至少两个相互运动的物体的可能相撞的确定方法

摘要

一种通过对两个物体的预定相对运动的模拟来确定至少两个相互运动的物体的可能相撞的方法。根据本发明，至少一个物体(K1、K2)配置一个内包迹和一个外包迹(I1，A1；I2，A2)，其中内包迹(I1、I2)包络该物体(K1、K2)，而外包迹(A1、A2)则包络内包迹(I1、I2)；以所述的至少一个物体(K1、K2)的外包迹(A1、A2)为依据进行两个物体(K1、K2)的重叠的探测，并在探测到轨迹(B)的一段(T)内存在重叠(L)时，用一个较小的第二步距(Sk)重新通过轨迹(B)的这段(T)，在重新通过轨迹(B)的这段(T)时，以至少一个物体(K1、K2)的内包迹(I1、I2)为依据进行重叠(L’)的探测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种至少两个相互运动的物体的可能相撞的确定方法。

背景技术

在用该方法中，要对至少两个相互运动的物体的规定的相对运动进行模拟，在模拟时，至少一个物体配置一个包络该物体的包迹，此外，在模拟时，代表这两个物体的相对运动的轨迹应按一个确定的步距步进；并且在模拟时，为了确定物体的可能碰撞，必须确定该轨迹在步进过程中这两个(被模拟的)物体产生的重叠，且以该至少一个物体的对应包迹的外轮廓为依据进行重叠探测。

这种方法用于对机床的机器部件，例如对回转工作台、舱壁、刀具、主轴头等等进行碰撞监控，以便提前发现可能的碰撞，并用机床控制系统避免碰撞。

为了在模拟单个机器部件的运动时能以足够的速度进行所需的计算，被监控的物体不论具有何等复杂的几何结构都用一个包络该物体的相应包迹来表示。这样，在模拟时，不是用相对运动的物体的真实几何形状，而是用配属于该物体的包迹的几何形状来进行碰撞监控，这种包迹一般由诸如球体、长方六面体、圆柱体、棱柱体和棱锥体这类简单几何形状的物体组成。所以为了提前发现碰撞，在进行对配属有一简单几何形状的包迹的被监控物体的模拟时，在监控过程中，不是确定该物体本身与另一物体或其包迹的重叠，而是确定配属于该物体的包迹与另一物体或与配属于另一物体的另一包迹的可能重叠。

代表要进行碰撞监控的相互运动的物体的相对运动的轨迹描述这些物体例如在一个机床控制系统中存储的确定的控制程序的流程中所处的可能的相对位置。在机床的情况中，这条轨迹的个个点分别相当于被监控的物体相对于该机床的机床坐标轴的一个确定的位置，亦即既相当于沿个个机床坐标轴的直线运动的一个确定的位置，又相当于围绕机床坐标轴的旋转运动的一个确定的位置。所以这里所谓的轨迹是泛指待碰撞监控的物体在一个确定的例如通过一个控制程序被预先给定的相对运动中所处的全部相对位置的组合。其中确定一种可能碰撞的相应模拟在该机床控制系统中或在一个与该机床控制系统连接的计算单元中进行，所以该机床控制系统在必要时可通过停止这种相对运动或通过改变这种相对运动来阻止真实的、被监控物体的碰撞。

在模拟时，下面的表述，即为了检定两个物体的重叠，即相互穿插是“以所述物体对应的外轮廓为依据”，在检定两个被监控的(模拟的)物体的重叠或相互穿插并不涉及到这两个物体在其具体的真实的几何形状方面是否重叠，而是只涉及到一个相关物体对应的包迹是否与另一物体对应的包迹重叠，或者说，只涉及到这个物体对应的包迹是否与另一个物体对应的包迹重叠。所以在两个被监控的物体分别对应一个包迹的情况中，要考虑这两个包迹的相互穿插。如果两个物体中只有一个物体配置一个包迹，则只考虑该包迹与另一物体的重叠。

上述那种监控碰撞的方法例如可从EP 0 268 317 A2中分开。

这种方法存在的问题是，为了可靠地识别两个相对运动的物体的可能的碰撞，代表被监控物体的相对位置的轨迹必须用一个尽可能小的步距步进被通过，因为在用太大的步距时，恰好可能跳过轨迹的那些可能存在碰撞危险的轨迹点。这是与用尽可能少的计算时间进行碰撞监控的要求是矛盾的。

