WO2007093413A1 - Roboter mit einer steuereinheit zum steuern einer bewegung zwischen einer anfangspose und einer endpose - Google Patents

Roboter mit einer steuereinheit zum steuern einer bewegung zwischen einer anfangspose und einer endpose Download PDF

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WO2007093413A1
WO2007093413A1 PCT/EP2007/001310 EP2007001310W WO2007093413A1 WO 2007093413 A1 WO2007093413 A1 WO 2007093413A1 EP 2007001310 W EP2007001310 W EP 2007001310W WO 2007093413 A1 WO2007093413 A1 WO 2007093413A1
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map
robot
control unit
pose
movement
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PCT/EP2007/001310
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Inventor
Michael Müller
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Kuka Roboter Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • B25J9/1666—Avoiding collision or forbidden zones
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    • G05B2219/40607—Fixed camera to observe workspace, object, workpiece, global

Definitions

  • the invention relates to a robot, in particular of an industrial or articulated robot, having at least two degrees of freedom of movement and a control unit for controlling a movement between an initial pose and an end pose and a method for controlling a movement of a robot between an initial pose and an end pose at least two degrees of freedom of movement, wherein a path of movement between the initial pose and the final pose is generated.
  • the prior art discloses a robot, for example an industrial or articulated robot, having at least two degrees of freedom of movement.
  • the robot includes a controller for controlling movement between an initial pose and an end pose along a preprogrammed motion path comprised of piecewise linear or arcuate path segments.
  • a preprogrammed motion path comprised of piecewise linear or arcuate path segments.
  • a user in a teach-in procedure can manipulate a robotic gripper arm. ters manually on the path while avoiding interference contours within the reach of the gripper arm.
  • the control unit stores individual blending points of the path and approximately reproduces the motion by a piecewise rectilinear motion connecting the blending points. Alternatively, the individual oversize points can be entered when programming the control unit.
  • the invention is in particular the object of providing a generic robot with a control unit that effectively prevents an unwanted collision of the robot with objects in its range.
  • a robot in particular an industrial or articulated robot, having at least two degrees of freedom of movement and a control unit for controlling a movement between an initial pose and an end pose, wherein the control unit comprises a memory unit for storing a map in which at least one
  • Interference contour is chargeable, and by a method for controlling such a robot.
  • the invention is based on a robot, in particular an industrial or articulated robot, having at least two degrees of freedom of movement and a control unit for controlling a movement between an initial pose and an end pose.
  • the control unit comprises a memory unit for storing a map, in which at least one interference contour can be recorded.
  • the control unit can check for any points or poses of the movement as to whether the point or the pose lies within or outside a disturbing contour. If the control unit detects that the point or pose is within the interference contour, it may generate a warning signal or block movement. As a result, a collision with an object represented by the interference contour can be reliably avoided.
  • An inventively designed control unit can in principle be used to control each robot, which moves in the range of static or at least only slowly changing objects.
  • the solution according to the invention can be used particularly advantageously in connection with articulated robots or SCARA robots in industrial applications.
  • a "map" is to be understood as a multidimensional data structure, which may also be an overlay or projection of one or more one-dimensional data structures.
  • the map is an illustration that assigns a value to each pose of the robot, from which it can be deduced whether the robot or one of its gripper arms is located inside or outside the disturbance contour. Quick access to the map can be achieved if the dimension of the map is less than or equal to a number of degrees of freedom of movement of the robot.
  • the map is generated particularly advantageously in an initialization process of the robot in order to minimize the amount of computing time required to determine a movement path.
  • control unit is provided to automatically generate a movement path between the initial pose and the final pose as a function of the map.
  • ease of use can be significantly increased since only one start and end point of the movement must be programmed, provided that the environment of the robot and thus the interfering contour to be taken into account does not change.
  • a systematic separation between the application-specific movement data or the coordinates of the poses to be controlled and the often application-independent interference contours can be achieved.
  • "provided” should also be understood to mean “designed” and "equipped”.
  • control unit If the control unit is programmed in such a way that it divides the map into at least two areas with different levels of detail in order to generate the movement path, a computing time to generate the movement path can be significantly reduced, since superfluous detail in areas that are largely free from interfering contours are, can be waived. In such areas, the control unit can assemble the motion path from long segments, while in critical areas with highly structured interference contours, a small-scale motion sequence can be generated. The generation of the movement path can be further accelerated if the movement is preferably guided through those areas which are not critical with regard to the level of detail are only in cases where it is unavoidable or advantageous in an overall context, the movement is guided into areas in which a high level of detail accuracy is necessary for collision avoidance.
  • control unit is programmed in such a way that it divides the map into several sub-maps with predefined path parts for generating the movement path, the generation of the path can be further accelerated because of the
  • the predetermined path parts preferably connect edge points of the sub-maps in a straight line with each other.
  • a transformation process from a spatial coordinate system to an axis-related coordinate system can be advanced to the initialization process of the control unit when the memory unit for storing the
  • Map is provided in the axis-related coordinate system. When generating the motion path then a coordinate transformation is no longer necessary.
  • a reference travel of the robot can be shortened or eliminated altogether if the robot comprises at least one absolute value encoder for detecting an absolute value of at least one coordinate of a current pose.
  • the robot comprises at least one absolute value encoder for detecting an absolute value of at least one coordinate of a current pose.
  • the robot comprises at least one absolute value encoder for detecting an absolute value of at least one coordinate of a current pose.
  • the control unit can detect the interference contour automatically when the robot has at least one sensor for detecting the Interference contour includes.
  • the sensor is part of a camera, in particular a CCD camera, which captures images of an environment of the robot.
  • the control unit can determine the interference contour from the images captured by the camera and enter it in the map.
  • the control unit is provided to generate the map depending on a predetermined interference contour.
  • a specification of the interference contour is particularly comfortable and without complicated conversion operations in a world coordinate system of the robot possible.
  • the computation time required to generate the map can be reduced if the control unit is intended to use a model for an outer contour of a gripper arm limited to a maximum of 20 parameters for generating the map. Due to the calculation time advantages gained by the model approximation, a fast processor and large main memory can be dispensed with, which ultimately also results in cost advantages for the production of the robot.
  • a particularly fast and simple determination of the interference contour can be achieved if the model represents the outer contour of the gripping arm by at least one polygon.
  • the model may represent the outer contour of the gripper arm by at least one circle. Also combinations of circles and polygons or other simple geometric shapes are conceivable.
  • the model generally does not have the full three-dimensional Outline outline of the gripper arm, but can be limited to a projection of the dimension of the map.
  • a sufficiently precise modeling of a gripper arm of the robot can be achieved with little effort, that each independent arm of the gripper arm is described by a single elementary geometric shape, for example by a polygon.
  • the invention relates to a method for controlling a movement of a robot, in particular a robot of the type described above.
