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Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Verwendung an einem automatischen, insbesondere mehrachsigen, Manipulator, wie Roboter, der einen Sockel umfasst oder an einem Sockel festlegbar ist, mit mindestens einer, insbesondere optischen, Sensoreinheit, insbesondere Laserscanner, die an einem Endeffektor des Manipulators anordenbar oder angeordnet ist, mit mindestens einer Datenverarbeitungseinheit, in der zumindest Basis-Daten des Manipulators hinterlegbar sind und Sensor-Daten der Sensoreinheit hinterlegbar und verarbeitbar sind, und mit mindestens einer Referenzeinheit, die durch die Sensoreinheit zur Erzeugung von Sensor-Daten erfassbar und messbar ist sowie ein und Verfahren zum Einmessen mindestens eines automatischen, insbesondere mehrachsigen, Manipulators.
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Manipulatoren, beispielsweise Roboter, die einen Endeffektor aufweisen, besitzen so genannte virtuelle Tool-Center-Points (TCP), die Raumkoordinaten und -orientierungen aufweisen, die außerhalb von realen Körpern, beispielsweise einem Werkzeug, liegen. Aufgrund des fehlenden Bezugs zu realen Körpern können diese Tool-Center-Points nicht unmittelbar von einem Roboter angefahren werden, um diese zu vermessen. Diese müssen unter Zuhilfenahme von so genannten Lichtschnitt-Sensoren kalibriert und nachjustiert werden.
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Bei einer Demontage und einer erneuten Montage optischer Sensoreinheiten ist die Montageposition nicht eindeutig definiert und die Lage des Tool-Center-Points der Sensoreinheit bezüglich des Roboter-, bzw. Weltkoordinatensystems meist verschoben.
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Aus
DE 10 2005 048 136 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Lage eines Tool-Center-Points bekannt, bei der die Sensoreinheit eine Mess-Stelle eines Referenzbauteils nach der erfolgten Wiedermontage misst und die hieraus gewonnenen Daten mit den Daten vor der Demontage verglichen werden und der Manipulator auf dieser Grundlage kalibriert wird.
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Hierbei hat es sich als unzweckmäßig herausgestellt, dass sowohl die exakten Daten des Tool-Center-Points vor der Demontage bekannt sein müssen sowie ein Referenzbauteil mit Mess-Stelle vorgehalten werden muss.
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Aus
DE 10 2004 021 893 B4 ist ein Verfahren zum Einmessen einer optischen Messanordnung bekannt, bei der unter Zuhilfenahme einer Hilfsvorrichtung zunächst die Raumlage des Sensorkoordinatensystems der Sensoreinheit berechnet wird und unter Zuhilfenahme der Hilfsvorrichtung die Raumlage der Sensoreinheit sowie die Raumlage von Messmarken, die an dem Gehäuse der Sensoreinheit vorgesehen sind, bestimmt werden und hieraus eine Relativlage des Sensorkoordinatensystems gegenüber den Messmarken ermittelt wird.
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Hierbei hat es sich als umständlich erwiesen, dass auf eine zusätzliche Hilfsvorrichtung zurückgegriffen werden muss.
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Eine Aufgabe eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, ein Messsystem sowie ein Verfahren zum Einmessen eines Manipulators vorzuschlagen, das einfach baut und ortsunabhängig einsetzbar, bzw. durchführbar ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem eingangs genannten Messsystem dadurch gelöst, dass die Referenzeinheit mindestens zwei an dem Sockel relativ zum Manipulator ortsfest festgelegte Referenzelemente umfasst.
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Dadurch, dass die Referenzeinheit mindestens zwei Referenzelemente umfasst, die an dem Sockel angeordnet sind, ist das Messsystem von einem separaten Referenzbauteil mit Mess-Stelle unabhängig.
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Hierdurch ist ein Messen, insbesondere ein Selbstvermessen des Manipulators, im Wesentlichen ortsunabhängig durchführbar.
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Der Sockel kann beispielsweise ein Bauteil des Manipulators umfassen, auf dem der Manipulator aufbaut und der im Wesentlichen flächenhaft am Boden anliegt. Darüber hinaus kann der Sockel an einer Radeinheit angeordnet sein oder eine Radeinheit aufweisen, wenn der Manipulator bewegbar ausgebildet ist.
