DE19804006A1

DE19804006A1 - Automatisches System und Verfahren zur Bewegungssteuerung unter Verwendung parametrisierter Skripten

Info

Publication number: DE19804006A1
Application number: DE19804006A
Authority: DE
Inventors: Patrick S Rowe; Anthony J Stentz
Original assignee: Carnegie Mellon University
Current assignee: Carnegie Mellon University
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 1998-08-13
Also published as: JPH10217170A; US5908458A; US6058344A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zur automatischen Steuerung der Bewegung einer Vorrichtung und insbesondere auf ein Steue rungssystem zur automatischen Bewegung von Material von einem bestimmten Ort in einem ersten allgemeinen Bereich an einen Ort in einem zweiten allgemeinen Bereich, wie zum Beispiel die von einem autonomen Bagger, der einen Kipper belädt, durch geführten Tätigkeiten.

Robotermaschinen werden immer komplizierter, je mehr sie befähigt werden, immer schwierigere Aufgaben zu übernehmen. Eine Gruppe von Robotern zum Beispiel, die als mobile Manipu latoren bezeichnet werden, die aus einem auf einer mobilen Lafette montierten Mehrfach-Lenker-Manipulator bestehen, haben typischerweise 6 oder mehr Freiheitsgrade. Solche Roboter können viele verschiedene Aufgaben übernehmen, wie zum Bei spiel das autonome Durchführen von Untersuchungen, Überprü fungen, Bergbau-, Bau- und Aushubarbeiten. Die weitreichenden Fähigkeiten solcher Roboter haben natürlich ihren Preis. Aufgrund der Beschaffenheit der Bewegungsfreiheit solcher Roboter im dreidimensionalen Raum ist es schwierig, in Echt zeit einen optimalen Bewegungspfad zu finden. Das Erzeugen von Befehlen zum Bewegen des mobilen Manipulators entlang des optimalen Pfads erfordert ein Wissen über die dynamischen Eigenschaften einer jeden Bewegungsachse, insbesondere der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsgrenzen eines jeden Freiheitsgrads. Das Ermitteln eines optimalen Pfads wird noch erschwert, wenn die Ladung beträchtlichen Veränderungen unter worfen und ihre Masse nicht unbedeutend ist, wie das bei Baggern und anderen autonomen Maschinen der Fall ist, die Material bewegen, dessen Masse nicht nur einen kleinen Bruch teil der Masse des Manipulators ausmacht. Die Erzeugung von Befehlen für die effiziente Bewegung hydraulischer Manipu latoren, im Gegensatz zu elektrischen Manipulatoren, wird dadurch noch kompliziert, daß größere Zeitverschiebungen auftreten und eine einzige Hydraulikpumpe für zwei oder mehr Aktuatoren verwendet wird.

Herkömmliche Robotersysteme verwenden oft eine Aufzeich nung manueller Bedienschritte zum Lernen der für einen Vorgang erforderlichen Bewegungen. Einige Systeme, wie zum Beispiel das im US-Patent Nr. 5,065,326 (ert. an William C. Sahm am 12. November 1991) offenbarte automatische Baggersteuerungssystem, haben die Fähigkeit der Festlegung von Betriebsgrenzen, wie zum Beispiel die Aushubtiefe und die Steilheit der Grubenwand und zum Definieren eines eingegrenzten Bereichs, so daß der Betrieb innerhalb der festgelegten Grenzen durchgeführt werden kann. Andere Systeme, wie zum Beispiel die im US-Patent Nr. 5,274,557 (ert. an Yukio Moriya et al. am 28. Dezember 1993) offenbarte Baumaschine, berücksichtigen Veränderungen der Ladung, indem andere Steuerungswerte, wie zum Beispiel der an die hydraulischen Aktuatoren gehende Pumpenausstoß und -fluß, beibehalten werden. Keines dieser bekannten Verfahren zum Betreiben von Robotersystemen ist jedoch so flexibel, daß damit eine sichere freie Bewegung eines mobilen Manipulators im dreidimensionalen Raum ermöglicht würde, während gleichzei tig eine Angleichung an sich verändernde Bedingungen statt findet.

Ein weiteres Verfahren zum Steuern komplexer Bewegungen eines Roboters ist im US-Patent Nr. 5,086,400 (ert. an Samad A. Hayati und Subramanian Venkataraman am 4. Februar 1992) offenbart, das sich auf einen Roboter zum Durchführen von Vorgängen im All bezieht. Der Roboter ist zum ferngesteuerten Betrieb von der Erde aus konstruiert, doch aufgrund der Zeit verzögerung zwischen dem Erfassen von Bedingungen und dem Empfangen von Befehlen zum Reagieren auf diese Bedingungen ist die Durchführung bestimmter Aufgaben automatisiert, während auf weitere Befehle gewartet wird. Eine Roboter-Allzweckbi bliothek, die RCCL genannt wird, ermöglicht Funktionen, wie z. B. einen Bewegungsbahngenerator zum Steuern des Roboters. Der Benutzer einer Bibliothek wie der RCCL muß einen höher geordneten Code zum Koordinieren der Funktionsaufrufe an den Roboter erzeugen. Im US-Patent Nr. 5,086,400 wurde RCCL zum Verarbeiten der Sensor-Eingangssignale zum Liefern von Daten an einen herkömmlich programmierten Roboter verwendet, der manuell durch Befehle von der Erde ersetzt werden kann. RCCL kann in ähnlicher Weise durch ein Programm verwendet werden, das erfindungsgemäß betrieben wird.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vereinfachung der Bewegungsplanung bei Robotern vorzusehen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, komplizierte Robotersteuerungsalgorithmen zur Nachführung von Bewegungswegen überflüssig zu machen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das hochentwickelte Expertenwissen und Erkenntnisse von Men schen über den Vorgang einer bestimmten von einem Roboter übernommenen Aufgabe einzubauen, während immer noch Verände rungen von Variablen in der Umwelt durch das Verändern von Einzelheiten des Vorgangs berücksichtig werden können.

