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Die Erfindung betrifft eine Greifvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu deren relativer Ausrichtung sowie zur Störfall-Erkennung.
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Beispielsweise beim Handling von Gegenständen mittels Industrierobotern, insbesondere auf dem Gebiet der Bearbeitung, der Montage, der Lagerhaltung, der Sortierung sowie des Zu- und Abtransports von Halbzeugen und Werkstücken, werden Greifvorrichtungen eingesetzt, mittels denen gezielt ein Halbzeug oder Werkstück, nachfolgend vereinfachend als Bauteil bezeichnet, aufgenommen, transportiert und/oder in bestimmter Weise gehalten oder bewegt wird.
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Befindet sich das Bauteil beispielsweise in einer unbekannten Ausrichtung an einem variablen Ort und soll erst aufgefunden, erkannt und gegebenenfalls überprüft werden, ist eine - insbesondere visuelle - Erkennung erforderlich. Hierbei unterscheidet man die Erkennung des Bauteils auf einer ebenen Fläche in 2D, bspw. einem Förderband, oder in einem definierten Raum in 3D, beispielsweise bei der Applikation - „Griff in die Kiste“. In beiden Anwendungsfällen wird eine Mustererkennung ausgeführt, mittels der eine relative Vorposition und eine relative Ausrichtung bestimmt werden können.
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Zum Ergreifen eines Bauteils mittels eines Greifsystems werden markante Bereiche oder Strukturen des Bauteils genutzt. Solche markanten Bereiche oder Strukturen des Bauteils können Konturen des Bauteils (Aufnahmekonturen) sein, in welche mindestens ein Greifelement der Greifvorrichtung eingreift oder einfährt oder die von mindestens einem Greifelement umfasst werden. Das mindestens eine Greifelement ist zu diesem Zweck stellbar. Es kann - ähnlich wie ein Finger - mehrere Stellglieder aufweisen, die gelenkig verbunden sind. Vorteilhaft ist die Greifvorrichtung individuell an eine bestimmte Aufnahmekontur bzw. „Greifaufgabe“ angepasst und umfasst mindestens zwei stellbare Greifelemente.
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Eine Beschädigung von Bauteilen oder markanten Strukturen muss beispielsweise während eines Produktionsprozesses - insbesondere beim Einsatz von Industrierobotern wie zum Beispiel Montagerobotern - vermieden werden, um Qualitätseinbrüche zu vermeiden. Solche Beschädigungen durch Greifvorrichtungen sind allerdings nach dem Stand der Technik nicht auszuschließen. Die Aufnahmeposition, also die Relativlage, unter der beispielsweise ein Roboter mittels einer Greifvorrichtung ein Bauteil aufnimmt, ist dem betreffenden Roboter in der Regel fest vorgegeben. Selbst bei einer Routine, wie beispielsweise dem „Griff in die Kiste“ erfolgt dies nur durch eine relativ ungenaue Lagebestimmung des aufzunehmenden Bauteils.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Greifvorrichtung vorzuschlagen, mittels der eine Erkennung markanter Strukturen eines Bauteils, eine Überprüfung wenigstens von Bereichen des Bauteils sowie der optionalen Handhabung des Bauteils ermöglicht ist. Zudem wird eine Möglichkeit vorgeschlagen, diverse Störfall-Szenarien zu erkennen und entsprechende Reaktionen auszulösen.
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Die Aufgabe wird mit einer Greifvorrichtung nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Greifvorrichtung dient zum Ergreifen eines Bauteils und weist mindestens ein radial zu einer Längsachse der Greifvorrichtung wirkendes Greifelement auf.
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Erfindungsgemäß ist die Greifvorrichtung gekennzeichnet durch eine Kamera, beispielsweise eine Mini-Kamera, mit einer Objektivlinse, deren optische Achse mit der Längsachse zusammenfällt.
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Greifelemente können durch Innenbacken oder Außenbacken gebildet sein. In weiteren Ausführungen sind mindestens zwei Fingergreifer als Greifelemente vorhanden. Eine radiale Wirkung der Greifelemente liegt vor, wenn im Ergebnis durch die Greifelemente eine im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse gerichtete Kraftwirkung erzeugt wird beziehungsweise erzeugbar ist.
