DE102013011980A1

DE102013011980A1 - Method of calibrating device e.g. industrial robot, involves scanning calibration structure by device attached to measuring device

Info

Publication number: DE102013011980A1
Application number: DE201310011980
Authority: DE
Inventors: Alexander Ehm; Jochen Heim
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2014-03-27

Abstract

The method involves determining deviation of measured actual position of reference point (16) of calibration element (10,22) from a target position of the reference point. The correction value for control of the apparatus is determined in response the detected deviation. The calibration structure is scanned by measuring device (20) attached to device such as industrial robot.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung, insbesondere eines Industrieroboters, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to a method for calibrating a device, in particular an industrial robot, specified in the preamble of claim 1. Art.

Aufgrund von Temperatureinflüssen können Abweichungen an einer Roboterkinematik von einer Soll-Kinematik auftreten, welche kompensiert werden müssen. Allgemein bekannt ist es, eine reflektierende Kalibrierkugel und ein optisches Messsystem einzusetzen, mittels welchem eine Abweichung einer gemessenen Ist-Position eines Referenzpunktes des Kalibrierkörpers von einer Soll-Position des Referenzpunktes ermittelt und in Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung zumindest ein Korrekturwert zur Steuerung eines entsprechenden Roboters bestimmt wird.Due to temperature influences deviations in a robot kinematics from a target kinematics can occur, which must be compensated. It is generally known to use a reflective calibration ball and an optical measuring system, by means of which a deviation of a measured actual position of a reference point of the calibration from a desired position of the reference point determined and depending on the determined deviation at least one correction value for controlling a corresponding robot is determined.

Dabei kann das Problem auftreten, dass dieses Verfahren, welches sich eines optischen Messsystems bedient, bei Umgebungsbedingungen mit einem hohen Verschmutzungsgrad nicht oder nur unzuverlässig einsetzbar ist.The problem may arise that this method, which makes use of an optical measuring system, is not usable or only unreliable in environmental conditions with a high degree of contamination.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem eine zuverlässige Kalibrierung von Vorrichtungen, insbesondere von Industrierobotern, auch bei Umgebungsbedingungen mit einem relativ hohen Verschmutzungsgrad ermöglicht wird.It is therefore an object of the present invention to provide a method of the type mentioned, by means of which a reliable calibration of devices, in particular of industrial robots, even at ambient conditions with a relatively high degree of contamination is made possible.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method for calibrating a device having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the dependent claims.

