DE102012016073A1

DE102012016073A1 - Anordnung und Verfahren zur Bestimmung der Stellung eines Effektors an einem Mechanismus

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Publication number: DE102012016073A1
Application number: DE201210016073
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2014-03-13

Abstract

Eine Anordnung zur vollständigen oder partiellen Bestimmung der Stellung eines Effektors oder des Versatzes gegenüber früheren Stellungen des Effektors eines Mechanismus bestehend aus einem Mechanismus mit mindestens einem Effektor, gerichteten Laser-Strahlungsmustern samt zugehörigen Laser-Strahlungsmustergeneratoren sowie mindestens einem Strahlungsmuster-Positionssensor, wobei jeder Positionssensor bei Auftreffen von Strahlung bzw. eines Laser-Strahlungsmusters Messwerte mit Positionsinformationen über die aufgetroffene Strahlung zur Weiterverarbeitung an eine oder mehrere verbundene Recheneinrichtungen leiten sowie optional einem System zur Einmessung oder Kalibration zur genauen Bestimmung der Stellung von Laser-Strahlungsmustern im Raum ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laser-Strahlungsmuster samt zugehörigen Laser-Strahlungsmustergeneratoren stationär in der Umgebung des Roboters fixiert ist, mindestens ein Strahlungsmuster-Positionssensor derart starr am Effektor angebracht wird, dass der spitze Winkel zwischen der Sensornormalen und der letzten Gelenkachse des Roboters größer als 5 Grad ist oder das Lot von einem Punkt des strahlungssensitiven Teils der Sensoroberfläche auf die letzte Gelenkachse bzw. der Abstand eines derartigen Punktes vom Achsenschnittpunkt der letzten Kardan- oder Kugelgelenke größer als 1/300 des Arbeitsraumdurchmessers ist, die Orientierung der Laser-Strahlungsmuster relativ zur Mechanismenbasis und der Strahlungsmuster-Positionssensoren relativ zum Effektor festgelegt ist, eine oder mehrere Recheneinrichtungen angeschlossen sind und die Abbilder der Laser-Strahlungsmuster auf den Positionssensoren an eine oder mehrere Recheneinrichtungen geleitet werden und daraus partielle oder vollständige Informationen über die Stellung des Robotereffektors bzw. dessen Abweichung von der vorgegebenen Trajektorie bzw. partielle oder vollständige Informationen über den Versatz der Effektorstellung gegenüber einer nahegelegenen früheren, mittels des gleichen Verfahrens vermessenen Stellung bestimmt werden wobei anhand der Messungen mittels der Recheneinrichtung eine vollständige oder partielle Stellungsbestimmung des Effektors berechnet werden kann

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Anordnung zur vollständigen oder partiellen Bestimmung der Stellung oder des Stellungsversatzes gegenüber früheren Stellungen eines Effektors eines Mechanismus mit gerichteten Laser-Strahlungsmustern samt zugehörigem Laser-Strahlungsmustergeneratoren sowie wenigstens einen Strahlungsmuster-Positionssensor, wobei der wenigstens eine Positionssensor beim Auftreffen eines Laser-Strahlungsmusters Messwerte mit Positionsinformationen zur Weiterverarbeitung an Recheneinrichtungen leitet sowie optional einem Mess- bzw. Kalibrationsverfahren zur Bestimmung der Stellung von Laser-Strahlungsmustern im Raum.
Eine solche Anordnung und eine solches Verfahren sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Zunächst werden grundlegende Begriffe definiert:

• Mechanismus: ein Mechanismus 1 ist ein System von Starrkörpern (sog. Segmente), welche durch Dreh- Schub- oder Schraubgelenke miteinander verbunden sind. Beispiele sind Roboter, Werkzeugmaschinen oder Hexapoden.
• Roboter: Zur Vereinfachung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden der Begriff Roboter als Synonym für den Begriff Mechanismus 1 verwendet.
• Effektor 4: ist ein Segment des Mechanismus, an den ein Werkobjekt (z. B. Werkstück gehalten durch Greifer oder Werkzeug wie Fräse, Laser, Kamera, etc.) zwecks Durchführung einer Nutztätigkeit montiert werden kann. Das Ziel des Patents ist, den Effektor mit Werkobjekt exakt im Arbeitsraum bzw. relativ zur Roboterbasis zu positionieren.