Die oben genannten Aufgaben werden durch Vorsehen eines Verfahrens zum Steuern komplexer automatischer Bewegung mit den folgenden Schritten gelöst: Ausführen zuvor gespeicherter Befehle mit mindestens einem Parameter, der die komplexe automatische Bewegung allgemein definiert, und Bestimmen eines Werts für jeden Parameter während der Ausführung der zuvor gespeicherten Befehle. Parameter werden nach Bedarf zum Defi nieren von Veränderungen der komplexen automatischen Bewegung aufgrund der durchgeführten Arbeit oder von Veränderungen der Umgebung verwendet. Zum Beispiel kann die durch einen mobilen Manipulator durchgeführte komplexe automatische Bewegung durch den Ort sowie die Ausrichtung der mobilen Plattform beeinflußt werden, auf der der mobile Manipulator montiert ist, und durch die Bewegung von Objekten im Umfeld des mobilen Manipulators, wie zum Beispiel Menschen oder Maschinen. Wenn außerdem der mobile Manipulator Arbeiten ausführt, die die Bewegung von etwas von einem Ort an einen anderen beinhalten, kann sich entweder die Startposition oder der Bestimmungsort verändern, wodurch Veränderungen der Bewegung erforderlich werden. Auf dem mobilen Manipulator angebrachte Sensoren können zum Erfas sen der Ausgangs- und der Zielorte verwendet werden, und die Parameter in den Befehlen können zum Maximieren des Wirkungs grads der komplexen automatischen Bewegung modifiziert werden, auch wenn sich die durchgeführte Bewegung ändert.

Ein spezifisches Beispiel eines mobilen Manipulators ist ein Bagger für die Bewegung von Erde, Steinen und anderem Material von einem Ort an einen anderen, wie zum Beispiel von einem Haufen auf einen Kipper. Beim Bewegen des Materials vom Haufen oder vom Graben wird sich der Ausgangspunkt der Bewe gung des Baggerarms beim Durchführen des Aushubs verändern. Außerdem kann sich die Größe, die genaue Position, die Aus richtung zum Bagger usw. der Kipper verändern. All diese Veränderungen können zum Maximieren des Wirkungsgrads beim Verbringen von Material vom Ausgangspunkt zum Kipper mit minimalem Verlust berücksichtigt werden. Parameter können in Befehle eingebaut werden, z. B. zum Bestimmen, wann die Bewe gung von verschiedenen Teilen des Baggerarms einsetzen soll, damit der Arm schnell und effizient von dem Zeitpunkt an bewegt wird, da Material aufgeladen wurde, bis zum Abladen des Materials auf dem Kipper. Vorzugsweise wird Modellinformation, wie zum Beispiel Echtzeit-Modellierungssoftware, zum Bestimmen der Grenzwerte für die Geschwindigkeit und Beschleunigung eines jeden Teils des Baggerarms zum besseren Koordinieren der Bewegung der verschiedenen Gelenker des Arms verwendet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile werden aus der folgen den Beschreibung anhand der Zeichnungen ersichtlich. Es zeigt:

Fig. 1 eine Teil-Seitenansicht einer Baggermaschine,

Fig. 2 ein Blockdiagramm von Software zum Steuerbetrieb einer Baggermaschine,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines einen Kipper beladenden Baggers,

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Kipperbela dungsskripts,

Fig. 5A Kurvendarstellungen von Testergebnissen für eine autonome Baggermaschine als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 5B Kurvendarstellungen von Testergebnissen für eine von einem ausgebildeten Baggerführer geführte Baggermaschi ne.

Die vorliegende Erfindung kann zwar auf viele verschiede ne Typen automatisierter Vorrichtungen angewendet werden, von denen viele oft als Roboter bezeichnet werden, doch ist die vorliegende Erfindung aufgrund der großen Anzahl der Frei heitsgrade solcher Vorrichtungen zum Steuern des Betriebs mobiler Manipulatoren besonders geeignet. Unten wird eine Aus führungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, die zur Steuerung eines Baggers mit einem hydraulischen Arm verwendet wird. Es wird beschrieben, die die vorliegende Erfindung zum Überwinden der Probleme, die beim Steuern einer solchen Vor richtung auftreten, verwendet wird. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf andere autonome Maschinen oder Roboter angewendet werden, ob sie jetzt mobil oder stationär sind.

In Fig. 3 ist als Beispiel für einen mobilen Manipulator ein typischer Bagger 10 dargestellt, auf den die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, und Details eines Manipula torarms oder Werkzeugs 12 sind in Fig. 1 dargestellt. In konventioneller Weise ist das Werkzeug 12 auf einer mobilen Plattform 14 angebracht. Der Manipulatorarm oder das Werkzeug 12 hat vier Freiheitsgrade, und die auf Raupen laufende mobile Plattform 14 (Fig. 3) ergibt zwei weitere Freiheitsgrade. Ein solcher Bagger wird bei der Massenerdbewegung zur Verladung von großen Mengen von Erde auf Kipp-LKWs verwendet, die die Erde wegbringen. Unter der manuellen Bedienung solcher Bagger durch einen guten Baggerführer werden mehrere hundert Kipper am Tag beladen.

