EP3313626A1 - Verfahren zum redundanzoptimierten planen eines betriebs eines mobilen roboters - Google Patents

Verfahren zum redundanzoptimierten planen eines betriebs eines mobilen roboters

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Publication number
EP3313626A1
EP3313626A1 EP16727695.5A EP16727695A EP3313626A1 EP 3313626 A1 EP3313626 A1 EP 3313626A1 EP 16727695 A EP16727695 A EP 16727695A EP 3313626 A1 EP3313626 A1 EP 3313626A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
axis
rotation
graph
mobile robot
angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP16727695.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Scheurer
Shashank Sharma
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KUKA Deutschland GmbH
Original Assignee
KUKA Roboter GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KUKA Roboter GmbH filed Critical KUKA Roboter GmbH
Publication of EP3313626A1 publication Critical patent/EP3313626A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1664—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1615—Programme controls characterised by special kind of manipulator, e.g. planar, scara, gantry, cantilever, space, closed chain, passive/active joints and tendon driven manipulators
    • B25J9/162—Mobile manipulator, movable base with manipulator arm mounted on it
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1643—Programme controls characterised by the control loop redundant control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00—Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • B25J5/007—Manipulators mounted on wheels or on carriages mounted on wheels

Definitions

  • the invention relates to a method for redundancy-optimized planning of an operation of a mobile robot.
  • US 5,550,953 discloses a mobile robot and a method of operating the mobile robot.
  • the mobile robot comprises a robot arm having a plurality of relatively movable members and a host vehicle to which the robot arm is attached.
  • the object of the invention is to provide an improved method for planning a movement of a mobile robot.
  • the object of the invention is achieved by a method for redundancy-optimized planning of an operation of a redundant mobile robot comprising a mobile carrier vehicle, egg ⁇ nen robot arm with a plurality of connected via joints, rotatably mounted with respect to rotation axes limbs, drives for moving the members relative to each other and having an electronic control device which is adapted to drive the actuators for the members and the carrier vehicle for a be ⁇ movement of the mobile robot, having the following method steps:
  • a Cartesian TCP coordinate system associated with a Tool Center Point associated with the robotic arm having a first TCP coordinate axis, a second TCP coordinate axis and a third TCP
  • Cartesian world coordinate system having a first world coordinate axis, a second world coordinate axis and a third world coordinate axis, wherein the first world coordinate axis and the second world coordinate axis spine a plane on which the mobile robot is moving, a height of the tool center point is associated with the plane of the third world coordinate axis, and one of the TCP coordinate axes and the plane enclose an angle,
  • the mobile robot is a redundant mobile robot, for which there are generally several possible configurations of the mobile robot for the respective positions and orientations of the tool center point in space.
  • Configuration of the mobile robot means that there are several possible positions of the robot arm for the respective positions and orientations of the tool center point and several possible positions and orientations of the carrier vehicle in the plane.
  • the positions of the robot arm he ⁇ are given by angular positions of the individual members relative to each other.
  • there are generally redundant configurations of the mobile robot for the individual locations and orientations of the tool center point in space can be expressed, for example, in the world coordinate system.
  • the orientation of the Tool Center Point can also be expressed in coordinates of the TCP coordinate system.
  • the robot arm exactly five degrees of freedom and thus as members a first member, a second member, a third member, a fourth member, a fifth member and a sixth member and as axes of rotation a first axis of rotation, a second axis of rotation, a third axis of rotation, a fourth axis ⁇ rotation and a fifth axis of rotation.
  • the mobile robot has in particular eight degrees of freedom, since the carrier vehicle comprises three degrees of freedom.
  • the first axis of rotation, the second axis of rotation ⁇ and the fourth axis of rotation extend horizontally and the fifth axis of rotation vertically.
  • the second member is rela ⁇ tiv mounted to the first member rotatable relative to the first axis of rotation
  • the second member follows the third member to the third member rotatably mounted relative to the second member relative to the second axis of rotation
  • the fourth link is re ⁇ tively to third member relative to the third axis of rotation, which is perpendicular to the second axis of rotation rotatably mounted and includes a fastening device for attaching a tool or the tool
  • the sixth member is fixedly secured to the carrier vehicle or represents the carrier ⁇ vehicle
  • the fifth member is relative to rotatably mounted sixth member with respect to the fifth axis of rotation
  • the first member is rotatably mounted relative to the fifth member with respect to the fourth axis of rotation.
  • the third TCP coordinate axis preferably extends in the direction of the
  • the robot arm can also just four degrees of freedom alswei ⁇ sen. Then, the robot arm has as members a first member, a second member, a third member, a fourth member, and a fifth member, and as rotation axes, a first rotation axis, a second rotation axis, a third rotation axis, and a fourth rotation axis.
  • the first axis of rotation, the second axis of rotation and the fourth axis of rotation extend horizontally.
  • the second member is mounted relative to the first member rotatable relative to the first axis of rotation
  • the second Member follows the third member
  • the third member is rotatably ⁇ relative to the second member with respect to the second axis of rotation rotatably mounted
  • the fourth member is rotatable relative to the third member relative to the third axis of rotation, which is perpendicular to the second axis of rotation, and comprises ei ⁇ ne fastening device for attaching a tool or tool
  • the fifth member is fixedly secured to the carrier vehicle represents the carrier vehicle.
  • the third TCP coordinate axis extends in the direction of the third axis of rotation and closes with the plane of the angle.
  • the mobile carrier vehicle preferably includes wheels and at ⁇ gear for driving the wheels.
  • the elekt ⁇ tronic control device is adapted to control the drives for the wheels for moving the carrier vehicle.
  • the carrier vehicle may also have legs or be designed as a magnetic levitation transport vehicle.
  • the carrier vehicle is preferably designed as an omnidirectionally movable carrier vehicle (holonomic platform).
  • the wheels of the carrier vehicle are designed as omnidirectional wheels.
  • An example of an omnidirectional wheel is the Mecanum wheel known to those skilled in the art. Because of the omnidirectional wheels, the mobile robot according to the invention or its carrier vehicle is allowed to move freely in space.
  • the carrier vehicle can not only move forwards, backwards or sideways or travel curves, but also rotate, for example, about a vertically oriented axis.
  • the at least one graph is used in which as a function of the height and the angle the redundancy is represented, which is a measure of possible configurations of the mobile robot depending on the height and the angle is.
  • the at least one graph is e.g. a first graph, wherein the height, the angle and the redundancy form a three-dimensional Cartesian coordinate system in which the redundancy as a function of the height and the angle is shown as the first graph. This results in a graphical mountain range in which the redundancy for different heights of the tool center point and the angle can be read relatively easily.
  • the redundancy in the first graph is marked differently in color or by gray levels.
  • the at least one graph is a second graph in which the height is represented as a function of the angle and the redundancy in the second graph is different, in particular differently colored or marked by gray levels, by the redundancy as a function of the height and the angle.
  • the second graph is a saudimensio ⁇ cal graph, in which preferably the height and the angle along corresponding coordinate axes are applied, which are perpendicular to each other.
  • the second graph shows in particular the height as a function of the angle.
  • the second graph is marked differently, for example by illustrating the redundancy in color or by different gray levels.
  • the second graph is in particular a plan view of the first graph.
  • relatively simple (Z; ß) pairs or (Z; ß) pairs can be determined with relatively high redundancy.
  • the inventive method may comprise the following additional Ver ⁇ method steps: - Prepare a course of a track in the six-dimensional
  • Train with the second graph Determine if the planned lane can be run by the mobile robot.
  • the planning in six-dimensional space takes place, in particular, in coordinates of the world coordinate system (world coordinates) and possibly also in the TCP coordinate system.
