DE102014118001A1

DE102014118001A1 - Verfahren zur Bewegungssimulation eines Manipulators

Info

Publication number: DE102014118001A1
Application number: DE102014118001.1A
Authority: DE
Inventors: Dirk Eickhorst; Marcel Meyer
Original assignee: Broetje Automation GmbH
Current assignee: Broetje Automation GmbH
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2016-06-09
Also published as: US20180126554A1; CN118269089A; WO2016087590A1; EP3227061A1; US11292130B2; CN107206591A; RU2017123529A; RU2727136C2; RU2017123529A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungssimulation eines Manipulators (1a, b), vorzugsweise eines NC-gesteuerten Manipulators (1a, b), in einer Bearbeitungsumgebung (3a, b), wobei der Manipulator (1a, b) in einem Arbeitsbetrieb von einer Kontrollvorrichtung (10) bewegt wird und wobei die Bearbeitungsumgebung (3a, b) zumindest teilweise in einem Umgebungsmodell abgebildet ist und wobei das Verfahren das Berechnen einer Bahnplanung (12a, b) durch die Kontrollvorrichtung (10) aus einer Soll-Bewegung des Manipulators (1a, b) ausgehend von einer Ausgangslage (11a, b) und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators (1a, b), das Durchführen einer kinematischen Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung (12a, b), dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell und das Erzeugen eines Prädiktionsergebnisses basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung umfasst. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage (11a, b) dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Computerprogramm mit Programmcode sowie ein entsprechendes System zur Bewegungssimulation eines Manipulators (1a, b).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungssimulation eines Manipulators in einer Bearbeitungsumgebung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, ein Computerprogramm mit Programmcode mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 17 und ein System zur Bewegungssimulation eines Manipulators in einer Bearbeitungsumgebung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 18.
In der Robotik wird der bewegliche Teil eines Roboteraufbaus bzw. eines Industrieroboters als Manipulator bezeichnet. Solche Manipulatoren werden heute regelmäßig in der automatisierten Fertigung, beispielsweise für die Herstellung von Flugzeugstrukturbauteilen, verwendet. Es handelt sich etwa um mehrachsige Knickarmroboter, die in entsprechenden Fertigungszellen eingesetzt werden. Die Achsstellung eines solchen Manipulators bestimmt dabei die Referenzposition, einschließlich der Ausrichtung, für das Werkzeug bzw. den Endeffektor des Roboters, welche Referenzposition auch als Tool Center Point bezeichnet wird.
Die Bearbeitung von insbesondere großen Werkstücken, hier beispielsweise also von Flugzeugrümpfen, -flügeln und deren Bestandteilen, in Fertigungszellen durch solche mehrachsigen Industrieroboter erfordert komplexe Bewegungsabläufe der einzelnen Achsen eines solchen Roboters, welche Bewegungsabläufe regelmäßig nur durch komplizierte Algorithmen entsprechender Kontrollvorrichtungen errechnet werden können. Ein auf diese Weise bestimmter Bewegungsablauf wird auch als Bahnplanung und eine solche Kontrollvorrichtung auch als numerische Steuerung (NC) oder als computergestützte numerische Steuerung (CNC) bezeichnet. Es gibt der Bediener also etwa eine gewünschte Zielposition und -lage des Manipulators vor und die Kontrollvorrichtung berechnet hierauf basierend eine Bahnplanung für den Manipulator, entlang welcher der Manipulator dann bewegt wird, um die besagte Zielposition zu erreichen.
Neben dem Vermeiden von Singularitäten muss die Bahnplanung zur Vermeidung von Kollisionen durch den Manipulator auch Hinderniskonturen in der Fertigungszelle berücksichtigen. Solche Hinderniskonturen werden nicht nur durch das Werkstück selbst gebildet, sondern auch durch andere Objekte in der Umgebung, zu denen insbesondere die weiteren Bestandteile der Fertigungszelle wie etwa Strukturelemente, Motoren, Bauteilträger, Personenplattformen, Sensoren etc. zählen. Da regelmäßig einerseits die konstruktiven Daten sowohl des Werkstücks als auch des Manipulators und der Fertigungszelle insgesamt und andererseits die jeweilige Lage der Arbeitspunkte am Werkstück bekannt sind, wird in der Regel eine solche Bahnplanung vorab in einer Simulation erstellt, welche Bahnplanung dann im tatsächlichen Betrieb nur noch abgefahren werden muss. Eine solche, zeitlich und meist auch räumlich von der eigentlichen Bearbeitung und Bewegung in der Fertigungszelle getrennte Simulation wird regelmäßig als Offline-Simulation und die entsprechende Programmierung der Kontrollvorrichtung in Analogie als Offline-Programmierung bezeichnet.
Speziell ist ein Verfahren zur Offline-Programmierung, welches zusätzlich noch eine Prüfung auf kinematische Singularitäten entlang der programmierten Bahnplanung und in einem Toleranzbereich in der Umgebung dieser Bahnplanung vorsieht, aus der EP 2 418 555 A2 bekannt.
Nachteilig an diesem und ähnlichen Verfahren zur Offline-Programmierung ist, dass bei einer solchen „offline” und also entkoppelt vom realen Betrieb, gleichsam am Reißbrett entwickelten Bahnplanung nicht ausgeschlossen werden kann, dass eine unvorhergesehene Situation auftritt, in welcher ein von der vorab bestimmten Bahnplanung abweichendes Eingreifen des Bedieners erforderlich wird.
Die Notwendigkeit eines solchen Eingreifens kann sich etwa dadurch ergeben, dass ein Näherungssensor des Manipulators das Unterschreiten eines Mindestabstands zwischen dem Manipulator, insbesondere seinem Endeffektor, und dem Werkstück oder einer anderen Hinderniskontur wahrnimmt. Vor allem wenn in einem solchen Zustand dann eine weitere Bewegung des Manipulators gemäß der Bahnplanung den betroffenen Abstand zu der Hinderniskontur noch weiter verkleinern würde, wird wegen der damit verbundenen Kollisionsgefahr regelmäßig die Bewegung des Manipulators gemäß der Bahnplanung abgebrochen. Eine solche Abweichung des gemessenen Abstands von dem vorher gemäß der Offline-Programmierung simulierten Abstand kann in der Praxis nicht ausgeschlossen werden. Die Abweichung kann etwa wegen thermischer Effekte oder sonstiger Unregelmäßigkeiten am Werkstück oder an Teilen der Fertigungszelle auftreten.
Da die ursprüngliche Bahnplanung nicht mehr weitergefahren werden kann, muss der Bediener der Kontrollvorrichtung in so einem Fall durch eine manuelle Kontrolle des Manipulators – was auch als Jog-Betrieb bezeichnet wird – oder durch eine sonst wie erfolgende Eingabe ein neues Ziel für den Manipulator vorgeben, zu dem dann eine entsprechende neue Bahnplanung zu ermitteln ist, welche zu einer Bewegung des Manipulators aus der vorliegenden, kollisionsgefährdeten Situation heraus führen soll. Diese Bewegung selbst soll nicht ihrerseits zu einer Kollision führen.
Die Auswahl einer geeigneten Bewegungsrichtung oder eines geeigneten Bewegungszieles des Manipulators ist allerdings häufig mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Zunächst ist es häufig so, dass der Bediener von seinem örtlichen Arbeitsplatz aus – welcher ganz überwiegend außerhalb der Fertigungszelle im strengen Sinne angeordnet ist – gar keine oder nur eine unzureichende Sicht auf die genaue Stelle hat, an welcher der Manipulator gerade positioniert ist und an welcher die kritische Kollisionslage herrscht, sodass ihm im ersten Augenblick gar nicht notwendigerweise klar ist, welcher vorgesehene Bewegungsvorgang welcher Achse des Manipulators mit welchem Hindernis ein Kollisionsrisiko darstellt.