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Kern der Erfindung ist die Anordnung der Objektivlinse einer Kamera auf der Längsachse der Greifvorrichtung. Diese Anordnung ermöglicht eine optische Erfassung eines Bauteils nahe der Greifelemente senkrecht oder nur mit geringen zu berücksichtigenden Blickwinkeln abweichend von einer senkrechten Erfassung.
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Die erforderliche Rechenleistung zur Ermittlung einer tatsächlichen Relativposition und einer Form eines Bauteils wird durch die erfindungsgemäße Ausführung der Greifvorrichtung vorteilhaft reduziert.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau werden Störkonturen weitestgehend oder gänzlich vermieden, wodurch die Greifvorrichtung in einer kompakten Bauart realisiert werden kann. Zum Beispiel wird die Zugänglichkeit bei der Applikation „Griff in die Kiste“ nicht beeinträchtigt. Störkonturen einer Greifvorrichtung gemäß dem Stand der Technik sind beispielsweise durch eine abseits der Längsachse angeordnete Kamera gegeben.
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Im Folgenden werden markante Strukturen oder Bereiche eines Bauteils, an denen Greifelemente ansetzen sollen, vereinfachend als Aufnahmekontur bezeichnet, falls nicht ausdrücklich auf eine spezifische Ausbildung abgestellt wird.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Greifvorrichtung mindestens abschnittsweise entlang der Längsachse einen rotationsymmetrischen oder einen symmetrischen Querschnitt aufweist, so dass die Längsachse zugleich eine Symmetrieachse der Greifvorrichtung ist. Eine derart gestaltete Greifvorrichtung muss im rotationssymmetrischen Falle nicht und im symmetrischen Falle nur hinsichtlich einer zulässigen Rotationsposition um die Längsachse angesteuert werden. Eine zulässige Rotationsposition liegt vor, wenn die aktuelle Ausrichtung der Greifvorrichtung beispielsweise ein Einstecken in eine rechteckige Aufnahmekontur erlaubt.
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Die erfindungsgemäße Greifvorrichtung weist in einer möglichen Ausführung optional eine lichtleitende Struktur wie einen Tubus oder eine Lichtleitfaser auf.
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Unabhängig vom Vorhandensein einer lichtleitenden Struktur kann eine Kamera zur Erfassung der Bilddaten außerhalb der Greifvorrichtung vorhanden sein. Die Kamera kann in einer weiteren Ausführung auch vollständig im Inneren der Greifvorrichtung angeordnet sein. Letztere Möglichkeit erlaubt eine besonders kompakte Ausführungsform der Greifvorrichtung, ohne dass durch die Kamera eine Störkontur gebildet ist und bietet zugleich einen optimalen Schutz der Kamera vor mechanischer Beschädigung und/oder Verschmutzung.
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Die Kamera kann beispielsweise über eine steckbare Kabelverbindung mit einen industrietauglichen Einplatinen-PC verbunden sein, auf welchem eine Bildverarbeitungssoftware (BVSW) ausgeführt wird, und dann über eine variable Schnittstelle und einer Netzwerkverbindung direkt mit einer Auswerteeinheit und einer Steuereinheit kommunizieren. Durch die damit einhergehende dezentrale Datenverarbeitung, welche eine visuelle/digitale Transformation abbildet, wird der Installationsaufwand reduziert. Die Auswerteeinheit kann Teil des Einplatinen-PC sein. Die Steuereinheit dient vorzugsweise der Ansteuerung der Greifvorrichtung und kann beispielsweise zur Korrektur der Aufnahmeposition der Greifvorrichtung dienen.