Um eine Kalibrierung einer Vorrichtung, insbesondere eines Industrieroboters, auch bei Umgebungsbedingungen mit einem erhöhten Verschmutzungsgrad zuverlässig durchführen zu können, ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass der Kalibrierkörper mittels einer an der Vorrichtung angebrachten Messeinrichtung abgetastet wird. Die erfindungsgemäße Lösung besteht demnach darin, ein taktiles Messsystem zu verwenden, bei dem der Kalibrierkörper zur Bestimmung der Ist-Position eines vorgegebenen Referenzpunktes abgetastet wird. Beispielsweise kann ein taktiles Messinstrument in Form eines Messtasters oder dergleichen direkt an einem Roboter oder an einem entsprechenden Endeffektor in Form eines Greifers, einer Motorspindel oder dergleichen, angebracht werden. Mittels dieses Messinstruments kann dann die erfindungsgemäße taktile Vermessung des Kalibrierkörpers erfolgen, um die entsprechende Ist-Position des Referenzpunktes ermittelt zu können, um anschließend durch einen Abgleich mit einer Sollposition eine entsprechende Abweichung zu ermitteln und basierend drauf einen Korrekturwert zur Steuerung zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit besonders robust auch bei Umgebungsbedingungen mit einem erhöhten Verschmutzungsgrad einsetzbar, so dass eine zuverlässige Kalibrierung einer Vorrichtung, insbesondere eines Industrieroboters, besonders zuverlässig ermöglicht wird. Das erfindgemäße Verfahren ist dabei nicht nur auf Industrieroboter beschränkt. Vielmehr kann das Verfahren im Wesentlichen bei allen mehrachsigen Anlagen angewendet werden.In order to reliably perform a calibration of a device, in particular an industrial robot, even at ambient conditions with an increased degree of contamination, it is provided in the inventive method that the calibration is scanned by means of a mounted on the device measuring device. The solution according to the invention therefore consists of using a tactile measurement system in which the calibration body is scanned to determine the actual position of a predetermined reference point. For example, a tactile measuring instrument in the form of a probe or the like may be attached directly to a robot or to a corresponding end effector in the form of a gripper, a motor spindle or the like. The tactile measurement of the calibration body according to the invention can then be carried out by means of this measuring instrument in order to be able to determine the corresponding actual position of the reference point, in order subsequently to determine a corresponding deviation by comparison with a desired position and to determine thereon a correction value for the control. The method according to the invention can thus be used particularly robustly even under ambient conditions with an increased degree of contamination, so that a reliable calibration of a device, in particular of an industrial robot, is made particularly reliable. The inventive method is not limited to industrial robots. Rather, the method can be used essentially in all multi-axis systems.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Kalibrierkörper mit einer Mehrzahl von Kugeln verwendet wird, welche zur Bestimmung der Ist-Position des Referenzpunktes abgetastet werden. Vorzugsweise sind die Kugeln unterschiedlich beabstandet vom Referenzpunkt angeordnet, wobei vorzugsweise zumindest sechs Kugeln an dem Kalibrierkörper angeordnet sind. Dadurch wird ein Kalibrierkörper mit einer komplexen geometrischen Form verwendet, wobei die Messeinrichtungen mit möglichst unterschiedlichen Achsstellungen der Vorrichtung den Kalibrierkörper, im vorliegenden Fall also die Kugeln, abtasten. Alternativ ist es auch möglich, dass bei jeder der Kugeln der jeweilige Kugelmittelpunkt als jeweiliger Referenzpunkt festgelegt wird. In diesem Fall wird durch das Abtasten der Kugeln eine jeweilige Ist-Position der Kugelmittelpunkte ermittelt und mit jeweiligen Soll-Positionen der Kugelmittelpunkte verglichen, um basierend darauf einen oder mehrere Korrekturwerte zur Steuerung der Vorrichtung zu bestimmenIn an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a calibration with a plurality of balls is used, which are scanned to determine the actual position of the reference point. Preferably, the balls are arranged at different distances from the reference point, wherein preferably at least six balls are arranged on the calibration. Characterized a calibration is used with a complex geometric shape, the measuring devices with as different axis positions of the device the calibration, in the present case, the balls scan. Alternatively, it is also possible for each of the balls to fix the respective center of the sphere as the respective reference point. In this case, by scanning the balls, a respective actual position of the ball centers is determined and compared with respective desired positions of the ball centers to determine one or more correction values for controlling the device based thereon

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein als Polyeder ausgebildeter Kalibrierkörper verwendet wird und zur Bestimmung der Ist-Position des Referenzpunktes jeweilige Außenflächen des Kalibrierkörpers abgetastet werden. Dadurch wird ebenfalls ein Kalibrierkörper mit einer relativ komplexen geometrischen Form bereitgestellt, wobei die Messeinrichtung wiederum mit möglichst unterschiedlichen Achsstellungen jeweilige Positionierungen der Außenflächen des Kalibrierkörpers abtasten und deren jeweilige Positionierung beispielsweise im kartesischen Raum bestimmen kann.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that a trained as a polyhedron calibration is used and scanned for determining the actual position of the reference point respective outer surfaces of the calibration. As a result, a calibration body with a relatively complex geometric shape is likewise provided, wherein the measuring device can again scan respective positions of the outer surfaces of the calibration body with as different axis positions as possible and determine their respective positioning, for example in Cartesian space.