  • the inventive method may comprise the following additional Ver ⁇ method steps:
  • the method according to the invention can comprise method steps: determining an angle
  • FIG. 1 shows a mobile robot, comprising a carrier vehicle and a fastened to the carrier vehicle Robo ⁇ terarm
  • Figure 2 is a world coordinate system
  • FIGS. 3, 4 each show a graph
  • FIGS. 5, 6 are illustrations for checking the
  • Figure 7 is an illustration for changing the course of a planned course
  • Figure 8 is an illustration for planning a
  • Fig. 1 shows a mobile robot 1, which in the case of the present embodiment has an omni-directional Move ⁇ bares carrier vehicle 2.
  • This example includes a vehicle main body 3 and a plurality of rotatably mounted on the vehicle body 3 wheels 4, which are as omnidirectional Ra ⁇ the formed.
  • the carrier vehicle 2 has four omnidirectional wheels 4.
  • all wheels 4 are each driven by a drive.
  • the drives not shown in more detail are preferably electric drives, in particular regulated electric drives, and are provided with a control unit arranged in or on the vehicle body 3, for example.
  • Device 5 is connected, which is arranged to move the Trä ⁇ ger poverty 2 by appropriately driving the drives for the wheels 4.
  • each of the wheels 4 designed as an omnidirectional or Mecanum wheel has two wheel discs which are rigidly connected to one another and between which a plurality of rolling bodies are rotatably mounted with respect to their longitudinal axes.
  • the two wheel discs can be rotatably mounted with respect to a rotation axis and driven by one of the drives of the carrier vehicle 2 such that the two wheel discs rotate with respect to the axis of rotation.
  • the mobile robot 1 or its carrier vehicle 2 can not only move forwards, backwards or sideways or drive curves, but also rotate about any vertically aligned axis.
  • the mobile robot 1 comprises a robot arm 6, which is designed as a serial kinematics and has a plurality of elements arranged one behind the other, which are connected to joints, so that the individual members are mounted rotatably relative to each other with respect to axes of rotation.
  • the Ro ⁇ boterarm 6 five degrees of freedom and comprises a first member 11, second member 12, third member 13, fourth member 14, a fifth member 15, and a sixth member 16 and a first rotational axis 21 , a second axis of rotation 22, a third rotation axis 23, a fourth rotation axis 24 and a fifth rotation axis 25.
  • first rotation axis 21 and the second rotation axis 22 extend horizontally.
  • the second member 12 is in particular a cantilever and is rotatably mounted relative to the first member 11 with respect to the first axis of rotation 21.
  • the second member 12 is followed by the third member 13.
  • the third member 13 is rotatably supported relative to the second member 12 with respect to the second axis of rotation 22.
  • the fourth member 14 is rotatably supported relative to the third member 13 with respect to the third rotation axis 23.
  • the third rotation axis 23 extends perpendicular to the second rotation axis 22.
  • the fourth element 14 may comprise a fastening device for fastening a tool 7. In the case of the present exemplary embodiment, however, the tool 7 is part of the fourth link 14.
  • the fourth link 14 is one of the ends of the robot arm 6.
  • the robot arm 6 does not include the fourth member 14 and that the third member 13 comprising the Fixed To ⁇ constriction device or tool. 7
  • the third member 13 is one of the ends of the robot arm 6.
  • the first member 11 is rotatably supported relative to the fifth member 15 with respect to the fourth axis of rotation 24.
  • the fourth rotary ⁇ axis 24 extends horizontally.
  • the sixth member 16 is in particular a frame of the Robo ⁇ terarms 6, with which the robot arm 7 is fixed to the vehicle body. 3
  • the frame is one of the ends of the Robo ⁇ terarms. 6 it is also possible that the carrier vehicle 2, the frame, that is the sixth member forms sixteenth
  • the fifth member 15 is in particular a relative to the frame about the fifth axis of rotation 25 rotatably mounted carousel.
  • the fifth axis of rotation 25 is vertical.
  • the carrier vehicle 2 is in the case of the present example approximately exporting ⁇ omnidirectionally movable, which is why the carrier vehicle 2 can also rotate about the fifth rotation axis 25th It can also be provided that the first member 11 directly follows the frame, ie relative to the frame be ⁇ delay of the fourth axis of rotation 24 is rotatably mounted. In this case, the robot arm 7 does not include a carousel.
  • the mobile robot 1 further comprises drives connected to the control device 5.
  • the drives are in the exemplary embodiment electric drives, the special ⁇ regulated electric drives. At least the Mo ⁇ gates of these electric drives are arranged in or on the robot arm. 6
  • the CON ⁇ ervorraum 5 the drives of the mobile robot 1, that is, the actuators drives for moving the limbs of the robot arm 6 and the drives for moving the wheels 4 such that the robot arm 6 associated with so-called Tool Center Point 8 a predetermined target position, if necessary, ⁇ also takes a target orientation in space or the Tool Center Point 8 automatically moves on a predetermined path.
  • the Ro ⁇ boterarm 6 five degrees of freedom.
  • the entire mobile Robo ⁇ ter 1 thus comprises eight degrees of freedom, since the carrier generating driving ⁇ 2 includes three degrees of freedom.
  • the position of the tool 7 or of the tool center point 8 can be determined in coordinates of a world coordinate system K w shown in FIG. 2.
  • the world coordinate system K w is a Cartesian coordinate system with the world coordinate axes X W , Y w , W w and an origin U w .
  • the world coordinate system K w is stationary.
  • the world coordinate system is ⁇ K w is set such that its X W - and Y w -Weltkoordinaten span a plane E XY on which the mobile robot 1 moves.
  • the coordinate of the Z W world coordinate axis thus gives the height Z of the tool center point 8 of the plane E XY on which the mobile robot 1 moves.
  • the orientation of the tool center point 8 can be determined by angular coordinates of the world coordinate system K w .
  • the tool 7 or the center point tool is a 8 likewise shown in FIG. 2 TCP coordinate system K TC p ⁇ ordered to, the origin in the Tool Center Point 8.
  • the TCP coordinate system K TC p is a Cartesian coordinate system with the TCP coordinate axes X TC P, YT C P, Z TC p.
  • the Z TC p TCP coordinate axis is perpendicular to the second axis of rotation 22 or runs in the direction of the third axis of rotation 23, that is to say quasi "in the direction of impact" of the tool 7.
  • the orientation of the tool center point 8 with respect to the world coordinate system K w can also be determined by means of the TCP coordinate system K TC p.
  • the TCP coordinate axes Z TC p and the plane E XY include an angle ⁇ .
  • ei ⁇ ne automatic movement of the tool 7 and the Tool Cen ⁇ ter Points 8 along the height Z at a fixed position in the X w and Y w world coordinate axes of the world coordinate data K w level E Xy preferably be planned off ⁇ line.
  • the height Z corresponds to the Z w - world coordinate of the world coordinate system K w .
  • the positions and orientations of the tool are used for this planning
  • the mobile robot 1 eight ⁇ free degrees of freedom.
  • the mobile robot 1 is thus a redundant I ⁇ ter of mobile robots for which it is generally for the respective positions and orientations of the tool center
  • the positions of the robot arm 6 result from angular positions of the individual members relative to each other.
  • the loading is operating the mobile robot 1 with the aid of at least one Gra ⁇ phen planned as a function of height in the Z and the angle of the redundancy P ß is shown.
  • the height Z, the angle ⁇ and the redundancy P can in particular form a three-dimensional Cartesian coordinate system 30 shown in FIG. 3, in which the redundancy P is plotted as a function of the height Z and the angle ⁇ as a first graph G1 is.
  • the first graph Gl is a dreidi ⁇ dimensional graph.
  • the first graph G can be color-coded by (Z, ⁇ ) pairs with a higher redundancy P being marked differently in color than (Z, ⁇ ) pairs with lower redundancy P.
  • the height Z, the angle ⁇ and the redundancy P can also be illustrated as a two-dimensional graph (second graph G2) shown in FIG.
  • the second graph G2 shows the height Z as a function of the angle ⁇ .
  • the second graph G2 is Different marked, for example, by the redundancy P is illustrated in color or by different gray levels.
  • the second graph G2 is in particular a plan view of the first graph Eq.
  • relatively simple (Z; .beta.) Pairs or (Z; .beta.) Pairs with relatively high redundancy P can be determined.
