DE102009042702A1

DE102009042702A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Orientierung und Position eines Punktes einer Mehrachskinematik

Info

Publication number: DE102009042702A1
Application number: DE102009042702A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Höller; Marc Dr. Tremont; Oliver Dr. Schmidt; Marc Dr. Wagener
Original assignee: Carl Zeiss AG; Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss AG; Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2011-03-31
Also published as: WO2011036033A1

Abstract

Es werden Verfahren und Vorrichtungen bereitgestellt, bei denen eine Position an einem Abschnitt (31) einer Mehrachskinematik (2) durch eine optische Messung bestimmt wird und die Orientierung des Abschnitts (31), basierend auf Steuerdaten der Mehrachskinematik (2), erhalten wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Orientierung und Position eines Punktes an einer Mehrachskinematik, d. h. eines Punktes einer Mehrachskinematik oder eines Punktes eines an der Mehrachskinematik angebrachten Gegenstandes.
Unter einer Mehrachskinematik wird dabei eine Vorrichtung verstanden, bei welcher Bewegungen durch eine Mehrzahl von miteinander gekoppelten Achsen realisiert werden können. Beispiele für derartige Mehrachskinematiken sind Roboterarme, wobei an den Enden derartiger Roboterarme oder auch an anderen Punkten der Roboterarme Messgeber, Werkzeuge und dergleichen befestigt sein können.
Zum Vermessen von Objekten mit derartigen Messgebern bzw. zum Bearbeiten von Objekten mit derartigen Werkzeugen ist es je nach Messgeber bzw. Werkzeug nötig, die Position des Punktes der Mehrachskinematik, an welchem der Messgeber bzw. das Werkzeug angebracht ist, sowie die Orientierung der Mehrachskinematik an diesem Punkt, welche dann die Orientierung des Messgebers bzw. Werkzeugs beeinflusst, genau zu kennen.
Ein spezielles Beispiel für derartige Vorrichtungen mit Mehrachskinematik sind industrielle Koordinatenmessmaschinen, bei welchen am Ende eines Roboterarms ein taktiler oder optischer Sensor angebracht ist, mit welchem eine Oberfläche eines Objekts vermessen werden kann. Um aus dem Signal des taktilen oder optischen Messgebers auf die Koordinaten des gerade vermessenen Punktes Rückschlüsse ziehen zu können, ist dabei eine Kenntnis von Position und Orientierung des Messgebers, welche wiederum von Position und Orientierung einer Punktes des Roboterarms, an welchem der Messgeber angebracht ist, abhängt, zu kennen.
Grundsätzlich ist eine Bestimmung von Position und Orientierung auf Basis von Steuerdaten der Mehrachskinematik möglich. Bei typischen Winkelauflösungen im Bereich von 0,00005 Grad bis 0,0002 Grad ergeben sich bei einer typischen Mehrachskinematik mit 6 Achsen eine Genauigkeit der Bestimmung von Position von ungefähr +/–0,025 mm. Dies ist für manche Anwendungen wie beispielsweise für die oben erwähnten Koordinatenmessmaschinen zu ungenau.
Daher wurden Verfahren und Vorrichtungen entwickelt, bei denen die Position beispielsweise eines Endpunktes eines Roboterarms mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
Die Realisierung von Vorrichtungen und Verfahren, bei denen Positionen in Räumen von einigen Metern Länge mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich bestimmt wird, stellt dabei eine technische Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere, wenn Positionen mit einer hohen Rate und kurzen Signalverarbeitungszeit bestimmt werden sollen, um eine Positionsbestimmung in Echtzeit zu ermöglichen, und eine Justage von Komponenten der Messvorrichtung möglichst einfach vornehmbar sein soll.
Lasertracker, die die Bestimmung der drei Raumkoordinaten eines Objekts ermöglichen, kombinieren ein Laserweglängenmessgerät mit einem hochpräzisen, doppelkardanisch aufgehängten Umlenkspiegel. Aus dem gemessenen Abstand und den beiden Ablenkwinkeln des Umlenkspiegels kann die Objektposition bestimmt werden. Derartige Lasertracker erfordern jedoch eine präzise Steuerung der Umlenkspiegel und eine genaue Kenntnis des jeweiligen Ablenkwinkels des Umlenkspiegels. Die entsprechende Aktorik stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar.
Bei geometrisch optischen Verfahren wird beispielsweise eine am Objekt befestigte Lichtquelle mit mindestens zwei Kameras beobachtet und daraus die Objektposition mittels Triangulation bestimmt. Diese Verfahren werden jedoch häufig ungenau, wenn der Abstand von Kamera zu Objekt stark variiert.