  • FIG. 1 shows a robot with a gripper arm in a plan view with a schematically illustrated first model of two lines for an outer contour of the gripper arm;
  • FIG. 2 shows the robot with the gripping arm from FIG. 1 with a schematically illustrated second model of circles for an outer contour of the gripping arm;
  • FIG. 3 shows the robot with the gripping arm from FIGS. 1 and 2 with a schematically illustrated third model of two rectangles for an outer contour of the gripping arm;
  • FIGS. 1-3 shows the robot with the gripping arm from FIGS. 1-3 with a schematically illustrated further model of two polygons for an outer contour of the gripping arm;
  • FIG. 5 shows a working space of the robot from FIGS. 1-4 with objects which generate an interference contour in a plan view in world coordinates;
  • FIG. 6 shows a map with the interference contours of the arrangement of the objects from FIG. 5 in accordance with the first model for the outer contour of the gripping arm;
  • FIG. 8 shows a schematic representation for the manual generation of a movement path in a map with interference contours
  • FIG. 9 shows a schematic representation for the autonomous generation of a movement path in a map with interference contours; a schematic representation of the autonomous generation of a movement path in a map with Störkonturen according to an alternative algorithm;
  • FIG. 10 shows a schematic representation for the autonomous generation of a movement path in a map with interference contours according to a further alternative algorithm, which divides the map into areas with different levels of detail;
  • Fig. 11 is a first sub-map of the map of Fig. 11;
  • Fig. 12 is a second sub-map of the map of Fig. 11;
  • FIG. 13 shows a third sub-map of the map from FIG. 11
  • Fig. 14 is a fourth sub-map of the map of Fig. 11;
  • Algorithm that divides the map into rectangular sub-maps.
  • Figure 1 shows a robot, specifically merely by way of example embodied as a SCARA robot industrial robot, having at least two degrees of freedom with the rotational coordinates a LT (X 2 and a control unit here shown only schematically 12 for controlling a loading movement between an initial pose 14 and an end pose 16 (FIG. 7).
  • a LT X 2
  • a control unit here shown only schematically 12 for controlling a loading movement between an initial pose 14 and an end pose 16 (FIG. 7).
  • the robot comprises a pivotable gripping arm 10, which is pivotable about a first, vertically extending rotational axis Al.
  • the gripping arm 10 is mounted on a base 22 and consists of two arm parts 60, 62 connected by a hinge 24.
  • the arm parts 60, 62 are pivotable through the hinge 24 about a second rotary axis A2 extending parallel to the first rotary axis A1 , Other axes of the robot are not explicitly shown here.
  • the gripper arm 10 of the robot comprises two absolute value encoders 26, 28, shown here only schematically, for detecting an absolute value of the rotational coordinates OCi, 0C2 of a current pose.
  • the invention would in principle also be applicable if the gripper arm 10 only had incremental sensors for detecting changes in the values of the ro- tary coordinates oci, OC 2 . It would then be a reference to reference marks with a known position in space necessary.
  • the control unit 12 comprises a memory unit 30 for storing a map 32, in which at least one interference contour 34 can be recorded.
  • the memory unit 30 is provided for storing the map 32 in an axis-related coordinate system.
  • the control unit 12 must for this purpose enter the contours of the objects 64 in the axis-related coordinate system such that a risk of collision between the gripping arm 10 and one of the objects 64 can be read from the map 32.
  • a memory space is reserved for a 360X360 binary matrix forming the map 32. If an entry has the value zero, the point represented by the corresponding entry lies outside the interference contour 34, otherwise the point lies within the interference contour 34 and is therefore not accessible to the gripping arm 10 without colliding with an object 64.
  • the accuracy of the map corresponds to the accuracy of the pose determination of the robot or vice versa.
  • the control unit 12 measures the value of the coordinates OCi, OC 2 or angle and reads out the value assigned to the pose by the integer indices of the matrix from the memory unit 12.
  • the matrix therefore forms a discrete, two-dimensional map 32 which assigns each pose or each pair of values to the coordinates oti, (X 2 an index pair and thereby a value.
  • FIG. 1-16 show several alternative embodiments of the invention. Functionally identical features are provided with the same reference numerals. In each case, the description deals in particular with differences from the exemplary embodiments described above, while reference is made to the description of the previously described exemplary embodiments with regard to features which remain the same.
  • FIG. 2 shows a robot in an alternative embodiment of the invention, in which the gripping arm 10 only includes sensors 46 - 46 '' 'shown in sketched form for detecting an interference contour 34.
  • the sensors 46-46 '" are designed as inductive proximity sensors.
  • control unit 12 uses a model limited to a few parameters for an outer contour 58 of a gripper arm 10 for generating the map 32.
  • Various models are conceivable, which are shown schematically in FIGS. 1-4 and will be explained below.
  • control program approximates the outer contour 58 or the volume of the gripping arm 10 by mass points or voxels or finite elements. Because of the necessary high number of mass points, the computational effort for creating the map 32 is very high and also requires a similarly complex modeling of the objects 64 in the region of the gripper arm 10. Therefore, the following models are described, which reduced compared to the modeling by mass points computational effort require.
  • the model represents the outer contour 58 of the gripping arm 10 by two lines 48, 50, which each depict an arm part 60, 62 of the gripping arm 10.
  • the coordinates of the end points of the lines 48, 50 can be calculated trigonometrically knowing the lengths of the lines 48, 50 and the rotational coordinates (Xi, Gt 2) , because a width of the gripper arm 10 and the arm parts 60, 62 is not taken into account in the model
  • security zones must be taken into account between the lines 48, 50 and the objects 64 described by edge contours, which are at least as large as the maximum distance of the outer contour 58 from the lines 48, 50.
  • a map 32 resulting from the interference contour constellation according to FIG. 5 according to the first implementation is shown in FIG.
  • the objects 64 arranged to the left of the robot in FIG. 5 generate a common connected component of the interfering contour 34.
  • the object arranged centrally in front of the robot blocks an angular range with respect to the first rotational coordinate OC.sub.i. Bulges protruding out of this angular region on the left and right are due to the fact that a rear end of the front arm part 62 of the gripping arm 10 abuts against the object.
  • An object arranged radially further to the right of the robot generates a third, island-like connected component of the interference contour 34.
  • the model or the control unit 12 represents the outer contour 58 of the gripping arm 10 by means of seven circles 56 of different sizes (FIG. 2).
  • the surfaces of the circles 56 completely cover the outer contour 58.
  • the coordinates of the centers of the circles 56 are on the lines 48, 50 ( Figure 1) and are calculated with knowledge of the lengths of the lines 48, 50 and the rotational coordinates oci, ⁇ 2 trigonometrically.
  • the contours of the objects 64 are likewise covered by circles.
  • the control unit 12 checks for each value pair of coordinates (Xi, OC 2) whether one of the circles 56 covering the gripping arm 10 intersects one of the circles covering the objects 64. If this is the case, the control unit 12 carries a dot the interference contour 34 in the map 32 a.
  • the model or the control unit 12 represents the outer contour 58 of the gripping arm 10 by two polygons 52, 54 (FIG. 3), by rectangles which respectively cover one of the arm portions 60, 62 and corresponding arm part 60, 62 represent.
  • the 16 edge lines of the two polygons 52, 54 are shown to generate the map 32 as well as the edge lines of the objects 64 in the region of the gripping arm 10 by the control unit 12 by straight lines and by the two coordinates OCi, OC 2 and by two lengths and two widths parameterized.
  • Two further parameters describe the position of the axes Al, A2 within the polygons 52, 54. Overall, therefore, less than 20 parameters of the model result.
  • the control unit 12 checks for each pair of values of the coordinates OCi, OC 2 whether and at which point one of the boundary lines of the polygons 52, 54 intersects one of the edge lines of the objects 64. If the point of intersection is in each case between the end points of the edge lines, then the control unit 12 inserts a point of the interference contour 34 into the map 32 at the corresponding pose.
  • FIG. 7 shows a map 32 obtained according to the third implementation with an interference contour 34.
  • free inclusions in the clutter contour 34 result from the polygons 52, 54 surrounding an object 64 in the mathematical model so that none of the edge lines of the polygons 52, 54 intersect one of the edge lines of the object 64.
