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Die Erfindung betrifft autonom fahrbare Roboter, wie sie beispielsweise in Fabrikhallen bei der Produktion eingesetzt werden.
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US 4 638 445 A offenbart eine mobile Plattform, die sich autonom fortbewegen kann. Um zu verhindern, dass die Plattform gegen Hindernisse fährt, weist diese zweierlei Sensorengruppen auf. Die erste Sensorgruppe ist dazu eingerichtet, Hindernisse zu erkennen, die sich in geringer Entfernung zu der mobilen Plattform befinden, wohingegen die zweite Sensorgruppe dazu eingerichtet ist, Hindernisse in entferntem Abstand zur Plattform zu erkennen.
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EP 2 407 281 B1 offenbart einen mobilen Roboter mit einem autonom fahrbaren Fahrgestell und einem darauf angebrachten Roboterarm. Der Roboter ist geeignet, selbstständig seinen Standort zu wechseln, um an unterschiedlichen Orten Aufgaben zu verrichten. Der Roboter kann zudem eine Kamera aufweisen, mit der Kollisionsüberwachungen zwischen dem Roboterarm und der Umwelt möglich sind. Das Dokument macht keine Angaben über mögliche Reaktionen des Roboterarms, falls bei der Überwachung eine Kollisionsgefahr festgestellt wird.
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Wenn die Kollisionsgefahr mit einem Menschen besteht, ist die einzig mögliche Reaktion ein Nothalt des gesamten Roboters. Da der Roboter die nächste Bewegung des Menschen nicht vorhersehen kann, hat er nur die Möglichkeit, durch Stillstehen die Gefahr einer Kollision zu verringern bzw., wenn die Kollision sich nicht verhindern lässt, den Impuls des Aufpralls zu minimieren.
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Wenn der Roboter sich autonom zwischen stehenden Hindernissen bewegt, kann eine bestehende Kollisionsgefahr durch einen Nothalt zuverlässig abgewendet werden. Allerdings macht jeder Nothalt einen menschlichen Eingriff erforderlich, um die Ursache der Kollisionsgefahr zu beseitigen und den Roboter wieder in Gang zu setzen.
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WO 2013/171 905 A1 (siehe auch
US 2015/0 160 654 A1 als nachveröffentlichtes Familiendokument) offenbart einen fahrbaren Roboter, der Hindernisse, respektive Passanten, erfassen kann. Um eine Kollision mit einem Passanten zu vermeiden, kann der Roboter eine von einem Roboterarm getragene Warneinrichtung in das Blickfeld des Passanten halten und ein Warnsignal abgeben, um den Passanten zum Ausweichen aufzufordern.
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WO 2012/149 446 A2 offenbart einen steuerbaren Roboter mit zwei Roboterarmen. Der Roboter weist Eingabemittel auf, mittels denen ein Benutzer den Roboter verfahren und die Roboterarme betätigen kann.
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US 2015/0 063 972 A1 offenbart einen fahrbaren Roboter mit einem Roboterarm, der dazu ausgebildet ist, einzelne Kartons von einem Kartonstapel automatisch auf ein Förderband abzuladen.
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DE 10 2013 109 876 A1 offenbart einen Industrieroboter mit einem fest installierten Roboterarm. Der Roboter ist eingerichtet, den Roboterarm so zu steuern, dass Hindernisse umgangen werden können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen fahrbaren Roboter vorzuschlagen, der einen kollisionsfreien Standortwechsel mit einem Minimum an menschlicher Unterstützung ermöglicht.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen fahrbaren Roboter mit einem Fahrgestell und wenigstens einem auf dem Fahrgestell montierten Roboterarm, einem Sensorsystem zum Erfassen von Hindernissen in der Umgebung des Roboters und einer Navigationseinheit zum Festlegen eines Fahrwegs, auf dem das Fahrgestell kollisionsfrei an den Hindernissen vorbeifahren kann, wobei die Navigationseinheit eingerichtet ist, auf den festgelegten Fahrweg bezogene Information vorab an eine Steuereinheit für den Roboterarm zu übermitteln, und die Steuereinheit eingerichtet ist, den Fahrweg auf eine Kollisionsgefahr zwischen den Hindernissen und dem Roboterarm zu untersuchen, und im Falle einer Kollisionsgefahr eine zulässige Stellung des Roboterarms anhand der erfassten Hindernisse und der übermittelten Information festzulegen.
