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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfolgen wenigstens einer an einem Bauteil vorgesehenen Arbeitsposition für zumindest einen Roboter.
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Das Verfolgen von Punkten an sich im Raum bewegenden Objekten wird auch als Tracking bezeichnet und ist aus dem allgemeinen Stand der Technik, beispielsweise aus der
DE 10 2008 052 976 A1 , bereits hinlänglich bekannt. Das Verfolgen beziehungsweise Tracking von solchen Punkten kann beispielsweise dazu genutzt werden, um eine räumliche Orientierung des die Punkte aufweisenden Objekts mittels optischer Erfassungssysteme, beispielsweise Kameras, bestimmen zu können.
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Bei der Herstellung von Produkten wie beispielsweise Kraftwagen ist eine Verfolgung von solchen Punkten in Form von Arbeitspositionen vorteilhaft, sodass beispielsweise Roboter an den jeweiligen Arbeitspositionen wenigstens einen Arbeitsschritt durchführen können. Hierdurch lässt sich eine Automatisierung der Herstellung realisieren, sodass die Produkte, insbesondere Kraftwagen, zeit- und kostengünstig hergestellt werden können. Als einer solchen Arbeitsposition ist beispielsweise eine Öffnung eines Bauteils vorgesehen, wobei mittels eines Roboters ein Stopfen in die Öffnung automatisch eingebracht werden kann, um dadurch die Öffnung zu verschließen.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist dabei sowohl ein drei-dimensionales Tracking, das heißt eine drei-dimensionale Verfolgung als auch ein sogenanntes sechs-dimensionales Tracking, das heißt eine sechs-dimensionale Verfolgung bekannt. Im Rahmen des drei-dimensionalen Trackings wird ein Objektpunkt bestimmt und dieser verfolgt. Im Rahmen des sechs-dimensionalen Trackings wird hingegen eine Fläche aus mindestens drei Objektpunkten verfolgt. Hierbei wird zu der Position noch die Orientierung der Fläche des Objekts bestimmt.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass Arbeitspositionen und Arbeitspunkte an Objekten wie beispielsweise Bauteilen, welche sich im Raum bewegen, nicht direkt verfolgt werden können, da sich die Arbeitspositionen im Raum stets ändern. Dies ist beispielsweise deswegen der Fall, da ein solches Bauteil mittels eines Förderbands gefördert wird. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn das Bauteil eine Mehrzahl von Arbeitspositionen beziehungsweise Arbeitspunkten aufweist, welche nacheinander von zumindest einem Roboter anzufahren sind, sodass der Roboter an den Arbeitsposition jeweils wenigstens einen Arbeitsschritt durchführen kann. Somit wird hierbei nicht nur der Roboter im Raum und relativ zum Bauteil bewegt, sondern auch das Bauteil und somit die Arbeitspositionen werden im Raum bewegt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem wenigstens eine Arbeitsposition verfolgt werden kann, welche an einem sich im Raum bewegenden Bauteil vorgesehen ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfolgen wenigstens einer an einem Bauteil vorgesehenen Arbeitsposition für zumindest einen Roboter, mittels welchem an der wenigstens einen Arbeitsposition wenigstens ein Arbeitsschritt durchzuführen ist. Bei dem Verfahren wird zunächst der zumindest ein Roboter an die wenigstens eine Arbeitsposition bewegt. Mit anderen Worten wird die Arbeitsposition angefahren. Dies erfolgt beispielsweise derart, dass der zumindest eine Roboter die wenigstens eine Arbeitsposition taktil erfasst.