  • the corresponding poses are not accessible to the gripping arm 10 in reality.
  • the model represents the outer contour 58 of the gripper arm 10 by two polygons 52 ', 54' ( Figure 4), through
  • Rectangle 52 'and by an irregular hexagon 54' which takes into account a conical shape of the front arm portion 62.
  • the polygons 52 ', 54' are described by their edge lines analogously to the previously described embodiment, and the map 32 is generated by checking the intersections of the straight lines in the manner described above.
  • the outer contour 58 of the gripper arm 10 and the contours of the objects 64 may be modeled by further geometric shapes, such as triangles, other polygons, ellipses, or combinations of such elemental figures.
  • a higher level of detail of the model may be worthwhile in particular for the front regions of the gripping arm 10 in the vicinity of the tool center point.
  • the control unit 12 is designed by an implemented control software to automatically generate a movement path 36 (FIG. 7) between the initial pose 14 and the final pose 16 as a function of the map 32 during operation.
  • the control unit 12 uses the map 32 or the in the map 32 recorded interference contour 34 and generates the movement path 36 depending on the predetermined interference contour 34 or of the objects 64 whose coordinates are either entered manually or by the robot automatically via the sensors 46 - 46 '''( Figure 2) can.
  • FIG. 8 shows a path generated manually as a function of the map 32.
  • a programmer places rounding points 66, 66 'in the free regions outside the interfering contour 34 in such a way that the connecting straight lines between the blending points 66, 66' or between the starting pose 14 and the first blending point 66 or the last blending point and the end pose 16 is completely outside the interference contour 34.
  • FIG. 9 shows a movement path 36 generated autonomously by the control unit 12, which is generated by an algorithm with maximum safety. The algorithm is based on the first arm part 60 passing through
  • the rotational coordinate (X 2 of the second arm 62 is set in each step such that the maximum distance is maintained to all the interference contours 34th, the method checks the possible values of the coordinate OC 2 at predetermined coordinate CCi in a contiguous region, determines the Averaging the collision-free poses in this area, increases the value of the co-ordinate OCi by 1 and generates the motion path 36 by setting blending points 66. In the event that the mean of the collision-free poses is too strong from the coordinate OC 2 of the last blending point 66, the fluctuations are limited to a maximum value or another intelligent smoothening method that appears meaningful to a person skilled in the art is used.
  • FIG. 10 shows a movement path 36 generated autonomously by the control unit 12, which is generated by an alternative algorithm according to the minimum distance requirement.
  • the value of the coordinate oci is initially shifted as far as possible in the direction of the target pose 16 starting from the starting pose 14 or from a smoothing point 66.
  • the control unit 12 sets a smoothing point 66 on the last collision-free pose with the value X of the coordinate OCi.
  • the value of the coordinate Ct 2 is shifted from the smoothing point 66 until the pose with the value X + 1 or X - I of the coordinate OC x causes no collision.
  • the control unit 12 sets a
  • FIG. 11 shows, in a schematized manner, an alternative embodiment of the control software, which distinguishes between a critical area 38 of the map 32 and an uncritical area 40 of the map 32.
  • the control unit 12 is programmed so that it divides the map 32 for generating the movement path 36 in two areas 38,40 with different levels of detail.
  • a first, critical area 38 has a high areal density of the edge lines of the interference contour 34, while a second area 40 is free of interference contours 34.
  • the control unit 12 divides the map 32 for generating the movement path 36 into a plurality of sub-maps 42 - 42 '"with predetermined path parts 44.
  • FIG. 12 shows a first sub-map 42 of the map 32, which is free of interference contours 34.
  • the path parts 44 connect the vertices of the sub-map 42 along an edge of the sub-map 42 with each other.
  • a sub-map 42 'shown in FIG. 13 shows an interference contour 34 projecting into the sub-map 42' at a left edge.
  • the start and end points of the given path parts 44 lie outside the interference contour 34 on an irregular quadrangle on the edge of the sub-map 42 '.
  • Another sub-map 42 "shown in FIG. 14 shows a section of the interference contour 34, which map 42 '' divided by a vertical, not accessible to the gripping arm 10 strip into two parts.
  • a first group of start and end points is arranged on an irregular quadrilateral at the edge of the first part of subcard 42 ", and a second group of start and end points is on a triangle at the edge of the second part
  • a sub-card 42 '' 'shown in FIG. 15 is stamped in two places by an interference contour 34, namely from a first part of the interference contour 34 projecting into the sub-card 42' 'at a left-hand upper corner and a second one as a tip in the sub-card 42 '' 'in projecting part of the Störkontur 34.
  • a total of seven start and end points are connected by sub-paths 44 in pairs.
  • FIG. 16 shows an alternative possibility for path generation from a map 32, in which a distinction is made between critical and uncritical regions.
  • the control unit 12 divides the map 32 into rectangles of different sizes. The rectangles are each free of the interference contour 34. In Figure 16, six such rectangles with Roman numerals I - VI are designated. The division of the map 32 in the rectangles is done by known from image processing search insertion process.
  • the control unit 12 uses the following behavioral rules: Within a rectangle, a direct point-to-point (PTP) movement can occur. If, for example, a pose is reached in the rectangle I and the final pose 16 is likewise located in the rectangle I, the gripper arm 10 can move to the final pose 16 without further blending points.
  • PTP point-to-point
  • Two adjacent rectangles with a common page can always be considered as a rectangle with respect to the previous behavior rule. If, for example, a pose is reached in the rectangle II and the end pose 16 is in the rectangle V, the gripping arm 10 can move into the final pose 16 without further blending points.
  • the map 32 can be particularly quickly retrieved from an information source for path generation.
  • the robot is not controlled by an integrated control unit 12, but by an external computing unit designed as a universally programmable computer.
  • the arithmetic unit uses methods for controlling a movement of the robot between an initial pose 14 and an end pose 16 in at least two degrees of freedom of movement Od, (X 2 , a movement path 36 between the initial pose 14 and the final pose 16 is generated by the arithmetic unit.
  • the computing unit uses in the manner described above a map 32 in which at least one interference contour 34 is recorded.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Numerical Control (AREA)

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Roboter, insbesondere von einem Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden (a<SUB>1</SUB>, a<SUB>2</SUB>) und einer Steuereinheit (12) zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose (14) und einer Endpose (16) . Um einen gattungsgemäßen Roboter mit einer Steuereinheit (12) auszustatten, die eine ungewollte Kollision des Robters mit Gegenständen (64) in seinem Arbeitsbereich wirkungsvoll verhindert, wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit (12) eine Speichereinheit (30) zum Speichern einer Landkarte (32) umfasst, in der zumindest eine Störkontur (34) verzeichnet werden kann.

Description

Roboter mit einer Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose
Die Erfindung betrifft einen Roboter, insbesondere von einem Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Be- wegungsfreiheitsgraden und einer Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose und ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters, zwischen einer Anfangspose und einer Endpose in wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden, wobei ein Bewegungspfad zwischen der Anfangspose und der Endpose gene- riert wird.