Selbst wenn zusätzliche Kameras in der Fertigungszelle angeordnet sind, ist keineswegs gewährleistet, dass diese tatsächlich eine hilfreiche Ansicht der betreffenden Stelle liefern können. Hinzu kommt, dass jede installierte Kamera an sich schon eine weitere Hinderniskontur bildet, wodurch die Bewegungsmöglichkeiten des Manipulators prinzipiell weiter eingeschränkt werden. Aus diesem Grund ist es für den Bediener häufig schwer zu erkennen, wie denn überhaupt eine Bewegung des Manipulators aussehen könnte, welche nicht zu einer Kollision sondern vielmehr zu einer neuen Position des Manipulators mit einem hinreichenden Abstand zu den Hinderniskonturen führt.
In der Praxis versucht man sich häufig damit zu behelfen, dass der Bediener oder ein anderer Mitarbeiter die Fertigungszelle betritt, um eine bessere Sicht auf die problematische Lage des Manipulators zu erhalten. Es versteht sich, dass dies unter dem Gesichtspunkt der Arbeitssicherheit nicht akzeptabel ist. Hinzu kommt, dass beim Versuch des manuellen Herausführens des Manipulators das Risiko einer Kollision durch eine Fehleinschätzung der geometrischen Gegebenheiten sehr hoch ist und dies regelmäßig zu Schäden am Manipulator, am Bauteil oder an der Fertigungszelle führt und damit auch zu längeren Ausfallzeiten der Fertigungszelle.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht also darin, ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Bewegungssimulation eines Manipulators in einer Bearbeitungsumgebung so weiterzuentwickeln, dass die Behebung von Kollisionsrisikosituationen, welche beim Abarbeiten einer Bahnplanung durch den Manipulator eintreten, erleichtert wird.
Das obige Problem wird bezogen auf ein Verfahren zur Bewegungssimulation eines Manipulators in einer Bearbeitungsumgebung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
Bezogen auf ein Computerprogramm mit Programmcode gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 17 wird das obige Problem durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 17 gelöst.
Bezogen auf ein System zur Bewegungssimulation eines Manipulators in einer Bearbeitungsumgebung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 18 wird das obige Problem durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 18 gelöst.
Das vorschlagsgemäße Verfahren dient zur Bewegungssimulation eines Manipulators in einer Bearbeitungsumgebung, wobei der Manipulator in einem Arbeitsbetrieb von einer Kontrollvorrichtung bewegt wird und wobei die Bearbeitungsumgebung in einem Umgebungsmodell abgebildet ist.
Vorliegend ist der Begriff „Manipulator” weit auszulegen. Er umfasst nicht nur den Manipulator im engeren Sinne, sondern schließt auch einen an ihm angeordneten, beliebigen Endeffektor und sonstige Komponenten ein, welche sich bei einer Bewegung des Manipulators mitbewegen.
Bei einer „Kontrollvorrichtung” im Sinne des Vorschlags, welche vorliegend aus einer oder mehreren, ggf. verteilten Einzelvorrichtungen bestehen kann, handelt es sich um eine Vorrichtung zur Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschinen – einschließlich von Manipulatoren wie soeben definiert – im Sinne einer numerischen Steuerung oder einer computergestützten numerischen Steuerung, welche Vorrichtung auch Personalcomputer umfassen kann. Die Kontrollvorrichtung kann nicht nur den Manipulator über seine Achsen gemäß einer von der Kontrollvorrichtung durch Berechnung bestimmten Bahnplanung steuern, sondern auch weitere Bestandteile des Manipulators wie den Endeffektor und hier insbesondere seine Arbeitsweise kontrollieren. Dementsprechend umfasst das Bewegen des Manipulators durch die Kontrollvorrichtung neben der eigentlichen Bewegung des Manipulators auch eine etwaige nur vom Endeffektor vorgenommene Bewegung oder Tätigkeit. Daneben kann die Kontrollvorrichtung noch weitere rechnergestützte Aufgaben wahrnehmen.
Der Begriff „Bearbeitungsumgebung” im vorliegenden Sinne umfasst nicht nur die Fertigungszelle mit ihren Komponenten, sondern auch das Werkstück selbst und alle weiteren Objekte, welche sich in dem von dem Manipulator erreichbaren Raum befinden. Mithin können auch Bestandteile des Manipulators zu der Bearbeitungsumgebung in diesem Sinne gezählt werden, eine Überlappung für die hier relevanten Zwecke ist also ausdrücklich nicht ausgeschlossen.
Entsprechend dieser Begriffsbestimmung ist wiederum unter dem Begriff des „Umgebungsmodells” ein datentechnisches Berechnungsmodell für zumindest Teile der Bearbeitungsumgebung im obigen Sinne zu verstehen, welches Berechnungsmodell als Grundlage für eine Modellbildung im Rahmen einer Bahnplanung und für eine Kollisionsprüfung dienen kann. Diese zumindest teilweise Abbildung der Bearbeitungsumgebung in dem Umgebungsmodell kann darin bestehen, dass nur die wesentlichen Elemente und nicht notwendigerweise jede Einzelheit der Bearbeitungsumgebung in dem Umgebungsmodell abgebildet ist. Bevorzugt ist, dass die Bearbeitungsumgebung in dem Umgebungsmodell vollständig abgebildet ist.
Wesentlich für das vorschlagsgemäße Verfahren ist nun, dass eine Bahnplanung durch die Kontrollvorrichtung aus einer Soll-Bewegung des Manipulators ausgehend von einer Ausgangslage und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators berechnet wird. Ferner wird eine kinematische Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung, dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell durchgeführt und ein Prädiktionsergebnis basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung erzeugt.
Unter der „Soll-Bewegung” des Manipulators ist jedwede Vorgabe, insbesondere durch den Bediener, einer von dem Manipulator auszuführenden Bewegung zu verstehen. Eine solche Vorgabe kann aus einem speziellen Zielpunkt bzw. einer speziellen Zielkoordinate des Manipulators und speziell seines Tool Center Points (TCP) bestehen oder aus der Vorgabe einer gewünschten Bewegungsrichtung des Manipulators bzw. des Tool Center Points mit oder ohne gleichzeitiger Bestimmung der Länge oder der Dauer der Bewegung oder des gewünschten Endpunktes. Die Soll-Bewegung kann auch mehrere Bewegungsabschnitte mit jeweils einzunehmenden Zwischenpositionen umfassen.
Der Begriff der „Ausgangslage” meint vorliegend jede mechanische oder elektrische Zustandseigenschaft des Manipulators, welche dieser Manipulator annehmen kann, so zum Beispiel seine geometrische Position, die Konfiguration der Achsen, die Stellung jedes Aktors am Manipulator oder am Endeffektor etc. Statt „Ausgangslage” könnte also auch ausführlicher „Ausgangslage des Manipulators” formuliert werden.
Entsprechend bezeichnet der Begriff des „Kinematikmodells” ein kinematisches Manipulatormodell mit Daten, welche für eine elektronische Abbildung der Kinematik des Manipulators und seiner Ausgangslage im obigen Sinne geeignet sind, insbesondere zum Zwecke einer Bewegungsberechnung des Manipulators. Die „Bahnplanung” wiederum ist entsprechend der etwa von der Kontrollvorrichtung erzeugte, zukünftige Ablauf der Bewegung für alle von der Kontrollvorrichtung steuerbaren Teile des Manipulators, einschließlich des Endeffektors und insbesondere umfassend die Achsen des Manipulators.