Das Werkzeug 12 weist einen Ausleger 16, einen Stock 18 und eine Schaufel 20 auf. Der Ausleger 16 ist typischerweise durch einen Ausleger-Schwenksplint 22 auf einer mobilen Platt form 14 angebracht. Der Stock 18 ist schwenkbar am Ende des Auslegers 16 und die Schaufel 20 ist schwenkbar auf dem Stock 18 angebracht. Die Schaufel 20 weist einen gerundeten Teil 26 und Schaufelzähne 24 auf.

Der Ausleger 16, der Stock 18 und die Schaufel 20 werden unabhängig und steuerbar durch linear streckbare Hydraulik zylinder betätigt. Der Ausleger 16 kann durch einen (nicht dargestellten) Hydraulikmotor gedreht werden, der den Manipu latorarm 12 über der mit Raupen versehenen Plattform dreht. Der Ausleger 16 wird durch mindestens einen Ausleger-Hydrau likzylinder 28 zur Auf- und Abwärtsbewegung der Schaufel 20 betätigt. Der Stock 18 wird durch mindestens einen Stock-Hy draulikzylinder 30 zur horizontalen Längsbewegung der Schau fel 20 betätigt. Die Schaufel 20 wird durch einen Schaufel-Hy draulikzylinder 32 in einem radialen Bewegungsbereich um einen Schaufelschwenksplint 34 betätigt. Zu Illustrations zwecken ist nur ein Ausleger- und ein Stock-Hydraulikzylinder 28 bzw. 30 in Fig. 1 gezeigt, doch können mehr als ein Hydrau likzylinder vorgesehen sein.

Es wird nun die Bewegung des detailliert in Fig. 1 darge stellten Werkzeugs 12 beschrieben. Das in Fig. 3 dargestellte Werkzeug 12 hat eine leicht andere Bauart, ist jedoch zu den gleichen Bewegungen fähig. Der Ausleger 16 wird durch Ein ziehen der (des) Ausleger-Hydraulikzylinder(s) 28 angehoben und durch Ausstrecken der (des) gleichen Zylinder(s) 28 ge senkt. Ein Einziehen der (des) Stock-Hydraulikzylinder(s) 30 bewegt den Stock 18 weg vom Bagger 10 und ein Ausstrecken der (des) Stock-Hydraulikzylinder(s) 30 bewegt den Stock (18) zum Bagger (10) hin. Schließlich wird die Schaufel 20 vom Bagger 10 wegrotiert, wenn der Schaufel-Hydraulikzylinder 32 eingezo gen wird, und zum Bagger hin rotiert, wenn der gleiche Zylin der 32 ausgestreckt wird.

Eine Massenerdbewegung ist ein gutes Anwendungsfeld für parametrisierte Skripte. Der Bagger 10 führt wiederholt eine Reihe von Bewegungen durch, die sehr ähnlich, aber doch nicht ganz gleich sind. Die zu bewegende Erde befindet sich im gleichen allgemeinen Bereich, der typischerweise direkt vor dem Bagger 10 liegt. Normalerweise befinden sich, mit Ausnahme der Seitenwände des Kippers, keine Hindernisse im Arbeits bereich des Baggers. Die Veränderungen, die durch die Parame ter berücksichtigt werden müssen, sind unter anderem der Ort, die Ausrichtung und die Abmessungen des jeweils zu beladenden Kippers 58. Das Terrain der zu bewegenden Erde verändert sich natürlich mit dem Ausbaggern. Die Erde kann nicht immer an der gleichen Stelle auf der Ladefläche des Kippers abgeladen werden, noch kann sie immer von der gleichen Stelle am Boden ausgehoben werden.

Außerdem kann es vorkommen, daß etwas getan werden muß, was nicht zum "normalen" Kipperbeladungsvorgang gehört. Wenn zum Beispiel die Erde zu hoch auf der Ladefläche liegt, kann ein Herunterdrücken mit der Schaufel 20 nötig sein, um ein Herunterfallen über die Seite des Kippers 58 zu verhindern. Dies ist ein spezieller Vorfall, da er nicht bei jedem Aus baggerungs-Ablade-Zyklus vorkommt, sondern nur, wenn der Kipper 58 voll ist, und er ist vielleicht nicht immer notwen dig, je nachdem wie leicht sich die Erde beim Füllen der Lade fläche verteilt. Außerdem ist die Sicherheit ein Hauptge sichtspunkt beim Umgang mit solchen Maschinen. Ein autonomer Bagger kann daher mit Hindernissen umgehen, die dem Manipula tor oder der Lafette im Weg sein könnten.

Die Konzeption eines parametrisierten Skripts für eine Vorrichtung wie den Massenbagger 10 beginnt mit dem Sammeln von Information darüber, wie die Vorgänge sonst manuell durch geführt werden. Bei der als Beispiel herangezogenen Massen erdbewegung wurden ausgebildete Baggerführer beobachtet und dazu befragt, wie sie jemandem das Beladen eines Kippers beibringen würden. Die durch die Baggerführer ausgeführte Schritt folge war die Grundlage für das unten beschriebene parametrisierte Skript zum Beladen eines Kippers. Andere kom plexe Bewegungen könnten in ähnlicher Weise automatisiert werden, indem manuelle Vorgänge beobachtet und Befehle in einem Skript aufgezeichnet würden, die dann die allgemeinen Bewegungen durchführen. Entsprechende Skriptparameter mit Werten, die sich während der Durchführung des Skripts ändern, werden während dieser Konzeptionsphase bestimmt. Beim Testen des Skripts können dann zusätzliche Parameter zur Verfeinerung des Betriebs des Skripts hinzugefügt werden.