Als geometrische Formen für den als Polyeder ausgebildeten Kalibrierkörper bieten sich insbesondere Körper an, welche eine Vielzahl von Flächen besitzen, die wiederum unterschiedlichste Winkellagen zueinander aufweisen. Vorzugsweise ist es daher vorgesehen, dass der Kalibrierkörper als Dodekaeder oder als Ikosaeder ausgebildet ist.As geometric shapes for the trained as a polyhedron calibration in particular bodies offer, which have a plurality of surfaces, which in turn have different angular positions to each other. Preferably, it is therefore provided that the calibration is designed as a dodecahedron or icosahedron.

Schließlich ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Kalibrierkörper aus einem temperaturunempfindlichen Material, insbesondere aus Kohlenstoff, ausgebildet ist. Dadurch unterliegt der Kalibrierkörper keinen oder kaum Maßschwankungen aufgrund von unterschiedlichen Temperatureinflüssen, so dass die Kalibrierung der Vorrichtung besonders zuverlässig und reproduktionssicher bei unterschiedlichsten Temperaturen durchgeführt werden kann. Finally, it is provided according to a further advantageous embodiment of the invention that the calibration is made of a temperature-insensitive material, in particular carbon. As a result, the calibration body is subject to little or no dimensional fluctuations due to different temperature influences, so that the calibration of the device can be performed particularly reliably and reproducibly at a wide variety of temperatures.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:

1 eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform eines mehrere Kugeln umfassenden Kalibrierkörpers, welcher mittels einer an einem nur teilweise und schematisch dargestellten Industrieroboter angebrachten Messeinrichtung abgetastet wird; und in 1 a perspective view of a first embodiment of a multi-sphere calibration body, which is scanned by means of a mounted on an only partially and schematically illustrated industrial robot measuring device; and in

2 eine Perspektivansicht auf eine weitere Ausführungsform des Kalibrierkörpers, welcher im vorliegend gezeigten Fall als Dodekaeder ausgebildet ist und ebenfalls mittels der an dem nur teilweise und schematisch dargestellten Industrieroboter angebrachten Messeinrichtung abgetastet wird. 2 a perspective view of a further embodiment of the calibration, which is formed in the present case as a dodecahedron and is also scanned by the mounted on the only partially and schematically illustrated industrial robot measuring device.

Ein Kalibrierkörper 10 mit einer Mehrzahl von Kugeln 12 ist in einer Perspektivansicht in 1 gezeigt. Im vorliegenden Fall umfasst der Kalibrierkörper 10 sechs der Kugeln 12, welche über jeweilige Verbindungsstreben 14 mit einem Referenzpunkt 16 des Kalibrierkörpers 10 miteinander verbunden sind. Ferner ist schematisch ein Industrieroboter 18 teilweise dargestellt, an welchem ein als Messeinrichtung dienender Messtaster 20 angebracht ist.A calibration body 10 with a plurality of balls 12 is in a perspective view in 1 shown. In the present case, the calibration body comprises 10 six of the balls 12 which via respective connecting struts 14 with a reference point 16 of the calibration body 10 connected to each other. Furthermore, schematically is an industrial robot 18 partially shown, on which serving as a measuring device probe 20 is appropriate.

Aufgrund von Temperatureinflüssen können entsprechende Abweichungen einer Roboterkinematik des Industrieroboters 18 von einer Soll-Kinematik auftreten, welche kompensiert werden müssen. Zur Kalibrierung des Roboters 18 wird der Messtaster 20 an die jeweiligen Kugeln 12 herangeführt, wobei die jeweiligen Kugelmittelpunkte der Kugeln 12 mit mindestens vier Antastpunkten mit Hilfe des Messtasters 20 vermessen werden. Über die gemessenen Ist-Werte der jeweiligen Position der Kugelmittelpunkte und den Abständen der Kugelmittelpunkte zueinander können über jeweils bekannte Soll-Werte der Positionen und Abstände der Kugelmittelpunkte anschließend entsprechende Kompensationsparameter in Form von Korrekturwerten zur Steuerung des Industrieroboters 18 bestimmt werden.Due to temperature influences corresponding deviations of a robot kinematics of the industrial robot 18 come from a target kinematics, which must be compensated. For calibration of the robot 18 becomes the probe 20 to the respective balls 12 introduced, wherein the respective ball centers of the balls 12 with at least four probing points using the probe 20 be measured. By means of the measured actual values of the respective position of the ball centers and the distances of the ball centers to each other, corresponding compensation parameters in the form of correction values for controlling the industrial robot can be obtained via respectively known desired values of the positions and distances of the ball centers 18 be determined.