Unter dem Begriff der „kinematischen Kollisionsprüfung” ist eine Berechnung zu verstehen, welche darüber Auskunft gibt, ob und inwieweit beim Ausführen der Bahnplanung durch den Manipulator eine Kollision des Manipulators oder eines seiner Bestandteile mit einem Teil der Bearbeitungsumgebung, soweit dieses in dem Umgebungsmodell abgebildet ist, erfolgen kann. Das Ergebnis einer solchen Kollisionsprüfung kann sowohl binär sein, also lediglich eine Kollision bzw. ein bestimmtes Kollisionsrisiko bejahen oder verneinen, als auch für die Bahnplanung insgesamt oder für jeden Abschnitt oder Punkt der Bewegungsstrecke gemäß der Bahnplanung eine prozentuale oder auf sonstige Weise beschriebene Wahrscheinlichkeit oder einen sonstigen Gradmesser für das Auftreten einer Kollision liefern. Dabei kann die Kollisionsprüfung gleichzeitig auch die Prüfung auf das Auftreten von Singularitäten umfassen. Bei dieser kinematischen Kollisionsprüfung ist nicht nur die Bewegung des Manipulators gemäß der Bahnplanung zu berücksichtigen, sondern auch eine etwaige, gleichzeitig erfolgende Bewegung der Bearbeitungsumgebung oder ihrer Teile. So kann etwa vorgesehen sein, dass sich zeitgleich zur Bewegung des Manipulators auch ein Aufspannrahmen für das zu bearbeitende Werkstück zusammen mit dem Werkstück bewegt. Aufspannrahmen und Werkstück sind – wie bereits festgestellt – in diesem Kontext zur Bearbeitungsumgebung zu zählen. In so einem Fall ist auch das Umgebungsmodell als zeitlich variabel und dementsprechend nicht statisch zu verstehen.
Schließlich gibt das auf dieser kinematischen Kollisionsprüfung basierende Prädiktionsergebnis Aufschluss darüber, ob die Soll-Bewegung des Manipulators erlaubt ist oder nicht. Das Prädiktionsergebnis kann auch die Aussage beinhalten, dass die Soll-Bewegung nur unter bestimmten Umständen, z. B. mit einer gleichzeitigen bestimmten Bewegung des Bauteilträgers, erlaubt ist. Mit anderen Worten wird als Ergebnis der möglicherweise komplexen kinematischen Kollisionsprüfung das Prädiktionsergebnis erzeugt.
Wesentlich bei dem vorschlagsgemäßen Verfahren ist nun, dass die Ausgangslage dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht. Es wird also für die Berechnung der Bahnplanung – und damit auch für die darauf beruhende kinematische Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionsergebnisses – der tatsächliche, aktuelle Manipulatorzustand als Ausgangslage verwendet. Mit anderen Worten entspricht die Ausgangslage, welche der Berechnung der Bahnplanung aus der Soll-Bewegung zugrunde liegt, nicht einer fiktiven oder projizierten, vergangenen oder zukünftigen Situation oder Lage oder einem solchen Zustand des Manipulators, sondern vielmehr der tatsächlichen Situation und Lage und dem tatsächlichen Zustand des Manipulators. Dabei kann die Feststellung des tatsächlichen Zustands grundsätzlich sowohl auf einer sensorischen Erfassung des Manipulators als auch auf einer Berechnung des tatsächlichen Zustands des Manipulators gemäß einem bekannten vorherigen Zustand und einer bekannten ausgeführten Bewegung oder auch auf einer Kombination beider Ansätze beruhen.
Jedenfalls ist auf diese Weise gewährleistet, dass das Prädiktionsergebnis auf einer Kollisionsprüfung basiert, welche sich auf den aktuellen, tatsächlichen Zustand des Manipulators und eine Bahnplanung ausgehend von diesem tatsächlichen Zustand stützt. Mithilfe des Prädiktionsergebnisses kann also beurteilt werden, ob die der Soll-Bewegung entsprechende Bahnplanung durch den tatsächlichen Manipulator ohne Kollisionsrisiko ausgeführt werden kann. Dies ermöglicht, „online” und also zeitgleich zum laufenden Betrieb eine bestimmte Bewegung auf ihr Kollisionsrisiko und damit auf ihre Zulässigkeit zu überprüfen.
Ein Bediener, welcher den Manipulator aus einer kritischen, wie oben beschrieben kollisionsgefährdeten Lage wegbewegen möchte, kann also einfach auf das Prädiktionsergebnis einer vorgeschlagenen Soll-Bewegung vertrauen um zu erfahren, ob diese und die entsprechende Bahnplanung eine zu einer Kollision führen könnte oder nicht. Eine auf eigener Intuition beruhende, notwendigerweise nicht 100% zuverlässige Abschätzung des komplexen kinematischen Sachverhalts muss nicht mehr vorgenommen werden. Stattdessen kann man sich auf die vorausschauende Berechnung des vorschlagsgemäßen Verfahrens verlassen.
Wie gemäß Anspruch 2 vorgeschlagen ist es besonders bevorzugt, dass das Prädiktionsergebnis auch ausgegeben wird, so dass der Bediener davon Kenntnis erhalten kann. Eine besonders anschauliche Ausgabe kann durch eine Visualisierung erzielt werden.
Von besonderem Interesse ist eine Echtzeit-Ausgabe des Prädiktionsergebnisses, wie sie von der bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 3 vorgeschlagen wird. In so einem Fall nimmt der Bediener eine – jedenfalls gefühlt – sofortig und also ohne Zeitverlust erfolgende Rückmeldung auf eine Änderung der Soll-Bewegung oder des Manipulatorzustands wahr, so dass er in Echtzeit darüber in Kenntnis gesetzt werden kann, ob die Soll-Bewegung ohne Kollision möglich ist oder nicht. Diese Rückmeldung in Echtzeit stellt eine dramatische Verbesserung der Ergonomie dar. Die diesbezügliche bevorzugte Weiterentwicklung gemäß Anspruch 4 stellt weiter sicher, dass das Prädiktionsergebnis vor einer Ausführung der Bewegung des Manipulators vorliegt.
Grundsätzlich kann die Soll-Bewegung des Manipulators auf beliebige Art und Weise beschrieben werden, so etwa auch durch Daten in einer Computerdatei. Der Anspruch 5 bezieht sich auf eine ergonomisch besonders interessante Eingabe der Soll-Bewegung durch eine Bedieneinrichtung, etwa durch einen Steuerknüppel oder dergleichen.
Ein besonders geeignetes Hilfsmittel zur Kollisionsprüfung besteht darin, die Bahnplanung des Manipulators und das Umgebungsmodell in einen Virtuellzustand abzubilden, wie es vom Anspruch 6 vorgeschlagen und durch die Ansprüche 7 und 8 weiterentwickelt wird. Auf diese Weise können virtuelle, in die Zukunft gemäß der Bahnplanung projizierte Zustände des Manipulators auch auf eine besonders aussagekräftige Art und Weise dem Bediener dargestellt werden.
Die bevorzugte Ausführungsform gemäß dem Anspruch 9 wiederum sieht auch eine wiederholte Bereitstellung der tatsächlichen Ausgangslage durch die Kontrollvorrichtung vor, so dass die kinematische Kollisionsprüfung jederzeit auf dem tatsächlichen Manipulatorzustand mit einer allenfalls vernachlässigbaren Zeitverzögerung beruht.
Die bevorzugte Ausführungsform gemäß dem Anspruch 10 macht sich die Möglichkeit zunutze, auf einer von der Kontrollvorrichtung separaten Rechenvorrichtung ein Computerprogramm ablaufen zu lassen, welches die Bahnplanung der Kontrollvorrichtung vollständig und identisch abbildet. Auf diese Weise kann auch die kinematische Kollisionsprüfung unabhängig aber zeitgleich zu der Bahnplanung der Kontrollvorrichtung durchgeführt werden. Gerade dieser, der herkömmlichen Denkweise widersprechende Ansatz, welcher den parallelen und damit scheinbar redundanten Ablauf zweier identischer Bahnplanungen vorsieht, erleichtert die Verwirklichung einer Kollisionsprädiktion in Echtzeit.