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Die Navigationseinheit kann eingerichtet sein, den festgelegten Fahrweg vorab an die Steuereinheit für den Roboterarm zu übermitteln; denkbar ist aber auch, lediglich von dem Fahrweg abgeleitete, für die Beurteilung einer Kollisionsgefahr erforderliche Daten an die Steuereinheit zu übergeben.
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Der Navigationseinheit kann z. B. von einem Benutzer eine Zielkoordinate eingegeben werden, an die das Fahrgestell bewegt werden soll. Die Navigationseinheit berechnet daraufhin einen Fahrweg, entlang der es zu der Zielkoordinate gelangen kann. Geeignete Algorithmen zur Routenberechnung sind aus dem Stand der Technik von Navigationssystemen bekannt. Daraufhin generiert die Navigationseinheit die zum Manövrieren des Fahrgestells an diese Koordinate notwendigen Befehle, wie z. B. Beschleunigung und Lenkwinkel, und leitet diese an das Fahrgestell zur Ausführung weiter. Das Fahrgestell folgt den Befehlen und setzt sich dem Fahrweg folgend entsprechend in Bewegung.
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Während sich das Fahrgestell entlang des Fahrwegs bewegt, erfasst das Sensorsystem in der Umgebung des Roboters befindliche Hindernisse und sendet deren Position an die Steuereinheit weiter. In Kenntnis des von der Navigationseinheit geplanten Fahrwegs ist die Steuereinheit in der Lage, zukünftige Positionen der Hindernisse vorherzusagen und zu beurteilen, ob der Roboterarm die von dem Sensorsystem erfassten Hindernisse kollisionsfrei passieren kann. Ist dies nicht der Fall, kann der Roboter seinen Weg dennoch, vorzugsweise ohne anzuhalten oder langsamer zu werden, fortsetzen, wenn die Steuereinheit den Roboterarm rechtzeitig in die zulässige Stellung bringt, in der die Kollisionsgefahr ausgeräumt ist.
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Eine Kollisionsgefahr kann bereits dann angenommen werden, wenn beim Vorbeibewegen an einem Hindernis entlang des Fahrwegs ein vorgegebener Mindestabstand zwischen dem Roboterarm und dem Hindernis unterschritten würde.
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Das Sensorsystem kann auch Informationen über Hindernisse an die Navigationseinheit liefern. Sollte ein Hindernis dem Fahrgestell den zuvor berechneten Fahrweg unausweichlich versperren, so kann die Navigationseinheit dies erkennen und einen alternativen Fahrweg berechnen.
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Vorzugsweise umfasst das Sensorsystem wenigstens einen ersten Sensor zum Liefern von Umgebungsinformationen an die Navigationseinheit und wenigstens einen zweiten Sensor zum Liefern von Umgebungsinformationen an die Steuereinheit. Dies erleichtert einen modularen Aufbau des Robotersystem, bei dem jeweils unterschiedliche Typen von Roboterarmen und Fahrgestellen miteinander kombiniert werden können, da der erste Sensor durch seine Platzierung und Fähigkeiten nur auf die Überwachung des Fahrgestells und der zweite nur auf die Überwachung des Roboterarms optimiert zu sein braucht und für den jeweils verwendeten Typ von Fahrgestell bzw. Roboterarm spezifisch sein kann.
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Vorzugsweise werden jeweils mehrere erste bzw. zweite Sensoren verwendet, um die Umgebung des Fahrgestells und des Roboterarms lückenlos erfassen zu können.
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Als Sensoren können beispielsweise Abstandssensoren unterschiedlichen Typs, Kameras, insbesondere 3D-Kameras, Radar, Ultraschallsensoren oder kapazitiv wirkende Näherungssensoren verwendet werden.
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Da die Steuereinheit den Roboterarm bei Kollisionsgefahr mit einem Hindernis in eine zuverlässige Stellung bewegen kann, ist es nicht notwendig, dass der Roboterarm bei einer Fahrbewegung des Fahrgestells eine Stellung innerhalb des Fahrgestells einnimmt. D. h. der Roboterarm kann sich zumindest in der zulässigen Stellung außerhalb des Fahrgestells befinden. Dadurch ist es möglich, dass der Roboterarm auch während einer Fahrbewegung gleichzeitig Arbeiten verrichten kann und beispielsweise außerhalb des Fahrgestells befindliche Gegenstände hantiert, insbesondere trägt.
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Die Navigationseinheit kann eingerichtet sein, den Fahrweg unabhängig von der Stellung des Roboterarms festzulegen. Dies vereinfacht die Findung eines Weges, der zwar in einer gegebenen Stellung des Roboterarms nicht unbedingt passierbar ist, aber passierbar wird, wenn die Steuereinheit den Roboterarm nach Bedarf in die zum Passieren eines Hindernises zulässige Stellung gebracht hat. Die Navigationseinheit kann so außerdem den Fahrweg planen, ohne überhaupt wissen zu müssen, welcher Typ von Roboterarm auf dem Fahrgestell montiert ist.