• Stellung: bezeichnet zusammenfassend die Position und Orientierung eines Objekts im 3-dimensionalen Anschauungsraum. In Erweiterung dieser Definition soll der Begriff der Stellung auch (die bloße Bestimmung des bzw.) den Versatz zwischen der aktuellen Stellung und der Sollstellung beinhalten, die z. B. für die Kompensation der sogenannten Temperaturdrift während der Serienfertigung von Interesse ist.
• Gelenkkonfiguration: ist die Gesamtheit aller Stellwerte der Gelenke eines Roboters, welche die Stellung aller Robotersegmente bzw. Starrkörper inkl. des Effektors festlegt.
• Vermessung bezeichnet hier insbes. die direkte Bestimmung der Effektorstellung mittels Laser und Sensor ohne auf ein kalibriertes Robotermodell zurückzugreifen.

Ziel der beanspruchten Erfindung und Voraussetzung der weiteren Darstellung ist stets, dass ein Anwender oder Benutzer mittels der Tätigkeit eines Roboters ein benutzerdefiniertes Ziel (Fertigung, Fertigungskontrolle, etc.) verfolgt, wobei die Qualität des Ergebnisses von der Genauigkeit abhängt, mit der der Effektor benutzerdefinierte Präzisionsstellungen erreichen oder Präzisionstrajektorien durchfahren kann. Falls nichts anderes aus dem Kontext hervorgeht ist die Voraussetzung für die nachfolgende Darstellung, dass eine endliche Anzahl von vorgegebenen Präzisionsstellungen in einer Roboterzelle mit maximaler Genauigkeit angefahren werden soll oder dass bei periodisch wiederholtem Anfahren einer beliebigen Präzisionsstellungen die Distanz zur Sollstellung bzw. der Versatz zwischen den tatsächlich erreichten Stellungen minimal ist.
Die folgenden Begriffsdefinitionen erleichtern die gesamte restliche Beschreibung:

• Ein Laser-Strahlungsmustergenerator 3 erzeugt gerichtete elektromagnetische Strahlen (z. B. Laser, Maser, Radar) bzw. gerichtete Laser-Strahlungsmuster 2 wie z. B. Einzelstrahlen 2 oder Bündel isolierter Einzelstrahlen 2(9) oder linien- oder kreuzförmige Laser-Strahlungsmuster 2(10) oder beliebige andere Muster.
• Laser: Zwecks Vereinfachung wird im Folgenden der Begriff Laser als Synonym von Laser-Strahlungsmustergenerator 3 benutzt.
• Strahlungsmuster-Positionssensoren 7 können die Position und ggf. Orientierung eines auftreffenden Laser-Strahlungsmusters 2 relativ zu einem dem Sensor fest zugeordneten Koordinatensystem exakt registrieren. Zwecks Vereinfachung wird im Folgenden der Begriff Sensor als Synonym von Strahlungsmuster-Positionssensor benutzt.
• Ein Vermessungsobjekt ist in der vorliegenden Beschreibung als Oberbegriff für Sensoren sowie Laser-Strahlungsmuster samt zugehörigem Laser zu verstehen. Zusammenhängende Abbilder von Laser-Strahlungsmustern auf der Sensoroberfläche wie Punkte, Linien oder Kreuze 2(10) werden als einzelnes Vermessungsobjekt betrachtet. Unzusammenhängende Laser-Strahlungsmuster, die von einem Laser z. B. mittels Aufspaltoptiken 2(9) erzeugt werden, werden als mehrere unterschiedliche Vermessungsobjekte aufgefasst.
• Systeme zur Einmessung oder Kalibration dienen dazu, die Stellung von Vermessungsobjekten zu bestimmen, d. h. die Stellung von Sensoren relativ zum Effektor bzw. Lasern relativ zum Roboter zu vermessen sowie ggf. den Roboter zu kalibrieren. Diese Systeme und ihre Komponenten sind also in der Terminologie der vorliegenden Darstellung begrifflich von Vermessungsobjekten zu unterscheiden.
• Als Signal wird die Inzidenz eines Laser-Strahlungsmusters mit einem Sensor bezeichnet.
• Die Sensornormale eines Positionssensors ist bei einer ebenen 2 dimensionalen Sensorfläche derjenige Vektor, der senkrecht auf dieser Ebene steht

In EP1135237 wurde erstmals die Verwendung stationärer Laser bei der modellbasierten Kalibration von Robotern vorgeschlagen. Die vorliegende Schrift verwendet stationäre Laser nicht für die Kalibration von Robotern sondern zur Vermessung der Stellung von Effektoren bzw. des Versatzes gegenüber einer früheren Stellung.
