WO2016087590A1 - Verfahren zur bewegungssimulation eines manipulators - Google Patents

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WO2016087590A1
WO2016087590A1 PCT/EP2015/078533 EP2015078533W WO2016087590A1 WO 2016087590 A1 WO2016087590 A1 WO 2016087590A1 EP 2015078533 W EP2015078533 W EP 2015078533W WO 2016087590 A1 WO2016087590 A1 WO 2016087590A1
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manipulator
model
path planning
control device
kinematic
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PCT/EP2015/078533
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French (fr)
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Dirk Eickhorst
Marcel Meyer
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Broetje-Automation Gmbh
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    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40311—Real time simulation

Definitions

  • the invention relates to a method for motion simulation of a manipulator in a processing environment having the features of the preamble of claim 1, a computer program with program code having the features of the preamble of claim 17 and a system for simulating the motion of a manipulator in a processing environment having the features of the preamble of claim 18th
  • manipulator In robotics, the movable part of a robot assembly or an industrial robot is referred to as a manipulator.
  • manipulators are regularly used today in automated production, for example for the manufacture of aircraft structural components. These are, for example, multi-axis articulated robots that are used in corresponding production cells.
  • the axis position of such a manipulator determines the reference position, including the orientation, for the tool or the end effector of the robot, which reference position is also referred to as Tool Center Point.
  • a motion sequence determined in this way is also referred to as path planning and such a control device also as a numerical control (NC) or as a computer-aided numerical control (CNC).
  • NC numerical control
  • CNC computer-aided numerical control
  • the path planning must also consider obstacle contours in the manufacturing cell to avoid collisions by the manipulator.
  • obstacle contours are formed not only by the workpiece itself, but also by other objects in the environment, in particular the other components of the manufacturing cell such as such as structural elements, motors, component carriers, passenger platforms, sensors, etc. count.
  • the design data of both the workpiece and the manipulator and the production cell are known on the one hand and the respective position of the working points on the workpiece on the other hand, such a path planning is usually prepared beforehand in a simulation, which path planning then takes place actual operation only needs to be run.
  • Such a simulation which is spatially and temporally separate from the actual machining and movement in the production cell, is regularly referred to as offline simulation and the corresponding programming of the control device in analogy as offline programming.
  • the need for such an intervention may be due to the fact that a proximity sensor of the manipulator perceives that the minimum distance between the manipulator, in particular its end effector, and the workpiece or another obstacle contour is undershot. Especially if, in such a state, further movement of the manipulator according to the path planning would then further reduce the distance to the obstacle contour concerned, the movement of the manipulator according to the path planning is regularly interrupted because of the risk of collision associated therewith. Such a deviation of the measured distance from the distance previously simulated according to the offline programming can not be precluded in practice. The deviation may occur due to thermal effects or other irregularities on the workpiece or parts of the manufacturing cell.
  • the operator of the control device must in such a case by a manual control of the manipulator - which is also referred to as jogging - or by a different input as a new target for the manipulator vorvor to which then a corresponding new path planning is to be determined, which is to lead to a movement of the manipulator out of the present, collision-risk situation. This movement itself should not lead to a collision.
  • each installed camera forms a further hindrance constellation, whereby the movement possibilities of the manipulator are in principle further restricted. For this reason, it is often difficult for the operator to recognize what a movement of the manipulator might at all be, which does not lead to a collision, but rather to a new position of the manipulator with a sufficient distance from the obstacle contours.
  • the problem underlying the invention is thus to further develop a known from the prior art method for motion simulation of a manipulator in a processing environment so that the elimination of collision risk situations, which occur when processing a path planning by the manipulator is facilitated.
  • the proposed method is used for simulating the motion of a manipulator in a processing environment, wherein the manipulator is moved in a working operation by a control device and wherein the processing environment is depicted in an environment model.
  • the term "manipulator” is to be interpreted broadly: it does not only include the manipulator in the narrower sense, but also includes an arbitrary end effector and other components arranged on it, which move along with a movement of the manipulator.
  • a "control device” in the sense of the proposal which in the present case may consist of one or more, possibly distributed individual devices, it is a device for controlling and regulating machine tools - including manipulators as just defined - in the sense of a numerical
  • the control device can not only control the manipulator via its axes according to a path planning determined by the control device by calculation, but also other components of the manipulator such as the end effector and here Accordingly, the movement of the manipulator by the control device, in addition to the actual movement of the manipulator, also includes any movement or activity only performed by the end effector perform computer-based tasks.
  • machining environment includes not only the manufacturing cell with its components, but also the workpiece itself and all other objects which are located in the space that can be accessed by the manipulator In this sense, an overlap for the purposes relevant here is expressly not excluded.
  • the term “environment model” again refers to a data-technical calculation model for at least parts of the processing environment in the above sense, which calculation model can serve as a basis for modeling in the course of a path planning and for a collision check Partial mapping of the editing environment in the environment model may be that only the essential elements and not necessarily every detail of the editing environment is mapped in the environment model. It is preferred that the editing environment be fully mapped in the environment model.
  • a path planning by the control device from a target movement of the manipulator starting from a starting position and based on a kinematics model of Manipulator is calculated. Furthermore, a kinematic collision check based on the path planning, the kinematics model and the environment model is performed and a prediction result is generated based on the kinematic collision check.
  • the "target movement" of the manipulator means any specification, in particular by the operator, of a movement to be carried out by the manipulator Such a predefinition can be from a specific target point or a specific target coordinate of the manipulator and especially its Tool Center Point (TCP ) or from specifying a desired direction of movement of the manipulator or the tool center point with or without simultaneous determination of the length or the duration of the movement or of the desired end point
  • TCP Tool Center Point
  • the target movement may also comprise a plurality of movement sections with respective intermediate positions.
  • initial position in the present case means any mechanical or electrical state property of the manipulator which this manipulator can assume, for example its geometric position, the configuration of the axes, the position of each actuator on the manipulator or on the end effector etc. instead “Initial situation” could thus also be formulated in more detail "starting position of the manipulator”.
  • kinematics model designates a kinematic manipulator model with data which are suitable for an electronic mapping of the kinematic of the manipulator and its starting position in the above sense, in particular for the purpose of calculating the motion of the manipulator For example, the future course of movement generated by the control device for all parts of the manipulator that can be controlled by the control device, including the end effector, and in particular comprising the axes of the manipulator.
  • the term "kinematic collision check” is to be understood as a calculation which provides information as to whether and to what extent, when executing the path planning by the manipulator, a collision of the manipulator or one of its components with a part of the processing environment, insofar as this is in the environment model
  • the result of a such a collision check can be both binary, ie affirm or deny only a collision or a certain risk of collision, as well as a percentage or otherwise described probability for the path planning as a whole or for each section or point of the movement path according to the path planning provide another yardstick for the occurrence of a collision.
  • the collision check can also include checking for the occurrence of singularities.
  • the prediction result based on this kinematic collision check provides information as to whether the desired movement of the manipulator is permitted or not.
  • the prediction result may also include the statement that the target movement is only under certain circumstances, e.g. with a simultaneous movement of the component carrier is allowed. In other words, the result of the possibly complex kinematic collision check generates the prediction result.
  • the starting position corresponds to the current manipulator state.
  • the starting position underlying the calculation of the path planning from the target movement does not correspond to a fictitious or projected, past or future situation or situation or to such a state of the manipulator, but rather to the actual situation and situation and the situation actual state of the manipulator.
  • the determination of the actual state can in principle be based both on sensory detection of the nipulators as well as based on a calculation of the actual state of the manipulator according to a known previous state and a known executed movement or on a combination of both approaches.
  • the prediction result is based on a collision check, which is based on the current, actual state of the manipulator and a path planning based on this actual state.
  • a collision check which is based on the current, actual state of the manipulator and a path planning based on this actual state.
  • the prediction result is also output, so that the operator can be informed thereof.
  • a particularly clear output can be achieved through visualization.
  • the desired movement of the manipulator can be described in any manner, such as by data in a computer file.
  • the claim 5 relates to an ergonomically particularly interesting input of the desired movement by an operating device, such as a control stick or the like.
  • a particularly suitable tool for collision checking is to map the path planning of the manipulator and the environment model into a virtual state, as proposed by claim 6 and further developed by claims 7 and 8.
  • virtual states of the manipulator projected into the future in accordance with the path planning can also be presented to the operator in a particularly meaningful manner.
  • the preferred embodiment according to claim 9, in turn, also provides for a repeated provision of the actual starting position by the checking device, so that the kinematic interference check is always based on the actual manipulator state with a possibly negligible time delay.
  • the preferred embodiment according to claim 10 makes use of the possibility of running a computer program on a computing device separate from the control device, which computer program maps the path planning of the control device completely and identically. In this way, the kinematic interference test can be carried out independently but simultaneously with the path planning of the control device. It is precisely this, the conventional way of thinking contradictory approach, which provides the parallel and thus seemingly redundant flow of two identical path planning, facilitates the realization of a Kollisions tenudiktion in real time.
  • the preferred embodiment according to claim 11 proposes a prevention of the activation of the manipulator if this activation leads to a collision or to an unacceptable one according to the prediction result high risk of collision would result. In this way, even unconscious operating errors can be prevented.
  • the preferred embodiment according to claim 12 enables a particularly accurate kinematics model or environmental model, namely, by being based on model data in electronic form, such as those provided by design programs.
  • claims 13 to 15 relate to the possibility of making an adaptation of the kinematic model during path planning in order to compensate environmental influences such as temperature effects, which may justify a deviation between a desired position and an actual position of the manipulator , Such compensation is then preferably also taken into account in the kinematic collision check and in the generation of the prediction result.
  • Fig. 1 is an overall view of an arrangement of a manufacturing cell with
  • FIG. 2 shows a schematic representation of components of the control device from the arrangement of FIG. 1, FIG.
  • the presently described embodiments relate to a manipulator 1 a, b in a manufacturing cell, in which manufacturing cell parts of the aircraft structural components rivet are set by a riveting machine.
  • the manipulator la, b is NC-controlled.
  • the exemplary embodiment is an integrated section assembly cell for processing 360 ° aircraft fuselage sections.
  • the riveting machine forms the end effector 2a of the manipulator la, which in the present case is a 12-axis positioner.
  • the manufacturing cell of both embodiments with all their associated components each forms a processing environment 3a, b in the sense of the above definition of the term.
  • the end effector 2a can be moved on the inner surface of a production sheet 5 which can be displaced along floor rails 4, and consequently the floor rails 4 and the production sheet 5 each form both a part of the processing environment 3a and of the manipulator 1a.
  • a movable component carrier 6 the workpiece 7a is fixed, which is an aircraft structural component here.
  • an access frame 8 for personnel is provided in the production cell. According to the definition of definition already described, the component carrier 6, the workpiece 7a and the access frame 8 also belong to the processing environment 3a.
  • a control device 10th belongs to the manufacturing cell, a control device 10th
  • FIGS. 3a-c which will also be referred to below, illustrate a second, simplified embodiment with a six-axis manipulator 1b with end effector 2b, whose processing environment 3b comprises a workpiece 7b with two projections 9.
