DE102012016106A1

DE102012016106A1 - Arrangement for model-based calibration of mechanism, particularly a robot in working space, has two different effect groups used to calibrate mechanism and components of different effect groups are rigidly connected to one another

Info

Publication number: DE102012016106A1
Application number: DE201210016106
Authority: DE
Inventors: Peter Kovács
Original assignee: ISIOS GmbH
Current assignee: ISIOS GmbH
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2014-02-20

Abstract

The arrangement has a laser radiation patterns (2) along with associated laser radiation pattern generator (3) and radiation pattern position sensors (4). The functional effect groups consist of a laser radiation pattern component and another component consisting of a position sensor. Multiple components of these two types are transferred cooperatively as the position sensors upon impingement of a radiation pattern measurement value with position information to computing devices. Two different effect groups are used to calibrate the mechanism and components of different effect groups are rigidly connected to one another. An independent claim is included for a method for model-based calibration of a robot in a working space.

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Anordnung zur modellbasierten Kalibration eines Roboters in einem Arbeitsraum, mit wenigstens drei Kalibrationsobjekten, die entweder als gerichtete Strahlungsmuster samt zugehörigen Strahlungsmustergeneratoren oder als Strahlungsmuster-Positionssensoren ausgebildet sind, wobei Positionssensoren bei Auftreffen eines Strahlungsmusters Messwerte mit Positionsinformationen an Recheneinrichtungen weiterleiten, die mit Hilfe dieser Messwerte die Parameter eines mathematischen Mechanismenmodells bestimmen.The present invention relates to an arrangement for model-based calibration of a robot in a workspace, comprising at least three calibration objects which are designed either as directional radiation patterns together with associated radiation pattern generators or as radiation pattern position sensors, wherein position sensors upon measurement of a radiation pattern forward measured values with position information to computing devices which determine the parameters of a mathematical mechanism model with the aid of these measured values.

Eine solche Anordnung und eine solches Verfahren sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Zunächst werden grundlegende Begriffe definiert:

1. Mechanismus: ein Mechanismus 1 ist ein System von sogenannten Segmenten bzw. Starrkörpern, welche durch Dreh- Schub- oder Schraubgelenke miteinander verbunden sind. Beispiele sind Roboter, Portale, Werkzeugmaschinen oder Hexapoden.
2. Roboter: Zur Vereinfachung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden der Begriff Roboter 1 als Synonym für den Begriff Mechanismus verwendet.
3. Effektor (5): ist ein Segment des Mechanismus, an den ein Werkobjekt (z. B. Greifer (mit Werkstück), Fräse, 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.
4. Stellung: bezeichnet zusammenfassend die Position und Orientierung eines Objekts im 3-dimensionalen Anschauungsraum.
5. Gelenkkonfiguration: ist die Gesamtheit aller Stellwerte der Gelenke eines Roboters, welche die Stellung aller Robotersegmente bzw. Starrkörper inkl. des Effektors festlegt.

Such an arrangement and method are well known in the art. First, basic terms are defined:

1. mechanism: a mechanism 1 is a system of so-called segments or rigid bodies, which are connected by rotary push or screw joints. Examples are robots, portals, machine tools or hexapods.
2. Robot: To simplify the understanding of the present invention, the term robot 1 is used below as a synonym for the term mechanism.
3. Effector (5): is a segment of the mechanism to which a work object (eg gripper (with workpiece), milling cutter, camera, etc.) can be mounted for the purpose of carrying out a useful activity. The aim of the patent is to position the effector with work object exactly in the working space or relative to the robot base.
4. Position: summarizes the position and orientation of an object in the 3-dimensional visual space.
5. Joint configuration: is the total of all control values of the joints of a robot, which determines the position of all robot segments or rigid bodies including the effector.

Damit Roboter im gesamten Arbeitsraum exakt gesteuert werden können, wird der Roboter üblicherweise vorab kalibriert, d. h. alle Parameter eines mathematischen Robotermodells werden exakt identifiziert, die Einfluss auf die Genauigkeit der Effektorstellung haben. Gemäß Schröer [#] besteht die modellbasierte Roboterkalibration prinzipiell aus drei grundlegenden Schritten:

– es werden Messungen durchgeführt, die Informationen über die Effektorstellung eines zu kalibrierenden Roboters im Arbeitsraum liefern
– zu jeder Messung werden die erhaltenen Messwerte und die dazugehörigen Gelenkkonfigurationen des Roboters durch Gleichungen in Beziehung zueinander gesetzt;
– aus der Gesamtheit der erhaltenen Gleichungen werden mit mathematischen Methoden der Parameteridentifikation wie z. B. Gauß-Newton- oder Levenberg-Marquardt-Verfahren die Parameter eines mathematischen Modells des Roboters sowie die Stellung der beteiligten Kalibrationsobjekte berechnet.

So that robots can be precisely controlled in the entire working space, the robot is usually calibrated in advance, ie all parameters of a mathematical robot model are precisely identified, which have an influence on the accuracy of the effector position. According to Schröer [#], model-based robot calibration basically consists of three basic steps:

Measurements are carried out which provide information about the effector position of a robot to be calibrated in the working space
- for each measurement, the obtained measured values and the associated joint configurations of the robot are related by equations;
- From the totality of the obtained equations are using mathematical methods of parameter identification such. B. Gauss-Newton or Levenberg-Marquardt method calculates the parameters of a mathematical model of the robot and the position of the involved calibration objects.

Kalibrationssysteme unterscheiden sich wesentlich durch die eingesetzten Messvorrichtungen sowie das jeweils zugrundeliegende mathematische Mechanismenmodell.Calibration systems differ substantially by the measuring devices used and the respective underlying mathematical mechanism model.