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Dadurch, dass sämtliche Komponenten, die zum Vermessen benötigt werden, am Manipulator angeordnet sind, kann der Manipulator auf einfache Weise selbst vermessen werden.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass der Manipulator ortsfest festgelegt ist. Darüber hinaus kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn der Manipulator beweglich ist.
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Darüber hinaus erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Referenzelemente der Referenzeinheit lagegenau sowie lösbar oder unlösbar am Sockel festlegbar sind.
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Dadurch, dass die Referenzelemente der Referenzeinheit lagegenau am Sockel festlegbar sind, ist die Qualität der durch die Sensoreinheit erfassten Sensor-Daten steigerbar. Wenn die Referenzelemente der Referenzeinheit lösbar am Sockel festlegbar sind, können diese ohne weiteres ausgetauscht werden. Darüber hinaus ist es solchenfalls denkbar, dass die Referenzelemente der Referenzeinheit nur beim Selbstvermessen des Manipulators durch das Messsystem am Sockel angeordnet werden und nach dem Selbstvermessen wieder entfernt werden.
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Die Referenzelemente der Referenzeinheit können grundsätzlich beliebig gebildet sein. Es erweist sich als vorteilhaft, wenn mindestens eines der mindestens zwei Referenzelemente eine verrundete Oberfläche, insbesondere einen retroreflektierenden kugelartigen, kalottenartigen oder elliptischen Oberflächenabschnitt, oder ein lagegenaues Referenzmerkmal des Manipulators, wie Bohrung, Oberflächenstruktur oder Bauteil, umfasst.
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Wenn die mindestens zwei Referenzelemente eine verrundete Oberfläche, insbesondere einen retroreflektierenden kugelartigen, kalottenartigen oder elliptischen Oberflächenabschnitt umfassen, lässt sich ein leicht erfassbares, markantes Referenzelement bereitstellen. Wenn die mindestens zwei Referenzelemente eine Bohrung, Oberflächenstruktur oder ein Bauteil des Manipulators umfassen, kann die Referenzeinheit und das Messsystem bauteilreduziert ausgebildet werden.
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Darüber hinaus sind Mischformen denkbar, bei denen mindestens ein Referenzelement durch eine verrundete Oberfläche, insbesondere eine Kugel, gebildet ist und ein weiteres Referenzelement durch ein lagegenaues Referenzmerkmal des Manipulators.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Referenzeinheit lediglich zwei Referenzelemente umfasst. Darüber hinaus erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Referenzeinheit mindestens vier Referenzelemente am Sockel und/oder drei Referenzelemente an einem Werkzeug umfasst, das am Endeffektor des Manipulators festlegbar ist.
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Durch das Vorsehen von vier Referenzelementen am Sockel, kann die Genauigkeit der Selbstmessung des mehrachsigen Manipulators verbessert werden. Wenn die Referenzeinheit drei Referenzelemente an einem Werkzeug umfasst, das am Endeffektor des Manipulators festlegbar ist, kann das Werkzeug durch die Sensoreinheit ausgemessen werden. Hierdurch lässt sich die Qualität der Bearbeitung von Werkstücken durch den Manipulator unter Zuhilfenahme des Werkzeugs erhöhen.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Messsystem mindestens eine Erfassungseinrichtung umfasst, die mindestens ein Lasertraker-System, durch das eine Manipulatorumgebung zumindest in Form von Umgebungs-Daten erfassbar ist, durch das die Referenzelemente des Referenzeinheit des Manipulators zumindest in Form von Lage-Daten des Manipulators erfassbar sind und durch das die Lage-Daten des Manipulators und die Umgebungs-Daten an die Datenverarbeitungseinheit übertragbar sind und/oder die mindestens eine Navigationsmittel, wie GPS, Indoor-GPS und/oder Lichtleitmittel, zum Verfahren des Manipulators umfasst.
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Dadurch, dass das Messsystem eine Erfassungseinrichtung umfasst, kann nicht nur der Manipulator selbst vermessen werden, sondern auch der Standort des Manipulators innerhalb der Manipulatorumgebung erfasst werden. Hierdurch ist eine Bearbeitung der Werkstücke durch den Manipulator weiter verbessert.