Die Vermessung von Stellung oder Versatz kann eine höhere Genauigkeit erzielen als es die modellbasierte Kalibration vermag., direkt zu bestimmen bzw. das wiederholte Anfahren einer vorgegebenen Ausgangsstellung zu überprüfen und räumliche Abweichungen von dieser Ausgangsstellung – die z. B. durch stetige Temperaturdrift bedingt sein können – zu bestimmen und die für den benutzerdefinierten Anwendungszweck nachteiligen Auswirkungen der Genauigkeitsdefizite zu eliminieren.
In einem wissenschaftlichen Artikel [Drust] wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein komplexes Laser-Strahlungsmuster auf einen Sensor projiziert wird und daraus die Stellung der Hand mit photogrammetrischen Methoden bestimmt wird. Die Stellung des Laser-Strahlungsmusters relativ zum Roboter wird nicht bestimmt.
Demopoulos befestigt analog zu EP1135237 Laser an der Hand an und stellt zugehörige Sensoren stationär in den Raum. Eine Einschätzung dieser Methode wird unten diskutiert. In EP1135237 werden die Grundlagen industriell einsetzbarer Laser-Sensor-Verfahren dargelegt.
Die Nachteile bestehender Verfahren mit vergleichbarem Ziel sind:
Die Vermessung von Effektorstellungen mit Lasern, die am Effektor montiert werden und auf stationäre Sensoren strahlen weisen eine gravierende Fehlerverstärkung bzgl der Position auf. Stationäre Laser 3 dagegen bilden Positionsfehler in gleicher Größe auf Sensoren 7 ab oder dämpfen die Fehler wesentlich gemäß Anspruch 21.
Die Positionsbestimmung durch einen Laserstrahl mit unbekannter Stellung des Strahls liefert wenig Information.
Wenn die Stellung des Lasers nicht bekannt ist, dann werden drei Strahlen aus unterschiedlichen Winkeln benötigt, welche gleichzeitig auf dem oder den Sensor(en) auftreffen um eine einzige vorgegebene Position wieder anzusteuern bzw. wiederaufzufinden. Es ist nicht bekannt, wo sich diese Stellung relativ zum Roboter befindet. Um die Orientierung zu bestimmen wird mehr Aufwand benötigt. Treffen nur noch 2 einfache Laserstrahlen die Sensoren, so kann man aus den Auftreffpunkten so gut wie keine Rückschlüsse auf die Stellung der Roboterhand ziehen.
Die Vermessung über die Analyse von photogrammetrischen Mustern ist technisch aufwendig und erfordert viel Zeit, große Sensoren, die schlecht in einer Arbeitsumgebung mitgeführt werden können sowie hohen technischen Aufwand.
Werden die Laser am Effektor befestigt und die Sensoren stationär in der Umgebung des Roboters aufgestellt, so führt dies zu den folgenden Problemen:

• Werden mehrere Messungen benötigt zwischen denen die Achsen des Roboters verfahren werden, so haben das Achsspiel und ähnliche Effekte aufgrund des i. a. großen Abstands zwischen Sensor und Laser am Effektor und die dadurch bewirkte Verstärkung von Orientierungsfehlern der Hand erhebliche Auswirkungen auf die Genauigkeit der Stellungsbestimmung des Effektors, die – im Ggs. zur Roboterkalibration beispielsweise – nicht herausgemittelt werden können.
• Beschränkt man sich auf eine einzige Messstellung mit mehreren Lasern am Effektor, so benötigt man i. a. zu viele stationäre Sensoren und zu viele kalibrierte Laserstrahlen um ohne eine weitere Achsbewegung drei Sensoren im Arbeitsraum zu treffen.
• In praktischen Anwendungen gibt es häufig Bereiche des Arbeitsraums, in denen stationäre Sensoren schlecht oder gar nicht platziert werden können, z. B. im Innenraum einer zu fertigenden Karosse.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Anordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die vorgenannten Nachteile beseitigt sind.
Ziel der beanspruchten Anordnung ist, die Genauigkeit der Positionierung des Effektors an mehreren, benutzerdefinierten, durch die jeweilige Produktionsaufgabe vorgegebenen Präzisionsstellungen mit skalierbarem Aufwand zu erhöhen bzw. zu maximieren.