Aus dem Stand der Technik ist ein Roboter, beispielsweise ein Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Be- wegungsfreiheitsgraden bekannt. Der Roboter umfasst eine Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose entlang eines vorprogrammierten Bewegungspfads, der sich aus stückweise linearen oder kreisbogenförmigen Pfadsegmenten zusammensetzt. Zum Programmieren des Bewegungspfads ist es bekannt, dass ein Be- diener in einem Teach-In Vorgang einen Greifarm des Robo- ters manuell auf dem Pfad führt und dabei Störkonturen in der Reichweite des Greifarms umgeht. Die Steuereinheit speichert einzelne Überschleifpunkte des Pfads und reproduziert die Bewegung näherungsweise durch eine stückweise ge- radlinige Bewegung, die die Überschleifpunkte verbindet. Alternativ können die einzelnen überschleifpunkte beim Programmieren der Steuereinheit eingegeben werden. Als "geradlinig" oder "linear" sollen in diesem Zusammenhang insbesondere auch solche Bewegungen bezeichnet werden, die in einem achsbezogenen Koordinatensystem des Roboters gerade verlaufen. In dem achsbezogenen Koordinatensystem des Roboters können neben linearen auch rotatorische Achsen in kartesischen Koordinaten dargestellt sein.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Roboter mit einer Steuereinheit auszustatten, die eine ungewollte Kollision des Roboters mit Gegenständen in seiner Reichweite wirkungsvoll verhindert.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Roboter, insbesondere einen Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden und einer Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose, wobei die Steuereinheit eine Speichereinheit zum Speichern einer Landkarte umfasst, in der zumindest eine
Störkontur verzeichenbar ist, sowie durch ein Verfahren zum Steuern eines solchen Roboters .
Die Erfindung geht aus von einem Roboter, insbesondere von einem Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden und einer Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose. Es wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit eine Speichereinheit zum Speichern einer Landkarte umfasst, in der zumindest eine Störkontur verzeichnet werden kann. Die Steuereinheit kann zu beliebigen Punkten bzw. Posen der Be- wegung überprüfen, ob der Punkt oder die Pose innerhalb oder außerhalb einer Störkontur liegt. Erkennt die Steuereinheit, dass der Punkt oder die Pose innerhalb der Störkontur liegt, kann sie ein Warnsignal erzeugen oder eine Bewegung blockieren. Dadurch kann eine Kollision mit einem von der Störkontur dargestellten Gegenstand sicher vermieden werden.
Eine erfindungsgemäß ausgestaltete Steuereinheit kann prinzipiell zur Steuerung jedes Roboters genutzt werden, der sich im Bereich von statischen oder zumindest nur langsam veränderlichen Gegenständen bewegt. Wegen des vergleichsweise großen Rechenzeitaufwands bei den notwendigen Koordinatentransformationen ist die erfindungsgemäße Lösung jedoch besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit Gelenkrobo- tern oder SCARA-Robotern in der industriellen Anwendung einsetzbar.
Als "Landkarte" soll in diesem Zusammenhang eine mehrdimensionale Datenstruktur bezeichnet werden, die auch eine Überlagerung oder Projektion einer oder mehrerer eindimensionaler Datenstrukturen sein kann. Die Landkarte ist eine Abbildung, die jeder Pose des Roboters einen Wert zuordnet, aus dem entnommen werden kann, ob sich der Roboter bzw. einer seiner Greifarme innerhalb oder außerhalb der Störkon- tur befindet. Ein schneller Zugriff auf die Landkarte kann erreicht werden, wenn die Dimension der Landkarte kleiner oder gleich einer Zahl der Bewegungsfreiheitsgrade des Roboters ist. Die Landkarte wird besonders vorteilhaft in einem Initiali- sierungsprozess des Roboters generiert, um die beim Ermitteln eines Bewegungspfads aufzuwendende Rechenzeit möglichst gering zu halten.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, einen Bewegungspfad zwischen der Anfangspose und der Endpose selbsttätig in Abhängigkeit von der Landkarte zu generieren. Da- durch kann ein Bedienkomfort deutlich erhöht werden, da nur noch ein Anfangs- und Endpunkt der Bewegung programmiert werden muss, sofern sich die Umgebung des Roboters und damit die zu berücksichtigende Störkontur nicht ändert. Es kann eine systematische Trennung zwischen den anwendungs- spezifischen Bewegungsdaten bzw. den Koordinaten der anzusteuernden Posen und den oftmals anwendungsunabhängigen Störkonturen erreicht werden. Unter "vorgesehen" soll in diesem Zusammenhang auch "ausgelegt" und "ausgestattet" verstanden werden.
Wenn die Steuereinheit derart programmiert ist, dass sie die Landkarte zum Generieren des Bewegungspfads in wenigstens zwei Bereiche mit unterschiedlicher Detailgenauigkeit aufteilt, kann eine zum Generieren des Bewegungspfads auf- zuwendende Rechenzeit deutlich reduziert werden, da auf überflüssige Detailtreue in Bereichen, die weitläufig frei von Störkonturen sind, verzichtet werden kann. In solchen Bereichen kann die Steuereinheit den Bewegungspfad aus langen Segmenten zusammensetzen, während in kritischen Berei- chen mit stark strukturierten Störkonturen ein klein- schrittiger Bewegungsablauf generiert werden kann. Das Generieren des Bewegungspfads kann weiter beschleunigt werden, wenn die Bewegung vorzugsweise durch solche Bereiche geführt wird, die hinsichtlich der Detailgenauigkeit unkri- tisch sind lind nur in Fällen, in denen es unvermeidbar oder in einem Gesamtzusammenhang vorteilhaft ist, die Bewegung in Bereiche geführt wird, in denen zur Kollisionsvermeidung eine hohe Detailgenauigkeit notwendig ist.
Ist die Steuereinheit derart programmiert, dass sie die Landkarte zum Generieren des Bewegungspfads in mehrere Unterkarten mit vorgegebenen Pfad-Teilen aufteilt, kann das Generieren des Pfads weiter beschleunigt werden, da zum
Durchqueren der den Unterkarten entsprechenden Bereiche des Bewegungsraums des Roboters auf die vorgegebenen Pfad-Teile zurückgegriffen werden kann. Die vorgegebenen Pfad-Teile verbinden vorzugsweise Randpunkte der Unterkarten geradli- nig miteinander.
Ein Transformationsvorgang von einem raumbezogenen Koordinatensystem auf ein achsbezogenes Koordinatensystem kann auf den Initialisierungsprozess der Steuereinheit vorver- legt werden, wenn die Speichereinheit zum Speichern der
Landkarte in dem achsbezogenen Koordinatensystem vorgesehen ist. Beim Generieren des Bewegungspfads ist dann eine Koordinatentransformation nicht mehr notwendig.
Eine Referenzfahrt des Roboters kann verkürzt werden bzw. ganz entfallen, wenn der Roboter wenigstens einen Absolutwert-Geber zum erfassen eines Absolutwerts von wenigstens einer Koordinate einer aktuellen Pose umfasst. Besonders vorteilhaft sind Ausgestaltungen der Erfindung, in denen alle Achsen des Roboters bzw. eines Greifarms des Roboters mit Absolutwert-Gebern ausgestattet sind.
Die Steuereinheit kann die Störkontur selbsttätig erkennen, wenn der Roboter wenigstens einen Sensor zum Erkennen der Störkontur umfasst. In einer besonders flexiblen Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor Teil einer Kamera, insbesondere einer CCD-Kamera, die Bilder von einer Umgebung des Roboters erfasst. Durch einschlägige Bildverarbeitungspro- gramme kann die Steuereinheit aus den von der Kamera er- fassten Bildern die Störkontur ermitteln und in die Landkarte eintragen.
Eine externe Eingabe der Landkarte kann vermieden werden, die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, die Landkarte abhängig von einer vorgegebenen Störkontur zu generieren. Eine Vorgabe der Störkontur ist dabei besonders komfortabel und ohne aufwändige Umrechnungsvorgänge in einem World- Koordinatensystem des Roboters möglich.