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Dadurch, dass die Erfassungseinrichtung des Messsystems auch ein Navigationsmittel umfassen kann, kann der Manipulator kollisionsfrei und gezielt durch die Manipulatorumgebung bewegt werden.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Sensoreinheit ein Senderelement und ein Empfängerelement umfasst. Darüber hinaus kann das Messsystem zusätzlich ein Antennenelement umfassen. Durch das Antennenelement kann das Messsystem mit dem Lasertraker-System kommunizieren.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass das Lasertraker-System ein Bauteil oder eine Baugruppe umfasst, die separat vom Manipulator angeordnet ist. Darüber hinaus ist es denkbar, dass das Lasertraker-System am Manipulator angeordnet ist.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit mindestens einem der zuvor genannten Merkmale, zur Verwendung an dem Manipulator, der einen Sockel umfasst oder an einem Sockel festlegbar ist, wobei das Messsystem mindestens eine, insbesondere optische, Sensoreinheit, die an einem Endeffektor des Manipulators angeordnet ist, mindestens eine Datenverarbeitungseinheit, in der zumindest Basis-Daten des Manipulators hinterlegbar sind und Sensor-Daten der Sensoreinheit hinterlegbar und verarbeitbar sind, und mindestens eine Referenzeinheit umfasst, die mindestens zwei an dem Sockel relativ zum Manipulator ortsfest festgelegte Referenzelemente aufweist, welche zur Erzeugung von Sensor-Daten erfassbar und messbar sind, mit den Schritten:
- a. Ggf. Festlegen der mindestens zwei Referenzelemente der Referenzeinheit am Sockel und/oder Festlegen der Sensoreinheit an einem Endeffektor des Manipulators;
- b. Erfassen und Messen der mindestens zwei Referenzelemente der Referenzeinheit am Sockel des Manipulators durch die Sensoreinheit;
- c. Erzeugen von Sensor-Daten und Weiterleiten der Sensor-Daten an die Datenverarbeitungseinheit;
- d. Korrigieren bzw. Kalibrieren der in der Datenverarbeitungseinheit hinterlegten Basis-Daten des Manipulators auf Grundlage der erfassten Sensor-Daten;
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Der Schritt a. umfasst Tätigkeiten, die gegebenenfalls durchzuführen sind. Das bedeutet, dass die mindestens zwei Referenzelemente der Referenzeinheit am Sockel befestigt werden, wenn diese lösbar am Sockel anordenbar sind und bei Verfahrensbeginn vom Sockel beabstandet sind. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die Sensoreinheit bereits am Endeffektor des Manipulators festgelegt ist. Wenn die Sensoreinheit jedoch vom Manipulator separiert ist, kann diese in dem Schritt a. am Endeffektor des Manipulators festgelegt werden.
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Die Basisdaten des Manipulators können beispielsweise die Anordnung und Winkelbewegungen der Gelenke, die Erstreckung der zwischen den Gelenken angeordneten Bauteilen sowie deren Drehwinkel sowie fertigungstechnische Toleranzen umfassen.
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Darüber hinaus können die Basisdaten des Manipulators auch den Tool-Center-Point umfassen.
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Durch die einzelnen Verfahrensschritte ist es ermöglicht, dass der Manipulator durch das Messsystem vermessen werden kann, ohne auf separate Referenzbauteile zurückgreifen zu müssen. Hierdurch sind die Basisdaten kalibrierbar und Bewegungen, beispielsweise beim Bearbeiten eines Werkstücks, bezüglich ihrer Genauigkeit erhöht.
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Bei einer Weiterbildung des Verfahrens erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Erfassen und Messen der mindestens zwei Referenzelemente der Referenzeinheit am Sockel des Manipulators durch die Sensoreinheit ein Anfahren mehrerer Endeffektor-Lagen umfasst, wobei insbesondere die Anzahl des Anfahrens der Endeffektor-Lagen des Manipulators der Anzahl der Freiheitsgrade des Manipulators entspricht.
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Hierdurch können fertigungstechnische Toleranzen der Gelenke, Achsen und einzelnen Bauteile besser erfasst werden.
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Darüber hinaus erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Verfahren den Schritt eines Erfassens und Messens von mindestens zwei Referenzelementen einer Referenzeinheit am Sockel eines zweiten Manipulators durch die Sensoreinheit und/oder ein Erfassen und Messen von mindestens zwei Referenzelementen einer Referenzeinheit am Sockel eines Werkzeugs durch die Sensoreinheit sowie ggf. die Aufnahme und das Festlegen des Werkzeugs am Endeffektor des Manipulators umfasst.
