DE102014001376B3

DE102014001376B3 - Abgleich von Koordinatensystemen mit Hilfe von Fahrzeuginnenraummerkmalen

Info

Publication number: DE102014001376B3
Application number: DE102014001376.6A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kraus
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2014-02-04
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2034-02-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur geometrisch bestimmten Positionierung einer Arbeitsvorrichtung, insbesondere eines Roboterarms, im Innenraum einer zu bearbeitenden Vorrichtung, vorzugsweiser eines Fahrzeuginnenraums. Das Verfahren zum Abgleich beinhaltet ein erstes Koordinatensystems (1) in einer Karosserie (3) eines Fahrzeugs mit einer darin angeordneter Referenzmarke (5) in einem Innenraum (7) und einem zweiten Koordinatensystem (2) mit einem außerhalb der Fahrzeugkarosserie stehenden Roboter (4) mit einer an einem Roboterarm (6) befestigten Kamera (8) und einer Montage-, Kalibier- und/oder Justiervorrichtung (10). Dabei erfolgt in einem ersten Schritt der Abgleich des ersten Koordinatensystems (1) mit dem zweiten Koordinatensystem (2) durch eine grobe Anpeilung der Referenzmarke (5) durch die Kamera (8) außerhalb der Karosserie (3) wobei dann die Position des Roboters (4) anhand der Referenzmarke (5) zu der ersten Messposition der Karosserie (3) korrigiert wird und in einem zweiten Schritt der Roboterarm (6) in den Innenraum (7) durch eine seitliche Öffnung in der Karosserie (3) auf die zweite Messposition nahe der Referenzmarke (5) bewegt wird und schließlich in einem dritten Schritt die genaue Position der Vorrichtung (10) in der Karosserie (3) eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geometrischen Positionieren einer Kamera und einer daran befestigten Kalibier- und Justiervorrichtung an einem Roboterarm eines Roboters im Innenraum einer zu bearbeitenden Vorrichtung, vorzugsweise eines Fahrzeuginnenraums.
Durch die zunehmende Komplexität und Elektronisierung im Innenraum von Fahrzeugen wird auch die Montage, Justage und Kalibrierung dieser Apparate immer schwieriger. Immer mehr dieser Aufgaben werden von Montagesystemen und Robotern erledigt. Diese Montagesysteme und Roboterarme müssen jedoch geometrisch sehr genau relativ zur Karosserie und deren Anbauteilen positioniert werden. Verschärft wird diese Positionieraufgabe dadurch, dass die gefügten Rohkarossen einer gleichen Baureihe fertigungsbedingt geometrische Toleranzen aufweisen, welche beim darauffolgenden Inneneinbau von Anbauteilen an karosseriefesten Schweißbolzen berücksichtigt werden müssen.
Bisher erfolgte die Einmessung und Positionierung des Roboterarms sowie das Einmessen für den Abgleich der Koordinatensysteme anhand der Außenhautmerkmale über eine Kamera am Roboter oder über stationäre Kameras. Nachteilig an diesen Verfahren sind die Einmesszeiten mit dem Roboter oder die Notwendigkeit mehrerer Kameras für das Einmessen, was sehr aufwändig, teuer und fehleranfällig ist.
Ein weiteres Verfahren zur Einmessung und Positionierung des Roboterarms sowie das Einmessen für den Abgleich der Koordinatensysteme bedient sich optischer Sensoren am Roboter und eines Triangulationsverfahrens beispielsweise mit Lasersensoren. Nachteilig an diesem Verfahren ist das zeitaufwändige Iterationsverfahren, welches das Einmessen und Positionieren deutlich verlangsamt.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2010 013 391 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters in einer Behandlungskabine. Als stationäre Messeinrichtung werden verschiedene Kameras benutzt. Die Kameras messen die Referenzmarke außerhalb des Fahrzeugs und durch diese Messung wird das Koordinatensystem des Fahrzeugs bestimmt. Das Koordinatensystem des Roboters wird mit dem Koordinatensystem des Fahrzeugs verglichen und der Roboter kann so genau innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs gesteuert werden. Dieses Verfahren benutzt jedoch keine Referenzmarke im Fahrzeug.