Die zum Generieren der Landkarte aufzuwendende Rechenzeit kann reduziert werden, wenn die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, zum Generieren der Landkarte ein auf höchstens 20 Parameter beschränktes Modell für eine Außenkontur eines Greifarms zu nutzen. Wegen der durch die modellhafte Näherung gewonnenen Rechenzeitvorteile kann auf einen schnellen Prozessor und großen Arbeitsspeicher verzichtet werden, wodurch sich letztlich auch Kostenvorteile für die Herstellung des Roboters ergeben.
Eine besonders schnelle und einfache Bestimmung der Störkontur kann erreicht werden, wenn das Modell die Außenkontur des Greifarms durch wenigstens ein Polygon darstellt.
Alternativ oder ergänzend dazu kann das Modell die Außenkontur des Greifarms durch wenigstens einen Kreis darstellen. Auch Kombinationen von Kreisen und Polygonen oder anderen einfachen geometrischen Formen sind denkbar. Das Modell muss im Allgemeinen nicht die volle dreidimensionale Außenkontur des Greifarms darstellen, sondern kann auf eine Projektion von der Dimension der Landkarte beschränkt werden.
Eine hinreichend präzise Modellierung eines Greifarms des Roboters kann mit geringem Aufwand dadurch erreicht werden, dass jeder unabhängige Armteil des Greifarms durch eine einzige elementare geometrische Form, beispielsweise durch ein Polygon, beschrieben wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters, insbesondere eines Roboters der oben beschriebenen Art.
Es wird vorgeschlagen, dass beim Generieren des Bewegungspfads eine Landkarte genutzt wird, in der zumindest eine Störkontur verzeichnet ist. Eine Kollision mit durch die Störkontur dargestellten Gegenständen oder Hindernissen in einer Reichweite des Roboters kann dadurch vermieden wer- den.
Weitere Merkmale der Erfindung und deren Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Roboter mit einem Greifarm in einer Draufsicht mit einem schematisch dargestellten ersten Modell aus zwei Linien für eine Außenkontur des Greifarms;
Fig. 2 den Roboter mit dem Greifarm aus Figur 1 mit einem schematisch dargestellten zweiten Modell aus Kreisen für eine Außenkontur des Greifarms;
Fig. 3 den Roboter mit dem Greifarm aus den Figuren 1 und 2 mit einem schematisch dargestellten dritten Modell aus zwei Rechtecken für eine Außenkontur des Greifarms;
Fig. 4 den Roboter mit dem Greifarm aus den Figuren 1 - 3 mit einem schematisch dargestellten weiteren Modell aus zwei Polygonen für eine Außenkontur des Greifarms;
Fig. 5 einen Arbeitsraum des Roboters aus den Figuren 1 - 4 mit Gegenständen, die eine Störkontur erzeugen, in einer Draufsicht in Welt-Koordinaten;
Fig. 6 eine Landkarte mit den Störkonturen der Anordnung der Gegenstände aus Figur 5 gemäß dem ersten Modell für die Außenkontur des Greifarms;
Fig. 7 eine Landkarte mit Störkonturen gemäß dem dritten Modell für die Außenkontur des Greifarms;
Fig. 8 eine schematische Darstellung zum manuellen Generieren eines Bewegungspfads in einer Landkarte mit Störkonturen;
Fig. 9 eine schematische Darstellung zum autonomen Generieren eines Bewegungspfads in einer Landkarte mit Störkonturen; eine schematische Darstellung zum autonomen Generieren eines Bewegungspfads in einer Landkarte mit Störkonturen nach einem alternativen Algo- rithmus;
Fig. 10 eine schematische Darstellung zum autonomen Generieren eines Bewegungspfads in einer Landkarte mit Störkonturen nach einem weiteren alternativen Algorithmus, der die Landkarte in Bereiche mit unterschiedlicher Detailgenauigkeit aufteilt;
Fig. 11 eine erste Unterkarte der Landkarte aus Figur 11;
Fig. 12 eine zweite Unterkarte der Landkarte aus Figur 11;
Fig. 13 eine dritte Unterkarte der Landkarte aus Figur 11
Fig. 14. eine vierte Unterkarte der Landkarte aus Figur 11; und
Fig. 15 eine schematische Darstellung zum autonomen Generieren eines Bewegungspfads in einer Landkarte mit Störkonturen nach einem weiteren alternativen
Algorithmus, der die Landkarte in rechteckige Unterkarten aufteilt.
Figur 1 zeigt einen Roboter, und zwar lediglich beispiel- haft einen als SCARA-Roboter ausgebildeten Industrieroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden mit den rotatorischen Koordinaten alt (X2 und einer hier nur schematisch dargestellten Steuereinheit 12 zum Steuern einer Be- wegung zwischen einer Anfangspose 14 und einer Endpose 16 (Figur 7) .
Der Roboter umfasst einen schwenkbaren Greifarm 10, der um eine erste, vertikal verlaufende rotatorische Achse Al schwenkbar ist. Der Greifarm 10 ist auf einem Sockel 22 montiert und besteht aus zwei durch ein Gelenk 24 verbundenen Armteilen 60, 62. Die Armteile 60, 62 sind durch das Gelenk 24 um eine parallel zu der ersten rotatorischen Ach- se Al verlaufende zweite rotatorische Achse A2 schwenkbar. Weitere Achsen des Roboters sind hier nicht explizit dargestellt.
Der Greifarm 10 des Roboters umfasst zwei hier nur Schema- tisch dargestellte Absolutwert-Geber 26, 28 zum Erfassen eines Absolutwerts der rotatorischen Koordinaten OCi, 0C2 einer aktuellen Pose. Die Erfindung wäre jedoch prinzipiell auch dann anwendbar, wenn der Greifarm 10 lediglich Inkre- mentgeber zum Erfassen von Veränderungen der Werte der ro- tatorischen Koordinaten oci, OC2 hätte. Es wäre dann eine Referenzfahrt zu Referenzmarken mit bekannter Position im Raum notwendig.
Im Bereich des Greifarms 10 sind störende Gegenstände 64, und zwar im vorliegenden Beispiel Stangen, angeordnet
(Figur 5) . Die vertikale Ausdehnung wird als unendlich betrachtet. Eine dritte und eine vierte Achse des Roboters und ein am Tool-Center-Point (TCP) befestigter Pfeil werden in der hier beschriebenen Näherung nicht betrachtet. Die Verallgemeinerung der erfindungsgemäßen Lösung auf die Betrachtung von mehr als zwei Achsen Al, A2 ist für den Fachmann aber nahe liegend und offensichtlich. Die Steuereinheit 12 umfasst eine Speichereinheit 30 zum Speichern einer Landkarte 32, in der zumindest eine Störkontur 34 verzeichnet werden kann. Die Speichereinheit 30 ist zum Speichern der Landkarte 32 in einem achsbezogenen Koordinatensystem vorgesehen. Die Steuereinheit 12 muss dazu die Konturen der Gegenstände 64 derart in das achsbezogene Koordinatensystem eintragen, dass eine Kollisionsgefahr zwischen dem Greifarm 10 und einem der Gegenstände 64 aus der Landkarte 32 ablesbar ist. Ein Speicherplatz ist für eine binäre 360X360-Matrix reserviert, die die Landkarte 32 bildet. Hat ein Eintrag den Wert Null, so liegt der durch den entsprechenden Eintrag repräsentierte Punkt außerhalb der Störkontur 34, anderenfalls liegt der Punkt innerhalb der Störkontur 34 und ist daher für den Greifarm 10 ohne Kollision mit einem Gegenstand 64 nicht erreichbar.