Aus der DE 101 18 392 A1 ist ein System und ein Verfahren zum Bestimmen einer Position zweier Objekte zueinander bekannt. Das Verfahren verwendet die Kohärenzeigenschaften von Laserstrahlung zur Abstandsermittlung, bei der mehrere Lichtstrahlen kohärent überlagert werden.
Laserweglängenmessgeräte erlauben die Bestimmung eines Abstands eines Objekts. In K. Minoshima and H. Matsumoto, „High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512–5517 (2000) wird eine Distanzmessung unter Verwendung von Frequenzkämmen beschrieben. Die Messung kann zwar mit hoher Genauigkeit erfolgen, ist aber auf eine Dimension beschränkt.
Die oben erwähnten Verfahren liefern dabei lediglich eine Position eines Punktes einer Mehrachskinematik, ergeben jedoch keine Informationen über dessen Orientierung.
Aus der DE 10 2004 021 892 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher zur Bestimmung einer Position und einer Orientierung nacheinander 6 verschiedene Retroreflektoren mittels eines sogenannten Lasertrackers angemessen werden. Ein derartiges System ist jedoch messtechnisch relativ aufwendig.
Es ist daher eine Aufgabe, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, wobei Position und Orientierung eines Punktes einer Mehrachskinematik auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 11. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren und Vorrichtungen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bereitgestellt, umfassend:
Bestimmen einer Position eines Punktes an einem Abschnitt einer Mehrachskinematik durch eine optische Messung, und
Bestimmen einer Orientierung des Abschnitts der Mehrachskinematik bei dem Punkt auf Basis von Steuerdaten der Mehrachskinematik.
Durch Kombination einer optischen Messung der Position mit der aus den Steuerdaten gewonnenen Orientierung kann eine hohe Genauigkeit bei gleichzeitig reduziertem Messaufwand erzielt werden.
Die Steuerdaten können dabei beispielsweise Daten eines Steuerprogramms der Mehrachskinematik oder von von in der Mehrachskinematik eingebauten Winkelgebern gewonnene Daten sein.
Der Punkt kann ein Punkt der Mehrachskinematik sein, und an dem Punkt kann ein Messgeber oder ein Werkzeug angebracht sein. In diesem Fall kann das Verfahren zudem ein Bestimmen einer Endposition des Messgebers bzw. des Werkzeugs auf Basis der Orientierung bei dem Punkt und der Position des Punktes ermöglichen.
Weitere, teilweise optionale oder fakultative Merkmale und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.
Dabei zeigt die einzige Figur ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Anwendung ein Roboterarm 2 verwendet, welcher ein Beispiel für eine Mehrachskinematik ist. Wie im Folgenden detaillierter erläutert ist an einem letzten Glied 31 des Roboterarms 2 ein Retroreflektor 25 angebracht, dessen Position auf optische Weise bestimmt wird. Ferner ist an dem letzten Glied 31 des Roboterarms ein Messgeber 29 angebracht, beispielsweise ein optischer oder ein taktiler Messgeber, z. B. ein Taststift, mit welchem eine Oberfläche 30 vermessen wird.