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Die erfindungsgemäße Greifvorrichtung ist vorteilhaft mit der Mini-Kamera zur Erfassung von Bilddaten unter Nutzung der Objektivlinse versehen. Die Auswerteeinheit ist zur Auswertung erfasster Bilddaten konfiguriert. In Abhängigkeit von der jeweiligen „Greifaufgabe“ kann die Auswerteeinheit konfiguriert sein, um mittels digitaler Bildverarbeitung und Algorithmen für Musterkennung ein digitales Abbild der Realität (Digital Twin) zu erstellen. Insbesondere kann die Auswerteeinheit zur Ermittlung einer Aufnahmekontur des Bauteils konfiguriert sein. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, eine Messmarke zu erkennen und auszuwerten. Abhängig von der Anwendung kann die Aufnahmekontur selbst eine solche Messmarke darstellen. Anhand der ermittelten Aufnahmekontur kann eine aktuelle Lage der Aufnahmekontur relativ zur optischen Achse ermittelt werden. Die Aufnahmekontur kann beispielsweise anhand ihrer Außenform ermittelt werden. Bevorzugt werden bei der Berechnung der aktuellen Lage auch vorbekannte oder aktuell ermittelte optische Daten der Mini-Kamera berücksichtigt, wodurch die Genauigkeit der Lageermittlung weiter erhöht wird.
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Für eine höhere Flexibilität bei der Anpassung von Greifvorrichtung und Auswerteeinheit an eine spezifische „Greifaufgabe“ oder zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Erkennung bei wechselnden Umgebungsbedingungen, insbesondere bei komplexen und/oder von Fall zu Fall veränderlichen Szenerien wie beim „Griff in die Kiste“ oder in einem Umfeld mit instabilen Lichtverhältnissen, können Methoden des maschinellen Lernens (Machine Learning) implementiert sein. In einer Trainingsphase lernt die intelligente Auswertesoftware mit Hilfe von annotierten Trainingsdaten (insbesondere annotiertes Bildmaterial der zu trainierenden Greifaufgabe) die jeweilige Greifaufgabe. Die „trainierte“ Auswerteeinheit ist beispielsweise anschließend sehr zuverlässig in der Lage, eine bestimmte Aufnahmekontur zu erkennen, und zwar selbst unter stark wechselnden Umgebungsbedingungen.
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Optional kann eine zweite (Mini)-Kamera vorgesehen sein. Die zweite Kamera weist einen Blickwinkel auf, der von dem der ersten Kamera abweicht. Mit anderen Worten weist die zweite Kamera eine optische Achse auf, die nicht parallel zu der optischen Achse der ersten Kamera ist. Bevorzugt ist die zweite Mini-Kamera in einem der Greifelemente angeordnet. Insbesondere ist die zweite Mini-Kamera orthogonal zu der ersten Mini-Kamera ausgerichtet. Orthogonal in diesem Sinne bedeutet, dass die optischen Achsen der beiden Kameras senkrecht aufeinander stehen. Dadurch wird ein „zweiter Blick“ auf die Aufnahmekontur ermöglicht. Insbesondere bei erhabenen Strukturen kann derart auf einfache Weise das Erreichen einer vorbestimmten Greifposition verifiziert werden. Die zweite Mini-Kamera ist bevorzugt vollständig im Inneren des Greifelements angeordnet, so dass durch die Kamera keine Störkontur gebildet ist und zugleich ein optimaler Schutz der Kamera vor mechanischer Beschädigung und/oder Verschmutzung gegeben ist.
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Durch ihre „maschinelle Intelligenz“ (Machine Intelligence) ist die erfindungsgemäße Greifvorrichtung somit insbesondere in der Lage, außergewöhnliche Situationen / Störfälle zu erkennen sowie, über eine entsprechende Signalausgabe, diese zu signalisieren bzw. zu visualisieren. Ferner kann diese Intelligenz beispielsweise einen Industrieroboter oder eine Maschine zur autonomen Aktion befähigen: erkannte Unregelmäßigkeiten, wie beispielsweise eine fehlerhafte Aufnahmekontur oder eine fehlerhafte Lage der Aufnahmekontur führen zu einer fehlerangepassten Reaktion des Roboters oder der Maschine. Beispielsweise ist denkbar, dass erkannte zulässige Abweichungen vom Sollwert über eine entsprechende Nachführung durch den Industrieroboter autonom kompensiert oder in einem Produktionsprozess bei nachfolgenden Schritten entsprechend berücksichtigt werden, während erkannte unzulässige Abweichungen vom Sollwert zu einem Stopp des Industrieroboters und zur Ausgabe eines Warnhinweises an einen Bediener führen. Automatisierte Produktionsprozesse können somit aktiv überwacht und qualitätssichernd beeinflusst werden.