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Zur Einfachen(De-)Montage des Roboterarms an das Fahrgestell kann das Fahrgestell eine Kupplung aufweisen, an die der Roboterarm austauschbar befestigt werden kann. Ein defekter Roboterarm kann somit wartungsfreundlich und in kurzer Zeit gegen einen intakten Roboterarm gewechselt werden.
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Die Navigationseinheit kann eingerichtet sein, den Fahrweg so zu wählen, dass zwischen der Kupplung und den Hindernissen ein Sicherheitsabstand gewahrt ist. So kann der Tatsache Rechnung getragen werden, dass die nah an der Kupplung gelegenen Teile des Roboterarms nur eine geringe Bewegungsfreiheit haben und eventuell nicht weit genug bewegt werden können, um bei Fehlen eines Sicherheitsabstandes eine Kollision zu vermeiden. Insbesondere sollten ein an die Kupplung angrenzendes Gelenk des Roboterarms oder ein Sensor des Sensorsystems innerhalb des Sicherheitsabstands liegen.
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Zur Verrichtung bestimmter Arbeiten weist der Roboter vorzugsweise ein passendes Werkzeug auf, wie z. B. ein Greifwerkzeug zum Ergreifen von Gegenständen. Um eine Kollision nicht nur des Werkzeugs, sondern auch eines von diesem Werkzeug ergriffenen Gegenstands mit dem Hindernis zu vermeiden, ist die Steuereinheit eingerichtet, die zulässige Stellung unter Berücksichtigung eines von dem Greifwerkzeug gehaltenen Gegenstandes festzulegen. Dabei berücksichtigt die Steuereinheit, dass nicht nur eine Kollision des Gegenstands mit dem Hindernis vermieden wird, sondern auch mit dem Roboter selbst.
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Die Steuereinheit ist vorzugsweise eingerichtet, die Gestalt des Gegenstandes mit Hilfe des Sensorsystems zu erfassen. Anhand der erfassten Gestalt kann die Steuereinheit die Geometrie und die Position des Gegenstands im Raum bestimmen und der Berechnung der zulässigen Stellung zu Grunde legen. Dadurch kann der Roboterarm eine Stellung einnehmen, die eine Kollision des Gegenstands mit dem Hindernis vermeidet.
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Die Steuereinheit ist vorzugsweise in der Lage, das Fahrgestell zu stoppen, wenn keine zulässige Stellung existiert oder sie nicht rechtzeitig gefunden wird, um ein Weiterfahren auf dem ursprünglich geplanten Fahrweg zu erlauben. Eine zulässige Stellung existiert insbesondere dann nicht, wenn der Roboterarm keine Stellung einnehmen kann, bei welcher ein genügend großer Abstand zwischen Roboterarm und Hindernis zum kollisionsfreien Vorbeibewegen des Roboters entlang des Fahrwegs besteht. In diesem Fall kann die Navigationseinheit einen alternativen Fahrweg berechnen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 einen fahrbaren Roboter,
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2 eine Lenkrolle,
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3 eine Schnittansicht einer angetriebenen Lenkrolle und
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4 den fahrbaren Roboter in der Vogelperspektive.
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1 zeigt einen fahrbaren Roboter 1. Der Roboter 1 weist ein Fahrgestell 2 mit mehreren Lenkrollen 18 auf, welche zur Unterscheidung von 18.1 bis 18.6 durchnummeriert sind.
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Das Fahrgestell 2 umfasst einen zentralen Turm 3, von dessen Basis aus sich Arme radial nach außen erstrecken, an deren Enden die Lenkrollen 18 montiert sind. Am oberen Ende des Turms 3 ist ein Kopf 4 mittels eines Turmgelenks 28 um die Achse 12 drehbar verbunden. In das Turmgelenk 28 ist ein – vorzugsweise elektrischer – Antrieb integriert, der den Kopf 4 um die Achse 12 rotierend antreiben kann.
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Der Kopf 4 dient als mechanische Schnittstelle zu zumindest einem Roboterarm. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei Roboterarme 5.1, 5.2 und 5.3 des Roboters 1 an entsprechenden Kupplungen 33 des Kopfes 4 austauschbar angeflanscht.