Um das Auftreten von Kollisionen so weit wie möglich zuverlässig zu unterbinden, schlägt die bevorzugte Ausführungsform gemäß dem Anspruch 11 eine Verhinderung der Ansteuerung des Manipulators vor, wenn diese Ansteuerung gemäß dem Prädiktionsergebnis zu einer Kollision oder zu einem inakzeptablen hohen Risiko einer Kollision führen würde. Auf diese Weise kann auch unbewussten Bedienfehlern vorgebeugt werden.
Schließlich ermöglicht die bevorzugte Ausführungsform gemäß dem Anspruch 12 ein besonders genaues Kinematikmodell oder Umgebungsmodell, indem diese nämlich auf Modelldaten in elektronischer Form, wie sie etwa von Konstruktionsprogrammen zur Verfügung gestellt werden, gestützt sind.
Die bevorzugten Ausgestaltungen der Ansprüche 13 bis 15 betreffen die Möglichkeit, bei der Bahnplanung eine Anpassung des Kinematikmodells vorzunehmen, um Umgebungseinflüsse wie etwa Temperatureffekte zu kompensieren, welche eine Abweichung zwischen einer Soll-Position und einer Ist-Position des Manipulators begründen können. Eine solche Kompensation wird dann bevorzugt auch bei der kinematischen Kollisionsprüfung und bei dem Erzeugen des Prädiktionsergebnisses berücksichtigt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 eine Gesamtansicht einer Anordnung einer Fertigungszelle mit dazugehörigen Komponenten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, welche Anordnung zur Ausführung des vorschlagsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist,
2 eine schematische Darstellung von Bestandteilen der Kontrollvorrichtung aus der Anordnung der 1,
3a–c einen Manipulator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel sowie Darstellungen dieses Manipulators durch eine Visualisierungsvorrichtung im Zusammenhang mit dem vorschlagsgemäßen Verfahren.
Die vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen einen Manipulator 1a, b in einer Fertigungszelle, in welcher Fertigungszelle an Flugzeugstrukturbauteilen Nietverbindungen durch eine Nietmaschine gesetzt werden. Der Manipulator 1a, b ist NC-gesteuert. Bei der Fertigungszelle des ersten, in der 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiels handelt es sich um eine integrierte Sektions-Bestückungszelle (Integrated Section Assembly Cell) zur Bearbeitung von 360°-Flugzeugrumpfsektionen. Die Nietmaschine bildet den Endeffektor 2a des Manipulators 1a, bei welchem es sich vorliegend um einen 12-Achs-Positionierer handelt. Die Fertigungszelle beider Ausführungsbeispiele mit all ihren zugeordneten Bestandteilen bildet jeweils eine Bearbeitungsumgebung 3a, b im Sinne der obenstehenden Begriffsdefinition.
Der Endeffektor 2a lässt sich an der Innenoberfläche eines entlang von Bodenschienen 4 verschiebbaren Fertigungsbogens 5 bewegen, wobei folglich die Bodenschienen 4 und der Fertigungsbogen 5 jeweils sowohl einen Teil der Bearbeitungsumgebung 3a als auch des Manipulators 1a bilden. Auf einem bewegbaren Bauteilträger 6 ist das Werkstück 7a befestigt, bei welchem es sich hier um ein Flugzeugstrukturbauteil handelt. Daneben ist in der Fertigungszelle ein Zugangsgerüst 8 für Personal vorgesehen. Entsprechend der bereits erläuterten Begriffsbestimmung gehören der Bauteilträger 6, das Werkstück 7a und das Zugangsgerüst 8 ebenfalls zu der Bearbeitungsumgebung 3a. Weiter gehört zu der Fertigungszelle eine Kontrollvorrichtung 10.
Die 3a–c, auf welche nachfolgend ebenfalls Bezug genommen wird, geben ein zweites, vereinfachtes Ausführungsbeispiel mit einem Sechs-Achs-Manipulator 1b mit Endeffektor 2b wieder, dessen Bearbeitungsumgebung 3b ein Werkstück 7b mit zwei Vorsprüngen 9 umfasst. Der Ausgangszustand des zweiten Ausführungsbeispiels ist dabei in der 3a wiedergegeben.
Das vorschlagsgemäße Verfahren dient, wie bereits festgestellt, der Bewegungssimulation eines Manipulators 1a, b in einer Bearbeitungsumgebung 3a, b. Beim vorschlagsgemäßen Verfahren wird der Manipulator 1a, b in einem Arbeitsbetrieb von einer Kontrollvorrichtung 10 (für das Ausführungsbeispiel der 3a–c nicht dargestellt) bewegt, wobei die Bearbeitungsumgebung 3a, b zumindest teilweise in einem Umgebungsmodell abgebildet ist. Unter „Arbeitsbetrieb” ist hier und nachfolgend ein Betriebsmodus zur bestimmungsgemäßen Bearbeitung von Werkstücken durch den Manipulator zu verstehen. Ein Einmess- oder Probebetrieb fällt nicht darunter.
Das vorschlagsgemäße Verfahren umfasst das Berechnen einer Bahnplanung 12a, b durch die Kontrollvorrichtung 10 aus einer Soll-Bewegung des Manipulators 1a, b ausgehend von einer Ausgangslage 11a, b des Manipulators 1a, b und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulatormodells 1a, b. Zwecks Übersichtlichkeit sind solche Bahnplanungen 12a, b nur für das zweite Ausführungsbeispiel dargestellt. Die 3b und 3c beziehen sich auf eine jeweilige Bahnplanung 12a, b, welche beide von der Ausgangslage 11b des Manipulators 1b gemäß der 3a ausgehen.
Ferner umfasst das vorschlagsgemäße Verfahren das Durchführen einer kinematischen Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung 12a, b, dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell und das Erzeugen eines Prädiktionsergebnisses basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung.
Das vorschlagsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage 11a, b dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht. Auf diese Weise liefert das erzeugte Prädiktionsergebnis eine Aussage darüber, ob und inwiefern eine tatsächliche Ausführung einer Bewegung des Manipulators 1a, b entlang der von der Kontrollvorrichtung 10 ermittelten Bahnplanung 12a, b ein Kollisionsrisiko darstellt.
Bevorzugt ist, dass das Verfahren die Ausgabe des Prädiktionsergebnisses durch eine Ausgabevorrichtung 13 umfasst, bei der es sich bevorzugt und wie vorliegend um eine Visualisierungsvorrichtung 13a, b handelt. Im Ausführungsbeispiel der 1 wird eine solche Visualisierungsvorrichtung 13a durch den Bildschirm 14 einer Computeranordnung 15 mit einer Rechenvorrichtung 16 und einer Bedieneinrichtung 17 in Form einer Tastatur gebildet. Die Computeranordnung 15 insgesamt und speziell die Rechenvorrichtung 16 sind mit der Kontrollvorrichtung 10 über ein Kommunikationsnetzwerk 18 verbunden.
Vorliegend und wie in der 2 genauer dargestellt handelt es sich bei der Kontrollvorrichtung 10 um das modulare System SINUMERIK^® 840D sl 19, welches eine SINAMICS^® S120 als Antriebssystem 20 sowie eine NCU 720.3ON als numerische Steuereinheit 21 und eine PCU 50.5-P als Rechnereinheit 22 umfasst. Ein SINUMERIK^® Operator Panel OP 019 23 kann ebenfalls eine Visualisierungsvorrichtung 13b zur Ausgabe des Prädiktionsergebnisses bilden. Das SINUMERIK^® Operator Panel OP 019 23 kann ferner eine Bedienoberfläche 24 in Gestalt eines Tastfeldes aufweisen.
