DE102005005230B4

DE102005005230B4 - Device and method for detecting obstacles

Info

Publication number: DE102005005230B4
Application number: DE102005005230A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Lange; Bert Dr. Reimann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: DE102005005230A1

Abstract

Vorrichtung zur Erfassung von Hindernissen in Fortbewegungsrichtung eines beweglichen Objektes mit mindestens einem Sensor, der als Stab (1) ausgebildet ist und die Hindernisse detektiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab mit einer Bewegungseinrichtung (2) zum dreidimensionalen Bewegen des Stabes verbunden ist, und dass der Stab mit einer Messeinrichtung (5, 6) zur Erfassung einer Beschleunigungsänderung des Stabes (1) in Wirkverbindung steht.contraption for detecting obstacles in the direction of movement of a moving object with at least one sensor, which is designed as a rod (1) and the obstacles detected, characterized in that the rod with a movement device (2) for three-dimensional movement the rod is connected, and that the rod with a measuring device (5, 6) for detecting an acceleration change of the rod (1) in operative connection stands.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Hindernissen in Fortbewegungsrichtung eines beweglichen Objektes und ein Verfahren zur Erfassung von Hindernissen in Fortbewegungsrichtung eines beweglichen Objektes nach den jeweiligen Oberbegriffen des Hauptanspruchs.The The invention relates to a device for detecting obstacles in the direction of movement of a moving object and a method for detecting obstacles in the direction of movement of a mobile Object according to the respective preambles of the main claim.

Die Navigation autonomer Robotersysteme ist eng mit der Fragestellung zur Erkennung und Abbildung der Umwelt verbunden. Zur Vorwärtsbewegung bei Robotern ist ständig die Entscheidung notwendig, ob die Bewegung in die geplante Richtung zulässig ist. Unter "zulässig" wird meistens die Frage verstanden, ob die nächste einzunehmende Position "frei" ist. Die endgültige Klärung, ob dies der Fall ist, tritt bei den meisten Systemen jedoch erst ein, wenn der Versuch durchgeführt wird, den Schritt oder die Bewegung wirklich auszuführen. Dabei kann es zu Beschädigungen des Roboters kommen.The Navigation of autonomous robot systems is closely related to the question connected to the detection and imaging of the environment. To move forward in robots is constantly the decision is necessary as to whether the movement in the planned direction is permissible. Under "allowed" is usually the Question understood, whether the next one position to be taken is "free". The final clarification, whether this is the case, however, occurs in most systems, when the experiment is done is really going to perform the step or move. there it can cause damage come of the robot.

Daher ist im Stand der Technik der Versuch gemacht worden, ein Hindernis im Vorhinein zu erkennen. Die dazu verwendeten Verfahren weisen jedoch unterschiedliche Nachteile auf. Beispielsweise versagen optische Methoden in nebligen, schlammigen, staubigen, zu hellen und zu dunklen Umgebungen, wobei auch Glasscheiben als transparente Hindernisse nicht erkannt werden können und daher gefährlich sind. Ultraschall versagt in geschlossenen Räumen unbekannter Architektur und bei weichen Oberflächen. Induktive Abstandssensorik ist nur bei leitfähigen Materialien einsetzbar und kapazitive Abstandssensoren funktionieren nur bei sehr kleinen Abständen und reagieren werkstoffabhängig. Weiterhin sind Taster bekannt, die typische, unflexible Punktabstandsmessungen darstellen und zu einem echten "Scannen" und Abbilden der Umwelt nicht fähig sind, sie detektieren nur genau einen Punkt, wobei sich der Körper des Roboters, der oft das teuerste Bauteil ist, sich häufig bereits im Gefahrenbereich befindet.Therefore In the prior art, the attempt has been made to be an obstacle to be recognized in advance. The methods used for this purpose have but different disadvantages. For example, optical fail Methods in misty, muddy, dusty, too light and too dark Environments, including glass panes as transparent obstacles can not be detected and therefore dangerous are. Ultrasound fails in enclosed spaces of unknown architecture and on soft surfaces. Inductive distance sensors can only be used with conductive materials and capacitive distance sensors work only at very small distances and react depending on the material. Furthermore, probes are known, the typical, inflexible point distance measurements and to a real "scanning" and mapping the Environment not capable are, they detect only one point, whereby the body of the Robot, which is often the most expensive component, often already located in the danger area.

