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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Manipulators mit Hilfe einer Kamera eines Smartphones.
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Hintergrund der Erfindung
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Manipulatoren kommen zum Einsatz wenn beispielsweise eine Produktion von Gütern ein erhöhtes Maß an Präzision und Reproduzierbarkeit bei einer hohen Produktionsgeschwindigkeit erfordern. Hierfür müssen Manipulatoren exakt dieselbe Position immer wieder Anfahren um einen Endeffektor, welcher zum Beispiel ein Werkzeug sein kann, in einer bestimmten Art und Weise relativ zu einem Werkstück zu führen. Verschleiß der beweglichen Elemente sowie Erwärmung der Gelenke eines Manipulators können dazu führen, dass sich die Position des Manipulators und damit auch des Endeffektors relativ zu dem Werkstück ändern kann. Auch ein Austausch des gesamten Manipulators oder des Endeffektors kann eine Fehlpositionierung bewirken. Hierbei schließt die „Position“ des Manipulators auch die Orientierung des Manipulators im Raum ein, das heißt wie der Manipulator oder ein entsprechender Endeffektor in einem räumlichen Koordinatensystem ausgerichtet ist. Nicht nur der Abstand zum Werkstück kann sich verändert haben, sondern auch die Orientierung des Manipulators bzw. des Endeffektors zu dem Werkstück. Dies kann sich zum Beispiel in einer fehlerhaften, abweichenden Pose eines Manipulators begründen. Durch eine falsche Positionierung des Manipulators kann die Bearbeitung eines Werkstücks beeinträchtigt werden und es kann zu Beschädigungen am Werkstück und/oder am Manipulator kommen. Um eine exakte Positionsbestimmung eines Manipulators zu gewährleisten muss daher der Manipulator vor seinem Einsatz anhand einer definierten Referenz positioniert werden. Die Position des Manipulators wird dabei ermittelt und eine abweichende Position wird korrigiert, bis die gewünschte Position erreicht wird. Für die Positionsbestimmung des Manipulators sind unterschiedliche Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt.
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Beispielsweise zeigt die
DE 10 2009 041 734 A1 eine Messvorrichtung bei welcher ein Roboter über einen oder mehrere robotergeführte Sensoren, basierend auf optischen Sensoren wie beispielsweise Kameras oder laserbasierenden Systemen, relativ zu einem Maßkörper geführt wird. Anhand der ermittelten maßkörperfesten Messpunkte wird die Position relativ zu einem manipulatorfesten Referenzpunkt bestimmt und die Positionierung des Roboters kann entsprechend korrigiert werden.
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Die nach Stand der Technik eingesetzten Mittel zur optischen Detektion der Referenzobjekte umfassen in der Regel spezielle Hardware in Form von Laser oder Kamerasystemen mit der dazugehörigen Software zum Ansteuern der Detektionsmittel und zum Auswerten der aufgenommenen Daten. Solche Vermessungssysteme sind in der Regel teuer in der Anschaffung und aufwendig zu installieren. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die obigen Nachteile zumindest teilweise auszuräumen.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Manipulators, wobei der Manipulator einen Manipulatorarm aufweist, an dem zumindest eine Kamera für optische Aufnahmen eingerichtet ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte: Bewegen der Kamera in die Nähe zumindest eines Referenzobjekts durch den Manipulator, Aufzeichnen von zumindest zwei Bildern des Referenzobjekts mittels der Kamera aus unterschiedlichen Perspektiven, Bestimmen der Position des Manipulators relativ zum Referenzobjekt anhand der zumindest zwei aufgezeichneten Bilder, wobei die Kamera Teil eines Smartphones ist. Eine Kamera kann hierbei alle Mittel umfassen, die geeignet sind statische oder bewegte Bilder aufzunehmen. Diese Mittel sind nicht auf Fotokameras begrenzt, sondern umfassen jede Art von Vorrichtungen die geeignet sind elektromagnetische Strahlung ein oder mehrdimensional zu detektieren, um die Daten anschließend für beispielsweise eine Abstandsmessung oder die Darstellung eines Bildes zu nutzen. Erfindungsgemäß kann die Bestimmung der Position des Manipulators mit Hilfe einer Kamera als Teil eines handelsüblichen Smartphones erfolgen, ohne dass weitere zusätzliche Hardware für die Aufnahmen verwendet werden muss. Somit kann auf die Verwendung teurer Spezialhardware verzichtet werden. Aus den optischen Aufnahmen des Referenzobjektes kann ein vorzugsweise dreidimensionales Positionsframe des Referenzobjektes berechnet werden. Das Positionsframe kann anschließend mit den abgespeicherten Positionsdaten des Referenzobjektes verglichen werden. Durch den Abgleich der ermittelten Positionsdaten aus den Aufnahmen und den abgespeicherten Referenzdaten kann ein Korrekturframe ermittelt werden, welcher für eine Positionierung des Manipulators relativ zu dem Referenzobjekt verwendet werden kann. Die Ermittlung der Position des Referenzobjektes und des Manipulators ist dabei nicht auf Messpunkte beschränkt, die in dem Koordinatensystem des Referenzobjekts definiert sind. Es können auch weitere Messpunkte mit anderen Bezugssystemen verwendet werden wie beispielsweise raumfeste und/oder manipulatorfeste Messpunkte um zum Beispiel die Position des Referenzobjekts im Raum und die Position des Manipulators im Raum zu bestimmen. Das Verfahren, basierend auf aufgenommenen Bildern, erlaubt es beispielsweise auch eine Fehlstellung des Referenzobjektes zu erkennen und die Position des Manipulators relativ zu dem Referenzobjekt entsprechend anzupassen. Weiterhin kann die Positionsbestimmung bei geeigneter Ausgestaltung des Referenzobjekts auch durch die Aufnahme eines einzigen Bildes vorgenommen werden. Der eingesetzte Manipulator kann zum Beispiel ein Gelenkarmroboter sein, wie er bei der industriellen Massenfertigung zum Einsatz kommt.
