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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wiederherstellung der Betriebsbereitschaft einer mehrachsigen Bewegungseinrichtung, welche durch ein kinematisches Modell unter Verwendung von Parametern beschreibbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Meßeinrichtung.
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Die
DE 198 54 011 A1 beschreibt eine Einrichtung und ein Verfahren von Mechanismen und ihrer Stellung, womit eine präzise Messung aller Parameter, die für eine Kalibrierung notwendig sind, durchgeführt werden. Dabei weist die Vorrichtung einen beweglichen Mechanismus, insbesondere einen Industrieroboter auf, an welchen ein Effektorobjekt fest verbunden ist. Mit einem oder mehreren Referenzobjekten, die relativ zur Basis des Mechanismus stationär montiert sind, werde diese von Signal- und Informationsverarbeitungselementen am oder im Mechanismus detektiert und durch eine Informationsverarbeitungsanlage verarbeitet, so dass ein virtuelles Modell des Mechanismus berechnet werden kann.
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In der
DE 690 32 398 T2 wird ein Roboterbewegungssteuerungsverfahren offenbart, welches ein Lern- bzw. Lehrverfahren umsetzt. Das Roboterbewegungssteuerungsverfahren ist durch ein Definieren, durch ein Bezugskoordinatensystem eines Roboters, eines Arbeitspunkts und nachfolgendes Durchführen des Lehrvorgangs des von dem Roboter ergriffenen oder andersartig gehaltenen Werkstücks relativ zu dem Arbeitspunkt durch ein Steuern des Punkts, wie er zeitweilig von einem Endeffektor von einem Robotersteuerpunkt gesehen wird, und ein Rotieren des Werkstücks um den Arbeitspunkt, wodurch die Orientierung des Werkstücks relativ zu dem Arbeitspunkt willkürlich geändert werden kann, gekennzeichnet.
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Mit der
EP 2 383 624 A2 wird eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erfassung der Kontaktposition eines Roboters offenbart. Die Vorrichtung umfasst einen Roboter mitsamt Tastfühler, eine Tastfühlerpositionsrecheneinheit, eine Kontakterfassungseinheit sowie eine Kontaktpositionsrecheneinheit. Der Tastfühler ist an dem Roboter angeordnet und vollzieht den Berührungskontakt zum zu vermessenden Objekt in elastischer Art und Weise. Dabei berechnet stets die Tastfühlerpositionsrecheneinheit die Position des Tastfühlers. Mit Berühren einer Probe wird ein Kontakt erfasst und gemeinsam mit der Kontaktpositionsrecheneinheit über die Tastfühlerposition die aktuelle Position auf dem Objekt berechnet.
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EP 1 953 496 A2 beschreibt eine Kalibrierungsvorrichtung sowie ein -verfahren für einen Robotermechanismus, wobei die Kalibrierungsvorrichtung ein Ausrichtungsteil zum Durchführen einer Ausrichtung, bei der die Positionsbeziehung zwischen einem ersten Koordinatensystem, das an einem Teil eines Roboters befestigt ist, und einem zweiten Koordinatensystem, das außerhalb des Roboters befestigt ist, eine vorbestimmte Bedingung erfüllt.
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In der
EP 1 631 423 B1 wird ein Verfahren zur Feinabstimmung eines Roboterprogramms offenbart, welches einen industriellen Roboter, ein Werkzeug und ein Arbeitsobjekt umfasst, wobei das Roboterprogramm eine Anzahl von Programminstruktionen aufweist, die den gewünschten Posen entsprechend programmierter Posen umfassen. Die Programminstruktionen des Roboterprogramms umfassen u.a. die Bestimmung der Differenz zwischen einer Position einer gewünschten Pose in einem definierten Feinabstimmungskoordinatensystem und der erhaltenen Pose. Mithilfe der erhaltenen Differenz wird das Feinabstimmungskoordinatensystem an die Differenz angepasst, sodass die erhaltene Pose sich der gewünschten Pose annähert. Diese Schritte werden iterativ wiederholt, sodass die Differenz verkleinert wird.
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Bewegungseinrichtungen zur Werkstück- oder Werkzeughandhabung werden auch als Handhabungsgeräte bezeichnet. Handhabungsgeräte, die als universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen versehen sind, deren Bewegungen hinsichtlich Folge und Wegen bzw. Winkeln frei programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind, werden als Industrieroboter bezeichnet. Die Maschine besteht dabei im Allgemeinen aus dem Manipulator (Roboterarm), der Steuerung und einem Effektor (Werkzeug, Greifer, etc.). Der Roboterarm umfaßt dabei in der Regel mehrere starre Glieder, die durch Achsen verbunden sind (kinematische Kette).