Aus der EP 0 623 861 B1 ist ein Mikroroboter bekannt, der einen Stab als Fühler eines Hindernisses aufweist. Dabei wird der Stab von einem Schrittmotor hin- und herbewegt und es werden die Motorsignale bzw. die bei der Drehung des Motors induzierte Spannung zur Erfassung eines Hindernisses ausgewertet.From the EP 0 623 861 B1 For example, a microrobot is known which has a rod as a sensor of an obstacle. In this case, the rod is reciprocated by a stepping motor and the motor signals or the voltage induced during rotation of the motor for detecting an obstacle are evaluated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Hindernissen in Fortbewegungsrichtung eines beweglichen Objektes zu schaffen, mit dem ein Hindernis sicher erkannt werden kann, unabhängig von der Art der Umgebung, von Materialien des Hindernisses, wobei ein großer Umgebungsbereich abgedeckt werden soll.Of the Invention is based on the object, an apparatus and a method for detecting obstacles in the direction of movement of a mobile Object to create, with an obstacle safely detected can, independently from the nature of the environment, from materials of the obstacle, being a large Surrounding area to be covered.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs in Zusammenhang mit den Merkmalen der Oberbegriffe gelöst.These The object is achieved by the characterizing features of the main claim and the secondary claim solved in connection with the features of the preambles.

Dadurch, dass der Sensor zum Detektieren von Hindernissen als Stab ausgebildet ist, der mittels einer Bewegungseinrichtung dreidimensional bewegt werden kann und dass der Stab mit einer Messeinrichtung zur Erfassung einer Beschleunigungsänderung des Stabes in Wirkverbindung steht, kann ein großer Umgebungsbereich abgetastet werden, unabhängig von dem Zustand der Umgebung. Das Verfahren ist robust und der Aufbau einfach, wobei auch die Kosten niedrig gehalten werden können.Thereby, the sensor is designed to detect obstacles as a rod is, which are moved by means of a moving device three-dimensional can and that the rod with a measuring device for detecting a acceleration change the rod is in operative connection, a large surrounding area can be scanned become independent from the state of the environment. The process is robust and the construction simple, while the cost can be kept low.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.By in the subclaims specified measures Advantageous developments and improvements are possible.

Besonders vorteilhaft ist, dass unter Heranziehung der Messdaten bezüglich der Beschleunigungsänderung und der Bewegungsdaten der Bewegungseinrichtung die genauen Koordinaten des Aufschlagpunktes bestimmt werden können, wodurch durch eine weitere Scannbewegung ein räumliches Hindernis abgebildet werden kann. Aufgrund des stabförmigen Sensors, der die dreidimensionale Bewegung ausführt, kann der ganze Raum durchstreift bzw. betastet werden, bevor der Roboter in diesen Raum eindringt, so dass Beschädigungen am Roboter, die meistens sehr kostenintensiv sind, vermieden werden können. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren auch gegenüber optischen Systemen, wie Kamera und Laser überlegen, da die Umgebung durch ein Bild nur unvollständig beschrieben wird, während sie erfindungsgemäß dreidimensional abgetastet werden kann und sichtbehindernde, aber nicht fortbewegungsbehindernde Hindernisse nicht störend sind.Especially is advantageous that, taking the measurement data with respect to the acceleration change and the motion data of the moving device the exact coordinates of the point of impact can be determined, which by another Scanning motion a spatial obstacle can be displayed. Due to the rod-shaped sensor, which is the three-dimensional Performing movement, the whole room can be roamed or groped before the Robot invades this space, causing damage to the robot, most of the time are very expensive, can be avoided. This is the device according to the invention or the inventive method also opposite optical systems, such as camera and laser superior, because the environment through a picture only incomplete is described while they are three-dimensional according to the invention can be scanned and obstructive, but not obstructive Do not disturb obstacles are.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.One embodiment The invention is illustrated in the drawing and will be described in the following Description closer explained. The single figure shows a schematic representation of the device according to the invention.