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Die Aufgabe weiterhin wird durch ein Verfahren zur Ausrichtung einer Greifvorrichtung und einer Aufnahmekontur eines Bauteils relativ zueinander gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erfindungsgemäße Greifvorrichtung in eine Erfassungsposition (auch als „Vorposition“ bezeichnet) gebracht wird, aus der mittels einer Mini-Kamera und unter Nutzung derer Objektivlinse Bilddaten des Bauteils erfasst werden. Anhand der Bilddaten wird ein aktueller Mittelpunkt der Aufnahmekontur ermittelt bzw. ein räumlicher Versatz der Aufnahmekontur zu einer definierten Greifposition bestimmt.
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Als Aufnahmekontur können beispielsweise eine Kreisform, eine Ellipse und/oder ein Vieleck, beispielsweise ein Quadrat oder ein Rechteck, genutzt werden. Um eine solche Aufnahmekontur zu erkennen, können unterschiedliche Konturen, wie eine Kreisform, eine Ellipse und/oder unterschiedliche Vielecke in der BVSW als Referenzen hinterlegt sein.
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Dabei wird virtuell eine Kontur gesucht, die eine vorgegebene Aufnahmekontur möglichst gut approximiert. Jeder ermittelte aktuelle Mittelpunkt der Aufnahmekontur wird mit der aktuellen Lage der optischen Achse verglichen. Dabei wird untersucht, an welcher Stelle die optische Achse die Mündung der Aufnahmekontur virtuell durchstößt. Es wird also ein virtueller Durchstoßpunkt der optischen Achse ermittelt.
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Anhand von Abweichungen der Lage der optischen Achse, also des Durchstoßpunktes, und des aktuellen Mittelpunkts werden Steuerbefehle erzeugt und bereitgestellt. Die Steuerbefehle dienen zur Ansteuerung einer Stellvorrichtung der Greifvorrichtung, mittels der die Lage von optischer Achse und aktuellem Mittelpunkt bei Überschreiten einer vorgegebenen Toleranzschwelle einander angenähert werden, so dass die optische Achse durch den aktuellen Mittelpunkt verläuft. Zum Annähern kann die Greifvorrichtung und/oder das Bauteil entsprechend bewegt werden. Die vorgegebene Toleranzschwelle ist so bemessen, dass ein Unterschreiten dieser eine vertretbare Abweichung von virtuellem Durchstoßpunkt und aktuellem Mittelpunkt darstellt. Sind die Abweichungen von virtuellem Durchstoßpunkt und aktuellem Mittelpunkt so groß, dass ein vorgegebener kritischer Schwellwert erreicht ist, bei dessen Überschreiten eine Annäherung der Lage der optischen Achse und aktuellem Mittelpunkt unmöglich ist, wird ein Interrupt (Unterbrechung) ausgelöst, welcher den Ablauf stoppt und den Störfall signalisiert. Dieses kann ein Warnton und/oder ein optisches Warnsignal sein. Stimmen die Lagen der optischen Achse und des aktuellen Mittelpunkts hinreichend überein, kann aufgrund eines weiteren Steuerbefehls das mindestens eine Greifelement der Greifvorrichtung betätigt werden, so dass das Bauteil durch Wirkung der in die Aufnahmekontur eingreifenden Greifelemente gehalten und bewegt werden kann.
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Weist eine Aufnahmekontur beispielsweise eine quadratische Form auf, kann das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt ausgestaltet sein: Beim Erreichen einer Vorposition wird die Greifvorrichtung angehalten und die Bildaufnahme aktiviert. Mittels der Bildverarbeitungssoftware wird die quadratische Aufnahmekontur erkannt und lokalisiert. Im Falle eines Quadrats werden hierbei die vier Eckpunkte durch eine virtuelle Verlängerung der Kanten bestimmt. Die Strecken zwischen den virtuellen Eckpunkten bilden dann die Kantenlängen. Die vier Kantenlängen und zwei Diagonalen werden ermittelt und anschließend jeweils miteinander verglichen. Handelt es sich um eine quadratische Aufnahmekontur, so dürfen die Kantenlängen untereinander sowie die beiden Diagonalen beim Vergleich miteinander nur geringfügige Abweichungen aufweisen. Abweichungen können beispielsweise auftreten, wenn die Aufnahmekontur teilweise verdeckt ist. Die Aufnahmekontur wird nicht erkannt, wenn diese nicht vorhanden oder ganz verdeckt ist.
