Verfahren zur Vermeidung von Kollisionen gesteuert beweglicher Teile einer Anlage

Abstract

Dieser technische Bericht beschreibt das Verfahren zur Vermeidung von Kollisionen gesteuert beweglicher Teile einer Anlage, wie es durch das Deutsche Forschungszentrum für künstliche Intelligenz beim Deutschen Patentamt unter 102009006256.4-32 zum Patent [1] angemeldet wurde. Das Verfahren dient der zentralen Überwachung bewegter Anlagenteile (u.a. Roboterarme und Fahrzeuge) zum Schutz vor Kollisionen mit einander oder mit der Umwelt. Es ist entsprechend mit und ohne die zusätzliche sensorielle Erfassung von Hindernissen einsetzbar. Wesentlicher Bestandteil des Algorithmus ist die Darstellung des von einem bewegten Anlagenteil während seiner Bewegung überstrichenen Volumens in Form der konvexen Hülle einer endlichen Punktmenge zzgl. eines Pufferradius. Diese Darstellung ist robust und in Echtzeit ohne numerische Probleme berechenbar. Die Darstellung wird für alle involvierten Körper berechnet und anschließend dazu verwendet, alle relevanten Paare von Körpern oder die sensoriell erfassten Bereiche der Umwelt auf Kollisionen zu testen. Dazu wird ein neuer und echtzeitfähiger Algorithmus angegeben. Alle Berechnungen werden mittels konservativer Abschätzungen durchgeführt, so dass ein mathematisch beweisbar sicheres Gesamtsystem entsteht. Es werden einige solcher konservativer Abschätzungen für unterschiedliche Teile einer bewegten Anlage angegeben, die es dem Anwender des Verfahrens ermöglichen, bei der Beschreibung der Anlagengeometrie und —kinematik zwischen einer möglichst exakten Modellierung und einer einfacher und schneller berechnenbaren zu variieren. Für Fahrzeugtrajektorien (z.B. Bremsbewegungen) wird außerdem ein Konfigurationsraum verwendet, der es erlaubt Kurven- und Kreisfahrten einheitlich und ohne Singularitäten zu modellieren.

This technical report describes the collsion avoidance method emph{Verfahren zur Vermeidung von Kollisionen gesteuert beweglicher Teile einer Anlage} as applied for a patent by the German Research Center for Artificial Intelligence under No. text{102009006256.4-32}. The method allows to centrally monitor moveable parts of a machine (e.g. robot arms or vehicles) and so avoids collisions among the machine parts or with the environment. For this it can be used with or without additional sensorial perception of the environment. A basic idea of the described method is representing the volume touched by one part of a machine while its movement as the convex hull of a finite set of points expanded by a buffer radius. This representation is robust, real-time computable, and does not have numerical difficulties. The representation is computed for all involved parts of the machine. Afterwards all relevant pairs of volumes, or the sensed environment respectively, are checked for collisions. To do this, a new real-time algorithm is presented. All computations performed by the method are conservative approximations, which results in the system as a whole being safe in a strict mathematical sense. The technical report offers a couple of versions for these conservative approximations. With this set of approximations the user is enabled to trade a more exact model of his machine against a more easier and faster one. Concerning vehicle trajectories (e.g. braking trajectories) the usage of a new configuration space is described also. Its main advantage is a joint modeling of straight and circular trajectories and even turning on the spot without singularities, which for instance occur with radius or curvature as parameter.