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Die Erfindung betrifft einen mobilen Roboter und ein Verfahren zum Betreiben eines mobilen Roboters.
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Die
US 5,550,953 offenbart einen mobilen Roboter und ein Verfahren zum Betreiben des mobilen Roboters. Der mobile Roboter umfasst einen Roboterarm mit mehreren, relativ zueinander bewegbaren Gliedern und ein Trägerfahrzeug, an dem der Roboterarm befestigt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Lage, d.h. die Position und Orientierung, des mobilen Roboters im Raum verbessert zu bestimmen, sodass der Roboterarm bzw. ein dem Roboterarm oder ein einem am Roboterarm befestigten Endeffektor zugeordneter Tool Center Point eine vorgegebene Soll-Position und Soll-Orientierung einnimmt bzw. einzunehmen vermag.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines mobilen Roboters, der eine mobile Trägervorrichtung mit Antrieben zum Bewegen der Trägervorrichtung, wenigstens einen Roboterarm mit mehreren, hintereinander angeordneten, bezüglich Achsen relativ zueinander bewegbaren Gliedern und mit Antrieben zum Bewegen der Glieder, und eine Steuervorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, die Antriebe der mobilen Trägervorrichtung und des wenigstens einen Roboterarms anzusteuern, aufweisend folgende Verfahrensschritte:
- a) Festlegen einer Soll-Position und Soll-Orientierung im Raum eines dem Roboterarm oder eines am Roboterarm befestigten Endeffektors zugeordneten Tool Center Points, dem ein Referenzkoordinatensystem mit Polarkoordinaten zugeordnet ist,
- b) Festlegen der Lage oder möglicher Lagen der mobilen Trägervorrichtung in den Polarkoordinaten des Referenzkoordinatensystems inklusive einer Ausrichtung der mobilen Trägervorrichtung bezüglich des Referenzkoordinatensystems, sodass der Tool Center Point die festgelegte Soll-Position und Soll-Orientierung einnimmt oder einzunehmen vermag, und
- c) basierend auf den Polarkoordinaten des Referenzkoordinatensystems, Bestimmen der Lage der mobilen Trägervorrichtung in Koordinaten eines feststehenden Weltkoordinatensystems und von Winkelstellungen der Achsen des Roboterarms, sodass der Tool Center Point die festgelegte Soll-Position und Soll-Orientierung einnimmt oder einzunehmen vermag.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen mobilen Roboter, aufweisend eine mobile Trägervorrichtung mit Antrieben zum Bewegen der Trägervorrichtung, wenigstens einen Roboterarm mit mehreren, hintereinander angeordneten, bezüglich Achsen relativ zueinander bewegbaren Gliedern und Antrieben zum Bewegen der Glieder relativ zu den Achsen, und eine Steuervorrichtung, welche eingerichtet ist, die Antriebe der mobilen Trägervorrichtung und des Roboterarms anzusteuern. Der erfindungsgemäße mobile Roboter ist eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Dazu ist z.B. die Steuervorrichtung des erfindungsgemäßen mobilen Roboters geeignet konfiguriert, beispielsweise mittels eines, das erfindungsgemäße Verfahren ausführenden Computerprogramms, mit dem die Steuervorrichtung konfiguriert ist und welches insbesondere während des bestimmungsgemäßen Betriebs des erfindungsgemäßen mobilen Roboters auf dessen Steuervorrichtung läuft. Die Antriebe des Roboterarms und/oder der Trägervorrichtung sind vorzugsweise elektrische Antriebe und/oder geregelte Antriebe, insbesondere geregelte elektrische Antriebe.
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Die mobile Trägervorrichtung kann vorzugsweise als ein Trägerfahrzeug mit Rädern ausgebildet sein, wobei die Antriebe der mobilen Trägervorrichtung eingerichtet sind, die Räder zu bewegen. Der erfindungsgemäße mobile Roboter kann auch als ein humanoider Roboter ausgeführt sein, dessen mobile Trägervorrichtung als Roboterbeine ausgeführt ist.
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Die Freiheitsgrade eines konventionellen mobilen Roboters bzw. dessen mobile Plattform bzw. dessen Trägervorrichtung werden üblicherweise unabhängig von dem darauf befestigten Roboterarm betrachtet und als globale kartesische Position im 2D Raum als ein 3-Tupel mit Koordinaten eines feststehenden Weltkoordinatensystems (x, y, θ) angegeben, also genauer gesagt als Position und einer Rotation um den Mittelpunkt des Trägerfahrzeugs in der 2D-Ebene.