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Hierdurch ist es ermöglicht, ausgehend von dem Manipulator, der das Messsystem umfasst, eine Kettenmessung durchzuführen. Vorteilhafterweise umfasst jeder Manipulator ein Messsystem. Hierdurch ist die Genauigkeit des Zusammenarbeitens der unterschiedlichen Manipulatoren erhöht.
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Darüber hinaus erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Verfahren ein Erfassen von Umgebungs-Daten einer Manipulatorenumgebung und/oder von Lagedaten des Manipulators, basierend auf den Referenzelementen der Referenzeinheit durch mindestens ein Lasertraker-System einer Erfassungseinrichtung und/oder Übertragen der Lage-Daten des Manipulators und/oder der Umgebungs-Daten an die Datenverarbeitungseinheit umfasst.
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Hierdurch ist es ermöglicht, die Lage des Manipulators im Raum festzustellen.
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Schließlich erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Verfahren den Schritt eines Bewegens des Manipulators von einer Arbeitsstation zu einer weiteren oder zu einer Parkstation, durch Erfassen der Lage-Daten des Manipulators durch mindestens ein Navigationsmittel, wie GPS, Indoor-GPS und/oder Lichtleitmittel, zum Verfahren des Manipulators und/oder Ansteuern eines Antriebsmittels und eines Lenkmittels auf Grundlage der Lage-Daten des Manipulators umfasst.
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Hierdurch ist es ermöglicht, den Manipulator bewegbar auszubauen und gleichzeitig eine genaue Kenntnis der Position des Manipulators zu erfassen.
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Hierdurch kann der Manipulator ohne weiteres sowohl innerhalb einer überdachten Anlage als auch außerhalb einer überdachten Anlage bewegt werden, wobei stets die Lage-Daten des Manipulators erfassbar sind.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des Messsystems und des Verfahrens.
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In der Zeichnung zeigt:
- 1 Ein schematisches erstes Ausführungsbeispiel eines Messsystems vor dem Fügen mit einer Sensoreinheit;
- 2 Eine schematische Darstellung des Messsystems gemäß 1 mit gefügter Sensoreinheit beim Selbstvermessen;
- 3 Das Ausführungsbeispiel des Messsystems gemäß der 1 und 2 beim Vermessen eines Werkstücks;
- 4 Das Ausführungsbeispiel des Messsystems gemäß der 1 und 2 bei einer Kettenmessung;
- 5 Ein schematisches Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens.
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Die 1 bis 4 zeigen ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 versehenes Messsystem zur Verwendung an einem automatischen mehrachsigen Manipulator 4. Der Manipulator 4 umfasst bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils einen Roboter. Der Manipulator 4 umfasst einen Sockel 6 oder ist an einem Sockel 6 festgelegt. Darüber hinaus umfasst der Manipulator 4 einen Endeffektor 8, an dem ein Werkzeug 10 (3 und 4) festlegbar ist. An dem Endeffektor 8 des Manipulators 4 ist eine Sensoreinheit 12 des Messsystems 2 festlegbar. Die Sensoreinheit 12 kann beispielsweise einen Laserscanner umfassen. Darüber hinaus umfasst das Messsystem 2 mindestens eine Datenverarbeitungseinheit 14, in der Basis-Daten des Manipulators 4 hinterlegbar sind und Sensor-Daten der Sensoreinheit 12 hinterlegbar und verarbeitbar sind. Darüber hinaus umfasst das Messsystem 2 eine Referenzeinheit 16, die durch die Sensoreinheit 12 zur Erzeugung von Sensor-Daten erfassbar und messbar ist. Bei dem in den Figuren gezeigtem Ausführungsbeispiel umfasst die Referenzeinheit 16 vier Referenzelemente 18, die an dem Sockel 6 relativ zum Manipulator 4 ortsfest festgelegt sind.
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Die Referenzelemente 18 der Referenzeinheit 16 sind lagegenau am Sockel 6 festgelegt. Hierdurch ist es ermöglicht, dass die Sensoreinheit 12 den Manipulator 4 selbst vermessen kann.
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Die Referenzelemente 18 umfassen bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel retroreflektierende Kugeln.
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1 zeigt das Messsystem 2, bei dem die Sensoreinheit 12 vom Manipulator 4 separiert ist. Durch Festlegen der Sensoreinheit 12 am Endeffektor 8 des Manipulators 4, ist ein Selbstvermessen des Manipulators 4 durch das Messsystem 2 ermöglicht (siehe 2).