Der Kalibrierkörper 10 ist dabei so aufgebaut, dass mit ihm mindestens alle drei Raumrichtungen eines Koordinatensystems bestimmt werden können. Dies ist durch den vorliegenden Aufbau des Kalibrierkörpers 10 mit den sechs Kugeln 12 gegeben, durch welche ein entsprechendes Koordinatensystem aufgebaut beziehungsweise bereitgestellt werden kann.The calibration body 10 is constructed in such a way that at least all three spatial directions of a coordinate system can be determined with it. This is due to the present design of the calibration body 10 with the six balls 12 given, by which a corresponding coordinate system can be constructed or provided.

Für eine höhere Absicherung entsprechender Parameteridentifizierungen bei der Kalibrierung des Industrieroboters 18 kann der Kalibrierkörper 10 auch zusätzlich über weitere hier nicht dargestellte Kugeln verfügen, beispielsweise über insgesamt zehn Kugeln, zwölf Kugeln oder über ein Vielfaches von dem. Zusätzlich können jeweilige Kugelmittelabstände unterschiedlich weit von dem Referenzpunkt 16 angeordnet sein, beispielsweise bei einer entsprechenden Variation der jeweiligen Längen der Verbindungsstreben 14.For greater protection of corresponding parameter identifications when calibrating the industrial robot 18 can the calibration body 10 also have additional balls not shown here, for example, a total of ten balls, twelve balls or over a multiple of that. In addition, respective spherical center distances may be different from the reference point 16 be arranged, for example, with a corresponding variation of the respective lengths of the connecting struts 14 ,

In 2 ist in einer Perspektivansicht eine alternative Ausführungsform eines Kalibrierkörpers 22 gezeigt. Im vorliegend gezeigten Fall ist der Kalibrierkörper 22 als Dodekaeder ausgebildet, weist also insgesamt zwölf Außenflächen 24 auf. Wesentlich ist wiederum, dass der Kalibrierkörper 22 eine komplexe geometrische Form aufweist, da diese geometrische Form notwendig ist, damit der Industrieroboter 18, welcher den Messtaster 20 führt, mit möglichst unterschiedlichen Achsstellungen die jeweiligen Positionen der Außenflächen 24 des Kalibrierkörpers 22 vermessen kann. Der Messtaster 20 fährt hierbei die jeweiligen Seitenflächen 24 des Kalibrierkörpers 22 an und misst deren Position, beispielsweise im kartesischen Raum.In 2 is an alternative embodiment of a calibration in a perspective view 22 shown. In the case shown here is the calibration 22 designed as a dodecahedron, thus has a total of twelve outer surfaces 24 on. It is important again that the calibration 22 has a complex geometric shape, since this geometric shape is necessary, so that the industrial robot 18 which the probe 20 leads, with as different Achsstellungen the respective positions of the outer surfaces 24 of the calibration body 22 can measure. The probe 20 moves here the respective side surfaces 24 of the calibration body 22 and measures their position, for example in the Cartesian area.

Als geometrische Formen bieten sich allgemein Körper an, welche eine Vielzahl von Flächen besitzen, die wiederum mit unterschiedlichsten Winkellagen im Raum ausgerichtet sind. Neben der hier gezeigten Ausführungsform als Dodekaeder kann der Kalibrierkörper 22 beispielsweise auch als Ikosaeder oder dergleichen ausgebildet sein.As geometric shapes are generally offer body, which have a variety of surfaces, which in turn are aligned with different angular positions in space. In addition to the embodiment shown here as a dodecahedron, the calibration 22 for example, be designed as an icosahedron or the like.

