DE102022106408A1 - Cleaning and/or maintenance system for a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Reinigungsanlage und/oder Instandhaltungsanlage für eine autonome Fahrzeuginnenraumreinigung bzw. eine autonome Fahrzeuginstandhaltung, mit zumindest einem Roboterarm (5), der von einem elektronischen Robotersteuergerät (15) ansteuerbar ist zur Durchführung von Prozessschritten, mit deren Hilfe eine fahrzeugtypunabhängige Behandlung erfolgt.The invention relates to a cleaning system and/or maintenance system for autonomous vehicle interior cleaning or autonomous vehicle maintenance, with at least one robot arm (5), which can be controlled by an electronic robot control device (15) in order to carry out process steps with the help of which treatment is carried out regardless of the vehicle type.
Description
Die Erfindung betrifft eine Reinigungs- und/oder Instandhaltungsanlage für eine autonome Behandlung eines darin abgestellten Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Durchführung einer autonomen Fahrzeug-Behandlung in einer solchen Anlage gemäß Anspruch 6.The invention relates to a cleaning and/or maintenance system for autonomous treatment of a vehicle parked therein according to the preamble of
Die Reinigung eines Fahrzeugs im Innenraum sowie weitere Instandhaltungsprozesse (wie zum Beispiel Öl nachfüllen, Wischwasser nachfüllen) werden bislang manuell durchgeführt.The cleaning of a vehicle's interior as well as other maintenance processes (such as topping up oil, topping up washer fluid) have so far been carried out manually.
Im Gegensatz dazu wird in einer gattungsgemäßen Reinigungs- und/oder Instandhaltungsanlage die Fahrzeuginnenraumreinigung bzw. die Fahrzeuginstandhaltung autonom durchgeführt. Die Fahrzeug-Behandlung erfolgt mit zumindest einem Roboterarm, der von einem elektronischen Robotersteuergerät ansteuerbar ist.In contrast, in a generic cleaning and/or maintenance system, the vehicle interior cleaning or vehicle maintenance is carried out autonomously. The vehicle is treated with at least one robot arm, which can be controlled by an electronic robot control unit.
Im Stand der Technik kann zur Roboterarm-Ansteuerung ein starres CAD-Programm im Robotersteuergerät hinterlegt sein. Auf der Grundlage des CAD-Programms führt der Roboterarm eine autonome Fahrzeuginnenraumreinigung bzw. eine autonome Fahrzeuginstandhaltung durch. Auf der Grundlage des starren CAD-Programms berechnet das Robotersteuergerät Bewegungsbahnen, die der Roboterarm während des Behandlungsprozesses abfährt.In the prior art, a rigid CAD program can be stored in the robot control unit to control the robot arm. Based on the CAD program, the robot arm carries out autonomous vehicle interior cleaning or autonomous vehicle maintenance. Based on the rigid CAD program, the robot control unit calculates trajectories that the robot arm follows during the treatment process.
Wegen unterschiedlicher Fahrzeugmodelle, unterschiedlicher Abstellpositionen des Fahrzeugs in der Anlage und unterschiedlicher Positionen der Fahrzeugsitze kann das zu behandelnde Fahrzeug als ein unbekanntes Werkstück in einer komplexe, unbekannten Prozessumgebung betrachtet werden. Ein im Stand der Technik verwendetes, starres 3D-CAD-Modell reicht daher zur gänzlichen Automatisierung des Reinigungs- und/oder Instandhaltungsprozesse nicht aus, da die Flexibilität bei der Ansteuerung des Roboterarms eingeschränkt ist. Zudem ist ein hoher Arbeitseinsatz sowie Expertenwissen bei der Erstellung, bei Änderungen sowie bei Adaptionen des Roboterprogramms erforderlich.Due to different vehicle models, different parking positions of the vehicle in the system and different positions of the vehicle seats, the vehicle to be treated can be viewed as an unknown workpiece in a complex, unknown process environment. A rigid 3D CAD model used in the prior art is therefore not sufficient to completely automate the cleaning and/or maintenance process, since the flexibility in controlling the robot arm is limited. In addition, a high level of work and expert knowledge is required when creating, changing and adapting the robot program.