Die folgenden Begriffsdefinitionen erleichtern die gesamte restliche Beschreibung:

6. Ein Laser-Strahlungsmustergenerator 3 erzeugt gerichtete elektromagnetische Strahlen oder gerichtete Strahlungsmuster wie z. B. Einzelstrahlen 2 oder Bündel isolierter Einzelstrahlen 8 oder linien- oder kreuzförmige Strahlungsmuster 9 oder beliebige andere Muster.
7. Laser: Zwecks Vereinfachung wird im Folgenden der Begriff Laser als Synonym von Strahlungsmustergenerator 2 benutzt.
8. Laser-Strahlungsmuster-Positionssensoren 3 können die Position und ggf. Orientierung eines auftreffenden 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.
9. Ein Kalibrationsobjekt ist in der vorliegenden Beschreibung als Oberbegriff für Sensoren sowie Strahlungsmuster samt zugehörigem Laser zu verstehen. Zusammenhängende Abbilder von Strahlungsmustern auf der Sensoroberfläche wie Punkte, Linien oder Kreuze 7 werden als einzelnes Kalibrationsobjekt betrachtet. Unzusammenhängende Strahlungsmuster, die von einem Laser z. B. mittels Aufspaltoptiken 8 erzeugt werden, werden als mehrere unterschiedliche Kalibrationsobjekte aufgefaßt.
10. Ein Kalibrationsobjektpaar ist definiert als ein zusammenhängendes Strahlungsmuster samt zugehörigem Laser sowie einem Sensor.
11. Laser-Sensor-Systeme sind Roboterkalibrationssysteme, die auf folgendem Prinzip basieren: Ein Kalibrationsobjekt eines Kalibrationsobjektpaares wird am Effektor montiert und im Folgenden als Effektorobjekt bezeichnet. Das andere Kalibrationsobjekt des Paares wird stationär im oder nahe dem Arbeitsraum positioniert und im Folgenden als Referenzobjekt bezeichnet. Der Roboter bewegt das Effektorobjekt in eine Vielzahl von Stellungen in denen wenigstens ein Strahlungsmuster des Lasers auf den Sensor trifft. Der Sensor leitet die Messwerte an eine Recheneinheit weiter, die aus den Messwerten sowie zugehörigen Gelenkkonfigurationen die exakten Parameter eines mathematischen Mechanismenmodells errechnet. Kalibrationsobjektpaare können im Laufe einer Mechanismenkalibration wechseln oder genauer: jeder Laser kann verschiedene Sensoren bestrahlen und jeder Sensor von verschiedenen Strahlungsmustern bestrahlt werden.
12. funktionale Wirkungsgruppe von Laser-Sensor-Systemen: ist im üblichen Fall ein Paar von zwei „Komponenten” bestehend aus Laser-Strahlungsmuster und Sensor wovon eine der Komponenten stationär im Raum positioniert ist und eine am Effektor angebracht ist. 5 zeigt z. B. zwei funktionale Wirkungsgruppen: eine Wirkungsgruppe bildet der Laser mit demjenigen Sensor, der gerade getroffen wird. Die andere Gruppe wird von den beiden anderen Komponenten bzw. Kalibrationsobjekten in 5 gebildet. In gewissen Stellungen können beide zeitsynchrone Messungen durchführen. Die 4 Wirkungsgruppen die zum gerade bestrahlten Sensor in 1 gehören (gebildet durch den Sensor mit jeweils einer der 4 Laserstrahlen) können aufgrund Anordnung fast immer zeitsynchrone Messungen durchführen. Beachte, dass zu dieser Anordnung vier andere Wirkungsgruppen existieren, nämlich die gleichen 4 Laserstrahlen, die mit dem anderen Sensor, der im Moment keine Strahlung empfängt, potentiell zusammenwirken. Im speziellen Fall eines speziellen Längennormals gemäß EP 1135237 besteht eine Wirkungsgruppe aus drei Komponenten: einem Laser und zwei Sensoren. Ein Längennormal kann nur dann seine funktionale Wirkung gemäß EP 1135237 erfüllen wenn zwei Sensoren im bekannten Abstand zueinander auf einem Träger montiert sind. Deswegen handelt es sich nur um eine einzige Wirkungsgruppe! Entfernt man einen der beiden Sensoren ist die funktionale Wirkung des Längennormals zerstört. Natürlich kann man auch mehrere Längennormal-Wirkungsgruppen kombinieren. Bildet man z. B. aus drei baugleichen Längennormalen mit je zwei Sensoren ein starr verbundenes gleichschenkliges Dreieck, so hat man mit einem Laser am Effektor sechs funktionalen Wirkungsgruppen. Sechs Sensoren sind jedoch überflüssig – man kann jeweils die drei Sensorpaare an den drei Verbindungspunkten zu einem einzigen Sensor zusammenfassen oder gedanklich verschmelzen und bekommt dann 3 funktionale Wirkungsgruppen mit 3 Sensoren und jede der Wirkungsgruppen für sich ist ein Längennormal!

The following definitions make the rest of the description easier to understand:

6. A laser radiation pattern generator 3 generates directed electromagnetic radiation or directed radiation patterns such. B. single jets 2 or bundles of isolated individual beams 8th or line or cross-shaped radiation patterns 9 or any other pattern.
7. Laser: For the sake of simplicity, the term laser will be used hereafter as a synonym of radiation pattern generator 2 used.
8. Laser radiation pattern position sensors 3 can the position and possibly orientation of an incident radiation pattern 2 register exactly relative to a coordinate system permanently assigned to the sensor. For the sake of simplicity, the term sensor will be used below as a synonym of radiation pattern position sensor.
9. A calibration object is to be understood in the present description as a generic term for sensors and radiation patterns, including the associated laser. Contiguous images of radiation patterns on the sensor surface such as points, lines or crosses 7 are considered as a single calibration object. Disjoint radiation patterns emitted by a laser z. B. by means of splitting optics 8th are generated, are considered as several different calibration objects.
10. A calibration object pair is defined as a coherent radiation pattern together with the associated laser and a sensor.
11. Laser sensor systems are robot calibration systems that are based on the following principle: A calibration object of a calibration object pair is mounted on the effector and hereinafter referred to as effector object. The other calibration object of the pair is stationarily positioned in or near the working space and hereinafter referred to as the reference object. The robot moves the effector object into a plurality of positions in which at least one radiation pattern of the laser strikes the sensor. The sensor forwards the measured values to an arithmetic unit which uses the measured values and associated joint configurations calculated exact parameters of a mathematical mechanism model. Calibration object pairs can change in the course of a mechanism calibration or more precisely: each laser can irradiate different sensors and each sensor can be irradiated by different radiation patterns.
12. Functional group of laser sensor systems: is usually a pair of two "components" consisting of laser radiation pattern and sensor, one of which components is stationarily positioned in the room and one is attached to the effector. 5 shows z. B. two functional groups of action: an action group forms the laser with the sensor that is being hit. The other group is from the other two components or calibration objects in 5 educated. In certain positions, both can perform time-synchronous measurements. The 4 groups of effects to the currently irradiated sensor in 1 belong (formed by the sensor with one of the 4 laser beams) can almost always perform time-synchronous measurements due to arrangement. Note that four other groups of action exist for this arrangement, namely the same 4 laser beams that potentially interact with the other sensor that is not receiving radiation at the moment. In the special case of a special length standard according to EP 1135237 There is an impact group consisting of three components: a laser and two sensors. A length standard can only fulfill its functional effect EP 1135237 meet if two sensors are mounted at a known distance from each other on a support. That's why it's just a single impact group! Removing one of the two sensors destroys the functional effect of the length standard. Of course, one can also combine several length normal activity groups. If you form z. B. from three identical length standards with two sensors a rigid connected isosceles triangle, so you have with a laser at the effector six functional groups of action. Six sensors are superfluous - you can summarize the three pairs of sensors at the three connection points to a single sensor or merge mentally and then get 3 functional groups of action with 3 sensors and each of the groups of action is itself a length standard!

In EP 1135237 werden die Grundlagen industriell einsetzbarer Laser-Sensor-Verfahren dargelegt. Das vorliegende Patent basiert auf EP 1135237 ohne in seinem Umfang durch EP 1135237 eingeschränkt zu werden.In EP 1135237 the fundamentals of industrially applicable laser sensor methods are explained. The present patent is based on EP 1135237 without going through in its scope EP 1135237 to be restricted.

In einem wissenschaftlichen Artikel [Gatla] werden u. a. zwei Methoden zur Einbeziehung eines Längennormals bzw. Skalarfaktors in die Kalibrierung präsentiert. Der Artikel enthält keinen Fortschritt gegenüber EP 1135237 . Die letztlich favorisierte Vorrichtung verfährt den Roboter auf einem mobilen Gestell um einen exakten, definierten Versatz, was i. a. für die industrielle Nutzung wenig geeignet ist. In einem zweiten Vorschlag wird eine starre Kombination von Lasern und Sensoren ausschließlich zum Zweck der Bestimmung eines Skalarfaktors untersucht. Diese Variante wird sofort von den Autoren verworfen und würde in der Praxis zu einer erheblichen Fehlerverstärkung führen.In a scientific Article [Gatla] For example, two methods for including a length standard or scalar factor in the calibration are presented. The article does not contain any progress EP 1135237 , The ultimately favored device moves the robot on a mobile frame to an exact, defined offset, which is generally less suitable for industrial use. In a second proposal, a rigid combination of lasers and sensors is studied solely for the purpose of determining a scalar factor. This variant is immediately rejected by the authors and would lead in practice to a significant error amplification.

WO 2010/094949 und dort zitierte Vorgängerpatente verwenden stationäre Sensoren und Effektorobjekt-Laser um auf verschiedene Weise über mehrere Schritte Informationen über die Stellung des Effektors herzuleiten. Die Vorrichtung dient nicht der Kalibrierung von Robotern sondern der Vermessung isolierter Effektorstellungen. Zweck, Ziele und Wirkung unterschieden sich vom vorliegenden Patent. Das Verfahren liefert unter optimalen Bedingungen bei einem typischen Industrieroboter eine Fehlerverstärkung um den Faktor 12 bis 13. Das Verfahren wird nicht industriell genutzt. WO 2010/094949 and previous patents cited therein use stationary sensors and effector object lasers to derive information about the position of the effector in several ways over several steps. The device is not used to calibrate robots but to measure isolated effector positions. Purpose, objectives and effect differ from the present patent. The method provides an error amplification by a factor of 12 to 13 under optimum conditions in a typical industrial robot. The method is not used industrially.

