WO2018145917A1 - Vorrichtung und verfahren zur regelung des fahrbetriebs eines ferngesteuerten fahrzeugs mit einem manipulator - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur regelung des fahrbetriebs eines ferngesteuerten fahrzeugs mit einem manipulator Download PDF

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WO2018145917A1
WO2018145917A1 PCT/EP2018/051922 EP2018051922W WO2018145917A1 WO 2018145917 A1 WO2018145917 A1 WO 2018145917A1 EP 2018051922 W EP2018051922 W EP 2018051922W WO 2018145917 A1 WO2018145917 A1 WO 2018145917A1
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WO
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manipulator
vehicle
drive
end effector
control
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PCT/EP2018/051922
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Musa Morena MARCUSSO MANHAES
Martin Voss
Luiz Ricardo Douat
Sebastian Scherer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/001—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/001—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations
    • B63G2008/002—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations unmanned
    • B63G2008/005—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations unmanned remotely controlled

Definitions

  • the invention relates to a device for controlling the driving operation of a remote-controlled vehicle with a manipulator and a suitable operating method for this purpose.
  • the invention finds application in underwater robots (so-called Remotely Operated Vehicles, ROVs), ie underwater vehicles with manipulators, which are e.g. remotely perform repair work and / or maintenance tasks.
  • ROVs Remotely Operated Vehicles
  • a single operator could alternately control the vehicle and the manipulator, e.g.
  • the vehicle is temporarily parked at the seabed at a fixed position so that it is fixed in position. Then, the operator could switch between the control of the vehicle and the control of the manipulator. If he wants to move the end effector of the manipulator then to a position outside of his workspace, he would have to but first switch back to and then reposition the vehicle and then the manipulator awkward. This is particularly unfavorable when a variety of small or short-term manipulation tasks must be performed over a large space, eg. Along a pipeline.
  • a corresponding manipulator can be controlled by means of a Cartesian speed control, wherein the desired end effector speed (speed of an end effector arranged on the manipulator) is indicated in vehicle coordinates
  • the linear velocity of the end effector relative to the vehicle and in vehicle coordinates is expressed.
  • the operation of a manipulator on a remote-controlled vehicle should be improved in a structurally simple manner.
  • the method is to provide a control for a manipulator, which allows the remote control of the manipulator and the vehicle by a single person in a simple manner.
  • a device for regulating the driving operation of a remote-controlled vehicle with a manipulator contributes to this, the vehicle having a vehicle drive and the manipulator having a manipulator drive.
  • the device comprises at least
  • an input device at least for position-related coordinates or speeds of the manipulator
  • At least one control device for the manipulator configured to receive at least position-related coordinates or speeds for the manipulator, to control the manipulator drive and to control the vehicle drive.
  • the vehicle is in particular one of the type mentioned at the outset. It may be a cable-guided underwater vehicle for applications in science and industry. Such vehicles, in particular ROVs, can be used in the oil and gas industry for offshore assembly, maintenance and inspection work. ROVs may be connected to a surface vessel via a cable connection for power and information transmission. In contrast, so-called Autonomous Underwater Vehicles (AUV) operate without a cable connection, they carry their energy supply in batteries or accumulators with it.
  • AUV Autonomous Underwater Vehicles
  • the concept presented here is also in other mobile manipulation systems, consisting of z. B. from a manipulator on a mobile Basis, can be used, for example, flying robots, mobile industrial robots, spacecraft or even work machines such as excavators or the like.
  • a robot As a manipulator, in particular, a robot is considered, which is equipped with an end effector, for example, a tool, a gripper arm, a welding device, sensor carrier or the like.
  • a manipulator can be considered as the device that allows interaction with or a change in the environment, so z.
  • B. the movable part of the robot assembly, which performs the mechanical work of the robot.
  • the end effector may be the last element of a kinematic chain of the robot or of the manipulator.
  • the vehicle has a drive unit (vehicle drive); Similarly, the manipulator has a drive unit (manipulator drive). Vehicle and manipulator preferably have their own drive unit. But it is also possible that (at least partially) a common drive unit is present, from which the drives for the vehicle and the manipulator are derived.
  • the drive units may each have an electric drive, such as, for example, an electric motor and / or driven by hydraulic systems.
  • the vehicle drive is in particular configured to cause a movement of the entire vehicle.
  • the vehicle drive for example, adjust the operation of wheels, chains and the like as needed.
  • the vehicle drive for example, adjust the operation of propellers, nozzles, turbines and the like as needed.
  • the manipulator drive is in particular configured to cause a movement of the manipulator.
  • the manipulator drive can be assigned a plurality of drive units in order, for example, to move the end effector in accordance with previously known axes and / or to rotate about previously known axes.
  • the input device for.
  • a joystick for example, a 3D mouse
  • the input device is set up to input or specify position-related coordinates and / or speeds of the manipulator.
  • Position-related here means in particular that the coordinates and / or velocities are relative to a stationary coordinate system
  • the input device can be viewed as a human-machine interface in this respect
  • the input device can be used to remotely control the vehicle and / or the manipulator
  • the input device can be implemented using switches, regulators, levers, etc. Movement or actuation in a predetermined movement of the vehicle and / or the manipulator (or end effector) is transferred.
  • the input device is therefore not located on or in the vehicle but away from it, in the case of an ROV z. B. on board the surface ship.
  • the at least one control device for the manipulator is set up to receive position-related coordinates and / or speeds which are input by the input device.
  • the control device thereby controls the manipulator drive.
  • the at least one control device can also jointly control the manipulator drive and the vehicle drive or even only the vehicle drive alone.
  • the control device is set up in such a way that it autonomously recognizes when the end effector and / or the manipulator currently can not reach the coordinates and / or velocities predetermined by the input device and must be partially or completely compensated by a movement of the vehicle. In this situation, the control device may instruct the vehicle drive to perform the corresponding required movement, in particular without the operator having to take any additional measures for this and / or this in turn requires a different control handling.
  • control device for the manipulator is in data communication with a (separate) control device for the vehicle drive, in which case (for example) the manipulator control device is in the manner of a "master"
  • the device presented here it is possible to simplify the remote control of a system consisting of a mobile vehicle and a manipulator, whereby a single operator can concentrate on the control of the speed and / or the position of the end effector.
  • the proposed control concept assumes the control of the mobile base from the control command of the manipulator entered by the operator in such a way that the operator gets the impression that he controls an end effector unlimited workspace.
  • the vehicle can follow the end effector position such that the end effector is always located in or near a predefined sweetspof, that is, for example, an ideal one Configuration with the greatest possible flexibility.
  • a predefined sweetspof that is, for example, an ideal one Configuration with the greatest possible flexibility.
  • This can z. B. the geometric center of its working space in which actions of the end effector are required, and / or the position relative to the working range of the manipulator with maximum achievable End binor Oberen.
  • Manipulator workspaces can take on complex shapes (eg, in purely two-dimensional viewing: crescent-shaped), allowing the geometric center to be outside the workspace and / or workspace.
  • a sweet spot can be a point in the workspace that has the greatest possible distance to the edges of the workspace.
  • the working area is the area that can be reached by the end effector from its base (the vehicle) and may be limited by the shape of the manipulator.
  • the maximum speed of the end effector itself can be limited by the drive unit associated with the manipulator
  • This allows a single person the intuitive control of a vehicle with manipulator instead of either presuppose several operators or to perform a regular repositioning of the vehicle in manipulation tasks in a work area larger than the work space.
  • This concept is particularly advantageous when the vehicle is an underwater vehicle and the manipulator is a robot with an end effector.
  • the input device is preferably connected to the control device for the manipulator in (data-conducting) connection which is (directly) connected to the manipulator drive and (directly or indirectly via a vehicle control) to the vehicle drive.
  • the positional coordinates and / or velocities for the manipulator determine the positional coordinates and / or velocities for the vehicle.
  • the control device alone can regulate the manipulator drive. If the input device sets a speed which exceeds the maximum speed of the end effector, the control device can be used in addition to In addition, regulate the vehicle drive, so that the predetermined speed can be achieved in total. If a position-related coordinate is specified by the input device, the shape of the manipulator can not be reached (outside of the working space), the control device can additionally regulate the vehicle drive so that the vehicle approaches a position from which the position-related coordinate can be reached ,
  • control device can also adjust the movement of the vehicle based on a predetermined movement of the manipulator.