Die beanspruchte Anordnung ermöglicht dies auf zwei verschieden Weisen.
Entscheidender Vorteil der Stellungsbestimmung gemäß der vorliegenden Ansprüche ist die Fähigkeit, an beliebigen, benutzerdefinierten „Präzisionsstellungen” bzw. „Präzisionstrajektorien” entlang kompletter Laserstrahlen bzw. Strahlungsmuster 2 eine hohe Genauigkeit des Effektors zu erzielen. Dies lässt sich gemäß der vorliegenden Ansprüche realisieren durch geeignete Positionierung von preiswerten Lasern 3.
Der substantielle Vorteil tritt sehr deutlich zutage im Vergleich zu derjenigen Anordnung, die man erhält wenn Laser und Sensoren vertauscht werden, d. h. Laser am Effektor montiert werden und die Sensoren stationär im Raum platziert werden. In diesem Fall ist es aufgrund des Getriebe- und Gelenkspiels und ähnlicher Defizite von Robotern sowie der begrenzten Verfügbarkeit von vergleichsweise teuren Sensoren 7 bzw. der meist großen Distanz zwischen Sensoren und Präzisionsstellungen nur in sehr eingeschränkten Bereichen möglich, vergleichbare Genauigkeiten bei der Stellungsbestimmung zu erzielen.
Im einfachsten Fall einer Anordnung gemäß Anspruch 1 ist ein einziger Laser(strahl) 2 in bekannter Stellung im Raum positioniert und am Effektor ist ein Positionssensor 7 in bekannter Stellung montiert. In allen Stellungen der Roboterhand, bei denen der Sensor vom Laser getroffen wird, kann man mindestens zwei der sechs Dimensionen der Stellung der Roboterhand bestimmen. Soll die Roboterhand z. B. entlang einer Linie bewegt werden und sind die Anforderungen an die Orientierungsgenauigkeit hinlänglich beschränkt bzw. ist die Orientierungsgenauigkeit des Roboters hinreichend groß, so kann diese Aufgabe schon mittels eines einzigen, einfachen Laserstrahls 2 erfüllt werden.
Kombiniert man mehrere stationäre Laser 3 in jeweils bekannter Stellung die beispielsweise windschief zueinander angeordnet sind und montiert ggf. mehrere Sensoren 7 am Effektor 4 so erhält man mehr Information über die Stellung des Effektors bis hin zu einer vollständigen Stellungsbestimmung.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Abbildungen näher beschrieben.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Realisierung mit einem Roboter 1, einem Effektor 5 an dem zwei Sensoren 7 mit lichtsensitiven Sensorflächen 8 angebracht sind sowie drei Laser, die verschiedene Laser-Strahlungsmuster erzeugen: einen einfachen Laserstrahl 2, zwei zueinander orthogonale Lichtebenen 2(10) und ein Strahlenbündel 2(9), welches gemäß Anspruch 12 von einem Laser mit einer diffraktiven Optik erzeugt werden kann. Die Stellung – zumindest aber die Orientierung – der Sensoren am Effektor muss ebenfalls festgelegt sein bzw. vorab vermessen werden; optimal ist die gemeinsame Vermessung von Lasern und Sensoren mittels des vorausgesetzten Systems zur Einmessung oder Kalibration gemäß Anspruch 1 oder mittels Kalibration gemäß Anspruch 16. Alternativ kann man zur Einmessung einen Lasertracker, Theodolitensysteme oder verwandte Systeme verwenden. Im Allgemeinen wird man nur die Orientierung derjenigen Strahlen eines Strahlenbündels 2(9) bestimmen, die in der konkreten Anwendung wirklich benötigt und genutzt werden.
Die beiden Sensoren 7 sind starr mit dem Effektor 4 und starr miteinander verbunden. Sind auf einer Trägereinheit montiert, so können die relativen Stellungen der Sensoren 7 zueinander vor der Montage ma Effektor vermessen werden und die „Einmessung” des Effektors 4, z. B. nach vorübergehender Demontage des Effektors bei einem Handaustausch, etc., kann effizienter erfolgen.