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In der Regel werden Roboter ohne Effektor geliefert, da dieser stark von der Anwendung abhängig ist. Daher wird als fixer Endpunkt der kinematischen Kette meist der Flanschmittelpunkt des Roboters herangezogen. Am Flansch können nun Werkzeuge oder Werkstückträger montiert werden.
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Kann einem Werkzeug ein relativ zum Flanschmittelpunkt liegender Punkt oder sogar eine Orientierung zugeordnet werden, so wird dieser Tool Center Point (TCP) oder nur „Tool“ genannt. Da die Werkzeuge in der Realität geringfügig von ihren CAD-Modellen bzw. Datenblättern abweichen, werden TCPs in der Regel eingemessen.
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Während des Betriebs des Roboters kann es zu einer Kollision des Roboterarms kommen, beispielsweise mit Werkstücken oder Objekten in der Umgebung des Roboters. Bei Kollisionen können Achsen oder Getriebe des Roboterarms durchrutschen. Die als Nullstellung gespeicherte Position der Drehgeber stimmt dann nicht mehr mit der tatsächlichen Nullstellung der Achsen überein. Mit anderen Worten stimmt das interne Robotermodell nicht mehr mit der realen Kinematik überein.
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Bei einer Online-Programmierung eines Industrieroboters erfolgt häufig eine sogenannte Teach-In-Programmierung. Dabei wird der Roboter händisch über einen Steuerknüppel und/oder Tasten geführt und ausgewählte Bahnpunkte werden gespeichert („geteacht“). Dies erfolgt meist nach Augenmaß, also ohne Meßmittel oder Teachlehren. Diese Vorgehensweise ist je nach konkreter Aufgabe der Kinematik und den Gegebenheiten selbst für einen geübten Bediener oft eine sehr zeitaufwendige Angelegenheit.
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Im Falle von Veränderungen, also wenn geteachte Punkte nicht mehr den Anforderungen genügen, wie beispielsweise nach einer Kollision eines Roboterarmes, muß ein Nachteachen erfolgen, was zu Folge hat, daß der Roboter und damit im ungünstigsten Fall sogar eine komplette Produktionslinie stillsteht. Dies ist mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Zudem muß hierfür ausreichend geschultes Personal zur Verfügung stehen, was insbesondere im heute üblichen Mehrschichtbetrieb nicht immer gewährleistet werden kann.
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Häufig erfolgt nach einer Kollision auch eine Kalibrierung des Roboters. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Kalibrierung von Industrierobotern bekannt. Ziel dieser Verfahren ist die Steigerung der Absolutgenauigkeit des Roboters. Eine Steigerung der Absolutgenauigkeit bedeutet, daß die Kinematik in der Lage ist, Koordinaten in ihrem Arbeitsraum genau - und zwar absolut wie relativ - anzufahren. Dies hätte jedoch im oben beschriebenen Problemfall zur Folge, daß die bereits vorhandenen, geteachten und gespeicherten Posen in der Realität nicht mehr dieselbe Lage und Orientierung im Raum besitzen, und zwar unabhängig davon ob diese in Maschinenkoordinaten, d. h. die Stellungen aller Achsen beschreibend, oder als absolute Koordinaten, d. h. als Ergebnis der Vorwärtstransformation, z. B. in Form von homogenen Matrizen, gespeichert wurden.
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Unter „Kinematik“ wird die physikalische Kinematik, also beispielsweise der Roboterarm mit Antrieben und Winkelgebern, einschließlich der Steuerungs- und Regelungseinrichtung mit Meßwertverarbeitung und das entsprechende Modell der Kinematik, das kinematische Modell des Roboters, verstanden. Mit dem kinematischen Modell wird der Roboter mit Hilfe von verschiedenen Parametern der Robotermechanik mathematisch beschrieben.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf besonders einfache Art und Weise nach dem Teachen einer Referenzsituation die Betriebsbereitschaft einer mehrachsigen Bewegungseinrichtung nach einer Veränderung einer Parametersituation wiederherzustellen, ohne ein Nachteachen oder eine Kalibrierung durchführen zu müssen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 7 bzw. durch eine Meßeinrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung und umgekehrt.
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Erfindungsgemäß wird zunächst eine Parametersituation ermittelt und als Referenzsituation gespeichert. Damit wird ein bestimmter Unterschied zwischen dem kinematischen Modell auf der einen Seite und der realen Kinematik auf der anderen Seite beschrieben. Verändern sich die Modellparameter, etwa nach einer Kollision, verändert sich auch dieser Unterschied. Erfindungsgemäß wird die Parametersituation erneut ermittelt und die Parameter werden in die Referenzsituation zurückgeführt, wenn ein Abweichungsgrenzwert überschritten wird. Aufgrund dieser Rückführung entspricht der Unterschied zwischen dem kinematischen Modell und der realen Kinematik wieder dem Unterschied, wie er in der Referenzsituation vorlag. Da lediglich eine Rückführung in die Referenzsituation erfolgt und keine weitergehende, die Absolutgenauigkeit erhöhende Kalibrierung stattfindet, ist auch keine erneute Programmierung der Bewegungseinrichtung notwendig. Somit kann auf einfache Art und Weise die Betriebsbereitschaft der Bewegungseinrichtung wiederhergestellt werden.