发明内容

所在本发明的课题是改进本文开头所述类型的那种碰撞监控的方法。

根据本发明，这个课题是通过提出一种具有权利要求1的特征的方法来解决的。

据此，在模拟时，被监控物体的至少一个物体需配置一个内包迹和一个外包迹，其中，该内包迹包围该相应物体，而该外包迹则包围该内包迹并与之相隔一定的距离，其中为了检定两个相对运动的物体的重叠，首先以该至少一个物体的外包迹为依据，并在确定这个重叠后，在此基础上，重新用一个较小的、第二步距通过代表两个物体相对运动的轨迹的与重叠相关的区段，并在重新通过轨迹的这段时，为了检测重叠，以该至少一个物体的内包迹为依据。

本发明的解决方案是基于这样的认识：即在多数情况中，被监控的、相对运动的物体相互间具有这样的距离，以致用一个尽可能精确匹配被监控物体的包迹和一个相应小的步距来进行精确的碰撞监控是完全不需要的。作为替代这里首先用一个较大的外包迹进行粗监控，这种粗监控表明一个相应较大的步距是正确的。因为在用一个足够大的包迹监控碰撞时，更容易发生一个显示碰撞危险的重叠，所以即使在用较大的步距时也能可靠地保证，不会忽略可能的碰撞。在任意的个别情况中，一方面外包迹的尺寸相对于被监控物体的尺寸和另一方面被配属的步距之间的合适的比例都是借助被监控物体的性能以及借助所用的包络体的几何形状来确定的。

较大步距的相继的步和较小步距的相继的步都是如此地选择的，即这些步相互邻接。大步距的步覆盖整个轨迹，两个被监控的物体优先(但不是必须)沿着该轨迹进行相对运动，并且不产生个个相继的步的重叠。这同样适用于涉及该轨迹的一个相关区段的小步距的第二步进。其中，个个步总是审慎的和有限的。

从表面上看，用较大的、配属于个个物体的包络体进行碰撞监控存在明显的缺点：即如果被配属的物体本身事实上根本没有重叠时，往往也将可观察到相对于所用的包络体的重叠。但在本发明提出的方法中，这个想象的缺点是可以这样避免的，即：在识别出涉及较大的外包络体的重叠时，还不是必然存在碰撞的依据，而只是需要再一次检查碰撞的存在，也就是说让涉及的一个相应较小的、配属于被监控物体的包络体在使用一个相应较小的、细的步距的情况下通过该轨迹的这样一个区段，在该区段上，先前由于一次—涉及较大的外包迹的—重叠而曾表明存在碰撞的危险。

在下面详细说明本发明方法时涉及两个相对运动的物体的碰撞。但本发明的方法当然也可用于属时可监控两个以上的相互运动的物体的场合，其中，如果对两个被监控的物体或其配属于这两个物的包迹进行的模拟显示出重叠，则总是可假设有碰撞。就这点而言，在进行两个以上的相对运动的物体的碰撞监控时也总是存在确定至少两个被监控物体的碰撞问题。

内包迹离被配属的物体的外轮廓的全部点优先有一个有限的最小距离；外包迹离被配属的内包迹的全部点也优先有一个有限的最小距离，这样相应的外包迹比相应的内包迹离被分配的物体具有一个较大的最小距离。但原则上不排除的是，内包迹接触被监控物体的个别点并且外包迹接触被配属的内包迹的个别点。

应用其确定被监控物体相对于当时的物体的外包迹的可能碰撞的粗的第一步距分别根据依赖于该外包迹离被分配的物体的外轮廓的最小距离被确定。外包迹与其被包络的待监控的物体之间的距离越大，则第一步距就可被选择得越大，而不存在忽略可能碰撞的危险。

按相应的方式，用于重新通过轨迹的被视为有碰撞危险的区段的，较小的第二步距也内包迹离被分配的、待监控的物体的最小距离有关。

此外，所选用的步距也可由轨迹的走向，即被监控物体的相对运动的类型来确定，以及还与个个包络体的绝对尺寸有关。所以对相关步距的确定例如有意义的是，被监控的运动是直线运动还是旋转运动，因为在描绘这种运动的轨迹的半径有关的旋转运动中，在同样的角度变化的情况下可能产生差异很大的走过的路段。