2 zeigt ein flexibles Messsystem mit zwei Kameras, welches im Inneren einer Karosse Messungen durchführen soll. Z. B. soll die Stellung der runden Messbohrung im Holm (B-Säule) der Karosse mit dem Kamerasystem am Roboter (Werkzeug) vermessen werden. Die zugehörige Messstellung des Messroboters ist grau angedeutet. In der Messstellung sind die beiden Sensoren 7 am Werkzeug (Kamerasystem) nicht durch stationäre Laser außerhalb der Karosse erreichbar. Durch Drehung des eingezeichneten Gelenks 5 kann das Werkzeug in eine Stellung gemäß Anspruch 15 gebracht werden, bei der die Sensoren 7 durch die stationären Laser 3 getroffen werden können. Nach der Bestimmung der Stellung des Werkzeugs in der eingezeichneten Stellung kann das Werkzeug durch Bewegung einzig von Gelenk 5 in seine Zielstellung gebracht werden. Könnte die Zielstellung direkt vermessen werden, so wäre sie genau bekannt. Wird die Zielstellung (grau) aus einer Stellung gemäß Anspruch 15, in der der Effektor exakt vermessen wurde, durch Drehung eines einzigen Gelenks 5 erreicht, so wird der Fehler i. a. größer sein als bei direkter Vermessung der Zielstellung. Der Fehler wird aber signifikant kleiner sein, als wenn alle Gelenke des Roboters bewegt worden wären ohne die vorangehende exakte Vermessung in der dargestellten Stellung gemäß Anspruch 15.
Praktische Anwendungen der Erfindung haben prinzipiell das Ziel, die Hand mit Werkzeug oder Werkstück (wiederholt) in eine Sollstellung zu bringen. 2 zeigt z. B. die Anwendung der Erfindung anhand eines flexiblen Messsystems. Das Ziel der Anwendung ist, ein Merkmal der Karosse (z. B. Messbohrung) relativ zu einem Weltkoordinatensystem zu bestimmen. Nach der Vermessung der Iststellung gemäß Anspruch 1 wird man i. a. Abweichungen der Ist-Stellung des Werkzeugs 4 (hier: Kamerasystem) von der Sollstellung feststellen. Gemäß Anspruch 14 wird der Roboter dann nicht in die Sollstellung verfahren. Vielmehr wird die Anwendung modifiziert indem die gemessene Abweichung in die Nutzdaten hineingerechnet wird. Kennt man im Beispiel durch Vermessung entsprechend Anspruch 1 die genaue Abweichung der Iststellung des Kamerasystems relativ zur Sollstellung, so kann man die Stellung der Messbohrung bezüglich des Weltkoordinatensystems präzise aus den Messdaten des Kamerasystems errechnen, ohne den Roboter in die Sollstellung zu bringen.
Bei Anwendungen, wie z. B. dem Laserschweißen, bietet es sich gemäß Anspruch 14 an, dass man anstatt einer Korrektur aller Achsen des Roboters nur die drei letzten Handachsen des Roboters derart verändert, dass die Hand zwar nicht an der Sollposition steht aber der Laserstrahl durch geeignete Orientierungskorrektur genau den gewünschten Punkt am Werkstück trifft.
3 zeigt u. a. zwei starr verbundene, parallele Laser-Strahlungsmustergeneratoren (die beiden unmittelbar verbundenen Laser 3 links unten im Bild) gemäß Anspruch 9 und Anspruch 10. Jeder der beiden Laser erzeugt mittels eines diffraktiven optischen Elements gemäß Anspruch 12 ca. 25 Einzelstrahlen; das jeweilige Paar zusammengehöriger Strahlen ist konstruktions- und montagebedingt jeweils parallel. Bei hinreichend dichter Montage der Laser kann jeweils ein paralleles Strahlenpaar einen Sensor treffen (3 algebraisch unabhängige skalare Gleichungen anstatt 2 – ohne weitere Erläuterung). Der Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass die beiden Laserpunkte auf dem Sensor mehr Information liefern über die Stellung des Sensors bzw. Werkzeugs als ein einziger Strahl. Nachteil ist, dass es schwieriger ist, den Sensor bzw. die Roboterhand so zu positionieren, dass beide Punkte auf der lichtempfindlichen Sensorfläche 8 liegen. Verfehlt einer der beiden Strahlen 2 die Sensorfläche 8 wie in 3, so ist die Messung aber nicht hinfällig sondern entweder kann der Roboter geeignet verfahren werden oder die Messung liefert nur die herkömmliche Information eines Laserabbilds (2 unabhängige skalare Gleichungen).
4 zeigt eine Anordnung gemäß Anspruch 11, bei der drei Sensoren 7 und zwei Tripel von drei Lasern 2 so angeordnet sind, dass die Laser eines Tripels jeweils einen der Sensoren bei der Fahrt treffen.