  • the second graph G2 includes, for example, first regions 41, which (Z ss) associated pairs for which no configurations of the mobile robot 1 are possible, second regions 42, which (Z ss) associated pairs for which Configuratio ⁇ nen of the mobile robot 1 with relatively low redundancy P are possible, and third areas 43, which (Z; ß) pairs are assigned to the configurations of the mobile Robo ⁇ ters 1 with relatively high redundancy P are possible.
  • Figures 5 and 6 illustrate, as a result of the two ⁇ th graph G2 can be checked whether the course of a planned path for the tool center point can be performed with the mobile robot 1 8.
  • the course 51 of a six-dimensional web is planned along which the Tool Center Point 8 is to move automatically.
  • the course 51 of the web in the six-dimensional space is e.g. Planned in world coordinates or in world and TCP coordinates, and includes an indication of the course of the position and orientation of the tool center point 8 in space.
  • the course 51 of the planned path is transformed by means of a transformation 52 into the two-dimensional subspace, resulting in a transformed path whose course 53 can be represented graphically.
  • the graphic curve 53 of the transformier ⁇ th planned path is superposed on the second graph G2.
  • the profile 53 of the transformed planned path is located in areas of the second graph G2, which (Z ss) associated pairs for which a Configu ⁇ ration of the mobile Robot 1 is possible. Such a case is shown in FIG. 5.
  • the path 53 of the planned transformed path lies at least partially in regions of the second graph G2 to which (Z; ß) pairs are assigned, for which a configuration of the mobile robot 1 un ⁇ possible. Such a case is shown in FIG. 6.
  • the course 53 of the transformed planned path can be changed so that a changed course 73 of the transformed planned path is created, which can be carried out by the mobile robot 1.
  • the modified Ver ⁇ run 53 of the transformed planned path is changed in the second graph G2 exceeded camped, to immediately recognize whether the changed course 73 of the transformed planned path is feasible with the mobile robot. 1
  • the change in the course of the transformed path can be done, for example, by means of a cursor.
  • FIG. 8 illustrates an example of planning a configuration of the mobile robot 1 in which the tool center point 8 should take a predetermined height Z. Yield several angle ß ⁇ on the basis of the redundancy P for this height Z.
  • FIG. 8 shows the mobile robot 1 for three configurations of the mobile robot 1, in which the tool center point 8 occupies the same height Z in each case, but different angles ⁇ in each case.
  • the carrier vehicle 2 assumes the same position and orientation, the angular positions of the members of the robot arm 6 relative to each other are different.
  • the carrier vehicle 2 is shown with solid Li-German and the robot arm 6 for a first confi ⁇ guration of the mobile robot 1 also with a Runaway ⁇ solid line and for a second configuration of the mobile robot 1 having a dashed line.
  • the mobile robot 1 is drawn with a dotted broken line for the third configuration of the mobile robot 1.
  • the height Z for the Tool Center Point 8 festge ⁇ sets. Subsequently, using the first graph G1 and / or the second graph G2, possible values ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3 of the angle ⁇ are determined. This can also be done automatically.
  • the angle .beta. Can also be specified in order to determine for this angle .beta.
  • the graph Gl and G2 can be also plan the following On ⁇ handover for the mobile robot 1: The mobile robot 1 is intended to engage with its configured as a gripper tool 7 a workpiece and in a different position again offshoots gene by means of the graph Gl and. / or G2 can be found favorable positions for this task.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum redundanzoptimierten Planen eines Betriebs eines redundanten mobilen Roboters (1), der ein mobiles Trägerfahrzeug (2), einen Roboterarm (6) mit mehreren, über Gelenke verbundenen, bezüglich Drehachsen (21-25) drehbar gelagerten Gliedern (11-16), Antriebe zum Bewegen der Glieder (11-16) relativ zueinander und eine elektronische Steuervorrichtung (5) aufweist, die eingerichtet ist, die Antriebe für die Glieder (11-16) und das Trägerfahrzeug (2) für eine Bewegung des mobilen Roboters (1) anzusteuern.

Description

Verfahren zum redundanzoptimierten Planen eines Betriebs eines mobilen Roboters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum redundanzoptimier- ten Planen eines Betriebs eines mobilen Roboters.
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 zuei- nander bewegbaren Gliedern und ein Trägerfahrzeug, an dem der Roboterarm befestigt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Planen einer Bewegung eines mobilen Roboters anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum redundanzoptimierten Planen eines Betriebs eines redundanten mobilen Roboters, der ein mobiles Trägerfahrzeug, ei¬ nen Roboterarm mit mehreren, über Gelenke verbundenen, be- züglich Drehachsen drehbar gelagerten Gliedern, Antriebe zum Bewegen der Glieder relativ zueinander und eine elektronische Steuervorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, die Antriebe für die Glieder und das Trägerfahrzeug für eine Be¬ wegung des mobilen Roboters anzusteuern, aufweisend folgende Verfahrensschritte:
- Verwenden eines einem Tool Center Point, der dem Roboterarm zugeordnet ist, zugeordneten kartesischen TCP- Koordinatensystems mit einer ersten TCP-Koordinatenachse, einer zweiten TCP-Koordinatenachse und einer dritten TCP-
Koordinatenachse,
- Verwenden eines kartesischen Weltkoordinatensystems mit einer ersten Weltkoordinatenachse, einer zweiten Weltkoordinatenachse und einer dritten Weltkoordinatenachse, wobei die erste Weltkoordinatenachse und die zweite Weltkoordi- natenachse eine Ebene aufspannen, auf der sich der mobile Roboter bewegt, eine Höhe des Tool Center Points von der Ebene der dritten Weltkoordinatenachse zugeordnete ist, und eine der TCP-Koordinatenachsen und die Ebene einen Winkel einschließen,
- Erstellen wenigstens eines Graphen, in der als Funktion der Höhe und des Winkels eine Redundanz dargestellt wird, welche ein Maß für mögliche Konfigurationen des mobilen Roboters abhängig von der Höhe und dem Winkel ist, und - Planen eines Betriebs des mobilen Roboters mit Hilfe des wenigstens einen Graphen.
Der mobile Roboter ist ein redundanter mobiler Roboter, für den es im Allgemeinen für die jeweiligen Positionen und Ori- entierungen des Tool Center Points im Raum mehrere mögliche Konfigurationen des mobilen Roboters gibt. Unter Konfiguration des mobilen Roboters wird verstanden, dass es für die jeweiligen Positionen und Orientierungen des Tool Center Points mehrere mögliche Stellungen des Roboterarms und meh- rere mögliche Positionen und Orientierungen des Trägerfahrzeugs in der Ebene gibt. Die Stellungen des Roboterarms er¬ geben sich durch Winkelstellungen der einzelnen Glieder relativ zueinander. Somit gibt es im Allgemeinen redundante Konfigurationen des mobilen Roboters für die einzelnen Positionen und Orientierungen des Tool Center Points im Raum. Die Positionen und Orientierungen können z.B. im Weltkoordinatensystem ausgedrückt werden. Die Orientierung des Tool Center Points kann auch in Koordinaten des TCP-Koordinatensystems ausgedrückt werden .
Der Roboterarm umfasst nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen genau fünf Freiheitsgrade und so- mit als Glieder ein erstes Glied, ein zweites Glied, ein drittes Glied, ein viertes Glied, ein fünftes Glied und ein sechstes Glied und als Drehachsen eine erste Drehachse, eine zweite Drehachse, eine dritte Drehachse, eine vierte Dreh¬ achse und eine fünfte Drehachse. In diesem Fall weist der mobile Roboter insbesondere acht Freiheitsgrade auf, da das Trägerfahrzeug drei Freiheitsgrade umfasst.