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Obgleich die Erfindung allgemein für Bewegungseinrichtungen, insbesondere aber für Handhabungsgeräte anwendbar ist. So ist sie doch besonders vorteilhaft bei Industrierobotern anwendbar. Nachfolgend wird daher allgemein der Begriff „Roboter“ verwendet. Die Erfindung ist dabei sowohl auf serielle, als auch auf parallele Kinematiken anwendbar. Serielle Kinematiken können dabei beispielsweise sechs- oder siebenachsige Knickarmroboter, d. h. Roboter mit sechs bzw. sieben rotatorischen Achsen, SCARAs (Selective Compliance Assembly Robots) mit drei rotatorischen und einer linearen Achse, oder auch eine der genannten Bauformen mit zusätzlichen Achsen sein. Parallele Kinematiken sind beispielsweise Hexapod- oder Deltaroboter.
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Die Erfindung geht einerseits von der Erkenntnis aus, daß eine hohe Absolutgenauigkeit bei industriellen Anwendungen nicht immer erforderlich ist. Gleichzeitig berücksichtigt sie, daß im Fall von aufwendig geteachten Punkten ebenso wie im Fall von sehr vielen geteachten Punkten eine Steigerung der Absolutgenauigkeit sogar eine Verschlechterung der tatsächlichen räumlichen Lage und Orientierung der Punkte mit sich bringen kann. Die Erfindung schlägt daher vor, auf eine Kalibrierung des Roboters zu verzichten. Statt dessen ist es der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, die beim Teachen herrschende Situation bzw. eine Situation, in der die Kinematik zufriedenstellend arbeitet, zu erfassen, um diese Situation, falls nötig, zu einem späteren Zeitpunkt wiederherstellen zu können. Ein wesentlicher Vorteil dieser Vorgehensweise ist es, daß die geteachten Punkte beibehalten werden können. Das Erfassen einer Referenzsituation kann dabei prinzipiell jederzeit erfolgen, so daß es sich um ein „nachrüstbares“ System handelt, das auch bei bereits laufenden Anlagen angewendet werden kann. Bei Veränderungen an der Kinematik ist es möglich, das System ohne Nachteachen in seinen ursprünglichen Zustand zurückzuversetzen.
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Um die Erfindung für eine konkrete Kinematik anwenden zu können, muß zunächst deren Modell aufgestellt werden.
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Üblicherweise ist das kinematische Modell in der Steuerung des Roboters fest hinterlegt. Die Parameter dieses Modells lassen sich üblicherweise händisch durch Eingabe von Zahlenwerten oder programmgesteuert verändern.
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In diesem Zusammenhang sind auch die für die Wiederherstellung in Frage kommenden Parameter zu ermitteln. Es ist bekannt, daß Nullagenfehler den weitaus größten Einfluß auf die Positioniergenauigkeit des Roboters haben. Es ist also zu erwarten, daß eine Erhöhung der Absolutgenauigkeit die Nullagen des kinematischen Modells am weitaus stärksten verändern wird. Für die Wiederherstellung werden daher Parameter ausgewählt, deren Nullagen bei der Aufstellung des kinematischen Modells frei wählbar sind. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn als Parameter die Achsnullagen gewählt werden, also die Lagen der Nullstellungen der Achsen einer Kinematik.
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Die Achsnullstellungslage ist im Prinzip innerhalb der Achsgrenzen frei wählbar, also willkürlich. Mit anderen Worten ist die Nullstellung z.B. eines Knickarmroboters, also diejenige Stellung in der alle Winkel-/Positionsgeber den Wert Null ausgeben, beliebig wählbar.
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Der Lagegeber jeder einzelnen Achse muß in der Nullstellung der Achse auch tatsächlich einen Nullwert ausgeben, was bei höchstmöglicher Absolutgenauigkeit idealerweise der Fall wäre, bzw. der zur tatsächlichen Nullstellung der Achse gehörende Wert des Lagegebers muß bekannt sein, so daß dieser als Offset, den Unterschied zwischen dem Modell und der tatsächlichen Achsstellung beschreibend, berücksichtigt werden kann.