Die Ziele des unten beschriebenen Kipper-Beladeskripts sind u. a. die folgenden: (1) einen Kipper so optimal und effizient wie möglich unter normalen Arbeitsbedingungen be laden, (2) hydraulische Flußkopplung und Hydrauliksystem-Leis tungsbeschränkungen berücksichtigen, da Hydraulikpumpen nur eine begrenzte Leistung bringen können und normalerweise mehr als ein Gelenk betreiben, wodurch es daher vorzuziehen ist, jeweils nur die Bewegung eines gekoppelten Gelenks auf einmal einzuleiten, (3) alle bekannten Hindernisse im Arbeits bereich einschließlich des Kippers und der noch nicht ausgeho benen Erde sicher umgehen, (4) ein Verschütten von Erde auf den Boden um den Kipper während des Abladens vermeiden.

Allgemein sammeln parametrisierte Skripten Information aus der Umgebung, sie definieren Betriebsbeschränkungen für das zu Steuernde Gerät und enthalten Anweisungen die allgemein die zu automatisierende Bewegung definieren. Fig. 2 ist ein diese Arten von Information illustrierendes Blockdiagramm für ein parametrisiertes Kipper-Beladungs-Skript 56. Sensoren 39 (Fig. 3) liefern der Software Eindrucksinformation 40, wie zum Beispiel der Kipper-Erkenner 42 und der Absatz-Terrain-Auf zeichner 44, die Informationen über die Umgebung verfeinern, in der der Bagger 10 arbeitet. Der Aushubpunktplaner 46 und der Abladepunktplaner 48 können durch manuelle Eingabe oder durch Software vorgesehen sein. Ein Beispiel einer Grabalgo rithmussoftware 49, die eine Druckrückkopplung zum Beladen der Schaufel mit Erde verwendet, ist in US-Patent Nr. 5,446,980 (ert. an David J. Rocke am 5. September 1995) vorgesehen. Der Absatz-Terrain-Aufzeichner 44 kann aus den zuvor beim Ver messen des auszuhebenden Gebiets gespeicherten Daten erhalten werden, wobei mit den Sensoren 39 gearbeitet wird, die z. B. Radar- oder Laservorrichtungen sind, die erfassen können, wo noch Erde auszuheben ist.

Allgemein liefern die Sensoren 39 die Eindrucksinforma tion 40 an Eindrucksmodule 42, 44, 46, 48. Diese Module emp fangen zum Beispiel von Kameras oder Laser-Entfernungsmessern die Eindrucksinformation 40 und analysieren die Eingangssigna le von den Sensoren 39 zum Erzeugen externer Parameter. Der Kipper-Erkenner 42 zum Beispiel bestimmt den Ort, die Aus richtung und Abmessungen eines zu beladenden Kippers 58. Die externen Parameter, die der Kipper-Erkenner 42 an die Kipper- Beladungs-Software 50 sendet, sind die Koordinaten der vier Ecken der Kipperladefläche und die Höhe der Seitenwände des Kippers 58.

Die Kipper-Beladungs-Software 50 erzeugt Roboterbefehle 52, die die Ventile öffnen und schließen, die die Hydraulik zylinder 28, 30, 32 steuern. Nachdem die Kipper-Beladungs-Soft ware 50 Werte für die externen Parameter empfangen hat, können Werte interner Parameter unter Verwendung von Modell information 54 bestimmt werden. Die Modellinformation 54 kann durch eine Echtzeitmodellierungssoftware geliefert werden oder zuvor gespeicherte Ergebnisse eines Modells einer mobilen Maschine, in diesem Fall des Baggers 10, sein. Es muß ein Kompromiß zwischen der Hochentwicklung des Modells, der Ge schwindigkeit, mit der das Modell ausgeführt wird, und dem für die Modellinformation 54 benötigten Speicherplatz gefunden werden. Ob Echtzeit-Modellierungssoftware oder eine oder mehr Nachschlagtabellen verwendet werden, hängt von der Art der verfügbaren Modellierungssoftware und der Komplexität des durchzuführenden Vorgangs ab.

Interne Parameter können entweder geometrisch oder dyna misch berechnet werden. Geometrische Berechnungen verwenden die Geometrie der Umgebung und die Kinetik des mobilen Manipu lators zum Bestimmen der Werte für die Parameter im Skript 56. Fig. 3 zeigt beispielsweise den Auslegerwinkel 21, der einer dieser Parameter ist, der dazu verwendet wird zu definieren, wie die Schaufel 20 sicher über den Kipper 58 gehoben werden kann, ohne daß es einen Zusammenstoß bei der Bewegung über den Kipper 58 gibt. Diese Berechnung erfordert ein Wissen über die Abmessungen und die Lage des Kippers 58, die vom Kipper-Erken ner 42 empfangen wird, und ein Wissen über die Längen der Gelenker (Ausleger 16, Stock 18 und Schaufel 20). Außerdem können auch noch andere interne Parameter nötig sein, wie zum Beispiel andere Gelenkwinkel, wenn der Ausleger 16 sich näher zum Kipper 58 hin bewegt. Einige weitere auf diese Weise berechnete Skriptparameter sind die Winkel, bei denen die Erde in der Schaufel 20 bleibt, während die Schaufel 20 zum Kipper 58 bewegt wird, wodurch minimale Verschüttungen erzielt wer den.