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An dem Roboter ist wenigstens ein Markierungselement vorgesehen, welches mit dem Roboter mitbewegbar ist. Fährt somit der Roboter die wenigstens eine Arbeitsposition an, so wird das wenigstens eine Markierungselement mitbewegt. Dabei wird eine Position des Markierungselements erfasst, wobei das Markierungselement und dessen Position vorzugsweise mittels einer optischen Erfassungseinrichtung, insbesondere einer Kamera, erfasst werden. Außerdem wird wenigstens eine Transformation ermittelt, welche eine räumliche Beziehung zwischen der Position des Markierungselements und der an dem Bauteil vorgesehenen wenigstens einen Arbeitsposition beschreibt. Schließlich wird die wenigstens eine Arbeitsposition in Abhängigkeit von der ermittelten Transformation verfolgt.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die wenigstens eine Arbeitsposition zunächst mittels des Roboters einzumessen, indem die wenigsten eine Arbeitsposition von dem Roboter angefahren wird. Auf diese Weise wird eine gemeinsame Basis geschaffen, in der alle Koordinaten des Trackingsystems sowie deren Transformationen auf die Koordinaten des Roboter-Systems bekannt sind. Das Markierungselement wird auch als Tracking-Marker oder Target bezeichnet und dient dazu, ein Signal an ein Steuerungssystem zu übertragen, wobei das Signal die Position des Markierungselements charakterisiert, die das Markierungselement einnimmt, wenn der Roboter die wenigstens eine Arbeitsposition angefahren hat. Dadurch kann die Transformation zwischen dem roboterfesten Target und der wenigstens einen Arbeitsposition ermittelt werden. Mittels der Transformation, wobei es sich beispielsweise um eine Transformationsmatrix handeln kann, lässt sich beispielsweise ein Basiswechsel durchführen, sodass beispielsweise Koordinaten, welche die Position des Markierungselements beziehungsweise die wenigstens eine Arbeitsposition bezogen auf ein erstes Koordinatensystem beschreiben, in weitere Koordinaten umgerechnet werden können, die die Position des Markierungselements beziehungsweise die wenigstens eine Arbeitsposition bezogen auf ein vom ersten Koordinatensystem unterschiedliches, zweites Koordinatensystem beschreiben.
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Dadurch ist es beispielsweise möglich, das Markierungselement und somit die wenigstens eine Arbeitsposition mittels einer das erste Koordinatensystem aufweisenden beziehungsweise sich auf das erste Koordinatensystem beziehenden ersten Kamera zu erfassen, das Bauteil jedoch mittels einer das zweite Koordinatensystem aufweisenden beziehungsweise sich auf das zweite Koordinatensystem beziehenden zweiten Kamera zu erfassen und mittels der Transformation sich auf das erste Koordinatensystem beziehende Koordinaten des Markierungselements in sich auf das zweite Koordinatensystem beziehende Koordinaten des Markierungselements und somit der Arbeitsposition umzurechnen, sodass schließlich die wenigstens eine Arbeitsposition auf das zweite Koordinatensystem bezogen und mittels der zweiten Kamera verfolgt werden kann.
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In der Folge ist es möglich, an dem Bauteil vorgesehene weitere Arbeitspositionen für den Roboter in Abhängigkeit von ermittelten Transformationen und insbesondere in Abhängigkeit von ihren jeweiligen vorgegebenen Lagen relativ zur wenigstens einen Arbeitsposition zu verfolgen. Mit anderen Worten sind die weiteren, anderen Arbeitspositionen relativ zur wenigstens einen Arbeitsposition beispielsweise aus der Geometrie des Bauteils bekannt, sodass auch die weiteren Arbeitspositionen verfolgt werden können.
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Die ermittelte Transformation kann damit auch auf die weiteren Arbeitspositionen angewendet werden, sodass der Roboter die Arbeitspositionen stets auch dann anfahren kann, wenn das Bauteil im Raum bewegt, beispielsweise mittels eines Förderbandes oder Montagebandes gefördert wird. Dies bedeutet, dass die jeweiligen Arbeitsschritte dieses Roboters automatisch auch dann zeit- und kostengünstig durchgeführt werden können, wenn das Bauteil, wobei es sich beispielsweise um ein Karosseriebauteil oder die Karosserie eines Personenkraftwagens handelt, im Raum bewegt wird und nicht etwa ortsfest beziehungsweise raumfest ist.