  • the initial state of the second embodiment is shown in FIG. 3a.
  • the proposed method is, as already stated, the motion simulation of a manipulator la, b in a processing environment 3a, b.
  • the manipulator 1a.b is moved in a working mode by a control device 10 (not shown for the embodiment of FIGS. 3a-c), wherein the processing environment 3a, b is at least partially depicted in an environment model.
  • working mode is understood to mean a mode of operation for the purpose of processing of workpieces by the manipulator as intended: a calibration or trial operation is not included.
  • the proposed method comprises calculating a path planning 12a, b by the control device 10 from a desired movement of the manipulator 1 a, b starting from a starting position 11 a, b of the manipulator 1 a, b and based on a kinematics model of the manipulator model 1 a b.
  • path plans 12a, b are shown only for the second exemplary embodiment.
  • FIGS. 3b and 3c relate to a respective path planning 12a, b, both of which start from the starting position 11b of the manipulator 1b according to FIG. 3a.
  • the proposed method comprises performing a kinematic collision check based on the path planning 12a, b, the kinematics model and the environment model and generating a prediction result based on the kinematic collision check.
  • the proposed method is characterized in that the starting position 11 a, b corresponds to the current manipulator state.
  • the generated prediction result provides a statement as to whether and to what extent an actual execution of a movement of the manipulator 1a, b along the path planning 12a, b determined by the control device 10 constitutes a collision risk.
  • the method comprises the output of the prediction result by an output device 13 in which it is preferred and, as in the present case, is a visualization device 13a, b.
  • a visualization device 13a is formed by the screen 14 of a computer arrangement 15 having a computing device 16 and an operating device 17 in the form of a keyboard.
  • the computer arrangement 15 as a whole and in particular the computing device 16 are connected to the control device 10 via a communication network 18.
  • the control device 10 is the modular system SINUMERIK® 840D sl 19, which includes a SINAMICS® S 120 as the drive system 20 and an NCU 720.3ON as the numerical control unit 21 and a PCU 50.5-P as computer unit 22 summarized.
  • a SINUMERIK® Operator Panel OP 019 23 can also form a visualization device 13b for outputting the prediction result.
  • the SINUMERIK® Operator Panel OP 019 23 can also have a user interface 24 in the form of a touchpad.
  • the operator is to be given a feedback about his input, which is perceived as quasi-immediate, ie the desired movement required by him.
  • This is preferably achieved by carrying out the kinematic collision check and generating the prediction result within a predetermined computing time after a change and / or input of the desired movement.
  • a real-time output of the prediction result is to be provided by the output device 13, in the present case specifically by the visualization device 13a, b.
  • real-time output is to be understood in a first, general sense as described above, that is, a maximum computing time is predetermined, within which the prediction result is provided by the output device 13 or the visualization device 13a, b an output responsive to an input is perceived subjectively as occurring in real time if the output occurs within 50 milliseconds of the input, and this perceived response in real time is particularly noticeable if the output is even within 10 milliseconds of the input Consequently, it is particularly preferred for the output of the prediction result to be output by the output device 13 or by the visualization device 13a, b within 50 milliseconds and in particular within 10 milliseconds after a change and / or input of the desired movement.
  • the prediction result can be used by the control device 10 itself as a release signal for a moving control of the manipulator 1a, b. Accordingly, such a control preferably takes place only when the prediction result for a control in accordance with the path planning does not predict a collision. In other words, the prediction result is preferably generated before the manipulator 1a, b is moved by the control device 10 in accordance with the path planning 12a, b.
  • the method comprises the acceptance of an input - and in particular an input by manual operation - of the desired movement by an operating device 17.
  • the operating device 17 is the aforementioned keyboard of the computer arrangement 19, but also the user interface 24 of the SINUMERIK® operator panel OP 019 23 or a control stick of the computer arrangement 15 or not shown here the control device 10.
  • the proposed method comprises the output of a virtual state 25a, b based on the path planning 12a, b and the environment model.
  • the concept of the virtual state 25a, b is the electronic mapping on the one hand of the manipulator 1a, b based on the kinematics model after execution of the path planning 12a, b starting from the starting position 11a, b and on the other hand the processing environment 3a, b based on the environment - Model, also after execution of the movement of the manipulator la, b to understand.
  • the virtual state 25a, b designates a comprehensive mathematical model of the manipulator 1a, b and the processing environment 3a, b after a movement of the manipulator 1a, b along the path planning 12a, b.
  • the virtual state 25a, b can also take into account any movement of the processing environment 3a, b in its entirety or individual parts of it that takes place during the relevant time. Such a movement could, for example in the embodiment of FIG. 1, consist of a rotation of the component carrier 6 with the workpiece 7a.
  • the output of the virtual state 25a, b comprises the output of a view 26a, b of an SD model of the manipulator 1a, b and the processing environment 3a, b.
  • This 3D model is representative of the representation of the virtual state 25a, b and thus of the state of the manipulator 1a, b and of the processing environment 3a, b after movement according to the path planning 12a, b.
  • the view 26a, b is again the two-dimensional representation, which is made up of this 3D model and the angle of an - imaginary Observer and which is thus suitable for reproduction on a conventional visualization device 13a, b.
  • FIGS. 3b and 3c respectively exemplify such a view 26a, b, which could possibly also be reproduced on the screen 14 of the computer arrangement 15 of FIG. 1, wherein for the sake of simplicity of illustration in FIGS. 3b and 3c a distinction is not made graphically between the view 26a, b and the virtual state 25a, b on which the view is based.
  • the viewing angle on which the representation is based is adjustable so that the view 26a, b of the 3D model of the manipulator 1a, b and the processing environment 3a, b is based on an adjustable viewing angle. This allows the operator to choose a perspective for the view 26a, b which is particularly suitable for detecting the present collision situation.
  • the output of the virtual state 25a, b can also be designed in such a way that it is particularly graphically easily identifiable whether the prediction result indicates a collision situation or a collision risk or whether it indicates the absence of such a collision situation or collision risk ,
  • the view 26a shows a virus state 25a, in which - according to the prediction result - the path planning 12a has led to a projected collision of the manipulator 1b with a projection 9 of the workpiece 7b from the view 26a for the operator through the collision icon 27 is made clear. The operator is thus warned clearly that this path planning 12a should not be executed.
  • the view 26a could also be colored in a warning color, for example in red, for the purpose of warning.
  • a movement according to the path planning 12b can be carried out without a collision risk.
  • this is done by a representation of the path planning 12b without a collision icon, wherein also here a reproduction of the view 26a in a release color - may be provided - as in green.
  • a real-time output in the sense already defined above is also advantageous for the operator when outputting the virtual state 25a, b.
  • the output of the virtual state 25a, b by the visualization device 13a, b takes place within a predetermined visualization time after a change and / or input of the desired movement, so that a real-time output of the virtual state 25a, b the visualization device 13a, b is provided.
  • the real-time output is particularly perceived as being "in real time” if the predetermined visualization time is 50 milliseconds or even 10 milliseconds In the case of the preferred output of the view 26a, b of the 3D model of the manipulator 1a , b as just described, this applies accordingly to this output of the view 26a, b.
  • the initial position 1 ia, b updated within the predetermined updating interval is preferably also based on the virtual state 25 a, b and also the view 26 a, b, so that these can always be updated in a timely manner to the operator. It is also useful to update the environment model accordingly within the predetermined update interval.
  • the possibility of the external simulation of the path planning 12a, b by the control device 10 can be usefully employed in that, according to a preferred embodiment, calculating a further path planning by a computing device 16 from the desired movement of the manipulator Ia, b starting from a starting position 1 la, b and based on the kinematic model of the manipulator la, b is performed, wherein the computing device 16 by means of a communication network 18 is in communication with the control device 10 and wherein the performing of the kinematic collision check and the generation of the prediction result in the computing device 16 is performed.
  • the target movement is thus either input directly to the computing device 16, for example by the operating device 17, or input to the control device 10 and transmitted via the communication network 18 to the computing device 16 which controls the desired movement of the manipulator 1a , b maps into the further path planning and thus simulates the path planning 12a, b of the control device 10 in the sense of a replication or replica.
  • the corresponding functionality of the control device 10 - including the processing of the environment model and the kinematics model - can be completely simulated as software code on the computing device 16. Accordingly, the kinematic collision check and the generation of the prediction result are performed either in addition to the respective operation on the control device 10 in the computing device 16 or take place exclusively on the computing device 16.
  • the kinematics model and the environment model can also be transmitted from the control device 10 to the computing device 16 via the communication network 18.
  • the computing device 16 simulates the calculation of the path planning 12a, b of the control device 10 such that the further path planning of the computing device 16 corresponds to the path planning 12a, b of the control device 10.
  • the calculation function is replicated in such a way that the path planning 12a, b of the control device 10 does not need to be resorted to for the kinematic collision check and the prediction result, but the further path planning of the computing device 16 can be used immediately.
  • these operations in the computing device 16 may be performed independently and potentially faster than by the controller 10, facilitating the realization of a real-time output according to the preferred embodiments already described.
  • a particularly suitable interface between the control device 10 and the computing device 16 can be provided by selecting an Ethernet connection as the communication network 18 on which TCP / IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) as the protocol stack or part of the protocol stack is used.
  • TCP / IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol
  • COM Component Object Model
  • DCOM Distributed Component Object Model
  • RPC Remote Procedure Call
  • OCX Object Linking and Embedding Control eXtension
  • An actual prevention of operator actions is preferably achieved in that the control device 10 prevents an actuation of the manipulator 1a, b in accordance with the path planning 12a, b if the prediction result is a collision risk or outputs a collision result.
  • This prevention of the actuation of the manipulator 1 a, b by the control device 10 can take place in particular on the instructions of the computer 16 vorrictung. Such prevention could, for example, be provided in the case of such a prediction result shown in FIG. 3b. A corresponding action by the operator to initiate such an activation would thus be actively blocked by the control device 10. In contrast, in the case shown in FIG. 3c, such a blockage would not occur.
  • the creation of the kinematics model and the environment model is simplified if, as is preferred, the kinematics model and / or the environment model are based on model data in electronic form. This can also be model data. These can come from corresponding computer programs such as CATIA® or from the files generated by these computer programs.
  • the kinematics model is adapted to compensate for an environment-related deviation between the desired movement and an actual movement of the manipulator la, b.
  • temperature changes on the manipulator can lead to an expansion of certain parts of the manipulator Lead manipulator.
  • Activation of the manipulator 1 a, b according to the path planning 12 a, b then leads to an actual movement, which deviates from that according to the path planning 12 a, b.
  • the relationship between temperature and such expansions is known, such a deviation can be taken into account and thus compensated.
  • the temperature acting on the manipulator forces such. As process forces, justify a deviation in the above sense.
  • This adaptation preferably takes place before the kinematic interference test is carried out. In that regard, it is then taken into account both when performing the kinematic collision check and when generating the prediction result.
  • the adaptation can also be carried out before the path planning 12a, b is calculated and then preferably taken into account in the calculation of the path planning I2a, b.