Auch bei der hier gezeigten Ausführungsform des Kalibrierkörpers 22 werden aus einer Differenz einer jeweils gemessenen Ist-Position eines Referenzpunktes oder der gemessenen Winkellage der jeweiligen Außenflächen 24 gegenüber einem vorgegebenen Koordinatensystem und jeweils bekannten Soll-Werten für den Kalibrierkörper 22 entsprechende Kompensationsparameter, welche als Korrekturwerte zur Steuerung des Industrieroboters 18 dienen, ermittelt. Durch die ermittelten Korrekturwerte können wiederum jeweils thermisch bedingte Abweichungen der Roboterkinematik von einer Soll-Kinematik kompensiert werden.Also in the embodiment of the calibration body shown here 22 be from a difference of each measured actual position of a reference point or the measured angular position of the respective outer surfaces 24 relative to a predetermined coordinate system and respectively known nominal values for the calibration body 22 corresponding compensation parameters, which are used as correction values for controlling the industrial robot 18 serve, determined. In each case thermally induced deviations of the robot kinematics from a set kinematics can be compensated by the determined correction values.

Sowohl der Kalibrierkörper 10 als auch der Kalibrierkörper 22 sind aus einem temperaturunempfindlichen Material, wie beispielsweise aus Kohlenstoff ausgebildet, so dass die Kalibrierkörper 10, 22 so gut wie keinen Maßänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen unterliegen, wodurch eine besonders exakte Kalibrierung des Industrieroboters 18 unter Zuhilfenahme der Kalibrierkörper 10, 22 sichergestellt werden kann.Both the calibration body 10 as well as the calibration body 22 are made of a temperature insensitive material, such as carbon, so that the calibration 10 . 22 virtually no dimensional changes due to temperature fluctuations are subject to, thereby ensuring a particularly accurate calibration of the industrial robot 18 with the aid of the calibration bodies 10 . 22 can be ensured.

Die beschriebenen Kalibriervorgänge werden vorzugsweise regelmäßig in zuvor definierten Zeitabständen durchgeführt, so dass eine entsprechende Kompensation entsprechender thermischer Verformungen und eines daraus resultierenden thermischen Drifts, insbesondere eines Tool Center Points des Industrieroboters, 18 ermöglicht wird.The calibration processes described are preferably carried out regularly at previously defined time intervals, so that a corresponding compensation of corresponding thermal deformations and a resulting thermal drift, in particular of a tool center point of the industrial robot, 18 is possible.

Claims

Method for calibrating a device, in particular an industrial robot ( 18 ), in which at least one deviation of a measured actual position of a reference point ( 16 ) of a calibration body ( 10 . 22 ) from a desired position of the reference point ( 16 ) and, depending on the determined deviation, at least one correction value for controlling the device is determined, characterized in that the calibration body ( 10 . 22 ) by means of a measuring device attached to the device ( 20 ) is scanned.

Method according to claim 1, characterized in that a calibration body ( 10 ) with a plurality of balls ( 12 ) which is used to determine the actual position of the reference point ( 16 ) are scanned.

Method according to claim 2, characterized in that the balls ( 12 ) at different distances from the reference point ( 16 ) are arranged.

Method according to claim 2 or 3, characterized in that at least six balls ( 12 ) on the calibration body ( 10 ) are arranged.

A method according to claim 1, characterized in that a trained as a polyhedron calibration ( 22 ) is used to determine the actual position of the reference point ( 16 ) respective outer surfaces ( 24 ) of the calibration body ( 22 ) are scanned.

Method according to claim 5, characterized in that the calibration body ( 22 ) is designed as a dodecahedron or icosahedron.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration body ( 10 . 22 ) is formed of a temperature-insensitive material, in particular of carbon.