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Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Positionserfassungssystem zum Erfassen einer Position eines Gegenstands mit einer Ausnehmung oder einem Vorsprung.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung
JP H05 241626 A offenbart ist, war es bei bekannten Systemen allgemein üblich, eine genaue Position eines Gegenstands durch Korrigieren von Erfassungsdaten eines Gegenstands zu bestimmen, die durch Verwenden eines visuellen Sensors oder einer Kamera erlangt worden sind. In der offengelegten japanischen Patentanmeldung
JP 2005-251086 A wird ein Gegenstand durch einen an einem Roboter vorgesehenen visuellen Sensor erfasst; anschließend wird der visuelle Sensor mittels des Roboters bewegt; und ein identischer Gegenstand wird durch den derart bewegten visuellen Sensor erfasst. Des Weiteren wird in der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP 2005-251086 A eine Feststellung getroffen, ob sich das Ergebnis des Erfassens durch den visuellen Sensor auf einen identischen Gegenstand bezieht.
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Wenn der Gegenstand jedoch einen Abschnitt aufweist, wie z. B. eine Ausnehmung oder einen Vorsprung, der schwierig durch den visuellen Sensor zu erfassen ist, kann häufig ein fehlerhaftes Erfassen auftreten. Dies kann dazu führen, dass es nicht möglich ist, die genaue Position des Gegenstands zu erfassen, wodurch die Betriebsleistung verringert wird.
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Ferner offenbart die offengelegte internationale Patentanmeldung
WO 98/57121 A1 ein Verfahren zur Messung von Strukturen eines Objekts mittels eines einem Koordinatenmessgerät zugeordneten Tastelements. Das Tastelement wird dazu mit dem Objekt in Berührung gebracht, wobei die Position des Tastelements unmittelbar oder eine Position zumindest einer dem Tastelement unmittelbar zugeordneten Zielmarke mit einem optischen Sensor zur Messung der Struktur des Objektes direkt bestimmt wird.
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Ein weiteres Verfahren zum Messen eines Objekts mittels einer Koordinatenmessvorrichtung ist aus der offengelegten japanischen Patentanmeldung
JP 2007-40822 A bekannt.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obenstehend beschriebenen Umstände erarbeitet und eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Positionserfassungssystem bereitzustellen, das es ermöglicht, eine Position eines Gegenstands genau zu erfassen, auch wenn der Gegenstand eine Ausnehmung oder einen Vorsprung aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Um die zuvor genannte Aufgabe der Erfindung zu lösen, wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Positionserfassungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zum Erfassen einer Position eines Gegenstands mit einer Ausnehmung oder einem Vorsprung bereitgestellt. Das System umfasst: eine Kontaktiervorrichtung, die eine Auffindeeinheit aufweist, die die Ausnehmung oder den Vorsprung des Gegenstands auffindet und passend damit in Anlage gelangt; eine Gleitkomponente, die integral mit der Kontaktiervorrichtung ausgebildet ist; eine Gleiteinheit, die die Gleitkomponente dazu veranlasst, sich in zwei zueinander senkrechten Richtungen relativ zu einer Basis der Gleiteinheit zu verschieben; eine Bewegungseinheit, die die Kontaktiervorrichtung dazu veranlasst, sich in einer Richtung zu bewegen, die senkrecht zu einer zwischen den zwei Richtungen definierten Ebene ist, um die Auffindeeinheit der Kontaktiervorrichtung dazu zu veranlassen, die Ausnehmung oder den Vorsprung des Gegenstands aufzufinden und passend damit in Anlage zu gelangen; eine Kontaktiervorrichtungserfassungseinheit, die zu einer Basis der Gleiteinheit in einer festen Lagebeziehung steht und eine Position der Kontaktiervorrichtung in der Ebene erfasst; und eine Gegenstandspositionserfassungseinheit, die eine Position des Gegenstands erfasst, basierend auf der Position der Kontaktiervorrichtung, die durch die Kontaktiervorrichtungserfassungseinheit erfasst worden ist, bevor und nachdem sich die Gleitkomponente an der Gleiteinheit verschiebt, wenn die Auffindeeinheit der Kontaktiervorrichtung die Ausnehmung oder den Vorsprung des Gegenstands auffindet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem ersten Erfindungsaspekt, wenn die Bewegungseinheit die Kontaktiervorrichtung dazu veranlasst, sich in wenigstens eine Richtung der zwei Richtungen zu bewegen, die Position des Gegenstands erfasst, basierend auf dem Bewegungsbetrag der Kontaktiervorrichtung durch die Bewegungseinheit und dem Bewegungsbetrag der Kontaktiervorrichtung, wenn sich die Gleitkomponente an der Gleiteinheit verschiebt.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Kontaktiervorrichtungserfassungseinheit in dem ersten oder zweiten Erfindungsaspekt eine Kamera.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bewegungseinheit in einem der ersten bis dritten Erfindungsaspekte ein Roboter.
