DE102007008903A1

DE102007008903A1 - Einrichtung zum Steuern eines Roboters

Info

Publication number: DE102007008903A1
Application number: DE102007008903A
Authority: DE
Inventors: Fan Dr.-Ing. Habil. Dai; Anke Dipl.-Math. Techn. Frohberger; Björn Dr. Matthias; Joachim Unger
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-08-28
Also published as: EP2125300A1; WO2008101568A8; US20100017032A1; CN101616776A; WO2008101568A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern eines Roboters (10), mit einer Robotersteuereinheit (17), mit wenigstens einer am Roboter angebrachten digitalen Kamera (12), deren Ausgangssignale einer Bilderfassungseinheit (14) zuführbar sind. Die Ausgangssignale der mit der Kamera (12) verbundenen Bilderfassungseinheit sind einer mit dieser verbundenen Bildverarbeitungseinrichtung (15) zuführbar. Mit einer Koordinatentransformationseinrichtung (16), in der die von der Bildverarbeitungseinheit (15) und der Robotersteuereinheit (17) herkommenden Signale zu Robotersteuersignalen verarbeitet und transformiert werden, sind wieder der Robotersteuereinheit (17) zuführbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern eines Roboters.
Roboter werden eingesetzt zur Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere z. B. zum Bearbeiten von Kraftfahrzeugkarosserien, beispielsweise zum Verschweißen oder Lackieren der Karosserien. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, dem Roboter einen Bewegungsablauf vorzugeben, d. h. den gewünschten Bewegungsablauf in eine Robotersteuereinheit einzugeben, so dass der Roboterarm bzw. das daran befestigte Werkstück die Karosserie in der vorgegebenen Weise bearbeitet.
Bei der Bearbeitung kann es vorkommen, dass die Lage und/oder Form des Werkstücks nicht genau der Lage und/oder Form des Werkstücks entsprechen, die theoretisch vorgegeben sein sollen, z. B. kann es sein, dass Kanten zweier miteinander zu verschweißender Blechstücke nicht exakt in der vorgegebenen Linie liegen, sonder schräg dazu oder beide Kanten können einen Winkel untereinander bilden.
Damit derartige Ungenauigkeiten in Form und/oder Lage das Bearbeitungsergebnis nicht beeinträchtigen, ist ein Sensorsystem vorzuziehen, das die tatsächlichen Gegebenheiten erfasst und den Roboter entsprechend ansteuert.
Die Positionsgenauigkeit eines Roboters an sich ist ausreichend, so dass dessen Toleranzen eher vernachlässigbar sind. Andererseits kann es in seltenen Fällen doch vorkommen, dass die Positioniergenauigkeit nicht optimal ist. Dieses kann – in glei cher Weise – mit solchen oben beschriebenen Sensoren ebenfalls erfasst und korrigiert werden. Dennoch richtet sich das Hauptaugenmerk eher auf Ungenauigkeiten und Abweichungen der Lage und/oder Form eines zu bearbeitenden Werkstücks.
Eine Methode besteht darin, mittels einer digitalen Kamera die tatsächliche Lage und/oder Form des Werkstückes aufzunehmen und die Signale in einer Bilderfasssungs- und Bildverarbeitungseinrichtung zu erfassen und zu verarbeiten sowie diese Signale der Robotersteuereinheit zuzuführen, so dass der Roboter nach Vergleich der Istwerte mit den Sollwerten der Bewegung angesteuert werden kann.
Hierbei ist es erforderlich, die Position der Kamera zu kennen. Wenn die Kamera am Roboter angebracht ist, wird sich ihre Position im Raume entsprechend der Bewegung des Roboters ändern, so dass es notwendig ist, den aktuellen Werkzeugmittelpunkt zu kennen. Das Steuerverfahren bei bekannten Einrichtungen geschieht wie folgt:
Der Roboter bewegt sich um eine bestimmte Strecke, hält an, wobei ein Bild aufgenommen wird, das verarbeitet wird, während sich der Roboter zur nächsten Bilderfassungsstelle weiterbewegt. Das bedeutet, dass nur diskrete Punkte bei der Steuerung eines Roboters betrachtet werden können und die Anwendungszykluszeit nicht weiter reduziert werden kann.
Anstatt einer digitalen Kamera können auch andere Sensoren verwendet werden, mit denen die genannten Messungen erfolgen können. Dabei ist auch hier festzuhalten, dass nur diskrete Punkte bei der Steuerung eines Roboters erfasst werden können, wodurch auch die Anwendungszykluszeit nicht weiter reduziert werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der Eingangs genannten Art weiter zu verbessern, dass die Zykluszeit weiter reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die Erfindung besteht demgemäß darin, dass die Einrichtung zum Steuern eines Roboters, mit einer Robotersteuereinheit, mit wenigstem einem am Roboter angebrachten Signale erzeugenden Sensor, dessen Ausgangssignale einer Signalerfassungs einheit zuführbar sind, wobei die Ausgangssignale der mit dem wenigstens einen Sensor verbundenen Signalerfassungseinheit einer mit dieser verbundenen Signalverarbeitungseinrichtung zuführbar sind, und mit einer Koordinatentransformationseinrichtung, in der die von der Signalbildverarbeitungseinrichtung und der Robotersteuereinheit herkommenden Signale zu Robotersteuersignalen verarbeitet werden, die wiederum der Robotersteuereinheit zum Steuern der Roboterbewegung zuführbar sind, versehen ist, wobei die von der Robotersteuereinheit der Koordinatentransformationseinheit zugeführten Signale Echtzeitroboterdatensignale sind.
Wesentlich hierbei ist, dass die Bewegungsdaten des Roboters bzw. die Bewegungsdaten des Werkzeugzentralpunktes in Echtzeit der Signalerfassungseinheit und/oder der Bildverarbeitungseinrichtung zugeführt werden.
Die Einrichtung zum Steuern eines Roboters wird demgemäß aus einer Robotersteuereinheit, vorzugsweise wenigstens einer am Roboter angebrachten Kamera, deren Ausgangssignale einer Bilderfassungseinheit zuführbar sind, wobei die Ausgangssignale der mit der Kamera verbundenen Bilderfassungseinheit einer mit der Bilderfassungseinrichtung verbundenen Bildverarbeitungseinheit zuführbar sind, und aus einer Koordinatentransformationseinrichtung gebildet, in der die von der Bildverarbeitungseinrichtung und der Robotersteuereinheit herkommenden Signale zu Robotersteuersignalen verarbeitet werden, die wiederum der Robotersteuereinheit zum Steuern der Roboterbewegung bzw. des Werkzeuges zugeführt werden, wobei die von der Robotersteuereinheit an die Koordinatentransformationseinheit über eine Signalleitung zugeführten Signale Echtzeitroboterdatensignale sind.
Die Robotersteuereinheit mit der Echtzeitroboterdatenschnittstelle erzeugt vorhergesehene und optional aktuelle Daten des Werkzeugzentralpunktes des Roboters mit korrespondierenden Zeitmarkierungen. Diese Daten werden innerhalb der Robotersteuereinheit mit hoher Genauigkeit und hohen Update-Raten berechnet. Die Kamera wird durch den Roboter gehalten und mit der Bildverarbeitungseinheit verbunden, welche erfindungsgemäß aus drei Untereinheiten besteht:

– Bilderfassungseinheit
– Bildverarbeitungseinrichtung
– Koordinatentransformationseinrichtung oder -einheit.

Die Bildverarbeitungseinrichtung, beispielsweise als Computerprogrammprodukt ausgestaltet, kann sich auf einem externen Computer oder innerhalb der Robotersteuereinheit befinden aber auch Teil der Kamera sein. Sie kommuniziert mit den Robotersteuersoftwaremodulen über die oben genannte Echtzeitroboterdatenschnittstelle.
Wenn die Bildverarbeitungseinrichtung oder -einheit nicht Teil der Robotereinheit ist, dann müssen die Systemzeiten der Robotereinheit und ggf. externen Rechnereinheit synchronisiert werden; es besteht natürlich auch die Möglichkeit, dass die Synchronisierung auf einer gemeinsamen Zeitreferenz basiert. Dies kann mit an sich bekannten Verfahren bewirkt werden.
Die Bilderfassung kann getriggert oder ungetriggert sein. Im ersteren Falle, wenn die Bilderfassung getriggert durchgeführt wird, wird zu jedem Zeitpunkt der Bilderfassung ein Triggersignal (entweder digital oder analog) empfangen, welches durch den Roboter oder andere Vorrichtung erzeugt werden kann. Wenn die Bilderfassung ungetriggert erfolgt, dann führt die Bildverarbeitungseinrichtung die Bildverarbeitung während jeder internen Prozessschleife durch.
Während der Bilderfassung wird die aktuelle Zeit aufgenommen und den Bilddaten und allen folgenden dem Bild zugehörigen Daten zugeordnet.
Die von der Kamera in die Bilderfassungseinheit übertragenen Signale sind entsprechend dem Koordinatensystem der Kamera einander zugeordnet, wobei das Bildkoordinatensystem ein zweidimensionales Koordinatensystem ist, wogegen je nach Anordnung einer Kamera ggf. mit einer Abstandsmessung oder zweier in geeigneter Weise einander zugeordneter Kameras auch ein dreiachsiges, räumliches Koordinatensystem eingesetzt werden kann. Sind mehrere Kameras vorgesehen, sind die Bilder in einem gemeinsamen Gesamtkoordinatensystem eingerichtet, so dass einfach bestimmt werden kann, wo sich das Objekt befindet. Diese in der Bildverarbeitungseinrichtung erzeugten zweidimensionalen oder dreidimensionalen Daten werden in der Koordinatentransformationseinrichtung in solche Koordinaten umgerechnet, die dem Roboter zugeordnet sind, so dass die Robotersteuereinheit in der Lage ist, die Ausgangssignale der Koordinatentransformationseinrichtung aufzunehmen und weiter zu verarbeiten. Koordinatentransformationen werden nach an sich bekannten Methoden durchgeführt, so dass sie hier nicht näher beschrieben werden sollen.
Von Bedeutung ist die Position der Kamera zum Zeitpunkt der Bilderfassung, welche durch Interpolation berechnet werden kann, in dem man die vorhergesagten Roboterwerkzeugzentralpunktdaten benutzt. Optional können die aktuellen Roboterwerkzeugzentralpunktdaten verwendet werden, um zusätzlich eine verbesserte Annäherung zu erhalten.
Diese Stellungen bzw. Positionen können durch eine Prozesssteuereinheit genutzt oder zu der Robotersteuereinheit für die weitere Bearbeitung verwendet werden, d. h. für eine Regelung des Roboters.
Zur Erfassung der Lage und/oder Form, beispielsweise des Werkstückes, welches von dem Roboter bearbeitet wird, können z. B. eine Kamera mit einem Abstandssensor verwendet werden, wodurch die Lage des Objektes im Raum bestimmt werden kann. Darüber hinaus können auch zwei Kameras eingesetzt werden, die eine dreidimensionale Bilderfassung ermöglichen. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit andere Sensoren mit Abstandsmeßeinrichtungen zu verwenden, mit denen die Lage und/oder Form des zu bearbeitenden Werkstückes im Raum festgestellt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigt:
Einzige Fig. eine schematische Flussbilddarstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Ein Roboter 10 trägt am freien Ende seines beweglichen Armes 11 eine digitale Kamera 12, deren Ausgangssignale über eine Signalleitung 13 einer Bilderfassungseinheit 14 zugeführt werden. Die Ausgangssignale der Bilderfassungseinheit 14 werden einer Bildverarbeitungseinrichtung 15 zugeführt, deren Ausgangssignale einer Koordinatentransformationseinheit 16 weitergeleitet werden.
Der Roboter 10 wird von einer Robotersteuereinheit 17 gesteuert, der an die Koordinatentransformationseinheit 16 über eine erste Signalleitung 18 Realzeitroboterdaten übermittelt. Die Signale, die von der Bildverarbeitungseinrichtung 15 und von der Robotersteuerung 17 der Koordinatentransformationseinheit 16 zugeführt werden, werden dort verarbeitet, in vom Roboter lesbare oder interpretierbare Koordinaten transformiert und über eine zweite Signalleitung 19 der Robotersteuereinheit 17 zugeführt, wodurch ein Regelkreis für die Robotersteuerung hergestellt ist.
Die Signalleitungen 13, 18, und 19 können durch Verbindungsleitungen gebildet sein; es können auch Busverbindungen verwendet werden oder interne Datenverbindungen.
Sie sollten hier nur andeuten, dass bestimmte Signale von einem Ausgang einer Einheit zu dem Eingang der nächstgelegenen Einheit übertragen werden.

10: Roboter
11: beweglicher Arm
12: digitale Kamera
13: Signalleitung
14: Bilderfassungseinheit
15: Bildverarbeitungseinrichtung
16: Koordinatentransformationseinrichtung oder -einheit
17: Robotersteuereinheit
18: erste Signalleitung
19: zweite Signalleitung

Claims

Einrichtung zum Steuern eines Roboters (10), mit einer Robotersteuereinheit (17), mit wenigstem einem am Roboter (10) angebrachten Signale erzeugenden Sensor (12), dessen Ausgangssignale einer Signalerfassungseinheit (14) zuführbar sind, wobei die Ausgangssignale der mit dem wenigstens einen Sensor (12) verbundenen Signalerfassungseinheit einer mit dieser verbundenen Signalverarbeitungseinrichtung (15) zuführbar sind, und mit einer Koordinatentransformationseinrichtung (16), in der die von der Signalverarbeitungseinrichtung (15) und der Robotersteuereinheit (17) herkommenden Signale zu Robotersteuersignalen verarbeitet werden, die wiederum der Robotersteuereinheit (17) zum Steuern der Roboterbewegung zuführbar sind, wobei die von der Robotersteuereinheit (17) der Koordinatentransformationseinheit (16) zugeführten Signale Echtzeitroboterdatensignale sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor eine digitale Kamera dient, dass die Signalerfassungseinheit (14) eine Bilderfassungseinheit und die Signalverarbeitungseinrichtung (15) eine Bildverarbeitungseinrichtung ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera mit einem Abstandsmesselement gekoppelt ist.