DE102013017007A1

DE102013017007A1 - Roboter mit einem Endmanipulatorarm mit Endeffektor sowie Verfahren zur Bestimmung eines Kraft- und Drehmomenteintrages auf einen Endeffektor eines Roboters

Info

Publication number: DE102013017007A1
Application number: DE201310017007
Authority: DE
Inventors: Bernd Winkler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2013-10-14
Publication date: 2015-04-16
Anticipated expiration: 2033-10-15
Also published as: DE102013017007B4

Abstract

Beschrieben wird ein Roboter mit einem Endmanipulatorarm und einem daran vorgesehenen Roboterflansch, an dem mittel- oder unmittelbar ein Endeffektor sowie wenigstens eine ortsauflösende Kameraeinheit angebracht sind, Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass längs eines zwischen dem Roboterflansch und dem Endeffektor verlaufenden Kraftpfades wenigstens eine elastische Struktur eingebracht ist, dass am Endeffektor oder an einer starr mit dem Endeffektor verbundenen Referenzkomponente wenigstens ein von der wenigstens einen starr mit dem Roboterflansch mittel- oder unmittelbar verbundenen Kameraeinheit erfassbares, kontrastreich in Erscheinung tretendes Muster angebracht ist, dass eine bildverarbeitende Auswerteeinheit vorgesehen ist, an die drahtlos oder drahtgebunden von der Kameraeinheit aufgenommene Szenebilder von dem wenigstens einen Muster übermittelbar sind, und dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die auf der Grundlage ausgewerteter Szenebilder Steuersignale generiert, die dem Roboter zur Positionierung und Betätigung des Endeffektors dienen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Roboter mit einem Endmanipulatorarm und einem daran vorgesehenen Roboterflansch, an dem mittel- oder unmittelbar ein Endeffektor sowie wenigstens eine ortsauflösende Kameraeinheit angebracht sind. Ferner wird ein Verfahren beschrieben zur Bestimmung eines Kraft- und Drehmomenteintrages auf den Endeffektor eines Roboters mit einem Endmanipulatorarm und einem daran angebrachten Roboterflansch.
Stand der Technik
Zur autonomen Durchführung roboterbasierter Greif- und Handhabungsvorgänge mit einem am Endmanipulatorarm eines Roboters über einen Roboterflansch angebrachten Endeffektors, vorzugsweise in Form eines Greifers, gilt es den Endeffektor zum einen zu positionieren und zum anderen die bei der Handhabung auftretenden, auf den Endeffektor wirkenden Kräfte und Momente zu erfassen. Für das Positionieren des Endeffektors sind Geometrieinformationen über das Umfeld des Endeffektors erforderlich, wie bspw. die Position und Lage eines von einem als Greifer ausgebildeten Endeffektors aufzunehmenden Bauteils. Dabei gilt es das aufzunehmende Bauteil zu erfassen, zu erkennen sowie auch dessen Lage relativ zum Endeffektor zu bestimmen. Zum Durchführen von roboterunterstützten Montage- und Fügevorgängen ist es darüber hinaus erforderlich, die zwischen einem handzuhabenden Bauteil und einer Fügestruktur wirkenden Kräfte und Momente zu bestimmen.
Für die Erfassung von Kräften sowie Momenten sind spezielle Sensorlösungen für Handhabungsroboter bekannt. Aus der US 2010/0312394 A1 sind ein Kraftsensor sowie ein den Kraftsensor enthaltenden Industrieroboter zu entnehmen, bei dem der Kraftsensor ein elastisch formbares Element aufweist, das mit einem Interferometer gekoppelt ist, mit dem es möglich ist, Deformationen des elastischen Elementes mit Hilfe eines Messlichtstrahls zu erfassen.
Ein ebenfalls auf dem Interferometrie-Prinzip beruhender Kraftsensor geht aus der Druckschrift US 7,289,228 B2 hervor, der wenigstens zwei orthogonal zueinander orientierte, interferometrisch angeordnete Messlichtstrahlengänge aufweist, die einen Sechs-Achsenkraftsensor realisieren.
In der Druckschrift US 4,178,799 ist ein Kraft- sowie Drehmomentsensor offenbart, der zwei über Verbindungsstege verbundene Platten verfügt. Längs der Verbindungsstege sind Dehnungsmessstreifen angeordnet, die unter Krafteinwirkung messbaren Deformationen unterliegen, die jeweils einer Kraftwirkung zugeordnet werden.
Die Druckschrift WO 2005/029028 A1 beschreibt einen optisch taktilen Sensor für einen sensitiv arbeitenden Robotergreifer, der über einen fingerkuppenartig ausgebildeten, lichttransparenten, elastischen Körper verfügt, in dem eine Vielzahl unterschiedlich colorierter Marker verteilt angeordnet ist, die von einer Kamera erfassbar sind. Bei kraftinduzierter Deformation des elastischen Körpers verändern sich die Relativlagen der einzelnen Marker innerhalb des Körpers, deren unterschiedliche räumliche Anordnungsmuster jeweils einer die Deformation hervorrufenden Kraft zugeordnet werden können.
Mit den bekannten Kraft erfassenden Sensorsystemen sind zwar hohe Messgenauigkeiten erreichbar, sie erfordern jedoch einen komplexen Sensoraufbau, hohe Kosten und ein zum Teil hohes Systemgewicht.