  • the compensation is based on an actual value measured by a compensation sensor 28a, which actual value is processed with compensation parameters stored in particular.
  • this compensation sensor 28a can be a temperature sensor.
  • the processing with compensation parameters may in particular comprise a multiplication with compensation coefficients.
  • the result of the processing can then be applied to the kinematics model.
  • the compensation adapts the model data on which the kinematics model is preferably based.
  • the compensation parameters can be based on a calibration procedure, which was performed in a calibration operation before the operation.
  • the deviation is based on an actual temperature at the manipulator 1 a, b - preferably measured by the compensation sensor 28 - and the measured actual value is the actual temperature. It is therefore a temperature compensation. Accordingly, it is preferred that the compensation parameters comprise temperature coefficients with which the measured actual temperature is processed. Further, it is preferable that the compensation is performed by the control device 10 and / or by the computing device 16. It is thus also possible for the computing device 16 - indirectly or directly - to receive the actual value for processing. In this case, the compensation performed by the computing device 16 can preferably emulate the compensation performed by the control device 10.
  • the starting position 11 a, b of the manipulator 1 a, b can either be determined by a known previous position of the manipulator 1 a, b and known subsequent movements or, as is preferred, be detected by a sensor device 28.
  • the processing environment 3a, b for imaging in the environment model may also be detected by a sensor device 28.
  • Such a sensor device 28 may comprise a multiplicity of separate sensors which also function according to different physical principles and, if necessary, communicate with one another as well as with the control device 10 and the computing device 16, for example via the communication network 18.
  • the proposed computer program comprises program code for carrying out the following steps for simulating the movement of a manipulator 1a, b when the computer program is executed in a computer: calculating a path planning 12a, b from a desired movement of the manipulator 1a, b in one Processing environment 3a, b, which is at least partially imaged in an environment model, starting from a starting position 1 la, b and based on a kinematic model of the manipulator la, b, performing a kinematic collision check based on the path planning 12a, b , the kinematics model and the environment model, and generating a prediction result based on the kinematic collision check.
  • the proposed computer program is characterized in that the initial position 1 la, b corresponds to the current manipulator state.
  • a corresponding computer program product that can be loaded directly into the internal memory of a digital computer and includes software code sections that perform the following steps when the product is running on a computer: calculating a path planning 12a, b from a target Movement of the manipulator 1a, b in a working environment 3a, b, which is at least partially imaged in an environment model, starting from a starting position 11a, b and based on a kinematics model of the manipulator 1a, b, performing a kinematic collision check based on the path planning 12a, b, the kinematics model and the environment model and generating a prediction result based on the kinematic collision check.
  • This proposed computer program product is characterized in that the starting position 1 la, b corresponds to the current manipulator state
  • the proposed system for motion simulation of a manipulator 1a, b in a processing environment 3a, b, which is mapped in an environment model has a control device 10, which is adapted to move the manipulator la, b in a working mode and set up for this purpose is to calculate a path planning 12a, b from a target movement of the manipulator la, b starting from a starting position 1 la, b and based on a Kinema- tikmodell the manipulator la, b and has a computing device 16 which is adapted thereto to perform a kinematic collision check based on the path planning 12a, b, the kinematic model and the environment model and to generate a prediction result based on the kinematic collision check.
  • the proposed system is characterized in that the starting position 11 a, b corresponds to the current manipulator state.
  • Preferred embodiments of the proposed computer program and the proposed system for motion simulation arise in each case from the preferred embodiments of the proposed method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungssimulation eines Manipulators (1a,b), vorzugsweise eines NC-gesteuerten Manipulators (1a,b), in einer Bearbeitungsumgebung (3a,b), wobei der Manipulator (1a,b) in einem Arbeitsbetrieb von einer Kontrollvorrichtung (10) bewegt wird und wobei die Bearbeitungsumgebung (3a,b) zumindest teilweise in einem Umgebungsmodell abgebildet ist und wobei das Verfahren das Berechnen einer Bahnplanung (12a,b) durch die Kontrollvorrichtung (10) aus einer Soll-Bewegung des Manipulators (1a,b) ausgehend von einer Ausgangslage (11a,b) und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators (1a,b), das Durchführen einer kinematischen Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung (12a,b), dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell und das Erzeugen eines Prädiktionsergebnisses basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung umfasst. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage (11a,b) dem aktuellen. Manipulatorzustand entspricht. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Computerprogramm mit Programmcode sowie ein entsprechendes System zur Bewegungssimulation eines Manipulators (1a,b).

Description

Verfahren zur Bewegungssimulation eines Manipulators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungssimulation eines Manipulators in einer Bearbeitungsumgebung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 , ein Computerprogramm mit Programmcode mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 17 und ein System zur Bewegungssimulation eines Manipulators in einer Bearbeitungsumgebung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 18.
In der Robotik wird der bewegliche Teil eines Roboteraufbaus bzw. eines Industrieroboters als Manipulator bezeichnet. Solche Manipulatoren werden heute regelmäßig in der automatisierten Fertigung, beispielsweise für die Herstellung von Flugzeugstrukturbauteilen, verwendet. Es handelt sich etwa um mehrachsige Knickarmroboter, die in entsprechenden Fertigungszellen eingesetzt werden. Die Achsstellung eines solchen Manipulators bestimmt dabei die Referenzposition, einschließlich der Ausrichtung, für das Werkzeug bzw. den Endeffektor des Roboters, welche Referenzposition auch als Tool Center Point bezeichnet wird.
Die Bearbeitung von insbesondere großen Werkstücken, hier beispielsweise also von Flugzeugrümpfen, -flügeln und deren Bestandteilen, in Fertigungszellen durch solche mehrachsigen Industrieroboter erfordert komplexe Bewegungsabläufe der einzelnen Achsen eines solchen Roboters, welche Bewegungsabläufe regelmäßig nur durch komplizierte Algorithmen entsprechender Kontroll Vorrichtungen errechnet werden können. Ein auf diese Weise bestimmter Bewegungsablauf wird auch als Bahnplanung und eine solche Kontroll Vorrichtung auch als numerische Steuerung (NC) oder als computergestützte numerische Steuerung (CNC) bezeichnet. Es gibt der Bediener also etwa eine gewünschte Zielposition und -läge des Manipulators vor und die Kontrollvorrichtung berechnet hierauf basierend eine Bahnplanung für den Manipulator, entlang welcher der Manipulator dann bewegt wird, um die besagte Zielposition zu erreichen.
Neben dem Vermeiden von Singularitäten muss die Bahnplanung zur Vermeidung von Kollisionen durch den Manipulator auch Hinderniskonturen in der Fertigungszelle berücksichtigen. Solche Hinderniskonturen werden nicht nur durch das Werkstück selbst gebildet, sondern auch durch andere Objekte in der Umgebung, zu denen insbesondere die weiteren Bestandteile der Fertigungszelle wie etwa Strukturelemente, Motoren, Bauteilträger, Personenplattformen, Sensoren etc. zählen. Da regelmäßig einerseits die konstruktiven Daten sowohl des Werk- stücks als auch des Manipulators und der Fertigungszelle insgesamt und anderer- seits die jeweilige Lage der Arbeitspunkte am Werkstück bekannt sind, wird in der Regel eine solche Bahnplanung vorab in einer Simulation erstellt, welche Bahnplanung dann im tatsächlichen Betrieb nur noch abgefahren werden muss. Eine solche, zeitlich und meist auch räumlich von der eigentlichen Bearbeitung und Bewegung in der Fertigungszelle getrennte Simulation wird regelmäßig als Offline-Simulation und die entsprechende Programmierung der Kontrollvorrich- tung in Analogie als Offline-Programmierung bezeichnet.
Speziell ist ein Verfahren zur Offline-Programmierung, welches zusätzlich noch eine Prüfung auf kinematische Singularitäten entlang der programmierten Bahn- planung und in einem Toleranzbereich in der Umgebung dieser Bahnplanung vorsieht, aus der EP 2 418 555 A2 bekannt.
Nachteilig an diesem und ähnlichen Verfahren zur Offline-Programmierung ist, dass bei einer solchen„offline" und also entkoppelt vom realen Betrieb, gleich- sam am Reißbrett entwickelten Bahnplanung nicht ausgeschlossen werden kann, dass eine unvorhergesehene Situation auftritt, in welcher ein von der vorab be- stimmten Bahnplanung abweichendes Eingreifen des Bedieners erforderlich wird.
Die Notwendigkeit eines solchen Eingreifens kann sich etwa dadurch ergeben, dass ein Näherungssensor des Manipulators das Unterschreiten eines Mindestab- stands zwischen dem Manipulator, insbesondere seinem Endeffektor, und dem Werkstück oder einer anderen Hinderniskontur wahrnimmt. Vor allem wenn in einem solchen Zustand dann eine weitere Bewegung des Manipulators gemäß der Bahnplanung den betroffenen Abstand zu der Hinderniskontur noch weiter verkleinern würde, wird wegen der damit verbundenen Kollisionsgefahr regel- mäßig die Bewegung des Manipulators gemäß der Bahnplanung abgebrochen. Eine solche Abweichung des gemessenen Abstands von dem vorher gemäß der Offline-Programmierung simulierten Abstand kann in der Praxis nicht ausge- schlossen werden. Die Abweichung kann etwa wegen thermischer Effekte oder sonstiger Unregelmäßigkeiten am Werkstück oder an Teilen der Fertigungszelle auftreten. Da die ursprüngliche Bahnplanung nicht mehr weitergefahren werden kann, muss der Bediener der Kontrollvorrichtung in so einem Fall durch eine manuelle Kontrolle des Manipulators - was auch als Jog-Betrieb bezeichnet wird - oder durch eine sonst wie erfolgende Eingabe ein neues Ziel für den Manipulator vor- geben, zu dem dann eine entsprechende neue Bahnplanung zu ermitteln ist, wel- che zu einer Bewegung des Manipulators aus der vorliegenden, kollisionsgefahr- deten Situation heraus führen soll. Diese Bewegung selbst soll nicht ihrerseits zu einer Kollision führen.
Die Auswahl einer geeigneten Bewegungsrichtung oder eines geeigneten Bewe- gungszieles des Manipulators ist allerdings häufig mit erheblichen Schwierigkei- ten verbunden. Zunächst ist es häufig so, dass der Bediener von seinem örtlichen Arbeitsplatz aus - welcher ganz überwiegend außerhalb der Fertigungszelle im strengen Sinne angeordnet ist - gar keine oder nur eine unzureichende Sicht auf die genaue Stelle hat, an welcher der Manipulator gerade positioniert ist und an welcher die kritische Kollisionslage herrscht, sodass ihm im ersten Augenblick gar nicht notwendigerweise klar ist, welcher vorgesehene Bewegungsvorgang welcher Achse des Manipulators mit welchem Hindernis ein Kollisionsrisiko darstellt.