Vorzugsweise verlaufen die erste Drehachse, die zweite Dreh¬ achse und die vierte Drehachse horizontal und die fünfte Drehachse vertikal. Insbesondere ist das zweite Glied rela¬ tiv zum ersten Glied drehbar bezüglich der ersten Drehachse gelagert, dem zweiten Glied folgt das dritte Glied nach, das dritte Glied ist relativ zum zweiten Glied bezüglich der zweiten Drehachse drehbar gelagert, das vierte Glied ist re¬ lativ zum dritten Glied bezüglich zur dritten Drehachse, die senkrecht zur zweiten Drehachse verläuft, drehbar gelagert und umfasst eine Befestigungsvorrichtung zum Befestigen eines Werkzeugs oder das Werkzeug, das sechste Glied ist am Trägerfahrzeug ortsfest befestigt oder stellt das Träger¬ fahrzeug dar, das fünfte Glied ist relativ zum sechsten Glied bezüglich der fünften Drehachse drehbar gelagert, und das erste Glied ist relativ zum fünften Glied bezüglich der vierten Drehachse drehbar gelagert. Vorzugsweise verläuft die dritte TCP-Koordinatenachse in Richtung der dritten Drehachse und schließt mit der Ebene den Winkel ein.
Der Roboterarm kann auch genau vier Freiheitsgrade aufwei¬ sen. Dann weist der Roboterarm als Glieder ein erstes Glied, ein zweites Glied, ein drittes Glied, ein viertes Glied, und ein fünftes Glied und als Drehachsen eine erste Drehachse, eine zweite Drehachse, eine dritte Drehachse und eine vierte Drehachse auf. Insbesondere verlaufen die erste Drehachse, die zweite Drehachse und die vierte Drehachse horizontal. Insbesondere ist das zweite Glied relativ zum ersten Glied drehbar bezüglich der ersten Drehachse gelagert, dem zweiten Glied folgt das dritte Glied nach, das dritte Glied ist re¬ lativ zum zweiten Glied bezüglich der zweiten Drehachse drehbar gelagert, das vierte Glied ist relativ zum dritten Glied bezüglich zur dritten Drehachse, die senkrecht zur zweiten Drehachse verläuft, drehbar gelagert und umfasst ei¬ ne Befestigungsvorrichtung zum Befestigen eines Werkzeugs oder das Werkzeug, das fünfte Glied ist am Trägerfahrzeug ortsfest befestigt stellt das Trägerfahrzeug dar. Vorzugs¬ weise verläuft die dritte TCP-Koordinatenachse in Richtung der dritten Drehachse und schließt mit der Ebene den Winkel.
Das mobile Trägerfahrzeug umfasst vorzugsweise Räder und An¬ triebe zum Antreiben der Räder. Vorzugsweise ist die elekt¬ ronische Steuervorrichtung eingerichtet, die Antriebe für die Räder zum Bewegen des Trägerfahrzeugs anzusteuern.
Das Trägerfahrzeug kann auch Beine aufweisen oder als ein Magnetschwebe-Transportfahrzeug ausgeführt sein. 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 omni- direktionalen 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 seit¬ lich bewegen oder Kurven fahren, sondern sich auch z.B. um eine vertikal ausgerichtete Achse drehen.
Erfindungsgemäß wird der wenigstens eine Graph verwendet, in der als Funktion der Höhe und des Winkels die Redundanz dargestellt wird, welche ein Maß für mögliche Konfigurationen des mobilen Roboters abhängig von der Höhe und dem Winkel ist. Dadurch können die möglichen Konfigurationen des mobilen Roboters u.a. für die Höhe des Tool Center Points rela¬ tiv einfach visualisiert werden, wodurch sich die Planung des Betriebs des mobilen Roboters vereinfacht.
Der wenigstens eine Graph ist z.B. ein erster Graph, wobei die Höhe, der Winkel und die Redundanz ein dreidimensionales kartesisches Koordinatensystem bilden, in dem die Redundanz als Funktion der Höhe und des Winkels als der erste Graph abgebildet ist. Dadurch ergibt sich ein graphisches Gebirge, in dem relativ einfach die Redundanz für verschiede Höhen des Tool Center Points und des Winkel ablesbar sind.
Vorzugsweise wird die Redundanz im ersten Graphen unter- schiedlich farblich oder durch Graustufen markiert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der wenigstens eine Graph ein zweiter Graph, bei dem die Höhe als Funktion des Winkels dargestellt ist und die Redundanz im zweiten Graphen unterschiedlich, insbesondere unterschiedlich farblich oder durch Graustufen markiert ist, um die Redundanz als Funktion der Höhe und des Winkels darzustellen. Der zweite Graph ist ein zweidimensio¬ naler Graph, bei dem vorzugsweise die Höhe und der Winkel entlang entsprechender Koordinatenachsen aufgetragen sind, die senkrecht zueinander stehen.
Der zweite Graph zeigt insbesondere die Höhe als Funktion des Winkels. Um die Redundanz zu veranschaulichen, ist der zweite Graph unterschiedlich markiert, indem z.B. die Redundanz farblich oder durch verschiedene Graustufen veranschaulicht ist. Der zweite Graph ist insbesondere eine Draufsicht auf den ersten Graphen. Im zweiten Graphen können relativ einfach mögliche (Z; ß) Paare oder (Z; ß) Paare mit relativ hoher Redundanz ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zusätzlich folgende Ver¬ fahrensschritte aufweisen: - Planen eines Verlaufs einer Bahn im sechsdimensionalen
Raum, entlang der sich der Tool Center Point automatisch bewegen soll,
- Transformieren des Verlaufs der geplanten Bahn in einen zweidimensionalen Unterraum, wodurch ein Verlauf einer transformierten Bahn entsteht, wobei der Unterraum die geplante Position und Orientierung des Tool Center Points in der Höhe und dem Winkel darstellt,
- Überlagern des Verlaufs der transformierten geplanten Bahn mit dem zweiten Graphen, und
- aufgrund des überlagerten Verlaufs der transformierten
Bahn mit dem zweiten Graphen, Ermitteln, ob die geplante Bahn vom mobilen Roboter durgeführt werden kann.
Die Planung im sechsdimensionalen Raum erfolgt insbesondere in Koordinaten des Weltkoordinatensystems (Weltkoordinaten) und gegebenenfalls zusätzlich in des TCP-Koordinatensystems.
Falls die geplante Bahn mit dem mobilen Roboter nicht durchgeführt werden kann, dann können folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- Ändern des Verlaufs der transformierten geplanten Bahn innerhalb des überlagerten zweiten Graphen, damit ein geänderter Verlauf der transformierten geplanten Bahn ent- steht, der mit dem mobilen Roboter durchführbar ist, und
- Erstellen einer geänderten geplanten Bahn im sechsdimensionalen Raum aufgrund des geänderten Verlaufs der transformierten geplanten Bahn. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zusätzlich folgende Ver¬ fahrensschritte aufweisen:
- Festlegen einer Höhe für den Tool Center Point
- mit Hilfe des ersten Graphen und/oder des zweiten Graphen Ermitteln von möglichen Werten des Winkels,
- Ermitteln des Wertes des Winkels, welchem die höchste Re¬ dundanz zugeordnet ist, und
- Verwenden des ermittelten Wertes des Winkels für eine Pla- nung der Bewegung des mobilen Roboters.
Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren Verfahrens¬ schritte aufweisen: - Festlegen eines Winkels,
- mit Hilfe des ersten Graphen und/oder des zweiten Graphen Ermitteln von möglichen Werte der Höhe,
- Ermitteln des Wertes der Höhe, welchem die höchste Redundanz zugeordnet ist, und
- Verwenden des ermittelten Wertes der Höhe für eine Planung der Bewegung des mobilen Roboters.