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Eine mobile Plattform bzw. die Trägervorrichtung erweitert den Arbeitsreich des darauf montierten Roboterarms bzw. Manipulators über seine Reichweite hinaus. Dadurch ergeben sich zusätzliche Freiheitsgrade für den mobilen Roboter und in Folge dessen gegebenenfalls auch zusätzliche Redundanzen des mobilen Roboters, welche identifiziert und mathematisch beschrieben werden können, so dass eine eindeutige Zuordnung von kartesischen Koordinaten bezüglich des Weltkoordinatensystems des Endeffektors (x, y, z, A, B, C) zu Winkelstellungen des Roboterarms und kartesischer Position (x, y, θ) der mobilen Plattform bzw. der mobilen Trägervorrichtung möglich ist.
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Erfindungsgemäß werden zunächst die Soll-Position und die Soll-Orientierung, also die Soll-Lage bzw. Soll-Pose des Tool Center Points des mobilen Roboters bzw. dessen Roboterarms oder des am Roboterarm befestigten Endeffektors festgelegt. Vorzugsweise werden die Soll-Position und die Soll-Orientierung des Tool Center Points in Koordinaten des feststehenden Weltkoordinatensystems festgelegt. Anschließend wird jedoch die entsprechende Lage, d.h. Position und Orientierung, des mobilen Roboters bzw. dessen Trägervorrichtung nicht in Koordinaten des Weltkoordinatensystems vorgegeben, sondern zunächst in Polarkoordinaten des dem Tool Center Point zugeordneten Referenzkoordinatensystems. Handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen mobilen Roboter um einen redundanten Roboter, d.h., wie es nach einer Variante des erfindungsgemäßen mobilen Roboters vorgesehen ist, ist dessen Roboterarm derart ausgebildet, dass der erfindungsgemäße mobile Roboter redundante Freiheitsgrade aufweist, dann werden vorzugsweise die möglichen Lagen des Trägerfahrzeugs in den Polarkoordinaten des Referenzkoordinatensystems inklusive möglicher Ausrichtungen bezüglich des Referenzkoordinatensystems festgelegt. Dadurch ergeben sich Voraussetzungen für eine erleichterte Berechnung der Lage und Orientierung bzw. der Lagen und Orientierungen des Trägerfahrzeugs, sowie eine intuitivere Bedienung und Handhabung des mobilen Roboters beispielsweise beim Programmieren des Aufgabe.
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Anschließend wird die Lage der Trägervorrichtung in Koordinaten des feststehenden Weltkoordinatensystems basierend auf den Polarkoordinaten des Referenzkoordinatensystems bestimmt. Außerdem werden erfindungsgemäß im selben Schritt und basierend auf den Polarkoordinaten des Referenzkoordinatensystems Winkelstellungen der Achsen des Roboterarms derart bestimmt, sodass der Tool Center Point die festgelegte Soll-Position und Soll-Orientierung einnimmt oder einzunehmen vermag.
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Die Lage der mobilen Trägervorrichtung kann z.B. manuell festgelegt werden. Nach einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Lage oder die möglichen Lagen der mobilen Trägervorrichtung in den Polarkoordinaten des Referenzkoordinatensystems und die Orientierung oder die möglichen Orientierungen der mobilen Trägervorrichtung bezüglich des Referenzkoordinatensystems automatisch mittels eines übergeordneten Planungssystems, insbesondere mittels einer Bahnplanung und/oder einer Regelstrategie festgelegt. Dadurch kann z.B. auch eine Kollision des mobilen Roboters mit einem Objekt vermieden werden.
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Um eine komplette Bahn für den mobilen Roboter zu bestimmen, werden vorzugsweise die Schritte a) bis c) für mehrere, hintereinander folgende Soll-Positionen und Soll-Lagen des Tool Center Points wiederholt.
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Das Trägerfahrzeug ist vorzugsweise als ein omnidirektional bewegbares Trägerfahrzeug (holonome Plattform) ausgeführt. Vorzugsweise sind daher die Räder des Trägerfahrzeugs als omnidirektionale Räder ausgebildet. Ein Beispiel eines omnidirektionalen Rades ist das dem Fachmann bekannte Mecanum-Rad. Aufgrund der omnidirektionalen Räder ist es dem erfindungsgemäßen mobilen Roboter bzw. dessen Trägerfahrzeug ermöglicht, sich frei im Raum zu bewegen. So kann sich das Trägerfahrzeug nicht nur nach vorne, nach hinten oder seitlich bewegen oder Kurven fahren, sondern sich auch z.B. um eine vertikal ausgerichtete Achse drehen.