Zumeist verfügen Handhabungsrobotersysteme zum Erfassen der räumlichen Umgebung eines am Roboterflansch angebrachten Endeffektors über optische Systeme, wie bspw. ortsauflösende Kameras, die in den meisten Fällen nicht am Roboter selbst mitgeführt werden, wodurch die erzielbare optische Auflösung sowie die Kamerablickrichtung nicht durch die aktuelle Roboterposition beeinflusst werden können.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Roboter mit einem Endmanipulatorarm und einem daran vorgesehenen Roboterflansch, an dem mittel- oder unmittelbar ein Endeffektor sowie wenigstens eine ortsauflösende Kameraeinheit angebracht sind, derart weiterzubilden, so dass es mit möglichst kostengünstigen und gewichtsreduzierten Mitteln möglich ist, sowohl für die sichere Bewältigung von roboterunterstützten Greif- und Handhabungsaufgaben auf den Endeffektor einwirkenden Verschiebungen, Kräfte und Momente, als auch zur autonomen Navigation des Endeffektor dessen räumliche Position und Lage relativ zu seiner Umgebung zu erfassen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein lösungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung eines Kraft- und Drehmomenteneintrages auf einen Endeffektor eines Roboters ist Gegenstand des Anspruches 11. Den lösungsgemäßen Gedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Der Lösung liegt der Gedanke zugrunde, die Erfassung und Bestimmung der Kraft und des Momentes die auf den Endeffektor wirken sowie auch dessen räumliche Lage zu in seiner räumlichen Umgebung befindlichen Objekten und Strukturen zu Zwecken einer sicheren Navigation des Endeffektors mit Hilfe eines einheitlichen Sensorsystems zu realisieren. Auf diese Weise kann auf den Einsatz von in ihrer Art unterschiedlichen Sensorsystemen verzichtet werden, so dass sowohl der apparative sowie auch der auswertetechnische Aufwand vereinfacht und reduziert werden kann.
Lösungsgemäß wird vorgeschlagen, den am Endeffektor wirkenden Kraft- und Momenten-Eintrag sowie auch die Lage des Endeffektors relativ zu seiner Umgebung mit Hilfe wenigstens einer ortsauflösenden Kameraeinheit zu erfassen, deren Bildsignale sowohl zu Zwecken der Kraft- und Momenten-Bestimmung, als auch zur räumlichen Lageerfassung des Endeffektors herangezogen werden.
Ein lösungsgemäß ausgebildeter Roboter mit einem Endmanipulatorarm und einem daran vorgesehenen Roboterflansch gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 zeichnet sich lösungsgemäß dadurch aus, dass längs eines zwischen dem Roboterflansch und dem Endeffektor verlaufenden Kraftpfades wenigstens eine elastische Struktur eingebracht ist, die längs und/oder um wenigstens eine Raumrichtung elastisch verformbar ist, d. h. die elastische Struktur vermag unter Krafteinwirkung ihre Form zu verändern und bei Wegfall der einwirkenden Kraft in die Ursprungsform zurückzukehren.
Ferner ist am Endeffektor oder an einer starr mit dem Endeffektor verbundenen Referenzkomponente wenigstens ein von der wenigstens einen starr mit dem Roboterflansch mittel- oder unmittelbar verbundenen Kameraeinheit erfassbares, kontrastreich in Erscheinung tretendes Muster angebracht. Mit Hilfe einer bildverarbeitenden Auswerteeinheit, die getrennt zum Roboter oder in diesem integriert vorgesehen ist und an die drahtlos oder drahtgebunden die von der Kameraeinheit aufgenommenen Szenebilder von dem wenigstens einen Muster übermittelbar sind, werden die einzelnen Szenebilder sowohl unter dem Aspekt der Krafteinwirkung auf den Endeffektor als auch dessen Lageerfassung relativ zu dessen Umgebung analysiert. Letztlich ist eine Steuereinheit vorgesehen, die auf der Grundlage der ausgewerteten Szenebilder Steuersignale generiert, die dem Roboter zur Positionierung sowie auch zur Betätigung des Endeffektors dienen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die wenigstens eine Kameraeinheit als klein- und leichtbauende Video- oder CCD-Kamera ausgebildet, die starr mittelbar oder unmittelbar am Roboterflansch angebracht ist. Das der Kamera zugeordnete Kamerabild bzw. Szenebild enthält zumindest das wenigstens eine kontrastreich in Erscheinung tretende Muster sowie vorzugsweise der Endeffektor mit der diesen unmittelbar umgebenden Umgebung.
Tritt der Endeffektor aufgrund einer kraftbeaufschlagten Berührung mit einem in der Umgebung befindlichen Körper in Kontakt oder nimmt der als Greifer ausgebildete Endeffektor eine Last auf, so erfährt die den Endeffektor mit dem Roboterflansch verbindende elastische Struktur eine sich in Abhängigkeit der Kraft- oder Lasteinwirkung bedingte Deformation bzw. Verformung. Durch die Deformation der elastischen Struktur erfährt das wenigstens eine am Endeffektor oder an der starr mit dem Endeffektor verbundenen Referenzkomponente vorgesehene Muster eine Lage- bzw. Positionsänderung innerhalb des von der wenigstens einen Kamera erfassten Szenebildes. Die von der Kamera erfassbare Lageänderung des Musters, die sich im Wesentlichen aus einem Szenebildvergleich mit und ohne Krafteinwirkung auf den Endeffektor ergibt, stellt ein Maß für den Betrag sowie auch die Richtung bzw. Orientierung der auf den Endeffektor einwirkenden Kraft und/oder des wirkenden Momentes dar. Zur Kraft- und/oder Momentbestimmung kann im einfachsten Fall ein Referenzdatensatz herangezogen werden, der eine Vielzahl unterschiedlicher Lageänderungen mit den jeweils dazu korrespondierenden bekannten Kraftwirkungen enthält. Im Rahmen einer Bildauswertung der einzelnen von der Kamera aufgenommenen Szenebilder, die jeweils einen relativ zum Roboterflansch konstanten Bildausschnitt enthalten, lassen sich jeweils die Raumpositionen, bspw. in Form von Bildkoordinaten, des wenigstens einen kontrastreich in Erscheinung tretenden Musters bestimmen. Durch Bilddatenabgleich mit den Referenzdaten können den von der Kameraeinheit aufgenommenen Szenebildern eine auf den Endeffektor einwirkende Kraft sowie ein Drehmoment zugeordnet werden.