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Im Folgenden wird davon ausgegangen, daß die Lagegeber in der physikalischen Nullage einer Achse einen Wert ungleich Null ausgeben, mit anderen Worten die realen Nullagen und die von den Gebern angegebenen Nullagen jeder einzelnen Achse zum Zeitpunkt des Teachens nicht übereingestimmt haben, so daß jede Achse einen Nullagenfehler oder mit anderen Worten ein Nullagen-Offset aufweist. Der Roboter war somit zum Zeitpunkt des Teachens nicht absolutgenau kalibriert. Diese Situation wird als initiale Nullagensituation oder Referenzsituation bezeichnet.
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Erfindungsgemäß erfolgt einmalig eine initiale Vermessung der Robotermechanik zur Ermittlung und Speicherung einer Parametersituation, beispielsweise einer Achsnullagensituation, die als Referenz für eine spätere Rückführung dient. Hierdurch wird eine Situation erfaßt, in welcher der Roboter wunschgemäß arbeitet. Während der Vermessung kann auch der Ort sowie das Werkzeug der Vermessung ermittelt und gespeichert werden.
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Würde nun die eingestellte Nullage des Gebers einer Achse verschoben, sei es durch eine Anpassung des Modells im Zuge einer Kalibrierung mit dem Ziel der Steigerung der Absolutgenauigkeit durch Minimierung oder Eliminierung des Offset oder sei es durch eine Veränderung der Kinematik, beispielsweise ein Durchrutschen einer Achse, so hätte das zur Folge, daß die reale Lage der vorher geteachten und gespeicherten Punkte nicht mehr mit der gewünschten bzw. vorherigen Lage übereinstimmen würde. Im Ergebnis träfe der Roboter die gespeicherten Punkte nicht mehr wie gewünscht. Hier setzt die Erfindung an, indem sie die Möglichkeit einer Rückführung in die Referenzsituation, insbesondere die Möglichkeit einer Rückführung in die initiale Nullagensituation bereitstellt.
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Hierzu erfolgt erfindungsgemäß, entweder manuell oder programmgesteuert initiiert, nach einer bekannten Veränderung der Parametersituation, insbesondere einer bekanntgewordenen Kollision und/oder zyklisch in bestimmten Abständen eine erneute Vermessung und Ermittlung der Parametersituation. Dabei werden Information des Ortes und des Werkzeugs der ersten Vermessung mit einbezogen, sofern sichergestellt werden kann, daß sich diese seit der initialen Vermessung nicht verändert hat.
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Nach der erneuten Vermessung erfolgt erfindungsgemäß eine Rückführung in die ursprüngliche Parametersituation. Hierzu werden die ermittelten Parametersituationen miteinander verglichen und bei einem Überschreiten eines Abweichungsgrenzwertes erfolgt eine Rückführung, indem die Parameter des Modells derart angepaßt werden, daß der Unterschied zwischen dem kinematischen Modell auf der einen Seite und der realen Kinematik auf der anderen Seite wieder dem Unterschied entspricht, wie er in der Referenzsituation vorlag.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung,
- 2 eine Darstellung einer Meßeinrichtung,
- 3 eine Darstellung der Kugeloberfläche,
- 4 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Erfindung.
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Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung nicht maßstabsgerecht, dabei lediglich schematisch und nur mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Nachfolgend wird die Meßstrategie zur Ermittlung einer Parametersituation beschrieben.
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Während einer Vermessung mit einem an einem Flansch 2 eines Industrieroboters 1 mit serieller Kinematik montierten Meßwerkzeug 3 muß ein ortsfester Referenzpunkt 4 in i=[l...n] verschiedenen Werkzeugorientierungen bestimmt werden. Je nach zu bestimmender Kinematik ist es zudem sinnvoll, den Referenzpunkt 4 auch in verschiedenen Achskonfigurationen zu bestimmen. Die Anzahl der benötigten Orientierungen bzw. Konfigurationen hängt zum einen von der zu erwartenden Wiederholgenauigkeit bei der Bestimmung des Referenzpunktes 4 ab, zum anderen von der Anzahl der gewählten Parameter, aber auch von der in einer konkreten Anwendung möglichen Posen, wobei gilt, daß sich Ungenauigkeiten um so weniger bemerkbar machen, je unterschiedlicher die Posen sind.
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In jeder der n zu vermessenden Orientierungen bzw. Konfigurationen werden die Achs-/Maschinenkoordinaten gespeichert (j=[l...n]).
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Bei dem Meßwerkzeug 3 handelt es sich vorzugsweise um ein Tastwerkzeug. Zum Bestimmen des Referenzpunktes 4 muß dieser nicht zwangsweise angefahren werden. Es kann sich auch um einen virtuellen Referenzpunkt 4 handeln. Das Meßwerkzeug 3 kann dabei zum Zeitpunkt der Vermessung bereits bekannt sein, beispielsweise durch externe Vermessung. Es kann aber auch im Zuge der Vermessung ermittelt werden.