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Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich gegebenenfalls ein überlegter Ansatz bei der Positionierung von mobilen Robotern, da eine analytische Rückwärtsrechnung für das Gesamtsystem, d.h. den mobilen Roboter, gegebenenfalls bereit gestellt und benutzt werden kann. Mit Hilfe der analytischen Rückwärtsrechnung kann man gegebenenfalls über alle Lösungen zur Aufgabe, d.h. dass der Tool Center Point seine Soll-Position und Soll-Orientierung einnimmt, iterieren. Dies ist gegebenenfalls sinnvoll für ein grafisches Programmiertool, sowie eine automatische Planungssoftware.
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Gegebenenfalls können zusätzliche kinematische Redundanzen zur Kollisionsvermeidung, zur Energieoptimierung, Vermeidung von Achsendanschlägen, usw. genutzt werden
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Gegebenenfalls kann eine Redundanz des mobilen Roboters zur Kollisionsvermeidung im Applikationsprozess (z.B. Schweißen, Kleben, Lackieren mit mobilem Roboter) innerhalb einer kollisionsfreien Bahnplanung ermöglicht werden.
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Gegebenenfalls kann eine Nullraumbewegung unter Verwendung des mobilen Roboters ermöglich werden.
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Es kann eine Möglichkeit zur koordinierten Bewegung von Trägerfahrzeug und Roboterarm durch Verwendung der gemeinsamen Inverskinematik gegeben sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist exemplarisch in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 einen mobilen Roboter, der ein Trägerfahrzeug und einen am Trägerfahrzeug befestigten Roboterarm umfasst,
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2 ein omnidirektionales Rad,
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3 ein die Bestimmung der Lage des Trägerfahrzeugs veranschaulichendes Diagramm und
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4 ein eine inverse Kinematik des mobilen Roboters beschreibendes Diagramm.
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Die 1 zeigt einen mobilen Roboter 1, welcher im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein omnidirektional bewegbares Trägerfahrzeug 2 aufweist. Dieses umfasst z.B. einen Fahrzeuggrundkörper 3 und mehrere, am Fahrzeuggrundkörper 3 drehbar angeordnete Räder 4, welche insbesondere als omnidirektionale Räder ausgebildet sind. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist das Trägerfahrzeug 2 vier omnidirektionale Räder 4 auf. Wenigstens eines der Räder 4, vorzugsweise alle Räder 4 wird bzw. werden mit einem oder mehreren Antrieben angetrieben. Die nicht näher dargestellten Antriebe sind vorzugsweise elektrische Antriebe, insbesondere geregelte elektrische Antriebe und sind mit einer beispielsweise im oder am Fahrzeuggrundkörper 3 angeordneten Steuervorrichtung 5 verbunden, welche eingerichtet ist, das Trägerfahrzeug 2 durch entsprechendes Ansteuern der Antriebe für die Räder 4 zu bewegen.
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Ein Beispiel eines omnidirektionalen Rades ist das sogenannte Mecanum-Rad. Ein als omnidirektionales Rad ausgebildetes Rad 4 des mobilen Roboters 1 bzw. dessen Trägerfahrzeugs 2 ist in der 2 als Frontansicht gezeigt.
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Das als omnidirektionales bzw. Mecanum Rad ausgebildete Rad 4 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels zwei starr miteinander verbundene Radscheiben 21 auf, zwischen denen mehrere Rollkörper 22 bezüglich ihrer Längsachsen 23 drehbar gelagert sind. Die beiden Radscheiben 21 können bezüglich einer Drehachse 24 drehbar gelagert sein und mittels einer der Antriebe des Trägerfahrzeugs 2 derart angetrieben werden, dass sich die beiden Radscheiben 21 bezüglich der Drehachse 24 drehen.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die Rollkörper 22 gleichmäßig zueinander beabstandet und derart an den Radscheiben 21 gelagert, dass ihre Rollflächen über den Umfang der Radscheiben 21 herausragen. Außerdem sind die Rollkörper 22 derart an den Radscheiben 21 gelagert, dass ihre Längsachsen 23 mit der Drehachse 24 einen Winkel α von beispielsweise 45° aufweisen.