两个相对运动的物体的被监控的相对运动经常是直线性运动和旋转运动的组合。

特别是对具有多个参与碰撞监控的物体的机床中，通过碰撞监控不涉及到那些由于机床的设计事先就排除了相对运动的物体的相对运动的碰撞而可明显减少计算工作量。例如一个旋转支承的机床工作台(回转工作台)不可能与一个沿一圆形轨道围绕着该回转工作台的固定外舱碰撞，因为在回转工作台的纯粹旋转运动的情况下，回转工作台和外舱之间的距离是保持不变的。这时如果对这两个物体进行碰撞监控，则会花费不必要的计算时间。

此外，不必总是都用一个包这把整个相关联的物体或机床的机器部件包络起来，只要只有一个物体或一个机器部件的一部分区域与另一物体或机器部件通常可能相撞，可把一个完整物体或机器部件的这部分区域视为被监控的物体用一个包迹包络。所以，所谓被监控的物体或机器部件总是指例如一台机床的那个真正纳入碰撞监控的部件或分部件，且该部分被分配一个相应的包迹，以便于模拟。

本发明方法的其他细节和优点在结合附图对实施例的下列说明中变得清晰。

附图说明

图1两个为了碰撞监控分别配属有一个内包迹和一个外包迹的相对运动的物体；

图2图1的两个物体沿一条涉及该外包迹的轨迹进行相对运动时的碰撞监控；

图3图1所示的两个物体在图2所示的轨迹的一个分段内涉及相应的内包迹运动时的精细的碰撞监控；

图4用图示法说明一个相关物体只配置一个包迹进行监控时所出现的缺点；

图5用图示法说明在通过一个相关的轨迹时的一个合适步距的一种确定方法。

具体实施方式

在图1中以两个物体K1，K2的形式示出了两个相对运动的物体，这两个物体例如可以是一台机床的机器部件，它们在机床操作工序的范围内应沿一条由机床控制系统预先给定的轨迹B被相互运动。

为了确定两个物体K1、K2在沿轨迹B进行由机床控制系统预先给定的相对运动的过程中是否相撞，在实际实施相应的机床操作之前，这两个物体K1、K2的相对运动通过机床控制系统或通过一个与该机床控制系统连接的计算单元被模拟。就是说，在本实施例中，先检查这两个物体K1，K2在沿轨迹B运动的过程中是否产生接触。在这种情况中，不允许进行相应的机床操作。

为了用模拟进行这种碰撞监控，两个被监控物体K1、K2的任一个都配置一个内包迹I1，I2以及一个外包迹A1，A2。这有利于碰撞监控的简化，因为由于被监控的机器部件大都具有复杂的几何结构，若用其真实的几何形状进行碰撞监控，势必导致太大的计算花费。

所以，为了进行碰撞监控，选择了比较简单的几何(包络)体，例如球体、长方六面体、圆柱体、棱柱体或棱锥体，为了进行对一定的机器部件的模拟，这些几何体又可相互组合。有关有碰撞危险的机器部件的合适模拟的选择细节以及被模拟的机器部件的可能重叠的适宜计算方法例如可参阅G.Pritschow和M.Kremer在《WtWerkstattechnik online》92卷、218～222页(2002年)上发表的文章以及该文引用的文献。

下面借助图2和3说明的碰撞识别方法的特点在于，按图1被监控物体K1、K2的任一个物体不是象先有技术通常那样只配置一个单一的模拟该物体的包迹，而是分别配置一个内包迹I1或I2以及一个外包迹A1或A2。其中，该内包迹I1或I2包络被分配的物体K1或K2并与各被分配的物体K1或K2的外轮廓有一个最小距离m1或m2。外包迹A1或A2包络被分配的物体K1或K2的内包迹I1或I2并离该内包迹有一限定的最小距离a1或a2。如果相应的内包迹和被配属的外包迹选择地通过同心圆被形成，则其间的距离对相应包迹的全部点都是恒定不变的。

在所示的实施例中，被监控的物体K1、K2分别作为二维形体和所属的包迹I1、A1和I2、A2分别作为正方形示出。其中，内正方形I1、I2分别以一个确定的最小距离m1或m2直接包络物体K1、K2之一，而外正方形A1、A2则分别以一个确定的最小距离a1或a2包络一个被配属的内正方形I1、I2。

在延伸成三维的情况时，则正方形分别用立方体或长方六面体代替。但如前所述，也可用别的包络体例如球体、圆柱体、棱柱体或棱锥体以及这类简单几何体的组合来模拟以具体的机器部件的形式出现的被监控物体K1、K2。