In der Figur ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die als wesentlichen Bestandteil einen lang gestreckten schwingfähigen Stab 1 aufweist, der mit einer Bewegungseinrichtung 2 verbunden ist. Die Bewegungsvorrichtung umfasst ein dreidimensionales Gelenk 3, das mit Antrieben 4 verbunden ist, über die die Gelenkelemente betätigbar und damit der Stab 1 in gewünschten Bewegungskurven bewegbar ist. Die Bewegungsvorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung, die die für die gewünschte Bewegung notwendigen Steuersignale an die Antriebe liefert. Die Bewegungsvorrichtung und damit der Stab 1 ist üblicherweise mit einem Roboter (nicht dargestellt) verbunden, der sich in einem Raum fortbewegt. Dabei kann die den Roboter fortbewegende Antriebsvorrichtung zumindest für eine Richtung einen Teil der Bewegungsvorrichtung 2 darstellen, d.h., die eine Richtungskomponente der Antriebsvorrichtung für den Roboter, z.B. die Vorwärtsbewegung wird dem Stab 1 mitgeteilt, während die anderen Richtungskomponenten über das Gelenk 3 dem Stab 1, z.B. für eine kreisförmige Bewegung, mitgeteilt werden.In the figure, the device according to the invention is shown, which is an integral part of an elongated oscillatory rod 1 having, with a movement device 2 connected is. The movement device comprises a three-dimensional joint 3 that with drives 4 is connected, via which the joint elements operable and thus the rod 1 in desired movement curves is movable. The movement device comprises a control device which supplies the control signals necessary for the desired movement to the drives. The movement device and thus the rod 1 is usually connected to a robot (not shown), which moves in a room. In this case, the drive device moving the robot can at least for one direction a part of the movement device 2 represent, that is, a directional component of the drive device for the robot, for example, the forward movement of the rod 1 communicated while the other directional components on the joint 3 the staff 1 , eg for a circular movement.

An dem Stab 1 ist mindestens ein Sensor 5 befestigt, der als Schwingungssensor z.B. als Beschleunigungssensor ausgebildet ist und der eine Beschleunigungsänderung des Stabes 1 detektieren soll. Vorzugsweise ist ein Schwingungssensor 5 an der Spitze des Stabes 1 angebracht oder in dieser integriert. Es können jedoch auch mehrere Sensoren 5 über die Länge des Stabes 1 verteilt sein. Anstelle des oder zusätzlich zu dem mindestens einen Beschleunigungssensor 5 kann ein Dehnungssensor, wie ein Biegestreifen oder ein Torsionssensor oder dergleichen über die Länge des Stabes 1 oder auch am Fuße des Stabes 1 angebracht sein. Torsionssensoren können auch am Gelenk bzw. an den Gelenkelementen vorgesehen sein.At the bar 1 is at least one sensor 5 attached, which is designed as a vibration sensor, for example as an acceleration sensor and an acceleration change of the rod 1 should detect. Preferably, a vibration sensor 5 at the top of the staff 1 attached or integrated in this. However, there may be several sensors 5 over the length of the rod 1 be distributed. Instead of or in addition to the at least one acceleration sensor 5 For example, a strain sensor, such as a flexure strip or a torsion sensor, or the like, may be used along the length of the rod 1 or at the foot of the staff 1 to be appropriate. Torsion sensors can also be provided on the joint or on the joint elements.