Beim Ermitteln des Wertes des Winkels bzw. der Höhe, welchen die höchste Redundanz zugeordnet ist, kann auch noch wenigs- ten eine weitere Nebenbedingung berücksichtigt werden, wie z.B. eine Vermeidung einer Kollisionen des mobilen Roboters mit einem Objekt oder ein Sicherheitsabstand des mobilen Ro¬ boters zu einem Objekt. Mittels des wenigstens eine Graphen lässt sich auch folgende Aufgabe für den mobilen Roboter planen: Der mobile Roboter soll mit seinem als Greifer ausgebildeten Werkzeug ein Werkstück greifen und an einer anderen Position wieder ablegen. Mittels des wenigstens einen Graphen können günstige Positi- onen für diese Aufgabe ermittelt werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind exemplarisch
beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es gen :
Figur 1 einen mobilen Roboter, der ein Trägerfahrzeug und einen am Trägerfahrzeug befestigten Robo¬ terarm umfasst, Figur 2 ein Weltkoordinatensystem und
Koordinatensystem,
Figuren 3, 4 jeweils einen Graphen,
Figuren 5, 6 eine Veranschaulichung für ein Überprüfen des
Verlaufs einer geplanten Bahn,
Figur 7 eine Veranschaulichung für ein Ändern des Verlaufs einer geplanten Bahn, und
Figur 8 eine Veranschaulichung für das Planen einer
Konfiguration des mobilen Roboters.
Die Fig. 1 zeigt einen mobilen Roboter 1, der im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein omnidirektional beweg¬ bares Trägerfahrzeug 2 aufweist. Dieses umfasst z.B. einen Fahrzeuggrundkörper 3 und mehrere, am Fahrzeuggrundkörper 3 drehbar angeordnete Räder 4, welche als omnidirektionale Rä¬ der ausgebildet sind. Im Falle des vorliegenden Ausführungs- beispiels weist das Trägerfahrzeug 2 vier omnidirektionale Räder 4 auf. Vorzugsweise werden alle Räder 4 jeweils mit einem Antrieb angetrieben. Die nicht näher dargestellten Antriebe sind vorzugsweise elektrische Antriebe, insbesondere geregelte elektrische Antriebe und sind mit einer beispiels- weise im oder am Fahrzeuggrundkörper 3 angeordneten Steuer- Vorrichtung 5 verbunden, welche eingerichtet ist, das Trä¬ gerfahrzeug 2 durch entsprechendes Ansteuern der Antriebe für die Räder 4 zu bewegen. Ein Beispiel eines omnidirektionalen Rades ist das sogenannte Mecanum-Rad. Jedes der als omnidirektionales bzw. Mecanum Rad ausgebildete Rad 4 weist im Falle des vorliegenden Aus¬ führungsbeispiels zwei starr miteinander verbundene Rad¬ scheiben auf, zwischen denen mehrere Rollkörper bezüglich ihrer Längsachsen drehbar gelagert sind. Die beiden Radscheiben können bezüglich einer Drehachse drehbar gelagert sein und mittels einer der Antriebe des Trägerfahrzeugs 2 derart angetrieben werden, dass sich die beiden Radscheiben bezüglich der Drehachse drehen.
Aufgrund der omnidirektionalen Räder 4 ist es dem mobilen Roboter 1 bzw. dessen Trägerfahrzeug 2 ermöglicht, sich frei auf einer Ebene bzw. einem nicht näher dargestellten Boden 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 drehen.
Der mobile Roboter 1 umfasst einen Roboterarm 6, der als se- rielle Kinematik ausgeführt ist und mehrere, hintereinander angeordnete Glieder aufweist, die mit Gelenken verbunden sind, sodass die einzelnen Glieder bezüglich Drehachsen relativ zueinander drehbar gelagert sind. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist der Ro¬ boterarm 6 fünf Freiheitsgrade auf und umfasst ein erstes Glied 11, ein zweites Glied 12, ein drittes Glied 13, ein viertes Glied 14, ein fünftes Glied 15 und ein sechstes Glied 16 und eine erste Drehachse 21, eine zweite Drehachse 22, eine dritte Drehachse 23, eine vierte Drehachse 24 und eine fünfte Drehachse 25.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels verlaufen die erste Drehachse 21 und die zweite Drehachse 22 horizontal. Das zweite Glied 12 ist insbesondere ein Ausleger und ist relativ zum ersten Glied 11 drehbar bezüglich der ersten Drehachse 21 gelagert. Dem zweiten Glied 12 folgt das dritte Glied 13 nach. Das dritte Glied 13 ist relativ zum zweiten Glied 12 bezüglich der zweiten Drehachse 22 drehbar gelagert.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist das vier- te Glied 14 relativ zum dritten Glied 13 bezüglich zur dritten Drehachse 23 drehbar gelagert. Die dritte Drehachse 23 verläuft senkrecht zur zweiten Drehachse 22. Das vierte Glied 14 kann eine Befestigungsvorrichtung zum Befestigen eines Werkzeugs 7 umfassen. Im Falle des vorliegenden Aus- führungsbeispiels ist jedoch das Werkzeug 7 Bestandteil des vierten Glieds 14. Das vierte Glied 14 ist eines der Enden des Roboterarms 6.
Es ist auch möglich, dass der Roboterarm 6 das vierte Glied 14 nicht enthält und dass das dritte Glied 13 die Befesti¬ gungsvorrichtung bzw. das Werkzeug 7 umfasst. In diesem Fall stellt das dritte Glied 13 eines der Enden des Roboterarms 6. Das erste Glied 11, das insbesondere eine Schwinge des Robo¬ terarms 6 ist, ist dem fünften Glied 15 vorgelagert. Das erste Glied 11 ist relativ zum fünften Glied 15 bezüglich der vierten Drehachse 24 drehbar gelagert. Die vierte Dreh¬ achse 24 verläuft horizontal. Das sechste Glied 16 ist insbesondere ein Gestell des Robo¬ terarms 6, mit dem der Roboterarm 7 am Fahrzeuggrundkörper 3 befestigt ist. Das Gestell stellt eines der Enden des Robo¬ terarms 6 dar. Es ist aber auch möglich, dass das Träger- fahrzeug 2 das Gestell, d.h. das sechste Glied 16 bildet.
Das fünfte Glied 15 ist insbesondere ein relativ zum Gestell um die fünfte Drehachse 25 drehbar gelagertes Karussell. Die fünfte Drehachse 25 verläuft vertikal.
Das Trägerfahrzeug 2 ist im Falle des vorliegenden Ausfüh¬ rungsbeispiels omnidirektional bewegbar, weshalb sich das Trägerfahrzeug 2 auch um die fünfte Drehachse 25 drehen kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass das erste Glied 11 direkt dem Gestell nachfolgt, d.h. relativ zum Gestell be¬ züglich der vierten Drehachse 24 drehbar gelagert ist. In diesem Fall umfasst der Roboterarm 7 kein Karussell.
Der mobile Roboter 1 umfasst ferner mit der Steuervorrich- tung 5 verbundene Antriebe. Die Antriebe sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels elektrische Antriebe, ins¬ besondere geregelte elektrische Antriebe. Zumindest die Mo¬ toren dieser elektrischen Antriebe sind im oder am Roboterarm 6 angeordnet.
Im Betrieb des Roboters 1 ist es vorgesehen, dass die Steu¬ ervorrichtung 5 die Antriebe des mobilen Roboters 1, d.h. die Antriebe zum Bewegen der Glieder des Roboterarms 6 und die Antriebe zum Bewegen der Räder 4 derart ansteuert, dass ein dem Roboterarm 6 zugeordneter sogenannter Tool Center Point 8 eine vorgegebene Soll Position, gegebenenfalls zu¬ sätzlich auch eine Soll-Orientierung im Raum einnimmt bzw. der Tool Center Point 8 sich auf einer vorgegebenen Bahn automatisch bewegt. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist der Ro¬ boterarm 6 fünf Freiheitsgrade auf. Der gesamte mobile Robo¬ ter 1 umfasst somit acht Freiheitsgrade, da das Trägerfahr¬ zeug 2 drei Freiheitsgrade umfasst.