Eine Vorrichtung 1 dient zum optischen Bestimmen der Position des Retroreflektors 25. Es ist zu bemerken, dass die dargestellte Vorrichtung 1 lediglich als Beispiel zu verstehen ist, und bei anderen Ausführungsbeispielen andere Vorrichtungen, beispielsweise herkömmliche Lasertracker, verwendet werden können, um die Position eines Punktes des Roboterarms 2, beispielsweise des Punktes, an welchem der Retroreflektor 25 und der Messgeber 29 angebracht ist, auf optische Weise zu bestimmen.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtquelle 3, die mit einer Repetitionsrate eine Folge kurzer Lichtpulse erzeugt, eine Lichtlenkeinrichtung, die durch eine Mehrzahl von optischen Elementen 4–9 ausgebildet ist, ein Paar von Referenzsignaldetektoren 11, 12 mit einem ersten Referenzsignaldetektor 11 und einem zweiten Referenzsignaldetektor 12, eine Detektoranordnung mit mehreren optischen Detektoren 13, 14 und eine Auswerteschaltung 15. Die Lichtlenkeinrichtung empfängt die Folge von Lichtpulsen und lenkt die Folge von Lichtpulsen zu dem Paar von Referenzsignaldetektoren 11, 12 und in einen allgemein mit 28 bezeichneten Raumbereich, in dem die Position des an dem Roboterarm 2 angebrachten Reflektors 25 bestimmt werden soll. Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend das von der Lichtlenkeinrichtung zu den Referenzsignaldetektoren 11, 12 und in den Raumbereich 28 gelenkte Licht ebenfalls als die Folge von Lichtpulsen bezeichnet, wobei ersichtlich ist, dass jeweils nur ein Anteil der von der Lichtquelle 2 erzeugten Lichtpulsintensität zu den Referenzsignaldetektoren 11, 12 bzw. in den Raumbereich 28 gelenkt wird. Die Folge von Lichtpulsen wird in dem Raumbereich von dem an dem Roboterarm 2 angeordneten Reflektor 25 reflektiert. Die reflektierte Folge von Lichtpulsen wird von den Detektoren 13, 14 erfasst. Die Auswerteschaltung 15 ermittelt aus den Signalen von den Referenzsignaldetektoren 11, 12, die an einem Referenzsignaleingang 16 empfangen werden, und aus den Signalen von den Detektoren 13, 14 eine Phasenlage von Signalkomponenten der an den Detektoren 13, 14 erfassten Lichtsignale, die in einer Beziehung zur Laufzeit der Lichtpulse in dem Raumbereich 28 und somit zum Abstand des Reflektors 25 von verschiedenen Elementen der Lichtlenkeinrichtung steht. Auf diese Weise kann die Position des Reflektors 25 ermittelt werden. Die Ermittlung der Phasenlage durch die Auswerteschaltung 15 beruht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf Signalkomponenten der an den Detektoren 13, 14 erfassten Lichtsignale, die eine Frequenz aufweisen, die ein Vielfaches der Repetitionsrate ist.
Die Detektoren 13, 14 und Referenzsignaldetektoren 11, 12 sind beispielsweise als Fotodetektoren ausgestaltet und erfassen die einfallende Lichtintensität.
Während in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei Strahlteiler 5, 7, von denen aus Licht in den Raumbereich 28 gelenkt wird, und zwei diesen zugeordnete Detektoren 13, 14 dargestellt sind, kann Licht auch von mehr als zwei unterschiedlichen Positionen aus in den Raumbereich gelenkt werden, in dem die Position des Objekts bestimmt werden soll. Sollen alle drei räumlichen Koordinaten des Retroreflektors 25 bestimmt werden, kann die Folge von Lichtpulsen von wenigstens einer weiteren Einstrahlposition aus in den Raumbereich 28 gelenkt werden, die nicht auf einer Geraden angeordnet ist, die durch die Strahldurchtrittspunkte an den Strahlteilern 5 und 7 definiert ist.
Die Funktionsweise der verschiedenen Komponenten der Vorrichtung 1 wird nachfolgend näher erläutert.
Die Lichtquelle 3 erzeugt ein optisches Signal, das mit einer periodischen Funktion moduliert ist und das eine Grundfrequenz f0 sowie ausgeprägte Anteile von Oberwellen der Grundfrequenz f0, d. h. ausgeprägte Frequenzkomponenten mit Frequenzen aufweist, die Vielfache von f0 sind. Ein solches Signal wird beispielsweise durch einen Kurzpulslaser erzeugt, der eine Folge von Lichtpulsen in einem wohldefinierten zeitlichen Abstand T0 = 1/f0, d. h. mit einer Repetitionsrate f0, erzeugt, wobei die Dauer jedes Pulses kurz ist im Vergleich zum zeitlichen Abstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen.