Da die wenigstens eine Kamera nicht nur das wenigstens eine Muster, sondern insbesondere auch das Umfeld des Endeffektors zu erfassen vermag, ist die überwachte Navigation des robotergeführten Endeffektors auf Basis der von der wenigstens einen Kamera erfassten Umfeldinformation möglich. Mit geeigneten, an sich bekannten Bildauswerteverfahren, in denen Software-basierte Objekterkennungsprozeduren zur Anwendung kommen, können mit der gleichen Kamera, mit der die Kraft- und Drehmomenterfassung durchgeführt wird, zugleich auch die Roboternavigation unterstützende Bildinformationen vom unmittelbaren Umfeld um den zu positionierenden Endeffektor gewonnen werden.
Alternativ oder in Kombination zur Anbringung der wenigstens einen Kameraeinheit mittel- oder unmittelbar starr am Roboterflansch, ist es ebenso möglich, die wenigstens eine Kameraeinheit mittel- oder unmittelbar starr am Endeffektor anzubringen, wobei zur Bestimmung der Relativbewegung des Endeffektors gegenüber dem Roboterflansch wenigstens ein kontrastreich in Erscheinung tretendes Muster, das starr mittel- oder unmittelbar an den Roboterflansch angebracht ist, von der wenigstens einen Kameraeinheit erfassbar ist. Ist die Blickrichtung der wenigstens einen Kameraeinheit in Richtung des Endeffektors, d. h. vom Roboterflansch abgewandt orientiert, so ist das wenigstens eine Muster an einem entsprechenden, fest mit dem Roboterflansch verbundenen und in das Blickfeld der Kamera hineinragenden Fortsatz angebracht, und/oder das am Roboterflansch angebrachte Muster wird über eine geeignete Spiegelumlenkung in das Blickfeld der Kamera eingespiegelt. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von wenigstens zwei Kameras, von denen eine das am Roboterflansch angebrachte Muster und die andere Kamera den Endeffektor mit Umgebung erfasst.
Auch im Fall dieser alternativen Ausführungsvariante ist getrennt zum oder integriert im Roboter eine bildverarbeitende Auswerteeinheit vorgesehen, an die drahtlos oder drahtgebunden von der wenigstens einen Kameraeinheit aufgenommene Szenebilder von dem wenigstens einen Muster übermittelbar sind. Ferner ist eine Steuereinheit gleichfalls integriert im oder getrennt zum Roboter vorgesehen, die auf der Grundlage ausgewerteter Szenebilder Steuersignale generiert, die dem Roboter zur Positionierung und Betätigung des Endeffektors dienen.
Unabhängig von der alternativen Anbringung der wenigstens einen Kameraeinheit am lösungsgemäß ausgebildeten Roboter ermöglicht die elastische Struktur eine Relativbewegung des Endeffektors relativ zum Roboterflansch um und/oder längs wenigstens einer Raumachse. Die elastische Struktur vermag sich um und/oder längs der wenigstens einen Raumachse translatorisch sowie auch rotatorisch derart zu verformen, so dass die elastische Struktur nach einer kraftbeaufschlagten Auslenkung in ihre Ausgangslage selbständig zurückkehrt. Die elastische Struktur kann in vielfacher Weise ausgebildet sein, bspw. in Form wenigstens einer Spiral-, Blatt- oder Tellerfeder, die einzeln, oder in kombinierter Weise seriell oder parallel miteinander kombiniert in Wirkverbindung stehen. Auch sind mechanische Gelenkmechanismen zur gezielten Übertragung von Kräften und Drehmomenten zwischen dem Roboterflansch und dem Endeffektor als elastische Strukturen denkbar. In besonders vorteilhafter Weise eignet sich zur Übertragung von Kräften und Drehmomenten zwischen dem Roboterflansch und dem Endeffektor wenigstens ein aus elastomerem Material bestehender Körper, der als robustes Bauelement um drei orthogonal zueinander orientierte Raumrichtungen translatorische Kräfte sowie auch rotatorische Kräfte, d. h. Momente, zu übertragen vermag. Die Ausgestaltung der elastischen Struktur kann gleichsam auch eine beliebige Kombination der vorstehenden unterschiedlichen, elastisch verformbaren Einzelelemente darstellen.
Entscheidend für die Genauigkeit, mit der die auf den Endeffektor wirkenden Kräfte und Drehmomente bestimmt werden können, ist die Qualität mit der die wenigstens eine Kameraeinheit das wenigstens eine Muster ortsaufgelöst zu detektieren vermag. Zur ortsaufgelösten Mustererkennung trägt zum einen das Auflösevermögen der jeweils verwendeten Kamera sowie auch das Kontrastverhältnis des wenigstens einen, von der wenigstens einen Kameraeinheit erfassbare Muster bei. Je nach Einsatzzweck und qualitativen Anforderungen an die Positionier- und Betätigungsgenauigkeit des roboterunterstützten Endeffektors können eine oder mehrere Kameraeinheiten am Roboter vorgesehen werden. In den meisten Fällen reicht die Anbringung einer einzigen ortsauflösenden Kamera aus, um anhand des von ihr aufgenommenen zweidimensionalen Szenebildes die vorstehend erläuterten Bildauswertungen vorzunehmen. Gleichfalls bietet es sich für die Aufnahme von dreidimensionalen Szenebildern an wenigstens zwei Kameras an der Robotereinheit entsprechend anzubringen, um durch stereoskopische Betrachtungsweise einen räumlichen Szenebildeindruck zu schaffen, der sich insbesondere vorteilhaft in Bezug auf die Navigation des roboterunterstützten Endeffektors auswirkt. Auch können mehr als zwei Kameraeinheiten am Roboter vorgesehen sein, durch die eine Vielseitenansicht sowohl des wenigstens einen zu detektierenden kontrastreich in Erscheinung tretenden Musters als auch insbesondere der unmittelbaren Umgebung um den Endeffektor erzielbar ist.