Bei dynamischen Parameterberechnungen wird Wissen über die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Gelenker des Manipulators verwendet, um vorherzusagen, wie lange die Bewe gung eines bestimmten Gelenks von einem Ausgangswinkel in einen Zielwinkel brauchen wird. Unter Verwendung dieses Wis sens können Gelenkbewegungsbefehle zum Erzielen einer optima len Leistung während der Ausführung der Befehle koordiniert werden. Wenn zum Beispiel der Aushubvorgang beendet ist, muß die Maschine 10 nicht warten, bis die Schaufel 20 auf den Aus leger-Frei-Winkel zum Schwenken zum Kipper 58 angehoben wurde. Ein Wissen über die Geschwindigkeits- und Beschleunigungs grenzwerte des Auslegergelenks und des Schwenkgelenks können zum Abschätzen der Zeiten verwendet werden, die zum Anheben der Schaufel 20 und zum Schwenken der Schaufel 20 zum Kipper 58 benötigt werden.

Wenn es länger dauert, zum Kipper 58 zu schwenken als die Schaufel 20 zu heben, dann ist der erste auszuführende Befehl ein Schwenkbefehl, der von einem Befehl zum Anheben der Schau fel 20 in ausreichender Zeit gefolgt wird, daß die Wand des Kippers 58 überstiegen wird. Wenn es auf der anderen Seite länger dauert, die Schaufel 20 zu heben, wird mit dem Anheben der Schaufel 20 zuerst begonnen, bevor das Schwenken eingelei tet wird. Welcher Befehl zuerst gegeben wird, hängt von der Entfernung zwischen dem Aushubendpunkt und der der Schaufel 20 näher liegenden Wand des Kippers 58 und der Höhe des Kippers 58 ab. So bestimmen also die Werte der Parameter die Reihen folge der Ausführung der Befehle, wie unten detaillierter beschrieben wird.

Durch dynamisches Wissen werden vorzugsweise auch System latenzen berücksichtigt. Bei einem typischen Bagger treten beträchtliche Verzögerungen auf (in der Größenordnung von 0,5 Sekunden) zwischen dem Geben eines Gelenkbefehls und dem Zeit punkt, da sie das Gelenk tatsächlich zu bewegen beginnt, was hauptsächlich an der Zeit liegt, die zum Öffnen der großen Hydraulikventile benötigt wird, so daß Hydraulikfluid zu den Zylindern fließen kann. Durch Messen und Vorausplanen dieser Verzögerungen können die Gelenkbefehle zur rechten Zeit gege ben werden, so daß das Gelenk seine Bewegung zum geforderten Zeitpunkt beginnt. Es ist zum Beispiel günstig, wenn die Schaufel 20 geöffnet wird, während sich die Schaufel 20 über den Kipper 58 bewegt. Durch ein Vorausplanen der Schaufelge lenkverzögerung kann der Befehl zum Öffnen der Schaufel 20 zum richtigen Zeitpunkt während der Bewegung des Manipulatorarms 12 gegeben werden, so daß die Schaufel mit dem Öffnen beginnt, während sich der Manipulatorarm 12 immer noch bewegt und die Schaufel 20 über dem Kipper 58 ist.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm des Kipper-Beladungsskripts, bei dem die für jedes Gelenk ausgeführten Befehle eigens aufgeführt sind, da jedes Gelenk seinem eigenen Skript folgt. Dadurch kann das Verhältnis zwischen den Gelenkern durch Para meter dargestellt werden, die das Erstellen des Skripts ver einfachen und eine größere Flexibilität ermöglichen. Alterna tiv dazu kann ein einziges Skript Befehle für mehr als ein Gelenk erzeugen, wobei die Gelenker eng miteinander im Zu sammenhang stehen, wie zum Beispiel bei einem Manipulator mit einer Hand an einem distalen Ende mit einem Mehrfachachsen-Hand gelenk und einer Art Greifmechanismus. Die das Handgelenk steuernden Befehle können in einem einzigen Skript erzeugt werden, und der Befehl an den Greifer kann im selben Skript oder in einem anderen Skript sein.

In Fig. 4 repräsentiert jeder Kreis einen Skriptschritt. Direkt unter dem Kreis ist der Befehl 52, der als ein Winkel θ für das Gelenk an die Maschine 10 gesendet wird, wobei die Gelenkwinkel θ₁-θ₃ in Fig. 1 dargestellt sind und der Winkel θ₀ in Fig. 3 dargestellt ist. Die Parameter werden von den extern vom Skript 56 empfangenen Eingangssignalen bestimmt oder intern durch Modellieren 54 berechnet. Die Parameter P₁-P₁₈ sind in der Tabelle unten aufgeführt.

Tabelle I PARAMETER

P₁	Auslegerwinkel am Anfang des Schwenkens
P₂	Dreh-Abladewinkel
P₃	Schaufel-Abladewinkel
P₄	Dreh-Grabwinkel
P₅	aktueller Drehwinkel
P₆	Stockwinkel zum Plazieren der Schaufel über dem Kipper
P₇	Drehwinkel am hinteren Ende des Kippers
P₈	Schaufelwinkel wenn Öffnung senkrecht steht
P₉	Ausleger-Freiwinkel
P₁₀	Ausleger-Abladewinkel
P₁₁	Ausleger-Grabwinkel
P₁₂	Drehwinkel am Anfang der Stock-Auswärtsbewegung
P₁₃	Drehwinkel am Anfang der Stock-Einwärtsbewegung
P₁₄	Stock-Ausgangs-Abladewinkel
P₁₅	Stock-End-Abladwinkel
P₁₆	Stock-Grabwinkel
P₁₇	Schaufel-Fangwinkel
P₁₈	Schaufel-Grabwinkel

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Kipper-Beladungsskript sind alle Übergänge von Ereignissen und nicht von der Zeit abhängig. Dadurch wird ein Sicherheitsfaktor eingebaut, indem beim Auftreten eines Fehlers in einem der Gelenker alle Gelenker skripten aussetzen. Ein Ereignis findet dann in einem gestoppten Gelenk nicht statt, wodurch dann ein Auslösen des nächsten Zustands in den anderen Gelenkern verhindert wird.