Das europäische Patent EP 1 189 732 B1 beschreibt ein Verfahren zum mehrstufigen Kalibrieren von Messrobotern. Der Messroboter misst verschiedene Referenzmarke innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs. Durch diese Kalibrierung kann der Messroboter genau gesteuert werden.
Das US Patent US 5 297 238 A beschreibt ein Verfahren zum lagegenauen Positionieren einer an einem Roboterarm eines Roboters befestigten Kalibrier und Justiervorrichtung relativ zur einem Werkstück unter Verwendung einer Messmarke, welche hier als „calibration template” bezeichnet wird. Dabei ist an dem Roboterarm eine Kamera angeordnet.
Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen der bestehenden Verfahren ist es wünschenswert, ein Verfahren zur Einmessung und Positionierung eines Roboterarms bereitzustellen, welches günstig in Betrieb und Anschaffung ist und die Zeit zum Einmessen für den Abgleich der Koordinatensysteme verkürzt, um eine schnelle Taktung in der Fertigung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum lagegenauen Positionieren einer an einem Roboterarm eines Roboters befestigten Kalibier- und Justiervorrichtung in einem Innenraum einer Fahrzeugkarosserie unter Verwendung einer in der Fahrzeugkarosserie vorgesehenen Messmarke und einer an dem Roboterarm befestigten Kamera mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Weiterbildung ist im Unteranspruch 2 ausgeführt.
Dazu wird eine Referenzmarke eines Koordinatensystems im Innenraum des Fahrzeugs angepeilt. In einem ersten Schritt erfolgt eine Peilung und eine Messung noch von außerhalb der Karosserie aus einer ersten Messposition A durch eine an einem Roboterarm angeordnete Kamera und eine daran befestigte Kalibier- und Justiervorrichtung. Auf Basis dieses Messergebnisses der ersten Messung wird aus der Messposition A eine erste Bahnkurve zum Bewegen des Roboterarms an eine zweite Messposition B, die sich im Innenraum der Fahrzeugkarosserie befindet und in der sich die Kamera gegenüber der Referenzmarke befindet, ermittelt
Dann wird der Roboterarm in einem zweiten Schritt durch die Karosserieöffnung in den Innenraum der Karosserie auf die zweite Messposition B nahe der Referenzmarke bewegt, ohne dass die Kamera und die daran befestigte Kalibier- und Justiervorrichtung ausgewechselt werden muss. Auch in dem dritten Schritt, bei dem die genaue Position C der Vorrichtung in der Karosserie eingestellt wird, kann die Hardware der Messvorrichtung unverändert bleiben.
Gemäß der Erfindung wird die Referenzmarke im Innenraum des Fahrzeugs auf einer Anzeigeeinheit des Fahrzeugs dargestellt; dabei muss nicht mehr für diesen Messvorgang eine extra Referenzmarke in den Fahrzeuginnenraum eingebracht werden, sondern es kann zu diesem Zweck die Anzeigeeinheit des Fahrzeugs, welche dann später im Fahrbetrieb zur Anzeige von Betriebsparametern für den Fahrzeugführer bereit gestellt wird, genutzt werden. Solche moderne Anzeigeeinheiten sind beispielsweise LCD Bildschirme, auf die beliebige Referenzmuster, welche vorteilhaft für diese Art der Peilung erscheinen, projiziert werden können. Solche LCD Bildschirme werden für Infotainmentzwecke im Cockpit verwendet.
Vorteilhaft werden Inneneinbauteile mit diesem Verfahren an der vorgesehenen Stelle im Fahrzeug genau montiert, justiert und positioniert. Immer mehr Inneneinbauteile müssen geometrisch genau eingemessen werden, da ihre Funktionsfähigkeit auch davon abhängt, inwieweit die Topographie im Verhältnis zu benachbarten funktionellen Teilen oder der Rohbaukarosserie eingehalten wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Roboter mit seinem Roboterarm durch die Signale der daran befestigten Kamera sowie einer programmierbaren Robotersteuereinheit gelenkt. Dies bedeutet, dass die Bahnkurven des Roboterarms zwischen den Messpunkten A, B und C durch ein Messprogramm in den Grundzügen festgelegt sind. Da aber sowohl die Rohbaukarosserie wie auch die Inneneinbauteile in ihren Maßen mit Toleranzen behaftet sind, wird auf Basis der Messungen eine verfeinerte Bahnkurve des Roboterarms ermittelt, um die Arbeits- und Messpositionen exakt anfahren zu können.