Alternativ zur Verwendung eines starren 3D-CAD-Modells ist auch allgemein bekannt, das Robotersteuerprogramm in einem Teach-In-Prozess manuell anzulernen, oder vorab offline in einem Simulationsprozess auf Basis eines CAD-Modells das Robotersteuerprogramm zu erstellen und vor Ort anzupassen. Solche Vorgehensweisen sind jedoch bei der Reinigung und/oder Instandhaltung unterschiedlicher Fahrzeugmodelle nicht wirtschaftlich.As an alternative to using a rigid 3D CAD model, it is also generally known to manually teach the robot control program in a teach-in process, or to create the robot control program offline in advance in a simulation process based on a CAD model and adapt it on site. However, such approaches are not economical when cleaning and/or maintaining different vehicle models.
Aus der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Reinigungs- und/oder Instandhaltungsanlage bereitzustellen, bei der im Vergleich zum Stand der Technik eine prozesstechnisch einfache sowie betriebssichere Fahrzeuginnenraumreinigung und/oder Fahrzeuginstandhaltung unterschiedlicher Fahrzeugmodelle ermöglicht ist.The object of the invention is to provide a cleaning and/or maintenance system in which, compared to the prior art, simple and operationally reliable vehicle interior cleaning and/or vehicle maintenance of different vehicle models is possible.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The task is solved by the features of
Die Erfindung geht von einer Reinigungs- und/oder Instandhaltungsanlage für eine autonome Fahrzeuginnenraumreinigung bzw. für eine autonome Fahrzeuginstandhaltung aus. In einer solchen Anlage ist zumindest ein Roboterarm von einem elektronischen Robotersteuergerät ansteuerbar. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 kann mit Hilfe des elektronischen Robotersteuergeräts mit den nachfolgend beschriebenen Prozessschritten eine vom Fahrzeugmodell unabhängige Behandlung erfolgen: Demnach wird zunächst ein Scan-Prozessschritt durchgeführt, bei dem eine berührungsfreie 3D-Erfassung der Außengeometrie eines in der Anlage abgestellten Fahrzeugs und/oder eine berührungsfreie 3D-Erfassung eines Fahrzeuginnenraums durchgeführt wird. Der Scan-Prozessschritt erfolgt mit einer, dem Fachmann bekannten Mess- und/oder Sensortechnik, die ein berührungsfreies 3D-Scanverfahren ermöglicht. Nach Abschluss des Scan-Prozessschrittes wird ein Behandlungs-Prozessschritt durchgeführt, bei dem der Fahrzeuginnenraum gereinigt wird und/oder eine Fahrzeuginstandhaltung durchgeführt wird. Hierzu wird auf der Grundlage des erfassten 3D-Scans der Fahrzeuginnenraum autonom vom Roboterarm gereinigt bzw. das Fahrzeug autonom vom Roboterarm instandgehalten.The invention is based on a cleaning and/or maintenance system for autonomous vehicle interior cleaning or for autonomous vehicle maintenance. In such a system, at least one robot arm can be controlled by an electronic robot control device. According to the characterizing part of
Erfindungsgemäß werden die Instandhaltung und/oder Reinigung des Fahrzeugs autonom mittels Roboter durchgeführt. Prozessaufgaben sind beispielsweise wie folgt: Fahrzeuginnenraum aussaugen, Fahrzeuginnenraum reinigen, Felgen reinigen, Fenster reinigen, Fahrzeugreifen wechseln, Reifendruck prüfen und bei Bedarf anpassen, Fahrwerk inspizieren, Innenraum-Elemente tauschen, Öl nachfüllen, Wischwasser nachfüllen. Hierzu kann der nachfolgend stichpunktartig aufgelistete Prozessablauf durchgeführt werden:
- Fahrzeug wird im Arbeitsraum abgestellt (autonom, mechanisch oder manuell); automatische Positionserkennung des Fahrzeugs; Positionierung des Robotersystems; Scannen der gesamten Innenkontur; automatische Umwandlung der Pixel-Oberfläche in Koordinatenpunkte; simultane Erzeugung der Roboterbahnen on the fly; Abfahren der Bahnen mit einem Prozesswerkzeug (wie zum Beispiel Reinigungs-Prozesswerkzeug).