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Die Roboterarme 5.2 und 5.3 können unterschiedlich oder wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch baugleich zu Roboterarm 5.1 aufgebaut sein und über jeweils drei Gelenkeinheiten 6, 8 und 10 verfügen. Jede Gelenkeinheit 6, 8 und 10 weist zwei zueinander senkrecht stehende Drehachsen auf, um welche jeweils von einem im Gelenk integrierten Antrieb, vorzugsweise von Elektromotoren, erzeugtes Drehmoment an eine entsprechende Schnittstelle übertragen werden kann.
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Wie 1 zeigt, ist eine Schnittstelle der ersten Gelenkeinheit 6 drehbar mit der Kupplung 33 verbunden. Die weitere Schnittstelle des Drehgelenks 6 ist mit einem Ende eines unteren Armelements 7 drehbar verbunden. Das andere Ende des unteren Armelements 7 ist mit einer Schnittstelle einer zweiten Gelenkeinheit 8 drehbar verbunden. Ein oberes Armelement 9 ist an einer weiteren Schnittstelle der zweiten Gelenkeinheit 8 und an einer Schnittstelle einer dritten Gelenkeinheit 10 drehbar verbunden. Ein Greifwerkzeug 11 ist drehbar an der weiteren Schnittstelle der dritten Gelenkeinheit 10 verbunden.
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Jede Drehachse der Gelenkeinheiten 6, 8 und 10 sowie die Achse 12 verleihen dem Roboterarm 5.1 jeweils einen Freiheitsgrad. Somit kann der Roboterarm 5.1 in Bezug auf das Fahrgestell 2 in sieben Freiheitsgraden bewegt werden. Selbiges gilt für die weiteren Roboterarme 5.2 und 5.3.
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2 zeigt eine Lenkrolle 18 des Fahrgestells 2. Jede Lenkrolle 18 weist ein Gehäuse 21 auf, das mit dem Fahrgestell 2 um eine Lenkachse 19 lenkbar verbunden ist. Zum Lenken wird die Lenkrolle 18 von einem im Gehäuse 21 integrierten Lenkantrieb 20 angetrieben. Die Lenkrolle 18 weist ferner eine horizontal verlaufende Antriebsachse 24 auf, um die zwei Räder 22.1 und 22.2 drehbar angeordnet sind.
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Wie 3 zeigt, werden die Räder 22.1 und 22.2 jeweils von einer zugehörigen Antriebseinheit 23.1 und 23.2 angetrieben. Die Antriebseinheiten 23.1 und 23.2 können jeweils einen elektrischen Motor, ein Getriebe, eine Bremse und eine Antriebssteuerung umfassen.
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Die Räder 22.1 und 22.2 einer Lenkrolle 18 können mit unterschiedlichen Drehmomenten und/oder mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten angetrieben werden. Insbesondere können die Räder 22.1 und 22.2 in unterschiedlichen Drehrichtungen angetrieben werden. Dadurch kann ein Drehmoment um die Lenkachse 19 erzeugt werden, das die Lenkrolle 18 um selbige Achse drehen lässt. In diesem Fall könnte auf den Lenkantrieb 20 verzichtet werden.
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Prinzipiell müssen nicht alle Lenkrollen 18.1 bis 18.6 als angetriebene Lenkrollen ausgebildet sein. Es würde genügen, wenn nur eine der Lenkrollen 18.1 bis 18.6 über einen Antrieb verfügt und die übrigen Lenkrollen frei mitdrehen. Vorzugsweise sind bei vorliegendem Ausführungsbeispiel die drei Lenkrollen 18.2, 18.4 und 18.6 als aktiv angetriebene Lenkrollen mit angetriebenen Rädern 22.1 und 22.2 ausgebildet und die Lenkrollen 18.1, 18.3 und 18.5 als passive Lenkrollen mit antriebslos frei mitdrehenden Rädern 22.1, 22.2 ausgebildet.
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Im Fahrgestell 2 ist eine Navigationseinheit 32 untergebracht, die z. B. im Turm 3 integriert ist.
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Die Navigationseinheit 32 verfügt über eine Schnittstelle (nicht gezeigt), z. B. Funk, über die eine Zielkoordinate von einem Benutzer eingegeben werden kann. Ausgehend von der aktuellen Position des Fahrgestells 2, die z. B. per GPS (Global Positioning System) von der Navigationseinheit 32 ermittelt werden kann, kann die Navigationseinheit 32, ggf. unter Rückgriff auf eine gespeicherte Karte der Umgebung, einen Fahrweg 34 zu der Zielkoordinate berechnen. Die Navigationseinheit 32 kann zu diesem Zweck einen entsprechenden Algorithmus ausführen, wie er bekanntermaßen in gängigen Navigationssystemen heute schon Anwendung findet.