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Der Referenzpunkt 4 muß in der Realität stets dieselbe Lage haben. Diese Lage muß jedoch nicht im Sinne von absoluten oder relativen Koordinaten bekannt sein und muß auch nicht in diesem Sinne vermessen werden. Ebenso ist es möglich, den Referenzpunkt 4 nicht direkt zu ermitteln, sondern ihn aus anderen bestimmbaren Punkten zu ermitteln.
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Da bekannt ist, daß der Referenzpunkt 4 in der Realität stets derselbe war, muß dies nun auch aus Sicht des kinematischen Modells der Fall sein. Anders ausgedrückt muß im Idealfall das Ergebnis der Vorwärtstransformation der Kinematik inklusive des Meßwerkzeugs 3 für jeden einzelnen Satz j der Maschinenkoordinaten zu demselben Punkt führen. Tatsächlich werden sich aus folgenden Gründen Abweichungen einstellen: erstens wegen der begrenzten Meßgenauigkeit beim Bestimmen des Referenzpunktes 4, zweitens wegen der begrenzten Wiederholgenauigkeit der Kinematik, sowohl mechanisch wie auch aufgrund der Auflösung der Geber, sowie drittens wegen Abweichungen des kinematischen Modells und damit des Ergebnisses der Vorwärtstransformation von der realen Kinematik. In Ausführung der Erfindung werden zur Bestimmung der letztgenannten Abweichungen die Nullagen ermittelt, beispielsweise mittels mathematischen Optimierung - etwa mit Hilfe des Gauss-Newton- oder Levenberg-Marquardt-Verfahrens - oder anderer geeigneter Methoden. Die mathematische Formulierung des Problems ist dabei zum einen stark von der zu vermessenden Kinematik abhängig und zum andern davon, ob das Meßwerkzeug 3 bekannt ist oder mit ermittelt werden muß.
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Nachfolgend wird das bei der Erfindung vorzugsweise angewandte Verfahren zur Bestimmung des ortsfesten Referenzpunktes 4 beschrieben.
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Um einen realen ortsfesten Punkt 4 bestimmen zu können, wird ein geometrischer Körper 5, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Hohlzylinder ausgebildet ist, im Arbeitsbereich des Roboters 1 angebracht. Die exakten Abmessungen des Kreiszylinders 5 müssen dabei nicht bekannt sein. Entscheidend ist eine exakte Geometrie. Zudem muß die Güte der Oberfläche des Körpers 5 ausreichend hochwertig sein.
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Am Flansch 2 des Roboters 1 wird an einem Ausleger ein kugelförmiges Tastwerkzeug 3 montiert. Die Geometrie der Kugel dieses Tastwerkzeugs 3 muß ebenfalls ausreichend hochwertig sein. Mit dieser Kugel wird nun der Zylinder 5 in einer gleichbleibenden Orientierung derart angetastet, daß die Lage des Zylinders 5 eindeutig bestimmbar ist. Beispielsweise können drei Punkte 6 auf einer Deckfläche 7 des Zylinders 5 angetastet werden, um daraus eine Ebene zu bestimmen. Anschließend werden drei Punkte 8 auf der Mantelfläche 9 angetastet. Diese bilden, auf die vorher bestimmte Ebene projiziert, einen Kreis, dessen Mittelpunkt berechenbar ist und somit den geforderten ortsfesten Referenzpunkt 4 darstellt. Mit anderen Worten wird durch ein Antasten von sechs Punkten 6, 8 auf dem Zylinder 5 ein eindeutiger Punkt 4 vermessen.
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Grundsätzlich eignet sich für den Körper 5 jede beliebige Form, sofern deren Geometrie mathematisch beschreibbar ist und sich daraus ein eindeutiger Punkt 4 ableiten läßt.
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Der Kontakt zwischen Tastwerkzeug 3 und betastetem geometrischen Körper 5 kann auf verschiedene Weise von der an den Roboter 1 angeschlossenen Steuerung 11 festgestellt werden. Beispielsweise können beide Elemente 3, 5 elektrisch leitfähig sein, so daß bei Kontakt ein Strom fließt, dessen Signal über Eingänge der Steuerung 11 zugeführt wird, woraufhin die aktuelle Position gespeichert wird. Das Antasten geschieht somit über einen Stromkontakt, wobei Meßkugel 3 und Zylinder 5 einen mechanischen Schalter bilden. Ebenso kann sich im Tastwerkzeug 3 selbst ein elektrischer Taster mit ausreichender Wiederholgenauigkeit befinden, der bei Kontakt geschaltet wird.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die beteiligten Elemente 3, 5 auch ausgetauscht sein, so daß das Tastwerkzeug 3 stationär angebracht ist und ein am Flansch 2 angebrachter geometrischer Körper 5 an das Tastwerkzeug 3 herangeführt wird.