Der oder die Sensoren sind Bestandteil einer Mess- und Auswerteeinrichtung 6, die die Sensorsignale erfasst und hinsichtlich des Vorhandenseins einer möglichen Kollision auswertet. Zusätzlich empfängt die Mess- und Auswerteeinrichtung Signale von der Bewegungseinrichtung 2, die beispielsweise die Winkeldaten der Gelenke 3 bzw. die Ansteuersignale der Antriebe 4 enthalten. Die Mess- und Auswerteeinrichtung 6 kann wiederum mit der Steuervorrichtung für die Bewegungseinrichtung 2 verbunden sein, um eine gezielte Steuerung der Bewegung des Stabes 1 abhängig von den Messergebnissen der Sensoren 5 zu ermöglichen.The sensor or sensors are part of a measuring and evaluation device 6 which detects the sensor signals and evaluates for the presence of a possible collision. In addition, the measuring and evaluation device receives signals from the movement device 2 , for example, the angle data of the joints 3 or the control signals of the drives 4 contain. The measuring and evaluation device 6 can in turn with the control device for the movement device 2 be connected to a purposeful control of the movement of the rod 1 depending on the measurement results of the sensors 5 to enable.

Im Betrieb bewegt sich der Roboter, der mit der Vorrichtung nach der Erfindung verbunden ist, beispielsweise in einem Raum vorwärts, während gleichzeitig der Stab 1 zu einer kreisförmigen Bewegung angesteuert wird. Selbstverständlich kann auch eine andere Bewegungskurve, z.B. eine Ellipse oder eine Aufeinanderfolge von linearen Bewegungen verwendet werden.In operation, for example, the robot associated with the apparatus of the invention advances in a room while at the same time the staff is moving 1 is driven to a circular motion. Of course, another motion curve, eg an ellipse or a succession of linear motions may also be used.

Wenn der Stab auf ein Hindernis 7 trifft, wird im Moment der Kollision aufgrund des Abbremsens des Stabes ein unerwartetes hohes Sensorsignal durch die Sensoren 5 erzeugt, das von der Mess- und Auswerteeinrichtung als Kollisionssignal ausgegeben wird.When the rod encounters an obstacle 7 meets, at the moment of collision due to the deceleration of the rod an unexpectedly high sensor signal through the sensors 5 generated, which is output by the measuring and evaluation device as a collision signal.

Das Signal wird durch die Änderung der Beschleuni gung, aber auch durch die entstehende Gegenkraft in den Gelenken oder den Antriebsmotoren induziert, wobei die Gegenkraft durch die Torsionssensoren oder durch das Motormoment, d.h., durch Messen des Stroms erfasst werden kann.The Signal is due to the change the acceleration, but also by the resulting drag in the joints or the drive motors induced, the counterforce through the torsion sensors or through the engine torque, i.e., by measuring of the electricity can be detected.

Beim Auftreffen und dem darauf folgenden Anpressen des Stabes aufgrund der sich zunächst weiter bewegenden Bewegungseinrichtung beginnt der Stab 1 zu vibrieren, d.h., er wird in Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen werden von dem oder den Beschleunigungssensoren 5 erfasst und die erfassten Schwingungen werden über eine Frequenzanalyse, die die Schwingungen in ein Frequenzspektrum umwandelt, ausgewertet. Die Frequenz der dominierenden Schwingungsmode hängt monoton von der freien Schwinglänge des Stabes ab, wobei die Schwinglänge durch den Abstand zwischen Stabspitze und Anpress- bzw. Auftreffpunkt definiert ist. Aufgrund des Frequenzspektrums kann die Frequenz der dominierenden Schwingungsmode in der Mess- und Auswerteeinrichtung 6 bestimmt werden, die eine Kalibrierkurve enthält. Diese Kalibrierkurve wurde im Vorhinein ermittelt, wobei in verschiedenen Abständen entlang des Stabes Auftreffpunkte simuliert wurden und die entsprechend ausgelösten Schwingungen analysiert wurden. Die Kalibrierkurve enthält somit die Abstandsinformation entlang des Stabes 1 abhängig von der Frequenz.Upon impact and the subsequent pressing of the rod due to the first moving moving means of the rod begins 1 to vibrate, that is, it is vibrated. These vibrations are from the acceleration sensor (s) 5 recorded and the detected vibrations are evaluated by a frequency analysis, which converts the vibrations into a frequency spectrum. The frequency of the dominant vibration mode depends monotonically on the free vibration length of the rod, wherein the vibration length is defined by the distance between the rod tip and contact point or impact point. Due to the frequency spectrum, the frequency of the dominant vibration mode in the measuring and evaluation 6 be determined, which contains a calibration curve. This calibration curve was determined in advance, whereby impact points were simulated at different distances along the rod and the corresponding triggered vibrations were analyzed. The calibration curve thus contains the distance information along the rod 1 depending on the frequency.