代表待碰撞监控的物体K1、K2的相对位置的轨迹B在主要是一条直线。但下面所述的碰撞监控方法也可按相同方式用于两个物体的旋转相对运动以及普遍用于，后者通过曲线轨迹被描述的和例如由直线运动和旋转运动组合而成的相对运动。

在进行碰撞检验时，按图2，轨迹B首先用一较大的步距Sg被通过，并借助待碰撞试验的物体的外包迹A1和A2的重叠或相互穿插来检验这两个相互运动的物体之间的可能发生的碰撞。如果在这些步中的一步中发现在外包迹A1、A2之间产生这样的重叠L，则说明在其中实施该步的轨迹B的一个区段内这两个被监控的物体存在着碰撞的危险。但还不能从中得出，在轨迹B的该相应区段内真正会发生这种碰撞；因为出现的重叠L也可能只是由于被监控物体的外包迹A1、A2的特殊尺寸所致。

所以如图3所示，其中由于外包这A1、A2的重叠而存在碰撞危险的轨迹B的那个区段T重新用一个较小的步距Sk被通过，这时，碰撞的危险借助配属于这两个被检物体的较小的内包迹I1、I2的重叠被检查。如果出现一次重叠L’，则说明这两个被监控的物体在通过轨迹B运动时确实存在相撞的危险，并且如果相对运动的物体是两个其相对运动由机床控制系统被确定的两个机器部件，则必须例如通过该机床控制系统的重新编程来进行该轨迹的相应校正。

具体地说，其重新用一个较小的步距Sk被通过的一个相关区段T的确定优先按这样的方式进行，即该确定分别包括较大步骤Sg的全部相继的、其在第一次通过轨迹B时在外包迹A1、A2之间曾被配属一个重叠L的步，也就是说，区段T总是在其中在外包迹A1、A2之间确定了一个重叠L的较大步距Sg的第一步的始点开始，并包括较大步距Sg的所有紧接着的步在其中在外包迹A1、A2之间一个重叠同样被确定的，—直到较大步骤Sg的随后的、在该处没有发现这两个物体K1、K2之间的重叠L的第一步的终点为止。其中较大步距Sg的相继的步(也象较小步距Sk的相继的步那样)是如此选择成直接相邻的，即它们相互紧随。所以较大步距Sg的步覆盖整个两个被监控的物体K1、K2优先(但不是必须)沿其被相对运动的轨迹，而有利地不出现个步的重叠。这也适用于涉及轨迹B的区段T的较小的步距Sk。

在极端情况中，即只在较大步距Sg的一个单步过程中在第一次通过轨迹B时就发现外包迹A1、A2之间的重叠L，轨迹B的相应区段T正好在较大步距Sg的那个步的两个端点之间伸展。如果在较大步距Sg的多个相继步进中，在外包迹A1、A2之间检出重叠L，则轨迹B的区段T在其中曾被确定有重叠L的第一步的始点和较大步距Sg的最后的步的至其有重叠L持续被确定的终点之间伸展。

当然，在通过代表两个被监控物体K1、K2的相对运动的轨迹B时可能确定多个区段T，用较大的第一步距Sg沿这些区段步进时，分别在外包迹A1、A2之间确定一持续的重叠L。然后用较小的步距Sk重新通过这些单个的区段T中的每一个区段T进行更精确地检测。

通过以用大步距和相应大外包络体的第一次粗监控以及对轨迹的特别是在第一次粗监控时被确定为可能产生碰撞的区段的第二次精监控表现形式的上述碰撞监控，用较少的计算花费就可达到可靠地测出确实可能存在的碰撞；但同时防止了单是基于用大步距Sg通过相关轨迹B的较大外包迹的重叠就认为有碰撞并由此停止进行的机床操作。

根据机床在运动时被检测的机器零件预料的相对运动的范围，粗略的碰撞监控完全可在规定的机床操作开始之前进行，或在实施机床操作的过程中动态进行—但总是在相应机床操作之前留有这样一个时间间隔，使参与物体的外包迹A1、A2之间出现重叠L后还有足够的时间在涉及参与物体的内包迹I1、I2的情况下进行精细的碰撞检验，并根据这个精细的碰撞检验结果及时停止会导致碰撞的机床操作。

内包迹I1、I2离被配属的物体K1、K2的最大距离越小，亦即内包迹I1、I2模拟被配属的被监控物体K1、K2越精确则由于错误确定的、迫近的碰撞而停机的风险越小。当然，在更精确模拟的情况下，势必增加碰撞监控所需的计算费用，这时必须考虑到内包迹I1、I2离被配属的被监控物体的最小距离越小，小步距Sk就必须选择得越小。在其中内包迹很精确模拟被配属的物体的极端情况中，模型和对应的被监控物体实际上是重合的，这时精细的碰撞监控必须用无限小的步距连续进行。