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Ebenso ist es möglich, mehrere ortsfeste Referenzpunkte 4 zu verwenden. So ist die Verwendung eines mehrteiligen Referenzkörpers 5 beispielsweise dann von Vorteil, wenn beengte Raumverhältnisse in einer Roboterzelle es nicht erlauben, sämtliche Orientierungen bzw. Konfigurationen an einem Ort zu vermessen.
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Meßwerkzeug 3 und Meßkörper 5 bilden eine zur Ausführung der Erfindung verwendbare Meßeinrichtung 12. Die Meßeinrichtung 12 kann darüber hinaus auch Teile der Robotersteuerung 11 umfassen, insbesondere diejenigen Teile der Steuerung 11, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet sind.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Rückführung beschrieben.
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In einem ersten Schritt wird die Ausgangssituation des Roboters 1 in allen gewählten Meßstellungen vermessen. Dabei soll hier davon ausgegangen werden, daß die Lage des Tastwerkzeugs 3 relativ zum Flanschmittelpunkt 2 nur grob bekannt ist. Der Kugelmittelpunkt des Kugeltasters 3 besitzt einen konstanten Abstand zum Flanschmittelpunkt 2. Würde sich dieser Kugelmittelpunkt mit verschiedenen Orientierungen zum realen ortsfesten Punkt 4 bewegen, müßten sich die realen Positionen des Flanschmittelpunktes 2 auf einer Kugeloberfläche 13 um den ortsfesten Punkt 4 befinden. Der zu vermessende Referenzpunkt 4 am Zylinder 5 und die Lage der Meßkugel 3 relativ zu dem Flanschmittelpunkt 2 kann aus mindestens vier Punkten berechnet werden. Mit anderen Worten erfolgt ein Antasten in wenigstens vier Stellungen des Flansches 2. Je nach vorliegender Kinematik sind ggf. auch mehr Meßstellungen erforderlich.
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In Maschinenkoordinaten liegen die Flanschpositionen der einzelnen Meßposen nicht exakt auf einer Kugel. Anders ausgedrückt streuen die Ergebnisse der Vorwärtstransformation um den tatsächlich gemessenen Punkt aufgrund der oben bereits beschriebenen Achsnullstellungsfehler. Für jede Pose existiert je Achse ein Meßwert. Gesucht wird für jede Achse ein allgemeingültiger Offset. Das Optimierungsproblem lautet nun in Worten: Welcher für alle Posen gemeingültiger Offset je Achse kann auf jeden einzelnen Meßwert (in Maschinenkoordinaten) aufaddiert werden, damit die Ergebnisse der Vorwärtstransformationen dieser Summen auf einer Kugeloberfläche liegen? Entsprechend dieser Ausgangslage wird das Optimierungsproblem mathematisch formuliert und beispielsweise dem bekannten Levenberg-Marquardt-Algorithmus gelöst. Dieser Algorithmus eignet sich besonders aufgrund seiner Stabilität bei gleichzeitig schneller Konvergenz. Ist dieses Optimierungsproblem gelöst, sind die Nullstellenfehler jeder einzelnen Achse bekannt. Zudem kann die Lage des Meßwerkzeugs 3 relativ zum Flansch 2, als auch die echte Lage des Referenzpunktes 4, ermittelt werden.
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In einem zweiten Schritt wird nach einer bestimmten Betriebsdauer oder alternativ bei Verdacht einer Veränderung der Kinematik erneut die Lage des Referenzpunktes 4 bestimmt. Dabei kann das gleiche Optimierungsverfahren wie zuvor zum Einsatz kommen. Da aus der initialen Vermessung die Lage des ortsfesten Punktes 4 sowie die Lage des Tastwerkzeuges 3 relativ zum Flanschmittelpunkt 2 nach wie vor bekannt ist, kann das Optimierungsproblem aber auch einfacher formuliert werden. Am Ende müssen die Ergebnisse der Vorwärtstransformation unter Berücksichtigung eines gemeinsamen Offsets je Achse und unter Einbeziehung des Meßwerkzeugs 3 im tatsächlichen bekannten Referenzpunkt 4 zusammenfallen.
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In einem dritten Schritt werden die Ergebnisse der zweiten Vermessung mit denen der initialen Vermessung verglichen. Tritt eine Abweichung auf, die größer als ein festgelegter Schwellwert ist, so werden die Nullagen korrigiert. Das bedeutet konkret, daß die neuen Nullagen die Differenz aus den Lagen der ersten Vermessung und denen der zweiten Vermessung darstellen. Im Ergebnis erfolgt eine Rückführung in die Referenzsituation.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäß Verfahren in Form eines Ablaufdiagramms beschrieben.