Die Position des Werkzeugs 7 bzw. des Tool Center Points 8 kann in Koordinaten eines in der Fig. 2 gezeigten Weltkoordinatensystems Kw bestimmt werden. Das Weltkoordinatensystem Kw ist ein kartesisches Koordinatensystem mit den Weltkoordi- natenachsen XW , Yw, Ww und einem Ursprung Uw. Das Weltkoordinatensystems Kw ist ortsfest.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist das Welt¬ koordinatensystem Kw derart festgelegt, dass dessen XW- und Yw-Weltkoordinaten eine Ebene EXY aufspannen, auf der sich der mobile Roboter 1 bewegt. Die Koordinate der ZW- Weltkoordinatenachse ergibt somit die Höhe Z des Tool Center Points 8 von der Eben EXY, auf der sich der mobile Roboter 1 bewegt .
Die Orientierung des Tool Center Points 8 kann durch Winkelkoordinaten des Weltkoordinatensystems Kw bestimmt werden.
Dem Werkzeug 7 bzw. dem Tool Center Point 8 ist ein eben- falls in der Fig. 2 gezeigtes TCP-Koordinatensystem KTCp zu¬ geordnet, dessen Ursprung im Tool Center Point 8 liegt. Das TCP-Koordinatensystem KTCp ist ein kartesisches Koordinatensystem mit den TCP-Koordinatenachsen XT CP , YTCP , ZTCp. Die ZTCp- TCP-Koordinatenachse steht senkrecht zur zweiten Drehachse 22 bzw. verläuft in Richtung der dritten Drehachse 23, also quasi „in Stoßrichtung" des Werkzeugs 7.
Mittels des TCP-Koordinatensystems KTCp kann ebenfalls die Orientierung des Tool Center Points 8 bezüglich des Weltko ordinatensystem Kw bestimmt werden. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels schließen die TCP-Koordinatenachsen ZTCp und die Ebene EXY einen Winkel ß ein .
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels soll z.B. ei¬ ne automatische Bewegung des Werkzeugs 7 bzw. des Tool Cen¬ ter Points 8 entlang der Höhe Z bei einer festen Position in der durch die Xw- und Yw-Weltkoordinatenachsen des Weltkoor- dinatensystems Kw festgelegten Ebene EXy vorzugsweise off¬ line geplant werden. Die Höhe Z entspricht der Zw- Weltkoordinate des Weltkoordinatensystems Kw.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels werden für diese Planung die Positionen und Orientierungen des Tool
Center Points 8 bezüglich des Weltkoordinatensystems Kw in einen zweidimensionalen Unterraum transformiert, dessen Koordinaten die Höhe Z des Tool Center Points 8 und der Winkel ß ist.
Wie bereits erwähnt, weist der mobile Roboter 1 acht Frei¬ heitsgrade auf. Der mobile Roboter 1 ist also ein redundan¬ ter mobiler Roboter, für den es im Allgemeinen für die jeweiligen Positionen und Orientierungen des Tool Center
Points 8 im Raum mehrere mögliche Konfigurationen des mobi¬ len Roboters 1 gibt, also mehrere mögliche Stellungen des Roboterarms 6 und mehrere mögliche Positionen und Orientie¬ rungen des Trägerfahrzeugs 2 in der Ebene EXY. Die Stellungen des Roboterarms 6 ergeben sich durch Winkelstellungen der einzelnen Glieder relativ zueinander.
Dadurch ist es möglich, den einzelnen Orientierungen und Positionen des Tool Center Points 8 im Raum ein Maß für mögliche Konfigurationen des mobilen Roboters 1 abhängig von der Höhe Z und dem Winkel ß zuzuordnen. Dies wird im Folgenden als Redundanz P bezeichnet. Bestimmten (Z; ß) Paaren können also jeweils eine Redundanz P zugeordnet werden.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird der Be- trieb des mobilen Roboters 1 mit Hilfe wenigstens eines Gra¬ phen geplant, in der als Funktion der Höhe Z und des Winkels ß die Redundanz P dargestellt wird.
Die Höhe Z, der Winkel ß und die Redundanz P können insbe- sondere ein in der Fig. 3 gezeigtes dreidimensionales karte- sisches Koordinatensystem 30 bilden, in dem die Redundanz P als Funktion der Höhe Z und des Winkels ß als ein erster Graph Gl abgebildet ist. Der erste Graph Gl ist ein dreidi¬ mensionaler Graph. Desto größer der Wert für die Redundanz P ist, desto mehr mögliche Konfigurationen des mobilen Robo¬ ters 1 gibt es, in denen der Tool Center Point 8 eine be¬ stimmte Höhe Z mit einem bestimmten Winkel ß einnehmen kann. Die Höhe Z kann z.B. als normalisierter Wert eingetragen sein, bei dem Z=1,0 die maximale Höhe ist, die der Tool Cen- ter Point 8 aufgrund der geometrischen Ausdehnung des mobilen Roboters 1 erreichen kann.
Um den ersten Graphen Gl noch mehr zu veranschaulichen, kann dieser farblich markiert sein, indem (Z; ß) Paare mit einer höheren Redundanz P anders farblich markiert sind als (Z; ß) Paare mit niedrigerer Redundanz P. (Z; ß) Paare, für die es z.B. aufgrund der räumlichen Ausdehnung des mobilen Roboters 1 keine möglichen Konfigurationen gibt, können mit einer weiteren Farbe markiert werden.
Die Höhe Z, der Winkel ß und die Redundanz P können auch als ein zweidimensionaler Graph (zweiter Graph G2) veranschaulicht werden, der in der Fig. 4 gezeigt ist. Der zweite Graph G2 zeigt die Höhe Z als Funktion des Winkels ß. Um die Redundanz P zu veranschaulichen, ist der zweite Graph G2 un- terschiedlich markiert, indem z.B. die Redundanz P farblich oder durch verschiedene Graustufen veranschaulicht ist.
Der zweite Graph G2 ist insbesondere eine Draufsicht auf den ersten Graphen Gl . Im zweiten Graphen G2 können relativ einfach mögliche (Z; ß) Paare oder (Z; ß) Paare mit relativ ho¬ her Redundanz P ermittelt werden.
Der zweite Graph G2 umfasst z.B. erste Bereiche 41, welchen (Z; ß) Paare zugeordnet sind, für die keine Konfigurationen des mobilen Roboters 1 möglich sind, zweite Bereiche 42, welchen (Z; ß) Paare zugeordnet sind, für die Konfiguratio¬ nen des mobilen Roboters 1 mit relativ niedriger Redundanz P möglich sind, und dritte Bereiche 43, welchen (Z; ß) Paare zugeordnet sind, für die Konfigurationen des mobilen Robo¬ ters 1 mit relativ hoher Redundanz P möglich sind.
Die Figuren 5 und 6 veranschaulichen, wie aufgrund des zwei¬ ten Graphen G2 überprüft werden kann, ob der Verlauf einer geplanten Bahn für den Tool Center Point 8 mit dem mobilen Roboter 1 durchführbar ist.
Zunächst wird der Verlauf 51 einer Bahn im sechsdimensiona- len Raum geplant, entlang der sich der Tool Center Point 8 automatisch bewegen soll. Der Verlauf 51 der Bahn im sechs- dimensionalen Raum wird z.B. in Weltkoordinaten oder in Welt- und TCP-Koordinaten geplant, und umfasst eine Angabe über den Verlauf der Position und Orientierung des Tool Center Points 8 im Raum.
Anschließend wird der Verlauf 51 der geplanten Bahn mittels einer Transformation 52 in den zweidimensionalen Unterraum transformiert, wodurch eine transformierte Bahn entsteht, deren Verlauf 53 grafisch darstellbar ist. Anschließend wird der grafische Verlauf 53 der transformier¬ ten geplanten Bahn dem zweiten Graphen G2 überlagert.
Ist der Verlauf 51 der geplanten Bahn mit dem mobilen Robo- ter 1 durchführbar, dann liegt der Verlauf 53 der transformierten geplanten Bahn in Bereichen des zweiten Graphen G2, welchen (Z; ß) Paare zugeordnet sind, für die eine Konfigu¬ ration des mobilen Roboters 1 möglich ist. Ein solcher Fall ist in der Fig. 5 gezeigt.