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Wird keine Aufnahmekontur erkannt, wird der Ablauf gestoppt und durch die Auswerteeinheit wird eine Fehlermeldung an die übergeordnete Steuereinheit ausgegeben.
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War die Erkennung der quadratischen Aufnahmekontur erfolgreich, wird der Schnittpunkt der beiden ermittelten Diagonalen als Mittelpunkt der quadratischen Aufnahmekontur festgelegt.
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Die vorbekannten Parameter der quadratischen Aufnahmekontur, wie Kantenlänge, Fläche und/oder Umfang, können in der Auswertesoftware als Referenz hinterlegt werden, um hieraus im Bedarfsfall eine Abstandsinformation Z generieren zu können.
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In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens werden die X/Y-Ausgabewerte (X- bzw. Y-Achse eines kartesischen Koordinatensystems) des Versatzes zwischen ermitteltem Mittelpunkt der quadratischen Aufnahmekontur und optischer Achse in Bezug auf den Mittelwert der ermittelten Kantenlängen und dem bekannten Referenzwert gesetzt. Über die vier Eckpunkte erfolgt die Berechnung der Verdrehung um die Stoßrichtung in Richtung einer Z-Achse (Euler Winkel A).
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Die ermittelten Werte in Richtung der X- und der Y-Achse sowie der Wert für die Verdrehung um die Stoßrichtung Z (Euler Winkel A) werden in einer möglichen Ausgestaltung über eine Netzwerkverbindung an die Steuereinheit, beispielsweise an einen Roboter Controller oder eine Servo-geregelte Transfereinheit, übermittelt. Die Roboter Steuerung bzw. die Servo-geregelte Transfereinheit kompensiert den Versatz durch eine entsprechende Verschiebung und/oder Verdrehung des Bauteils und/oder der Greifvorrichtung. Im Anschluss kann eine Kontrollmessung erfolgen, um die erfolgreiche Korrektur zu bestätigen und ein exaktes, schonendes Ein- oder Anfahren der Greifelemente in oder an das Bauteil zu sichern. Auf die Bildverarbeitungssoftware kann vorteilhaft über eine Remote-Schnittstelle ein Zugriff erfolgen. Optional können Bilder von Störfällen in einem Ringspeicher archiviert werden, um die Ursache der Störung ermitteln zu können. Weist die Aufnahmekontur eine andere als eine quadratische Form auf, wird das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend ausgeführt.
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In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine optimierte Positionierung des Greifsystems in Bezug auf eine Aufnahmekontur in einer Kreisform und eine Ermittlung des aktuellen Mittelpunkts. Die Greifvorrichtung wird an eine Vorposition gebracht und die Erfassung von Bilddaten, insbesondere in Form einer Bild- oder Videoaufnahme, aktiviert. Die Detektion der kreisförmigen Aufnahmekontur erfolgt hierbei an dem Hell-Dunkel-Übergang der Bild- oder Videoaufnahme. Die BVSW bestimmt den aktuellen Mittelpunkt der kreisförmigen Aufnahmekontur mit zwei verschiedenen Algorithmen und vergleicht deren Ergebnis. Zum einen werden virtuell ein idealer Kreis und zum anderen eine Ellipse auf die Aufnahmekontur gelegt. Wenn die Erkennung erfolgreich war, bildet der Schnittpunkt der kürzesten Achsen mit der längsten Achse den Mittelpunkt der elliptischen Aufnahmekontur.