An dem Roboterarm sind eine Kamera und eine daran befestigte Kalibier- und Justiervorrichtung angeordnet. Solche Kalibier- und Justiervorrichtungen werden beispielsweise in der Karosseriemontage benötigt, um Bedien- und Anzeigesysteme im Fahrzeuginnenraum funktionsgerecht einzustellen. Soll beispielsweise ein Bild mit Anzeigedaten auf die Innenseite der Windschutzscheibe vor dem Fahrer projiziert werden – ein sogenanntes „Head-Up Display” –, so muss dieser Projektor auf der oberen Seite der Instrumententafel hinsichtlich seiner Abstrahlwinkel nach der Montage genau eingestellt werden, damit das auf die Windschutzscheibe projizierte Bild nicht verzerrt oder schief abgebildet wird.
In dieser Ausführungsform werden mit Hilfe der Kamera Messdaten des Innenraums des Fahrzeugs erzeugt; aus diesen Messdaten wird mit Hilfe der Auswerteeinheit die Position der Referenzmarke ermittelt; die Position der Referenzmarke im Koordinatensystem der Kamera wird an die Robotersteuereinheit weitergeleitet. Mit Hilfe von in der Robotersteuereinheit vorab abgelegten Kalibrationsdaten wird in der Robotersteuereinheit ein auszuführender Bewegungsablauf der Kamera mit der Justiervorrichtung errechnet.
Bevorzuge Ausführungsformen sind in den Prinzipskizzen dargestellt. Dabei zeigt 1 eine Messposition außerhalb und 2 innerhalb der Fahrzeugkarosserie 3.
1 zeigt einen räumlichen Messaufbau mit einer Fahrzeugkarosserie 3, welche ein erstes Koordinatensystem 1 bildet. Vorzugsweise durch eine seitliche Karosserieöffnung, durch welche ein Roboterarm 6 eines außerhalb der Fahrzeugkarosserie 3 stehenden Roboters 4 mit einer Kamera 8 und einer Vorrichtung 10 einfahren kann, wird ein Innenraum 7 der Fahrzeugkarosserie 3 erreicht. Der Roboter 4 bildet die Basis für ein zweites Koordinatensystem 2. Im Innenraum 7 der Karosserie 3 ist eine Referenzmarke 5 fest zum Koordinatensystem 1 angeordnet. Diese Referenzmarke 5 ist eine Anzeigeeinheit vorzugsweise auf einer Instrumententafel 11 im Cockpit des Fahrzeugs, welche dann später im Fahrbetrieb zur Anzeige von Betriebsparametern für den Fahrzeugführer bereitgestellt wird. In einem ersten Schritt erfolgt der Abgleich des ersten Koordinatensystems 1 mit dem zweiten Koordinatensystem 2 dadurch, dass sich der Roboterarm 6 in einer ersten Messposition A außerhalb des Innenraums 7 befindet, wobei sich die Referenzmarke 5 im Messfeld der Kamera 6 befindet. Es erfolgt eine erste Anpeilung der Referenzmarke 5 durch die Kamera 8, welche sich noch außerhalb der Fahrzeugkarosserie 3 befindet.
2 zeigt den gleichen räumlichen Messaufbau für weitere Arbeitsschritte im Innenraum 7 der Fahrzeugkarosserie 3. Hierbei wird auf Basis des Messergebnisses der ersten Messung aus der Messposition A eine erste Bahnkurve zum Bewegen des Roboterarms 6 an eine zweite Messposition B, die sich im Innenraum 7 der Fahrzeugkarosserie 3 befindet und in der sich die Kamera 8 gegenüber der Referenzmarke 5 befindet, ermittelt.
Auf dieser ermittelten ersten Bahnkurve bewegt sich der Roboterarm 6 in die zweite Messposition B, in der eine zweite Messung mit der Kamera 8 durchgeführt wird.