Selbst wenn zusätzliche Kameras in der Fertigungszelle angeordnet sind, ist kei- neswegs gewährleistet, dass diese tatsächlich eine hilfreiche Ansicht der betref- fenden Stelle liefern können. Hinzu kommt, dass jede installierte Kamera an sich schon eine weitere Hindemiskonrur bildet, wodurch die Bewegungsmöglichkei- ten des Manipulators prinzipiell weiter eingeschränkt werden. Aus diesem Grund ist es für den Bediener häufig schwer zu erkennen, wie denn überhaupt eine Be- wegung des Manipulators aussehen könnte, welche nicht zu einer Kollision son- dern vielmehr zu einer neuen Position des Manipulators mit einem hinreichenden Abstand zu den Hinderniskonturen führt.
In der Praxis versucht man sich häufig damit zu behelfen, dass der Bediener oder ein anderer Mitarbeiter die Fertigungszelle betritt, um eine bessere Sicht auf die problematische Lage des Manipulators zu erhalten. Es versteht sich, dass dies unter dem Gesichtspunkt der Arbeitssicherheit nicht akzeptabel ist. Hinzu kommt, dass beim Versuch des manuellen Herausfuhrens des Manipulators das Risiko einer Kollision durch eine Fehleinschätzung der geometrischen Gegeben- heiten sehr hoch ist und dies regelmäßig zu Schäden am Manipulator, am Bauteil oder an der Fertigungszelle fuhrt und damit auch zu längeren Ausfallzeiten der Fertigungszelle.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht also darin, ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Bewegungssimulation eines Manipu- lators in einer Bearbeitungsumgebung so weiterzuentwickeln, dass die Behebung von Kollisionsrisikosituationen, welche beim Abarbeiten einer Bahnplanung durch den Manipulator eintreten, erleichtert wird.
Das obige Problem wird bezogen auf ein Verfahren zur Bewegungssimulation eines Manipulators in einer Bearbeitungsumgebung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 ge- löst.
Bezogen auf ein Computerprogramm mit Programmcode gemäß dem Oberbe- griff von Anspruch 17 wird das obige Problem durch die Merkmale des kenn- zeichnenden Teils von Anspruch 17 gelöst.
Bezogen auf ein System zur Bewegungssimulation eines Manipulators in einer Bearbeitungsumgebung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 18 wird das obi- ge Problem durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 18 gelöst.
Das vorschlagsgemäße Verfahren dient zur Bewegungssimulation eines Manipu- lators in einer Bearbeitungsumgebung, wobei der Manipulator in einem Arbeits- betrieb von einer Kontroll Vorrichtung bewegt wird und wobei die Bearbeitungs- umgebung in einem Umgebungsmodell abgebildet ist.
Vorliegend ist der Begriff„Manipulator" weit auszulegen. Er umfasst nicht nur den Manipulator im engeren Sinne, sondern schließt auch einen an ihm angeord- neten, beliebigen Endeffektor und sonstige Komponenten ein, welche sich bei einer Bewegung des Manipulators mitbewegen. Bei einer„Kontrollvorrichtung" im Sinne des Vorschlags, welche vorliegend aus einer oder mehreren, ggf. verteilten Einzelvorrichtungen bestehen kann, handelt es sich um eine Vorrichtung zur Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschi- nen - einschließlich von Manipulatoren wie soeben definiert - im Sinne einer numerischen Steuerung oder einer computergestützten numerischen Steuerung, welche Vorrichtung auch Personalcomputer umfassen kann. Die Kontrollvorrich- tung kann nicht nur den Manipulator über seine Achsen gemäß einer von der Kontrollvorrichtung durch Berechnung bestimmten Bahnplanung steuern, son- dern auch weitere Bestandteile des Manipulators wie den Endeffektor und hier insbesondere seine Arbeitsweise kontrollieren. Dementsprechend umfasst das Bewegen des Manipulators durch die Kontroll Vorrichtung neben der eigentlichen Bewegung des Manipulators auch eine etwaige nur vom Endeffektor vorgenom- mene Bewegung oder Tätigkeit. Daneben kann die Kontrollvorrichtung noch weitere rechnergestützte Aufgaben wahrnehmen.
Der Begriff„Bearbeitungsumgebung" im vorliegenden Sinne umfasst nicht nur die Fertigungszelle mit ihren Komponenten, sondern auch das Werkstück selbst und alle weiteren Objekte, welche sich in dem von dem Manipulator erreichba- ren Raum befinden. Mithin können auch Bestandteile des Manipulators zu der Bearbeitungsumgebung in diesem Sinne gezählt werden, eine Überlappung für die hier relevanten Zwecke ist also ausdrücklich nicht ausgeschlossen.
Entsprechend dieser Begriffsbestimmung ist wiederum unter dem Begriff des „Umgebungsmodells" ein datentechnisches Berechnungsmodell für zumindest Teile der Bearbeitungsumgebung im obigen Sinne zu verstehen, welches Be- rechnungsmodell als Grundlage für eine Modellbildung im Rahmen einer Bahn- planung und für eine Kollisionsprüfung dienen kann. Diese zumindest teilweise Abbildung der Bearbeitungsumgebung in dem Umgebungsmodell kann darin be- stehen, dass nur die wesentlichen Elemente und nicht notwendigerweise jede Einzelheit der Bearbeitungsumgebung in dem Umgebungsmodell abgebildet ist. Bevorzugt ist, dass die Bearbeitungsumgebung in dem Umgebungsmodell voll- ständig abgebildet ist.
Wesentlich für das vorschlagsgemäße Verfahren ist nun, dass eine Bahnplanung durch die Kontroll Vorrichtung aus einer Soll-Bewegung des Manipulators ausge- hend von einer Ausgangslage und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators berechnet wird. Ferner wird eine kinematische Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung, dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmo- dell durchgeführt und ein Prädiktionsergebnis basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung erzeugt.
Unter der„Soll-Bewegung" des Manipulators ist jedwede Vorgabe, insbesondere durch den Bediener, einer von dem Manipulator auszuführenden Bewegung zu verstehen. Eine solche Vorgabe kann aus einem speziellen Zielpunkt bzw. einer speziellen Zielkoordinate des Manipulators und speziell seines Tool Center Points (TCP) bestehen oder aus der Vorgabe einer gewünschten Bewegungsrich- tung des Manipulators bzw. des Tool Center Points mit oder ohne gleichzeitiger Bestimmung der Länge oder der Dauer der Bewegung oder des gewünschten Endpunktes. Die Soll-Bewegung kann auch mehrere Bewegungsabschnitte mit jeweils einzunehmenden Zwischenpositionen umfassen.
Der Begriff der„Ausgangslage" meint vorliegend jede mechanische oder elektri- sche Zustandseigenschaft des Manipulators, welche dieser Manipulator anneh- men kann, so zum Beispiel seine geometrische Position, die Konfiguration der Achsen, die Stellung jedes Aktors am Manipulator oder am Endeffektor etc. Statt „Ausgangslage" könnte also auch ausführlicher„Ausgangslage des Manipula- tors" formuliert werden.
Entsprechend bezeichnet der Begriff des„Kinematikmodells" ein kinematisches Manipulatormodell mit Daten, welche für eine elektronische Abbildung der Ki- nematik des Manipulators und seiner Ausgangslage im obigen Sinne geeignet sind, insbesondere zum Zwecke einer Bewegungsberechnung des Manipulators. Die„Bahnplanung" wiederum ist entsprechend der etwa von der Kontrollvor- richtung erzeugte, zukünftige Ablauf der Bewegung für alle von der Kontrollvor- richtung steuerbaren Teile des Manipulators, einschließlich des Endeffektors und insbesondere umfassend die Achsen des Manipulators.
Unter dem Begriff der„kinematischen Kollisionsprüfung" ist eine Berechnung zu verstehen, welche darüber Auskunft gibt, ob und inwieweit beim Ausführen der Bahnplanung durch den Manipulator eine Kollision des Manipulators oder eines seiner Bestandteile mit einem Teil der Bearbeitungsumgebung, soweit die- ses in dem Umgebungsmodell abgebildet ist, erfolgen kann. Das Ergebnis einer solchen Kollisionsprüfung kann sowohl binär sein, also lediglich eine Kollision bzw. ein bestimmtes Kollisionsrisiko bejahen oder verneinen, als auch für die Bahnplanung insgesamt oder für jeden Abschnitt oder Punkt der Bewegungs- strecke gemäß der Bahnplanung eine prozentuale oder auf sonstige Weise be- schriebene Wahrscheinlichkeit oder einen sonstigen Gradmesser für das Auftre- ten einer Kollision liefern. Dabei kann die Kollisionsprüfung gleichzeitig auch die Prüfung auf das Auftreten von Singularitäten umfassen. Bei dieser kinemati- schen Kollisionsprüfung ist nicht nur die Bewegung des Manipulators gemäß der Bahnplanung zu berücksichtigen, sondern auch eine etwaige, gleichzeitig erfol- gende Bewegung der Bearbeitungsumgebung oder ihrer Teile. So kann etwa vorgesehen sein, dass sich zeitgleich zur Bewegung des Manipulators auch ein Aufspannrahmen für das zu bearbeitende Werkstück zusammen mit dem Werk- stück bewegt. Aufspannrahmen und Werkstück sind - wie bereits festgestellt - in diesem Kontext zur Bearbeitungsumgebung zu zählen. In so einem Fall ist auch das Umgebungsmodell als zeitlich variabel und dementsprechend nicht statisch zu verstehen.
Schließlich gibt das auf dieser kinematischen Kollisionsprüfung basierende Prä- diktionsergebnis Aufschluss darüber, ob die Soll-Bewegung des Manipulators er- laubt ist oder nicht. Das Prädiktionsergebnis kann auch die Aussage beinhalten, dass die Soll-Bewegung nur unter bestimmten Umständen, z.B. mit einer gleich- zeitigen bestimmten Bewegung des Bauteilträgers, erlaubt ist. Mit anderen Wor- ten wird als Ergebnis der möglicherweise komplexen kinematischen Kollisions- prüfung das Prädiktionsergebnis erzeugt.
Wesentlich bei dem vorschlagsgemäßen Verfahren ist nun, dass die Ausgangsla- ge dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht. Es wird also für die Berech- nung der Bahnplanung - und damit auch für die darauf beruhende kinematische Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionsergebnisses - der tatsächli- che, aktuelle Manipulatorzustand als Ausgangslage verwendet. Mit anderen Worten entspricht die Ausgangslage, welche der Berechnung der Bahnplanung aus der Soll-Bewegung zugrunde liegt, nicht einer fiktiven oder projizierten, ver- gangenen oder zukünftigen Situation oder Lage oder einem solchen Zustand des Manipulators, sondern vielmehr der tatsächlichen Situation und Lage und dem tatsächlichen Zustand des Manipulators. Dabei kann die Feststellung des tatsäch- lichen Zustands grundsätzlich sowohl auf einer sensorischen Erfassung des Ma- nipulators als auch auf einer Berechnung des tatsächlichen Zustande des Manipu- lators gemäß einem bekannten vorherigen Zustand und einer bekannten ausge- führten Bewegung oder auch auf einer Kombination beider Ansätze beruhen.