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Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Gegenstand in einem der ersten bis vierten Erfindungsaspekte eine Ausnehmung auf und die Kontaktiervorrichtung ist ein passend zu der Ausnehmung ausgebildeter Kegel.
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Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Gegenstand in einem der ersten bis vierten Erfindungsaspekte einen konischen Vorsprung auf und die Kontaktiervorrichtung weist einen passend zu dem Vorsprung ausgebildeten zylindrischen Abschnitt auf.
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Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiter ersichtlich, die in den beigefügten Zeichnungen wiedergegeben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Positionserfassungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des in 1 dargestellten Positionserfassungssystems zeigt.
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3A ist eine erste perspektivische Ansicht zum Erläutern des Betriebs des Positionserfassungssystems.
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3B ist eine zweite perspektivische Ansicht zum Erläutern des Betriebs des Positionserfassungssystems.
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3C ist eine dritte perspektivische Ansicht zum Erläutern des Betriebs des Positionserfassungssystems.
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Ausführliche Beschreibung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In allen Zeichnungen werden die gleichen Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Um das Verständnis zu erleichtern, ist der Maßstab der Zeichnungen in geeigneter Weise verändert worden.
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1. Ist eine perspektivische Ansicht, die ein Positionserfassungssystem basierend auf der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 dargestellt ist, umfasst das Positionserfassungssystem 1 im Wesentlichen eine Bewegungseinheit 11, eine Kontaktiervorrichtungserfassungseinheit 12 und eine Steuereinrichtung 10, die die Bewegungseinheit 11 und die Kontaktiervorrichtungserfassungseinheit 12 steuert. Des Weiteren dient die Steuereinrichtung 10 als eine Gegenstandspositionserfassungseinheit, die eine Position eines Gegenstands erfasst, wie nachfolgend beschrieben wird.
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Die Bewegungseinheit 11 ist z. B. ein senkrechter Knickarmroboter, kann jedoch anstelle dessen auch eine andere Art von Roboter oder eine andere Mechanismuseinheit sein, die sich in einer vertikalen Richtung bewegen kann. Darüber hinaus ist die Kontaktiervorrichtungserfassungseinheit 12 ein visueller Sensor oder eine Kamera. Im Folgenden wird eine Beschreibung unter der Annahme dargelegt, dass die Bewegungseinheit 11 ein Roboter ist und dass die Kontaktiervorrichtungserfassungseinheit 12 eine Kamera ist.
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Wie gezeigt, ist eine Basiskomponente 13 an einem distalen Ende des Roboters 11 angebracht. Des Weiteren ist die Kamera 12 an einem distalen Ende einer Klammer 14 angebracht, die derart befestigt ist, dass sie sich mit Bezug auf die Basiskomponente 13 im Wesentlichen vertikal erstreckt.
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Ferner ist eine Gleitmechanismuseinheit 20 an der Basiskomponente 13 angebracht. Genauer gesagt sind zwei zueinander parallele X-Achsenschienen 21 der Gleitmechanismuseinheit 20 an der Oberseite der Basiskomponente 13 vorgesehen. Es wird vorausgesetzt, dass die Lagebeziehung zwischen der Basiskomponente 13, der Klammer 14 und den zwei X-Achsenschienen 21 in einer Weise ausgeführt ist, dass diese relativ zueinander fixiert sind und gemeinsam bewegt werden, wenn sich der Roboter 11 bewegt. Wie gezeigt, ist ferner ein erster Gleiter 23 der Gleitmechanismuseinheit 20 verschiebbar an den zwei X-Achsenschienen 21 angeordnet.
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An der Oberseite des ersten Gleiters 23 sind zwei zueinander parallele Y-Achsenschienen 22 der Gleitmechanismuseinheit 20 vorgesehen. Diese Y-Achsenschienen 22 sind senkrecht zu den zuvor genannten X-Achsenschienen ausgebildet. Ein zweiter Gleiter 24 der Gleitmechanismuseinheit 20 ist verschiebbar an den zwei Y-Achsenschienen 22 angeordnet.