Der lösungsgemäß ausgebildete Roboter sieht als Endeffektor vorzugsweise einen Greifer vor, mit dem das Greifen sowie auch die Handhabung, einschließlich Positionierung eines Bauteils oder mehrere Bauteile möglich ist, wobei die durch den Greif- und Handhabungsvorgang auf den Greifer einwirkenden Kräfte und Drehmomente sowie auch sämtliche Informationen zur Navigation und Positionierung des Greifers innerhalb seiner Umgebung lösungsgemäß mit wenigstens einer einzigen Kameraeinheit gewonnen werden können. Dem lösungsgemäß ausgebildeten Roboter liegt ein lösungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung eines Kraft- und Drehmomenteintrages auf den Endeffektor eines Roboters mit einem Endmanipulatorarm und einem daran angebrachten Roboterflansch zugrunde, an dem der Endeffektor über wenigstens eine elastische Struktur längs wenigstens eines translatorischen und/oder um wenigstens einen rotatorischen Freiheitsgrad auslenkbar gelagert wird. Dabei nimmt der Endeffektor in einem Zustand ohne einen Kraft- und Drehmomenteintrag eine Ausgangslage ein, die mittels wenigstens einer Kameraeinheit, bspw. in Form einer Video- oder CCD-Kamera, zum Erhalt eines Szenebildes erfasst wird. Wird im Weiteren der Endeffektor durch einen Kraft- und Drehmomenteintrag ausgelenkt, so wird die Auslenkung des Endeffektors mittels der wenigstens einen Kameraeinheit zum Erhalt eines weiteren Szenebildes erfasst, das einer Bildauswertung unterzogen wird, bei der eine Bestimmung einer räumlichen Lageabweichung des Endeffektors von der Ausgangslage vorgenommen wird. Die dabei ermittelte Lageabweichung bildet die Grundlage für eine Zuordnung zu der auf den Endeffektor einwirkenden Kraft sowie des wirkenden Momentes.
Zur Ermittlung der räumlichen Lageabweichung der kraftbedingten Auslenkung des Endeffektors werden das die Ausgangslage wiedergebende Szenebild sowie das die Auslenkung des Endeffektors wiedergebende Szenebilder miteinander verglichen. Dabei werden die Bildkoordinaten des wenigstens einen am Roboter angebrachten oder vorgesehenen Musters, das durch den Kraft- und/oder Drehmomenteintrag auf den Endeffektor relativ zur wenigstens einen Kameraeinheit ausgelenkt wird, bestimmt. Anhand der relativ zur Ausgangslage geänderten Raumposition des ausgelenkten Musters können durch Vergleich mit einer Referenzdatei die den Endeffektor auslenkende Kraft- sowie das wirkende Drehmoment ermittelt werden. Hierzu sieht die Referenzdatei eine Vielzahl einzelner Referenzpositionen, vorzugsweise in Form von räumlichen 6D-Objektpositionen sowie Orientierungen des wenigstens einen Musters vor, die jeweils unterschiedliche Auslenkzustände der wenigstens einen elastischen Struktur entsprechen, die jeweils durch bekannte Kräfte und/oder bekannte Drehmomenten hervorgerufen worden sind.
Eine alternative Verfahrensweise zur Bestimmung einer einen Auslenkzustand des an der elastischen Struktur angebrachten Endeffektors hervorrufenden Kraft bzw. eines Drehmomentes stützt sich auf eine analytische Modellgleichung, die das Deformationsverhalten der wenigstens einen elastischen Struktur in Abhängigkeit wirkender Kräfte und Drehmomente durch geeignete Parametrisierung beschreibt. Weitere Einzelheiten hierzu können der weiteren Beschreibung, die Bezug nimmt auf konkrete Ausführungsbeispiele entnommen werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 schematisierte Darstellung einer lösungsgemäßen Vorrichtung mit einem an einem Roboterflansch über eine elastische Struktur mittelbar verbundenen Endeffektor zum Greifen und Fügen eines Bauteils sowie
2 Illustration eines an einer Referenzkomponente angebrachten Musters,
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
1 zeigt einen schematisiert dargestellten Aufbau eines Roboters mit einem Endmanipulatorarm A, an dessen Roboterflansch A' ein Grundträger B angebracht ist, der im dargestellten Fall den Endmanipulatorarm A überragt, wobei an den den Endmanipulatorarm A jeweils beidseitig überragenden Grundträgerenden jeweils eine Kameraeinheit H, vorzugsweise in Form einer ortsauflösenden Video- bzw. CCD-Kameras, angebracht sind. Die Blickfelder I, I' beider Kameras H sind jeweils durch sich konisch erweiternde Begrenzungslinien in 1 angedeutet und überlagern sich ab einem Mindestabstand zum Grundträger B, wobei beide Kameras H wenigstens einen Teil des Endeffektors E sowie des von dem Endeffektor E aufzunehmenden Bauteils F zu erfassen vermögen. Beide Kameras H sind relativ zu einer der Roboteranordnung zuordenbaren Roboterachse R diametral gegenüberliegend angeordnet, so dass der Endeffektor E sowie das von diesem gegriffene Bauteil F von zwei unterschiedlichen gegenüberliegenden Seiten erfassbar sind.
