseen (4, H) ja antaa 20 päätelaitteelta (4, E) komentotiedon (4, C) laskentayksikköön (4, D) sekä painaa tämän jälkeen laserosoittimen painonappia, joka antaa lukukäskyn (4a) anturiyksikölle (4, F). Kun anturi-yksikkö on saanut lukukäskyn, se lukee laserosoittimen asento-tiedot (4, d ja f) asentoanturilta ja etäisyysmittausteidon (4, 25 g) etäisyysmittalaitteelta. Anturiyksikkö tallettaa tiedot muistiinsa siihen saakka kunnes laskentayksikkö kysyy ne. Puomin ohjausyksikkö (4, G) lähettää säännöllisesti puomin asento-tiedot (h) laskentayksikölle ja pyytää tarvittaessa laskettua liikerataa (i) sitä vastaavien nivelkohtaisten ohjaustietojen 30 laskemiseksi ja annetun radan mukaisen ohjauksen (j) toteuttamiseksi.

Kuvassa 5 on esitetty eräs esimerkki siitä, miten laserin osoittaman kohteen koordinaatit lasketaan puomin koordinaatistossa. Olkoon esimerkin vuoksi puomi ja laserlaite samassa 35 tasossa. Laseretäisyysmittari sijaitsee puomin koordinaatistossa E^ pisteessä (xL, y^,; vektori ). Etäisyysmittarilla mitatun etäisyysvektorin projektio tasossa E2' on D', joka voidaan tunnetusti laskea mittalaitteen asennon ilmaisevien asentoantu-reiden (<22, a2) ja etäisyystiedon perusteella. Laserin osoit- 6 681 31 tämän kohteen P paikka puomin koordinaatistossa on vektorin D osoittama eli D = D + Rl· Jos puomi ja laseretäisyysmittalaite eivät ole samassa tasossa niin, laserin koordinaatiston pisteen paikka on laskettavissa saman periaatteen mukaisesti puomin 5 koordinaatistossa. Edellä esitetyn periaatteen mukaisesti voidaan jokainen laserin osoittaman pisteen paikka laskea puomin kantaan sijoitetussa karteesisessa koordinaatistossa . Jokainen E^:n piste voidaan kuvata puomin nivelkoordinaatistoon Nn robotiikassa yleisesti tunnetulla periaatteella (n on valo pausasteiden 1. nivelien lukumäärä). Täten jokainen laserin osoittama piste voidaan esittää puomin nivelkoordinaatistossa Nn.

Seuraavassa esitetään kahteen esimerkkitapaukseen nojautuen se, miten työavaruuden hahmottamisen jälkeen tuotetaan työkiertoja 15 varten liikeradat. Lähtökohtana on täydennetty pistemalli työkoneen ympäristöstä. Kuvassa 6 on esitetty yksinkertaistetut kaaviot sekä esineiden siirtotehtävistä että kallioporauksesta. Liikeradat määritetään siten, että käyttäjä osoittaa radan alkupisteen (6» A), joka voi olla esim. siirrettävän esineen 20 tartuntakohta ja loppupisteen (6, B). Tämän jälkeen järjestelmä voi automaattisesti tuottaa radan tarkemmaksi määräämiseksi tarpeellisen määrän välipisteitä (6, Cj_, C2), jotka lasketaan täydennettyyn pistemalliin perustuen niin, ettei liikerata osu ympäristön esteisiin. Käyttäjä antaa myös päätelaitteeltaan 25 nopeus- ja kiihtyvyystiedot radan eri osille. Yhdistämällä radan pisteet suoraviivaisesti saadaan se rata, jota puomin päätepisteen tulisi seurata työkierron toteuttamiseksi. Kun suoraviivainen rata puomiston kantakoordinaatistossa on tunnettu, voidaan nivelkohtaiset asetusarvot jokaisella nivelvälillä 30 laskea radan funktiona yleisesti tunnetun periaatteen mukaisesti.

Keksintöä kuvaava selitys, kuvat ja esimerkit on tarkoitettu vain selventämään keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen toimintaa. Keksinnön sovellutusmuodot voivat vaihdella suures-35 tikin patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (8)

1. Menetelmä työkoneen työympäristön hahmottamiseksi laser-osoittimella ja menunäppäimistöllä automaattista työkiertojen määrittämistä varten tunnettu siitä, että laser-osoittimella (2), joka mittaa lasersäteen suunnan ja etäi-5 syyden kohteeseen osoitetaan työympäristössä pistejoukko (1), joka voi muodostua erilaisista pisteistä tai jatkuvista viivoista ja joka kuvaa karkeasti työavaruutta kokonaisuudessaan, sen vapaata tilaa ja siinä olevia esineitä, että pistejoukkoa täydennetään työympäristön malliksi sekä 10 käyttäjän näppäimistöltä annettavilla geometrisilla tasokuvioilla (muotoprimitilveillä) (3) että matemaattisilla algoritmeilla avaruuden pintojen tai käyrien sovittamiseksi annettuun pistejoukkoon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että käyttäjä osoittaa laserosoittimella liikeradan laskennan kannalta tärkeitä avaruuden pisteitä kuten tartuntakohtaa ja esteen kiertosuuntaa tai vastaavaa.