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Bei der Bestimmung des Fahrwegs 34 ermittelt die Navigationseinheit 32 aus prinzipiell mehreren möglichen Fahrwegen denjenigen Fahrweg, der bestimmte Kriterien wie die Länge des Fahrwegs oder die voraussichtlich benötigte Zeit am zutreffendsten erfüllt.
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Daraufhin untersucht die Navigationseinheit 32, ob sich auf dem Fahrweg 34 bekannte Hindernisse befinden, die das Fahrgestell 2 an einer Vorbeifahrt hindern könnten. Die bekannten Hindernisse können beispielsweise über obige Schnittstelle per Funk an die Navigationseinheit 32 übermittelt werden, oder sie können bei früheren Fahrten des Roboters 1 erfasst und ihre Position in der Navigationseinheit 32 gespeichert worden sein. Sofern ein Hindernis das Fahrgestell 2 an einer kollisionsfreien Vorbeifahrt hindert, wählt die Navigationseinheit 32 einen alternativen Fahrweg und untersucht diesen abermals, bis ein befahrbarer Fahrweg ermittelt wurde.
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Nachdem die Navigationseinheit 32 einen Fahrweg 34 zur Zielkoordinate ermittelt hat, kann diese das Fahrgestell 2 in Bewegung versetzen und das Fahrgestell 2 von der aktuellen Position zu der Zielkoordinate steuern. Dazu sendet die Navigationseinheit 32 an die Antriebssteuerung der angetriebenen Lenkrollen 18.2, 18.4 und 18.6 entsprechende Befehle. Die Antriebssteuerung setzt die empfangenen Befehle in eine entsprechende Ansteuerung der Lenkrollen 18 um und gibt z. B. die Beschleunigung der einzelnen Räder 22.1 und 22.2 oder den Lenkwinkel um die Lenkachse 19 vor.
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Das Fahrgestell 2 bzw. der Roboter 1 kann sich somit autonom zu der Zielkoordinate bewegen. Gleich- wenn schon der Navigationseinheit 32 bekannte Hindernisse zur Ermittlung des Fahrwegs 34 übermittelt wurden, kann nicht ausgeschlossen werden, dass diese Hindernisse ihre Position verändern oder dass zusätzliche unbekannte Hindernisse auftreten, die den Fahrweg 34 unvorhergesehen versperren. Ferner besteht die Möglichkeit, dass sich sowohl bekannte als auch unbekannte Hindernisse auf dem Fahrweg 34 befinden, an denen zwar das Fahrgestell 2 ungehindert vorbeifahren könnte, die jedoch beim Vorbeifahren eine Kollision mit einem der Roboterarme 5.1, 5.2 oder 5.3 des Roboters 1 verursachen würden.
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Um daher unter allen Umständen eine Kollision mit einem Hindernis zu vermeiden, weist der Roboter 1 ein Sensorsystem auf, das mehrere Näherungssensoren umfasst. Als Näherungssensoren werden vorzugsweise 3D-Kameras verwendet, aus deren dreidimensionalen Bildinformationen sich die Abstände zu den erfassten Objekten ermitteln lassen.
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Eine Gruppe dieser Näherungssensoren 14.1 bis 14.3 ist im Kopf 4 angebracht, um die Position eines Hindernisses wie etwa des Hindernisses 29 in 4 zu erfassen, das mit den Roboterarmen 5.1 bis 5.3 zusammenstoßen könnte.
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Die Näherungssensoren 14.1 bis 14.3 können ferner der Erfassung der Stellung der Roboterarme 5.1 bis 5.3 dienen. Sofern ein Roboterarm 5.1 bis 5.3 mit seinem Greifwerkzeug 11 einen Gegenstand ergriffen hat, kann mittels der Näherungssensoren 14.1 bis 14.3 die Gestalt des Gegenstands bestimmt und der Gegenstand bei dem nachfolgend beschriebenen Arbeitsverfahren als Teil des ihn haltenden Roboterarms behandelt werden.
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Jeder Roboterarm 5 hat eine Steuereinheit 31, die die von dem Sensorsystem ermittelten Positionsdaten des Hindernisses 29 sowie von der Navigationseinheit 32 Angaben zum geplanten Fahrweg 34 empfängt. Die Steuereinheiten 31 sind entsprechend der Roboterarme 5 durchnummeriert; d. h. in Roboterarm 5.1 ist die Steuereinheit 31.1 und in Roboterarm 5.2 die Steuereinheit 31.2 integriert, wie auch in 1 gezeigt.