[Positionsvermessung aus Entgegenthaltung mit 4 Strahlen am Roboter #]: Es handelt sich bei [#] um ein Verfahren zur Vermessung der jeweils aktuellen Stellung des Effektors ohne jegliche Kalibration und Ermittlung von Roboterparametern – der Wirkzusammenhang ist ein völlig anderer als in dieser Erfindung. Eine genauere Betrachtung von [#] erhellt jedoch einige Vorteile dieser Erfindung sowie Begrifflichkeiten. Würde man den Begriff der funktionalen Wirkungsgruppe auf Vermessungssysteme übertragen, so handelt es sich bei [#] um ein System mit einer einzigen Wirkungsgruppe insofern alle vier Laser benötigt werden um die Stellung sicher zu bestimmen. Im mathematischen Sinne werden genau drei Laserstrahlen benötigt um eine Stellung zu beschreiben. Aus dieser zweiten Perspektive und in Hinsicht auf die zentrale Qualität ist die Wirkung von [#] würde es sich dann um ein System mit vier Wirkungsgruppen handeln: nämlich den Sensor jeweils zusammen mit drei der vier Laser [#]. Auch hinsichtlich der entscheidenden Wirkung ist [#] dieser Erfindung diametral entgegengesetzt. Um den Unterschied zuzuspitzen kann die gleiche Messung, die eine gegebene Stellung gemäß [#] mit hoher Fehlerverstärkung und einem großen Fehler von mehreren mm bestimmt einen entscheidenden Beitrag zur hochgenauen Kalibration des Mechanismus liefern. Für [#] gilt nämlich je größer die Entfernung, desto schlechter wird die Position bestimmt – bzgl der vorliegenden Erfindung gilt dagegen in der gleichen Anordnung wie in [#]: je größer die Entfernung, desto besser werden Winkel im Roboter bestimmt! die Vorteile und Nachteile sind exakt entgegengesetzt! Beispiel: durch diese spezielle Messung, im Zusammenhang mit allen anderen KalibrierMessungen und der Ausgleichsrechnung wird z. B. die Nulllagenabweichung im 3. oder Gelenk des Roboters als angenommenes Beispiel präzise eingegrenzt und dadurch der durchschnittliche Fehler nach Kalibration von 0,3 auf 0,2 mm gesenkt wird. Durch die Gesamtheit der Kalibmessgen wird – neben der Gesamtheit aller anderen Effektorstellungen des Roboters – insbesondere auch die vorgegebene Stellung mit vielfach höherer Genauigkeit bestimmt als Patent [#] es kann. Die Kunst bei der Kalirierung liegt dann, die Kalibmessungen so zu wählen, dass im Zusammenhang aller Kalibriermessungen die Roboterparameter gut bestimmt sind. Bei Patent [#] handelt es sich wegen der Fehlerverstärkung um eine nur begrenzt geeignete Methode zur Stellungsbestimmung während das zugrundeliegende Kalibrationsverfahren, welches durch dieses Patent entscheidend in seiner Effizienz gesteigert wird, zu den leistungsstärksten derzeit verfügbaren Kalibrationsverfahren zählt (hinsichtlich resultierender Genauigkeit und zeitverbrauch) und gleichzeitig zu den kosteneffizientesten. Im Zusammenhang mit der Vermessung ist die starre Kombination im Sinne von [#] ein ungeeignetes Merkmal – im Zusammenhang mit der Kalibration ist die starre Kombination eine fundamentale Verbesserung, die aus einem sehr guten Kalibrationsverfahren ein führendes Kalibrationsverfahren macht. Diese Erfindung beansprucht die starre Kombination nicht für die Vermessung! Umgekehrt haben die Erfinder von [#] in keiner Weise die große Wirkung der starren Kombination für die Kalibration erkannt oder diese mit ihrem Patent beansprucht! Die erfinderische Leistung liegt bei diesem Patent in der Erkennung der Effiziensteigerung durch starre Kombination.[Position measurement from 4-beam pose on the robot #]: [#] is a method of measuring the current position of the effector without any calibration and detection of robot parameters - the interaction is completely different from that in this invention. A closer look at [#], however, highlights some of the benefits of this invention as well as terminology. If one were to transfer the concept of the functional action group to surveying systems, [#] is a system with a single action group insofar as all four lasers are needed to determine the position safely. In the mathematical sense, exactly three laser beams are needed to describe a position. From this second perspective, and in terms of the central quality, the effect of [#] would then be a system with four action groups: the sensor along with three of the four lasers [#]. Also in terms of the decisive effect, [#] is diametrically opposed to this invention. To emphasize the difference, the same measurement that determines a given position according to [#] with high error amplification and a large error of several mm can provide a crucial contribution to the highly accurate calibration of the mechanism. For [#], the greater the distance, the worse the position is determined - with respect to the present invention, however, the same arrangement applies as in [#]: the greater the distance, the better angles are determined in the robot! the advantages and disadvantages are exactly opposite! Example: by this special measurement, in connection with all other calibration measurements and the compensation calculation is z. For example, the zero deviation in the 3rd or joint of the robot can be precisely limited as an assumed example, thereby reducing the average error after calibration from 0.3 to 0.2 mm. By the totality of Kalibmessgen - in addition to the totality of all other effector positions of the robot - especially the predetermined position with much higher accuracy than patent [#] it can. The art of calibrating is then to choose the caliber measurements so that the robot parameters are well defined in the context of all calibration measurements. Patent [#] is a poorly suited positional method because of the error amplification while the underlying calibration method, which is significantly increased in efficiency by this patent, is among the most powerful currently available calibration methods (in terms of accuracy and time consumption) and at the same time the most cost-efficient. In the context of surveying, the rigid combination in the sense of [#] is an inappropriate feature - in the context of calibration, the rigid combination is a fundamental improvement that turns a very good calibration procedure into a leading calibration procedure. This invention does not claim the rigid combination for the survey! Conversely, the inventors of [#] have in no way recognized the great effect of the rigid combination for calibration or claimed it with their patent! The inventive feat lies in this patent in the recognition of the efficiency increase by rigid combination.

Während es in der vorliegenden Erfindung darum geht, aktuelle Spitzenwerte in der Roboterkalibration im Bereich von ca. 0,1 bis 0,3 mm Durchschnittsfehler um einige 1/100 mm zu übertreffen ist das Verfahren in [#] mit der 1000 bis 2000-fachen Fehlerverstärkung in typischen Einsatzfällen (siehe Fig. – noch zu erläutern) nur von begrenztem praktischen Wert.While the present invention is concerned with surpassing current peak values in robot calibration in the range of about 0.1 to 0.3 mm mean error by several 1/100 mm, the method in [#] is 1000 to 2000 times Error amplification in typical applications (see Fig. - To be explained) only of limited practical value.