  • control device can specify to what extent e.g. the speed of the end effector is realized via the manipulator drive and / or the vehicle drive.
  • the method may be performed in a non-stationary vehicle as follows. - The user always gives the desired speed of the end effector.
  • At least one sensor for detecting the current coordinates and / or for detecting the current speed of the vehicle is provided.
  • the at least one control device is set up to calculate at least one desired value for position-related coordinates and / or speeds for the vehicle. Further details of the device will become apparent from the following explanation of the method. In particular, the explanations on the method can be used here in addition. Likewise, the foregoing explanations on the device may supplement the description of the method.
  • a method for controlling the driving operation of a remote-controlled vehicle with a manipulator comprising at least the following steps:
  • step c) automatically adjusting at least the operation of the manipulator drive or the operation of the vehicle drive in dependence on the results from at least step c) or step d).
  • step c) is carried out depending on the results from at least one of the processes i) or ii):
  • Step a) comprises, in particular, the determination as to whether the vehicle is stationarily positioned or moves.
  • the method is particularly (only) applicable when it is determined that the vehicle is moving.
  • it can be determined whether the manipulator (relative to the vehicle) is stationarily positioned or moves (additionally).
  • the current position and the current movement (speed and direction) of an end effector of the manipulator can be determined. This can be determined by calculation and / or on the basis of sensory measured variables (eg the drives).
  • other operating parameters of the vehicle and / or the manipulator may also be used in order to carry out a review of the current driving situation of the vehicle.
  • a new or desired movement of the manipulator specified by position-related coordinates and / or speeds of the manipulator (or the end effector) are entered (step b)).
  • the operator indicates, in particular, the desired linear velocity of the end effector relative to a fixed coordinate system expressed in vehicle coordinates.
  • "Positionally related" here means, in particular, that the coordinates and / or velocities are specified relative to a stationary coordinate system.
  • the manipulator can be determined computationally (eg in a suitably configured control device) according to process i) whether the shape of the manipulator (and thus its range in the Working space) and / or the manipulator actuator (and the maximum speeds achievable therewith) are able to realize the desired movement of the manipulator alone.
  • An at least partial adjustment of the desired movement of the manipulator can be initiated if the desired movement of the manipulator can not be achieved solely by means of the manipulator drive.
  • “Alone” here means, in particular, that the movement can be achieved while the vehicle drive is still operating (standstill or continued constant driving operation) If the calculation according to process i) shows that the desired movement of the manipulator can be achieved solely by means of the manipulator drive, then preferably only the operation of the manipulator drive is readjusted.
  • Go z. B. from the calculation by process i) shows that the desired movement of the manipulator is not accessible only by means of the manipulator drive, according to step c) an automatic activation and operation of the vehicle drive for at least partial adjustment of the desired movement of the manipulator. It is possible that the desired movement by an unchanged (standstill or continued constant driving) or modified operation of the manipulator drive and (at least) a changed driving operation of the vehicle drive is set.
  • step ii) it is determined whether or which movement the vehicle (currently executing) and / or for process i) must perform.
  • the self-motion of the vehicle may be due to an earlier specification of the operator and / or a disturbance in the room (eg, a water flow or the like).
  • This self-movement of the vehicle can sensory and / or computationally determined or estimated.
  • the speed and orientation of the vehicle relative to the fixed coordinate system can be determined.
  • at least the operation of the manipulator drive and / or the vehicle drive can be automatically adjusted (step c)).
  • step c) includes transforming the input positional coordinates and / or velocities of an end effector into vehicle related coordinates and / or velocities, optionally including motion of the vehicle determined from process ii).
  • the movement can be a translatory and / or a pivoting and / or a rotating movement in space. Accordingly, the operation of the vehicle drive and / or the manipulator drive can be made so that these various components (orientations) of the movement are separately or jointly adjustable.
  • a vehicle moving simultaneously during the execution of the method may occur due to an external disturbance (eg a flow of air or water, etc.) and / or due to a desired or predetermined intrinsic movement of the vehicle.
  • the control or the method can compensate for this disturbance and / or proper movement in the control of the manipulator or end effector.
  • the operator can z. B. specify the desired linear velocity of the end effector relative to a stationary coordinate system in vehicle coordinates.
  • a motion compensated end effector velocity can thus be calculated from the desired end effector speed, self-motion of the vehicle and the current end-effector position.
  • required quantities can be at least partially measured directly or determined indirectly by means of sensors and / or a state estimation.
  • the steps a) to c) are preferably carried out in the order given, although the steps can nevertheless be at least partially superimposed in time and / or repeated separately. The same applies to the processes i) and / or ii), these preferably being carried out after an associated step b) and / or before an associated step c).
  • the proposed method comprises the following steps:
  • step c Operating the vehicle drive (in step c) or according to process ii)) such that the vehicle is moved to the predetermined working position.
  • the vehicle with the manipulator usually has to perform one or more actions within a working space (eg underwater). This can be the production of a weld along a pipe. It is also possible that a plurality of switches or valves to be operated on one or more devices. Thus, the work space for the desired activity can be determined or predetermined.
  • the vehicle Starting from the vehicle as the basis for the manipulator, the latter has only a limited range, which defines a working area of the manipulator.
  • a working area the area in the room can be named, which can be achieved solely by operating the manipulator drive from the end effector.
  • the vehicle can be given a working position which enables a suitable orientation of the manipulator and / or the greatest possible coverage of working space and working area. This can be the so-called "sweet spof act.
  • step c) or process ii) takes place such that the vehicle is moved to this predetermined working position when the desired movement of the manipulator is carried out.
  • the vehicle can (automatically) assume the "sweet spot" again for the desired movement or action, and thus a particularly suitable position for the follow-up actions.
  • the vehicle control is activated or process ii) and / or step c) is initiated when the manipulator has moved away from its "sweef spoi" configuration
  • the vehicle drive is operated in such a way that the vehicle is repositioned such that the manipulator or, in particular, the assigned end effector remains in the same position, but in the end resumes its ßweet-spof configuration
  • the necessary proper movement of the vehicle as a function of the deviation between current position and sweet-spof position in Vehicle coordinates are calculated.
  • the vehicle When driving, the vehicle can be remotely controlled with an attached manipulator by an input device (eg joystick, a 3D mouse). An operator passes through the input device z. B. the desired absolute End binor für before. Manipulator control utilizes this desired end effector velocity and the vehicle's current (estimated, calculated, or sensed) airspeed to compensate for it. Using the inverse kinematics of the manipulator, the desired end effector speed in manipulator coordinates is finally transformed and converted into joint velocities.
  • an input device eg joystick, a 3D mouse.
  • the control of the vehicle aims to bring the manipulator into the above-mentioned sweet-spoof configuration. If the vehicle already has a speed controller, it can receive commands in the form of linear and rotational speeds. For the vehicle control or the control device, the deviation of the current end effector position from the sweet end end effector position in vehicle coordinates is used to calculate the vehicle speed.
  • the translational speed of the vehicle is a direct function of the deviation of the end effector from its sweet spot, regulated e.g. B. with the help of a PID controller. Additionally, the operator may desire rotational movement of the end effector about the vertical axis (z-axis). In this case, another term is added to effect rotation of the overall system of vehicle and manipulator about its end effector.
  • Device to regulate the driving operation of a remote-controlled vehicle with a manipulator which is set up to carry out the method described, as well as a corresponding computer program and a machine-readable storage medium on which this computer program is stored are to be described here.
  • the device and / or method shown here relates to the control, in particular, of an underwater vehicle which is equipped with a tool, a gripping arm, or the like. Is provided.
  • An operating concept is specified in which the operator only specifies the coordinates of the tool by means of the joystick.
  • the vehicle follows the coordinates of the tool. The operator does not care about the control of the vehicle position, but can control the tool as if it were acting detached from the vehicle.
  • a remote-controlled underwater vehicle with a manipulator which is connected via a cable to a support ship at the sea surface
  • FIG. 2 shows an arrangement as in FIG. 1, but with a wireless connection between the underwater vehicle and the support ship, FIG.
  • FIG. 3 shows an underwater vehicle with an electronic control device, which is connected to an input device and to the manipulator drive and the vehicle drive, and
  • the vehicle 2 is a remote-controlled underwater vehicle with a manipulator 3, the vehicle 2 having a vehicle drive 4 and the manipulator 3 having a manipulator drive 5.