Die Positionierung des bzw. der Sensoren 5 wird hinsichtlich der Signalstärke, Signalgüte und Aussagefähigkeit ausgewählt. Für die optimale Erfüllung der Anforderungen an die Signaleigenschaften ist die Sensorspitze ausgewählt.The positioning of the sensor (s) 5 is selected in terms of signal strength, signal quality and informative value. The sensor tip is selected to best meet the signal characteristics requirements.

Die Mess- und Auswerteeinrichtung 6 bestimmt somit den Auftreffpunkt in Bezug auf den Stab 1 an sich. Zusätzlich wird die Positionsinformation von der Bewegungsvorrichtung 2 verwendet, die als Winkelsignale der Mess- und Auswerteeinrichtung 6 zugeführt werden. Unter Verwendung dieser Winkelinformation und des Auftreffpunktes entlang des Stabes 1 werden die Koordinaten des Aufschlagpunktes im dreidimensionalen Raum bestimmt.The measuring and evaluation device 6 thus determines the impact point with respect to the rod 1 per se. In addition, the position information from the moving device becomes 2 used as the angle signals of the measuring and evaluation 6 be supplied. Using this angle information and the impact point along the bar 1 the coordinates of the impact point are determined in three-dimensional space.

Unter Verwendung dieser Koordinaten kann die Bewegungseinrichtung 2 dahingehend angesteuert werden, dass das Hindernis mehrfach durch Bestimmen des Aufschlagpunktes auf das Hindernis 7 abgetastet wird, so dass eine Umgebungsdarstellung erzielt werden kann und genaue Aussagen über die nähere Umwelt getroffen werden können.Using these coordinates, the mover can 2 be controlled so that the obstacle several times by determining the impact point on the obstacle 7 is scanned so that an environmental representation can be achieved and accurate statements about the closer environment can be made.

In manchen Fällen ist das Hindernis 7 nicht fortbewegungshindernd, wie beispielsweise bei Zweigen oder biegsamen Ästen. Diese Verschiebbarkeit des berührten Hindernisses kann dadurch festgestellt werden, dass aus dem Eigengewicht des Stabes 1 und der Aufprallgeschwindigkeit ein solches Hindernis verschoben wird, während ein schwererer Körper keine Bewegungsänderung vornimmt. Durch mehrfaches "Antasten" des Hindernisses 7 kann die Mess- und Auswerteeinrichtung 6 feststellen, ob das Hindernis grundsätzlich verschiebbar ist und wenn es so ist, ob es beim Verschieben am neuen Ort verbleibt oder beim nochmaligen Antasten wieder am alten Ort zu finden ist. In letzterem Falle ist das Hindernis, wie die biegsamen Zweige, flexibel.In some cases this is the obstacle 7 not hindrance to movement, such as branches or flexible branches. This shift Barometer of the touched obstacle can be determined by the fact that the weight of the bar 1 and the impact speed such obstacle is shifted, while a heavier body makes no change in movement. By repeatedly "touching" the obstacle 7 can the measuring and evaluation device 6 Determine whether the obstacle is fundamentally displaceable and, if so, whether it remains at the new location when moving it or can be found at the old location when it is touched again. In the latter case, the obstacle, like the flexible branches, is flexible.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Stab 1 mit einer Sollbruchstelle an seiner Basis versehen, wodurch die höherwertigen Komponenten, nämlich die Kinematik (Bewegungseinrichtung) und die Analysehardware (Mess- und Auswerteeinrichtung), die als DSP oder Computer oder dergleichen ausgebildet sein kann, vor mechanischer Überlast, z.B. bei Verklemmungen, geschützt werden können.In a preferred embodiment, the rod is 1 provided with a predetermined breaking point at its base, whereby the higher-value components, namely the kinematics (movement device) and the analysis hardware (measuring and evaluation), which can be designed as DSP or computer or the like, are protected against mechanical overload, eg jamming can.