Die Dauer jedes Lichtpulses kann im Vergleich zu dem Zeitabstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen sehr klein sein, beispielsweise von der Größenordnung 1·10^–5. Bei der Vorrichtung 3 können die Repetitionsrate f0 und die Zeitdauer jedes Pulses geeignet in Abhängigkeit von einer gewünschten Messgenauigkeit bei der Ortsbestimmung, einer anfänglichen Unsicherheit über die Position des Objekts, und der Signalkomponente des an den Detektoren 13, 14 detektierten Lichtsignals, für die eine Phasenlage bestimmt werden soll, oder in Abhängigkeit von weiteren Faktoren gewählt werden. Soll zur Bestimmung der Phasendifferenz die n-te Oberwelle von f0 verwendet werden, werden die Dauer jedes Lichtpulses und der Zeitabstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen so gewählt, dass die von der Lichtquelle 3 ausgegebene Folge von Lichtsignalen noch ein ausreichendes spektrales Gewicht bei der Frequenz n·f0 aufweist. Die Lichtpulse können eine Folge von Rechteckspulsen bilden. Es können ebenso andere geeignete Pulsformen gewählt werden, beispielsweise das Quadrat eines hyperbolischen Secans oder eine Gaussfunktion
Eine entsprechende Folge von Lichtpulsen kann von verschiedenen Lasern erzeugt werden, die für die Erzeugung kurzer Lichtpulse eingerichtet sind. Insbesondere können optische Frequenzsynthesizer verwendet werden. Beispielsweise kann ein elektrisch gepumpter Diodenlaser, z. B. ein gütegeschalteter Laser, ein verstärkungsgeschalteter (gain switched) Laser, ein aktiv oder passiv modengekoppelter Laser oder ein Laser mit hybrider Modenkopplung, oder ein modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) als Lichtquelle 3 verwendet werden. Es kann auch ein optisch gepumpter Laser, beispielsweise ein passiv modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit externem vertikalen Resonator (Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers, VECSEL) oder ein auf photonische-Kristallfasern basierender Laser (photonic-crystal-fiber laser) als Lichtquelle 3 verwendet werden. Beispielhafte Pulsdauern der Lichtquelle 3 liegen in einem Bereich von 100 fs und 100 ps. Beispielhafte Repetitionsraten liegen in einem Bereich von 50 MHz bis 50 GHz. Beispielhafte mittlere Leistungen liegen in einem Bereich von 1 mW bis 10 W. Beispielhafte Werte für den Pulsjitter liegen zwischen 10 fs und 1 ps Effektivwert (quadratischer Mittelwert).
Wie in 1 dargestellt, wird die von der Lichtquelle 3 ausgegebene Folge von Lichtpulsen von der Lichtlenkeinrichtung zu den Referenzsignaldetektoren 11, 12 und in den Raumbereich 28 gelenkt. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist nur ein Referenzsignaldetektor vorgesehen. Die Lichtlenkeinrichtung umfasst bei der Vorrichtung 1 mehrere Strahlteiler 4, 5 und 7, einen Spiegel 6 und Strahlaufweiter 8, 9, die den Strahlteilern 5 bzw. 7 zugeordnet sind. Der Strahlteiler 4 empfängt die Folge von Lichtpulsen von der Lichtquelle 3. Ein Teilstrahl 20 der Folge von Lichtpulsen wird von dem Strahlteiler 4 als Referenzsignal zu den Referenzsignaldetektoren 11, 12 gelenkt. Falls erforderlich, kann auch dem Strahlteiler 4 ein optisches Element zur Strahlaufteilung, insbesondere ein Strahlteiler, nachgeordnet sein um sicherzustellen, dass der Teilstrahl 20 sowohl auf den Referenzsignaldetektor 11 als auch auf den Referenzsignaldetektor 12 trifft. Ein weiterer Teilstrahl der Folge von Lichtpulsen wird von dem Strahlteiler 4 transmittiert und trifft auf den Strahlteiler 5. Der Strahlteiler 5 lenkt einen Teilstrahl 21 der Folge von Lichtpulsen über den Strahlaufweiter 8 in den Raumbereich 28, wobei der Strahlaufweiter 8 den Teilstrahl 21 zu einem Lichtkegel 22 aufweitet. Ein weiterer Teilstrahl wird von dem Strahlteiler 5 transmittiert und über den Spiegel 6 auf den Strahlteiler 7 gelenkt. Der Strahlteiler 7 lenkt einen Teilstrahl 26 der Folge von Lichtpulsen über den Strahlaufweiter 9 in den Raumbereich 28, wobei der Strahlaufweiter 9 den Teilstrahl 26 zu einem Lichtkegel 27 aufweitet. Ein von dem Strahlteiler 7 transmittierter Anteil des von dem Spiegel 6 empfangenen Lichtstrahls kann über einen in 1 nicht dargestellten weiteren Strahlteiler in Richtung des Raumbereichs 28 gelenkt werden. Der Raumbereich 28, in dem die Position des Objekts bestimmt werden kann, entspricht dem Überlappungsbereich der verschiedenen Lichtkegel 22, 27. Falls die Folge von Lichtpulsen von mehr als drei Positionen aus in Richtung des Raumbereichs gelenkt wird, in dem die Objektposition bestimmt werden soll, ist der Raumbereich, in dem eine Bestimmung der Objektposition möglich ist, die Vereinigung aller Überlappungsbereiche von wenigstens drei verschiedenen Lichtkegeln, die ausgehend von wenigstens drei Ausgangspunkten eingestrahlt werden, die nicht auf einer Geraden liegen.