  • the vehicle 2 (ROV) is connected by a cable 6 to a floating master control station 7 installed on a support ship 8 on the sea surface 9.
  • the underwater vehicle is connected to the master control station 7 with the cable connection for power and information transmission.
  • a robot with an end effector 10 is attached as a manipulator 3.
  • the controllable end effector 10 which can be designed as a tool, gripper arm, welding device, sensor carrier o. The like., For example, assembly, maintenance or inspection work can be performed.
  • the vehicle drive 4 and the manipulator drive 5 comprise (not shown) controllable electric motors.
  • the remote-controlled vehicle 2 is an autonomous underwater vehicle (AUV).
  • the data-conducting connection between the master control station 7 and a controller 11 is realized wirelessly.
  • a transmitting antenna 13 and the vehicle 2 are attached to the support ship 8.
  • the vehicle 2 also illustrates that the vehicle 2 is positioned in or near a predefined working position 22 (eg, the so-called "sweet spot"), so that the manipulator 3 with the greatest possible flexibility.
  • the working area 21 is, in particular, the area that can reach from the end effector 10, starting from its base (the vehicle 2), and may be limited by the shape of the manipulator 3.
  • a bweet spof for the vehicle 2 may be the position having a maximum distance in the (all) direction (s) of a given work area 21 in which actions of the end effector 10 are to be performed.
  • the working position 22 may be the one which permits the greatest possible overlap of the working area 21 of the manipulator 3 and the entire working space 20 with the least possible movements of the vehicle 2.
  • an electronic control device 11 is installed on the vehicle 2, which is connected to an input device 12 and to the manipulator drive 5 and the vehicle drive 4.
  • the input device 12 is part of the master control station 7 (see Fig. 1) on the support ship 8 and, for example, designed as a joystick or 3D mouse. It is used for input for position-related coordinates and / or speeds of the manipulator 3 in the control device 11.
  • the controller 11 is adapted to receive the positional coordinates and / or speeds for the manipulator 3, for controlling the manipulator drive 5 and for controlling the vehicle drive. 4
  • the (at least one) data-conducting connection 19 between the control device 11 on the one hand and the input device 12, the controlled vehicle drive 4 and the controlled manipulator drive 5 on the other hand can be wired (see FIG. Individual aspects of the device proposed here or of the proposed method will now be explained in more detail with reference to the illustrations in FIG.
  • the operator 18 indicates the desired End binor Norwegian in vehicle coordinates in classical Cartesian speed control of the manipulator, ie the linear velocity of E relative to B, expressed in vehicle coordinates B: B v BE .
  • This end effector speed is regulated by a manipulator control by appropriate control of the articulated motors and / or the hydraulic cylinders.
  • the motion-compensated end effector speed B v BiE can thus be calculated from the desired end effector speed , the (desired) proper motion of the vehicle (translation B v Nß , rotation ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ) and the current end effector position B t BE using the following equation:
  • B V B, E B V N, E ⁇ B V N, B ⁇ [ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇
  • the sizes B v NSS ⁇ ⁇ ⁇ , B t BE can at least partially be measured directly or estimated (by at least one sensor 16) and / or state estimation (by means of at least one state estimator engine 17) indirectly by sensor fusion.
  • the vehicle control 15 4 or the vehicle drive 4 is (automatically) active when the manipulator 3 has thereby moved away from its, bweet spof configuration (the current end effector position with respect to the vehicle coordinate system is B t BE ).
  • the aim of the vehicle control is to reposition the vehicle so that the end effector remains in the same position, but ends up returning to its "sweef spoi" configuration B t Bßs
  • B v Nß is the linear and ⁇ ⁇ ⁇ the rotational speed of the vehicle relative to the fixed reference coordinate system.
  • f v , f w can be predefinable or selectable control regulations, z.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Regelung des Fahrbetriebs eines ferngesteuerten Fahrzeugs (2) mit einem Manipulator (13), wobei das Fahrzeug (2) einen Fahrzeugantrieb (4) und der Manipulator (3) einen Manipulatorantrieb (5) aufweist, umfassend zumindest eine Eingabeeinrichtung (12) zumindest für positionsbezogenen Koordinaten oder Geschwindigkeiten des Manipulators (3) und zumindest eine Steuereinrichtung (11) für den Manipulator (3), eingerichtet zum Empfang zumindest von positionsbezogenen Koordinaten oder Geschwindigkeiten für den Manipulator (3), zur Steuerung des Manipulatorantriebs (5) und zur Steuerung des Fahrzeugantriebs (4). Weiter wird ein Verfahren vorgeschlagen, wobei mittels einer solchen Vorrichtung (1) anhand von positionsbezogenen Koordinaten oder Geschwindigkeiten für den Manipulator (3) die Bewegung des Fahrzeugs (2) automatisch gesteuert wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Regelung des Fahrbetriebs eines ferngesteuerten Fahrzeugs mit einem Manipulator
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Fahrbetriebs eines ferngesteuerten Fahrzeugs mit einem Manipulator sowie ein hierfür geeignetes Betriebsverfahren. Insbesondere findet die Erfindung Anwendung bei Unterwasserrobotern (so genannten Remotely Ope- rated Vehicles, ROVs), also Unterwasserfahrzeugen mit Manipulatoren, die z.B. ferngesteuert Reparaturarbeiten und/oder Wartungsaufgaben durchführen können.
Es ist bekannt, dass deren Bedienung meist mehrere Personen gleichzeitig erfordert, wobei eine Person das Fahrzeug und eine andere Person den Manipulator steuert. Dies ist ineffizient, teuer und erfordert eine klare und abgestimmte Kommunikation zwischen allen beteiligten Akteuren.
Es ist zudem möglich, dass ein einzelner Bediener wechselweise Fahrzeug und Manipulator steuert, wobei z.B. das Fahrzeug vorübergehend am Meeresgrund an einer festen Position abgestellt wird, damit dieses lagefixiert ist. Dann könnte der Bediener zwischen der Steuerung des Fahrzeugs und der Steuerung des Manipulators umschalten. Möchte er den Endeffektor des Manipulators dann zu einer Position außerhalb seines Arbeitsbereichs bewegen, müsste er dazu aber zunächst wieder umschalten und dann erst das Fahrzeug und danach den Manipulator umständlich neu positionieren. Dies ist besonders ungünstig, wenn eine Vielzahl kleiner bzw. kurzzeitiger Manipulationsaufgaben über einen großen Raum durchgeführt werden müssen, z. B. entlang einer Pipeline.
Hierbei kann ein entsprechender Manipulator mittels einer kartesischer Geschwindigkeitsregelung gesteuert werden, wobei die gewünschte Endeffektorgeschwindigkeit (Geschwindigkeit eines am Manipulator angeordneten Endeffektors) in Fahrzeugkoordinaten angegeben wird, also die Lineargeschwindigkeit des Endeffektor relativ zum Fahrzeug und in Fahrzeugkoordinaten ausgedrückt wird.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Ver- fahren zu schaffen, die die genannten Nachteile lindern oder sogar vermeiden. Insbesondere soll auf konstruktiv einfache Weise der Betrieb eines Manipulators an einem ferngesteuerten Fahrzeug verbessert werden. Außerdem soll das Verfahren eine Regelung für einen Manipulator schaffen, die auf einfache Weise die Fernsteuerung des Manipulators und des Fahrzeugs durch eine einzelne Person ermöglicht.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfin- dung anführen, die mit den Merkmalen aus den Patentansprüchen kombinierbar sind.
Hierzu trägt eine Vorrichtung zur Regelung des Fahrbetriebs eines ferngesteuerten Fahrzeugs mit einem Manipulator bei, wobei das Fahrzeug einen Fahrzeugantrieb und der Manipulator einen Manipulatorantrieb aufweist. Die Vorrichtung umfasst zumindest
- eine Eingabeeinrichtung zumindest für positionsbezogene Koordinaten oder Geschwindigkeiten des Manipulators, und
zumindest eine Steuereinrichtung für den Manipulator, eingerichtet zum Empfang zumindest von positionsbezogenen Koordinaten oder Geschwindigkeiten für den Manipulator, zur Steuerung des Manipulatorantriebs und zur Steuerung des Fahrzeugantriebs.
Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um eines der eingangs genannten Art. Es kann ein kabelgeführtes Unterwasserfahrzeug für Anwendungen in Wissenschaft und Industrie sein. Derartige Fahrzeuge, insbesondere ROVs, können in der Öl- und Gasindustrie für Montage-, Wartungs- und Inspektionsarbeiten im Offshore- Bereich eingesetzt werden. ROVs können mit einer Kabelverbindung zur Energie- und Informationsübertragung an ein Überwasserschiff angeschlossen sein. Im Gegensatz dazu arbeiten so genannte Autonomous Under- water Vehicles (AUV) ohne eine Kabelverbindung, sie führen ihren Energievorrat in Batterien oder Akkumulatoren mit sich. Das hier vorgestellte Konzept ist daneben auch bei anderen mobilen Manipulationssystemen, bestehend z. B. aus einem Manipulator auf einer mobilen Basis, einsetzbar, bspw. Flugroboter, mobile Industrieroboter, Raumfahrzeuge oder auch Arbeitsmaschinen wie Bagger oder dergleichen.
Als Manipulator wird insbesondere ein Roboter angesehen, der mit einem Endeffektor ausge- stattet ist, bspw. einem Werkzeug, einem Greifarm, einem Schweißgerät, Sensorträger oder dergleichen. Ein Manipulator kann als das Gerät angesehen werden, das eine Interaktion mit bzw. eine Veränderung der Umgebung ermöglicht, also z. B. der bewegliche Teil des Roboteraufbaus, der die mechanische Arbeit des Roboters durchführt. Als Endeffektor kann das letzte Element einer kinematischen Kette des Roboters bzw. des Manipulators bezeichnet wer- den.
Das Fahrzeug hat ein Antriebsaggregat (Fahrzeugantrieb); ebenso hat der Manipulator ein Antriebsaggregat (Manipulatorantrieb). Fahrzeug und Manipulator haben bevorzugt ein eigenes Antriebsaggregat. Es ist aber auch möglich, dass (zumindest teilweise) ein gemeinsames Antriebsaggregat vorhanden ist, von dem die Antriebe für das Fahrzeug und den Manipulator abgeleitet sind. Die Antriebsaggregate können jeweils einen elektrischen Antrieb aufweisen, wie bspw. einen Elektromotor und/oder über Hydrauliksysteme angetrieben werden. Der Fahrzeugantrieb ist insbesondere eingerichtet, um eine Bewegung des gesamten Fahrzeugs zu veranlassen. Bei flurgebundenen Fahrzeugen kann der Fahrzeugantrieb beispielsweise den Betrieb von Rädern, Ketten und dergleichen bedarfsgerecht einstellen. Bei nicht-flurgebundenen Fahrzeugen kann der Fahrzeugantrieb beispielsweise den Betrieb von Propellern, Düsen, Turbinen und dergleichen bedarfsgerecht einstellen. Der Manipulatorantrieb ist insbesondere eingerichtet, um eine Bewegung des Manipulators zu veranlassen. Dem Manipulatorantrieb können mehrere Antriebsaggregate zugeordnet sein, um beispielsweise den Endeffektor ent- sprechend vorbekannten Achsen verfahren und/oder um vorbekannte Achsen rotieren zu können.
Die Eingabeeinrichtung, z. B. ein Joystick, eine 3D-Maus, ist eingerichtet, um positionsbezo- gene Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten des Manipulators einzugeben bzw. vorzuge- ben.„Positionsbezogen" bedeutet hier insbesondere, dass die Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten relativ zu einem ortsfesten Koordinatensystem eingegeben werden können. Die Eingabevorrichtung kann insoweit als Mensch-Maschine-Schnittstelle angesehen werden. Durch die Eingabeeinrichtung werden das Fahrzeug und/oder der Manipulator ferngesteuert. Die Eingabeeinrichtung kann mit Schaltern, Reglern, Hebeln, etc. ausgeführt werden, deren Bewegung bzw. Betätigung in eine vorgegeben Bewegung des Fahrzeugs und/oder des Manipulators (bzw. Endeffektors) überführt wird. Die Eingabeeinrichtung befindet sich folglich nicht an oder in dem Fahrzeug sondern davon entfernt, im Fall eines ROVs z. B. an Bord des Überwasserschiffs.
Die zumindest eine Steuereinrichtung für den Manipulator ist eingerichtet zum Empfang von positionsbezogenen Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten, die durch die Eingabeeinrichtung eingegeben werden. Die Steuereinrichtung steuert hierdurch den Manipulatorantrieb. Die zumindest eine Steuereinrichtung kann zudem den Manipulatorantrieb und den Fahrzeugan- trieb gemeinsam steuern bzw. auch nur den Fahrzeugantrieb allein. Die Steuereinrichtung ist insbesondere so eingerichtet, dass diese eigenständig erkennt, wenn der Endeffektor und/oder der Manipulator die seitens der Eingabeeinrichtung vorgegebene Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten aktuell allein nicht erreichen kann und teilweise oder vollständig durch eine Bewegung des Fahrzeugs kompensiert werden muss. In dieser Situation kann die Steuerein- richtung dem Fahrzeugantrieb anweisen, die entsprechend erforderliche Bewegung auszuführen, insbesondere ohne dass der Bediener hierfür eine zusätzliche Maßnahme ergreifen muss und/oder dies eine andere Steuerungshandhabung seinerseits erfordert.
Es kann auch vorteilhaft sein, dass mehrere Steuereinrichtungen vorliegen und die Steuerein- richtung für den Manipulator mit einer (separaten) Steuereinrichtung für den Fahrzeugantrieb datenleitend in Verbindung steht, wobei dann (im Anwendungsfall) beispielsweise die Steuereinrichtung für den Manipulator nach Art eines„Masters" Steuerbefehle der Steuereinrichtung für den Fahrzeugantrieb vorgibt bzw. einstellt. Mit der hier vorgestellten Vorrichtung gelingt eine Vereinfachung der Fernsteuerung eines Systems bestehend aus mobilem Fahrzeug und Manipulator. Dabei kann sich ein einziger Bediener auf die Steuerung der Geschwindigkeit und/oder der Position des Endeffektors konzentrieren, ohne sich gleichzeitig Gedanken um die mobile Basis machen zu müssen. Das vorgeschlagene Regelkonzept übernimmt hierbei die Steuerung der mobilen Basis aus dem vom Bediener eingegebenen Steuerkommando des Manipulators derart, dass beim Bediener der Eindruck entsteht, er steuere einen Endeffektor mit unbegrenztem Arbeitsbereich.
Das Fahrzeug kann hierbei der Endeffektorposition derart folgen, dass sich der Endeffektor stets in bzw. nahe einem vordefinierten„sweetspof befindet, also beispielsweise einer idealen Konfiguration mit größtmöglicher Flexibilität. Das kann z. B. der geometrische Mittelpunkt seines Arbeitsraumes, in dem Aktionen des Endeffektors erforderlich sind, und/oder die Position relativ vom Arbeitsbereich des Manipulators mit maximal erreichbaren Endeffektorgeschwindigkeiten sein. Arbeitsbereiche von Manipulatoren können komplexe Formen annehmen (z.B. in rein zweidimensionaler Betrachtung: sichelförmig), wodurch der geometrische Mittelpunkt außerhalb des Arbeitsbereichs und/oder des Arbeitsraums liegen kann. Als„sweet spof kann ein Punkt des Arbeitsraums angesehen werden, der über den größtmöglichen Abstand hin zu den Rändern des Arbeitsraumes verfügt. Der Arbeitsbereich ist insbesondere der Bereich, der von dem Endeffektor ausgehend von seiner Basis (dem Fahrzeug) erreicht werden kann und kann durch die Gestalt des Manipulators begrenzt sein. Die maximale Geschwindigkeit des Endeffektor selbst kann durch die dem Manipulatorantrieb zugeordneten Antriebsaggregate beschränkt sein.