Es ist auch denkbar, den Schwingungssensor an der Basis hinter der Sollbruchstelle des Stabes zu positionieren, was den Vorteil bringen würde, dass bei Bruch des Stabes der Sensor erhalten bleibt. Allerdings kann dann das Signal nicht über die freie Schwinglänge ausgewertet werden und es muss eine aufwendige Frequenzanalyse durchgeführt werden, da das optimale Signal-Rausch-Verhältnis nur am freien Ende des Stabes, d.h., an der Spitze erreicht werden kann.It is also conceivable, the vibration sensor at the base behind the Predictive position of the rod to position, which bring the advantage would, that at breakage of the rod, the sensor is maintained. Indeed then the signal can not over the free swing length be evaluated and it must be carried out a complex frequency analysis, as the optimal signal-to-noise ratio only be reached at the free end of the rod, i.e., at the top can.

Claims

Device for detecting obstacles in the direction of travel of a moving object with at least one sensor acting as a rod ( 1 ) is formed and the obstacles detected, characterized in that the rod with a movement device ( 2 ) is connected to the three-dimensional movement of the rod, and that the rod with a measuring device ( 5 . 6 ) for detecting an acceleration change of the rod ( 1 ) is in operative connection.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the measuring device at least one on the rod ( 1 ) mounted accelerometer ( 5 ) having.

Apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized characterized in that the measuring device attached to a rod Strain sensor or at least one torsion sensor for detection a counterforce when hitting an obstacle includes.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the rod with a three-dimensionally movable joint ( 3 ), which is part of the movement device.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the measuring device ( 6 ) comprises an evaluation unit which generates the acceleration change signals using the three-dimensional movement data of the movement device ( 2 ) for determining a collision with an obstacle ( 7 ) and / or the position of the contact point with the touched obstacle.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized that the accelerometer is located at the tip of the rod is.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized that the oscillatory rod having a predetermined breaking point.

Method for detecting obstacles in the direction of travel a movable object, in which at least one trained as a rod Sensor detects the obstacles, characterized in that the rod is placed in three-dimensional motion and that a change recorded the acceleration of the rod and closed on an obstacle becomes.

Method according to claim 8, characterized in that that the bending of the rod for determining the impact on a Obstacle is measured.

Method according to claim 8 or 9, characterized that the rod vibrates when hitting the obstacle is added and the vibrations are evaluated by frequency analysis.

Method according to claim 10, characterized in that that the impact point in the longitudinal direction the rod is seen by detecting the frequency of the impact on the obstacle triggered Vibrations and comparison of the frequency with a calibration curve is determined, as a calibration curve, the frequency in dependence from the free oscillation length is recorded.

Method according to one of claims 8 to 11, characterized that the three-dimensional coordinates of the point of impact in space dependent from the movement data of the moving device and the impact point in the longitudinal direction of Staff can be determined.

Method according to one of claims 8 to 12, characterized in that the collision of the rod with an obstacle by measuring the Torsi is determined on on connected to the rod joint elements or by measuring the torque of the drive motor or the rod.

Method according to one of claims 8 to 13, characterized that by repeatedly touching the obstacle and impact of the Sensor signals detected a displacement of the obstacle becomes.

Use of a device according to one of claims 1 to 7 in a robot.