Die Genauigkeit der Karte, bestimmt durch die Schrittweite der Karte, entspricht der Genauigkeit der Posen-Bestimmung des Roboters bzw. vice versa. Die Steuereinheit 12 misst den Wert der Koordinaten OCi, OC2 bzw. Winkel und liest den der Pose durch die ganzzahligen Indizes der Matrix zugeordneten Wert aus der Speichereinheit 12 aus. Die Matrix bildet daher eine diskrete, zweidimensionale Landkarte 32, die jeder Pose bzw. jedem Wertepaar der Koordinaten oti, (X2 ein Indexpaar und dadurch einen Wert zuordnet.
Es wären weitere Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, bei denen die Landkarte mehr-, insbesondere dreidimensional ist, der Wertebereich der Landkarte 32 mehr als zwei Elemente hat und/oder in denen der einer Pose zugeordnete Wert beispielsweise eine Kenngröße für eine Entfernung zur nächsten Störkontur 34 ist. Ferner ist es natürlich denkbar, die Schrittweite der Diskretisierung der Landkarte 32 kleiner oder größer als 1° zu wählen. Die Figuren 1 - 16 zeigen mehrere alternative Ausgestaltungen der Erfindung. Funktionsgleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung geht jeweils insbesondere auf Unterschiede zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ein, während im Hinblick auf gleich bleibende Merkmale auf die Beschreibung zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen verwiesen wird.
Figur 2 zeigt einen Roboter in einer alternativen Ausge- staltung der Erfindung, in der der Greifarm 10 hier nur skizzenhaft dargestellte Sensoren 46 - 46''' zum Erkennen einer Störkontur 34 umfasst. Die Sensoren 46 - 46''' sind als induktive Näherungssensoren ausgebildet.
In einem Initialisierungsvorgang nutzt die Steuereinheit 12 zum Generieren der Landkarte 32 ein auf wenige Parameter beschränktes Modell für eine Außenkontur 58 eines Greifarms 10. Es sind verschiedene Modelle denkbar, die in den Figuren 1 - 4 schematisch dargestellt sind und im Folgenden er- läutert werden.
In einer realistischen Implementierung des Modells, die hier nicht explizit dargestellt ist, nähert das Steuerprogramm die Außenkontur 58 bzw. das Volumen des Greifarms 10 durch Massepunkte bzw. Voxel oder Finite Elemente. Wegen der notwendigen hohen Zahl von Massepunkten ist der Rechenaufwand zur Erstellung der Landkarte 32 sehr hoch und erfordert zudem eine ähnlich aufwändige Modellierung der Gegenstände 64 im Bereich des Greifarms 10. Daher werden im Folgenden Modelle beschrieben, die einen im Vergleich zur Modellierung durch Massepunkte verringerten Rechenaufwand erfordern.
In einer ersten Implementierung eines Steuerprogramms stellt das Modell die Außenkontur 58 des Greifarms 10 durch zwei Linien 48, 50 dar, die jeweils einen Armteil 60, 62 des Greifarms 10 abbilden. Die Koordinaten der Endpunkte der Linien 48, 50 können bei Kenntnis der Längen der Linien 48, 50 und der rotatorischen Koordinaten (Xi, Gt2 trigonometrisch berechnet werden. Da eine Breite des Greifarms 10 bzw. der Armteile 60, 62 in dem Modell nicht berücksichtigt ist, müssen zur sicheren Vermeidung von Kollisionen Sicher- heitszonen zwischen den Linien 48, 50 und den durch Randkonturen beschriebenen Gegenständen 64 berücksichtigt werden, die wenigstens so groß sind wie der maximale Abstand der Außenkontur 58 von den Linien 48, 50.
Eine aus der Störkontur-Konstellation gemäß Figur 5 resultierende Landkarte 32 gemäß der ersten Implementierung ist in Figur 6 dargestellt. Die in Figur 5 links vom Roboter angeordneten Gegenstände 64 erzeugen eine gemeinsame Zusammenhangskomponente der Störkontur 34. Der zentral vor dem Roboter angeordnete Gegenstand blockiert einen Winkelbereich bezüglich der ersten rotatorischen Koordinate OCi. Links und rechts aus diesem Winkelbereich heraus ragende Ausbuchtungen sind dadurch bedingt, dass ein hinteres Ende des vorderen Armteils 62 des Greifarms 10 gegen den Gegen- stand stößt. Ein rechts vom Roboter radial weiter entfernt angeordneter Gegenstand erzeugt eine dritte, inselartige Zusammenhangskomponente der Störkontur 34.
In einer zweiten Implementierung eines Steuerprogramms stellt das Modell bzw. die Steuereinheit 12 die Außenkontur 58 des Greifarms 10 durch sieben verschieden große Kreise 56 dar (Figur 2) . Die Flächen der Kreise 56 überdecken die Außenkontur 58 vollständig. Die Koordinaten der Mittelpunkte der Kreise 56 liegen auf den Linien 48, 50 (Figur 1) und werden bei Kenntnis der Längen der Linien 48, 50 und der rotatorischen Koordinaten oci, α2 trigonometrisch berechnet. Die Konturen der Gegenstände 64 werden in gleicher Weise durch Kreise überdeckt. Zum Berechnen der Landkarte 32 überprüft die Steuereinheit 12 zu jedem Wertepaar der Koordinaten (Xi, OC2, ob einer der den Greifarm 10 überdeckenden Kreise 56 einen der die Gegenstände 64 überdeckenden Kreise schneidet. Ist dies der Fall, so trägt die Steuereinheit 12 einen Punkt der Störkontur 34 in die Landkarte 32 ein.
In einer dritten Implementierung eines Steuerprogramms stellt das Modell bzw. die Steuereinheit 12 die Außenkontur 58 des Greifarms 10 durch zwei Polygone 52, 54 dar (Figur 3), und zwar durch Rechtecke, die jeweils einen der Armtei- Ie 60, 62 überdecken und den entsprechenden Armteil 60, 62 repräsentieren. Die 16 Randlinien der beiden Polygone 52, 54 werden zum Generieren der Landkarte 32 ebenso wie die Randlinien der Gegenstände 64 im Bereich des Greifarms 10 von der Steuereinheit 12 durch Geraden dargestellt und durch die beiden Koordinaten OCi, OC2 und durch zwei Längen und zwei Breiten parametrisiert . Zwei weitere Parameter beschreiben die Lage der Achsen Al, A2 innerhalb der Polygone 52, 54. Insgesamt ergeben sich demnach weniger als 20 Parameter des Modells. Zum Generieren der Landkarte 32 über- prüft die Steuereinheit 12 zu jedem Wertepaar der Koordinaten OCi, OC2, ob und in welchem Punkt eine der Randlinien der Polygone 52, 54 eine der Randlinien der Gegenstände 64 schneidet. Liegt der Schnittpunkt jeweils zwischen den Endpunkten der Randlinien, so trägt die Steuereinheit 12 an der entsprechenden Pose einen Punkt der Störkontur 34 in die Landkarte 32 ein.