Dies ermöglicht die kombinierte Regelung von Fahrzeug und Manipulator über lediglich vor- gegebene Endeffektorgeschwindigkeiten und/oder Endeffektorpositionen. Dies ermöglicht einer einzigen Person die intuitive Steuerung eines Fahrzeugs mit Manipulator statt entweder mehrere Bediener vorauszusetzen oder bei Manipulationsaufgaben in einem Arbeitsbereich größer als der Arbeitsraum eine regelmäßige Neupositionierung des Fahrzeugs vorzunehmen. Dieses Konzept findet besonders vorteilhaft Anwendung, wenn das Fahrzeug ein Unterwasserfahrzeug und der Manipulator ein Roboter mit einem Endeffektor ist.
Bevorzugt steht die Eingabeeinrichtung mit der Steuereinrichtung für den Manipulator in (datenleitender) Verbindung, die (unmittelbar) an den Manipulatorantrieb und (unmittelbar oder mittelbar über eine Fahrzeugsteuerung) an den Fahrzeugantrieb angeschlossen ist.
Mit Vorteil bestimmen die positionsbezogenen Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten für den Manipulator die positionsbezogenen Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten für das Fahrzeug.
Wenn das Fahrzeug ortsfest ist, kann die Steuereinrichtung allein den Manipulatorantrieb regeln. Wird seitens der Eingabeeinrichtung eine Geschwindigkeit vorgegeben, die die maximale Geschwindigkeit des Endeffektors überschreitet, kann die Steuereinrichtung in Ergänzung zu- sätzlich den Fahrzeugantrieb regeln, damit die vorgegebene Geschwindigkeit insgesamt erreicht werden kann. Wird seitens der Eingabeeinrichtung eine positionsbezogene Koordinate vorgegeben, die Gestalt des Manipulators nicht erreicht werden kann (außerhalb des Arbeitsraums), kann die Steuereinrichtung in Ergänzung zusätzlich den Fahrzeugantrieb regeln, da- mit das Fahrzeug eine Position anfährt, aus der die positionsbezogene Koordinate erreicht werden kann.
Während der Bewegung des Fahrzeugs kann die Steuereinrichtung ausgehend von einer vorgegebenen Bewegung des Manipulators auch die Bewegung des Fahrzeugs anpassen. Hier liegt ein besonderes bzw. die bevorzugte Einsatzmöglichkeit der Erfindung. Dabei kann die Steuereinrichtung vorgeben, zu welchem Umfang z.B. die Geschwindigkeit des Endeffektors über den Manipulatorantrieb und/oder den Fahrzeugantrieb realisiert wird.
Das Verfahren kann bei einem nicht-ortsfesten Fahrzeug folgendermaßen ausgeführt werden. - Der Benutzer gibt stets die gewünschte Geschwindigkeit des Endeffektors vor.
- Solange sich der Endeffektor innerhalb des ,ßweet spots" befindet, kann diese Bewegung nur über den Manipulator realisiert bzw. ausgeführt werden.
- Erst dadurch, dass die Endeffektorposition den„sweet spof verlässt, setzt sich das Fahrzeug mit dem Ziel in Bewegung, sich so auszurichten bzw. umzupositionieren, dass die Endeffektorkonfiguration im„sweet spof der tatsächlichen bzw. aktuellen Endeffektorkonfiguration entspricht.
Ein Beispiel: Der Bediener gibt als gewünschte Endeffektorgeschwindigkeit einen Vektor nach vorne vor. Zunächst setzt sich nur der Manipulator in Bewegung. Sobald der Manipulator seine „sweetspof- Konfiguration verlässt, bewegt sich das Fahrzeug mit, so dass letztendlich wieder eine ,ßweet spoi"-Konfiguration erreicht wird.
Vorzugsweise sind mindestens ein Sensor zur Erfassung der aktuellen Koordinaten und/oder zur Erfassung der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs vorgesehen. Bevorzugt ist die mindestens eine Steuereinrichtung eingerichtet, mindestens einen Sollwert für positionsbezo- gene Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten für das Fahrzeug zu berechnen. Weitere Details der Vorrichtung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Erläuterung zu dem Verfahren. Insbesondere können die Erläuterungen zu dem Verfahren hier ergänzend herangezogen werden. Ebenso gilt, dass die vorstehenden Erläuterungen zur Vorrichtung die Beschreibung des Verfahrens ergänzen können.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Regelung des Fahrbetriebs eines ferngesteuerten Fahrzeugs mit einem Manipulator vorgeschlagen, wobei das Fahrzeug einen Fahrzeugantrieb und der Manipulator einen Manipulatorantrieb aufweist, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
a) Feststellen zumindest einer aktuellen Position oder Geschwindigkeit des Fahrzeugs und Manipulators;
b) Vorgeben von zumindest positionsbezogenen Koordinaten oder Geschwindigkeiten für eine gewünschte Bewegung des Manipulators;
c) automatisches Anpassen zumindest des Betriebs des Manipulatorantriebs oder des Be- triebs des Fahrzeugantriebs in Abhängigkeit der Ergebnisse aus zumindest Schritt c) oder Schritt d).
Es ist möglich, dass Schritt c) in Abhängigkeit der Ergebnisse aus zumindest einem der Prozesse i) oder ii) ausgeführt wird:
i) Berechnen, ob die gewünschte Bewegung des Manipulators allein mittels des Manipulatorantriebs erreichbar ist;
ii) Ermitteln, welche Bewegung das Fahrzeug ausführt oder für Prozess i) ausführen muss;
Schritt a) umfasst insbesondere die Feststellung, ob das Fahrzeug ortsfest positioniert ist oder sich bewegt. Das Verfahren findet insbesondere (nur) dann Anwendung, wenn festgestellt wird, dass sich das Fahrzeug bewegt. Ebenso kann festgestellt werden, ob der Manipulator (relativ zum Fahrzeug) ortsfest positioniert ist oder sich (zusätzlich) bewegt. So können insbesondere die aktuelle Lage und die aktuelle Bewegung (Geschwindigkeit und Richtung) eines Endeffektors des Manipulators bestimmt werden. Dies kann rechnerisch und/oder auf Basis sensorisch erfasster Messgrößen (z. B. der Antriebe) ermittelt werden. Es können in diesem Zusammenhang ggf. auch andere Betriebsparameter des Fahrzeugs und/oder des Manipulators herangezogen werden, um eine Überprüfung der aktuellen Fahrsituation des Fahrzeugs durchzuführen. Nun wird beispielsweise durch einen Bediener über eine Eingabeeinrichtung eine neue bzw. gewünschte Bewegung des Manipulators vorgegeben, indem positionsbezogene Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten des Manipulators (bzw. des Endeffektors) eingegeben werden (Schritt b)). Hierbei gibt der Bediener insbesondere die gewünschte Lineargeschwindigkeit des Endeffektors relativ zu einem ortfesten Koordinatensystem ausgedrückt in Fahrzeugkoordinaten an.„Positionsbezogen" bedeutet hier insbesondere, dass die Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten relativ zu einem ortsfesten Koordinatensystem vorgegeben werden.
Optional und ausgehend von der aktuellen Lage und Bewegung und in Kenntnis der ge- wünschten Bewegung des Manipulators kann gemäß Prozess i) rechnerisch (z. B. in einer entsprechend eingerichteten Steuereinrichtung) ermittelt werden, ob die Gestalt des Manipulators (und damit dessen Reichweite im Arbeitsraum) und/oder der Manipulatorantieb (und die damit erreichbaren maximalen Geschwindigkeiten) fähig sind, die gewünschte Bewegung des Manipulators allein zu realisieren. Eine zumindest teilweisen Einstellung der gewünschten Bewegung des Manipulators kann veranlasst werden, wenn die gewünschte Bewegung des Manipulators nicht allein mittels des Manipulatorantriebs erreichbar ist.„Allein" bedeutet hier insbesondere, dass die Bewegung bei unverändertem Betrieb des Fahrzeugantriebs (Stillstand oder fortgesetztem konstanten Fahrbetrieb) erreichbar ist. Geht aus der Berechnung nach Prozess i) hervor, dass die gewünschte Bewegung des Manipulators allein mittels des Manipulatorantriebs erreichbar ist, dann wird vorzugsweise nur der Betrieb des Manipulatorantriebs neu eingestellt.