Der Bagger 10 wird also angehalten. Zusätzlich zum primären, in Fig. 4 dargestellten Skript 56 können sekundäre Skripten zum Durchführen einer Reihe von Bewegungen in Reaktion auf das Erfassen bestimmter Bedingungen vorgesehen werden. Einige Beispiele sind dabei die Vermeidung von Kollisionen, das Niederdrücken von Erde in einem Kipper, das Aufräumen von Erde, die um den Beladebereich herum verschüttet wurde und das Entfernen von Steinbrocken, die das Graben behindern könnten, die jedoch nicht auf einen Kipper geladen werden sollen. Ein sekundäres Skript zur Kollisionsvermeidung ist unten beschrie ben.

Ein Kollisionsdetektor 60 ist in Fig. 2 gezeigt als eine andauernde Routine, die von den Sensoren 39 Eingangssignale empfängt und externe Parameter an das Skript 50 weitergibt. Der (die) Sensor(en) 39, der (die) externe Parameter an den Kollisionsdetektor 60 liefert (liefern), können die gleichen sein, wie sie für das Kipper-Erkenner-Modul 42 verwendet werden, oder sie können ähnliche Sensoren sein, wie sie auf dem Manipulatorarm 12 angebracht sind. Im primären Skript 56 ist ein Befehl zum Überprüfen des Ausgangssignals der (des) externen Parameter(s) vom Kollisionsdetektor 60 enthalten. Wenn der Test anzeigt, daß sich ein Hindernis im Pfad des Manipulatorarms 12 befindet, werden die in Fig. 4 gezeigten Gelenkskripten unterbrochen, und ein sekundäres Skript wird zum Bewegen des Manipulatorarms 12 um das Hindernis herum ausgeführt. Bei Beendigung des sekundären Skripts wird die aktuelle Position eines jeden Gelenks an die Gelenkskripten gesendet, und die Gelenkskripten fahren in ihrer Ausführung fort. Weitere sekundäre Skripten können in ähnlicher Weise ausgeführt werden, z. B. wenn der Kipper-Erkenner 42 oder andere "Sicht"-Software Bedingungen erfaßt, die ein Nieder drücken der Erde auf dem Kipper 58 erfordern, werden die in Fig. 4 dargestellten Gelenkskripten unterbrochen und ein sekundäres Skript zum Niederdrücken durchgeführt.

Feldstudien des in Fig. 4 gezeigten Skripts wurden unter Einsatz eines 25 Tonnen schweren hydraulischen Baggers, der dem in Fig. 1 dargestellten ähnelt, durchgeführt. Drehmelder, wie der Drehmelder Nr. 11-BHM-20AAG von Litton, Murphy, North Carolina wurden an jedem Gelenk zum Messen der Gelenkwinkel angebracht. Steuersignale für den Manipulatorarm 12 des Bag gers wurden durch eine niedrig gestufte Proportional-Ablei tungs-Gelenkpositionssteuerung erzeugt. Bei den Tests waren die Raupen nicht aktiviert. Ein 15-Tonnen-Kipper wurde zum Beladen verwendet.

Die Leistung des in Fig. 4 illustrierten Skripts ist in Fig. 5A dargestellt. Die durch einen ausgebildeten Bagger führer erzielten Zahlen, der den Kipper am Testort belud, sind in Fig. 5B dargestellt. Typische Aushub-Ablade-Zyklus-Zeiten zum Ausheben einer Schaufel voll Erde, Abladen der Erde auf dem Kipper und Zurückkehren zur Bodenoberfläche waren beim menschlichen Baggerführer zwischen 15 und 16 Sekunden. Es wurde geschätzt, daß er den Kipper mit 20 Tonnen Erde in ungefähr 2 Minuten volladen könnte. Das Kipper-Bela dungs-Skript erzielte konsequent zwischen 19 und 20 Sekunden für einen Aushub-Ablade-Zyklus. Der Aushubalgorithmus hob bei jedem Zyklus etwas mehr Erde aus als der Baggerführer. Der Durchsatz des Systems bzw. die Menge der in einem bestimmten Zeitraum zu bewegenden Erde war gleich oder manchmal sogar noch höher als beim menschlichen Baggerführer.

Die Unterschiede bei den Gelenkbewegungen zwischen Fig. 5A und 5B lassen sich teilweise auf unterschiedliche Aushubor te und die Ausrichtung des Kippers zurückführen; es läßt sich jedoch sehen, daß im allgemeinen die Bewegungen sehr ähnlich sind. Bei zusätzlichen Tests war das Kollisionsvermei dungs-Skript erfolgreich, und es wurde sehr wenig oder gar nichts verschüttet, und das trotz der größeren Ladungen in der Schau fel. Unterschiedliche Kipperbeladepositionen wurden mit ähn lichen Ergebnissen ausprobiert.

Parametrisierte Skripten können auf viele verschiedene Typen komplexer Bewegungssteuerung bei Robotersystemen ange wendet werden. Viele komplexe Aufgaben können in eine Reihe einfacher Schritte aufgelöst werden. Die Verwendung von Para metern in allgemeinen Befehlen ist ein wirkungsvolles Vorgehen beim Berücksichtigen kleiner Veränderungen des Betriebs. Das Koppeln von Bewegungen von Gelenken über Parameter mit Werten, die externe Bedingungen repräsentieren, einschließlich des Eintreffens von Ereignissen resultierend aus der Bewegung anderer Gelenke, und interne Faktoren, wie z. B. Leistungs begrenzungen, vereinfacht das Erzeugen von Befehlen und führt zu einer erhöhten Flexibilität und Betriebssicherheit.