Auf Basis dieser zweiten Messung auf der Messposition B wird eine zweite Bahnkurve zum Bewegen des Roboterarms 6 an eine dritte Arbeitsposition C im Innenraum 7 der Fahrzeugkarosserie 3 des Fahrzeugs ermittelt. Im Innenraum 7 der Fahrzeugkarosserie 3 wird nun der Roboterarm 6 auf der errechneten zweiten Bahnkurve an die dritte Arbeitsposition C als finale Arbeits- oder Kalibrierposition der Justiervorrichtung 10 gebracht.
Dabei werden mit Hilfe der Kamera 8 Messdaten des Innenraums 7 der Fahrzeugkarosserie 3 erzeugt; aus diesen Messdaten wird mit Hilfe einer nicht dargestellten Auswerteeinheit die Position der Referenzmarke 5 ermittelt; die Position der Referenzmarke 5 im Koordinatensystem der Kamera 8 wird an die Steuereinheit des Roboter 4 weitergeleitet. Mit Hilfe von in der Steuereinheit des Roboters 4 vorab abgelegten Kalibrationsdaten wird in der Steuereinheit des Roboters 4 ein auszuführender Bewegungsablauf des Roboterarms 6 mit der daran angeordneten Kamera 8 mit der Justiervorrichtung 10 errechnet.
In einem besonderen Fall besteht die Vorrichtung 10 in einer Kalibriervorrichtung für ein Head-Up Display, welches im späteren Fahrbetrieb Fahrdaten für den Fahrer auf die Innenseite der Windschutzscheibe projiziert. Damit dieses Projektionsbild fehlerfrei und ohne Verzerrung auf die Frontscheibe projiziert werden kann, muss der auf der Oberseite der Instrumententafel 11 angeordnete Head-Up Projektor in einer genau definierten Position zu einer mit der Fahrzeugkarosserie 3 verbundenen Frontscheibe 12 eingestellt werden. Dies wird durch das beschriebene Verfahren zum Abgleich der Koordinatensysteme erreicht.

Claims

Verfahren zum lagegenauen Positionieren einer an einem Roboterarm (6) eines Roboters (4) befestigten Kalibrier- und Justiervorrichtung (10) in einem Innenraum (7) einer Fahrzeugkarosserie (3) unter Verwendung einer in der Fahrzeugkarosserie (3) vorgesehenen Messmarke (5) und einer an dem Roboterarm (6) befestigten Kamera (8) mit folgenden Schritten: (a) Bewegen des Roboterarms (6) in eine erste Messposition (A), die sich außerhalb des Innenraums (7) der Fahrzeugkarosserie (3) befindet und in der sich die Referenzmarke (5) im Messfeld der Kamera (8) befindet (b) Durchführung einer ersten Messung der Referenzmarke (5) mit Hilfe der Kamera (8) (c) auf Basis des Messergebnisses der ersten Messung, Ermittlung einer ersten Bahnkurve zum Bewegen des Roboterarms (6) an eine zweite Messposition (B), die sich im Innenraum (7) der Fahrzeugkarosserie (3) befindet und in der sich die Kamera (8) gegenüber der Referenzmarke (5) befindet (d) Bewegen des Roboterarms (6) in die zweite Messposition (B) (e) Durchführen einer zweiten Messung mit Hilfe der Kamera (8) (f) auf Basis der zweiten Messung, Ermittlung einer zweiten Bahnkurve zum Bewegen des Roboterarms (6) an eine dritte Arbeitsposition (C) im Innenraum (7) der Fahrzeugkarosserie (3) (g) und schließlich Bewegen des Roboterarms (6) in die dritte Messposition (C) dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarke (5) auf einer Anzeigeeinheit im Innenraum (7) der Fahrzeugkarosserie (3) dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kalibier- und Justiervorrichtung (10) ein Head-Up Projektor, welcher auf einer mit der Fahrzeugkarosserie (3) fest verbundenen Instrumententafel (11) angeordnet ist, in einer genau definierten Position zu einer mit der Fahrzeugkarosserie (3) verbundenen Frontscheibe (12) montiert, positioniert und justiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibier- und Justiervorrichtung (10) zur Montage, Justierung und Positionierung von Anbauteilen im Innenraum (7) der Fahrzeugkarosserie (3) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (4) mit seinem Roboterarm (6) durch die Signale der daran befestigten Kamera (8) sowie einer programmierbaren Robotersteuereinheit gelenkt wird.