Unmittelbar am Grundträger B anschließend befindet sich eine elastische Struktur C, vorzugsweise in Form eines aus elastomerem Material bestehenden Körpers, der über ein isotropes, elastisches Verformungsverhalten verfügt, d. h. der Elastomerkörper ist jeweils längs dreier orthogonal zueinander orientierter Raumachsen translatorisch sowie auch um die entsprechenden Raumachsen rotatorisch elastisch verformbar. Alternativ oder in Kombination mit der als Elastomerkörper ausgebildeten elastischen Struktur C kann diese auch aus Federelementen bestehen oder zusammengesetzt sein und/oder mechanische Ein- oder Mehrachsgelenke aufweisen. Allen Ausgestaltungsformen zur Realisierung der elastischen Struktur C ist gemeinsam, dass nach Auslenkung der elastischen Struktur C diese wieder selbständig in ihre Ausgangslage, die sie ohne äußere Krafteinwirkung einnimmt, zurückkehrt.
Auf der dem Grundträger B abgewandten Seite der elastomeren Struktur C ist eine Referenzkomponente D mit der elastomeren Struktur verbunden, die vorzugsweise aus einer kreisförmigen, dreieckigen, rechteckigen oder mehreckigen Platte besteht gegenüber dem Grundträger B sowie dem Endmanipulatorarm A des Roboters in vorteilhafter Weise um insgesamt sechs Freiheitsgrade, d. h. drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsgrade, auslenkbar gelagert ist.
An den von den Kameraeinheiten H optisch erfassbaren Seitenkanten der plattenförmig ausgebildeten Referenzkomponente D sind optisch kontrastreich in Erscheinung tretende Muster M (in Figur nicht dargestellt) angebracht, deren räumliche Lage durch Auswertung des von der jeweiligen Kameraeinheit H aufgenommenen Szenebildes mit Hilfe eines geeigneten Bildauswerteprogrammes exakt bestimmbar ist.
Starr mit der plattenförmig ausgebildeten Referenzkomponente D ist der Endeffektor E, vorzugsweise in Form eines Greifers, verbunden, der in der Darstellung gemäß 1 ein Bauteil F zum Fügen in eine Aufnahmekontur G gegriffen hat.
In Abweichung zu der in 1 illustrierten Anordnung der zwei Kameraeinheiten H ist es ebenso möglich, lediglich Eine oder mehr als zwei Kameraeinheiten vorzusehen, die vorzugsweise am Grundträger B angebracht sind. Alternativ ist es möglich, wenigstens eine Kameraeinheit starr mit der Referenzkomponente D oder dem Endeffektor E zu verbinden, wobei dafür Sorge zu tragen ist, dass innerhalb des von der Kameraeinheit erfassten Szenebildes ein starr mit dem Endmanipulatorarm A des Roboters mittel oder unmittelbar verbundenes Muster enthalten ist, zur Erfassung der deformationsbedingten Lageänderung des Endeffektors E relativ zum Endmanipulatorarm A des Roboters. Im Falle der Verwendung von zwei oder mehr Kameraeinheiten ist es möglich, die Kamerablickwinkel zur Erfassung unterschiedlicher Szenebilder geeignet auszuwählen. Beispielsweise könnte eine Kamera gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels ausschließlich auf die Referenzkomponente D sowie des Endeffektors E ausgerichtet sein, wohingegen die zweite Kamera ausschließlich zur Umgebungserfassung um den Endeffektor E geeignet ausgerichtet ist. In 1 ist hierbei die Umgebung U um den Endeffektor E strichliert angedeutet. Durch die Erfassung der Umgebung U um den Endeffektor E können Bilddaten generiert werden, auf deren Grundlage die Navigation des Endmanipulatorarmes sowie des Endeffektors E relativ zu einem Fügebauteil G vorgenommen werden kann.
Zu Zwecken der Navigation des Robotergeführten Endeffektors E ist ein gesuchtes Objekt bzw. eine gesuchte Geometrie, an das bzw. an die der Endeffektor E anzunähern ist, beispielsweise in Form eines CAD-Datensatzes, in einer bildverarbeitenden Auswerteeinheit J abgespeichert und somit bekannt. Durch die Kameraeinheit H wird die Umgebung U des Endeffektors E erfasst, wobei die Erfassung der Umgebung U in Abhängigkeit von Anzahl der Kameraeinheiten H in Form von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Bildinformationen erfolgen kann, die im Weiteren in der bildverarbeitenden Auswerteeinheit J ausgewertet werden. Im Wege einer Software-basierten Bilddatenauswertung erfolgt ein Abgleich zwischen den in den von der wenigstens einen Kameraeinheit H aufgenommenen Szenebildern enthaltenen Objektinformationen mit den a priori als bekannt abgespeicherten Objektinformationen über ein zu suchendes Objekt bzw. eine zu suchende Geometrie, woraus ein Korrekturvektor ermittelbar ist, der den Weg zwischen der Ist-Position des Endeffektors und eine Zielposition angibt, beispielsweise zu Zwecken einer Annäherung des als Greifer ausgebildeten Endeffektors an ein aufzunehmendes Bauteil F. Sowohl die für die Bildauswertung erforderliche Auswerteeinheit J als auch eine die Navigation sowie Betätigung des Endeffektors überwachende Steuereinheit S sind vorzugsweise innerhalb des Roboters integriert.
Befindet sich der Endeffektor E nach erfolgter Positionierung bzw. Annäherung an ein handzuhabendes bzw. zu greifendes Objekt F so wird in vorteilhafter Weise kurz vor einer Objektberührung die räumliche Lage des Endeffektors E innerhalb des Szenebildes der wenigstens einen Kameraeinheit ohne eine auf den Endeffektor wirkenden Kraft erfasst. Dieser Vorgang, der auch als Referenzierung bezeichnet wird, erfasst die von wenigstens einer Kameraeinheit aufgenommene Ruhelage, die sich mit zunehmender Alterung der elastischen Struktur verändern kann. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, den Vorgang der Referenzierung wenigstens beim Betriebsstart des Roboters vorzunehmen.