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Darüber hinaus ist eine Transformation in die andere Richtung möglich. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, um den Roboter beziehungsweise eine komplette Anlage relativ zu einem Target beziehungsweise zu dem Bauteil auszurichten. Auch hierbei wird das Prinzip, ein festes Target an einem Roboter anzubringen und eine Arbeitsposition anzufahren und die Transformation zwischen Target und Arbeitsposition als Referenz abzulegen, angewendet. Mit anderen Worten ist es möglich, den zumindest einen Roboter in Abhängigkeit von der ermittelten Transformation relativ zu der wenigstens einen Arbeitsposition auszurichten. Hierdurch lässt sich ein sogenanntes Robot-Farming-Konzept mit einer hohen dynamischen Verfügbarkeit schaffen, bei welchem Anlagen auf einfache und kostengünstige Weise an- und abgekoppelt werden können. Durch die Positionierung von Anlagen in Abhängigkeit von der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Transformation kann eine beispielsweise mehrere Roboter umfassende Roboterfarm zu einem wandelbaren Aufbau entwickelt werden, welcher in kurzer Zeit auf- und abgebaut sowie an unterschiedliche Fertigungsprozesse beziehungsweise Fertigungsabläufe zeit- und kostengünstig angepasst werden kann.
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Weiterhin lässt sich durch das Verfahren vorteilhafterweise eine relative Korrektur der Roboterbewegung durchführen, falls dieser auf einer mobilen Plattform installiert ist, welche sich relativ zum Bauteil bewegen kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; die zeigen in:
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1 eine schematische Perspektivansicht auf ein Bauteil mit mehreren Arbeitspositionen, an dem mittels zumindest eines Roboters jeweils wenigsten ein Arbeitsschritt durchgeführt wird, wobei das Bauteil im Raum bewegt wird; und
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2 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Verfolgen der Arbeitspositionen des Bauteils.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein Bauteil 10 für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Bei dem Bauteil 10 handelt es sich beispielsweise um ein Karosseriebauteil oder um die Karosserie des Personenkraftwagens, wobei das Bauteil 10 beispielsweise mittels eines Förderbandes im Raum bewegt wird. Dabei veranschaulicht ein Richtungspfeil 12 eine Richtung, in welche das Bauteil 10 mittels des Förderbandes im Raum bewegt wird. Das Bauteil 10 weist drei Arbeitspositionen AP1, AP2 und AP3 auf, an welchen jeweils wenigstens ein Arbeitsschritt mittels zumindest eines Roboters 14 durchgeführt wird. Der Roboter 14 ist ein Roboter einer Anlage, welche beispielsweise eine Mehrzahl von Robotern umfasst und somit als Roboterfarm ausgebildet ist. Der Roboter 14 weist eine Basis 16 auf, über welche der Roboter 14 an einem Boden 18 der Anlage befestigt ist. Ferner umfasst der Roboter 14 eine Mehrzahl von Roboterarmen 20 und 22, welche gelenkig miteinander verbunden sind. Darüber hinaus ist die Basis 16 gelenkig mit den Roboterarmen 20 verbunden, sodass die Roboterarme 20 relativ zueinander und relativ zur Basis 16 bewegt werden können. Der Roboterarm 22 ist ein Roboterkopf, an welchem ein Endeffektor vorliegend in Form eines Greifers 24 gehalten ist. Mittels des Greifers 24 können weitere Bauteile wie beispielsweise ein Stopfen gegriffen werden, sodass das jeweilige weitere Bauteil am Roboter 14 gehalten ist und mittels des Roboters 14 im Raum umher bewegt werden kann.
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Aus 1 ist erkennbar, dass an den voneinander beabstandeten Arbeitspositionen AP1, AP2 und AP3 jeweils eine Öffnung 26 angeordnet ist. Im Rahmen der Herstellung des Personenkraftwagens werden die Öffnungen 26 mittels eines jeweiligen und aus Gummi gebildeten Stopfens verschlossen. Der jeweilige Stopfen wird mittels des Roboters 14 über dessen Greifer 24 gegriffen, zur entsprechenden Arbeitsposition AP1, AP2 beziehungsweise AP3 bewegt und in die jeweilige Öffnung 26 eingebracht, insbesondere eingedrückt. Der an der jeweiligen Arbeitsposition AP1, AP2 und AP3 mittels des Roboters 14 durchzuführende Arbeitsschritt wird somit als Stopfensetzen bezeichnet, wobei der jeweilige Arbeitsschritt automatisch mittels des Roboters 14 durchgeführt wird.