Die über den Strahlteiler 5 und den Lichtaufweiter 8 in dem Lichtkegel 22 in den Raumbereich 28 gelenkte Folge von Lichtpulsen trifft auf den Retroreflektor 25 und wird von diesem zurück in Richtung des Lichtaufweiters 8 reflektiert. Das von dem Retroreflektor 25 zurück in Richtung des Lichtaufweiters 8 reflektierte Licht bildet ein erstes Lichtsignal 23, das über den Lichtaufweiter 8 und den Strahlteiler 5 auf den Detektor 13 gelenkt wird. Die über den Strahlteiler 7 und den Lichtaufweiter 9 in dem Lichtkegel 26 in den Raumbereich 28 gelenkte Folge von Lichtpulsen trifft auf den Retroreflektor 25 und wird von diesem zurück in Richtung des Lichtaufweiters 9 reflektiert. Das von dem Retroreflektor 25 zurück in Richtung des Lichtaufweiters 9 reflektierte Licht bildet ein zweites Lichtsignal 24, das über den Lichtaufweiter 9 und den Strahlteiler 7 auf den Detektor 14 gelenkt wird. Wenn der Retroreflektor 25 im Lichtkegel weiterer Kombinationen von Strahlteiler, Lichtaufweiter und Detektor angeordnet ist, werden von dem Retroreflektor 25 aus entsprechend weitere Lichtsignale reflektiert, die über den Lichtaufweiter und Strahlteiler auf den entsprechenden Detektor gelenkt werden.
Die die Folge von Lichtpulsen in den Raumbereich 28 lenkende Lichtlenkeinrichtung und die Detektoren 13, 14 der Detektoranordnung sind so angeordnet, dass das in Richtung des Detektors 13 reflektierte Lichtsignal 23 in eine andere Richtung reflektiert wird als das in Richtung des Detektors 14 reflektierte Lichtsignal 24.
Der an dem Roboterarm 2 vorgesehene Retroreflektor 25 kann beispielsweise als Eckwürfelreflektor (Corner Cube Reflector, CCR), als Tripelprisma oder als Katzenaugenreflektor (Cat-Eye) bzw. als Kugellinse (Ball Lens) ausgestaltet sein. Beim Eckwürfelreflektor und dem Tripelprisma wird das Licht parallel zu den einfallenden Strahlrichtungen zurückreflektiert. Ein divergentes Strahlenbündel bleibt divergent. Beim Katzenaugenreflektor bzw. bei der Kugellinse können diese Retroreflektoren für eine bestimmte Distanz so optimiert werden, dass das reflektierte Strahlenbündel im Wesentlichen in sich selbst zurückreflektiert wird, wodurch am Detektor ein höherer Signalpegel vorliegt.
Anstelle eines Retroreflektors kann auch ein kleines streuendes Element verwendet werden, das sich in seinem Streuverhalten deutlich von seiner Umgebung unterscheidet, um Licht von dem relevanten Objektpunkt zu den Detektoren hin zu streuen. Damit am Detektor ein nutzbares Signal vorliegt, das vom Rauschen der streuenden Umgebung unterscheidbar ist, sollte das kleine Element Licht stark streuen.
Die Lichtsignale 23 und 24 werden von den Detektoren 13 bzw. 14 erfasst. Die Detektoren 13, 14 und Referenzsignaldetektoren 11, 12 sind als Photoempfänger ausgestaltet. Die Detektoren 13 und 14 erfassen dabei die Lichtleistung der auf sie einfallenden Folge von Lichtpulsen, die über den dem Detektor 13 bzw. 14 jeweils zugeordneten Strahlteiler 5 bzw. 7 zu dem Retroreflektor 25 und von diesem zurück zu dem Detektor 13 bzw. 14 propagiert. Die unterschiedliche optische Weglänge eines Lichtpulses, um einerseits zu einem der Referenzsignaldetektoren 11, 12 und andererseits nach einer Reflexion an dem Retroreflektor 25 zu einem der Detektoren 13 bzw. 14 zu gelangen, führt zu einer Zeitverschiebung τ₁ bzw. τ₂ zwischen der Ankunft ein- und desselben Lichtpulses an einem der Detektoren 13 bzw. 14 und an den Referenzsignaldetektoren 11, 12, die gleich dem Unterschied in optischer Weglänge der Lichtpfade geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit c ist. Da typischerweise nur ein geringer Anteil des in den Raumbereich 28 gelenkten Lichts von dem Retroreflektor 25 reflektiert wird, ist das Signal an den Detektoren 13, 14 gegenüber dem Referenzsignal an den Referenzsignaldetektoren 11, 12 abgeschwächt.