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Weiterhin kann der Manipulator eine Manipulatorsteuerung aufweisen, und das Smartphone kann eine Software, beispielsweise eine App, aufweisen zum Steuern der Kamera des Smartphones, und die Manipulatorsteuerung und die App können eingerichtet sein um interagieren zu können. Für die Steuerung der Kamera kann hierbei auf die bestehende Software-Architektur des Smartphones zurückgegriffen werden, wie zum Beispiel die Verwendung von Blitzlicht oder Autofokus. Somit entfällt eine aufwendige Neuentwicklung einer Software zum Steuern der Kamera und ein Implementieren weiterer Steuermöglichkeiten für die Kamera wird vereinfacht. Auch kann das Smartphone eine Software für die Auswertung der aufgenommenen Bilder umfassen. Die Software kann beispielsweise auch ein dreidimensionales Strukturmodell des Referenzobjekts anhand der aufgenommenen Bilder errechnen.
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Weiterhin kann die Manipulatorsteuerung und das Smartphone Übertragungsmittel zum Herstellen einer Datenverbindung aufweisen, wobei die Datenverbindung vorzugsweise über ein Drahtlos-Netzwerk oder Bluetooth erfolgt. Die Manipulatorsteuerung und die App können über eine Datenverbindung miteinander verbunden sein. Diese Datenverbindung kann entweder direkt zwischen dem Smartphone und der Manipulatorsteuerung eingerichtet sein oder aber das Smartphone kann mit dem Manipulator verbunden sein, welcher wiederum mit der Manipulatorsteuerung verbunden ist. Eine Drahtlosverbindung zwischen dem Smartphone und der Manipulatorsteuerung ermöglicht eine variable Anordnung des Smartphones am Manipulator, da keine Verbindungskabel zwischen Smartphone und Manipulatorsteuerung vorgesehen sind, welche die Bewegungsfreiheit des Manipulators einschränken könnten. Auch kann das Smartphone über die Drahtlosverbindung unabhängig von der Ausgestaltung des Manipulators angeordnet werden. Über die Datenverbindung kann das Smartphone beispielsweise die aufgenommenen Bilder an die Manipulatorsteuerung für eine weitere Verarbeitung senden oder Daten empfangen.
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Weiterhin kann ein Befehl zur Bildaufnahme von der Manipulator-Steuerung über die Datenverbindung an die App gesendet werden. Die Datenverbindung kann genutzt werden um das Smartphone über die Manipulatorsteuerung zu steuern. Somit ist ein Ansteuern des Smartphones ohne direkten Kontakt eines Nutzers möglich. Die Manipulatorsteuerung kann Mittel zur Datenverarbeitung bereitstellen und so kann beispielsweise die Berechnung der Positionsbestimmung des Manipulators und die Berechnung einer Korrekturbewegung anhand eines Referenzwertes über die Manipulatorsteuerung erfolgen. Somit können weitaus größere Rechenkapazitäten, verglichen mit der Rechenkapazität eines Smartphones, genutzt werden um komplexe dreidimensionale Positions- und Bewegungsmodelle des Manipulators schnell zu berechnen.