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Aufgrund der omnidirektionalen Räder 4 ist es dem mobilen Roboter 1 bzw. dessen Trägerfahrzeug 2 ermöglicht, sich frei im Raum zu bewegen. So kann sich das Trägerfahrzeug 2 nicht nur nach vorne, nach hinten oder seitlich bewegen oder Kurven fahren, sondern sich auch um eine beliebige vertikal ausgerichtete Achse beispielsweise um die Achse A1 des Roboterarms drehen.
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Der mobile Roboter 1 umfasst ferner einen Roboterarm 7, der insbesondere am Trägerfahrzeug 2 bzw. an dessen Fahrzeuggrundkörper 3 befestigt ist. Aufgrund der omnidirektionalen Räder 4 stellt das Trägerfahrzeug 2 somit im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine holonome Plattform für den Roboterarm 7 dar. Das Trägerfahrzeug 2 kann aber auch als eine nicht-holonomen Plattform für den Roboterarm 7 ausgeführt sein. Das Trägerfahrzeug 2 stellt somit eine mobile Trägervorrichtung dar, an der der Roboterarm 7 befestigt ist. Ist der mobile Roboter z.B. als humanoider oder insektenähnlicher Roboter ausgebildet, dann kann beispielsweise diese Trägervorrichtung auch als mehrere Roboterbeine ausgebildet sein, mittels derer der Roboter bewegbar ist.
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Der Roboterarm 7 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mehrere, nacheinander angeordnete und mittels Gelenke verbundene Glieder. Bei den Gliedern handelt es sich insbesondere um ein Gestell 9, mittels dem der Roboterarm 7 am Fahrzeuggrundkörper 3 befestigt ist.
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Der Roboterarm 7 weist als ein weiteres Glied ein z.B. relativ zum Gestell 9 insbesondere um die vertikal verlaufende Achse A1 drehbar gelagertes Karussell 10 auf. Weitere Glieder des Roboterarms 7 sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Schwinge 11, ein Ausleger 12 und eine vorzugsweise mehrachsige Roboterhand 13 mit einer als z.B. Flansch ausgeführten Befestigungsvorrichtung 6 zum Befestigen eines Endeffektors bzw. eines Werkzeugs. Die Schwinge 11 ist am unteren Ende z.B. an einem nicht näher dargestellten Schwingenlagerkopf auf dem Karussell 10 um eine vorzugsweise horizontale Achse A2 schwenkbar gelagert. Am oberen Ende der Schwinge 11 ist wiederum um eine ebenfalls vorzugsweise horizontale Achse A3 der Ausleger 12 schwenkbar gelagert. Dieser trägt endseitig die Roboterhand 13 mit ihren beispielsweise drei Drehachsen (Achsen A4–A6). Die Roboterhand 13 kann aber auch nur 2 Drehachsen aufweisen.
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Der Roboterarm 7 umfasst ferner mit der Steuervorrichtung 5 verbundene Antriebe. Die Antriebe sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels elektrische Antriebe, insbesondere geregelte elektrische Antriebe. In der 1 sind nur einige der elektrischen Motoren 14 dieser elektrischen Antriebe gezeigt.
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Im Betrieb des mobilen Roboters 1 ist es vorgesehen, dass die Steuervorrichtung 5 die Antriebe des Roboterarms 7 und der Räder 4 derart ansteuert, sodass die Befestigungsvorrichtung 6 bzw. ein der Befestigungsvorrichtung 6 bzw. des an der Befestigungsvorrichtung 6 befestigten Endeffektors zugeordneter sogenannter Tool Center Point 8 eine vorgegebene Soll-Lage bzw. Soll-Pose, also eine Soll-Position und Soll-Orientierung im Raum einnimmt. Dazu wird das Trägerfahrzeug 2, gesteuert durch die Steuervorrichtung 5, entsprechend dieser Soll-Pose in eine Position gebracht und in eine Orientierung im Raum ausgerichtet und die Achsen A1–A6 des Roboterarms 7 in entsprechende Achsstellungen bzw. Winkelstellungen θ1–θ6 gebracht.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist dem Tool Center ein Koordinatensystem, d.h. ein Referenzkoordinatensystem KRef zugeordnet, das in der 3 gezeigt ist. Der Ursprung des Referenzkoordinatensystem KRef liegt insbesondere im Tool Center Point 8.