Ferner gilt es, im Wege einer vorab Kalibrierung unterschiedlichen Deformationszuständen der elastischen Struktur und der damit starr verbundenen Referenzkomponente mit Endeffektor die tatsächlich auf die Referenzkomponente bzw. den Endeffektor einwirkenden Kräfte nach Betrag und vorzugsweise nach ihrer Richtung zuzuordnen. Hierzu wird in einem ersten Schritt der Endeffektor mit einer bekannten definierten Kraft und/oder einem bekannten Moment beaufschlagt, wodurch der Endeffektor in Abhängigkeit des Deformationsverhaltens der elastischen Struktur ausgelenkt wird. In einem zweiten Schritt wird mit Hilfe eines Szenebildvergleiches der ausgelenkte Zustand des Endeffektors mit der Ruhelage verglichen und die aktuelle Verschiebung sowie eine möglicherweise auftretende Verdrehung bestimmt. In einem dritten Schritt werden die ermittelte räumliche Verschiebung, vorzugsweise in Form eines Verschiebevektors, sowie eine gegebenenfalls ermittelte Verdrehung, vorzugsweise in Form eines Quaternions, mit der bekannten Kraft sowie gegebenenfalls einem bekannten Moment als Wertepaare in einer Referenzdatei abgelegt. Die vorstehenden Kalibrierschritte werden vorzugsweise beliebig oft wiederholt, jeweils unter Zugrundelegung einer veränderten, die elastische Struktur verformenden Kraft bzw. eines Momentes. Im Ergebnis wird eine aus Wertepaaren bestehende Referenzdatei erstellt, auf die zur Kraft- und Drehmomentbestimmung zurückgegriffen wird.
Alternativ ist es möglich, anhand der im Wege der Kalibrierung gewonnenen Wertepaare aus Auslenkung und Krafteintrag eine vollständig parametrisierte Modellgleichung zu entwickeln, die der weiteren Bestimmung der Kraft- und Momenteneintrages zugrunde gelegt werden kann.
Zur näheren Erläuterung der Lageerfassung des Endeffektors sei im Weiteren auf die Illustration in 2 verwiesen, die lediglich den Roboterflansch A bzw. den starr mit dem Roboterflansch A verbundenen Grundträger B zeigt, gegenüber dem beabstandet die Referenzkomponente D in Form einer Rechtecksplatte angeordnet ist. Die Referenzkomponente D ist über die nicht in 2 dargestellte elastische Struktur C verbunden und kann gegenüber dem Roboterflansch A bzw. dem Grundträger B um sechs Raumachsen, d. h. drei translatorische sowie drei rotatorische Raumachsen, ausgelenkt werden. Zur optischen Lagebestimmung der plattenförmig ausgebildeten Referenzkomponente D weist diese an wenigstens zwei Seitenkanten, die zueinander orthogonal orientiert und über gemeinsame Verbindungskante verbunden sind, optisch kontrastreich in Erscheinung tretende Muster M auf. Die Muster M stellen im illustrierten Ausführungsbeispiel nebeneinander angebrachte schwarze Ringe dar, die von jeweils zwei ebenfalls mit orthogonaler Blickrichtung zueinander angeordneter Kameras (nicht dargestellt) erfasst werden. Selbstverständlich ist eine Vielzahl alternativer Ausgestaltungsformen für die Musterausgestaltung möglich, so insbesondere auch Muster, die sich durch reflektierende oder selbst leuchtende Oberflächen bzw. Leuchtkörper auszeichnen.
Zur optischen Lageerfassung der plattenförmigen Referenzkomponente D sei angenommen, dass jeweils eine Kamera einer mit den Markierungen M versehene Seitenkante stirnseitig gegenüberliegend, mit jeweils die Seitenkante orthogonal schneidender Kamerablickrichtung angeordnet ist. Beide Kameras erfassen somit die Referenzkomponente D zeitgleich aus zwei senkrecht zueinander orientierten Blickrichtungen. Da beide Kameras starr mit dem Roboterflansch A bzw. dem Grundträger B verbunden sind, vermögen die Kameras eine Relativlageveränderung der Referenzkomponente D exakt zu erfassen. Hierzu wird für jedes der von beiden Kameras aufgenommene Szenebild das optisch kontrastreich in Erscheinung tretende Muster M detektiert, beispielsweise unter Verwendung an sich bekannter „Pattern, Feature-Matching-Verfahren”. Im Anschluss daran wird für jedes der Szenebilder, die von beiden Kameras aufgenommen worden sind, die Position sowie auch Rotation der Bildkoordinaten der detektierten Muster M bestimmt. Im Weiteren erfolgt eine Bestimmung der Breite der von beiden Kameras jeweils aufgenommenen rechten und linken Muster-Pattern-Hälften in Bildkoordinaten. Mit Hilfe der vorstehenden Informationen, die im Rahmen eines Bildauswerteverfahrens gewonnen werden, kann sodann die 6D-Position der Referenzkomponente D berechnet werden. Auf der Grundlage der im Wege der Bildverarbeitung ermittelten aktuellen räumlichen Lage der Referenzkomponente D in Bezug auf das starr mit dem Roboterflansch A bzw. dem Grundträger B verbundene Koordinatensystem lassen sich durch Wertevergleich der ermittelten 6D-Position der Referenzkomponente B mit den in einer Referenzdatei bevorrateten Wertepaare die Kraft sowie das Drehmoment zuordnen, die ablenkungsverursachend auf den Endeffektor E und somit auf die Referenzkomponente D einwirken.
Bezugszeichenliste