Figur 7 zeigt eine gemäß der dritten Implementierung gewonnene Landkarte 32 mit einer Störkontur 34. Inselartige, freie Einschlüsse in der Störkontur 34 resultieren daraus, dass die Polygone 52 , 54 im mathematischen Modell einen Gegenstand 64 umschließen, so dass keine der Randlinien der Polygone 52, 54 eine der Randlinien des Gegenstands 64 schneidet. Die entsprechenden Posen sind in der Realität für den Greifarm 10 nicht zugänglich.
In einer vierten Implementierung eines Steuerprogramms stellt das Modell die Außenkontur 58 des Greifarms 10 durch zwei Polygone 52', 54' dar (Figur 4), und zwar durch ein
Rechteck 52' und durch ein unregelmäßiges Sechseck 54', das einem konischen Verlauf des vorderen Armteils 62 Rechnung trägt. Die Polygone 52', 54' werden analog zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel durch ihre Randlinien be- schrieben, und die Landkarte 32 wird durch die Überprüfung der Schnittpunkte der Geraden in der oben beschriebenen Weise generiert.
In alternativen Ausgestaltungen der Erfindung können die Außenkontur 58 des Greifarms 10 und die Konturen der Gegenstände 64 durch weitere geometrische Formen, beispielsweise Dreiecke, andere Polygone, Ellipsen oder durch Kombinationen aus solchen elementaren Figuren modelliert werden. Ein höherer Detaillierungsgrad des Modells kann insbesondere für die vorderen Bereiche des Greifarms 10 in der Nähe des Tool-Center-Points lohnenswert sein.
Die Steuereinheit 12 ist durch eine implementierte Steuerungssoftware dazu ausgelegt, im Betrieb selbsttätig einen Bewegungspfad 36 (Figur 7) zwischen der Anfangspose 14 und der Endpose 16 in Abhängigkeit von der Landkarte 32 zu generieren.
Die Steuereinheit 12 nutzt dabei die Landkarte 32 bzw. die in der Landkarte 32 verzeichnete Störkontur 34 und generiert den Bewegungspfad 36 abhängig von der vorgegebenen Störkontur 34 bzw. von den Gegenständen 64, deren Koordinaten entweder manuell eingegeben oder durch den Roboter selbsttätig über die Sensoren 46 - 46''' (Figur 2) erfasst sein können.
Figur 8 zeigt einen manuell in Abhängigkeit von der Landkarte 32 generierten Pfad. Ausgehend von einer Anfangspose 14 legt ein Programmierer Überschleifpunkte 66, 66' derart in die freien Bereiche außerhalb der Störkontur 34, dass die Verbindungsgeraden zwischen den Überschleifpunkten 66, 66' bzw. zwischen der Anfangspose 14 und dem ersten Über- schleifpunkt 66 oder dem letzten Überschleifpunkt und der Endpose 16 vollständig außerhalb der Störkontur 34 liegt.
Figur 9 zeigt einen autonom von der Steuereinheit 12 generierten Bewegungspfad 36, der durch einen Algorithmus mit der Maßgabe maximaler Sicherheit erzeugt ist. Der Algorith- mus basiert darauf, dass sich der erste Armteil 60 durch
Schwenken um die Achse Al in Schritten, die der Schrittweite der Landkarte 32 entsprechen, in Richtung der Endpose 16 bewegt. Die rotatorische Koordinate (X2 des zweiten Armteils 62 wird in jedem Schritt derart eingestellt, dass der größtmögliche Abstand zu allen Störkonturen 34 eingehalten wird. Das Verfahren prüft dazu die möglichen Werte der Koordinate OC2 bei vorgegebener Koordinate CCi in einem zusammenhängenden Bereich, ermittelt den Mittelwert der kollisionsfreien Posen in diesem Bereich, erhöht den Wert der Ko- Ordinate OCi um 1 und generiert den Bewegungspfad 36 durch das Setzen von Überschleifpunkten 66. Für den Fall, dass der Mittelwert der kollisionsfreien Posen zu stark von der Koordinate OC2 des letzten Überschleifpunkts 66 abweicht, werden die Fluktuationen auf einen Maximalwert begrenzt oder es wird ein anderes, dem Fachmann als sinnvoll erscheinendes, intelligentes Glättungsverfahren verwendet.
Wenn der Wert der Koordinate OCi dem entsprechenden Wert der Zielpose 16 entspricht, wird versucht, die Achse A2 in Po¬ sition zu bringen.
Figur 10 zeigt einen autonom von der Steuereinheit 12 generierten Bewegungspfad 36, der durch einen alternativen Al- gorithmus nach der Maßgabe minimaler Strecke erzeugt ist. Dabei wird der Wert der Koordinate oci ausgehend von der Anfangspose 14 oder von einem Überschleifpunkt 66 zunächst so weit wie möglich in Richtung der Zielpose 16 verschoben. Wenn eine kollisionsverursachende Pose angetroffen wird, setzt die Steuereinheit 12 einen Überschleifpunkt 66 an der letzten kollisionsfreien Pose mit dem Wert X der Koordinate OCi. Anschließend wird der Wert der Koordinate Ct2 ausgehend von dem Überschleifpunkt 66 so weit verschoben, bis die Pose mit dem Wert X + 1 bzw. X - I der Koordinate OCx keine Kollision verursacht. Die Steuereinheit 12 setzt einen
Überschleifpunkt 66' an die derart gefundene Pose, von der aus der Wert X der Koordinate αx weiter in Richtung des entsprechenden Werts der Zielpose 16 verschoben werden kann. Die oben beschriebenen Schritte werden wiederholt, bis die Achse Al in Position ist. Anschließend wird versucht, die Achse A2 in Position zu bringen. Im günstigsten Fall muss kein einziger Überschleifpunkt generiert werden.
Die beiden zuletzt beschriebenen Methoden der Pfad- Generierung können durch eine simultane Pfad-Generierung beschleunigt werden, die gleichzeitig von der Anfangspose 14 und von der Zielpose 16 startet. Diese Erweiterung ist insbesondere dann notwendig, wenn sich die Zielpose 16 in der Nähe einer Störkontur 34 befindet. Figur 11 zeigt in einer schematisierten Weise eine alternative Ausgestaltung der Steuerungssoftware, die zwischen einem kritischen Bereich 38 der Landkarte 32 und einem unkri- tischen Bereich 40 der Landkarte 32 unterscheidet. Hierbei ist die Steuereinheit 12 derart programmiert, dass sie die Landkarte 32 zum Generieren des Bewegungspfads 36 in zwei Bereiche 38,40 mit unterschiedlicher Detailgenauigkeit aufteilt. Ein erster, kritischer Bereich 38 weist eine hohe Flächendichte der Randlinien der Störkontur 34 auf, während ein zweiter Bereich 40 frei von Störkonturen 34 ist.
Die Steuereinheit 12 teilt die Landkarte 32 zum Generieren des Bewegungspfads 36 in mehrere Unterkarten 42 - 42''' mit vorgegebenen Pfad-Teilen 44 auf. Die Unterkarten 42 - 42''' sind jeweils rechteckig und ihre Größe hängt von dem Bereich 38, 40 ab, in dem sie angeordnet sind. Zur Illustration des Verfahrens sind vier der Unterkarten 42 - 42''' mit römischen Ziffern XII - XV markiert und in den Figuren 12 - 15 detailliert dargestellt.
Figur 12 zeigt eine erste Unterkarte 42 der Landkarte 32, die frei von Störkonturen 34 ist. Die Pfad-Teile 44 verbinden jeweils die Eckpunkte der Unterkarte 42 entlang eines Rands der Unterkarte 42 miteinander.