Man beachte, dass in der Anordnung gemäß 4 mittels des Sensortripels und des jeweiligen Lasertripels in jeder Signalstellung fünf Dimensionen der Stellung exakt bestimmt werden können. Man beachte weiterhin, dass gemäß Anspruch 11 auch „dynamische” Messungen während der gesamten Bewegung der Hand entlang der durch die Laser vorgegebenen Geraden und ihrer Umgebung vorgenommen werden können. Insbesondere kann z. B. das Überschwingen des Roboters bei eine schnellen eckigen Bewegung gemessen werden, welche auf die Gerade einmündet, die durch das Lasertripel definiert ist.
Gemäß Anspruch 11 wurden die Strahlentripel wurden dabei so angeordnet, dass der Werkzeugmittelpunkt 4 (= TCP = Klebepistole) des Robotereffektors bei der Fahrt entlang der Klebespur am Rand der gewölbten Windschutzscheibe („Trajektorie”) möglichst häufig die Sensoren treffen und eine dynamische Vermessung der Handstellungen entlang der Trajektorie möglich ist.
Würden die strahlungsempfindlichen Sensorflächen 8 der 3 Sensoren in der Abbildung im Widerspruch zu Anspruch 21 in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zum Strahl liegen, so könnten Rotationen des Sensorsystems um Achsen, die in dieser Ebene liegen, nicht präzise erfasst werden. Es liegt eine sogenannte Singularität bzgl. der Bestimmung der Stellung hinsichtlich dieser Rotationen vor (ohne weitere Erläuterung). Das Problem wird gemäß Anspruch 21 eliminiert, indem man die Sensoren entweder wie in 4 in verschiedenen Ebenen montiert oder aber indem die Sensoren zwar in einer gemeinsamen Ebene montiert werden, diese jedoch bei Messungen schräg zum Strahl gestellt wird.
Literatur

[Drust] Drust, M, Verl, A., „Conceptual design and analysis of an on-line opto-mechatronic measuring system based an pattern projection", Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 2011 IEEE/ASME International Conference an (2011), pp. 844–849

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1135237 [0005, 0008, 0008]

Claims

Anordnung zur vollständigen oder partiellen Bestimmung der Stellung eines Effektors 4 oder des Versatzes gegenüber früheren Stellungen des Effektors 4 eines Mechanismus 1 bestehend aus einem Mechanismus 1 mit mindestens einem Effektor 4, gerichteten Laser-Strahlungsmustern 2 samt zugehörigen Laser-Strahlungsmustergeneratoren 3 sowie mindestens einem Strahlungsmuster-Positionssensor 7, wobei jeder Positionssensor 7 bei Auftreffen von Strahlung bzw. eines Laser-Strahlungsmusters Messwerte mit Positionsinformationen über die aufgetroffene Strahlung zur Weiterverarbeitung an eine oder mehrere verbundene Recheneinrichtungen leiten sowie optional einem System zur Einmessung oder Kalibration zur genauen Bestimmung der Stellung von Laser-Strahlungsmustern im Raum dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laser-Strahlungsmuster 2 samt zugehörigen Laser-Strahlungsmustergeneratoren 3 stationär in der Umgebung des Roboters fixiert ist mindestens ein Strahlungsmuster-Positionssensor 4 derart starr am Effektor angebracht wird, dass der spitze Winkel zwischen der Sensornormalen und der letzten Gelenkachse des Roboters größer als 5 Grad ist oder das Lot von einem Punkt des strahlungssensitiven Teils der Sensoroberfläche 8 auf die letzte Gelenkachse bzw. der Abstand eines derartigen Punktes vom Achsenschnittpunkt der letzten Kardan- oder Kugelgelenke größer als 1/300 des Arbeitsraumdurchmessers ist, die Orientierung der Laser-Strahlungsmuster 2 relativ zur Mechanismenbasis und der Strahlungsmuster-Positionssensoren 7 relativ zum Effektor 4 festgelegt ist eine oder mehrere Recheneinrichtungen angeschlossen sind und die Abbilder der Laser-Strahlungsmuster auf den Positionssensoren 7 an eine oder mehrere Recheneinrichtungen geleitet werden und daraus partielle oder vollständige Informationen über die Stellung des Robotereffektors 4 bzw. dessen Abweichung von der vorgegebenen Trajektorie bzw. partielle oder vollständige Informationen über den Versatz der Effektorstellung 4 gegenüber einer nahegelegenen früheren, mittels des gleichen Verfahrens vermessenen Stellung bestimmt werden wobei anhand der Messungen mittels der Recheneinrichtung eine vollständige oder partielle Stellungsbestimmung des Effektors 4 berechnet werden kann