Die Nachteile bisheriger Laser-Sensor-Verfahren für die modellbasierte Kalibration von Robotern sind vor allem

– sie liefern wenige Informationen pro Messung und erfordern zu viele zeitaufwendige Messungen für kritische Applikationen wie z. B. die sogenannte Temperaturkompensation;
– durch Verwendung eines einzigen Kalibrationsobjektpaares bleibt die durchschnittliche Stellungsgenauigkeit des kalibrierten Roboters im gesamten Arbeitsraum gering. Mit der Verwendung von mehr als zwei Kalibrationsobjekten hingegen steigt die Zahl der zu identifizierenden Parameter, was die resultierende Effektor-Stellungsgenauigkeit des kalibrierten Mechanismus ebenfalls senkt;
– die Installation der Kalibrationsobjektanordnungen bzw. das sogenannte Einmessen der Kalibrationsobjekte ist technisch aufwendig und zeitintensiv
– der Freiraum in der Arbeitszelle, der für eine Kalibrierung benötigt wird, ist groß.

The disadvantages of previous laser sensor methods for the model-based calibration of robots are above all

They provide little information per measurement and require too much time consuming measurement for critical applications such as B. the so-called temperature compensation;
By using a single pair of calibration objects, the average positional accuracy of the calibrated robot throughout the working space remains low. By contrast, with the use of more than two calibration objects, the number of parameters to be identified increases, which also lowers the resulting effector position accuracy of the calibrated mechanism;
- The installation of the calibration object arrangements or the so-called calibration of the calibration objects is technically complex and time-consuming
- The free space in the work cell, which is needed for a calibration, is large.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Anordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die vorgenannten Nachteile beseitigt sind. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens zwei Kalibrationsobjekte starr miteinander verbunden werden.The object of the present invention is therefore to develop an arrangement and a method of the type mentioned in such a way that the aforementioned disadvantages are eliminated. The object is achieved in that at least two calibration objects are rigidly interconnected.

Weitere Vorteile sind:

• Durch Berücksichtigung der Kenntnis der relativen Stellungen der starr verbundenen Kalibrierobjekte bzw. Komponenten
– sind weniger Kalib-Messungen erforderlich, da anstatt der Stellungen vieler unabhängiger Komponenten nur die Stellung eines Trägerobjekts identifiziert werden muss bei dem die Stellungen aller unabhängigen Komponenten zueinander vorab bekannt ist.
– sind die Ergebnisse präziser, da weniger identifiziert werden muss (aufgrund geringerer numerischer Probleme bei der Ausgleichsrechnung)
– wird die entscheidende Kalibrationszeit des Anwenders/beim Anwender (z. B. nach einem Crash, Verschleiß, Auswechselung des Roboters oder der Komponenten) reduziert.
– wird die Einrichtung des Kalibriersystems am Mechanismus vor Ort (beim Anwender) wesentlich verkürzt.
– Praktische Vorteile in der Handhabung entstehen insofern als starr auf einer Trägereinheit verbundene Objekte leichter zu handhaben sind als mehrere unverbundene Objekte. Z. B. wird die (Wieder)-Einrichtung des Kalibriersystems am Roboter in der Arbeitszelle (beim Anwender) wesentlich verkürzt, da nur ein Objekt eingemessen werden muss, anstatt mehrerer Objekte und die Einmessung die zeitaufwändigste und kritischste Operation bei der Kalibration ist.
• Pro Messung kann mehr Information gewonnen werden (mehr als ein Kalibrationsobjektpaar machen Messungen). Das steigert die Effizienz (Zeit!) und die Genauigkeit:
– Senkung der Anzahl der Messungen und Steigerung der Redundanz senkt Messfehler und steigert die inhärente Konsistenz der Messungen
– Da es weniger Messstellungen gibt und es zu jeder Stellung mehrere Messungen durch verschiedene Wirkungspaare gibt hat die Ausgleichsrechnung weniger Möglichkeiten, Fehler zu begehen bzw. Fehler über viele Messstellungen zu verschmieren.
– Konsistente und ggf. redundante Messergebnisse zu einer Stellung sorgen für eine Fehlerreduktion durch Fehlermittelung der Gesamtinformation zu dieser Stellung und folglich zu konsistenteren, genaueren Messdaten, die dann zu genaueren Kalibrationsergebnissen führen.
– Modellfehler treten deutlicher hervor wenn Messfehler begrenzt werden und lassen sich besser eingrenzen
• Durch Aufspaltung in einmalige (aufwendige vorab-)Kalibrierung bzw. Vermessung der starr verbundenen KalibObjekte und beliebig viele nachfolgende („eigentliche”) Kalibrierungen des Mechanismus gelingt es
– Messaufwand bei den nachfolgenden „eigentlichen Kalibriermessungen” zu sparen (insbesondere entscheidend f Tempkomp)
– Präzision des Ergebnisses zu steigern, da bei einmaliger (Vorab)-Kalibration beliebiger Aufwand getrieben werden kann und dann während den eigentlichen, nachfolgenden Kalibrationen weniger Parameter identifiziert werden müssen; weniger Parameter bedeutet weniger Fehler! (1 Parameter lässt sich besser bestimmen mit 100 Messungen als 40 Parameter da die Toleranzen bzw. Fehler nicht „verschmieren” können)

Further advantages are:

• By taking into account the knowledge of the relative positions of the rigidly connected calibration objects or components
- Less caliber measurements are required, because instead of the positions of many independent components only the position of a carrier object must be identified in which the positions of all independent components to each other is known in advance.
- the results are more precise, because less has to be identified (due to fewer numerical problems in the compensation calculation)
- reduces the decisive calibration time of the user / at the user (eg after a crash, wear, replacement of the robot or the components).
- The setup of the calibration system on the mechanism on site (at the user) is significantly shortened.
Practical advantages in handling arise in that objects which are rigidly connected to a carrier unit are easier to handle than several unconnected objects. For example, the (re) setup of the calibration system on the robot in the workcell (at the user) is significantly shortened, since only one object has to be calibrated, rather than multiple objects and the calibration is the most time-consuming and critical operation in the calibration.
• More information can be obtained per measurement (more than one pair of calibration objects makes measurements). This increases efficiency (time!) And accuracy:
- Reducing the number of measurements and increasing the redundancy reduces measurement errors and increases the inherent consistency of the measurements
- Since there are fewer measurement positions and there are several measurements for each position through different pairs of effects, the compensation calculation has fewer opportunities to make mistakes or to smear errors over many measuring positions.
Consistent and possibly redundant measurement results for a position ensure a reduction of errors by error averaging the overall information on this position and consequently more consistent, more accurate measurement data, which then lead to more accurate calibration results.
- Model errors are more pronounced when measurement errors are limited and can be better limited
• By splitting into a unique (complex pre-calibration) or measurement of the rigidly connected Kalib objects and any number of subsequent ("actual") calibrations of the mechanism succeeds
- to save measuring effort during the following "actual calibration measurements" (especially decisive f Tempkomp)
- To increase the precision of the result, since one-time (pre-scan) calibration can drive any expenditure and then during the actual, subsequent calibrations fewer parameters must be identified; less parameter means fewer mistakes! (1 parameter can be determined better with 100 measurements than 40 parameters because the tolerances or errors can not "smear")

Entscheidender Vorteil dieser starren Verbindung ist die maximale Informations- bzw. Effizienzsteigerung pro Messung wie folgt: Der Auftreffpunkt eines Laserstrahls auf einem Sensor liefert zwei Gleichungen für die Parameteridentifikation: je eine für die x- und y-Koordinate des Auftreffpunkts im Sensorkoordinatensystem. Zwei Gleichungen pro Messung liefert die ursprüngliche Laser-Sensor-Technik gemäß EP 1135237 . Dagegen liefern z. B. die vier starr verbundenen Strahlen des Ausführungsbeispiels in 1 pro Messung 4·2 = 8 Gleichungen. Zwei von ihnen sind abhängig von den restlichen sechs und liefern redundante Information. Sechs unabhängige Gleichungen sind die maximal erhältliche Information pro Messung, da sechs Koordinaten eine Effektorstellung eindeutig bestimmen. Die bekannten elementargeometrischen Zusammenhänge sollen hier nicht näher erläutert werden.The decisive advantage of this rigid connection is the maximum increase in information or efficiency per measurement as follows: The impact point of a laser beam on a sensor provides two equations for parameter identification: one for the x and y coordinates of the impact point in the sensor coordinate system. Two equations per measurement are provided by the original laser sensor technology EP 1135237 , In contrast, z. B. the four rigidly connected beams of the embodiment in 1 4 × 2 = 8 equations per measurement. Two of them are dependent on the remaining six and provide redundant information. Six independent equations are the maximum information available per measurement since six coordinates uniquely determine one effector position. The known elementargeometric relationships will not be explained in detail here.

Im Fall des Beispiels in 1 mussten bislang bei jeder Roboterkalibration zusätzlich zu den Roboterparametern 4·4 Laserparameter und 2·6 Sensorparameter – also zusätzlich insgesamt 28 Parameter identifiziert werden. Wird dagegen die starre, relative Stellung der Kalibrationsobjekte zueinander auf ihren Trägereinheiten z. B. vom Kalibrationssystemhersteller vor Auslieferung der Trägereinheit mit hochgenauen Geräten exakt bestimmt, so muss bei nachfolgenden Roboterkalibrationen nur noch die Stellung der beiden Trägereinheiten bestimmt werden, wozu 6 + 6 = 12 Parameter erforderlich sind. Die geringere Anzahl der zu identifizierenden Parameter reduziert nicht nur den Zeitaufwand der Kalibration sondern bewirkt i. a. auch eine verbesserte resultierende Roboter-Stellungsgenauigkeit nach Kalibration.In the case of the example in 1 So far, in addition to the robot parameters, 4 × 4 laser parameters and 2 × 6 sensor parameters-in other words a total of 28 parameters-had to be identified in each robot calibration. If, however, the rigid, relative position of the calibration objects to each other on their support units z. B. determined by the calibration system manufacturer before delivery of the carrier unit with high-accuracy equipment, then only the position of the two carrier units must be determined in subsequent robotic calibrations, including 6 + 6 = 12 parameters are required. The lower number of parameters to be identified not only reduces the time required for calibration, but also results in improved resulting robot posture accuracy after calibration.

Durch die große Informationsausbeute pro Messung können bei entsprechender Optimierung der Kalibrations-Messstellungen ausladende Bewegungen des Mechanismus entfallen ohne Einbußen in der resultierenden Stellungsgenauigkeit. Die Reduktion des erforderlichen Freiraums ist wichtig, da der Platz in Roboterarbeitszellen meist beschränkt ist.Due to the large information yield per measurement, with appropriate optimization of the calibration measurement positions, expansive movements of the mechanism can be eliminated without sacrificing the resulting positional accuracy. Reducing the space required is important because space is usually limited in robot work cells.

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:Various embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Show it:

1 Anordnung mit maximaler Information pro Messung; 1 Arrangement with maximum information per measurement;

2 Standardkalibrationssystem für begrenzte Anforderungen mit drei Sensoren auf einer einzigen Trägereinheit; 2 Standard limited-range calibration system with three sensors on a single carrier unit;

3 Identifikation der Abweichung von der Geradlinigkeit bei Lineargelenken; 3 Identification of the deviation from straightness in linear joints;

4 Kalibrationsvariante mit stationärem Laser mit Aufspaltoptik; und 4 Calibration variant with stationary laser with splitting optics; and