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Die Schwierigkeit in dieser automatischen Durchführung des Arbeitsschritts besteht insbesondere darin, dass nicht nur der Stopfen mittels des Roboters 14 im Raum umher bewegt wird, sondern dass auch das Bauteil 10 nicht ortsfest ist sondern im Raum bewegt wird.
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Um den jeweiligen Stopfen automatisch zu setzen, ist ein Verfolgungssystem 28 vorgesehen, welches auch als Trackingsystem bezeichnet wird. Das Trackingsystem umfasst zwei optische Erfassungseinrichtungen in Form einer ersten Kamera 30 und einer zweiten Kamera 32. Die erste Kamera 30 dient zum Erfassen des Roboters 14, insbesondere zum Erfassen eines am Roboter 14 vorgesehenen und mit dem Roboter 14 mitbewegbaren Markierungselements 34, welches auch als Marker oder Target bezeichnet wird. Aus 1 ist dabei erkennbar, dass das Markierungselement 34 am Roboterarm 22 vorgesehen ist.
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Die zweite Kamera 32 dient insbesondere zum optischen Erfassen des Bauteils 10, sodass die Arbeitspositionen AP1, AP2 und AP3 mittels der Kamera 32 erfasst und bei der Bewegung des Bauteils 10 im Raum verfolgt werden können. Dies bedeutet, dass sich die Arbeitspositionen AP1, AP2 und AP3 im Raum ändern, da das Bauteil 10 im Raum bewegt wird.
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2 zeigt ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Verfolgen der am Bauteil 10 vorgesehenen Arbeitsposition AP1, AP2 und AP3. Bei einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird der Roboter 14 zunächst an eine der Arbeitspositionen AP1, AP2 beziehungsweise AP3 bewegt. Vorliegend wird der Roboter 14 an die Arbeitsposition AP1 bewegt. Mit anderen Worten wird die Arbeitsposition AP1 mit dem Roboter 14 angefahren. Hierbei wird beispielsweise die Arbeitsposition AP1 mittels des Roboters 14 taktil erfasst. Der Roboter 14 tastet sich beispielsweise solange an die Arbeitsposition AP1 heran, bis der Roboter 14 den Stopfen in die zugehörige Öffnung 26 an der Arbeitsposition AP1 zumindest ein Stück eindrücken kann. Dies kann beispielswiese mittels wenigstens eines internen Kraftsensors des Roboters 14 erfasst werden.
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Befindet sich der Roboter 14 an der Arbeitsposition AP1, so wird eine Position des am Roboter 14 vorgesehenen und mit dem Roboter 14 mitbewegbaren Markierungselements 34 mittels der Kamera 30 erfasst. Diese erfasste Position beziehungsweise die Position charakterisierende Koordinaten bezieht beziehungsweise beziehen sich auf ein erstes Koordinatensystem der ersten Kamera 30.
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Bei einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird eine Transformation beispielsweise in Form einer Transformationsmatrix ermittelt, insbesondere errechnet, wobei diese Transformation beziehungsweise Transformationsmatrix eine räumliche Beziehung zwischen der Position des Markierungselements 34 und der an dem Bauteil 10 vorgesehenen Arbeitsposition AP1 beschreibt. Die Transformation dient beispielsweise dazu, die die Position bezogen auf das erste Koordinatensystem beschreibenden Koordinaten in weitere Koordinaten umzurechnen, welche die Position des Markierungselements 34 und somit die Arbeitsposition AP1 bezogen auf ein zweites Koordinatensystem der zweiten Kamera 32 beschreiben. Somit ist es also möglich, die ermittelte Position des Markierungselements 34 und somit die Arbeitsposition AP1 von der Kamera 30 und deren ersten Koordinatensystem an die zweite Kamera 32 und deren zweites Koordinatensystem zu übergeben, sodass beispielsweise bei einem dritten Schritt S3 des Verfahrens das Markierungselement 34 und in der Folge in Abhängigkeit von der ermittelten Transformation bei einem vierten Schritt S4 des Verfahrens die Arbeitsposition AP1 verfolgt, das heißt getrackt werden können.