Geht z. B. aus der Berechnung nach Prozess i) hervor, dass die gewünschte Bewegung des Manipulators nicht allein mittels des Manipulatorantriebs erreichbar ist, kann gemäß Schritt c) ein automatisches Aktivieren und Betreiben des Fahrzeugantriebs zur zumindest teilweisen Einstellung der gewünschten Bewegung des Manipulators erfolgen. Dabei ist möglich, dass die gewünschte Bewegung durch einen unverändertem (Stillstand oder fortgesetztem konstanten Fahrbetrieb) oder geändertem Betrieb des Manipulatorantriebs sowie (jedenfalls) ei- nem geändertem Fahrbetrieb des Fahrzeugantrieb eingestellt wird.
Nach dem optionalen Prozess ii) wird ermittelt, ob bzw. welche Bewegung das Fahrzeug (aktuell ausführt) und/oder für Prozess i) ausführen muss. Die Eigenbewegung des Fahrzeugs kann aufgrund einer früheren Vorgabe des Bedieners und/oder einer Störung im Raum (z. B. eine Wasserströmung oder ähnlichen) vorliegen. Diese Eigenbewegung des Fahrzeugs kann sensorisch und/oder rechnerisch bestimmt bzw. abgeschätzt werden. Damit kann die Geschwindigkeit und die Orientierung des Fahrzeugs relativ zum ortsfesten Koordinatensystem ermittelt werden. In Abhängigkeit der Vorgaben aus Schritt b) und/oder der Ergebnisse aus Prozess i) und/oder Prozess ii) kann dann zumindest der Betriebs des Manipulatorantriebs und/oder des Fahrzeugantriebs automatisch angepasst werden (Schritt c)). "Automatisch" bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass hierfür keine (zusätzliche, erneute und/oder angepasste) Eingabe von konkretisierten fahzeugbezogenen Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten (al- lein) für den Fahrzeugantrieb über eine Eingabevorrichtung erforderlich ist. Diese können aus den vorhandenen Eingabeinformationen aus Schritt b) rechnerisch abgeleitet bzw. erzeugt und direkt dem Manipulatorantrieb und/oder dem Fahrzeugantrieb vorgegeben werden. Ganz besonderes umfasst Schritt c), dass die eingegebenen positionsbezogenen Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten eines Endeffektors nun in fahrzeugbezogene Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten transformiert werden, wobei optional die aus Prozess ii) ermittelte Bewegung des Fahrzeugs einbezogen wird. Damit können nach der Transformation dem Manipulatorantrieb und/oder Fahrzeugantrieb (wie bisher) fahrzeugbezogene Steuerbefehle vorgegeben werden. Die Bewegung kann eine translatorische und/oder eine schwenkende und/oder eine rotierende Bewegung im Raum sein. Demnach kann auch der Betrieb des Fahrzeugantriebs und/oder des Manipulatorantriebs so erfolgen, dass diese verschiedenen Komponenten (Orientierungen) der Bewegung separat oder gemeinsam einstellbar sind. Insbesondere wird hier von einem sich während der Durchführung des Verfahrens gleichzeitig bewegenden Fahrzeug ausgegangen. Die Bewegung des Fahrzeugs kann durch eine externe Störung auftreten (z. B. eine Strömung von Luft oder Wasser etc.) und/oder durch eine gewollte bzw. vorgegebene Eigenbewegung des Fahrzeugs. Die Regelung bzw. das Verfahren kann diese Störung und/oder Eigenbewegung bei der Steuerung des Manipulators bzw. End- effektors kompensieren.
Der Bediener kann z. B. die gewünschte Lineargeschwindigkeit des Endeffektors relativ zu einem ortfesten Koordinatensystem in Fahrzeugkoordinaten angeben. Eine bewegungskom- pensierte Endeffektorgeschwindigkeit lässt sich damit aus der gewünschten Endeffektorge- schwindigkeit, der Eigenbewegung des Fahrzeugs und der aktuellen Endeffektorposition bestimmen. Hierfür erforderliche Größen können zumindest teilweise direkt gemessen oder indirekt mittels Sensoren und/oder einer Zustandsschätzung bestimmt werden. Die Schritte a) bis c) werden bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt, wobei gleichwohl die Schritte zumindest teilweise zeitlich überlagert und/oder separat wiederholt werden können. Gleiches gilt für die Prozesse i) und/oder ii), wobei diese bevorzugt nach einem zugehörigen Schritt b) und/oder vor einem zugehörigen Schritt c) ausgeführt werden. Bevorzugt umfasst das vorgeschlagene Verfahren die folgenden Schritte:
- Bestimmen eines Arbeitsraumes für das Fahrzeug und den Manipulator;
- Bestimmen einer vorgebbaren Arbeitsposition des Fahrzeugs im Arbeitsraum in Abhängigkeit eines Arbeitsbereichs des Manipulators;
- Betreiben des Fahrzeugantriebs (in Schritt c) bzw. gemäß Prozess ii)) derart, dass das Fahrzeug zu der vorgebbaren Arbeitsposition bewegt wird.
Das Fahrzeug mit dem Manipulator hat üblicherweise eine oder mehrere Aktionen innerhalb eines Arbeitsraumes (z. B. unter Wasser) auszuführen. Dabei kann es sich um die Anfertigung einer Schweißnaht entlang eines Rohres handeln. Ebenso ist möglich, dass eine Vielzahl von Schaltern oder Ventilen an einem oder mehreren Geräten betätigt werden sollen. Damit kann der Arbeitsraum für die gewünschte Tätigkeit bestimmt bzw. vorgegeben sein.
Ausgehend von dem Fahrzeug als Basis für den Manipulator hat letzterer nur eine begrenzte Reichweite, die einen Arbeitsbereich des Manipulators definiert. Als Arbeitsbereich kann der Bereich im Raum benannt werden, der allein durch Betrieb des Manipulatorantriebs vom Endeffektor erreicht werden kann. In Abhängigkeit der auszuführenden Aktionen bzw. dem Arbeitsraum und dem (ggf. kleinen) Arbeitsbereich des Manipulators kann dem Fahrzeug eine Arbeitsposition vorgegeben werden, die eine geeignete Ausrichtung des Manipulators und/oder eine größtmögliche Überdeckung von Arbeitsraum und Arbeitsbereich ermöglicht. Hierbei kann es sich um den so genannten„sweet spof handeln.
Es ist nun vorteilhaft, dass der Betrieb des Fahrzeugantriebs in Schritt c) bzw. Prozess ii) so erfolgt, dass das Fahrzeug zu dieser vorgegebenen Arbeitsposition bewegt wird, wenn die gewünschte Bewegung des Manipulators ausgeführt wird. Wenn die gewünschte Bewegung des Manipulators außerhalb des aktuellen Arbeitsbereichs liegt, kann das Fahrzeug (automatisch) für die gewünschte Bewegung bzw. Aktion wieder den„sweet spof und damit eine besonders geeignete Position für die Folgeaktionen einnehmen. Die Fahrzeugsteuerung wird aktiv bzw. Prozess ii) und/oder Schritt c) wird initiiert, wenn der Manipulator sich von seiner„sweef spoi"-Konfiguration entfernt hat. Der Betrieb des Fahrzeugantriebs erfolgt derart, dass das Fahrzeug so umpositioniert wird, dass der Manipulator bzw. insbesondere der zugeordnete Endeffektor an der gleichen Position bleibt, am Ende allerdings wieder seine ,ßweet-spof- Konfiguration einnimmt. Die dafür nötige Eigenbewegung des Fahr- zeugs kann als Funktion von der Abweichung zwischen aktueller Position und„sweet-spof- Position in Fahrzeugkoordinaten berechnet werden.
Im Fahrbetrieb kann das Fahrzeug mit einem daran angebrachten Manipulator durch ein Eingabegerät (z. B. Joystick, eine 3D-Maus) ferngesteuert werden. Ein Bediener gibt durch das Eingabegerät z. B. die gewünschte absolute Endeffektorgeschwindigkeit vor. Die Regelung des Manipulators verwendet diese gewünschte Endeffektorgeschwindigkeit und die aktuelle (geschätzte, berechnete oder sensorisch ermittelte) Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs, um diese zu kompensieren bzw. anzupassen. Über die inverse Kinematik des Manipulators wird die gewünschte Endeffektorgeschwindigkeit in Manipulatorkoordinaten schließlich Gelenkge- schwindigkeiten transformiert und umgesetzt.