Ist der Verlauf 51 der geplanten Bahn mit dem mobilen Roboter 1 nicht durchführbar, dann liegt der Verlauf 53 der geplanten transformierten Bahn zumindest teilweise in Bereichen des zweiten Graphen G2, welchen (Z; ß) Paare zugeordnet sind, für die eine Konfiguration des mobilen Roboters 1 un¬ möglich ist. Ein solcher Fall ist in der Fig. 6 gezeigt.
Ist der Verlauf 51 der geplanten Bahn mit dem mobilen Roboter 1 nicht durchführbar, dann kann der Verlauf 53 der transformierten geplanten Bahn geändert werden, sodass ein geänderter Verlauf 73 der transformierten geplanten Bahn entsteht, der mit dem mobilen Roboter 1 durchführbar ist. Dies ist in der Fig. 7 veranschaulicht. Der geänderte Ver¬ lauf 53 der transformierten geplanten Bahn wird in dem über- lagerten zweiten Graphen G2 geändert, um unmittelbar erkennen zu können, ob der geänderte Verlauf 73 der transformierten geplanten Bahn mit dem mobilen Roboter 1 durchführbar ist. Die Änderung des Verlaufs der transformierten Bahn kann z.B. mittels eines Cursors erfolgen.
Anschließend wird der geänderte Verlauf 73 der transformier¬ ten geplante Bahn mittels einer Rücktransformation 72 von dem zweidimensionalen Unterraum in den sechsdimensionalen Raum zurück transformiert, wodurch eine geänderte geplante Bahn entsteht, deren Verlauf in der Fig. 7 mit dem Bezugs- zeichen 71 versehen ist (geänderter Verlauf 71 der geplanten Bahn) . Aufgrund der geänderten geplanten Bahn kann der mobile Roboter 1 entsprechend programmiert werden. Die Fig. 8 veranschaulicht ein Beispiel eine Planung einer Konfiguration des mobilen Roboters 1, bei der der Tool Center Point 8 eine vorbestimmte Höhe Z einnehmen soll. Auf¬ grund der Redundanz P ergeben sich für diese Höhe Z mehrere Winkel ß. In der Figur 8 ist der mobile Roboter 1 für drei Konfigurationen des mobilen Roboters 1 gezeigt, in denen der Tool Center Point 8 jeweils dieselbe Höhe Z einnimmt, jedoch jeweils unterschiedliche Winkel ß.
In dem in der Fig. 8 gezeigten Beispiel nimmt das Träger- fahrzeug 2 für zwei der Konfigurationen des mobilen Roboters 1 dieselbe Position und Orientierung ein, die Winkelstellungen der Glieder des Roboterarms 6 relativ zueinander unterscheiden sich. Für diese beiden Konfigurationen des mobilen Roboters 1 ist das Trägerfahrzeug 2 mit durchgezogenen Li- nien dargestellt und der Roboterarm 6 für eine erste Konfi¬ guration des mobilen Roboters 1 ebenfalls mit einer durchge¬ zogenen Linie und für eine zweite Konfiguration des mobilen Roboters 1 mit einer gestrichelten Linie. Der mobile Roboter 1 ist mit einer punktiert strichlierten Linie für die dritte Konfiguration des mobilen Roboters 1 gezeichnet .
Für die erste Konfiguration des mobilen Roboters 1 ergibt sich für den Winkel ß ein Wert ßl, für die zweite Konfigura¬ tion des mobilen Roboters 1 ergibt sich für den Winkel ß ein Wert ß2, und für die dritte Konfiguration des mobilen Roboters 1 ergibt sich für den Winkel ß ein Wert ß3. Diese Werte ßl, ß2, ß3 sind in der Figur 8 ebenfalls in den ersten Gra- phen Gl und in den zweiten Graphen G2 dargestellt, wodurch eine Person für jeden der Winkel ß die entsprechenden Redundanzen P ablesen kann.
Bei einer gegebenen Höhe Z zum Ergreifen eines Werkstücks mit dem als Greifer ausgeführten Werkzeugs 7 ergeben sich mehrere Winkel ß für diese Greiferposition. Aufgrund der Re¬ dundanz des mobilen Roboters 1, ergeben sich günstigere und weniger günstige Konfigurationen des mobilen Roboters 1, denen ein bestimmter Winkel ß zugeordnet ist. Mittels der Gra- phen Gl und G2 können unterschiedliche Werte des Winkels ß für die vorgegebene Höhe Z in Bezug auf die Redundanz P ver¬ glichen werden.
Somit kann mithilfe der Graphen Gl und/oder G2 folgendes Verfahren durchgeführt werden:
Zunächst wird die Höhe Z für den Tool Center Point 8 festge¬ legt . Anschließend werden mit Hilfe des ersten Graphen Gl und/oder des zweiten Graphen G2 mögliche Werte ßl, ß2, ß3 des Winkels ß ermittelt. Dies kann auch automatisiert erfolgen.
Danach wird derjenige Wert ßl, ß2, ß3 des Winkels ß ermit- telt, welchem die höchste Redundanz P zugeordnet ist.
Dadurch ergibt sich ein (Z; ß) Paar, welches für eine Planung der Bewegung des mobilen Roboters 1 verwendet wird.
Alternativ kann auch der Winkel ß vorgegeben werden, um für diesen Winkel ß diejenige Höhe Z zu ermitteln, welcher die höchste Redundanz P zugeordnet ist. Dadurch ergibt sich ein (Z; ß) Paar, welches für eine Planung der Bewegung des mobilen Roboters 1 verwendet wird. Mittels der Graphen Gl und G2 lässt sich auch folgende Auf¬ gabe für den mobilen Roboter 1 planen: Der mobile Roboter 1 soll mit seinem als Greifer ausgebildeten Werkzeug 7 ein Werkstück greifen und an einer anderen Position wieder able- gen. Mittels der Graphen Gl und/oder G2 können günstige Positionen für diese Aufgabe ermittelt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum redundanzoptimierten Planen eines Betriebs eines redundanten mobilen Roboters (1), der ein mobiles Trägerfahrzeug (2), einen Roboterarm (6) mit mehreren, über Gelenke verbundenen, bezüglich Drehachsen (21-25) drehbar gelagerten Gliedern (11-16), Antriebe zum Bewegen der Glieder (11-16) relativ zueinander und eine elektronische Steuervorrichtung (5) aufweist, die einge- richtet ist, die Antriebe für die Glieder (11-16) und das Trägerfahrzeug (2) für eine Bewegung des mobilen Ro¬ boters (1) anzusteuern, aufweisend folgende Verfahrens¬ schritte : - Verwenden eines einem Tool Center Point (8), der dem
Roboterarm (6) zugeordnet ist, zugeordneten kartesi- schen TCP-Koordinatensystems (KTCp ) mit einer ersten TCP-Koordinatenachse (XTCP) , einer zweiten TCP- Koordinatenachse (YTCP) und einer dritten TCP- Koordinatenachse ( ZTCP ) ,
- Verwenden eines kartesischen Weltkoordinatensystems (Kw) mit einer ersten Weltkoordinatenachse (XW) , einer zweiten Weltkoordinatenachse (YW) und einer dritten Weltkoordinatenachse ( Zw ) , wobei die erste Weltkoordi- natenachse (XW) und die zweite Weltkoordinatenachse
(YW) eine Ebene (EXY) aufspannen, auf der sich der mobile Roboter (1) bewegt, eine Höhe ( Z ) des Tool Center Points (8) von der Ebene (EXY) der dritten Weltkoordi¬ natenachse ( Zw ) zugeordnete ist, und eine der TCP- Koordinatenachsen ( ZTCp ) und die Ebene (EXY) einen Win¬ kel (ß) einschließen,
- Erstellen wenigstens eines Graphen (Gl, G2), in der als Funktion der Höhe ( Z ) und des Winkels (ß) eine Re¬ dundanz (P) dargestellt wird, welche ein Maß für mög- liehe Konfigurationen des mobilen Roboters (1) abhängig von der Höhe (z) und dem Winkel (ß) ist, und
- Planen eines Betriebs des mobilen Roboters (1) mit
Hilfe des wenigstens einen Graphen (Gl, G2) .