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Darüber hinaus ist eine im Wesentlichen zylindrische Kontaktiervorrichtung 30 in einer im Zentrum des zweiten Gleiters 24 vorgesehenen Öffnung eingebracht und befestigt. Eine Oberseite 31 der Kontaktiervorrichtung 30 ist dabei parallel zu der Oberseite des zweiten Gleiters 24 ausgebildet und weist ein darauf vorgesehenes Zielobjekt T auf. In 1 ist zu erkennen, dass das Zielobjekt T unter der Kamera 12 in einem Sichtbereich der Kamera 12 angeordnet ist. Vorzugsweise liegen sowohl die durch die X-Achsenschienen 21 definierte X-Richtung als auch die durch die Y-Achsenschienen 22 definierte Y-Richtung in einer horizontalen Ebene. Demnach liegt die Oberseite des zweiten Gleiters 24 ebenfalls in einer horizontalen Ebene.
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Wie in 1 gezeigt ist, erstreckt sich die Kontaktiervorrichtung 30 zwischen den zwei Y-Achsenschienen 22 und zwischen den zwei X-Achsenschienen 21 nach unten. Eine Erweiterungseinheit 32 erstreckt sich dabei ausgehend von der Unterseite der Kontaktiervorrichtung 30, wobei eine Auffindeeinheit 33 an dem distalen Ende der Erweiterungseinheit 32 vorgesehen ist. Vorzugsweise weisen die Kontaktiervorrichtung 30, die Erweiterungseinheit 32 und die Auffindeeinheit 33 dabei eine gemeinsame Mittelachse auf.
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Die Erweiterungseinheit 32 weist ferner eine größere Größe als die Größe einer an einem Gegenstand ausgebildeten Ausnehmung auf, was im Nachfolgenden näher erläutert wird. Die Auffindeeinheit 33 weist eine Gestalt auf, die dazu ausgebildet ist, die Ausnehmung des Gegenstands aufzufinden und passend mit dieser in Anlage zu gelangen. In 1 ist die Erweiterungseinheit 32 z. B. mit einer zylindrischen Gestalt ausgebildet, die einen größeren Durchmesser als die Ausnehmung hat, wobei die Auffindeeinheit 33 eine konische Gestalt aufweist, wie beispielsweise einen an dem distalen Ende der Erweiterungseinheit 32 vorgesehenen Kegel.
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2 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des in 1 dargestellten Positionserfassungssystems zeigt. Des Weiteren sind die 3A bis 3C perspektivische Ansichten zum Erläutern des Betriebs des Positionserfassungssystems. Nachfolgend wird eine Beschreibung des Betriebs des Positionserfassungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt.
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Vor dem Betrieb des Positionserfassungssystems 1 werden der erste Gleiter 23 und der zweite Gleiter 24 jeweils an einer für diese vorbestimmten Ausgangsposition angeordnet. In diesem Zusammenhang wird vorausgesetzt, dass der erste Gleiter 23 und der zweite Gleiter 24 nicht in ihrer Position verändert werden, wenn der Roboter 11 lediglich in der horizontalen und/oder der vertikalen Richtung bewegt wird. Wie in 3A gezeigt ist, weist der Gegenstand W eine im Wesentlichen kubische Gestalt auf, in der eine Öffnung W0 in der Oberseite ausgebildet ist. Eine zylindrische Ausnehmung erstreckt sich ausgehend von der Öffnung W0 durch das Innere des Gegenstands W. Es wird vorausgesetzt, dass die nachfolgende Beschreibung auch für einen Gegenstand W mit einer anderen Gestalt anwendbar ist, der eine ähnliche Ausnehmung aufweist.
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Als erstes veranlasst die Steuereinrichtung 10 bei dem Schritt S11 der 2 den Roboter 11 dazu, sich derart zu bewegen, dass die Basiskomponente 13 einem Bereich über dem Gegenstand W angenähert wird. Da der Roboter 11 nach Maßgabe eines einfachen Programms betrieben wird, kann die Basiskomponente 13 gemäß der vorliegenden Erfindung einfach und genau einem Bereich über dem Gegenstand W angenähert werden.
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Wie zuvor beschrieben wurde, werden die Basiskomponente 13, die Klammer 14, die Kamera 12 und die zwei X-Achsenschienen 21 gemeinsam betrieben, so dass die Kamera 12 ebenfalls entsprechend bewegt wird, wenn die Basiskomponente 13 bewegt wird. Folglich ist die Kontaktiervorrichtung 30 im Wesentlichen über den Gegenstand W angeordnet, wie dies in 3A gezeigt ist.