Die Regelung des Fahrzeugs zielt darauf ab, den Manipulator in die oben genannte„sweet spof- Konfiguration zu bringen. Verfügt das Fahrzeug bereits über einen Geschwindigkeitsregler, kann es Kommandos in Form von Linear- und Rotationsgeschwindigkeiten entgegenneh- men. Für die Fahrzeugregelung beziehungsweise von der Steuerungseinrichtung wird die Abweichung der aktuellen Endeffektorposition von der„sweet spof - Endeffektorposition in Fahrzeugkoordinaten verwendet, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu berechnen.
Die Translationsgeschwindigkeit des Fahrzeugs ist eine direkte Funktion der Abweichung des Endeffektors von seinem„sweet spof , geregelt z. B. mit Hilfe eines PID- Reglers. Zusätzlich kann der Bediener eine Rotationsbewegung des Endeffektors um die Hochachse (z-Achse) wünschen. In diesem Fall wird ein weiterer Term addiert, um eine Rotation des Gesamtsystems aus Fahrzeug und Manipulator um dessen Endeffektor zu bewirken. Hier auch beschrieben werden sollen Vorrichtung zur Regelung des Fahrbetriebs eines ferngesteuerten Fahrzeugs mit einem Manipulator, welche zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium auf dem dieses Computerprogramm gespeichert ist.
Die hier aufgezeigte Vorrichtung und/oder Methode betrifft die Steuerung insbesondere eines Unterwasserfahrzeugs, das mit einem Werkzeug, einem Greifarm, o. Ä. ausgestattet ist. Es ist ein Bedienkonzept angegeben, bei dem der Bediener nur die Koordinaten des Werkzeugs per Steuerung (Joystick) vorgibt. Das Fahrzeug folgt den Koordinaten des Werkzeugs. Der Bediener kümmert sich also nicht um die Steuerung der Fahrzeugposition, sondern kann das Werkzeug steuern, als ob es vom Fahrzeug losgelöst agieren würde.
Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Darstellungen sind schematisch und nicht zur Veranschaulichung von Größenverhältnissen vorgesehen. Die mit Bezug auf einzelne Details einer Figur angeführten Erläuterungen sind extrahierbar und mit Sachverhalten aus anderen Figuren oder vorstehenden Beschreibung frei kombinierbar, es sei denn, dass sich für einen Fachmann zwingend etwas anderes ergibt bzw. eine solche Kombination hier explizit untersagt wird. Es zeigen schematisch:
Fig. 1: ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug mit einem Manipulator, das über ein Kabel mit einem Unterstützungsschiff an der Meeresoberfläche verbunden ist,
Fig. 2: eine Anordnung wie in Fig. 1, jedoch mit einer kabellosen Verbindung zwischen dem Unterwasserfahrzeug und dem Unterstützungsschiff,
Fig. 3: ein Unterwasserfahrzeug mit einer elektronischen Steuereinrichtung, die mit einer Eingabeeinrichtung sowie mit dem Manipulatorantrieb und dem Fahrzeugantrieb verbunden ist, und
Fig. 4: eine Darstellung zu einem Ausführungsbeispiel für eine kompensierte Manipulatorsteuerung für eine Endeffektorgeschwindigkeitsregelung. Nach Fig. 1 ist als Fahrzeug 2 ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug mit einem Manipulator 3 vorhanden, wobei das Fahrzeug 2 einen Fahrzeugantrieb 4 und der Manipulator 3 einen Manipulatorantrieb 5 aufweist. Das Fahrzeug 2 (ROV) ist über ein Kabel 6 mit einer schwimmenden Master- Steuerungs-Station 7 verbunden, die auf einem Unterstützungsschiff 8 an der Meeresoberfläche 9 installiert ist. Das Unterwasserfahrzeug ist mit der Kabelverbindung zur Energie- und Informationsübertragung an die Master-Steuerungs- Station 7 angeschlossen.
An dem Fahrzeug 2 ist als Manipulator 3 ein Roboter mit einem Endeffektor 10 angebracht. Mit dem steuerbaren Endeffektor 10, der als Werkzeug, Greifarm, Schweißgerät, Sensorträger o. dgl. ausgebildet sein kann, können bspw. Montage-, Wartungs- oder Inspektionsarbeiten durchgeführt werden. Der Fahrzeugantrieb 4 und der Manipulatorantrieb 5 umfassen (nicht dargestellte) steuerbare Elektromotoren.
Gemäß Fig. 2 ist das ferngesteuerte Fahrzeug 2 ein autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV). Die datenleitende Verbindung zwischen der Master-Steuerungs- Station 7 und einer Steuerung 11 (s. Fig. 3) ist kabellos realisiert. Dazu sind am Unterstützungsschiff 8 eine Sendeantenne 13 und am Fahrzeug 2 eine Empfangsantenne 14 angebracht.
Fig. 2 veranschaulicht zudem, dass das Fahrzeug 2 in bzw. nahe einer vordefinierten Arbeits- position 22 (z. B. dem so genannten„sweet spof) positioniert ist, damit der Manipulator 3 mit größtmöglicher Flexibilität. Das kann z. B. der geometrische Mittelpunkt seines Arbeitsraums 20 oder die Position mit maximal erreichbaren Endeffektorgeschwindigkeiten sein. Der Arbeitsbereich 21 ist insbesondere der Bereich, der von dem Endeffektor 10 ausgehend von seiner Basis (dem Fahrzeug 2) erreichen kann und kann durch die Gestalt des Manipulators 3 be- grenzt sein. Ein ,ßweet spof für das Fahrzeug 2 kann die Position sein, die eine maximale Entfernung in (alle) Richtung(en) eines vorgegebenen Arbeitsbereichs 21 hat, in dem Aktionen des Endeffektors 10 ausgeführt werden sollen. Es ist auch möglich, dass die Arbeitsposition 22 der ist, der mit möglichst geringen Bewegungen des Fahrzeugs 2 eine größtmögliche Überlappung von Arbeitsbereich 21 des Manipulators 3 und des gesamten Arbeitsraumes 20 er- möglicht.
Entsprechend Fig. 3 ist an dem Fahrzeug 2 eine elektronische Steuereinrichtung 11 installiert, die mit einer Eingabeeinrichtung 12 sowie mit dem Manipulatorantrieb 5 und dem Fahrzeugantrieb 4 verbunden ist. Die Eingabeeinrichtung 12 ist Teil der Master- Steuerungs-Station 7 (s. Fig. 1) auf dem Unterstützungsschiff 8 und bspw. als Joystick oder 3D-Maus ausgebildet. Sie dient der Eingabe für positionsbezogene Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten des Manipulators 3 in die Steuereinrichtung 11. Weiterhin ist die Steuereinrichtung 11 eingerichtet zum Empfang der positionsbezogenen Koordinaten und/oder Geschwindigkeiten für den Manipulator 3, zur Steuerung des Manipulatorantriebs 5 und zur Steuerung des Fahrzeugantriebs 4. Die (mindestens eine) datenleitende Verbindung 19 zwischen der Steuereinrichtung 11 einerseits und der Eingabeeinrichtung 12, dem gesteuerten Fahrzeugantrieb 4 und dem gesteuerten Manipulatorantrieb 5 andererseits kann kabelgebunden (s. Fig. 1) oder kabellos (s. Fig. 2) realisiert sein. Einzelne Aspekte der hier vorgeschlagenen Vorrichtung bzw. des vorgeschlagenen Verfahrens werden nun anhand der Darstellungen in Fig. 4 näher erläutert.
Im oberen Bereich von Fig. 4 sind die unterschiedlichen (kartesischen) Koordinatensysteme veranschaulicht, wobei x, y, und z für aufeinander senkrecht stehende Raumachsen stehen. Mit„N" ist ein ortsfestes Referenzkoordinatensystem, mit„B" das Fahrzeugkoordinatensystem und mit„E" das Endeffektorkoordinatensystem bezeichnet.„Es" veranschaulicht das Endeffektorkoordinatensystem, wo der Manipulator bei der aktuellen Fahrzeugposition und Fahrzeugorientierung in seiner„sweet spoi"-Konfiguration wäre. Im unteren Bereich von Fig. 4 ist ein Aufbau einer Vorrichtung 1 mit einer Steuerung 15 veranschaulicht. Die Steuerung 15 weist eine Manipulatorsteuerung 15s und eine Fahrzeugsteuerung 154 auf. Weiterhin steht die Steuerung 15 mit mindestens einem Sensor 16 und/oder einer Zustandsschätzmaschine 17 datenleitend in Verbindung, wobei diese auch Teil der Steuerung 15 selbst sein können. Die Manipulatorsteuerung lös (als Teil der Steuerung 15) regelt den Betrieb des Manipulatorantriebs 5 und die Fahrzeugsteuerung 154 (als Teil der Steuerung 15) regelt den Betrieb des Fahrzeug- antriebs 4.