Zur Verkürzung der Iterationsdauern und für eine möglichst komfortable Bedienung soll dem Bediener eine als quasi sofortig wahrgenommene Rückmeldung über seine Eingabe – also die von ihm geforderte Soll-Bewegung – gegeben werden. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass das Durchführen der kinematischen Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionsergebnisses innerhalb einer vorbestimmten Rechenzeit nach einer Änderung und/oder Eingabe der Soll-Bewegung erfolgen. Insbesondere soll eine Echtzeit-Ausgabe des Prädiktionsergebnisses durch die Ausgabevorrichtung 13, im vorliegenden Fall speziell durch die Visualisierungsvorrichtung 13a, b, bereitgestellt werden. Der Begriff der „Echtzeit-Ausgabe” ist in einem ersten, allgemeinen Sinne wie obenstehend umschrieben zu verstehen, dass also eine maximale Rechenzeit vorgegeben ist, innerhalb welcher das Prädiktionsergebnis durch die Ausgabevorrichtung 13 bzw. die Visualisierungsvorrichtung 13a, b bereitgestellt wird. Vom Bediener wird eine Ausgabe als Reaktion auf eine Eingabe subjektiv dann als in Echtzeit erfolgend wahrgenommen, wenn die Ausgabe innerhalb von 50 Millisekunden nach der Eingabe erfolgt. Diese gefühlte Reaktion in Echtzeit ist dann besonders deutlich, wenn die Ausgabe sogar innerhalb von 10 Millisekunden nach der Eingabe erfolgt. Folglich ist besonders bevorzugt dass die Ausgabe des Prädiktionsergebnisses durch die Ausgabevorrichtung 13 bzw. durch die Visualisierungsvorrichtung 13a, b innerhalb von 50 Millisekunden und insbesondere innerhalb von 10 Millisekunden nach einer Änderung und/oder Eingabe der Soll-Bewegung erfolgt.
Das Prädiktionsergebnis kann von der Kontrollvorrichtung 10 selbst schon als Freigabesignal für eine bewegende Ansteuerung des Manipulators 1a, b verwendet werden. Dementsprechend erfolgt eine solche Ansteuerung bevorzugt erst dann, wenn das Prädiktionsergebnis für eine Ansteuerung gemäß der Bahnplanung keine Kollision vorhersagt. Mit anderen Worten wird bevorzugt das Prädiktionsergebnis erzeugt, bevor der Manipulator 1a, b gemäß der Bahnplanung 12a, b von der Kontrollvorrichtung 10 bewegt wird.
Besonders sinnvoll ist eine solche Echtzeit-Ausgabe, wenn auch die entsprechende Eingabe der Soll-Bewegung nicht durch das Auslesen einer Datei oder einen ähnlichen Vorgang erfolgt, sondern durch ein manuelles Eingreifen des Bedieners. Bevorzugt ist also, dass das Verfahren die Annahme einer Eingabe – und hier insbesondere einer Eingabe durch Handbetrieb – der Soll-Bewegung durch eine Bedieneinrichtung 17 umfasst. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei der Bedieneinrichtung 17 um die genannte Tastatur der Computeranordnung 19, ebenso in Frage kommt allerdings die Bedienoberfläche 24 des SINUMERIK^® Operator Panel OP 019 23 oder ein – hier nicht gezeigter – Steuerknüppel der Computeranordnung 15 oder der Kontrollvorrichtung 10.
Sehr anschaulich ist eine Ausgabe, welche den zukünftigen Zustand des Manipulators 1a, b in der Bearbeitungsumgebung 3a, 3b grafisch darstellt. Daher ist es bevorzugt, dass das vorschlagsgemäße Verfahren die Ausgabe eines Virtuellzustands 25a, b basierend auf der Bahnplanung 12a, b und dem Umgebungsmodell umfasst. Unter dem Begriff des Virtuellzustands 25a, b ist die elektronische Abbildung einerseits des Manipulators 1a, b basierend auf dem Kinematikmodell nach Ausführung der Bahnplanung 12a, b ausgehend von der Ausgangslage 11a, b und andererseits der Bearbeitungsumgebung 3a, b basierend auf dem Umgebungsmodell, ebenfalls nach Ausführung der Bewegung des Manipulators 1a, b, zu verstehen. Mit anderen Worten bezeichnet der Virtuellzustand 25a, b ein umfassendes rechnerisches Modell des Manipulators 1a, b und der Bearbeitungsumgebung 3a, b nach einer Bewegung des Manipulators 1a, b entlang der Bahnplanung 12a, b. Der Virtuellzustand 25a, b kann dabei auch eine etwaige in der relevanten Zeit erfolgende Bewegung der Bearbeitungsumgebung 3a, b insgesamt oder einzelner Teile von ihr berücksichtigen. Eine solche Bewegung könnte etwa im Ausführungsbeispiel der 1 aus einer Drehung des Bauteilträgers 6 mit dem Werkstück 7a bestehen.
Diese bevorzugte Ausgestaltung lässt sich dadurch weiterentwickeln, dass die Ausgabe des Virtuellzustands 25a, b die Ausgabe einer Ansicht 26a, b eines 3D-Modells des Manipulators 1a, b und der Bearbeitungsumgebung 3a, b umfasst. Bei diesem 3D-Modell handelt es sich um eine zur Darstellung geeignete Repräsentierung des Virtuellzustands 25a, b und also des Zustands des Manipulators 1a, b und der Bearbeitungsumgebung 3a, b nach erfolgter Bewegung gemäß der Bahnplanung 12a, b. Die Ansicht 26a, b ist wiederum die zweidimensionale Darstellung, welche sich aus diesem 3D-Modell und dem Blickwinkel eines – gedachten – Betrachters ergibt und welche somit zur Wiedergabe auf einer herkömmlichen Visualisierungsvorrichtung 13a, b geeignet ist.
Die 3b und 3c geben beispielhaft jeweils eine solche Ansicht 26a, b wieder, welche etwa auch auf dem Bildschirm 14 der Computeranordnung 15 der 1 denkbar wiedergegeben werden könnten, wobei zwecks Einfachheit der Darstellung in den 3b und 3c nicht zwischen der Ansicht 26a, b und dem der Ansicht zugrundeliegenden Virtuellzustand 25a, b grafisch unterschieden wird.
Vorzugsweise ist der der Darstellung zugrundeliegende Blickwinkel einstellbar, so dass die Ansicht 26a, b des 3D-Modells des Manipulators 1a, b und der Bearbeitungsumgebung 3a, b auf einem einstellbaren Blickwinkel basiert. Damit kann der Bediener für die Ansicht 26a, b eine Perspektive wählen, welche zur Erfassung der vorliegenden Kollisionssituation besonders geeignet ist.
Die Ausgabe des Virtuellzustands 25a, b kann auch so gestaltet sein, dass auf grafisch besonders leicht erkennbare Weise gekennzeichnet wird, ob das Prädiktionsergebnis eine Kollisionssituation bzw. ein Kollisionsrisiko anzeigt oder ob es das Nichtvorhandensein einer solchen Kollisionssituation oder eines solchen Kollisionsrisikos anzeigt. So zeigt etwa in der 3b die Ansicht 26a einen Virtuellzustand 25a, bei welchem – gemäß dem Prädiktionsergebnis – die Bahnplanung 12a zu einer projizierten Kollision des Manipulators 1b mit einem Vorsprung 9 des Werkstücks 7b geführt hat, was aus der Ansicht 26a für den Bediener durch das Kollisionspiktogramm 27 deutlich gemacht wird. Der Bediener wird also anschaulich gewarnt, dass diese Bahnplanung 12a nicht ausgeführt werden sollte. Alternativ oder zusätzlich zu dem Kollisionspiktogramm 27 könnte die Ansicht 26a zwecks Warnung auch in einer Warnfarbe – z. B. in Rot – verfärbt werden.