Jedenfalls ist auf diese Weise gewährleistet, dass das Prädiktionsergebnis auf ei- ner Kollisionsprüfung basiert, welche sich auf den aktuellen, tatsächlichen Zu- stand des Manipulators und eine Bahnplanung ausgehend von diesem tatsächli- chen Zustand stützt. Mithilfe des Prädiktionsergebnisses kann also beurteilt wer- den, ob die der Soll-Bewegung entsprechende Bahnplanung durch den tatsächli- chen Manipulator ohne Kollisionsrisiko ausgeführt werden kann. Dies ermög- licht,„online" und also zeitgleich zum laufenden Betrieb eine bestimmte Bewe- gung auf ihr Kollisionsrisiko und damit auf ihre Zulässigkeit zu überprüfen.
Ein Bediener, welcher den Manipulator aus einer kritischen, wie oben beschrie- ben kollisionsgefährdeten Lage wegbewegen möchte, kann also einfach auf das Prädiktionsergebnis einer vorgeschlagenen Soll-Bewegung vertrauen um zu er- fahren, ob diese und die entsprechende Bahnplanung eine zu einer Kollision füh- ren könnte oder nicht. Eine auf eigener Intuition beruhende, notwendigerweise nicht 100% zuverlässige Abschätzung des komplexen kinematischen Sachver- halts muss nicht mehr vorgenommen werden. Stattdessen kann man sich auf die vorausschauende Berechnung des vorschlagsgemäßen Verfahrens verlassen.
Wie gemäß Anspruch 2 vorgeschlagen ist es besonders bevorzugt, dass das Prä- diktionsergebnis auch ausgegeben wird, so dass der Bediener davon Kenntnis er- halten kann. Eine besonders anschauliche Ausgabe kann durch eine Visualisie- rung erzielt werden.
Von besonderem Interesse ist eine Echtzeit-Ausgabe des Prädiktionsergebnisses, wie sie von der bevorzugten Ausfuhrungsform gemäß Anspruch 3 vorgeschlagen wird. In so einem Fall nimmt der Bediener eine - jedenfalls gefühlt - sofortig und also ohne Zeitverlust erfolgende Rückmeldung auf eine Änderung der Soll- Bewegung oder des Manipulatorzustands wahr, so dass er in Echtzeit darüber in Kenntnis gesetzt werden kann, ob die Soll-Bewegung ohne Kollision möglich ist oder nicht. Diese Rückmeldung in Echtzeit stellt eine dramatische Verbesserung der Ergonomie dar. Die diesbezügliche bevorzugte Weiterentwicklung gemäß Anspruch 4 stellt weiter sicher, dass das Prädiktionsergebnis vor einer Ausfüh- rung der Bewegung des Manipulators vorliegt.
Grundsätzlich kann die Soll-Bewegung des Manipulators auf beliebige Art und Weise beschrieben werden, so etwa auch durch Daten in einer Computerdatei. Der Anspruch 5 bezieht sich auf eine ergonomisch besonders interessante Einga- be der Soll-Bewegung durch eine Bedieneinrichtung, etwa durch einen Steuer- knüppel oder dergleichen.
Ein besonders geeignetes Hilfsmittel zur Kollisionsprüfung besteht darin, die Bahnplanung des Manipulators und das Umgebungsmodell in einen Virtuellzu- stand abzubilden, wie es vom Anspruch 6 vorgeschlagen und durch die Ansprü- che 7 und 8 weiterentwickelt wird. Auf diese Weise können virtuelle, in die Zu- kunft gemäß der Bahnplanung projizierte Zustände des Manipulators auch auf eine besonders aussagekräftige Art und Weise dem Bediener dargestellt werden.
Die bevorzugte Ausfuhrungsform gemäß dem Anspruch 9 wiederum sieht auch eine wiederholte Bereitstellung der tatsächlichen Ausgangslage durch die Kon- trollvorrichtung vor, so dass die kinematische Kollisionsprüfung jederzeit auf dem tatsächlichen Manipulatorzustand mit einer allenfalls vernachlässigbaren Zeitverzögerung beruht.
Die bevorzugte Ausführungsform gemäß dem Anspruch 10 macht sich die Mög- lichkeit zunutze, auf einer von der Kontrollvorrichtung separaten Rechenvorrich- tung ein Computerprogramm ablaufen zu lassen, welches die Bahnplanung der Kontrollvorrichtung vollständig und identisch abbildet. Auf diese Weise kann auch die kinematische Kollisionsprüfung unabhängig aber zeitgleich zu der Bahnplanung der Kontrollvorrichtung durchgeführt werden. Gerade dieser, der herkömmlichen Denkweise widersprechende Ansatz, welcher den parallelen und damit scheinbar redundanten Ablauf zweier identischer Bahnplanungen vorsieht, erleichtert die Verwirklichung einer Kollisionsprädiktion in Echtzeit.
Um das Auftreten von Kollisionen so weit wie möglich zuverlässig zu unterbin- den, schlägt die bevorzugte Ausführungsform gemäß dem Anspruch 11 eine Verhinderung der Ansteuerung des Manipulators vor, wenn diese Ansteuerung gemäß dem Prädiktionsergebnis zu einer Kollision oder zu einem inakzeptablen hohen Risiko einer Kollision fuhren würde. Auf diese Weise kann auch unbe- wussten Bedienfehlern vorgebeugt werden.
Schließlich ermöglicht die bevorzugte Ausführungsform gemäß dem Anspruch 12 ein besonders genaues Kinematikmodell oder Umgebungsmodell, indem die- se nämlich auf Modelldaten in elektronischer Form, wie sie etwa von Konstruk- tionsprogrammen zur Verfügung gestellt werden, gestützt sind.
Die bevorzugten Ausgestaltungen der Ansprüche 13 bis 15 betreffen die Mög- lichkeit, bei der Bahnplanung eine Anpassung des Kinematikmodells vorzuneh- men, um Umgebungseinflüsse wie etwa Temperatureffekte zu kompensieren, welche eine Abweichung zwischen einer Soll-Position und einer Ist-Position des Manipulators begründen können. Eine solche Kompensation wird dann bevor- zugt auch bei der kinematischen Kollisionspriifung und bei dem Erzeugen des Prädiktionsergebnisses berücksichtigt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Gesamtansicht einer Anordnung einer Fertigungszelle mit
dazugehörigen Komponenten gemäß einem ersten Ausführungsbei- spiel, welche Anordnung zur Ausführung des vorschlagsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung von Bestandteilen der Kontrollvor- richtung aus der Anordnung der Fig. 1,
Fig. 3a-c einen Manipulator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel so- wie Darstellungen dieses Manipulators durch eine Visualisierungs- vorrichtung im Zusammenhang mit dem vorschlagsgemäßen Ver- fahren.
Die vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen einen Manipulator 1 a,b in einer Fertigungszelle, in welcher Fertigungszelle an Flugzeugstrukturbau- teilen Nietverbindungen durch eine Nietmaschine gesetzt werden. Der Manipula- tor la,b ist NC-gesteuert. Bei der Fertigungszelle des ersten, in der Fig. 1 wie- dergegebenen Ausfuhrungsbeispiels handelt es sich um eine integrierte Sektions- Bestückungszelle (Integrated Section Assembly Cell) zur Bearbeitung von 360°- Flugzeugrumpfsektionen. Die Nietmaschine bildet den Endeffektor 2a des Mani- pulators la, bei welchem es sich vorliegend um einen 12-Achs-Positionierer handelt. Die Fertigungszelle beider Ausführungsbeispiele mit all ihren zugeord- neten Bestandteilen bildet jeweils eine Bearbeitungsumgebung 3a,b im Sinne der obenstehenden Begriffsdefinition.
Der Endeffektor 2a lässt sich an der Innenoberfläche eines entlang von Boden- schienen 4 verschiebbaren Fertigungsbogens 5 bewegen, wobei folglich die Bo- denschienen 4 und der Fertigungsbogen 5 jeweils sowohl einen Teil der Bearbei- tungsumgebung 3a als auch des Manipulators 1 a bilden. Auf einem bewegbaren Bauteilträger 6 ist das Werkstück 7a befestigt, bei welchem es sich hier um ein Flugzeugstrukturbauteil handelt. Daneben ist in der Fertigungszelle ein Zu- gangsgerüst 8 für Personal vorgesehen. Entsprechend der bereits erläuterten Be- griffsbestimmung gehören der Bauteilträger 6, das Werkstück 7a und das Zu- gangsgerüst 8 ebenfalls zu der Bearbeitungsumgebung 3a. Weiter gehört zu der Fertigungszelle eine Kontrollvorrichtung 10.
Die Fig. 3a-c, auf welche nachfolgend ebenfalls Bezug genommen wird, geben ein zweites, vereinfachtes Ausführungsbeispiel mit einem Sechs-Achs- Manipulator lb mit Endeffektor 2b wieder, dessen Bearbeitungsumgebung 3b ein Werkstück 7b mit zwei Vorsprüngen 9 umfasst. Der Ausgangszustand des zweiten Ausführungsbeispiels ist dabei in der Fig. 3a wiedergegeben.
Das vorschlagsgemäße Verfahren dient, wie bereits festgestellt, der Bewegungs- simulation eines Manipulators l a,b in einer Bearbeitungsumgebung 3a,b. Beim vorschlagsgemäßen Verfahren wird der Manipulator la.b in einem Arbeitsbe- trieb von einer Kontroll Vorrichtung 10 (für das Ausführungsbeispiel der Fig. 3a-c nicht dargestellt) bewegt, wobei die Bearbeitungsumgebung 3a,b zumindest teil- weise in einem Umgebungsmodell abgebildet ist. Unter„Arbeitsbetrieb" ist hier und nachfolgend ein Betriebsmodus zur bestimmungsgemäßen Bearbeitung von Werkstücken durch den Manipulator zu verstehen. Ein Einmess- oder Probebe- trieb fällt nicht darunter. Das vorschlagsgemäße Verfahren umfasst das Berechnen einer Bahnplanung 12a,b durch die Kontrollvorrichtung 10 aus einer Soll-Bewegung des Manipula- tors 1 a,b ausgehend von einer Ausgangslage 11 a,b des Manipulators 1 a,b und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulatormodells la,b. Zwecks Übersichtlichkeit sind solche Bahnplanungen 12a,b nur für das zweite Ausfüh- rungsbeispiel dargestellt. Die Fig. 3b und 3c beziehen sich auf eine jeweilige Bahnplanung 12a,b, welche beide von der Ausgangslage 11 b des Manipulators 1b gemäß der Fig. 3a ausgehen.
Ferner umfasst das vorschlagsgemäße Verfahren das Durchführen einer kinema- tischen Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung 12a,b, dem Kinema- tikmodell und dem Umgebungsmodell und das Erzeugen eines Prädiktionsergeb- nisses basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung.
Das vorschlagsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aus- gangslage 11 a,b dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht. Auf diese Weise liefert das erzeugte Prädiktionsergebnis eine Aussage darüber, ob und inwiefern eine tatsächliche Ausführung einer Bewegung des Manipulators la,b entlang der von der Kontroll Vorrichtung 10 ermittelten Bahnplanung 12a,b ein Kollisionsri- siko darstellt.