- Vehicle is parked in the work area (autonomous, mechanical or manual); automatic vehicle position detection; positioning of the robot system; Scanning the entire inner contour; automatic conversion of the pixel surface into coordinate points; simultaneous generation of robot trajectories on the fly; Traversing the paths with a process tool (such as a cleaning process tool).
Die erfindungsgemäße autonome 3D-geführte Robotersteuerung kann neben der Instandhaltung und Reinigung von Fahrzeugen auch bei anderen Handhabungs- oder wertschöpfenden Prozessen eingesetzt werden wie beispielsweise bei der Verschachtelung von Bauteilen, beim Klebefalzen oder beim Schleifen.In addition to the maintenance and cleaning of vehicles, the autonomous 3D-guided robot control according to the invention can also be used in other handling or value-adding processes such as nesting components, adhesive folding or grinding.
Im erfindungsgemäßen Reinigungs- und Instandhaltungsprozess sind der Roboter, das Werkzeug und die Prozessaufgabe bekannt. Dagegen sind die Umgebung und das Werkstück in Geometrie, Größe und Verdrehung auf Grund ihrer Varianz nicht oder nur teilweise bekannt. Die erfindungsgemäße autonome 3D-geführte Robotersteuerung ist in der Lage, einen unbekannten Raum zu erfassen, die Lage, Abmaße von Objekten zu identifizieren und ein Roboterprogramm „on the fly“ automatisch zu erzeugen. Die Roboter-Trajektorien können mit einem variablen vordefinierten Abstand zum Objekt abgefahren werden. Ein aktives Kollision-Überwachung-Algorithmus korrigiert automatisch die Trajektorien und sichert einen kollisionsfreien und optimierten Prozess. Mit der Erfindung erfolgt also eine Generierung einer autonomen 3D-geführten Robotersteuerung auf Basis der Erfassung einer unbekannten 3D-Geometrie.In the cleaning and maintenance process according to the invention, the robot, the tool and the process task are known. On the other hand, the geometry, size and rotation of the environment and the workpiece are not or only partially known due to their variance. The autonomous 3D-guided robot controller according to the invention is able to capture an unknown space, identify the dimensions of objects and automatically generate a robot program “on the fly”. The robot trajectories can be traveled with a variable, predefined distance to the object. An active collision monitoring algorithm automatically corrects the trajectories and ensures a collision-free and optimized process. The invention therefore generates an autonomous 3D-guided robot control based on the detection of an unknown 3D geometry.
Die Vorteile der Erfindung sind nachfolgend stichpunktartig aufgelistet: reproduzierbare Qualität; modellflexible Anlage; Lageerkennung; kurze Scanzeit; hohe Genauigkeit; hohe Variantenvielfalt bis Stückzahl 1 ist abbildbar; intelligenter Roboter; keine Roboterprogrammierung; automatische Anpassung an die Umgebung; Unabhängigkeit vom Roboterhersteller; Einsatz in verschiedensten Applikationen beispielsweise Handhabung oder wertschöpfender Prozess möglich.The advantages of the invention are listed below in bullet points: reproducible quality; model flexible system; situation awareness; short scanning time; High precision; High variety of variants up to a quantity of 1 can be represented; intelligent robot; no robot programming; automatic adaptation to the environment; independence from the robot manufacturer; Can be used in a wide variety of applications, such as handling or value-adding processes.