5 Einmessung von heterogenen Kalibrationsobjektkombinationen. 5 Measurement of heterogeneous calibration object combinations.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Realisierung mit einer Trägereinheit 5 am Effektor 6, an der vier einfache Laser 3 in starrer Stellung relativ zueinander montiert sind sowie einem Referenzobjekt, welches aus einer Trägereinheit 5 mit zwei starr verbundenen Sensoren 4 besteht. In geeigneten (Kalibrations-)Messstellungen des Effektors erhält man vier Laserlichtpunkte auf der lichtempfindlichen Fläche 7 des Sensors 4. Die Menge der Effektorstellungen, in denen alle vier Strahlen einen Sensor treffen ist begrenzt. Voraussetzung für eine erfolgreiche Mechanismenkalibration ist jedoch ein großes Spektrum verschiedenster Messstellungen. Um die Forderungen nach maximaler Information pro Messung sowie nach einem großen Spektrum an Kalibrationsmessstellungen optimal zu kombinieren werden die Messserien so ausgelegt, dass die Sensoren in einigen Messstellungen von möglichst vielen Laserstrahlen bzw. Strahlungsmustern getroffen werden und in anderen Messstellungen, die aus einer Optimierung der Messserie(n) resultieren, weniger Strahlen bzw. im äußersten Fall nur ein Laserstrahl den Sensor trifft. 1 shows a realization according to the invention with a carrier unit 5 at the effector 6 , at the four simple lasers 3 are mounted in a rigid position relative to each other and a reference object, which consists of a carrier unit 5 with two rigidly connected sensors 4 consists. In suitable (calibration) measuring positions of the effector, four laser light spots are obtained on the photosensitive surface 7 of the sensor 4 , The amount of effector positions in which all four beams hit a sensor is limited. However, a prerequisite for a successful mechanism calibration is a wide range of different measurement positions. In order to optimally combine the demands for maximum information per measurement as well as for a wide range of calibration measurement positions, the series of measurements are designed so that the sensors are hit by as many laser beams or radiation patterns as possible in some measuring positions and in other measuring positions that result from an optimization of the measuring series (n) result, less rays or in the extreme case only one laser beam hits the sensor.

Das Ausführungsbeispiel in 2 zeigt einen Effektorlaser mit Kreuzoptik, der ein kreuzförmiges Strahlenmuster 9 auf Sensoren projiziert und eine stationäre Trägereinheit 5 mit drei Sensoren 4. Die exemplarische einzige Trägereinheit 5 kann leicht transportiert und schnell installiert werden. Sind die relativen Stellungen der Sensoren zueinander vorab exakt ausgemessen, so eignet sich die Trägereinheit u. a. als Längennormal mit hoher Fehlerdämpfung aufgrund des großen Abstands zwischen den Sensoren. In allen Messstellungen des Mechanismus wird jeweils nur ein Sensor bestrahlt. Das hier vorgeschlagene Kalibrationsverfahren sowie das Verfahren in EP 1135237 setzen nicht voraus, dass aus den Messwerten, die in einer Messstellung gewonnen werden, die jeweilige Stellung des Effektors bzw. der Effektorobjekte eindeutig rekonstruierbar ist. Partielle Informationen über die jeweilige Effektorstellung sind ausreichend.The embodiment in 2 shows a effector laser with a cross-optic, the one cross-shaped ray pattern 9 projected onto sensors and a stationary carrier unit 5 with three sensors 4 , The exemplary single carrier unit 5 can be easily transported and installed quickly. If the relative positions of the sensors relative to one another are exactly measured in advance, then the carrier unit is suitable, inter alia, as a length standard with high error attenuation due to the large distance between the sensors. In all measuring positions of the mechanism, only one sensor is irradiated at a time. The calibration method proposed here and the method in EP 1135237 do not assume that the respective position of the effector or the effector objects can be unambiguously reconstructed from the measured values obtained in a measuring position. Partial information about the respective effector position is sufficient.

3 zeigt ein Linear- oder Translationsgelenk 10, welches stellvertretend für komplexere Mechanismen mit mehreren Lineargelenken, z. B. Portalroboter oder Werkzeugmaschinen, genannt wird. Lineargelenke haben i. a. leichte Abweichungen von der Geradlinigkeit, welche identifiziert und kompensiert werden müssen. In 3 sind sowohl Effektor- als auch Referenzobjekte starre Kombinationen von je einem Laser 3 und einem Sensor 4. Zwecks effizienter Kalibration werden die Laser gemäß Abbildung annähernd parallel zur Gelenkachse ausgerichtet und die Sensoren so positioniert, dass beide während der gesamten Gelenkbewegung vom jeweiligen Laser getroffen werden. Die Informationsausbeute ist doppelt so hoch wie bei der Technik gemäß EP 1135237 . Mit einem dritten, ebenfalls parallel zum Gelenk ausgerichteten Kalibrationsobjektpaar kann man die maximale Information von sechs Gleichungen pro Messung erhalten. 3 shows a linear or translational joint 10 , which is representative of more complex mechanisms with multiple linear joints, z. B. gantry robot or machine tools, is called. Linear joints usually have slight deviations from the straightness, which must be identified and compensated. In 3 Both effector and reference objects are rigid combinations of one laser each 3 and a sensor 4 , For efficient calibration, the lasers are aligned approximately parallel to the hinge axis, as shown, and the sensors are positioned so that both are hit by the laser during the entire joint movement. The information yield is twice as high as in the technique according to EP 1135237 , With a third, also parallel to the joint aligned calibration object pair, one can obtain the maximum information of six equations per measurement.

In 4 ist ein Laser mit Aufspaltungsoptik 8, der mehrere Strahlen 2 in unterschiedlichem Winkel aussendet, stationär am Rand des Arbeitsraums montiert und am Effektor 6 ist eine Trägereinheit 5 mit zwei starr verbundenen Sensoren 4 montiert. Die Vertauschung von Effektorobjekt und Referenzobjekt in diesem Beispiel ergibt eine andere Variante der Kalibration als die vorangehenden Ausführungsbeispiele mit anderen vorteilhaften Eigenschaften. In einigen Kalibrationsmessstellungen können beide Sensoren gleichzeitig von verschiedenen Strahlen des Lasers getroffen werden.In 4 is a laser with splitting optics 8th , the multiple rays 2 emitted at different angles, mounted stationary on the edge of the working space and on the effector 6 is a carrier unit 5 with two rigidly connected sensors 4 assembled. The interchange of effector object and reference object in this example gives a different variant of the calibration than the preceding embodiments with other advantageous properties. In some calibration measurement positions, both sensors can be hit simultaneously by different beams of the laser.