Bevorzugt ist, dass das Verfahren die Ausgabe des Prädiktionsergebnisses durch eine Ausgabevorrichtung 13 umfasst, bei der es sich bevorzugt und wie vorlie- gend um eine Visualisierungsvorrichtung 13a,b handelt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird eine solche Visualisierungsvorrichtung 13a durch den Bildschirm 14 einer Computeranordnung 15 mit einer Rechenvorrichtung 16 und einer Be- dieneinrichtung 17 in Form einer Tastatur gebildet. Die Computeranordnung 15 insgesamt und speziell die Rechenvorrichtung 16 sind mit der Kontrollvorrich- tung 10 über ein Kommunikationsnetzwerk 18 verbunden.
Vorliegend und wie in der Fig. 2 genauer dargestellt handelt es sich bei der Kon- trollvorrichtung 10 um das modulare System SINUMERIK® 840D sl 19, wel- ches eine SINAMICS® S 120 als Antriebssystem 20 sowie eine NCU 720.3ON als numerische Steuereinheit 21 und eine PCU 50.5-P als Rechnereinheit 22 um- fasst. Ein SINUMERIK® Operator Panel OP 019 23 kann ebenfalls eine Visuali- sierungsvorrichtung 13b zur Ausgabe des Prädiktionsergebnisses bilden. Das SINUMERIK® Operator Panel OP 019 23 kann ferner eine Bedienoberfläche 24 in Gestalt eines Tastfeldes aufweisen.
Zur Verkürzung der Iterationsdauern und für eine möglichst komfortable Bedie- nung soll dem Bediener eine als quasi sofortig wahrgenommene Rückmeldung über seine Eingabe - also die von ihm geforderte Soll-Bewegung - gegeben wer- den. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass das Durchführen der kinemati- schen Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionsergebnisses innerhalb einer vorbestimmten Rechenzeit nach einer Änderung und/oder Eingabe der Soll-Bewegung erfolgen. Insbesondere soll eine Echtzeit-Ausgabe des Prädikti- onsergebnisses durch die Ausgabevorrichtung 13, im vorliegenden Fall speziell durch die Visualisierungsvorrichtung 13a,b, bereitgestellt werden. Der Begriff der„Echtzeit- Ausgabe" ist in einem ersten, allgemeinen Sinne wie obenstehend umschrieben zu verstehen, dass also eine maximale Rechenzeit vorgegeben ist, innerhalb welcher das Prädiktionsergebnis durch die Ausgabevorrichtung 13 bzw. die Visualisierungsvorrichtung 13a,b bereitgestellt wird. Vom Bediener wird eine Ausgabe als Reaktion auf eine Eingabe subjektiv dann als in Echtzeit erfolgend wahrgenommen, wenn die Ausgabe innerhalb von 50 Millisekunden nach der Eingabe erfolgt. Diese gefühlte Reaktion in Echtzeit ist dann besonders deutlich, wenn die Ausgabe sogar innerhalb von 10 Millisekunden nach der Ein- gabe erfolgt. Folglich ist besonders bevorzugt dass die Ausgabe des Prädiktions- ergebnisses durch die Ausgabevorrichtung 13 bzw. durch die Visualisierungsvor- richtung 13a,b innerhalb von 50 Millisekunden und insbesondere innerhalb von 10 Millisekunden nach einer Änderung und/oder Eingabe der Soll-Bewegung er- folgt.
Das Prädiktionsergebnis kann von der Kontrollvorrichtung 10 selbst schon als Freigabesignal für eine bewegende Ansteuerung des Manipulators la,b verwen- det werden. Dementsprechend erfolgt eine solche Ansteuerung bevorzugt erst dann, wenn das Prädiktionsergebnis für eine Ansteuerung gemäß der Bahnpla- nung keine Kollision vorhersagt. Mit anderen Worten wird bevorzugt das Prädik- tionsergebnis erzeugt, bevor der Manipulator la,b gemäß der Bahnplanung 12a,b von der Kontrollvorrichtung 10 bewegt wird.
Besonders sinnvoll ist eine solche Echtzeit-Ausgabe, wenn auch die entspre- chende Eingabe der Soll-Bewegung nicht durch das Auslesen einer Datei oder einen ähnlichen Vorgang erfolgt, sondern durch ein manuelles Eingreifen des Bedieners. Bevorzugt ist also, dass das Verfahren die Annahme einer Eingabe - und hier insbesondere einer Eingabe durch Handbetrieb - der Soll-Bewegung durch eine Bedieneinrichtung 17 umfasst. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei der Bedieneinrichtung 17 um die genannte Tastatur der Computeranord- nung 19, ebenso in Frage kommt allerdings die Bedienoberfläche 24 des SINUMERIK® Operator Panel OP 019 23 oder ein - hier nicht gezeigter - Steu- erknüppel der Computeranordnung 15 oder der Kontrollvorrichtung 10.
Sehr anschaulich ist eine Ausgabe, welche den zukünftigen Zustand des Manipu- lators la,b in der Bearbeitungsumgebung 3a, 3b grafisch darstellt. Daher ist es bevorzugt, dass das vorschlagsgemäße Verfahren die Ausgabe eines Virtuellzu- stands 25a,b basierend auf der Bahnplanung 12a,b und dem Umgebungsmodell umfasst. Unter dem Begriff des Virtuellzustands 25a,b ist die elektronische Ab- bildung einerseits des Manipulators la,b basierend auf dem Kinematikmodell nach Ausführung der Bahnplanung 12a,b ausgehend von der Ausgangslage 11 a,b und andererseits der Bearbeitungsumgebung 3a,b basierend auf dem Umge- bungsmodell, ebenfalls nach Ausführung der Bewegung des Manipulators la,b, zu verstehen. Mit anderen Worten bezeichnet der Virtuellzustand 25a,b ein um- fassendes rechnerisches Modell des Manipulators la,b und der Bearbeitungsum- gebung 3a,b nach einer Bewegung des Manipulators l a,b entlang der Bahnpla- nung 12a,b. Der Virtuellzustand 25a,b kann dabei auch eine etwaige in der rele- vanten Zeit erfolgende Bewegung der Bearbeitungsumgebung 3a,b insgesamt oder einzelner Teile von ihr berücksichtigen. Eine solche Bewegung könnte etwa im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 aus einer Drehung des Bauteilträgers 6 mit dem Werkstück 7a bestehen.
Diese bevorzugte Ausgestaltung lässt sich dadurch weiterentwickeln, dass die Ausgabe des Virtuellzustands 25a,b die Ausgabe einer Ansicht 26a,b eines SD- Modells des Manipulators la,b und der Bearbeitungsumgebung 3a,b umfasst. Bei diesem 3D-Modell handelt es sich um eine zur Darstellung geeignete Repräsen- tierung des Virtuellzustands 25a,b und also des Zustande des Manipulators la,b und der Bearbeitungsumgebung 3a,b nach erfolgter Bewegung gemäß der Bahn- planung 12a,b. Die Ansicht 26a,b ist wiederum die zweidimensionale Darstel- lung, welche sich aus diesem 3 D-Modell und dem Blickwinkel eines - gedachten - Betrachters ergibt und welche somit zur Wiedergabe auf einer herkömmlichen Visualisierungsvorrichtung 13a,b geeignet ist.
Die Fig. 3b und 3c geben beispielhaft jeweils eine solche Ansicht 26a,b wieder, welche etwa auch auf dem Bildschirm 14 der Computeranordnung 15 der Fig. 1 denkbar wiedergegeben werden könnten, wobei zwecks Einfachheit der Darstel- lung in den Fig. 3b und 3c nicht zwischen der Ansicht 26a,b und dem der An- sicht zugrundeliegenden Virtuellzustand 25a,b grafisch unterschieden wird. Vorzugsweise ist der der Darstellung zugrundeliegende Blickwinkel einstellbar, so dass die Ansicht 26a,b des 3D-Modells des Manipulators la,b und der Bear- beitungsumgebung 3a,b auf einem einstellbaren Blickwinkel basiert. Damit kann der Bediener für die Ansicht 26a,b eine Perspektive wählen, welche zur Erfas- sung der vorliegenden Kollisionssituation besonders geeignet ist.
Die Ausgabe des Virtuellzustands 25a,b kann auch so gestaltet sein, dass auf gra- fisch besonders leicht erkennbare Weise gekennzeichnet wird, ob das Prädikti- onsergebnis eine Kollisionssituation bzw. ein Kollisionsrisiko anzeigt oder ob es das Nichtvorhandensein einer solchen Kollisionssituation oder eines solchen Kollisionsrisikos anzeigt. So zeigt etwa in der Fig. 3b die Ansicht 26a einen Vir- tuellzustand 25a, bei welchem - gemäß dem Prädiktionsergebnis - die Bahnpla- nung 12a zu einer projizierten Kollision des Manipulators 1 b mit einem Vor- sprung 9 des Werkstücks 7b geführt hat, was aus der Ansicht 26a für den Bedie- ner durch das Kollisionspiktogramm 27 deutlich gemacht wird. Der Bediener wird also anschaulich gewarnt, dass diese Bahnplanung 12a nicht ausgeführt werden sollte. Alternativ oder zusätzlich zu dem Kollisionspiktogramm 27 könn- te die Ansicht 26a zwecks Warnung auch in einer Warnfarbe - z.B. in Rot - ver- färbt werden. Umgekehrt geht aus der Ansicht 26b der Fig. 3c ebenso deutlich hervor, dass ei- ne Bewegung gemäß der Bahnplanung 12b ohne ein Kollisionsrisiko ausgeführt werden kann. Vorliegend geschieht dies durch eine Darstellung der Bahnplanung 12b ohne ein Kollisionspiktogramm, wobei auch hier zusätzlich eine Wiedergabe der Ansicht 26a in einer Freigabefarbe - etwa in Grün - vorgesehen sein kann. Eine Echtzeitzeit- Ausgabe im bereits obenstehend definierten Sinne ist für den Bediener auch bei der Ausgabe des Virtuellzustands 25a,b vorteilhaft. Folglich ist es bevorzugt, dass die Ausgabe des Virtuellzustands 25a,b durch die Visuali- sierungsvorrichtung 13a,b innerhalb eines vorbestimmten Visualisierungszeit nach einer Änderung und/oder Eingabe der Soll-Bewegung erfolgt, so dass eine Echtzeit-Ausgabe des Virtuellzustands 25a,b durch die Visualisierungsvorrich- tung 13a,b bereit gestellt wird. Die Echtzeit-Ausgabe wird, wie bereits bemerkt, dann besonders als„in Echtzeit" wahrgenommen, wenn die vorbestimmte Visua- lisierungszeit 50 Millisekunden oder sogar 10 Millisekunden beträgt. Im Falle der bevorzugten Ausgabe des Ansicht 26a,b des 3D-Modells des Manipulators la,b wie soeben beschrieben gilt dies für diese Ausgabe der Ansicht 26a,b ent- sprechend gleich.