A

Endmanipulatorarm, Roboterflansch

B

Grundträger

C

Elastische Struktur

D

Referenzkomponente

E

Endeffektor

F

Gegriffenes Bauteil

G

Fügestruktur

H

Kameras

I

Erfassungsbereich der Kameras

J

Bildbearbeitende Auswerteinheit

U

Umgebung um den Endeffektor

R

Roboterachse

M

Muster

S

Kontrolleinheit

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

US 2010/0312394 A1 [0003]
US 7289228 B2 [0004]
US 4178799 [0005]
WO 2005/029028 A1 [0006]

Claims

Roboter mit einem Endmanipulatorarm und einem daran vorgesehenen Roboterflansch, an dem mittel- oder unmittelbar ein Endeffektor sowie wenigstens eine ortsauflösende Kameraeinheit angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass längs eines zwischen dem Roboterflansch und dem Endeffektor verlaufenden Kraftpfades wenigstens eine elastische Struktur eingebracht ist, dass am Endeffektor oder an einer starr mit dem Endeffektor verbundenen Referenzkomponente wenigstens ein von der wenigstens einen starr mit dem Roboterflansch mittel- oder unmittelbar verbundenen Kameraeinheit erfassbares, kontrastreich in Erscheinung tretendes Muster angebracht ist, dass eine bildverarbeitende Auswerteeinheit vorgesehen ist, an die drahtlos oder drahtgebunden von der Kameraeinheit aufgenommene Szenebilder von dem wenigstens einen Muster übermittelbar sind, und dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die auf der Grundlage ausgewerteter Szenebilder Steuersignale generiert, die dem Roboter zur Positionierung und Betätigung des Endeffektors dienen.
Roboter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass längs eines zwischen dem Roboterflansch und dem Endeffektor verlaufenden Kraftpfades wenigstens eine elastische Struktur eingebracht ist, dass die wenigstens eine Kameraeinheit mittel- oder unmittelbar starr am Endeffektor angebracht ist, dass wenigstens ein von der Kameraeinheit erfassbares, kontrastreich in Erscheinung tretendes Muster starr mittel- oder unmittelbar an dem Roboterflansch oder an einer starr mit dem Roboterflansch verbundenen Referenzkomponente angebracht ist, dass eine bildverarbeitende Auswerteeinheit vorgesehen ist, an die drahtlos oder drahtgebunden von der wenigstens einen Kameraeinheit aufgenommene Szenebilder von dem wenigstens einen Muster übermittelbar sind, und dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die auf der Grundlage ausgewerteter Szenebilder Steuersignale generiert, die dem Roboter zur Positionierung und Betätigung des Endeffektors dienen.
Roboter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Struktur einen elastisch um und/oder längs wenigstens einer Raumachse verformbaren Körper und/oder eine um und/oder längs wenigstens einer Raumachse auslenkbare Dreh- und/oder Schubgelenkeinheit, die nach Auslenkung in ihre Ausgangslage selbstständig zurückkehrt, aufweist und, dass die elastische Struktur derart zwischen dem Roboterflansch und dem Endeffektor angebracht ist, dass der Endeffektor relativ zum Roboterflansch um und/oder längs der wenigstens einen Raumachse auslenkbar gelagert ist.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kameraeinheit und/oder wenigstens eine weitere Kameraeinheit derart angeordnet ist, dass das von der wenigstens einen und/oder der wenigstens einen weiteren Kameraeinheit erfasste Szenebild zumindest einen Teilbereich einer unmittelbaren Umgebung um den Endeffektor enthält, sodass ein in der unmittelbaren Umgebung befindliches Objekt von der Kameraeinheit erfassbar ist.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bildverarbeitende Auswerteinheit eine Referenz-Datei umfasst, in der Referenzauslenkungen des wenigstens einen Musters bei jeweils unterschiedlichen Auslenkzuständen der wenigstens einen elastischen Struktur bevorratet sind, denen jeweils eine bekannte Kraft und/oder eine bekanntes Drehmoment zugeordnet sind, die die unterschiedlichen Auslenkzustände jeweils hervorrufen, und dass die bildverarbeitende Auswerteinheit den von der Kameraeinheit aufgenommenen Szenebildern durch Bildverarbeitungsalgorithmen eine vorliegende translatorische und/oder rotatorische Lageänderung des wenigstens einen Musters relativ zur Kameraeinheit bestimmt und dieser eine auf den Endeffektor einwirkende Kraft und/oder ein Drehmoment zuordnet.