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Anbei sei hier angemerkt, dass zur Unterscheidung gleicher, mehrfach vorhandener Elemente deren gleichlautende Bezugszeichen mit von einem Punkt getrennten fortlaufenden Nummerierung versehen sind.
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Am Fahrwegspunkt 36.1 des Fahrwegs 34 erfasst das Sensorsystem das Hindernis 29. In Kenntnis der Fahrtrichtung 37.1 am Fahrwegspunkt 36.1 ermitteln die Steuereinheiten 31 die Kollisionsgrenze 35.1, die parallel zur Fahrtrichtung 37.1 das Hindernis 29 berührt. Die Steuereinheit 31.1 stellt dann fest, dass das Hindernis 29 relevant sein könnte, da der von ihr gesteuerte Roboterarm 5.1 über die Kollisionsgrenze 35.1 hinausreicht. Die übrigen Roboterarme 5.2, 5.3 kreuzen die Kollisionsgrenze 35.1 nicht; deswegen wird sie von deren Steuereinheiten 31.2, 31.3 nicht weiter beachtet.
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Die Steuereinheit 5.1 beginnt nun, weitere Fahrwegspunkte des vorausliegenden Fahrweges 34 zu untersuchen. Wie die 4 zeigt, biegt der Weg 34 alsbald nach rechts ab, so dass zwar der Abstand zum Hindernis 29 entlang des untersuchten Weges 34 abnimmt, aber etwa für den Fahrwegspunkt 36.2 in Kenntnis der Fahrtrichtung 37.2 eine Kollisionsgrenze 35.2 erhalten wird, über die der Roboterarm 5.1 nicht mehr hinausreicht. So kann die Steuereinheit 31.1 erkennen, dass eine tatsächliche Kollisionsgefahr noch nicht besteht, und eine Korrektur der Stellung des Roboterarms 5.1 kann unterbleiben.
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Bei der weiteren Untersuchung des Fahrweges 34, während sich der Roboter 1 noch am Fahrwegspunkt 36.1 befindet, oder bei der Weiterfahrt wird schließlich der Fahrwegspunkt 36.3 erreicht, für den sich die in Fahrtrichtung 37.3 erstreckende, am Hindernis 29 anliegende Kollisionsgrenze 35.3 ergibt. Bezüglich dieser Kollisionsgrenze 35.3 stellt die Steuereinheit 31.3 fest, dass ihr Roboterarm 5.3 diese kreuzt.
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Bei der weiteren Untersuchung des Fahrweges 34 jenseits des Fahrwegspunkts 36.3 stellt die Steuereinheit 31.3 fest, dass sich hieran bis jenseits eines Fahrwegspunkts 36.4 nichts ändert, dass aber der Abstand zum Hindernis 29 kontinuierlich abnimmt und am Fahrwegspunkt 36.4 gleich dem Abstand zur Kollisionsgrenze 35.4 wird (die hier mit der Kollisionsgrenze 35.3 deckungsgleich ist, da der Weg von 36.3 bis 36.4 geradlinig verläuft). In diesem Fall muss der Roboterarm 5.3 tatsächlich eine Ausweichbewegung ausführen, um eine Kollision mit dem Hindernis 29 zu vermeiden.
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Vorzugsweise wählt die Steuereinheit 31.3 eine Ausweichbewegung, die mit den internen Freiheitsgraden des Roboterarms 5.3 ausführbar ist. Wenn keine solche Bewegung gefunden wird, kann zusätzlich eine Drehung des Kopfes 4 um die Achse 12 mittels des Turmgelenks 28 in Betracht gezogen werden; eine solche Bewegung muss jedoch mit den übrigen Steuereinheiten 31.1, 31.2 koordiniert werden, damit nicht einfach der Roboterarm 5.3 zwar aus dem Kollisionsbereich heraus, dafür aber ein anderer hineingedreht wird.
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Kann jedoch keiner der Roboterarm 5.3 eine zulässige Stellung einnehmen, ergreift die Steuereinheit 31.3 eine Sicherheitsmaßnahme. Beispielsweise kann die Steuereinheit 31.3 einen Stopp-Befehl an die Antriebssteuerungen der angetriebenen Lenkrollen 18.2, 18.4, 18.6 senden, um das Fahrgestell 2 anzuhalten, bevor der Roboterarm 5.3 mit dem Hindernis 29 kollidiert.