Die Weglängendifferenz beinhaltet einerseits Strecken, die von der Geometrie der Vorrichtung, insbesondere den Abständen zwischen den Strahlteilern 5, 7 und dem Strahlteiler 4 sowie den Abständen zwischen den Strahlteilern 4, 5, 7 und den Detektoren 13, 14 bzw. den Referenzsignaldetektoren 11, 12, jeweils entlang des Strahlengangs, abhängen, und andererseits eine Komponente, die für das an dem Detektor 13 erfasste Lichtsignal von der optischen Weglänge zwischen dem Strahlteiler 5 oder dem virtuellen Ausgangspunkt des Lichtkegels 22, und dem Retroreflektor 25 und für das an dem Detektor 14 erfasste Signal von der optischen Weglänge zwischen dem Strahlteiler 7 oder dem virtuellen Ausgangspunkt des Lichtkegels 27, und dem Retroreflektor 25 abhängt. Da bei bekannter Geometrie der Vorrichtung 1 der von der Vorrichtungsgeometrie abhängige Anteil der Weglängendifferenz bekannt ist, kann durch Messung der Zeitverschiebung τ₁ zwischen dem Lichtsignal 23 am Detektor 13 und dem Referenzsignal 20 an den Referenzsignaldetektoren 11, 12 die von dem Lichtpuls zurückgelegte optischen Weglänge zwischen dem Strahlteiler 5 und dem Retroreflektor 25 und somit der Abstand des Retroreflektors 25 von dem Strahldurchtrittspunkt des Strahlteilers 5 bzw. von dem virtuellen Ausgangspunkt des Lichtkegels 22 bestimmt werden. Ähnlich kann durch Messung der Zeitverschiebung τ₂ zwischen dem Lichtsignal 24 am Detektor 14 und dem Referenzsignal 20 an den Referenzsignaldetektoren 11, 12 die von dem Lichtpuls zurückgelegte optischen Weglänge zwischen dem Strahlteiler 7 und dem Retroreflektor 25 und somit der Abstand des Retroreflektors 25 von dem Strahldurchtrittspunkt des Strahlteilers 7 bzw. von dem virtuellen Ausgangspunkt des Lichtkegels 27 bestimmt werden.
Die Detektoren 13 und 14 sowie die Referenzsignaldetektoren 11, 12 sind mit der Auswerteschaltung 15 gekoppelt, die eine Phasendifferenz zwischen den Lichtsignalen 23, 24 und dem Referenzsignal 20 ermittelt. Bei einem Ausführungsbeispiel ermittelt die Auswerteschaltung 15 der Vorrichtung 1 die Phasendifferenz zwischen dem Lichtsignal 23, 24 und dem Referenzsignal 20 für eine Signalkomponente, deren Frequenz im Wesentlichen ein Vielfaches der Repetitionsrate ist.
Die Phasendifferenz hängt dabei unmittelbar mit der oben erwähnten Zeitverschiebung zusammen, und auf Basis der Phasendifferenz kann die Auswerteschaltung 15 dann die Position des Retroreflektors 25 bestimmen.
Die Vorrichtung 1 bestimmt so die Position des Retroreflektors 25, d. h. eines Punktes des letzten Gliedes des Roboterarms 2, an welchem der Messgeber 29 angebracht wird, in einem Koordinatensystem S der Vorrichtung 1.
Um einen Endpunkt des Elements 29, d. h. des Messgebers oder Werkzeugs zu erhalten, oder in anderen Worten um einen Wechselwirkungspunkt des Messgebers 29 mit der Oberfläche 30 zu bestimmen, ist es notwendig, neben der Position des letzten Gliedes 31 zudem die Orientierung des letzten Gliedes 31 des Roboterarms 2, an welchem der Messgeber 29 und auch der Retroreflektor 25 befestigt sind, zu kennen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Orientierung dieses Gliedes und somit die Orientierung des Messgebers 29 aus Steuerdaten des Roboterarms 2 gewonnen. Hierzu empfängt die Auswerteeinheit 15 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die entsprechenden Steuerdaten des Roboterarms 2. Diese Steuerdaten können beispielsweise aus einer softwaremäßigen Steuerung des Roboters 2 oder auch von mit den Achsen des Roboterarms 2 gekoppelten Winkelgebern, d. h. Winkelmesseinrichtungen, stammen.