Der Bediener 18 gibt bei klassischer kartesischer Geschwindigkeitsregelung des Manipulators die gewünschte Endeffektorgeschwindigkeit in Fahrzeugkoordinaten an, also die Lineargeschwindigkeit von E relativ zu B, ausgedrückt in Fahrzeugkoordinaten B: BvB E. Diese Endef- fektorgeschwindigkeit wird von einer Manipulatorsteuerung durch entsprechende Ansteuerung der Gelenkmotoren und/oder der Hydraulikzylinder geregelt.
Nach dem hier vorgeschlagenen Verfahren kann (auch) von einem sich gleichzeitig bewegenden Fahrzeug ausgegangen werden, sowohl durch externe Störungen als auch durch gewollte Eigenbewegungen des Fahrzeugs (s.u.). Die intelligente Regelung kann diese Fahrzeugbe- wegungen kompensieren, daher gibt der Bediener 18 hier die gewünschte Endeffektorgeschwindigkeit bzw. Lineargeschwindigkeit BvNiE von E relativ zum ortfesten Koordinatensystem N ausgedrückt in Fahrzeugkoordinaten B an: BVN,E = BVN,B + BVB,E + [ βωΝ,β] χ Β^Β,Ε
Die bewegungskompensierte Endeffektorgeschwindigkeit BvBiE lässt sich damit aus der gewünschten Endeffektorgeschwindigkeit, der (Soll-) Eigenbewegung des Fahrzeugs (Translation BvNß , Rotation ΒωΝ Β) und der aktuellen Endeffektorposition BtB E über folgende Glei- chung berechnen:
BVB,E = BVN,E ~ BVN,B ~ [ βωΝ,β] χ Β^Β,Ε
Die Größen BvNß, ΒωΝβ, BtB E können zumindest teilweise direkt gemessen oder indirekt durch Sensorfusion (mittels mindestens eines Sensors 16) und/oder Zustandsschätzung (mittels mindestens einer Zustandsschätzmaschine 17) geschätzt werden.
Die Fahrzeugsteuerung 154 bzw. der Fahrzeugantrieb 4 wird (automatisch) aktiv, wenn der Manipulator 3 sich dadurch von seiner ,ßweet spof- Konfiguration entfernt hat (die aktuelle Endeffektorposition bezüglich des Fahrzeugkoordinatensystems sei BtB E). Ziel der Fahrzeugsteuerung ist, das Fahrzeug so umzupositionieren, dass der Endeffektor an der gleichen Position bleibt, am Ende allerdings wieder in seiner„sweef spoi"-Konfiguration BtBßs landet. Die dafür nötige Eigenbewegung des Fahrzeugs lässt als Funktion von der Abweichung zwischen aktueller und„sweet spof- Position in Fahrzeugkoordinaten berechnen:
Figure imgf000017_0001
ΒωΝ,Β = f { ßPB,E ~ ßPß.ßs)'
wobei BvNß die Linear- und ΒωΝβ die Rotationsgeschwindigkeit des Fahrzeugs relativ zum ortsfesten Referenzkoordinatensystems ist. fv, fw können vorgebbare oder wählbare Steue- rungsvorschriften sein, z. B. einfache PID-Regler.
Weiterhin sind verschiedene Kombinationen aus Ansteuerung der Translations- und Rotationsgeschwindigkeiten denkbar: ) Translations- und Rotationsautomatik: Das Fahrzeug steuert bzw. regelt sowohl Translations- als auch Rotationsgeschwindigkeiten. ) Translationsautomatik mit bedienerdefinierter Rotationsgeschwindigkeit: Rotationen erfolgen nur auf Wunsch des Bedieners in der von ihm vorgegebenen Geschwindigkeit. Hierbei empfiehlt es sich, einen weiteren Kompensationsterm zu B VN,B hinzu zu addieren, um eine Rotation um die Endeffektorposition E statt um B zu erzwingen.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Fahrzeug
3 Manipulator
4 Fahrzeugantrieb
5 Manipulatorantrieb
6 Kabel
7 Master-Steuerungs- Station 8 Unterstützungsschiff
9 Meeresoberfläche
10 Endeffektor
11 Steuereinrichtung
12 Eingabeeinrichtung 13 Sendeantenne
14 Empfangsantenne
15 Steuereinrichtung
16 Sensor
17 Zustandsschätzmaschine 18 Bediener
19 datenleitende Verbindung
20 Arbeitsraum
21 Arbeitsbereich
22 Arbeitsposition

Claims

Patenansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Regelung des Fahrbetriebs eines ferngesteuerten Fahrzeugs (2) mit einem Manipulator (3), wobei das Fahrzeug (2) einen Fahrzeugantrieb (4) und der Manipulator (3) einen Manipulatorantrieb (5) aufweist, umfassend zumindest:
eine Eingabeeinrichtung (12) zumindest für positionsbezogenen Koordinaten oder Geschwindigkeiten des Manipulators (3), und
zumindest eine Steuereinrichtung (11) für den Manipulator (3), eingerichtet zum Empfang zumindest von positionsbezogenen Koordinaten oder Geschwindigkeiten für den Manipulator (3), zur Steuerung des Manipulatorantriebs (5) und zur Steuerung des Fahrzeugantriebs (4).
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeug (2) ein Unterwasserfahrzeug und der Manipulator (3) ein Roboter mit einem Endeffektor (10) ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eingabeeinrichtung (12) mit der Steuereinrichtung (11) für den Manipulator (3) in Verbindung steht, die an den Manipulatorantrieb (5) und den Fahrzeugantrieb (4) angeschlossen ist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei zumindest die positionsbezogenen Koordinaten oder Geschwindigkeiten für den Manipulator (3) die positionsbezogenen Koordinaten oder Geschwindigkeiten für das Fahrzeug (2) bestimmen.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Sensor (17) zur Erfassung der aktuellen positionsbezogenen Koordinaten oder zur Erfassung der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs (2) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Steuereinrichtung (11) eingerichtet ist, zumindest mindestens einen Sollwert für positionsbezogene Koordinaten oder Geschwindigkeiten des Fahrzeugs (2) zu berechnen. Verfahren zur Regelung des Fahrbetriebs eines ferngesteuerten Fahrzeugs (2) mit einem Manipulator (3), wobei das Fahrzeug (2) einen Fahrzeugantrieb (4) und der Manipulator (3) einen Manipulatorantrieb (5) aufweist, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
a) Feststellen zumindest einer aktuellen Position oder Geschwindigkeit des Fahrzeugs (2) und Manipulators (3);
b) Vorgeben von zumindest positionsbezogenen Koordinaten oder Geschwindigkeiten für eine gewünschte Bewegung des Manipulators (3);
c) automatisches Anpassen zumindest des Betriebs des Manipulatorantriebs (5) o- der des Betriebs des Fahrzeugantriebs (4).
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem Schritt c) in Abhängigkeit der Ergebnisse aus zumindest einem der folgenden Prozesse i) oder ii) erfolgt:
i) Berechnen, ob die gewünschte Bewegung des Manipulators (3) allein mittels des Manipulatorantriebs (5) erreichbar ist;
ii) Ermitteln, welche Bewegung das Fahrzeug (2) ausführt oder für Prozess i) ausführen muss.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
Bestimmen eines Arbeitsraumes (20) für das Fahrzeug (2) und den Manipulator (3);
Bestimmen einer vorgebbaren Arbeitsposition (22) des Fahrzeugs (2) im Arbeitsraum (20) in Abhängigkeit eines Arbeitsbereichs (21) des Manipulators (3); Betreiben des Fahrzeugantriebs (4) derart, dass das Fahrzeug (2) zu der vorgebbare Arbeitsposition (22) bewegt wird.
PCT/EP2018/051922 2017-02-13 2018-01-26 Vorrichtung und verfahren zur regelung des fahrbetriebs eines ferngesteuerten fahrzeugs mit einem manipulator WO2018145917A1 (de)

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