Eine in Figur 13 dargestellte Unterkarte 42' zeigt eine an einem linken Rand in die Unterkarte 42 ' hinein ragende Störkontur 34. Die Start- und Zielpunkte der vorgegebenen Pfad-Teile 44 liegen außerhalb der Störkontur 34 auf einem unregelmäßigen Viereck auf dem Rand der Unterkarte 42 ' .
Eine weitere, in Figur 14 dargestellte Unterkarte 42'' zeigt einen Abschnitt der Störkontur 34, welche die Unter- karte 42'' durch einen vertikalen, für den Greifarm 10 nicht zugänglichen Streifen in zwei Teile aufteilt. Eine erste Gruppe von Start- und Zielpunkten ist auf einem unregelmäßigen Viereck am Rand des ersten Teils der Unter- karte 42'' angeordnet und eine zweite Gruppe von Start- und Zielpunkten ist auf einem Dreieck am Rand des zweiten Teils
der Unterkarte 42'' angeordnet. Es ergeben sich sieben Teil-Pfade 44, die Start- und Zielpunkte jeweils innerhalb einer Gruppe entlang des Rands des Vierecks bzw. des Dreiecks miteinander verbinden.
Eine in Figur 15 dargestellte Unterkarte 42''' wird an zwei Stellen von einer Störkontur 34 geprägt, und zwar von einem ersten, an einer linken oberen Ecke in die Unterkarte 42 ' ' ' hinein ragenden Teil der Störkontur 34 und einen zweiten, als Spitze in die Unterkarte 42''' hinein ragenden Teil der Störkontur 34. Insgesamt sieben Start- und Zielpunkte sind durch Teil-Pfade 44 paarweise miteinander verbunden.
In Figur 16 zeigt eine alternative Möglichkeit zur Pfadge- nerierung aus einer Landkarte 32, in der zwischen kritischen und unkritischen Bereichen unterschieden wird. Die Steuereinheit 12 unterteilt die Landkarte 32 in Rechtecke mit unterschiedlichen Größen. Die Rechtecke sind jeweils frei von der Störkontur 34. In Figur 16 sind sechs solcher Rechtecke mit römischen Ziffern I - VI bezeichnet. Die Aufteilung der Landkarte 32 in die Rechtecke erfolgt durch aus der Bildverarbeitung bekannte Such-Einlegeverfahren.
Zum Erzeugen des Bewegungspfads 36 nutzt die Steuereinheit 12 folgende Verhaltensregeln: Innerhalb eines Rechtecks kann eine direkte Point-to- Point (PTP) -Bewegung erfolgen. Wenn beispielsweise eine Pose im Rechteck I erreicht wird und sich die End- pose 16 ebenfalls im Rechteck I befindet, kann sich der Greifarm 10 ohne weitere Überschleifpunkte zu der Endpose 16 bewegen.
Zwei benachbarte Rechtecke mit einer gemeinsamen Seite können hinsichtlich der vorhergehenden Verhaltensregel immer als ein Rechteck betrachtet werden. Wenn beispielsweise eine Pose im Rechteck II erreicht wird und sich die Endpose 16 im Rechteck V befindet, kann sich der Greifarm 10 ohne weitere Überschleifpunkte in die Endpose 16 bewegen .
Befindet sich keine Störkontur 32 im Arbeitsraum, kann ein einziges Rechteck gebildet werden.
Durch die Aufteilung der Landkarte 32 in Unterkarten 42 - 42''' bzw. durch die Einteilung in kritische und unkritische Bereiche 38, 40 kann der Landkarte 32 eine zur Pfadge- nerierung erforderliche Information besonders schnell ent- nommen werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird der Roboter nicht von einer integrierten Steuereinheit 12 gesteuert, sondern von einer externen, als universell pro- grammierbarer Computer ausgebildeten Recheneinheit. Die Recheneinheit nutzt Verfahren zum Steuern einer Bewegung des Roboters zwischen einer Anfangspose 14 und einer Endpose 16 in wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden Od, (X2, wobei ein Bewegungspfad 36 zwischen der Anfangspose 14 und der Endpose 16 von der Recheneinheit generiert wird.
Beim Generieren des Bewegungspfads 36 nutzt die Rechenein- heit in der oben beschriebenen Weise eine Landkarte 32, in der zumindest eine Störkontur 34 verzeichnet ist.
Bezugszeichenliste
10 Greifarm
12 Steuereinheit
14 Anfangspose
16 Endpose
22 Sockel
24 Gelenk
26 Absolutwert-Geber
28 Absolutwert-Geber
30 Speiehereinheit
32 Landkarte
34 Störkontur
36 Bewegungspfad
38 Bereich
40 Bereich
42 Unterkarte
44 Pfad-Teil
46 Sensor
48 Linie
50 Linie
52 Polygon
26 54 Polygon
56 Kreis
58 Außenkontur
60 Armteil
62 Armteil
64 Gegenstand
66 Überschleifpunkt al Koordinate a2 Koordinate
Al Achse
A2 Achse
X Wert
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Claims

Patentansprüche
1. Roboter, insbesondere Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden (OL, CC2) und einer Steuereinheit (12) zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose (14) und einer Endpose (16) , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) eine Speichereinheit (30) zum Speichern einer Landkarte (32) umfasst, in der zumindest eine Störkontur (34) verzeichenbar ist.
2. Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) dazu vorgesehen ist, einen Bewegungspfad (36) zwischen der Anfangspose (14) und der Endpose (16) selbsttätig in Abhängigkeit von der Land- karte (32) zu generieren.
3. Roboter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) derart programmiert ist, dass sie die Landkarte (32) zum Generieren des Bewegungs- pfads (36) in wenigstens zwei Bereiche (38, 40) mit un-
22 terschiedlicher Detailgenauigkeit aufteilt.
4. Roboter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) derart programmiert ist, dass sie die Landkarte (32) zum Generieren des Bewegungspfads (36) in mehrere Unterkarten (42) mit vorgegebenen Pfad-Teilen (44) aufteilt.
5. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Speichereinheit (30) zum Speichern der Landkarte (32) in einem achsbezogenen Koordinatensystem vorgesehen ist.
6. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge- kennzeichnet durch wenigstens einen Absolutwert-Geber
(26, 28) zum erfassen eines Absolutwerts von wenigstens einer Koordinate (oci, 0C2) einer aktuellen Pose.
7. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge- kennzeichnet durch wenigstens einen Sensor (46 - 46''') zum Erkennen einer Störkontur (34) .
8. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) dazu vorgesehen ist, die Landkarte (32) abhängig von einer vorgegebenen Störkontur (34) zu generieren.
9. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) dazu vorgesehen ist, zum Generieren der Landkarte (32) ein auf höchstens 20 Parameter beschränktes Modell für eine Außenkontur (58) eines Greifarms (10) zu nutzen.
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10. Roboter Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell die Außenkontur (58) des Greifarms (10) durch wenigstens ein Polygon (52, 54) darstellt.
11. Roboter nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell die Außenkontur (58) des Greifarms (10) durch wenigstens einen Kreis (56) darstellt.
12. Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters, insbesondere eines Roboters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zwischen einer Anfangspose (14) und einer Endpose (16) in wenigstens zwei Bewegungsfreiheits- graden (oci, Cc2) , wobei ein Bewegungspfad (36) zwischen der Anfangspose (14) und der Endpose (16) generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Generieren des Bewegungspfads (36) eine Landkarte (32) genutzt wird, in der zumindest eine Störkontur (34) verzeichnet ist.
24
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