Die Orientierung des letzten Gliedes 31 des Roboterarms 2 kann beispielsweise mit drei Winkeln φ, θ, ψ ausgedrückt werden, wobei θ der Azimutwinkel, d. h. der Winkel zwischen der positiven x-Achse des Koordinatensystems S und der Projektion des letzten Gliedes des Roboterarms 2 in die x-, y-Ebene des Koordinatensystems S sein kann, während der Winkel φ der sogenannte Polarwinkel, d. h. der Winkel zwischen der positiven z-Achse des Koordinatensystems S und dem letzten Glied des Roboterarms, sein kann. φ weist bei einem derartigen System einen Wert zwischen 0 und π (0 Grad bis 180 Grad) auf, und θ weist einen Wert zwischen 0 und 2π (0 Grad bis 360 Grad) auf, beide Winkel werden gegen den Uhrzeigersinn gemessen. ψ bezeichnet eine Verdrehung um die Längsachse des letzten Gliedes des Roboterarms 2. Ist wie in 1 dargestellt der Retroreflektor 25 am Ende des letzten Gliedes 31 angebracht und ist l die Länge des Messgebers 29, und ist ein Wechselwirkungsbereich des Messgebers 29 mit der Oberfläche 30 symmetrisch bezüglich einer Mittelachse des letzten Gliedes 31, z. B. ein auf der Mittelachse liegender Punkt, so dass eine Änderung des Winkels ψ keine Änderung des Wechselwirkungsbereiches bedingt, ergeben sich Koordinaten x_WW, y_WW und z_WW eines Mittelpunktes des Wechselwirkungsbereiches in dem Koordinatensystem S zu x_WW = x_mess + l·sinφcosθ y_WW = y_mess + l·sinφsinθ Z_WW = Z_mess + l·cosφ wobei x_mess, y_mess und z_mess die mittels der Vorrichtung 1 bestimmten Koordinaten des Retroreflektors 25, d. h. des Endpunkts des letzten Gliedes 31, sind.
In derartigen Fällen, in welchen der Wechselwirkungspunkt symmetrisch zur Achse des letzten Gliedes 31 ist, beispielsweise bei einem Taststift als Messgeber, muss der Winkel ψ also nicht herangezogen werden. Wenn statt dem Messgeber 29 mit einem im Wesentlichen punktförmigen Wechselwirkungsbereich mit der Oberfläche 30 ein anderes Element, beispielsweise ein Werkzeug mit einem langgestreckten Wechselwirkungsbereich, verwendet wird, kann die Lage eines derartigen Wechselwirkungsbereichs unter zusätzlicher Verwendung des Winkels ψ bestimmt werden.
Bei einem typischen Robotersystem und einer typischen Vorrichtung 1 sind mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung von 1 bei einer Länge l des Messgebers 29 von 50 mm Positionsbestimmungen des Wechselwirkungsbereiches mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 2–5 μm, d. h. etwa eine Größenordnung besser als die Genauigkeit nur auf Basis von Steuerdaten des Roboterarms, wie sie in der Einleitung beschrieben wurde. Diese Werte sind jedoch nur als Beispiel zu verstehen, und hängen von dem konkret verwendeten Roboterarm 2 und der konkret verwendeten Vorrichtung 1 ab.
Indem der Wechselwirkungsbereich, z. B. Wechselwirkungspunkt, des Messgebers 29 mit der Oberfläche 30 bestimmt wird, kann die Oberfläche 30 in dem Koordinatensystem S der Vorrichtung 1 genau vermessen werden und die so gewonnenen Daten beispielsweise mit CAD-Daten, oder allgemein einer Spezifikation, verglichen werden. Für eine derartige Messung wird die Oberfläche 30 in dem Koordinatensystem S ortsfest eingespannt, beispielsweise mittels eines Spannrahmens.
Zu bemerken ist, dass sich bei optischen Messgebern die Länge l zusammensetzt aus der Länge des Messgebers selbst und der dem optische gemessenen Abstand zu der Oberfläche 30. Bei taktilen Messgebern ist die Länge l ebenso von einer Position eines jeweiligen Messstiftes oder anderen Messfühlers, wobei diese Position von dem Messgeber bestimmt wird, abhängig.
Zu bemerken ist außerdem, dass grundsätzlich der Messgeber 29 selbst ein oder mehrere Gelenke umfassen kann. In diesem Fall werden Winkel dieser Gelenke sowie Abmessungen des Messgebers bei der Bestimmung des Wechselwirkungspunktes berücksichtigt, wenn der Retroreflektor 25 wie in 1 dargestellt am letzten Glied oder allgemein an der Mehrachskinematik angebracht ist. Auf der anderen Seite kann in einem derartigen Fall auch der Retroreflektor 25 an einem entsprechenden Ende des Messgebers angebracht werden, und neben den Steuerdaten der Mehrachskinematik werden dann auch Winkeldaten des Messgebers zur Bestimmung der Wechselwirkungsposition berücksichtigt.