Umgekehrt geht aus der Ansicht 26b der 3c ebenso deutlich hervor, dass eine Bewegung gemäß der Bahnplanung 12b ohne ein Kollisionsrisiko ausgeführt werden kann. Vorliegend geschieht dies durch eine Darstellung der Bahnplanung 12b ohne ein Kollisionspiktogramm, wobei auch hier zusätzlich eine Wiedergabe der Ansicht 26a in einer Freigabefarbe – etwa in Grün – vorgesehen sein kann.
Eine Echtzeitzeit-Ausgabe im bereits obenstehend definierten Sinne ist für den Bediener auch bei der Ausgabe des Virtuellzustands 25a, b vorteilhaft. Folglich ist es bevorzugt, dass die Ausgabe des Virtuellzustands 25a, b durch die Visualisierungsvorrichtung 13a, b innerhalb eines vorbestimmten Visualisierungszeit nach einer Änderung und/oder Eingabe der Soll-Bewegung erfolgt, so dass eine Echtzeit-Ausgabe des Virtuellzustands 25a, b durch die Visualisierungsvorrichtung 13a, b bereit gestellt wird. Die Echtzeit-Ausgabe wird, wie bereits bemerkt, dann besonders als „in Echtzeit” wahrgenommen, wenn die vorbestimmte Visualisierungszeit 50 Millisekunden oder sogar 10 Millisekunden beträgt. Im Falle der bevorzugten Ausgabe des Ansicht 26a, b des 3D-Modells des Manipulators 1a, b wie soeben beschrieben gilt dies für diese Ausgabe der Ansicht 26a, b entsprechend gleich.
Der Eindruck einer möglichst zeitnah erfolgenden Prädiktion der Bewegung des Manipulators 1a, b wird nicht nur durch eine Echtzeit-Ausgabe wie oben beschrieben als Reaktion auf die Eingabe oder Änderung der Soll-Bewegung erreicht, sondern auch dadurch, dass eine sich während der Bewegung des Manipulators 1a, b ändernde Lage des Manipulators 1a, b kontinuierlich berücksichtigt und angezeigt wird. Dementsprechend ist es vorteilhaft, dass die Ausgangslage 11a, b wiederholt und vorzugsweise innerhalb eines vorbestimmten Aktualisierungsintervalls gemäß dem aktuellen Manipulatorzustand aktualisiert wird. Das führt dazu, dass sowohl der kinematischen Kollisionsprüfung als auch dem Erzeugen des Prädiktionsergebnisses zeitnah die tatsächliche Lage des Manipulators 1a, b zugrunde gelegt wird. Bevorzugt wird die innerhalb des vorbestimmten Aktualisierungsintervalls aktualisierte Ausgangslage 11a, b auch dem Virtuellzzustand 25a, b und ebenso der Ansicht 26a, b zugrunde gelegt, so dass diese dem Bediener auch stets zeitnah aktualisiert ausgegeben werden können. Sinnvoll ist es hier ferner, entsprechend auch das Umgebungsmodell innerhalb des vorbestimmten Aktualisierungsintervalls zu aktualisieren.
Die Möglichkeit der externen Simulation der Bahnplanung 12a, b durch die Kontrollvorrichtung 10 kann dadurch nützlich eingesetzt werden, dass gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Berechnen einer weiteren Bahnplanung durch eine Rechenvorrichtung 16 aus der Soll-Bewegung des Manipulators 1a, b ausgehend von einer Ausgangslage 11a, b und basierend auf dem Kinematikmodell des Manipulators 1a, b durchgeführt wird, wobei die Rechenvorrichtung 16 mittels eines Kommunikationsnetzwerks 18 mit der Kontrollvorrichtung 10 in Verbindung steht und wobei das Durchführen der kinematischen Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionsergebnisses in der Rechenvorrichtung 16 durchgeführt wird.
Es wird dementsprechend also die Soll-Bewegung entweder unmittelbar an der Rechenvorrichtung 16 – etwa durch die Bedieneinrichtung 17 – eingegeben oder an der Kontrollvorrichtung 10 eingegeben und über das Kommunikationsnetzwerk 18 an die Rechenvorrichtung 16 übertragen, welche die Soll-Bewegung des Manipulators 1a, b in die weitere Bahnplanung abbildet und damit die Bahnplanung 12a, b der Kontrollvorrichtung 10 simuliert im Sinne einer Replikation oder Nachbildung. Dies ist insbesondere deshalb möglich, weil die entsprechende Funktionalität der Kontrollvorrichtung 10 – einschließlich der Verarbeitung des Umgebungsmodells und des Kinematikmodells – vollständig als Softwarecode auf der Rechenvorrichtung 16 nachgebildet werden kann. Dementsprechend werden die kinematische Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionsergebnisses entweder zusätzlich zum jeweiligen Vorgang auf der Kontrollvorrichtung 10 in der Rechenvorrichtung 16 durchgeführt oder erfolgen ausschließlich auf der Rechenvorrichtung 16.
Zur Vermeidung von Doppeldatenbeständen können das Kinematikmodell und das Umgebungsmodell auch von der Kontrollvorrichtung 10 an die Rechenvorrichtung 16 über das Kommunikationsnetzwerk 18 übertragen werden.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Rechenvorrichtung 16 das Berechnen der Bahnplanung 12a, b der Kontrollvorrichtung 10 so nachbildet, dass die weitere Bahnplanung der Rechenvorrichtung 16 der Bahnplanung 12a, b der Kontrollvorrichtung 10 entspricht. Es wird also die Berechnungsfunktion so repliziert, dass für die kinematische Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionsergebnisses auf die Bahnplanung 12a, b der Kontrollvorrichtung 10 nicht zurückgegriffen werden muss, sondern gleich die weitere Bahnplanung der Rechenvorrichtung 16 verwendet werden kann. Darüber hinaus können diese Vorgänge in der Rechenvorrichtung 16 unabhängig und potentiell auch schneller als durch die Kontrollvorrichtung 10 durchgeführt werden, was die Verwirklichung einer Echtzeit-Ausgabe gemäß den bereits beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen erleichtert.
Eine besonders geeignete Schnittstelle zwischen der Kontrollvorrichtung 10 und der Rechenvorrichtung 16 kann dadurch geboten werden, dass als Kommunikationsnetzwerk 18 eine Ethernet-Verbindung gewählt wird auf welcher TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) als Protokollstapel bzw. Teil des Protokollstapels verwendet wird. Hierauf aufbauend können zum Datenaustausch zwischen der Rechenvorrichtung 16 und der Kontrollvorrichtung 10 entsprechende Programmbibliotheken wie COM (Component Object Model), DCOM (Distributed Component Object Model), RPC (Remote Procedure Call), OCX (Object Linking and Embedding Control eXtension) oder deren Weiterentwicklungen verwendet werden.
Ein tatsächliches Verhindern von Bedieneraktionen, welche sonst zu einer Kollision führen könnten, wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Kontrollvorrichtung 10 eine Ansteuerung des Manipulators 1a, b gemäß der Bahnplanung 12a, b verhindert, wenn das Prädiktionsergebnis ein Kollisionsrisiko bzw. ein Kollisionsergebnis ausgibt. Dieses Verhindern der Ansteuerung des Manipulators 1a, b durch die Kontrollvorrichtung 10 kann insbesondere auf Anweisung der Rechenvorrictung 16 erfolgen. Ein solches Verhindern könnte beispielsweise in dem in der 3b dargestellten Fall eines solchen Prädiktionsergebnisses vorgesehen sein. Eine entsprechende Aktion des Bedieners zum Veranlassen einer solchen Ansteuerung würde also von der Kontrollvorrichtung 10 aktiv blockiert werden. Im in der 3c dargestellten Fall hingegen würde eine solche Blockierung nicht erfolgen.