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Durch die Auswertesoftware (BVSW) folgt die Bildung einer Differenz zwischen den Koordinaten der ermittelten aktuellen Mittelpunkte. Die gebildete Differenz wird mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen. Wird der Schwellwert eingehalten, erfolgt das Erzeugen eines Steuerbefehls zur Lageanpassung von optischer Achse und aktuellem Mittelpunkt. Dabei kann einer der aktuellen Mittelpunkte ausgewählt werden oder die Koordinaten der aktuellen Mittelpunkte werden gemittelt und die Koordinaten eines resultierenden Mittelpunkts werden verwendet. Wird der Schwellwert überschritten, dann weichen die aktuellen Mittelpunkte zu stark voneinander ab. Es liegt ein Störfall vor, welcher akustisch und/oder optisch signalisiert wird. Beispielsweise ist dies der Fall, wenn die betreffende kreisförmige Aufnahmekontur deformiert bzw. teilweise oder ganz verdeckt ist.
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Erfolgt gemäß einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens ein Annähern der Lagen von optischer Achse (Durchstoßpunkt) und aktuellem Mittelpunkt, kann durch ein Wiederholen der Verfahrensschritte des Ermittelns des aktuellen Mittelpunkts, der Differenzbildung und dem Vergleich der Differenz mit einem vorgegebenen Schwellwert nach der erfolgten Lageanpassung von optischer Achse und aktuellem Mittelpunkt daraufhin kontrolliert werden, ob die Lageanpassung erfolgreich war.
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Sind die Lagen von optischer Achse und aktuellem Mittelpunkt noch zu weit voneinander entfernt, kann erneut ein Steuerbefehl erzeugt werden, um die Lageanpassung fortzusetzen.
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Die Lageanpassung war erfolgreich, wenn sich die Abweichung der Lagen der optischen Achse (Durchstoßpunkt) zum aktuellen Mittelpunkt der kreisförmigen Aufnahmekontur innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs befinden. Es ergeht der Steuerbefehl zur Einfahrt der Greifvorrichtung in die kreisförmige Aufnahmekontur. Die Ansteuerung der Greifvorrichtung kann so erfolgen, dass die Greifvorrichtung in der Aufnahmeposition zugestellt wird. Hierbei bewegt sich das Greifsystem in Stoßrichtung Z zu einem vorgegebenen Z-Wert oder einem berechneten Z-Wert. Dieser Zielpunkt ist die Aufnahmeposition.
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Die bekannten CAD-Daten der kreisförmigen Aufnahmekontur, wie bspw. Durchmesser, Umfang und Flächeninhalt, können als Referenzwert in der Auswerteeinheit hinterlegt werden, um im Bedarfsfall anhand der aktuell ermittelten Werte eine Information zum Abstand der Greifvorrichtung zur Oberfläche der Aufnahmekontur ableiten zu können. Mit dieser Information könnte man bspw. die Einfahrtiefe in das Bauteil bzw. den Anfahrtsweg an das Bauteil für das Greifsystem in Stoßrichtung Z vorgeben.
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In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens werden die X/Y-Ausgabewerte des Versatzes zwischen den ermittelten Mittelpunkt der elliptischen Aufnahmekontur und der optischen Achse der Kamera in Bezug gesetzt. Über die die Ausrichtung der längsten Achse erfolgt die Berechnung der Verdrehung um die Stoßrichtung in Richtung einer Z-Achse (Euler Winkel A).
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Die ermittelten Werte in Richtung der X- und der Y-Achse sowie der Wert für die Verdrehung um die Stoßrichtung Z (Euler Winkel A) werden in einer möglichen Ausgestaltung über eine Netzwerkverbindung an die Steuereinheit, beispielsweise an einen Roboter Controller oder eine Servo-geregelte Transfereinheit, übermittelt. Die Roboter Steuerung bzw. die Servo-geregelte Transfereinheit kompensiert den Versatz durch eine entsprechende Verschiebung und/oder Verdrehung des Bauteils und/oder der Greifvorrichtung. Im Anschluss erfolgt eine Kontrollmessung.
Sind die Lagen von optischer Achse und aktuellem Mittelpunkt noch zu weit voneinander entfernt oder die Ausrichtung der beiden längsten Achsen verläuft noch nicht parallel, kann erneut ein Steuerbefehl erzeugt werden, um die Lageanpassung fortzusetzen.
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Wird durch die Kontrollmessung die erfolgreiche Korrektur zu bestätigen, ergeht ein Steuersignal und damit ein exaktes, schonendes Ein- oder Anfahren der Greifelemente in oder an das Bauteil zu gewährleisten.