In 5 ist sowohl am Effektor 6 als auch stationär im Arbeitsraum jeweils ein Laser 3 starr mit einem Sensor 4 verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl Kalibrationsmessungen des Typs wie in 1 möglich als auch solche wie in 4. Während in 3 die Messungen an den Sensoren gleichzeitig vorgenommen werden ist dies bei dem Roboter mit Rotationsgelenken in 5 nicht das primäre Ziel. Die starre Verbindung unterstützt hier vor allem die initiale Identifikation der Stellung der Kalibrationsobjekte wie folgt. Sei z. B. angenommen, der Anwender stellt das Referenzobjekt 3; 4; 5 in 5 mit vorab exakt vermessener Stellung von Laser zu Sensor in den Arbeitsraum. Sobald die Stellung des Sensors im Roboterkoordinatensystem bestimmt wird kann danach sofort die Stellung des starr damit verbundenen Lasers berechnet werden. Die Stellungen der Referenzobjekte relativ zur Roboterbasis sowie der Effektorobjekte relativ zum Effektor muss bei Laser-Sensor-Systemen annähernd ermittelt werden bevor Kalibrationsmessserien errechnet werden können, bei denen der Laser den Sensor wirklich trifft.In 5 is both on the effector 6 as well as stationary in the workspace one laser each 3 rigid with a sensor 4 connected. In this embodiment, both calibration measurements of the type as in 1 possible as well as such as in 4 , While in 3 the measurements on the sensors are made simultaneously this is the case with the robot with rotary joints in 5 not the primary goal. The rigid connection primarily supports the initial identification of the position of the calibration objects as follows. Be z. For example, suppose the user sets the reference object 3 ; 4 ; 5 in 5 with precisely measured position from laser to sensor in the working area. As soon as the position of the sensor in the robot coordinate system is determined, the position of the rigidly connected laser can be calculated immediately afterwards. The positions of the reference objects relative to the robot base and the effector objects relative to the effector must be approximately determined in laser sensor systems before calibration measurement series can be calculated at which the laser really hits the sensor.

Literaturliterature

[Dynalog] see: www.dynalog.com
[Gatla] CS Gatla, R. Lumia, J. Wood, G. Starr, An Automated Method to Calibrate Industrial Robots Using a Virtual Closed Kinematic Chain, IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS, VOL. 23, NO. 6 (2007)
[Hollerbach] JM Hollerbach, "The calibration index and taxonomy for robot kinematic calibration methods," Int. J. Robot. Res., Vol. 15, no. 12, pp. 573-591 (1996) ,
[Schroer] K. Schröer, identification of calibration parameters of kinematic chains. Hanser Verlag, 1993

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Roboterrobot
22: Strahlungsmuster (punktförmiges Abbild)Radiation pattern (punctiform image)
33: Laser (Strahlungsmuster Generator)Laser (radiation pattern generator)
44: Sensor (Strahlungsmuster-Positionssensor)Sensor (radiation pattern position sensor)
55: Trägereinheitsupport unit
66: Effektoreffector
77: lichtempfindliche Sensorflächephotosensitive sensor surface
88th: Laser mit AufspaltoptikLaser with splitting optics
99: Strahlungsmuster (kreuzförmiges Abbild)Radiation pattern (cross-shaped image)
1010: Lineargelenklinear joint

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1135237 [0005, 0005, 0006, 0006, 0006, 0007, 0014, 0024, 0025]
WO 2010/094949 [0008]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Article [Gatla] [0007]

Claims

Arrangement for the model-based calibration of a mechanism ( 1 ) in a workspace, with (directed) laser radiation patterns ( 2 ) together with respective laser radiation pattern generator ( 3 ) as well as radiation pattern position sensors ( 4 ), wherein "functional action groups" consisting of a laser radiation pattern component and a second component consisting of a position sensor - and in special cases also several components of these two types - insofar cooperate as position sensors ( 4 ) upon measurement of a radiation pattern forward measured values with position information to computing devices which determine the parameters of a mathematical mechanism model with the aid of these measured values, characterized in that at least two mutually different functional action groups are used to calibrate the mechanism and components of different action groups are rigidly connected to one another or - in the case that one and the same component belongs to two different activity groups - are identified with each other.

Arrangement according to claim 1, characterized in that two rigidly combined components from different action groups ( 2 ) via a carrier unit ( 5 ) and possibly via the associated radiation pattern generators ( 3 ) are rigidly connected.

Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that at least two rigidly connected calibration objects ( 2 ; 3 ) on a carrier unit ( 5 ) are fixed in a predetermined distance range or a predetermined orientation range relative to each other, the range limits being determined by the manner of realizing the specific arrangement and the robot type, the robot size, the specific task the robot is to perform, the size of the robot Workspace section in which high precision is required as well as a user-specific weighting of position and orientation errors.

Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that all stationary calibration objects ( 2 ; 3 ) on a single carrier unit ( 5 ) are mounted.

Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that at (calibration measurement) positions of the mechanism, the calibration measured values of at most two stationary radiation pattern position sensors are recorded and forwarded to the arithmetic unit.

Method for model-based calibration of a robot in a workspace, with a plurality of calibration objects and computing devices according to one of claims 1 to 5, characterized in that a rigid connection of at least two calibration objects from different action groups is made prior to the execution of the mechanism calibration and the relative position of the rigidly connected Calibration objects to each other before performing the mechanism calibration exactly identified, stored and used in subsequent mechanism calibrations to calculate the parameters of a mathematical mechanism model.