3. Patenttivaatimusten 1 tai 2 mukainen menetelmä tun nettu siitä, että käyttäjä muuttaa laskettua liikerataa syöttämällä laserosoittimella uusia ratapisteitä.

4. Patenttivaatimusten 1-3 mukainen menetelmä tunnet-25 t u siitä, että käyttäjä opettaa työkierron johdattamalla laserin avulla työkoneen päätepistettä.

5. Patenttivaatimusten 1-4 mukainen menetelmä tunnet-t u siitä, että käyttäjä kalibroi laserosoittimen suhtees- 30 sa työkoneeseen osoittamalla laserosoittimella ennakolta valitut työkoneen kalibrointipisteet ja että erityisen ka-librointialgoritmin avulla määrätään laserosoittimen paikka suhteessa työkoneeseen.

6. Patenttivaatimusten 1-5 mukainen menetelmä tunnet- t u siitä, että laskettua liikerataa muutetaan suorituksen aikana erillisen anturin antaman takaisinkytkentätiedon mukaan. R 68131

7. Laite patenttivaatimuksen 1 mukaisen menetelmän sovelta miseksi puomityyppisen työkoneen ympäristön kuvaamiseen automaattista liikeratojen laskentaa varten, johon järjestelmään kuuluvat suunnattava laserosoitin (2), älykäs käyttäjän menutyyppinen näppäimistö (4), laserosoittimen tietoja 45 käsittelemään tarkoitettu anturiyksikkö (4, F) työympäristön mallien muodostamiseen ja liikeratojen laskentaan tarkoitettu laskentavksikkö (4, D) tunnettu siitä, että järjestelmään kuuluu 50 laserosoitin, jolle on ominaista, että laserosoitin perustuu valopulssin kulkuaikamittaukseen ja että kohteen paikkakoordinaatit lasketaan lasersäteen (2, F) suuntakulmien (2, a, , a2 ) ja etäisyyden perusteella seka, 55 että etäisyys mitataan ilman heijastusprismaa siten että käyttäjä kohdistaa osoittimen joko suoraan mekaanisesti 60 suuntaamalla käsin lähettimen kohteeseen tai sähköisesti ohjainsauvojen tai vastaavien avulla, jotka suuntaavat joko lähettimen suoraan tai pyörivien peilien avulla lähettimen säteen ja kohdistaminen suoritetaan joko optisen tähtäimen (2, C) tai näkyvän samalle akselille lähettimen (2, E) 65 kanssa kohdistetun valonsäteen avulla ja että laserosoitin sisältää painonapin (2, B) tai vastaavan, jolla lukukäsky luetaan anturiprosessille (4, f) tai vastaavalle, joka lukee sekä etäisyvstiedot että tiedot suuntakulmista muis-70 tiinsa, menunäppäimistö (3) on järjestelmään kuuluva fyysinen kokonaisuus, joka sisältää toimintapainikkeet, jotka on suunniteltu erityisesti työkoneen ohjausta, geometrian muotojen 75 syöttämistä, ja geometrian laskennan ohjausta, sekä työava-ruuden kohteiden nimeämistä varten ja joka on toteutettu siten että se sisältää älykkään elektroniikan painikkeiden lukemista varten ja 681 31 9 laskentayksikkö, joka on toteutettu tietokoneella (mikrotietokoneella), johon on kytketty anturiprosessi (3, F) tai 80 vastaava, joka syöttää osoittimen mittaamat paikkakoordi-naatit laskentayksikölle (4, D) tai joka suoraan lukee osoittimen säteen suuntakulmat ja mitatut etäisyyden, ja johon on kytketty menunäppäimistö ohjauskäskyjen syöt-85 tämistä varten, joka ohjaa suoraan tai erillisen ohjausyksikön kautta työkonetta .

7 681 31

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite tunnettu siitä, että menunäppäimistö sisältää painikkeet, joiden avulla käyttäjä ohjelmoi osoittimen tutkimaan automaattisesti työkoneen ympäristöä tai osaa siitä. ΙΟ PATENTKRAV 681 31