Der Eindruck einer möglichst zeitnah erfolgenden Prädiktion der Bewegung des Manipulators la,b wird nicht nur durch eine Echtzeit- Ausgabe wie oben be- schrieben als Reaktion auf die Eingabe oder Änderung der Soll-Bewegung er- reicht, sondern auch dadurch, dass eine sich während der Bewegung des Manipu- lators l a,b ändernde Lage des Manipulators l a,b kontinuierlich berücksichtigt und angezeigt wird. Dementsprechend ist es vorteilhaft, dass die Ausgangslage 11 a,b wiederholt und vorzugsweise innerhalb eines vorbestimmten Aktualisie- rungsintervalls gemäß dem aktuellen Manipulatorzustand aktualisiert wird. Das führt dazu, dass sowohl der kinematischen Kollisionsprüfung als auch dem Er- zeugen des Prädiktionsergebnisses zeitnah die tatsächliche Lage des Manipula- tors la,b zugrunde gelegt wird. Bevorzugt wird die innerhalb des vorbestimmten Akrualisierungsintervalls aktualisierte Ausgangslage 1 la,b auch dem Virtuellzu- stand 25a,b und ebenso der Ansicht 26a,b zugrunde gelegt, so dass diese dem Bediener auch stets zeitnah aktualisiert ausgegeben werden können. Sinnvoll ist es hier ferner, entsprechend auch das Umgebungsmodell innerhalb des vorbe- stimmten Aktualisierungsintervalls zu aktualisieren.
Die Möglichkeit der externen Simulation der Bahnplanung 12a,b durch die Kon- trollvorrichtung 10 kann dadurch nützlich eingesetzt werden, dass gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Berechnen einer weiteren Bahnplanung durch eine Rechenvorrichtung 16 aus der Soll-Bewegung des Manipulators Ia,b ausge- hend von einer Ausgangslage 1 la,b und basierend auf dem Kinematikmodell des Manipulators la,b durchgeführt wird, wobei die Rechenvorrichtung 16 mittels eines Kommunikationsnetzwerks 18 mit der Kontrollvorrichtung 10 in Verbin- dung steht und wobei das Durchführen der kinematischen Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionsergebnisses in der Rechenvorrichtung 16 durchge- führt wird.
Es wird dementsprechend also die Soll-Bewegung entweder unmittelbar an der Rechenvorrichtung 16 - etwa durch die Bedieneinrichtung 17 - eingegeben oder an der Kontroll Vorrichtung 10 eingegeben und über das Kommunikationsnetz- werk 18 an die Rechenvorrichtung 16 übertragen, welche die Soll-Bewegung des Manipulators la,b in die weitere Bahnplanung abbildet und damit die Bahnpla- nung 12a,b der Kontroll Vorrichtung 10 simuliert im Sinne einer Replikation oder Nachbildung. Dies ist insbesondere deshalb möglich, weil die entsprechende Funktionalität der Kontroll Vorrichtung 10 - einschließlich der Verarbeitung des Umgebungsmodells und des Kinematikmodells - vollständig als Softwarecode auf der Rechenvorrichtung 16 nachgebildet werden kann. Dementsprechend werden die kinematische Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionser- gebnisses entweder zusätzlich zum jeweiligen Vorgang auf der Kontrollvorrich- tung 10 in der Rechenvorrichtung 16 durchgeführt oder erfolgen ausschließlich auf der Rechenvorrichtung 16.
Zur Vermeidung von Doppeldatenbeständen können das Kinematikmodell und das Umgebungsmodell auch von der Kontrollvorrichtung 10 an die Rechenvor- richtung 16 über das Kommunikationsnetzwerk 18 übertragen werden.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Rechenvorrichtung 16 das Berechnen der Bahnplanung 12a,b der Kontroll Vorrichtung 10 so nachbildet, dass die weite- re Bahnplanung der Rechen Vorrichtung 16 der Bahnplanung 12a,b der Kontroll- vorrichtung 10 entspricht. Es wird also die Berechnungsfunktion so repliziert, dass für die kinematische Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktions- ergebnisses auf die Bahnplanung 12a,b der Kontrollvorrichtung 10 nicht zurück- gegriffen werden muss, sondern gleich die weitere Bahnplanung der Rechenvor- richtung 16 verwendet werden kann. Darüber hinaus können diese Vorgänge in der Rechenvorrichtung 16 unabhängig und potentiell auch schneller als durch die Kontrollvorrichtung 10 durchgeführt werden, was die Verwirklichung einer Echtzeit-Ausgabe gemäß den bereits beschriebenen bevorzugten Ausführungs- formen erleichtert. Eine besonders geeignete Schnittstelle zwischen der Kontroll Vorrichtung 10 und der Rechenvorrichtung 16 kann dadurch geboten werden, dass als Kommunikati- onsnetzwerk 18 eine Ethemet-Verbindung gewählt wird auf welcher TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) als Protokollstapel bzw. Teil des Protokollstapels verwendet wird. Hierauf aufbauend können zum Datenaus- tausch zwischen der Rechenvorrichtung 16 und der Kontroll Vorrichtung 10 ent- sprechende Programmbibliotheken wie COM (Component Object Model), DCOM (Distributed Component Object Model), RPC (Remote Procedure Call), OCX (Object Linking and Embedding Control eXtension) oder deren Weiter- entwicklungen verwendet werden.
Ein tatsächliches Verhindern von Bedieneraktionen, welche sonst zu einer Kolli- sion führen könnten, wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Kontrollvorrich- tung 10 eine Ansteuerung des Manipulators I a,b gemäß der Bahnplanung 12a,b verhindert, wenn das Prädiktionsergebnis ein Kollisionsrisiko bzw. ein Kollisi- onsergebnis ausgibt. Dieses Verhindern der Ansteuerung des Manipulators 1 a, b durch die Kontrollvorrichtung 10 kann insbesondere auf Anweisung der Rechen- vorrictung 16 erfolgen. Ein solches Verhindern könnte beispielsweise in dem in der Fig. 3b dargestellten Fall eines solchen Prädiktionsergebnisses vorgesehen sein. Eine entsprechende Aktion des Bedieners zum Veranlassen einer solchen Ansteuerung würde also von der Kontrollvorrichtung 10 aktiv blockiert werden. Im in der Fig. 3c dargestellten Fall hingegen würde eine solche Blockierung nicht erfolgen.
Die Erstellung des Kinematikmodells und des Umgebungsmodells wird verein- facht wenn, wie bevorzugt, das Kinematikmodell und/oder das Umgebungsmo- dell auf Modelldaten in elektronischer Form basiert. Dabei kann es sich auch um Modelldaten handeln. Diese können von entsprechenden Computerprogrammen wie etwa CATIA® bzw. von den von diesen Computerprogrammen erzeugten Dateien stammen.
Bevorzugt ist es, dass das Kinematikmodell angepasst wird, um eine umge- bungsbedingte Abweichung zwischen der Soll-Bewegung und einer Ist- Bewegung des Manipulators l a,b zu kompensieren. So können etwa Tempera- turveränderungen am Manipulator zu einer Ausdehnung bestimmter Teile des Manipulators führen. Eine Ansteuerung des Manipulators 1 a,b gemäß der Bahn- planung 12a,b führt dann zu einer tatsächlichen Bewegung, welche von derjeni- gen gemäß der Bahnplanung 12a,b abweicht. Wenn der Zusammenhang zwi- schen Temperatur und solchen Ausdehnungen aber bekannt ist, kann eine solche Abweichung berücksichtigt und somit kompensiert werden. Neben der Tempera- tur können auch auf den Manipulator wirkende Kräfte, wie z. B. Prozesskräfte, eine Abweichung im obigen Sinne begründen.
Vorzugsweise erfolgt diese Anpassung vor dem Durchführen der kinematischen Kollisionsprüfung. Insoweit wird sie dann sowohl bei dem Durchführen der ki- nematischen Kollisionsprüfung als auch bei dem Erzeugen des Prädiktionsergeb- nisses berücksichtigt. Die Anpassung kann auch bereits vor dem Berechnen der Bahnplanung 12a,b erfolgen und dann vorzugsweise bei dem Berechnen der Bahnplanung I2a,b berücksichtigt werden.
Bevorzugt ist weiter, dass die Kompensation auf einem von einem Kompensati- onssensor 28a gemessenen Ist-Wert basiert, welcher Ist-Wert mit insbesondere hinterlegten Kompensationsparametern verarbeitet wird. Bei diesem Kompensa- tionssensor 28a kann es sich - gemäß der Darstellung in den Fig. 3a-c - um ei- nen Temperatursensor handeln. Die Verarbeitung mit Kompensationsparametern kann insbesondere eine Multiplikation mit Kompensationskoeffizienten umfas- sen. Das Ergebnis der Verarbeitung kann dann auf das Kinematikmodell ange- wandt werden. Denkbar ist auch, dass die Kompensation die Modelldaten an- passt, auf welchen das Kinematikmodell vorzugsweise basiert. Die Kompensati- onsparameter können auf einem Einmessvorgang basieren, welcher in einem Einmessbetrieb vor dem Arbeitsbetrieb durchgeführt wurde.
Gemäß dem Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 3a-c ist bevorzugt vorgesehen, dass die Abweichung auf einer Ist-Temperatur an dem Manipulator la,b - vorzugs- weise von dem Kompensationssensor 28 gemessen - basiert und der gemessene Ist-Wert die Ist-Temperatur ist. Es handelt sich also um eine Temperaturkom- pensation. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die Kompensationsparameter Temperaturkoeffizienten umfassen, mit denen die gemessene Ist- Temperatur verarbeitet wird. Weiter ist es bevorzugt, dass die Kompensation durch die Kontrollvorrichtung 10 und/oder durch die Rechenvorrichtung 16 durchgeführt wird. Es kann also auch die Rechenvorrichtung 16 - mittelbar oder unmittelbar - den Ist-Wert zur Verar- beitung erhalten. Dabei kann vorzugsweise die durch die Rechenvorrichtung 16 durchgeführte Kompensation die durch die Kontroll Vorrichtung 10 durchgeführte Kompensation nachbilden.
Die Ausgangslage 11 a,b des Manipulators 1 a,b kann entweder durch eine be- kannte vorherige Lage des Manipulators la,b und bekannte nachfolgende Bewe- gungen bestimmt werden oder, wie bevorzugt wird, durch eine Sensorvorrich- tung 28 erfasst werden. Gleichermaßen kann auch die Bearbeitungsumgebung 3a,b für die Abbildung in dem Umgebungsmodell durch eine Sensorvorrichtung 28 erfasst werden. Eine solche Sensorvorrichtung 28 kann eine Vielzahl von se- paraten Sensoren umfassen, welche auch nach jeweils unterschiedlichen physika- lischen Prinzipien funktionieren und ggf. miteinander sowie mit der Kontrollvor- richtung 10 und der Rechenvorrichtung 16 nachrichtentechnisch kommunizieren, etwa über das Kommunikationsnetzwerk 18.