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlungsmuster-Positionssensoren stationär derart im Raum aufgestellt werden, dass sie die Temperaturdrift oder ungewollte Bewegung eines Laser-Strahlungsmusters 2 überwachen können sobald der stationäre Positionssensor 7 nicht durch andere Objekte wie z. B. durch den Roboter 1 bzw. Sensor 7 am Effektor verschattet wird.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung der Laser-Strahlungsmuster 2 zur Roboterbasis sowie der Strahlungsmuster-Positionssensoren 7 relativ zum Effektor durch genaue Montage oder mittels eines vorausgesetzten Systems zur Einmessung oder Kalibration bestimmt wird.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Positionssensor 7 ein Gehäuse aufweist, in das eine Diffusorscheibe eingelassen ist sowie im Inneren des Gehäuses eine Matrixkamera montiert ist wobei die Brechung der Diffusorscheibe so gering sein soll, dass die Einstrahlung von Licht im Winkel von 45 Grad einen Versatz eines Lichtpunkts von weniger als 0,3 mm zwischen Vorder- und Rückseite der Scheibe bewirkt und die Matrixkamera Pixelinformationen liefert und so platziert wird, dass sie ein Abbild der Diffusorscheibe an eine der Recheneinrichtungen liefert und die Einstellungen bzw. Empfindlichkeit der Kamera so justiert werden, dass bei einem vorgegebenen Intensitätsmaximum des Umgebungslichts und vorgegebener Lichtintensität des Laser-Strahlungsmusters der Kontrast zwischen einem auftreffenden Laser-Strahlungsmuster und der unbestrahlten Sensorfläche stets groß genug ist um das Laser-Strahlungsmuster sicher und verlustfrei durch die Kamera zu detektieren oder zumindest ein Schwellwert für die Strahlungsintensität bestimmt werden kann jenseits dessen sichergestellt ist, dass registrierte Strahlung vom Laser-Strahlungsmuster stammt.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem einzigen Gehäuse mehrere Systeme gemäß Anspruch 4 kombiniert werden indem mehrere Diffusorscheiben ins Gehäuse eingelassen werden und die jeweils zugehörigen Kameras so positioniert werden, dass sie nicht die Bilder anderer Kameras verschatten.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionssensoren über eine Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation verfügen sowie optional über geeignete Recheneinrichtungen oder elektronische Schaltkreise welche die Positionsinformationen ggf. vorverarbeiteten und die Positionsinformationen durch drahtlose Kommunikation an diejenige Recheneinrichtung übermitteln, welche die Gesamtheit aller Messserien auswertet und daraus die Mechanismenparameter bestimmt.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlungsgeneratoren 3 über eine Schaltvorrichtung verfügen und Generatoren verschiedener Strahlungsmuster, die in einer Stellung oder einer Sequenz von zeitlich oder räumlich aufeinanderfolgenden Stellungen auf einem Positionssensor 7 auftreffen, an und wieder ausgeschaltet werden, so dass ein vorgegebener Sensor 7 zu einem gegebenen Zeitpunkt nicht von allen Strahlungsmustern 2 bzw. nur von einem Strahlungsmuster bestrahlt wird.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laser-Strahlungsmuster 2 samt Generator als Distanzmessgerät (Interferometer oder Triangulationssensor) ausgebildet ist und dadurch sowohl ein Signal an einem bestrahlten Positionssensor 7 auslöst als auch gleichzeitig eine Entfernungs-Messung liefert, die mit zur Verarbeitung herangezogen werden.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Vermessungsobjekte (sowie ggf. ihre Generatoren) starr miteinander verbunden sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Laser-Strahlungsmuster 2 derart starr miteinander verbunden sind, dass die Laser-Strahlungsmuster hinreichend dicht aneinander liegen und hinreichend parallel ausgerichtet sind um einen Sensor 7 gleichzeitig zu bestrahlen.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statische und dynamische Messungen der Effektorstellung in der Umgebung einer Strecke im Mechanismenarbeitsraum aufgenommen werden indem parallel orientierte Laser-Strahlungsmuster 2 entlang der Strecke positioniert werden und Strahlungsdetektoren so am Effektor angebracht werden, dass sie gleichzeitig von den Laser-Strahlungsmustern bestrahlt werden bzw. partielle Effektorstellungen entlang der Strecke aufzeichnen.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diffraktive optische Elemente zur Erzeugung von mehreren Laser-Strahlungsmustern eingesetzt werden.