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Ferner kann die Steuereinheit 31.3 die Navigationseinheit 32 auffordern, einen alternativen Fahrweg zu bestimmen, auf dem die Fahrt zur Zielkoordinate fortgesetzt werden kann.
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Das Sensorsystem kann neben der Gruppe der Näherungssensoren 14.1 bis 14.3 eine weitere Gruppe von Näherungssensoren 13.1 und 13.2 umfassen, die am Fahrgestell 2 bzw. am Turm 3 angebracht sind und die Positionen zu rund um das Fahrgestell 2 befindlichen Hindernissen erfassen. Die Näherungssensoren 13.1 und 13.2 können ebenfalls die Positionen der erfassten Hindernisse an die Steuereinheiten 31.1 bis 31.3 senden, so dass die Steuereinheiten 31.1 bis 31.3 auch bezüglich dieser Hindernisse nach dem oben erläuterten Verfahren Kollisionsgrenzen ermitteln können.
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Die Positionen der von den Näherungssensoren 13.1 und 13.2 erfassten Hindernisse werden auch an die Navigationseinheit 32 gesendet, so dass die Navigationseinheit 32 analog zu dem oben erläuterten Verfahren die Kollisionsgrenzen ermittelt.
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Da die Kollisionsgrenzen nur durch den Verlauf des Fahrwegs 34 relativ zu einem Hindernis wie 29 bestimmt und von der Geometrie des Fahrgestells 2 sowie der Stellung der Roboterarme 5.1–5.3 unabhängig sind, können sie einer Variante der Erfindung zufolge auch von der Navigationseinheit 32 stellvertretend für die Steuereinheiten 31.1–31.3 ermittelt und zusammen mit dem Fahrweg 34 an diese übergeben werden.
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Basierend auf den ermittelten Kollisionsgrenzen untersucht die Navigationseinheit 32 für das Fahrgestell 2 in gleicher Weise wie die Steuereinheiten 31.1–31.3 für die von ihnen kontrollierten Roboterarme 5.1–5.3, ob auf dem Fahrweg 34 auch das Fahrgestell 2 kollisionsfrei an den erfassten Hindernissen, hier z. B. Hindernis 29, vorbeifahren kann.
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Wenn das nicht der Fall ist, sendet die Navigationseinheit 32 einen Stopp-Befehl zum Anhalten des Roboters 1 an die Antriebssteuerungen der angetriebenen Lenkrollen 18.2, 18.4, 18.6.
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Die Navigationseinheit 32 kann nun einen alternativen Fahrweg bestimmen, auf dem das Hindernis umfahren werden kann. Basierend auf diesem neuen Fahrweg müssen nun die Steuereinheiten 31.1–31.3 wie oben beschrieben neu prüfen, ob für ihre Roboterarme 5.1–5.3 Kollisionsgefahr besteht.
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Für die Beurteilung, ob das Fahrgestell 2 ein Hindernis kollisionsfrei passieren kann, müsste die Navigationseinheit 32 streng genommen die Orientierung jeder einzelnen Lenkrolle 18 berücksichtigen. Um den Rechenaufwand zu verringern, kann die Beurteilung auch auf der Grundlage einer virtuellen Hülle 25 vorgenommen werden, über die die Lenkrollen 18 in keiner Orientierung hinausragen. Die Hülle 25 kann außer dem Fahrgestell 2 auch Teile der Roboterarme 5.1–5.3 einschließen, die relativ zum Fahrgestell 2 nicht oder nur eingeschränkt zu Ausweichbewegungen fähig sind, namentlich deren an die Kupplung 33 angeflanschte Gelenkeinheit 6.
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Zusätzlich zur Überprüfung auf Überschreitung eines Sicherheitsabstands durch das Fahrgestell 2 können die Steuereinheiten 31.1 bis 31.3 prüfen, ob ein Hindernis einen zweiten Sicherheitsabstand 26 überschreitet (vgl. 4). Dadurch kann der Roboter 1 insbesondere auf sich in Bewegung befindliche Hindernisse ganz spontan reagieren, die sich z. B. unvorhergesehen dem Roboter 1 in den Weg stellen. Der Sicherheitsabstand 26 ist so groß gewählt, dass er sich über die Reichweite der Roboterarme 5.1 bis 5.3 in vollkommen ausgestreckter Stellung erstreckt. Dringt z. B. ein Hindernis 29 in diesen Sicherheitsabstand 26 ein, wird das Fahrgestell 2 verzögert, um zu verhindern, dass ein Roboterarm 5.1 bis 5.3 gegen ein Hindernis 29 kollidiert, bevor der Roboterarm rechtzeitig eine zulässige Stellung eingenommen hat.