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3 zeigt das Messsystem 2 beim Vermessen eines Werkzeugs 10, das seinerseits drei ortsfest am Werkzeug 10 festgelegte Referenzelemente 18 der Referenzeinheit 16 umfasst.
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4 zeigt das Beispiel einer Kettenmessung, die durch das Messsystem 2 realisierbar ist. Hierbei sind mehrere Manipulatoren 4 mit jeweils eigenem Messsystem 2 vorgesehen, deren Lage und Positionierung durch das Messsystem 2 erfassbar ist.
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5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einmessen mindestens eines automatischen mehrachsigen Manipulators 4.
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Im Folgenden wird das Verfahren unter Zuhilfenahme der 1 bis 4 erläutert:
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In einem ersten Schritt 100 werden die Referenzelemente 18 am Sockel 6 sowie die Sensoreinheit 12 am Endeffektor 8 festgelegt (siehe 1). Hierbei ist der Schritt 100 optional und insbesondere in dem Fall durchführbar, bei dem die Referenzelemente 18 nicht am Sockel 6 festgelegt sind und die Sensoreinheit 12 nicht am Endeffektor 8 des Manipulators 4 festgelegt ist.
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In einem folgenden Schritt 101 werden die Referenzelemente 18 der Referenzeinheit 16 durch die Sensoreinheit 12 erfasst und gemessen (siehe 2).
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In einem nachfolgenden Schritt 102 werden aus den erfassten und gemessenen Referenzelementen 18 der Referenzeinheit 16, Sensordaten erzeugt und an die Datenverarbeitungseinheit 14 weitergeleitet.
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In einem nachfolgenden Schritt 103 werden auf Grundlage der Sensor-Daten durch die Datenverarbeitungseinheit 14 die in der Datenverarbeitungseinheit 14 hinterlegten Basisdaten des Manipulators 4 korrigiert, bzw. kalibriert. Das Erfassen und Messen der Referenzelemente 18 gemäß Schritt 101 kann dabei das Anfahren mehrerer Endeffektor-Lagen umfassen. Hierbei ist die Anzahl der angefahrenen Endeffektor-Lagen, insbesondere korrespondierend zur Anzahl der Freiheitsgrade des Manipulators 4. Hierdurch lassen sich Längen und Toleranzen der einzelnen Bauteile und Gelenke bestimmen.
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Darüber hinaus kann es in einem nachfolgenden Schritt 104 vorgesehen sein, dass Referenzelemente 18 eines weiteren Manipulators 4 oder Referenzelemente 18 des Werkzeugs 10 durch die Sensoreinheit 12 erfasst und gemessen werden. Hierdurch ist zum einen eine Kettenmessung möglich und zum anderen ein durch den Manipulator 4 an dessen Endeffektor 8 festlegbares Werkzeug 10 ausmessbar. Schritt 104 kann darüber hinaus auch die Aufnahme und das Festlegen eines derartigen Werkzeugs 10 am Endeffektor 8 des Manipulators 4 umfassen. (3 und 4).
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Ferner können in einem Schritt 105 Umgebungsdaten einer Manipulatorumgebung 20 und/oder Lage-Daten des Manipulators 4 basierend auf den Referenzelementen 18 der Referenzeinheit 16 in der Manipulatorumgebung 20 durch ein Lasertraker-System 22 eine Erfassungseinrichtung 24 erfasst werden. Der Schritt 105 kann darüber hinaus ein Übertragen der Umgebungs-Daten an die Datenverarbeitungseinheit 14 umfassen.
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Ferner können die Lage-Daten des Manipulators 4 im Schritt 105 durch ein Navigationsmittel 26 der Erfassungseinrichtung 24, beispielsweise GPS, Indoor-GPS und/oder Lichtleitmittel, erfasst werden. Dieses erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn der Manipulator 4 bewegbar ausgebildet ist.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung, können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination in der Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Messsystem
- 4
- Manipulator
- 6
- Sockel
- 8
- Endeffektor
- 10
- Werkzeug
- 12
- Sensoreinheit
- 14
- Datenverarbeitungseinheit
- 16
- Referenzeinheit
- 18
- Referenzelemente
- 20
- Manipulatorumgebung
- 22
- Lasertraker-System
- 24
- Erfassungseinrichtung
- 26
- Navigationsmittel
- 100-105
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005048136 A1 [0004]
- DE 102004021893 B4 [0006]