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Bei einem fünften Schritt S5 des Verfahrens wird die Lage der Arbeitsposition AP2 relativ zur Arbeitsposition AP1 berechnet, wobei diese Lage anhand von bekannten Geometriedaten des Bauteils 10 ermittelt wird. Mit anderen Worten ist die Orientierung der Arbeitsposition AP2 relativ zur Arbeitsposition AP1 bekannt, sodass in Abhängigkeit von der Arbeitsposition AP1 und in Abhängigkeit von der ermittelten Transformation bei einem sechsten Schritt S6 auch die Arbeitsposition AP2 verfolgt werden kann. Dies erfolgt analog für die Arbeitsposition AP3. Bei einem siebten Schritt S7 des Verfahrens wird die Lage der Arbeitsposition AP3 relativ zur Arbeitsposition AP1 berechnet, wobei diese Berechnung anhand der bekannten Geometriedaten erfolgt. Dann kann auch bei einem achten Schritt S8 die dritte Arbeitsposition AP3 verfolgt werden, wenn sich das Bauteil 10 im Raum bewegt.
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Da ein Objekt in Form des Bauteils 10 beziehungsweise ein Target betrachtet beziehungsweise beobachtet und verfolgt werden kann, kann auch eine Transformation in die andere Richtung erfolgen. Soll beispielsweise ein Objekt an eine Arbeitsstation an- oder abgekoppelt werden, so ist die Position einer die Station umfassenden Anlage relativ zum Objekt sehr wichtig. Dabei ist es möglich, die ermittelte Transformation zu nutzen, um die komplette Anlage relativ zum Bauteil 10 auszurichten. Hierzu wird beispielsweise ein Kamerapaar genutzt, welches zum Beispiel die Kameras 30 und 32 umfasst. Für dieses Kamerapaar wird die Position des Bauteils 10 beispielsweise mit einer möglichen Ungenauigkeit gespeichert, sodass durch die Anlage ein akustisches, taktiles und/oder optisches ausgegeben werden kann, ob die Anlage richtig ausgerichtet ist. Ferner ist denkbar, dass sich selbst der Roboter 14 an der Station austauschen lässt, wenn eine Position am Roboter 14 verfolgt werden kann. Das heißt beispielsweise, wird der Roboter 14 an einer Station in seiner Höhe verändert und/oder verändert sich die Position des Roboters 14, so kann durch ein Objekt, beispielsweise das Markierungselement 34, am Roboter 14 die sich einstellende neue Position des Roboters 14 bestimmt werden. Ferner ist es hierbei denkbar, dass sich durch ein solches am Roboter 14 angebrachtes Objekt wie beispielsweise durch das Markierungselement 34, welches mittels einer optischen Erfassungseinrichtung detektiert werden kann, der Roboter 14 nach einer Einmess-Phase durch die optische Erfassungseinrichtung in eine für den jeweiligen Arbeitsschritt optimale Position verfahren lässt. Somit kann mittels des geschilderten Verfahrens sowohl die Anlage optimal ausgerichtet als auch der Roboter 14 optimal positioniert werden. Darüber hinaus kann ein Tracking des Bauteils 10, insbesondere der Arbeitsposition AP1, AP2 und AP3 durchgeführt werden.
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Darüber hinaus kann durch ein regelmäßiges Abprüfen der eingemessenen Lage ein stabilerer Prozess realisiert werden. Wenn sich dann in der Anlage Änderungen ergeben, kann auf diese Weise schneller ein effizienter Betrieb wiederhergestellt werden.
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In Ausführungsbeispielen ist als Markierungselement 34 explizit ein an dem Roboter 14 angebrachter Marker beschrieben. Diese kann in den Fällen, dass das Trackingsystem 28, beispielsweise ein optisches System, die Arbeitsposition AP1, AP2, AP3 des Roboters direkt erfassen kann, auch aus einem Teil des Roboters 14 selbst bestehen. Dann handelt es sich nicht um ein separates Teil, sondern ein vom Trackingsystem erfasster Punkt des Roboters 14.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008052976 A1 [0002]