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Sollte das sich bewegende Hindernis 29 vor dem Roboter 1 stehen bleiben, kann mittels des oben erläuterten Verfahrens eine Kollisionsgrenze ermittelt werden, um zu überprüfen, ob der Roboter 1 kollisionsfrei an dem nun still stehenden Hindernis vorbeifahren kann.
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Während einer Verstellbewegung eines Roboterarms 5.1 bis 5.3 in eine zulässige Stellung muss das Fahrgestell 2 nicht zwingend gestoppt oder verzögert werden, sondern es kann entlang des Fahrwegs 34 unverändert weiterfahren, solange den Roboterarmen 5.1 bis 5.3 genügend Raum verbleibt, kollisionsfrei eine zulässige Stellung einzunehmen. Die dafür notwendigen Informationen können u. a. aus den von den Näherungssensoren 13.1, 13.2 und/oder 14.1 bis 14.3 gewonnen Daten ermittelt werden.
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Um bei dunklen Lichtverhältnissen gute Bildinformationen der als 3D-Kameras ausgebildeten Näherungssensoren 13.1, 13.2, 14.1 bis 14.3 zu erhalten, kann der Roboter 1 eine Lichtquelle umfassen, welche die Umgebung um den Roboter 1 herum erhellt. Die Lichtquelle kann beispielsweise im Kopf 4 integriert sein.
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Der Roboter 1 weist zur Energieversorgung einen Stromabnehmer 16 auf, über den der Roboter 1 mit elektrischer Energie gespeist werden kann. Der Stromabnehmer 16 kann z. B. mit einem an der Decke befindlichen Stromnetz (nicht gezeigt) in Verbindung stehen, das den elektrischen Strom überträgt. Alternativ kann der Roboter 1 über eine im Boden integrierte Induktionsschleife gespeist werden.
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Um Bereiche des Fahrwegs 34 ohne externe Energiespeisung überbrücken zu können, kann der Roboter 1 einen Energiespeicher 17 umfassen. Der Energiespeicher 17 kann am Fahrgestell 2 befestigt sein und einen Akku zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie umfassen. Der Energiespeicher 17 kann bei einer Speisung des Roboters 1 durch eine externe Energieversorgung aufgeladen werden.
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Der Roboter 1 kann ferner einen Signalgeber 15 umfassen, der beispielsweise im Kopf 4 integriert sein kann. Mittels des Signalgebers 15 lassen sich bestimmte Zustände des Roboters 1 oder Warnmeldungen anzeigen. Der Signalgeber 15 ist vorzugsweise optischer Art und kann in unterschiedlichen Farben leuchten. Zudem kann der Roboter 1 einen akustischen Signalgeber umfassen. Beispielsweise können der Zustand „Fehlerhafte Energieversorgung”, die Fahrtrichtung 37 oder ein erkanntes Unterschreiten des Sicherheitsabstands 26 angezeigt werden.
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Das Sensorsystem kann ferner Näherungssensoren umfassen, die im Greifwerkzeug integriert sind und zusätzliche Informationen an die Steuer- bzw. Navigationseinheit 31.1 bis 31.3 bzw. 32 liefern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Roboter
- 2
- Fahrgestell
- 3
- Turm
- 4
- Kopf
- 5.1
- Roboterarm
- 5.2
- Roboterarm
- 5.3
- Roboterarm
- 6
- Gelenkeinheit
- 7
- Armelement
- 8
- Gelenkeinheit
- 9
- Armelement
- 10
- Gelenkeinheit
- 11
- Greifwerkzeug
- 12
- Achse
- 13
- Näherungssensor
- 14
- Näherungssensor
- 15
- Signalgeber
- 16
- Stromabnehmer
- 17
- Energiespeicher
- 18
- Lenkrolle
- 19
- Lenkachse
- 20
- Lenkantrieb
- 21
- Gehäuse
- 22.1
- Rad
- 22.2
- Rad
- 23.1
- Antriebseinheit
- 23.2
- Antriebseinheit
- 24
- Antriebsachse
- 25
- Sicherheitsabstand
- 26
- Sicherheitsabstand
- 27
- (nicht benutzt)
- 28
- Turmgelenk
- 29
- Hindernis
- 30
- (nicht benutzt)
- 31
- Steuereinheit
- 32
- Navigationseinheit
- 33
- Kupplung
- 34
- Fahrweg
- 35
- Kollisionsgrenze
- 36
- Fahrwegspunkt
- 37
- Fahrtrichtung