图4清楚地表明，在同时使用较小的内包迹I1、I2作为参照物体来确定重叠的情况下，用较大步距Sg沿着描述两个要进行碰撞监控的物体的相对运动的轨迹B移动，可能会导致对图2和3所揭示的可能碰撞的忽视。

所以，重要的是，在用大步距Sg沿轨迹B移动时也相应地用大包络体A1、A2作为被监控物体的模型，并在涉及到用于确定重叠的较小的内包迹I1、I2的情况下在对轨迹B进行精细的探测时也用一个相应小的步距Sk。

根据图5，在沿轨迹B的第一次移动时以及在稍后沿轨迹B的区段T移动时，可用一个合适的步距进行检测。

图5从一种“最坏的情况”出发，即从为了确定被监控物体K1、K2的碰撞或被配属的包迹H1、H2的重叠，其中需要特别细的步距的碰撞情况出发。下面的考虑原则上既适用于对第一个大步距Sg的确定，又适用于对第二较小步距Sk的确定。所以，在图5中用H1和H2表示的包迹可选择地用于图1至3所示方法的外包迹A1、A2或内包迹I1、I2。

在图5所示的情况中，假定两个被监控的、具有一个任意小的厚度d1或d2，即在极端情况中，d1趋于零和d2趋于零的物体K1、K2出发。其中，两个物体K1、K2沿其相对运动的轨迹B垂直于这两个物体K1、K2的长度延伸，亦即平行于轨迹B的这两个物体K1、K2的尺寸d1、d2是极小的或趋于零。

此外，从图5可看出，在第一物体K1在该处观察到的步进沿轨迹B用步距S(该步距可代表较小步距Sk或较大步距Sg)的情况下，第二物体K2正好位于步距S的所述步进的始点和终点之间的中心。

其中，相应的包迹H1、H2分别以一个最小距离ma1或ma2包络对应的物体K1或K2。对于相应的包迹H1、H2分别代表一个内包迹I1或I2的情况，这个最小距离ma1、ma2分别相当于图1至3的相应内包迹I1或I2与对应物体K1、K2之间的最小距离m1或m2。而对图5中的相应包迹H1、H2是图1至3中的实施例的外包迹A1和A2的情况，则该最小距离ma1、ma2相当于相应物体K1、K2与外包迹A1和A2之间的最小距离。

如图5清楚示出的那样，当第一物体K1相对于第二物体K2沿着轨迹B运动时，第一物体K1与第二物体K2相撞。如果用—定的步距S的审慎的有限的步沿轨迹B移动，则这种相撞必须被探测，这时这两个物体K1、K2之间的碰撞应借助被配导的包迹H1、H2的重叠被确定。

图5表示，当步距S—在极端情况中，d1趋于零和d2趋于零—最大等于两个最小距离ma1和ma2的二倍之和即S≤2*ma1+2*ma2时，在步距S的所述的步进的过程中，在两个包迹H1、H2之间产生至少一最小的(无穷小的)重叠L(即接触)。

在两个物体K1、K2朝轨迹B方向的有限伸展的(真实)情况中，即d1＞0和d2＞0的情况下，步距S尚可选择得大d1+d2之和。但如果忽略两个物体K1、K2朝轨迹B方向的伸展，则可用S＜2*ma1+2*ma2定律对步距S作出规定，用该规定，两个物体K1、K2之间的碰撞通过相应的包迹H1，H2的重叠L可靠地被识别。

但在使用这个定律时，应考虑到在弯曲轨迹和有限伸展的物体的情况下，例如在由圆形轨道描述的相对运动时，相关物体的个个点根据离相应的曲线运动(例如圆周运动)的中心距离在一个相应确定的步进时用一个不同的步距被运动。所以例如在沿一个圆形轨道运动时，一个物体离描述相应轨道的圆的中心(中点)最远的那些点的局部步距最大，也就是说在曲线轨迹B例如为圆形轨道时，一般应局部分析地(局部地)注意一个物体K的个个点的步距。

在各个具体情况中，最佳步距通常是通过数学评估，例如上述类型的组合用经验值被确定，尤其是在被监控的物体的几何形状以及两个物体沿其相互运动的轨迹的几何形状复杂的情况下。