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Zunächst wird der Roboter 1 identifiziert. Dies kann auch im bereits laufenden Produktionsbetrieb (Schritt a) erfolgen. Hierzu erfolgt zunächst eine Aufnahme von Meßwerten (Schritt b). Zu diesem Zweck wird mit einem realen Referenztool 3 mit verschiedenen Orientierungen und Konfigurationen ein ortsfester Punkt 4 ermittelt. Im Ergebnis liegt ein Satz von Meßwerten jMess[i] vor. Anschließend erfolgt eine Kugeloptimierung (Schritt c), die als Ergebnis den ortsfesten Punkt pRef sowie das Tool tRef liefert, mit dem gemessen wurde. Schließlich wird zur Ermittelung des Achsfehlers (Schritt d) ein nichtlineares Optimierungsproblem gelöst, beispielsweise mit dem Levenberg-Marquardt-Verfahren. Dabei ist die Vorwärtstransformation die Modellfunktion und die Achsfehler sind die zu optimierenden Parameter. Die Parameter werden dabei so variiert, daß alle Meßwerte unter Verwendung von tRef im Punkt pRef zusammenfallen. Im Ergebnis liegt der Referenznullstellungsfehler jRef vor.
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Findet während des anschließenden Produktionsbetriebs (Schritt e) eine Kollision (Schritt f) statt oder aber nach einem bestimmten Zeitraum (nicht dargestellt), erfolgt eine erneute Vermessung, also eine erneute Identifizierung des Roboters 1. Wieder werden die Meßwerte aufgenommen (Schritt g), wie oben beschrieben. Anschließend werden wieder die Achsfehler ermittelt (Schritt h), wie oben beschrieben. Im Ergebnis liegt der aktuelle Nullstellungsfehler jIst vor.
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Übersteigt die Differenz der Nullstellungsfehler einen Grenzwert, findet eine Korrektur des Roboters 1 statt (Schritt i), und zwar um jDelta = jIst-jRef. Im Ergebnis weist der Roboter wieder den Referenznullstellungsfehler auf. Der Roboter 1 ist zwar nicht genauer als zuvor, da keine Kalibrierung vorgenommen wurde. Aber die Betriebsbereitschaft ist wiederhergestellt und alle geteachten Punkte können im Produktionsbetrieb (Schritt k) weiterverwendet werden.
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Nachfolgend werden verschiedene Aspekte der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Vorrichtung erläutert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ausgebildet zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
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Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung eine Datenverarbeitungseinheit, ausgebildet zur Durchführung aller Schritte entsprechend des hier beschriebenen Verfahrens, die in einem Zusammenhang mit der Verarbeitung von Daten stehen. Die Datenverarbeitungseinheit weist vorzugsweise eine Anzahl von Funktionsmodulen auf, wobei jedes Funktionsmodul ausgebildet ist zur Durchführung einer bestimmten Funktion oder einer Anzahl bestimmter Funktionen gemäß dem beschriebenen Verfahren. Bei den Funktionsmodulen kann es sich um Hardwaremodule oder Softwaremodule handeln. Mit anderen Worten kann die Erfindung, soweit es die Datenverarbeitungseinheit betrifft, entweder in Form von Computerhardware oder in Form von Computersoftware oder in einer Kombination aus Hardware und Software verwirklicht werden. Soweit die Erfindung in Form von Software, also als Computerprogrammprodukt, verwirklicht ist, werden sämtliche beschriebenen Funktionen durch Computerprogrammanweisungen realisiert, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner mit einem Prozessor ausgeführt wird. Die Computerprogrammanweisungen sind dabei auf an sich bekannte Art und Weise in einer beliebigen Programmiersprache verwirklicht und können dem Rechner in beliebiger Form bereitgestellt werden, beispielsweise in Form von Datenpaketen, die über ein Rechnernetz übertragen werden, oder in Form eines auf einer Diskette, einer CD-ROM oder einem anderen Datenträger gespeicherten Computerprogrammprodukts.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine Robotersteuerung 11 zur Steuerung des Roboters 1. Die Steuerung 11 umfaßt im wesentlichen einen Rechner (Datenverarbeitungseinheit) und ein Leistungsteil und ist u. a. ausgebildet zur Regelung und Ansteuerung der Kinematik, zum Bedienen und Beobachten, zur Ablaufsteuerung, zum Verwalten von Aktoren und Sensoren sowie zur Kommunikation mit der Umgebung (z.B. SPS oder andere Maschinen).