Bei der technischen Umsetzung der Erfindung sind folgende Aspekte von Bedeutung. So kann bei der Datenerfassung eine gleichzeitige 360°-3D-Erfassung der Kontur erfolgen. Zudem kann eine 3D-Shape-Analyse erfolgen mit einem Herausfiltern von Rauschen und einer Segmentierung einzelner Bereiche. Ferner wird eine Komponenten-Identifizierung (beispielsweise Sitz, Lenkrad etc.) durchgeführt. Es erfolgt weiterhin eine Detektion der geometrischen Informationen in Hinblick auf Größe, Position sowie Lage und Verhältnis zu anderen Objekten. Außerdem erfolgt eine Trajektorie-Generierung mit einer Berechnung der Armgelenkwinkel mit einem Inverse Kinematik Algorithmus, einer Minimierung der Armbewegung mit Dynamic-Programming-Algorithmus, einer Überprüfung auf mögliche Kollision zwischen dem Roboter und der Umgebung, einer automatischen Korrektur-Anpassung der Bewegung bei Kollision-Detektion.The following aspects are important in the technical implementation of the invention. This means that a simultaneous 360° 3D capture of the contour can be carried out during data capture. In addition, a 3D shape analysis can be carried out by filtering out noise and segmenting individual areas. Furthermore, component identification (e.g. seat, steering wheel, etc.) is carried out. The geometric information continues to be detected with regard to size, position, location and relationship to other objects. In addition, a trajectory is generated with a calculation of the arm joint angles with an inverse kinematics algorithm, a minimization of the arm movement with a dynamic programming algorithm, a check for possible collision between the robot and the environment, an automatic correction adjustment of the movement in the event of a collision. Detection.
Zudem kann die Erfindung mit einer Kollision-Detektion arbeiten. Dabei kann das in ein Voxel-Modell umgewandelte Roboter-Modell kontinuierlich mit dem Voxel-Modell der erfassten Punktewolke der Umgebung verglichen werden. Es erfolgt eine Kollisionskorrektur über die Anpassung des Abstandes und dem Neigungswinkel, der über einen Algorithmus gesteuert wird.In addition, the invention can work with collision detection. The robot model converted into a voxel model can be continuously compared with the voxel model of the captured point cloud of the environment. Collisions are corrected by adjusting the distance and the angle of inclination, which is controlled via an algorithm.
Zudem kann die Erfindung mit einer Fremdkörper- und Verschmutzung-Detektion arbeiten. Es erfolgt ein Vergleich des aktuellen Bilds mit dem trainierten Neuronalen-Netzwerk während des Scan-Vorgangs.In addition, the invention can work with foreign body and contamination detection. The current image is compared with the trained neural network during the scanning process.
Nachfolgend sind weitere Aspekte der Erfindung im Einzelnen hervorgehoben: So wird in einer technischen Umsetzung der Scan-Prozessschritt mittels eines am distalen Ende des Roboterarms gehalterten Scanaufsatzes durchgeführt.Further aspects of the invention are highlighted in detail below: In a technical implementation, the scanning process step is carried out using a scanning attachment held at the distal end of the robot arm.
Demgegenüber wird der Behandlungs-Prozessschritt mittels eines am distalen Ende des Roboterarms gehalterten Werkzeugaufsatzes durchgeführt. Um den Prozesssaufwand bei der Reinigung und/oder bei der Instandhaltung gering zu halten, ist es bevorzugt, wenn die Anlage eine Werkzeugwechselstation aufweist. An der Werkzeugwechselstation kann der Roboterarm selbsttätig einen Werkzeugwechsel vornehmen, bei dem der Scanaufsatz mit einem Werkzeugaufsatz austauschbar ist. Ebenso dazu können unterschiedliche Werkzeugaufsätze in der Werkzeugwechselstation vorgehalten sein, die bedarfsweise vom Roboterarm vollautomatisch ausgewählt werden.In contrast, the treatment process step is carried out using a tool attachment held at the distal end of the robot arm. In order to keep the process effort for cleaning and/or maintenance low, it is preferred if the system has a tool changing station. At the tool changing station, the robot arm can automatically carry out a tool change, in which the scanning attachment can be exchanged with a tool attachment. Likewise, different tool attachments can be kept in the tool changing station, which can be selected fully automatically by the robot arm if necessary.
Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass im Robotersteuergerät kein starres CAD-Programm hinterlegt ist, auf dessen Grundlage des Robotersteuergerät Bewegungsbahnen des Roboterarms abfährt. Vielmehr wird erfindungsgemäß im Robotersteuergerät eine autonome 3D-geführte Robotersteuerung „on the fly“ auf Basis der Erfassung der 3D-Geometrie im Scan-Prozessschritt durchgeführt. Hierzu kann das Robotersteuergerät grundsätzlich wie folgt aufgebaut sein: So kann das Robotersteuergerät eine 3D-Modelleinheit aufweisen, in der eine im Scan-Prozessschritt ermittelte 3D-Geometrie der Fahrzeugaußenkontur und/oder des Fahrzeuginnenraums temporär, das heißt on the fly, hinterlegt wird. Zudem kann das Robotersteuergerät eine Identifikationseinheit aufweisen, mittels der die Komponenten des Fahrzeuginnenraums bzw. der Fahrzeugaußenkontur aus dem gescannten 3D-Modell identifiziert werden. Beispielhaft können die Komponenten des Fahrzeuginnenraums ein Lenkrad oder ein Fahrzeugsitz sein. Komponenten der Fahrzeugaußenkontur können beispielhaft die Fahrzeugräder sein. Zudem kann das Robotersteuergerät eine Auswerteeinheit aufweisen, die auf der Grundlage der erfassten 3D-Innenraumgeometrie bzw. der 3D-Außengeometrie sowie auf der Grundlage der identifizierten Komponenten temporär ein Programm berechnet, anhand dem der Roboterarm entsprechende Roboterbahnen abfährt, um den Reinigungs- und/oder Instandhaltungsprozess durchzuführen.A core feature of the invention is that there is no rigid CAD program stored in the robot control device, on the basis of which the robot control device follows the movement paths of the robot arm. Rather, according to the invention, an autonomous 3D-guided robot control is carried out “on the fly” in the robot control device based on the detection of the 3D geometry in the scanning process step. For this purpose, the robot control device can basically be constructed as follows: The robot control device can have a 3D model unit in which a 3D geometry of the vehicle outer contour and/or the vehicle interior determined in the scanning process step is stored temporarily, i.e. on the fly. In addition, the robot control device can have an identification unit by means of which the components of the vehicle interior or the vehicle exterior contour are identified from the scanned 3D model. By way of example, the components of the vehicle interior can be a steering wheel or a vehicle seat. Components of the vehicle outer contour can be, for example, the vehicle wheels. In addition, the robot control device can have an evaluation unit which, based on the recorded 3D interior geometry or the 3D external geometry as well as on the basis of the identified components, temporarily calculates a program based on which the robot arm follows corresponding robot paths in order to carry out the cleaning and/or carry out maintenance process.