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird nun die Lage des Trägerfahrzeugs 2, also dessen Position und Orientierung, die das Trägerfahrzeug 2 einnimmt, damit der Tool Center Point 8 seine Soll-Pose einnimmt, nicht in Koordinaten eines feststehenden Weltkoordinatensystems Kglobal festgelegt, sondern zunächst in Polarkoordinaten ρ1, ρ2 des Referenzkoordinatensystems KRef inklusive einer Ausrichtung ρ3 der mobilen Trägervorrichtung 3 bezüglich des Referenzkoordinatensystems (KRef).
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Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist das Trägerfahrzeug 2 also die den Polarkoordinaten ρ1, ρ2 des Referenzkoordinatensystem KRef und der Ausrichtung ρ3 zugeordnete Freiheitsgrade auf. Sind für eine Soll-Pose des Tool Center Points 6 mehrere Positionen und Orientierungen des Trägerfahrzeugs 2 möglich, dann können die Polarkoordinaten ρ1, ρ2 und die Ausrichtung ρ3 als Redundanzparameter angesehen werden.
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Anstelle eines 3-Tupels, welche die Position und Orientierung des Trägerfahrzeugs 2 im Raum bezüglich des globalen Weltkoordinatensystems KRef mit den Koordinaten x, y, θ beschreibt, wird zunächst ein 3-Tupel bestimmt, welches die Lage des Trägerfahrzeugs 2 mittels der Polarkoordinaten ρ1, ρ2 und der Ausrichtung ρ3 im lokalen Referenzkoordinatensystem KRef beschreibt.
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Dabei beschreiben die Polarkoordinaten ρ1, ρ2 die Position bezüglich des Referenzkoordinatensystems KRef in zweidimensionalen Polarkoordinaten und zusätzliche die Drehung des Trägerfahrzeugs 2 mittels der Ausrichtung ρ3.
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Also beschreibt die Polarkoordinate ρ1 die Entfernung des Trägerfahrzeugs 2 vom Ursprung des Referenzkoordinatensystems KRef, die Polarkoordinate ρ2 die Anfahrtrichtung des Trägerfahrzeugs 2 auf einem Entfernungskreis K mit dem Radius ρ1, und die Ausrichtung ρ3 die Orientierung des Trägerfahrzeugs 2 bezüglich des Referenzkoordinatensystems KRef und gegebenenfalls relativ zu einem Trägerfahrzeug-Koordinatensystems KTräger, dessen Ursprung vorzugsweise im Ursprung eines dem Roboterarm 7 zugeordneten Koordinatensystems liegt, sodass vorzugsweise eine Drehachse des Trägerfahrzeugs 2 mit der Achse A1 des Roboterarms 7, bezüglich derer das Karussell 10 relativ zum Gestell 9 drehbar ist, zusammen fällt.
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Eine Lage des Trägerfahrzeugs 2 in den Koordinaten x, y, θ des Weltkoordinatensystems Kglobal lässt sich damit immer eindeutig in den Polarkoordinaten ρ1, ρ2 bezüglich des Referenzsystems KRef und der Ausrichtung ρ3 beschreiben.
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Um die Lage des Trägerfahrzeugs 2 und den Roboterarm 7 derart auszurichten, dass der Tool Center Point 6 seine Soll-Pose einnimmt, berechnet im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Steuervorrichtung 5 die den Achsen A1–A6 des Roboterarms 2 zugeordneten Winkelstellungen θ1–θ6 und die Lage des Trägerfahrzeugs 2 in Koordinaten x, y, θ des Weltkoordinatensystems Kglobal basierend auf den Polarkoordinaten ρ1, ρ2 und der Ausrichtung ρ3 und den Koordinaten der Soll-Lage des Tool Center Points 8. Dies ist in der 4 illustriert.
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Aufgrund der Soll-Pose des Tool Center Points 6, die insbesondere in kartesischen Koordinaten x, y, z, A, B, C bezüglich des Weltkoordinatensystems angegeben ist, und den Polarkoordinaten ρ1, ρ2, und der Ausrichtung ρ3, gegebenenfalls auch zusätzlich aufgrund von kinematischen Redundanzparametern des Roboterarms 7, berechnet somit die Steuervorrichtung die Lage des Trägerfahrzeugs 2 in Koordinaten x, y, θ des Weltkoordinatensystems Kglobal und die Winkelstellungen θ1–θ6 der Achsen A1–A6 des Roboterarms 7.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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