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Die Bewegungen der Basiskomponente 13, etc. bei dem Schritt S11 können sowohl horizontale als auch vertikale Bewegungen umfassen. Vorzugsweise liegt der in 3A gezeigte Abstand zwischen der Kontaktiervorrichtung 30 und dem Gegenstand W in einem vorbestimmten Bereich. Wenn die Kontaktiervorrichtung 30 im Wesentlichen über den Gegenstand W angeordnet ist, nimmt die Kamera 12 ein Bild des Zielobjekts T der Kontaktiervorrichtung 30 auf, wobei das Bild in der Steuereinrichtung 10 gespeichert wird.
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Bei dem Schritt S12 werden die Basiskomponente 13, etc. durch den Roboter 11 ausschließlich nach unten in Richtung des Gegenstands W bewegt, wie durch den Pfeil in 3A gezeigt ist. Auf diese Weise tritt das distale Ende der Auffindeeinheit 33 in die Öffnung W0 ein, so dass ein Abschnitt der Seitenoberfläche der Auffindeeinheit 33 einen Abschnitt der Öffnung W0 kontaktiert, wie in 3B gezeigt ist.
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Wenn die Basiskomponente 13, etc. durch den Roboter 11 weiter nach unten bewegt werden, bewegt sich die Auffindeeinheit 33 abwärts, während sie die Öffnung W0 auffindet. Als Reaktion auf dieses Abwärtsbewegen werden die Kontaktiervorrichtung 30 und der zweite Gleiter 24 leicht in wenigstens eine der X-Richtung und der Y-Richtung entlang der X-Achsenschiene 21 und der Y-Achsenschiene 22 bewegt. Wie in 3C gezeigt ist, gelangt ein Abschnitt der Seitenfläche der Auffindeeinheit 33 mit der Öffnung W0 über deren gesamten Umfang passend in Anlage. Wenn die Auffindeeinheit 33 der Kontaktiervorrichtung 30 mit der Öffnung W0 in passender Anlage steht, wird die Kontaktiervorrichtung 30 daran gehindert, sich weiter in die X-Richtung und in die Y-Richtung zu bewegen. So dann ist das Abwärtsbewegen des Roboters 11 ebenfalls beendet.
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Anschließend wird bei dem Schritt S13 durch die Kamera 12 ein Bild des Zielobjekts T der Kontaktiervorrichtung 13 aufgenommen und das Bild wird in der Steuereinrichtung 10 gespeichert. Daraufhin vergleicht die Steuereinrichtung 10 das bei dem Schritt S13 aufgenommene Bild mit dem oben genannten Bild und ermittelt somit den Bewegungsbetrag der Kontaktiervorrichtung 30 in der X-Richtung und in der Y-Richtung. Abschließend ermittelt die Steuereinrichtung 10 bei dem Schritt S14 eine Position des Gegenstands W in der X-Y-Ebene, basierend auf dem Bewegungsbetrag der Kontaktiervorrichtung 30 in der X-Richtung und in der Y-Richtung.
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Alternativ dazu kann die Steuereinrichtung 10 das bei dem Schritt S13 aufgenommene Bild verarbeiten, die Bewegungsbeträge des ersten Gleiters 23 und des zweiten Gleiters 24 ausgehend von deren Ausgangspositionen ermitteln und die Position des Gegenstands W ermitteln, indem diese Bewegungsbeträge als die Bewegungsbeträge der Kontaktiervorrichtung 30 dienen. In solch einem Fall ist es nicht erforderlich, dass die Kamera 12 bei dem Schritt S11 ein Bild aufnimmt, so dass eine einzige Bildbearbeitung genügt.
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Auf diese Weise wird in der vorliegenden Erfindung die Kontaktiervorrichtung 30 erfasst, die den Gegenstand W aufgefunden hat und mit diesen passend in Anlage gelangt ist, im Gegensatz dazu, dass der Gegenstand W direkt durch die Kamera 12 erfasst wird. Wenn die Auffindeeinheit 33 der Kontaktiervorrichtung 30 mit der Öffnung W0 des Gegenstands W passend in Anlage gelangt, wird die Kontaktiervorrichtung 30 in der X-Richtung und in der Y-Richtung entlang der X-Achsenschiene 21 und der Y-Achsenschiene 22 bewegt. Daher ist es möglich, die Position des Gegenstands W durch Ermitteln des Bewegungsbetrags der Kontaktiervorrichtung 30 unter Verwendung der Kamera 12 indirekt zu erfassen.