Die Erstellung des Kinematikmodells und des Umgebungsmodells wird vereinfacht wenn, wie bevorzugt, das Kinematikmodell und/oder das Umgebungsmodell auf Modelldaten in elektronischer Form basiert. Dabei kann es sich auch um Modelldaten handeln. Diese können von entsprechenden Computerprogrammen wie etwa CATIA^® bzw. von den von diesen Computerprogrammen erzeugten Dateien stammen.
Bevorzugt ist es, dass das Kinematikmodell angepasst wird, um eine umgebungsbedingte Abweichung zwischen der Soll-Bewegung und einer Ist-Bewegung des Manipulators 1a, b zu kompensieren. So können etwa Temperaturveränderungen am Manipulator zu einer Ausdehnung bestimmter Teile des Manipulators führen. Eine Ansteuerung des Manipulators 1a, b gemäß der Bahnplanung 12a, b führt dann zu einer tatsächlichen Bewegung, welche von derjenigen gemäß der Bahnplanung 12a, b abweicht. Wenn der Zusammenhang zwischen Temperatur und solchen Ausdehnungen aber bekannt ist, kann eine solche Abweichung berücksichtigt und somit kompensiert werden. Neben der Temperatur können auch auf den Manipulator wirkende Kräfte, wie z. B. Prozesskräfte, eine Abweichung im obigen Sinne begründen.
Vorzugsweise erfolgt diese Anpassung vor dem Durchführen der kinematischen Kollisionsprüfung. Insoweit wird sie dann sowohl bei dem Durchführen der kinematischen Kollisionsprüfung als auch bei dem Erzeugen des Prädiktionsergebnisses berücksichtigt. Die Anpassung kann auch bereits vor dem Berechnen der Bahnplanung 12a, b erfolgen und dann vorzugsweise bei dem Berechnen der Bahnplanung 12a, b berücksichtigt werden.
Bevorzugt ist weiter, dass die Kompensation auf einem von einem Kompensationssensor 28a gemessenen Ist-Wert basiert, welcher Ist-Wert mit insbesondere hinterlegten Kompensationsparametern verarbeitet wird. Bei diesem Kompensationssensor 28a kann es sich – gemäß der Darstellung in den 3a–c – um einen Temperatursensor handeln. Die Verarbeitung mit Kompensationsparametern kann insbesondere eine Multiplikation mit Kompensationskoeffizienten umfassen. Das Ergebnis der Verarbeitung kann dann auf das Kinematikmodell angewandt werden. Denkbar ist auch, dass die Kompensation die Modelldaten anpasst, auf welchen das Kinematikmodell vorzugsweise basiert. Die Kompensationsparameter können auf einem Einmessvorgang basieren, welcher in einem Einmessbetrieb vor dem Arbeitsbetrieb durchgeführt wurde.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3a–c ist bevorzugt vorgesehen, dass die Abweichung auf einer Ist-Temperatur an dem Manipulator 1a, b – vorzugsweise von dem Kompensationssensor 28 gemessen – basiert und der gemessene Ist-Wert die Ist-Temperatur ist. Es handelt sich also um eine Temperaturkompensation. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die Kompensationsparameter Temperaturkoeffizienten umfassen, mit denen die gemessene Ist-Temperatur verarbeitet wird.
Weiter ist es bevorzugt, dass die Kompensation durch die Kontrollvorrichtung 10 und/oder durch die Rechenvorrichtung 16 durchgeführt wird. Es kann also auch die Rechenvorrichtung 16 – mittelbar oder unmittelbar – den Ist-Wert zur Verarbeitung erhalten. Dabei kann vorzugsweise die durch die Rechenvorrichtung 16 durchgeführte Kompensation die durch die Kontrollvorrichtung 10 durchgeführte Kompensation nachbilden.
Die Ausgangslage 11a, b des Manipulators 1a, b kann entweder durch eine bekannte vorherige Lage des Manipulators 1a, b und bekannte nachfolgende Bewegungen bestimmt werden oder, wie bevorzugt wird, durch eine Sensorvorrichtung 28 erfasst werden. Gleichermaßen kann auch die Bearbeitungsumgebung 3a, b für die Abbildung in dem Umgebungsmodell durch eine Sensorvorrichtung 28 erfasst werden. Eine solche Sensorvorrichtung 28 kann eine Vielzahl von separaten Sensoren umfassen, welche auch nach jeweils unterschiedlichen physikalischen Prinzipien funktionieren und ggf. miteinander sowie mit der Kontrollvorrichtung 10 und der Rechenvorrichtung 16 nachrichtentechnisch kommunizieren, etwa über das Kommunikationsnetzwerk 18.
Das vorschlagsgemäße Computerprogramm weist Programmcode zur Durchführung der folgenden Schritte zur Bewegungssimulation eines Manipulators 1a, b auf, wenn das Computerprogramm in einem Computer ausgeführt wird: Berechnen einer Bahnplanung 12a, b aus einer Soll-Bewegung des Manipulators 1a, b in einer Bearbeitungsumgebung 3a, b, welche zumindest teilweise in einem Umgebungsmodell abgebildet ist, ausgehend von einer Ausgangslage 11a, b und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators 1a, b, Durchführen einer kinematischen Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung 12a, b, dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell und Erzeugen eines Prädiktionsergebnisses basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung. Das vorschlagsgemäße Computerprogramm ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage 11a, b dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht.
Vorschlagsgemäß ist auch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die folgenden Schritte ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einem Computer läuft: Berechnen einer Bahnplanung 12a, b aus einer Soll-Bewegung des Manipulators 1a, b in einer Bearbeitungsumgebung 3a, b, welche zumindest teilweise in einem Umgebungsmodell abgebildet ist, ausgehend von einer Ausgangslage 11a, b und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators 1a, b, Durchführen einer kinematischen Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung 12a, b, dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell und Erzeugen eines Prädiktionsergebnisses basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung. Dieses vorschlagsgemäße Computerprogrammprodukt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage 11a, b dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht
Das vorschlagsgemäße System zur Bewegungssimulation eines Manipulators 1a, b in einer Bearbeitungsumgebung 3a, b, welcher in einem Umgebungsmodell abgebildet ist, weist eine Kontrollvorrichtung 10 auf, welche dazu eingerichtet ist, den Manipulator 1a, b in einem Arbeitsbetrieb zu bewegen und dazu eingerichtet ist, eine Bahnplanung 12a, b aus einer Soll-Bewegung des Manipulators 1a, b ausgehend von einer Ausgangslage 11a, b und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators 1a, b zu berechnen und weist eine Rechenvorrichtung 16 auf, welche dazu eingerichtet ist, eine kinematische Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung 12a, b, dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell durchzuführen und ein Prädiktionsergebnis basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung zu erzeugen. Das vorschlagsgemäße System ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage 11a, b dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht.