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Das Robotermodell wird von der Steuerung 11 benötigt, um die Kinematik anzusteuern. Es beinhaltet mindestens ein kinematisches Modell des Roboters 1. Darüber hinaus können auch weitere Effekte, etwa Trägheiten oder die Schwerkraft berücksichtigt werden.
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Mit Hilfe des Robotermodells und den aktuellen Achsstellungen kann die Steuerung 11 die aktuelle Pose des Flansches 2 oder eines bekannten Tools 3 bestimmen (Vorwärtstransformation; direktes kinematisches Problem). Dies ist beispielsweise von Interesse, wenn der Roboter 1 in Tool-Koordinaten geradlinig im Raum verfahren soll, oder Punkte im Raum relativ zu anderen beschrieben werden sollen.
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Die Rückwärtstransformation (inverses kinematisches Modell) liefert die Winkelstellungen, mit denen eine Pose, die durch ihre Koordinaten und ihre Orientierung beschrieben ist, angefahren werden kann. Die Rückwärtstransformation kann mehrdeutig sein, da eine Pose in mehreren Konfigurationen angefahren werden kann. Für die Rückwärtstransformation wird ebenfalls das Robotermodell benötigt.
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Jede Achse des Roboters 1 verfügt über einen Absolutwinkelgeber oder einen Inkrementalgeber. Die Nullage des Winkelgebers muß nicht zwangsweise mit der Nullstellung der Roboterachse übereinstimmen. Die tatsächliche Nullstellung muß daher in der Steuerung 11 gespeichert und diese muß auch bei der Vorwärtstransformation verwendet werden. Stimmt die gespeicherte Nullstellung nicht mit der tatsächlichen überein, so ist die Vorwärtstransformation fehlerhaft.
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Um die tatsächlichen Achsstellungen des Roboters 1 und weitere Parameter des Robotermodells zu ermitteln und ggf. in einen vorherigen Zustand zurückzuversetzen, ist die Steuerung 11 derart ausgebildet, daß ein in der Realität konstanter, ortsfester Punkt 4 mit unterschiedlichen Orientierungen bzw. Konfigurationen angefahren wird und die zugehörigen Achswerte gespeichert werden.
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Da bei einer Verschiebung der Nullstellungen des Roboters 1 bzw. dann, wenn das Robotermodell nicht mit dem realen Roboter 1 übereinstimmt, die Vorwärtstransformation für unterschiedliche Orientierungen in diesem Punkt auch unterschiedliche Koordinaten in x, y und z liefert, ist die erfindungsgemäße Steuerung weiterhin derart ausgebildet, daß sie die Parameter des Robotermodells mittels nichtlinearer Optimierung derart ermittelt, daß die Vorwärtstransformationen der gespeicherten Achswerte unter Berücksichtigung dieser Parameter in einem Punkt, dem realen Punkt, zusammenfallen würden. Da dieser reale Punkt nicht mit dem Flanschmittelpunkt 2, sondern mit einem Meßwerkzeug 3 angefahren wird, muß die Steuerung dieses bei der Berechnung des Modells ebenfalls ermitteln oder berücksichtigen.
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Die Steuerung 11 ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß zunächst die Offsets der Parameter, hier der Achsnullstellungen, ermittelt und gespeichert, jedoch nicht korrigiert werden. Verändern sich die Achsnullstellungen des Roboters 1, etwa nach einer Kollision, so ist die Steuerung 11 derart ausgebildet, daß eine erneute Vermessung durchgeführt wird und die Nullstellungen wieder auf die bei der ersten Vermessung ermittelten Werte zurückgestellt werden. Die Rückführung erfolgt dabei unter Berücksichtigung der ermittelten Offsets lediglich auf die Referenzsituation und nicht darüber hinaus auf einen absolut genauen Zustand (so wie dies bei einer Kalibrierung der Fall wäre), so daß keine erneute Programmierung des Roboters 1 notwendig ist.
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Es ist von Vorteil, wenn alle datenverarbeitenden Mittel, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Rückführungsverfahrens benötigt werden, in der Steuerung 11 implementiert sind. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Diese Mittel können ebenso als von der Steuerung 11 getrennt ausgebildete und erforderlichenfalls mit der Steuerung 11 zum Austausch von Daten verbundene Hard- und/oder Software vorgesehen sein.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Roboter
- 2
- Flansch
- 3
- Meßwerkzeug, Tastwerkzeug
- 4
- Referenzpunkt
- 5
- Meßkörper, Hohlzylinder
- 6
- Antastpunkt
- 7
- Deckfläche
- 8
- Antastpunkt
- 9
- Mantelfläche
- 10
- (frei)
- 11
- Steuerung
- 12
- Meßeinrichtung
- 13
- Kugeloberfläche