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Somit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Position des Gegenstands W selbst dann genau zu ermitteln, wenn der Gegenstand W eine Ausnehmung oder einen Vorsprung aufweist. Mit anderen Worten ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, ein stabiles Erfassen sicherzustellen, das nicht durch die Ausprägung des Gegenstands W beeinflusst wird, da die Kamera 12 die Gestalt des Gegenstands W nicht direkt erfasst. Dadurch wird ein fehlerhaftes Erfassen des Gegenstands W durch die Kamera 12 verringert, so dass die Betriebsleistung gesteigert wird.
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Währenddessen kann der Roboter 11 bei dem Schritt S11 die Basiskomponente 13 und die Kamera 12, etc. in der horizontalen Richtung bewegen. In diesem Fall speichert die Steuereinrichtung 10 den Bewegungsbetrag der in die X-Richtung und in die Y-Richtung durch den Roboter 11 bewegten Basiskomponente 13, etc. Des Weiteren ermittelt die Steuereinrichtung 10 bei dem Schritt S14 die Position des Gegenstands W unter Verwendung sowohl des Bewegungsbetrags der Kontaktiervorrichtung 30 in der X-Richtung und in der Y-Richtung als auch den gespeicherten Bewegungsbetrag der Basiskomponente 13, etc. in der X-Richtung und in der Y-Richtung. Es ist ersichtlich, dass in einem solchen Fall der Gegenstand W über einen großen Bereich erfasst werden kann, da die Basiskomponente 13, etc. mittels des Roboters 11 bewegt werden.
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Gemäß einer nicht gezeigten Ausführungsform weist der Gegenstand einen Vorsprung auf, wie z. B. einen konischen Vorsprung. In diesem Fall wird angenommen, dass eine Ausnehmung an der Unterseite der Erweiterungseinheit 32 der Kontaktiervorrichtung 30 ausgebildet ist, die mit dem Vorsprung passend in Anlage bringbar ist und ähnlich zu der oben beschriebenen Ausnehmung ausgeführt ist. In diesem Fall ist die Gestalt der Ausnehmung passend zu der Unterseite des konischen Vorsprungs ausgeführt. Darüber hinaus versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch einen Fall umfasst, bei dem der Vorsprung oder die Ausnehmung eine unterschiedliche Gestalt der Querschnittsfläche aufweisen und einen Fall, bei dem die Ausnehmung oder der Vorsprung zylindrisch ist.
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Vorteile der Erfindung
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Gemäß der ersten Ausführungsform ist die Kontaktiervorrichtung dafür vorgesehen, unter Verwendung der physischen Ausprägung des Gegenstands den Gegenstand aufzufinden und passend mit diesem in Anlage zu gelangen. Anschließend erfasst die Kontaktiervorrichtungserfassungseinheit die Kontaktiervorrichtung und entnimmt indirekt eine Position des Gegenstands. Daher ist es selbst mit einem eine Ausnehmung oder einen Vorsprung aufweisenden Gegenstand möglich, eine Position des Gegenstands genau zu erfassen. Somit verringert sich das Auftreten eines fehlerhaften Erfassens des Gegenstands durch die Kontaktiervorrichtungserfassungseinheit, so dass die Betriebsleistung erhöht wird.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform kann der Gegenstand über einen großen Bereich erfasst werden, wenn die Kontaktiervorrichtung mittels der Bewegungseinheit bewegt wird.
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In der dritten Ausführungsform kann die Position der Kontaktiervorrichtung mittels einer Analyse eines durch die Kamera abgebildeten Bildes auf einfache Weise ermittelt werden.
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In der vierten Ausführungsform kann der Gegenstand durch Betreiben des Roboters nach Maßgabe eines einfachen Programms auf einfache Weise angenähert werden.
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Gemäß der fünften und sechsten Ausführungsformen ist es durch eine relativ einfache Struktur möglich, die Kontaktiervorrichtung dazu zu veranlassen, den Gegenstand aufzufinden und mit diesem passend in Anlage zu gelangen.
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Während die vorliegende Erfindung zuvor unter Verwendung beispielhafter Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich für den Fachmann, dass die oben beschriebenen Abwandlungen sowie verschiedene weitere Abwandlungen, Weglassungen und Hinzufügungen möglich sind, ohne vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