Das vorschlagsgemäße Computerprogramm weist Programmcode zur Durchfüh- rung der folgenden Schritte zur Bewegungssimulation eines Manipulators la,b auf, wenn das Computerprogramm in einem Computer ausgeführt wird: Berech- nen einer Bahnplanung 12a,b aus einer Soll-Bewegung des Manipulators la,b in einer Bearbeitungsumgebung 3a,b, welche zumindest teilweise in einem Umge- bungsmodell abgebildet ist, ausgehend von einer Ausgangslage 1 la,b und basie- rend auf einem Kinematikmodell des Manipulators la,b, Durchführen einer ki- nematischen Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung 12a,b, dem Ki- nematikmodell und dem Umgebungsmodell und Erzeugen eines Prädiktionser- gebnisses basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung. Das vorschlags- gemäße Computerprograrnm ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage 1 la,b dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht.
Vorschlagsgemäß ist auch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die folgenden Schritte ausge- führt werden, wenn das Produkt auf einem Computer läuft: Berechnen einer Bahnplanung 12a,b aus einer Soll-Bewegung des Manipulators la,b in einer Be- arbeitungsumgebung 3a,b, welche zumindest teilweise in einem Umgebungsmo- dell abgebildet ist, ausgehend von einer Ausgangslage 11 a,b und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators I a,b, Durchfuhren einer kinemati- schen Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung 12a,b, dem Kinematik- modell und dem Umgebungsmodell und Erzeugen eines Prädiktionsergebnisses basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung. Dieses vorschlagsgemäße Computerprogrammprodukt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage 1 la,b dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht
Das vorschlagsgemäße System zur Bewegungssimulation eines Manipulators la,b in einer Bearbeitungsumgebung 3a,b, welcher in einem Umgebungsmodell abgebildet ist, weist eine Kontrollvorrichtung 10 auf, welche dazu eingerichtet ist, den Manipulator la,b in einem Arbeitsbetrieb zu bewegen und dazu einge- richtet ist, eine Bahnplanung 12a,b aus einer Soll-Bewegung des Manipulators la,b ausgehend von einer Ausgangslage 1 la,b und basierend auf einem Kinema- tikmodell des Manipulators l a,b zu berechnen und weist eine Rechenvorrichtung 16 auf, welche dazu eingerichtet ist, eine kinematische Kollisionsprüfung basie- rend auf der Bahnplanung 12a,b, dem Kinematikmodell und dem Umgebungs- modell durchzuführen und ein Prädiktionsergebnis basierend auf der kinemati- schen Kollisionsprüfung zu erzeugen. Das vorschlagsgemäße System ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage 11 a,b dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht.
Bevorzugte Ausgestaltungen des vorschlagsgemäßen Computerprogramms und des vorschlagsgemäßen Systems zur Bewegungssimulation ergeben sich jeweils aus den bevorzugten Ausgestaltungen des vorschlagsgemäßen Verfahrens.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bewegungssimulation eines Manipulators ( 1 a,b), vorzugswei- se eines NC-gesteuerten Manipulators (la,b), in einer Bearbeitungsumgebung (3a,b), wobei der Manipulator ( la,b) in einem Arbeitsbetrieb von einer Kontroll- vorrichtung (10) bewegt wird und wobei die Bearbeitungsumgebung (3a,b) zu- mindest teilweise in einem Umgebungsmodell abgebildet ist, das Verfahren um- fassend:
Berechnen einer Bahnplanung (12a,b) durch die Kontroll Vorrichtung (10) aus einer Soll-Bewegung des Manipulators ( la,b) ausgehend von einer Aus- gangslage (l la,b) und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators (la,b),
Durchfuhren einer kinematischen Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung ( 12a,b), dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell und
Erzeugen eines Prädiktionsergebnisses basierend auf der kinematischen Kol- lisionsprüfung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgangslage (1 la,b) dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht.
2. Verfahren zur Bewegungssimulation nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Verfahren die Ausgabe des Prädiktionsergebnisses durch eine Ausgabevorrichtung (13), vorzugsweise eine Visualisierungsvorrichtung (13a,b), umfasst.
3. Verfahren zur Bewegungssimulation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Durchfuhren der kinematischen Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionsergebnisses innerhalb einer vorbestimmten Rechen- zeit nach einer Änderung und/oder der Soll-Bewegung erfolgt, vorzugsweise, dass eine Echtzeit-Ausgabe des Prädiktionsergebnisses durch die Ausgabevor- richtung ( 13), insbesondere durch die Visualisierungsvorrichtung ( 13a,b), bereit- gestellt wird.
4. Verfahren zur Bewegungssimulation nach Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Prädiktionsergebnis erzeugt wird, bevor der Manipulator (l a,b) gemäß der Bahnplanung ( 12a,b) von der Kontrollvorrichtung ( 10) bewegt wird.
5. Verfahren zur Bewegungssimulation nach einem der Ansprüche l bis 4, da- durch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Annahme einer Eingabe, insbe- sondere einer Eingabe durch Handbetrieb, der Soll-Bewegung durch eine Be- dieneinrichtung ( 17, 24) umfasst.
6. Verfahren zur Bewegungssimulation nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- durch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Ausgabe eines Virtuellzustands
(25a,b) basierend auf der Bahnplanung (12a,b) und dem Umgebungsmodell um- fasst.
7. Verfahren zur Bewegungssimulation nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Ausgabe des Virtuellzustands (25a,b) die Ausgabe einer An- sicht (26a,b) eines 3D-Modells des Manipulators (la,b) und der Bearbeitungs- umgebung (3a,b) umfasst, vorzugsweise, dass die Ansicht (25a,b) des 3D- Modells des Manipulators ( la,b) und der Bearbeitungsumgebung (2a,b) auf ei- nem einstellbaren Blickwinkel basiert.
8. Verfahren zur Bewegungssimulation nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Ausgabe des Virtuellzustands (25a,b) durch die Visuali- sierungsvorrichtung (13a,b) innerhalb einer vorbestimmten Visualisierungszeit nach einer Änderung und/oder Eingabe der Soll-Bewegung erfolgt, so dass eine Echtzeit-Ausgabe des Virtuellzustands (25a,b) durch die Visualisierungsvorrich- tung ( 13a,b) bereitgestellt wird.
9. Verfahren zur Kollisionsprüfung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage (11 a,b) wiederholt, vorzugsweise inner- halb eines vorbestimmten Aktualisierungsintervalls, gemäß dem aktuellen Mani- pulatorzustand aktualisiert wird.
10. Verfahren zur Kollisionsprüfung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Berechnen einer weiteren Bahnplanung durch eine Re- chenvorrichtung ( 16) aus der Soll-Bewegung des Manipulators (la,b) ausgehend von der Ausgangslage (1 l a,b) und basierend auf dem Kinematikmodeil des Ma- nipulators (la,b) durchgeführt wird, dass die Rechenvorrichtung (16) mittels ei- nes Kommunikationsnetzwerks (18) mit der Kontrollvorrichtung (10) in Verbin- dung steht, und dass das Durchfuhren der kinematischen Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionsergebnisses in der Rechenvorrichtung ( 16) durch- geführt wird, vorzugsweise, dass die Rechen Vorrichtung ( 16) das Berechnen der Bahnplanung ( 12a,b) durch die Kontroll Vorrichtung ( 10) so nachbildet, dass die weitere Bahnplanung der Rechenvorrichtung (16) der Bahnplanung (12a,b) der Kontrollvorrichtung (10) entspricht.
11. Verfahren zur Bewegungssimulation nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontroll Vorrichtung (10) eine Ansteuerung des Manipulators ( la,b) gemäß der Bahnplanung ( 12a,b) verhindert, insbesondere auf Anweisung der Rechen Vorrichtung ( 16), wenn das Prädiktionsergebnis der Bahnplanung ( 12a,b) ein Kollisionsrisiko bzw. ein Kollisionsergebnis angibt.
12. Verfahren zur Bewegungssimulation nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kinematikmodell und/oder das Umgebungs- modell auf Modelldaten in elektronischer Form basiert.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kinematikmodell, vorzugsweise vor dem Durchfuhren der kinematischen Kollisionsprüfung, angepasst wird, um eine umgebungsbedingte Abweichung zwischen der Soll-Bewegung und einer Ist-Bewegung des Manipulators ( la, b) zu kompensieren, vorzugsweise, dass die Kompensation auf einem von einem Kompensationssensor (28a) gemessenen Ist-Wert basiert, welcher Ist-Wert mit Kompensationsparametem verarbeitet wird, insbesondere, dass die Kompensati- on die Modelldaten anpasst.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung auf einer Ist-Temperatur an dem Manipulator ( la, b) basiert und der gemessene Ist-Wert die Ist- Temperatur ist, vorzugsweise, dass die Kompensationsparameter Temperaturkoeffizienten umfassen, mit denen die gemessene Ist- Temperatur verarbeitet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation durch die Kontroll Vorrichtung (10) und/oder durch die Rechen- vorrichtung (16) durchgeführt wird, vorzugsweise, dass die durch die Rechen- vorrichtung (16) durchgeführte Kompensation die durch die Kontrollvorrichtung (10) durchgeführte Kompensation nachbildet.
16. Verfahren zur Bewegungssimulation nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage ( 11 a,b) durch eine Sensorvor- richtung (28) erfasst wird, vorzugsweise, dass die Bearbeitungsumgebung (2) für die Abbildung in dem Umgebungsmodell durch eine Sensorvorrichtung (28) er- fasst wird.
17. Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung der folgenden Schritte zur Bewegungssimulation eines Manipulators (la,b), wenn das Compu- terprogramm in einem Computer ausgeführt wird:
- Berechnen einer Bahnplanung (12a,b) aus einer Soll-Bewegung des Manipula- tors ( la,b) in einer Bearbeitungsumgebung (3a,b), welche zumindest teilweise in einem Umgebungsmodell abgebildet ist, ausgehend von einer Ausgangslage (1 la,b) und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators ( la,b),
- Durchführen einer kinematischen Kollisionsprüfung basierend auf der Bahn- planung (12a,b), dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell und
Erzeugen eines Prädiktionsergebnisses basierend auf der kinematischen Kol- lisionsprüfung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgangslage ( 1 la,b) dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht.
18. System zur Bewegungssimulation eines Manipulators ( l a,b) in einer Bear- beitungsumgebung (3a,b), welche zumindest teilweise in einem Umgebungsmo- dell abgebildet ist, mit:
einer Kontrollvorrichtung (10), welche dazu eingerichtet ist, den Manipula- tor ( la,b) in einem Arbeitsbetrieb zu bewegen und dazu eingerichtet ist, eine Bahnplanung (12a,b) aus einer Soll-Bewegung des Manipulators ( la,b) ausge- hend von einer Ausgangslage (1 la,b) und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators (la,b) zu berechnen und
einer Rechenvorrichtung (16), welche dazu eingerichtet ist, eine kinemati- sche Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung, dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell durchzuführen und ein Prädiktionsergebnis basie- rend auf der kinematischen Kollisionsprüfung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgangslage ( 1 l a,b) dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht.
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