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Roboterarm (6) fünf Freiheitsgrade, als Glieder ein erstes Glied (11), ein zweites Glied (12), ein drittes Glied (13), ein viertes Glied (14), ein fünftes Glied (15) und ein sechstes Glied (16) und als Drehachsen eine erste Dreh¬ achse (21), eine zweite Drehachse (22), eine dritte Drehachse (23), eine vierte Drehachse (24) und eine fünfte Drehachse (25) aufweist, wobei insbesondere die erste Drehachse (21), die zweite Drehachse (22) und die vierte Drehachse (24) horizontal und die fünfte Drehach¬ se (15) vertikal verlaufen, das zweite Glied (12) rela¬ tiv zum ersten Glied (11) drehbar bezüglich der ersten Drehachse (21) gelagert ist, dem zweiten Glied (12) das dritte Glied (13) nachfolgt, das dritte Glied (13) rela¬ tiv zum zweiten Glied (12) bezüglich der zweiten Drehachse (22) drehbar gelagert ist, das vierte Glied (14) relativ zum dritten Glied (13) bezüglich zur dritten Drehachse (23), die senkrecht zur zweiten Drehachse (22) verläuft, drehbar gelagert ist und eine Befestigungsvor¬ richtung zum Befestigen eines Werkzeugs (7) oder das Werkzeug (7) umfasst, das sechste Glied (16) am Träger¬ fahrzeug (2) ortsfest befestigt ist oder das Trägerfahr¬ zeug (2) darstellt, das fünfte Glied (15) relativ zum sechsten Glied (16) bezüglich der fünften Drehachse (25) drehbar gelagert ist, und das erste Glied (11) relativ zum fünften Glied (15) bezüglich der vierten Drehachse
(24) drehbar gelagert ist, die dritte TCP- Koordinatenachse ( ZTCp ) in Richtung der dritten Drehachse
(23) verläuft mit der Ebene (EXY) den Winkel (ß) ein¬ schließt . Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Roboterarm (6) vier Freiheitsgrade, als Glieder ein erstes Glied (11), ein zweites Glied (12), ein drittes Glied (13), ein viertes Glied (14), und ein fünftes Glied (15) und als Drehachsen eine erste Drehachse (21), eine zweite Dreh¬ achse (22), eine dritte Drehachse (23) und eine vierte Drehachse (24) aufweist, wobei insbesondere die erste Drehachse (21), die zweite Drehachse (22) und die vierte Drehachse (24) horizontal verlaufen, das zweite Glied (12) relativ zum ersten Glied (11) drehbar bezüglich der ersten Drehachse (21) gelagert ist, dem zweiten Glied
(12) das dritte Glied (13) nachfolgt, das dritte Glied
(13) relativ zum zweiten Glied (12) bezüglich der zweiten Drehachse (22) drehbar gelagert ist, das vierte Glied (14) relativ zum dritten Glied (13) bezüglich zur dritten Drehachse (23) , die senkrecht zur zweiten Dreh¬ achse (22) verläuft, drehbar gelagert und eine Befesti¬ gungsvorrichtung zum Befestigen eines Werkzeugs (7) oder das Werkzeug (7) umfasst, das fünfte Glied (15) am Trä¬ gerfahrzeug (2) ortsfest befestigt ist oder das Träger¬ fahrzeug (2) darstellt, und die dritte TCP- Koordinatenachse ( ZTCp ) in Richtung der dritten Drehachse
(23) verläuft mit der Ebene (EXY) den Winkel (ß) ein¬ schließt .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Trägerfahrzeug (2) Räder (4) und Antriebe zum Antreiben der Räder (4) aufweist und die elektronische Steuervor¬ richtung (5) eingerichtet, die Antriebe für die Räder (4) des Trägerfahrzeugs (2) zum Bewegen des Trägerfahrzeugs (2) anzusteuern, und/oder bei dem das Trägerfahrzeug (2) als ein omnidirektional bewegbares Trägerfahr¬ zeug ausgeführt ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der wenigstens eine Graph ein erster Graph (Gl) ist, wobei die Höhe (Z) , der Winkel (ß) und die Redundanz (P) ein dreidimensionales kartesisches Koordinatensystem (30) bilden, in dem die Redundanz (P) als Funktion der Höhe (Z) und des Winkels (ß) als der erste Graph (Gl) abge¬ bildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Redundanz (P) im ersten Graphen (Gl) unterschiedlich farblich oder durch Graustufen markiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der wenigstens eine Graph ein zweiter Graph (G2) ist, bei dem die Höhe (Z) als Funktion des Winkels (ß) darge¬ stellt ist und die Redundanz (P) im zweiten Graphen (G2) unterschiedlich, insbesondere unterschiedlich farblich oder durch Graustufen markiert ist, um die Redundanz (P) als Funktion der Höhe (Z) und des Winkels (ß) darzustel¬ len .
Verfahren nach Anspruch 7, zusätzlich aufweisend folgende Verfahrensschritte:
- Planen eines Verlaufs (51) einer Bahn im sechsdimensi- onalen Raum, entlang der sich der Tool Center Point (8) automatisch bewegen soll,
- Transformieren des Verlaufs (51) der geplanten Bahn in einen zweidimensionalen Unterraum, wodurch ein Verlauf
(53) einer transformierten Bahn entsteht, wobei der Unterraum die geplante Position und Orientierung des Tool Center Points (8) in der Höhe (Z) und dem Winkel
(ß) darstellt,
- Überlagern des Verlaufs (53) der transformierten geplanten Bahn mit dem zweiten Graphen (G2), und - aufgrund des überlagerten Verlaufs (53) der transfor¬ mierten Bahn mit dem zweiten Graphen (G2), Ermitteln, ob die geplante Bahn vom mobilen Roboter (1) durgeführt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 8, zusätzlich aufweisend folgende Verfahrensschritte:
- falls die geplante Bahn mit dem mobilen Roboter (1) nicht durchgeführt werden kann, Ändern des Verlaufs (53) der transformierten geplanten Bahn innerhalb des überlagerten zweiten Graphen (G2), damit ein geänderter Verlauf (73) der transformierten geplanten Bahn entsteht, der mit dem mobilen Roboter (1) durchführbar ist, und
- Erstellen einer geänderten geplanten Bahn im sechsdi- mensionalen Raum aufgrund des geänderten Verlaufs (73) der transformierten geplanten Bahn.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zusätzlich aufweisend folgende Verfahrensschritte:
- Festlegen einer Höhe (Z) für den Tool Center Point (8) festgelegt,
- mit Hilfe des ersten Graphen (Gl) und/oder des zweiten Graphen (G2), Ermitteln von möglichen Werte (ßl, ß2, ß3) des Winkels (ß) ,
- Ermitteln des Wertes des Winkels (ß), welchem die höchste Redundanz (P) zugeordnet ist, und
- Verwenden des ermittelten Wertes des Winkels (ß) für eine Planung der Bewegung des mobilen Roboters (1) .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
aufweisend folgende Verfahrensschritte: - Festlegen des Winkels ß,
- mit Hilfe des ersten Graphen (Gl) und/oder des zweiten Graphen (G2) Ermitteln von möglichen Werte der Höhe (Z) ,
- Ermitteln des Wertes der Höhe (Z) , welchem die höchste Redundanz (P) zugeordnet ist, und
- Verwenden des ermittelten Wertes der Höhe (Z) für eine Planung der Bewegung des mobilen Roboters (1) .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Werkzeug (7) ein Greifer ist, mit dem der mobile Roboter (1) ein Werkstück greift und an einer anderen Position wieder ablegt, wobei mittels des wenigstens einen Gra¬ phen (Gl, G2) günstige Positionen für diese Aufgabe er¬ mittelt werden.
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