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine ortsauflösende Kameraeinheit eine Kamera zur Aufnahme von zwei-dimensionalen Szenebildern oder zwei Kameras zur Aufnahme von drei-dimensionalen Szenebildern oder mehrere Kameras, die eine dreidimensionale und/oder Vielseitenansicht des wenigstens einen Musters, vorzugsweise des wenigstens einen Musters und des Endeffektors, besonders vorzugsweise des wenigstens einen Musters, des Endeffektors sowie einer unmittelbaren Umgebung um den Endeffektor, ermöglicht, umfasst.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Muster ein optischer Marker ist, in Form eines passiven Schwarz-Weiss Muster, eines kontrastreichen Farbmusters oder eines selbstleuchtenden Musters.
Roboter nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elastisch verformbare Körper ein Element oder eine Kombination aus den folgenden Elementen ist: Spiral-, Blatt-, Teller-Feder, Elastomerelement.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter ein Greifroboter und der Endeffektor ein Greifer sind.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass starr an dem Roboterflansch zwei ortsauflösende Kameras mittel- oder unmittelbar befestigt sind, dass längs des Kraftpfades dem Roboterflansch gegenüberliegend an der elastischen Struktur eine rechteckige Platte als Referenzkomponente angebracht ist, mit zwei winkelig, vorzugsweise rechtwinklig zueinander orientierten Plattenseitenwänden, an denen jeweils wenigstens ein kontrastreich in Erscheinung tretendes Muster angebracht ist, von denen jedes Muster von jeweils einer der zwei ortsauflösenden Kameras erfassbar ist.
Verfahren zur Bestimmung eines Kraft- und Drehmomenteintrages auf einen Endeffektor eines Roboters mit einem Endmanipulatorarm und einem daran angebrachten Roboterflansch, an dem der Endeffektor über wenigstens eine elastische Struktur längs wenigstens eines translatorischen und/oder um wenigstens einen rotatorischen Freiheitsgrades auslenkbar gelagert wird, der in einem Zustand ohne einen Kraft- und Drehmomenteintrag eine Ausgangslage einnimmt, bei dem eine kraft- oder drehmomentbedingte Auslenkung des Endeffektors mittels wenigstens einer Kamera zum Erhalt eines Szenebildes erfasst wird, das einer Bildauswertung unterzogen wird, bei der eine Bestimmung einer räumlichen Lageabweichung des Endeffektors von der Ausgangslage vorgenommen wird, die eine Grundlage für eine Zuordnung von einer auf den Endeffektor einwirkenden Kraft sowie eines Drehmoments bildet.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zuordnung auf eine Referenz-Datei zurückgegriffen wird, in der eine Vielzahl einzelner Raumpositionen des wenigstens einen Musters bei jeweils unterschiedlichen Auslenkzuständen der wenigstens einen elastischen Struktur bevorratet ist, denen jeweils eine bekannte Kraft und/oder eine bekanntes Drehmoment zugeordnet sind, die die unterschiedlichen Auslenkzustände jeweils hervorrufen, und dass zu wenigstens einem von der wenigstens einen Kameraeinheit aufgenommenen Szenebild eine Raumposition des wenigstens einen Musters ermittelt wird, der durch Abgleich mit der Referenz-Datei eine auf den Endeffektor mittel- oder unmittelbar wirkende Kraft und/oder ein wirkendes Drehmoment zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung auf Grundlage einer analytischen Modellgleichung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mittel- oder unmittelbar wirkende Kraft und/oder Drehmoment durch Interpolation der naheliegendsten Einträge in der Referenz-Datei ermittelt wird.