Beispielhaft kann eine konkrete Fahrzeuginnenraumreinigung wie folgt realisiert sein: So kann im Scan-Prozessschritt mit Hilfe des Scanaufsatzes am Roboterarm die Prozessumgebung im Fahrzeuginnenraum durch Erstellung eines entsprechenden 3D-Modells ermittelt werden. Aus dem 3D-Modell des Fahrzeuginnenraums werden die zu reinigenden Komponenten identifiziert. Nach Abschluss des Scan-Prozessschrittes erfolgt ein erster Werkzeugwechsel, bei dem der Scanaufsatz des Roboterarms mit einem ersten Reinigungswerkzeugaufsatz (zum Beispiel eine Trockeneisdüse) ausgetauscht wird. Anschließend wird eine Trockeneisreinigung durchgeführt, bei der der Roboterarm die in dem Robotersteuergerät berechneten Roboterbahnen abfährt. Nach erfolgter Trockeneisreinigung wird ein zweiter Werkzeugwechsel durchgeführt, bei dem der Roboterarm die Trockeneisdüse mit einer Saugdüse austauscht. Anschließend startet der Saugvorgang, bei dem der Roboterarm die zu behandelnde Innenraumkomponente abermals abfährt, um diese abzusaugen.For example, a specific vehicle interior cleaning can be implemented as follows: In the scanning process step, the process environment in the vehicle interior can be determined by creating a corresponding 3D model using the scanning attachment on the robot arm. The components to be cleaned are identified from the 3D model of the vehicle interior. After completing the scanning process step, a first tool change takes place, in which the scanning attachment of the robot arm is replaced with a first cleaning tool attachment (for example a dry ice nozzle). Dry ice cleaning is then carried out, during which the robot arm follows the robot paths calculated in the robot control unit. After dry ice cleaning has been completed, a second tool change is carried out in which the robot arm replaces the dry ice nozzle with a suction nozzle. The suction process then starts, in which the robot arm moves again to the interior component to be treated in order to vacuum it up.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
-
1 bis6 jeweils in Skizzen den Aufbau sowie die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Reinigungs- und/oder Instandhaltungsanlage.
-
1 until6 Each sketch shows the structure and functionality of the cleaning and/or maintenance system according to the invention.
In der
Nachfolgend wird anhand der Figuren beispielhaft ein Prozess zur Fahrzeuginnenraumreinigung beschrieben, der gemäß der in der
Auf der Grundlage der ermittelten 3D-Innenraumgeometrie sowie der identifizierten, zu reinigenden Komponente 29 wird im weiteren Prozessverlauf ein Reinigungs-Prozessschritt durchgeführt. Hierzu erfolgt zunächst ein erster Werkzeugwechsel, bei dem der jeweilige Roboterarm 5 den Scanaufsatz 19 in der Werkzeugwechselstation 17 ablegt und eine Trockeneisdüse 21 anlegt, mittels der eine Trockeneisreinigung des zu reinigenden Fahrzeugsitzes 29 durchgeführt wird. Die Trockeneisreinigung ist beispielhaft in der
Nach Abschluss der Trockeneisreinigung erfolgt ein zweiter Werkzeugwechsel, bei dem jeder Roboterarm 5 die Trockeneisdüse 21 mit einer Saugdüse 23 austauscht. Nach erfolgtem zweiten Werkzeugwechsel startet der Saugvorgang, bei dem jeder der Roboterarme 5 abermals entsprechende Roboterbahnen R abfährt, die von der Auswerteeinheit 31 des Robotersteuergeräts 15 on the fly berechnet worden sind.After the dry ice cleaning has been completed, a second tool change takes place, in which each
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- SeitentürenSide doors
- 33
- HeckklappeTailgate
- 55
- RoboterarmeRobotic arms
- 77
- SeitentüröffnungSide door opening
- 99
- LaderaumöffnungLoad compartment opening
- 1111
- SchlittensystemCarriage system
- 1313
- FührungsschienenGuide rails
- 1515
- RobotersteuergerätRobot control unit
- 1717
- WerkzeugwechselstationTool changing station
- 19, 21, 2319, 21, 23
- Roboterarm-AufsätzeRobot arm attachments
- 2525
- 3D-Modelleinheit3D model unit
- 2727
- IdentifikationseinheitIdentification unit
- 2929
- FahrzeugsitzVehicle seat
- 3131
- AuswerteeinheitEvaluation unit
- RR
- RoboterbahnenRobotic tracks
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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