Wie bereits erwähnt kann bei anderen Ausführungsbeispielen statt des Messgebers 29 ein Werkzeug an dem letzten Glied 31 des Roboterarms angebracht sein, beispielsweise ein Schneidwerkzeug, ein Bohrwerkzeug oder ein Schweißwerkzeug. Durch die Bestimmung von Position und Orientierung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Wechselwirkungspunkt oder auch das Wechselwirkungsgebiet eines derartigen Werkzeugs mit einer zu bearbeitenden Oberfläche in dem Koordinatensystem S präzise angefahren werden und somit die entsprechende Bearbeitung der Oberfläche S beispielsweise gemäß einem Sollwert, wie er z. B. mit einem CAD-System festgelegt wurde, bearbeitet werden.
Zu bemerken ist, dass der Retroreflektor 25 in 1 statt am letzten Glied 31 auch direkt am Messgeber 29 angebracht werden kann. In diesem Fall werden ebenso Steuerdaten des Roboterarms 2 benutzt, um die Orientierung des Messgebers 29 zu bestimmen. Gleiches gilt auch, wenn statt dem Messgeber ein Werkzeug verwendet wird.
Wie aus den obigen Ausführungen erkennbar sind eine Vielzahl von Variationen und Abwandlungen möglich. Dementsprechend ist die Erfindung nicht auf die oben erläuterten Ausführungsbeispiele begrenzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10118392 A1 [0010]
DE 102004021892 A1 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. Minoshima and H. Matsumoto, „High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser”, Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512–5517 (2000) [0011]

Claims

Verfahren, umfassend: Bestimmen einer Position an einem Abschnitt (31) einer Mehrachskinematik durch eine optische Messung, und Bestimmen einer Orientierung des Abschnitts (31) der Mehrachskinematik basierend auf Steuerdaten der Mehrachskinematik (2).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Position ein Beleuchten eines an dem Abschnitt (31) angebrachten Retroreflektors (25) mit mindestens einem Lichtstrahl (22, 27) und ein Detektieren des von dem Retroreflektor (25) reflektierten mindestens einen Lichtstrahls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bestimmen der Orientierung aus Steuerdaten ein Auswerten von Daten von Winkelgebern der Mehrachskinematik (2) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Abschnitt ein Endabschnitt (31) ist, und wobei das Bestimmen einer Position an einem Endabschnitt (31) der Mehrachskinematik (2) ein Bestimmen einer Position eines Endes des Endabschnitts (31) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das Bestimmen der Position ein Bestimmen der Position eines Punktes eines an dem Endabschnitt (31) angebrachten Elementes (29) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, weiter umfassend: Bestimmen eines Wechselwirkungsbereichs eines an dem Endabschnitt (31) angebrachten Elements (29) mit einer Oberfläche (30) eines Werkstücks.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Wechselwirkungsbereich im Wesentlichen punktförmig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–7, wobei das Element ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Messgeber (29) und einem Werkzeug.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Element einen Messgeber (29) umfasst, wobei das Verfahren weiter umfasst: Vergleichen des bestimmten Wechselwirkungsbereichs mit einem Sollwechselwirkungsbereich.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Element ein Werkzeug umfasst, weiter umfassend: Bewegen der Mehrachskinematik (2) derart, dass der Wechselwirkungsbereich einem vorgegebenen Wechselwirkungsbereich entspricht, und Bearbeiten der Oberfläche mit dem Werkzeug.
Vorrichtung, umfassend: eine Mehrachskinematik (2), eine optische Vorrichtung (1) zum Bestimmen einer Position an einem Abschnitt (31) der Mehrachskinematik (2) und eine Steuereinheit (15), welche ausgestaltet ist, eine Orientierung des Abschnitts (31) basierend auf Steuerdaten der Mehrachskinematik (2) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, weiter umfassend ein an dem Abschnitt (31) angebrachtes Element (29), wobei die Steuereinheit (15) weiter ausgestaltet ist, einen Wechselwirkungspunkt des Elements (29) mit einer Oberfläche (30) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Element ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend einen Messgeber (29) und ein Werkzeug.
Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei die Vorrichtung zur Positionsbestimmung (1) einen Kurzpulslaser (3) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11–14, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–10 ausgestaltet ist.