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Weitehrhin kann am Manipulator eine Befestigungsvorrichtung zur Aufnahme eines Smartphones eingerichtet sein, wobei die Befestigungsvorrichtung so eingerichtet ist, dass ein Smartphone, welches mit der Befestigungsvorrichtung befestigt ist, sich in einer genau referenzierten Ausrichtung zum Manipulator befindet, wobei vorzugsweise die Smartphone-Kamera in Relation zu einem manipulatorfesten Koordinatensystem referenziert wird. Die Verwendung eines gewöhnlichen Smartphones ermöglicht es, dass über geeignete Befestigungsvorrichtungen ein Smartphone bei verschiedenen Manipulatoren, ggf. unterschiedlicher Bauart, zum Einsatz kommen kann. Somit kann darauf verzichtet werden verschiedene Kamerasysteme für verschiedene Manipulatoren zu verwenden, was Kosten spart und ein Einrichten der Kamera zur Positionsbestimmung vereinfacht. Die Befestigungsvorrichtung kann fest am Manipulator vorgesehen sein, zum Beispiel als Teil der Verkleidung des Manipulators, was von Vorteil sein kann wenn ein Manipulator häufig neu positioniert werden muss, beispielsweise bei häufigem Wechsel des Standorts. Oder aber die Befestigungsvorrichtung kann reversibel vorgesehen werden, das heißt ein Anbringen und Entfernen der Befestigungsvorrichtung, z. B. am distalen Ende des Manipulatorarms, ist einfach durchzuführen. Dies hat den Vorteil, dass auch Manipulatoren erfindungsgemäß mit Hilfe einer Kamera eines Smartphones positioniert werden können, die sonst keine Möglichkeit zum Anbringen eines Smartphones aufweisen. Die Befestigungsvorrichtung kann vorzugsweise derart ausgestaltet sein, dass die Position der Kamera relativ zu dem Manipulator klar definiert ist, um die Positionsbestimmung des Manipulators so genau wie möglich vornehmen zu können. Allgemein befinden sich Kameras bei unterschiedlichen Smartphone Modellen an jeweils unterschiedlichen Positionen, so dass, vor Einsatz der Kamera eines Smartphones, das Modell des eingesetzten Smartphones in den Berechnungsprozess zur Positionsbestimmung eingespeist werden kann. Somit können beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt für die Positionsbestimmung neuere Smartphones mit leistungsstärkeren Kameras eingesetzt werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Messvorrichtung zur Positionsbestimmung eines Manipulators aufweisend einen Manipulator, wobei der Manipulator einen Manipulatorarm aufweist, an dem zumindest eine Kamera für optische Aufnahmen eingerichtet ist, wobei die Kamera Teil eines Smartphones ist, mittels eines Verfahrens, das gekennzeichnet ist durch die Schritte: Bewegen der Kamera in die Nähe zumindest eines Referenzobjekts durch den Manipulator, Aufzeichnen von zumindest zwei Bildern des Referenzobjekts mittels der Kamera aus unterschiedlichen Perspektiven, Bestimmen der Position des Manipulators relativ zum Referenzobjekt anhand der zumindest zwei aufgezeichneten Bilder. Die Messvorrichtung ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass sie eine Positionsbestimmung des Manipulators unter Verwendung eines Smartphones, wie vorhergehend beschrieben, ermöglicht.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die angeführte Figur näher beschrieben. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Seitenansicht einer Messvorrichtung zur erfindungsgemäßen Positionsbestimmung eines Manipulators.
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Insbesondere zeigt 1 eine schematische Seitenansicht einer Messvorrichtung, gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Messvorrichtung umfasst dabei einen Manipulator 1 der einen Manipulatorarm 2 aufweist, welcher mehrere schwenkbar gelagerte Armelemente aufweist, zum Führen einer Kamera 5 an einem distalen Ende des Manipulatorarms 2. Die Kamera 5 ist geeignet für optische Aufnahmen und ist über eine Befestigungsvorrichtung 7 am distalen Ende des Manipulatorarms 2 befestigt. Die Kamera 5 kann über ein Verschwenken der Armelemente des Manipulators 1 in eine gewünschte Position relativ zu einem Referenzobjekt 13 gebracht werden und ein Bild des Referenzobjektes 13 aufnehmen. Die Kamera 5 ist hierbei eine Kamera, welche in einem Smartphone integriert ist. Das Smartphone ist über eine Drahtlos-Datenverbindung 9 mit einer Manipulatorsteuerung 11 verbunden. Die Manipulatorsteuerung 11 kann auch Mittel zur Berechnung der Position des Manipulators 1 aufweisen und über eine Datenverbindung 15 mit dem Manipulator 1 verbunden sein. Weiterhin kann die Manipulatorsteuerung 11 ein Repositionieren des Manipulatorarms 2 veranlassen um nach einer Aufnahme weitere Positionen, relativ zu dem Referenzobjekt 13, anzufahren. Die aufgenommenen Bilder können über die drahtlose Datenverbindung 9 an die Manipulatorsteuerung 11 übertragen werden. Nach der Positionsbestimmung des Referenzobjektes 13 kann die aktuelle Position mit einer entsprechenden abgespeicherten Referenzposition verglichen werden. Anhand dessen kann die Position des Manipulators 1 relativ zu dem Referenzobjekt 13 bestimmt und ggf. um einen bestimmten Wert korrigiert werden, bis sich der Manipulator 1 in der gewünschten Position, relativ zum Referenzobjekt 13, befindet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Manipulator
- 2
- Manipulatorarm
- 5
- Kamera
- 7
- Befestigungsvorrichtung
- 9
- Drahtlos-Datenverbindung
- 11
- Manipulatorsteuerung
- 13
- Referenzobjekt
- 15
- Datenverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009041734 A1 [0003]