Verfahren zur Bestimmung von Effektorstellungen oder des Effektorversatzes mit Hilfe der Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Anordnung gemäß Anspruch 1 gewonnene Information über die Effektorstellung bzw. den Versatz der Stellung gegenüber der Sollstellung nicht zu einer Korrektur der Stellung genutzt wird sondern die Kenntnis der Stellungsabweichung) dazu verwendet wird, die Nutzanwendung derart zu modifizieren, dass das angestrebte, benutzerdefinierte (Produktions-)Ziel von einer leicht abweichenden Stellung aus erreicht wird ohne Bewegung des Roboters oder mit einer Bewegung von weniger als allen Achsen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer vorgegebenen Präzisionsstellung, in der aufgrund der Anordnung von Sensoren und von Hindernissen in der Umgebung der Stellung nicht genügend Information zur Stellungsbestimmung verfügbar ist, mindestens ein Laser 2 stationär so positioniert wird, dass mindestens eines der Robotergelenke nicht bewegt werden muss um eine Stellung zu erreichen, in der dieser Laser 2 ein Signal am Sensor 7 auslöst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die identischen Vorrichtungen des Anspruchs 1 neben der Stellungsvermessung gemäß Anspruch 1 auch für die simultane oder zeitversetzte Kalibration des Roboters genutzt werden sowie die aufgezeichneten Messungen zur wenigstens einmaligen Kalibration der Laser-Strahlungsmuster und/oder der Strahlungsmuster-Positionssensoren genutzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vorgegebene, wiederholt anzufahrende Präzisionsstellungen daraufhin untersucht werden, in welchen der. 3 Positionsdimensionen und 3 Orientierungsdimensionen intolerable Abweichungen von der Sollstellung zu erwarten sind und dann die Anordnung gezielt so ausgelegt wird, dass bei betroffenen, genauigkeitskritischen Präzisionsstellungen nur diejenigen Dimensionen gemessen werden, in denen intolerable Abweichungen zu erwarten sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur partiellen Vermessung einer einzelnen Stellung nur ein oder zwei Sensoren 7 genutzt werden und im Fall von genau zwei Sensoren beide Sensoren derart am Effektor 4 montiert werden, dass geringe Drehungen des Effektors 4 um die Verbindungsachse zwischen den Sensormittelpunkten nicht zu den nach Anspruch 17 erwarteten intolerablen Fehlern gehören.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die stationären Laser-Strahlungsmuster 2 derart im Raum positioniert werden, dass in der Menge derjenigen Roboterstellungen die durch die vorgegebenen Präzisionsstellungen und Präzisionstrajektorien des Mechanismus sowie die üblichen Bewegungstrajektorien zwischen den Nutz- bzw. Präzisionsstellungen und -trajektorien definiert sind, mindestens zwei verschiedene Stellungen existieren, für die jeweils gilt: mindestens einer der Strahlungsmuster-Positionssensoren 7 am Effektor wird von der Strahlung getroffen ist weniger als 1/3 Arbeitsraumdurchmesser oder weniger als 70 Grad, gemessen gemäß Theorem von Chasles, von dem Laser-Strahlungsmuster 2 entfernt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass geeignete Zwischenstellungen des Roboters, insbes. auf den Bewegungstrajektorien, zur Durchführung von Kalibrationsmessungen genutzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensitivität der Messungen gegenüber Rotationen und translatorischen Verschiebungen des Effektors 4 bzw. Sensors 7 gesteigert wird indem der Winkel zwischen den Sensornormalen und den Laser-Strahlungsmustern 2 in Messstellungen zwischen 10 und 80 Grad beträgt, vorzugsweise 45 Grad und/oder mehrere starr verbundene Sensoren 7 nicht in einer Ebene liegen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Laser-Strahlungsmuster samt Laser-Strahlungsmustergeneratoren am Roboter(Effektor) montiert werden und Laser-Strahlungsmuster-Positionssensoren derart stationär im oder nahe des Arbeitsraums aufgestellt werden, dass eine Vermessung der Effektororientierung bzw. ihres Versatzes in ausgewählten Effektorstellungen durchgeführt werden kann.