Claims

1. Verfahren zum Steuern komplexer automatischer Bewegung eines Manipulators mit mehreren an Gelenken verbundenen Glie dern, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Ausführen ereignisabhängiger zuvor gespeicherter Befehle mit mindestens einem Parameter, der allgemein die komplexe automatisierte Bewegung definiert, wobei die zuvor gespeicher ten Befehle ein aus gleichzeitig auszuführenden Skripten bestehendes Primärskript sind; und
- Bestimmen eines Werts für den jeweiligen Parameter wäh rend des Ausführens der zuvor gespeicherten Befehle.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestimmen eines Werts den Schritt des Erhaltens des Werts für den jeweiligen Parameter von einem Sensor-Eingangssignal, einer Datendatei oder einer anderen Software beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Parameter mindestens einen modellierten Parameter aufweist und der Schritt des Bestimmen eines Werts für den jeweiligen Parameter die folgenden Schritte aufweist:

- Ausführen von Modellierungssoftware zum Modellieren mindestens des Manipulators während des Ausführens zuvor gespeicherter Befehle und
- Bereitstellen eines Werts für den jeweiligen modellierten Parameter.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausführen zuvor gespeicherter Befehle den Schritt des gleichzeitigen Ausführens von Befehlssätzen für die Bewegung von mindestens zwei der Glieder aufweist, wobei eine Bewegung eines ersten Glieds während der Bewegung eines zweiten Glieds beginnt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestimmen eines Werts den Schritt des Erhaltens erster Parameterwerte aufweist, die anzeigen, wann die Bewegung des ersten Glieds in Abhängigkeit von einem bestimmten Grad der Bewegung von mindestens des zweiten Glieds anfangen sollte.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestimmen eines Werts den Schritt des Bestimmens des Anfangs der Bewegung des ersten Glieds in Abhängigkeit von der Bewegung des zweiten Glieds über einen Teil der Entfernung zwischen der Ausgangs- und der Endposition aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestimmen eines Werts den Schritt des Erhaltens zweiter Parameterwerte aufweist, die sich von den ersten Parameterwer ten unterscheiden und anzeigen, wann die Bewegung des zweiten Glieds in Abhängigkeit von einem Grad der Bewegung mindestens des ersten Glieds anfangen sollte.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bestimmens eines Werts den Schritt des Erhal tens mindestens entweder des Geschwindigkeits- oder Beschleu nigungswerts für mindestens eines der Glieder, in Abhängigkeit von mindestens dem Sensor-Eingangssignal, der Bewegungsrich tung, der Postition des Manipulators oder der Modellierungs software aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestimmen eines Werts den Schritt des Erhaltens eines ersten Parameterwerts aufweist, der die vollständige Durch führung eines ersten Teils der komplexen automatisierten Bewegung repräsentiert, und das Ausführen zuvor gespeicherter Befehle den Schritt des Verwendens des ersten Parameterwerts beim Steuern eines zweiten Teils der komplexen automatisierten Bewegung aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß miteinander in Beziehung stehende Mechanismen den ersten und zweiten Teil der komplexen automatisierten Bewegung erzeugen und der Schritt des Bestimmens eines Werts den ersten Parame terwert dadurch erhält, daß der erste und der zweite Teil der komplexen automatisierten Bewegung modelliert werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzeitig ausgeführten Skripten jeweils die Bewegung eines der Glieder steuern.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zuvor gespeicherten Befehle mindestens ein sekundäres Skript aufweisen und das Bestimmen eines Werts den Schritt des Bewertens von Bedingungen aufweist, um zu bestimmen, ob das mindestens eine sekundäre Skript zum Steuern eines Teils der komplexen automatisierten Bewegung ausgeführt werden soll.

13. Verfahren zum Steuern einer mobilen Maschine, gekenn zeichnet durch die folgenden Schritte:

- Speichern von Sätzen ereignisabhängiger Befehle, wobei jeder Satz allgemein die Bewegung eines entsprechenden Teils der mobilen Maschine definiert;
- Bestimmen von Werten von Parametern, die die genaue Bewegung der mobilen Maschine definieren; und
- wiederholtes Ausführen der Befehlssätze unter Verwendung der Werte der Parameter, die vor jeder Wiederholung bestimmt wurden, wobei mindestens zwei der Befehlssätze gleichzeitig ausgeführt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter mindestens einen modellierten Parameter auf weisen und das Bestimmen von Werten den Schritt des Ausführens von Modellierungssoftware zum Modellieren der mobilen Maschine während der Ausführung der Befehlssätze und zum Bereitstellen eines Werts für den jeweiligen modellierten Parameter auf weist.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bestimmens einen Wert für einen ersten Parame ter erhält, der eine nachfolgende Bewegung in Abhängigkeit von einer vorausgehenden Bewegung beeinflußt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Mechanismen die vorausgehende und die nachfolgende Bewegung erzeugen und der Schritt des Bestimmens von Werten einen Wert für den ersten Parameter durch Modellieren der vorausgehenden und der nachfolgenden Bewegung erhält.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Parameter repräsentiert, wann die nachfolgende Bewegung anfangen sollte, und das Bestimmen von Werten den Schritt des Erhaltens eines Werts für den ersten Parameter in Abhängigkeit von einem zweiten Parameter aufweist, der re präsentiert, wann ein Teil der vorausgehenden Bewegung voll führt sein wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des ersten Parameters weiter von einer Verzögerung zwischen dem Geben des Befehls zum Ausführen der nachfolgenden Bewegung und dem Beginn der nachfolgenden Bewegung abhängt.

19. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den Schritt des Speicherns von Ergebnissen des Modellierens der mobilen Maschine und dadurch, daß das Bestimmen von Werten den Schritt des Lesens der Ergebnisse des Modellierens zum Erhal ten der Werte von mindestens einem der Parameter aufweist.

20. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Befehle ein primäres Skript mit mehreren Befehlssätzen sowie mindestens ein sekundäres Skript aufweisen und das Ausführen der Befehlssätze den Schritt des gleichzeitigen Ausführens einer Reihe von Befehlssätzen zum Steuern einer Reihe von Bewegungen der mobilen Maschine aufweist und das Bestimmen von Werten den Schritt des Bewertens von Bedingungen aufweist, um zu bestimmen, ob das mindestens eine sekundäre Skript zum Steuern der Reihe von Bewegungen der mobilen Ma schine ausgeführt werden soll.

21. Steuersystem für eine einen Manipulator mit mehreren Gliedern aufweisende mobile Maschine, gekennzeichnet durch:

- eine Speichereinheit zum Speichern von Befehlssätzen, wobei jeder Satz allgemein die Bewegung mindestens eines Glieds definiert, und zum Bereitstellen von Speicherplätzen für eine präzise Bewegung der mobilen Maschine definierenden Parametern; und
- einen mit der Speichereinheit verbundenen Prozessor zum Bestimmen von Werten der Parameter und zum gleichzeitigen Ausführen der Befehlssätze in Abhängigkeit von Ereignissen.

22. Steuersystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheit weiter Bewegungen der mobilen Maschine modellierende Modellierungsinformation speichert und der Prozessor mindestens einen modellierten Parameter aus der Modellierungsinformation erhält.

23. Steuersystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Speichereinheit gespeicherten und vom Prozes sor ausgeführten Befehle mindestens einen Zeitabstimmungs befehl zum Starten der Bewegung eines ersten Glieds zu einem bestimmten Zeitpunkt aufweisen, der von einem Zeitparameter und einer zuvor gestarteten Bewegung eines zweiten Glieds bestimmt wird.

24. Steuersystem nach Anspruch 21, weiter gekennzeichnet durch mit dem Prozessor verbundene Sensoren zum Messen der Bewegung der mobilen Maschine, zum Erfassen von die mobile Maschine umgebenden Bedingungen und zum Liefern von Eingangs signalen, die zum Bestimmen der Parameter verwendet werden.

25. Steuersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheit weiter Modellierungsinformation spei chert und der Prozessor aufgrund mindestens entweder des Eingangssignals von den Sensoren, der Bewegungsrichtung minde stens eines Glieds, der Position des Manipulators oder der in der Speichereinheit gespeicherten Modellierungsinformation mindestens entweder den Geschwindigkeits- oder den Beschleuni gungswert für mindestens einen Parameter bestimmt.

26. Mobiler Manipulator mit

- einer mobilen Basis;
- einem auf der mobilen Basis montierten Manipulatorarm mit mehreren Gliedern;
gekennzeichnet durch
- ein mindestens mit dem Manipulatorarm verbundenes Steuer system zum Ausführen ereignisabhängiger, zuvor gespeicherter, allgemein die automatisierte Bewegung des mobilen Manipulators definierender Befehle und zum Bestimmen von Werten für Parame ter, die die genaue Bewegung des mobilen Manipulators während der Ausführung der zuvor gespeicherten Befehle definieren.

27. Mobiler Manipulator nach Anspruch 26, bei dem das Steuer system gekennzeichnet ist durch

- eine Speichereinheit zum Speichern der ereignisabhängi gen, zuvor gespeicherten, allgemein die Bewegung des mobilen Manipulators definierenden Befehle und zum Bereitstellen von Speicherplätzen für die die genaue Bewegung des mobilen Mani pulators definierenden Parameter; und
- einen mit der Speichereinheit und mindestens dem Manipu latorarm verbundenen Prozessor zum Bestimmen des Werts der Parameter und zum Ausführen der zuvor gespeicherten Befehle.

28. Mobiler Manipulator nach Anspruch 27, dadurch gekenn zeichnet, daß die Speichereinheit weiter die Bewegung des mobilen Manipulators modellierende Modellierungsinformation speichert und der Prozessor mindestens einen modellierten Parameter aus der Modellierungsinformation erhält.

29. Mobiler Manipulator nach Anspruch 27, dadurch gekenn zeichnet, daß der Manipulatorarm einen Ausleger, einen Stock und eine Schaufel aufweist, die durch entsprechende Hydraulik zylinder bewegt werden, die durch Pumpen und Ventile betätigt werden, und der Prozessor aufgrund der Werte der Parameter Ausgangssignale zum Beginnen einer ersten Bewegung des Aus legers und des Stocks nach einer zweiten Bewegung des Aus legers und des Stocks an die Ventile sendet.

30. Mobiler Manipulator nach Anspruch 29, dadurch gekenn zeichnet, daß das Steuersystem weiter mit dem Prozessor ver bundene Sensoren zum Messen der Bewegung des mobilen Manipula tors, zum Erfassen von den mobilen Manipulator umgebenden Bedingungen und zum Bereitstellen von Eingangssignalen, die zum Bestimmen der Parameter verwendet werden, aufweist.

31. Mobiler Manipulator nach Anspruch 27, dadurch gekenn zeichnet, daß die in der Speichereinheit zuvor gespeicherten Befehle ein primäres Skript und mindestens ein sekundäres Skript aufweisen und der Prozessor das primäre Skript zum Steuern von mehreren Bewegungen des mobilen Manipulators ausführt und Bedingungen auswertet, um zu bestimmen, ob er das mindestens eine sekundäre Skript zum Steuern einer Reihe von Bewegungen des mobilen Manipulators ausführen soll.