Bevorzugte Ausgestaltungen des vorschlagsgemäßen Computerprogramms und des vorschlagsgemäßen Systems zur Bewegungssimulation ergeben sich jeweils aus den bevorzugten Ausgestaltungen des vorschlagsgemäßen Verfahrens.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2418555 A2 [0005]

Claims

Verfahren zur Bewegungssimulation eines Manipulators (1a, b), vorzugsweise eines NC-gesteuerten Manipulators (1a, b), in einer Bearbeitungsumgebung (3a, b), wobei der Manipulator (1a, b) in einem Arbeitsbetrieb von einer Kontrollvorrichtung (10) bewegt wird und wobei die Bearbeitungsumgebung (3a, b) zumindest teilweise in einem Umgebungsmodell abgebildet ist, das Verfahren umfassend: – Berechnen einer Bahnplanung (12a, b) durch die Kontrollvorrichtung (10) aus einer Soll-Bewegung des Manipulators (1a, b) ausgehend von einer Ausgangslage (11a, b) und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators (1a, b), – Durchführen einer kinematischen Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung (12a, b), dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell und – Erzeugen eines Prädiktionsergebnisses basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage (11a, b) dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht.
Verfahren zur Bewegungssimulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Ausgabe des Prädiktionsergebnisses durch eine Ausgabevorrichtung (13), vorzugsweise eine Visualisierungsvorrichtung (13a, b), umfasst.
Verfahren zur Bewegungssimulation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchführen der kinematischen Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionsergebnisses innerhalb einer vorbestimmten Rechenzeit nach einer Änderung und/oder der Soll-Bewegung erfolgt, vorzugsweise, dass eine Echtzeit-Ausgabe des Prädiktionsergebnisses durch die Ausgabevorrichtung (13), insbesondere durch die Visualisierungsvorrichtung (13a, b), bereitgestellt wird.
Verfahren zur Bewegungssimulation nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Prädiktionsergebnis erzeugt wird, bevor der Manipulator (1a, b) gemäß der Bahnplanung (12a, b) von der Kontrollvorrichtung (10) bewegt wird.
Verfahren zur Bewegungssimulation nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Annahme einer Eingabe, insbesondere einer Eingabe durch Handbetrieb, der Soll-Bewegung durch eine Bedieneinrichtung (17, 24) umfasst.
Verfahren zur Bewegungssimulation nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Ausgabe eines Virtuellzustands (25a, b) basierend auf der Bahnplanung (12a, b) und dem Umgebungsmodell umfasst.
Verfahren zur Bewegungssimulation nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabe des Virtuellzustands (25a, b) die Ausgabe einer Ansicht (26a, b) eines 3D-Modells des Manipulators (1a, b) und der Bearbeitungsumgebung (3a, b) umfasst, vorzugsweise, dass die Ansicht (25a, b) des 3D-Modells des Manipulators (1a, b) und der Bearbeitungsumgebung (2a, b) auf einem einstellbaren Blickwinkel basiert.
Verfahren zur Bewegungssimulation nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabe des Virtuellzustands (25a, b) durch die Visualisierungsvorrichtung (13a, b) innerhalb einer vorbestimmten Visualisierungszeit nach einer Änderung und/oder Eingabe der Soll-Bewegung erfolgt, so dass eine Echtzeit-Ausgabe des Virtuellzustands (25a, b) durch die Visualisierungsvorrichtung (13a, b) bereitgestellt wird.
Verfahren zur Kollisionsprüfung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage (11a, b) wiederholt, vorzugsweise innerhalb eines vorbestimmten Aktualisierungsintervalls, gemäß dem aktuellen Manipulatorzustand aktualisiert wird.
Verfahren zur Kollisionsprüfung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Berechnen einer weiteren Bahnplanung durch eine Rechenvorrichtung (16) aus der Soll-Bewegung des Manipulators (1a, b) ausgehend von der Ausgangslage (11a, b) und basierend auf dem Kinematikmodell des Manipulators (1a, b) durchgeführt wird, dass die Rechenvorrichtung (16) mittels eines Kommunikationsnetzwerks (18) mit der Kontrollvorrichtung (10) in Verbindung steht, und dass das Durchführen der kinematischen Kollisionsprüfung und das Erzeugen des Prädiktionsergebnisses in der Rechenvorrichtung (16) durchgeführt wird, vorzugsweise, dass die Rechenvorrichtung (16) das Berechnen der Bahnplanung (12a, b) durch die Kontrollvorrichtung (10) so nachbildet, dass die weitere Bahnplanung der Rechenvorrichtung (16) der Bahnplanung (12a, b) der Kontrollvorrichtung (10) entspricht.
Verfahren zur Bewegungssimulation nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrollvorrichtung (10) eine Ansteuerung des Manipulators (1a, b) gemäß der Bahnplanung (12a, b) verhindert, insbesondere auf Anweisung der Rechenvorrichtung (16), wenn das Prädiktionsergebnis der Bahnplanung (12a, b) ein Kollisionsrisiko bzw. ein Kollisionsergebnis angibt.
Verfahren zur Bewegungssimulation nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kinematikmodell und/oder das Umgebungsmodell auf Modelldaten in elektronischer Form basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kinematikmodell, vorzugsweise vor dem Durchführen der kinematischen Kollisionsprüfung, angepasst wird, um eine umgebungsbedingte Abweichung zwischen der Soll-Bewegung und einer Ist-Bewegung des Manipulators (1a, b) zu kompensieren, vorzugsweise, dass die Kompensation auf einem von einem Kompensationssensor (28a) gemessenen Ist-Wert basiert, welcher Ist-Wert mit Kompensationsparametern verarbeitet wird, insbesondere, dass die Kompensation die Modelldaten anpasst.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung auf einer Ist-Temperatur an dem Manipulator (1a, b) basiert und der gemessene Ist-Wert die Ist-Temperatur ist, vorzugsweise, dass die Kompensationsparameter Temperaturkoeffizienten umfassen, mit denen die gemessene Ist-Temperatur verarbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation durch die Kontrollvorrichtung (10) und/oder durch die Rechenvorrichtung (16) durchgeführt wird, vorzugsweise, dass die durch die Rechenvorrichtung (16) durchgeführte Kompensation die durch die Kontrollvorrichtung (10) durchgeführte Kompensation nachbildet.
Verfahren zur Bewegungssimulation nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage (11a, b) durch eine Sensorvorrichtung (28) erfasst wird, vorzugsweise, dass die Bearbeitungsumgebung (2) für die Abbildung in dem Umgebungsmodell durch eine Sensorvorrichtung (28) erfasst wird.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung der folgenden Schritte zur Bewegungssimulation eines Manipulators (1a, b), wenn das Computerprogramm in einem Computer ausgeführt wird: – Berechnen einer Bahnplanung (12a, b) aus einer Soll-Bewegung des Manipulators (1a, b) in einer Bearbeitungsumgebung (3a, b), welche zumindest teilweise in einem Umgebungsmodell abgebildet ist, ausgehend von einer Ausgangslage (11a, b) und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators (1a, b), – Durchführen einer kinematischen Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung (12a, b), dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell und – Erzeugen eines Prädiktionsergebnisses basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage (11a, b) dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht.
System zur Bewegungssimulation eines Manipulators (1a, b) in einer Bearbeitungsumgebung (3a, b), welche zumindest teilweise in einem Umgebungsmodell abgebildet ist, mit: – einer Kontrollvorrichtung (10), welche dazu eingerichtet ist, den Manipulator (1a, b) in einem Arbeitsbetrieb zu bewegen und dazu eingerichtet ist, eine Bahnplanung (12a, b) aus einer Soll-Bewegung des Manipulators (1a, b) ausgehend von einer Ausgangslage (11a, b) und basierend auf einem Kinematikmodell des Manipulators (1a, b) zu berechnen und – einer Rechenvorrichtung (16), welche dazu eingerichtet ist, eine kinematische Kollisionsprüfung basierend auf der Bahnplanung, dem Kinematikmodell und dem Umgebungsmodell durchzuführen und ein Prädiktionsergebnis basierend auf der kinematischen Kollisionsprüfung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslage (11a, b) dem aktuellen Manipulatorzustand entspricht.