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Anhand der Referenzwerte und der aktuell ermittelten Messwerte ließe sich im Bedarfsfall der Abstand Z der Greifvorrichtung zur Oberfläche der Aufnahmekontur ableiten. Mit dieser Information könnte man die Wegstrecke in Stoßrichtung Z bis zur Aufnahmeposition vorgeben.
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Auf die Bildverarbeitungssoftware kann vorteilhaft über eine Remote-Schnittstelle ein Zugriff erfolgen. Optional können Bilder von Störfällen in einem Ringspeicher archiviert werden, um die Ursache der Störung ermitteln bzw. belegen zu können.
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Die Auswertung der Bilddaten und die Erzeugung der Steuerbefehle kann in Echtzeit erfolgen, um die Regelungszeiten zu reduzieren. Auf die Auswerteeinheit kann optional via Remote zugegriffen werden, um im Störfall dessen Ursache schnell ermitteln zu können.
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Mittels der erfindungsgemäßen Greifvorrichtung ist es möglich, eine Mustererkennung durchzuführen, welche zur Bestimmung der Vorposition von Bauteilen in einer unbekannten Ausrichtung an einem variablen Ort und auf einer ebenen Fläche in 2D genutzt werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Greifvorrichtung können zum Beispiel Ringe, Rohre, Stangen, Zylinder oder Scheiben aufgenommen werden. Entsprechend dem Bauteil des zur Aufnahme konstruierten Greifsystems, kann eine Greifvorrichtung mit Innenbacken in eine Vertiefung, ein Durchbruch oder eine Bohrung in dem zu ergreifenden Bauteil einfahren oder eine Greifvorrichtung nimmt mit Außenbacken das betreffende Bauteil auf, indem diese es umfassen.
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Die Vorteile der Erfindung liegen in der Möglichkeit einer definierten und optimierten Positionierung der Greifvorrichtung relativ zu einer Aufnahmekontur. Prozessschwankungen, wie zum Beispiel Toleranzschwankungen des Bauteils, einer Bauteilaufnahme und/oder der Bauteillage sowie temperaturbedingte Abweichungen können detektiert und kompensiert werden. Durch die Kombination verschiedener Algorithmen zur Berechnung beispielsweise eines Mittelpunktes können nicht nur eventuell bereits vorhandene Beschädigungen der Aufnahmekonturerkannt, sondern auch Crashs bei auftretenden Störfällen vermieden werden. Als Störfälle gelten beispielsweise eine fehlende oder nur teilweise vorhandenen Aufnahmekontur.
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Die Erfindung schafft die Grundlage für einen neuen, einen eigenständigen Regelkreis. Ein Regelkreis, welcher direkt zwischen Greifer-Tool und Bauteil entsteht und autonom von der übergeordneten Steuerung (SPS) eines Roboters oder einer Maschine agiert. Die Erfindung lässt sich mit intelligenter Sensorik umschreiben.
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Mit der Erfindung wird eine optimale Aufnahme des Bauteils durch eine Greifvorrichtung ermöglicht. Zudem werden Störfälle erkannt und somit Kollisionen vermieden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Greifvorrichtung in einem Längsschnitt;
- 1a eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels der 1;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Greifvorrichtung;
- 3 ein erstes Beispiel der Ermittlung eines aktuellen Mittelpunkts durch Anpassen einer Kreisform an eine Aufnahmekontur;
- 4 ein erstes Beispiel der Ermittlung eines aktuellen Mittelpunkts durch Anpassen einer Form einer Ellipse an eine Aufnahmekontur;
- 5 ein zweites Beispiel der Ermittlung eines aktuellen Mittelpunkts durch Anpassen einer Kreisform an eine Aufnahmekontur;
- 6 ein zweites Beispiel der Ermittlung eines aktuellen Mittelpunkts durch Anpassen einer Form einer Ellipse an eine Aufnahmekontur;
- 7 ein Beispiel der Ermittlung eines aktuellen Mittelpunkts durch Anpassen einer Form eines Quadrats an eine Aufnahmekontur; und
- 8 ein Beispiel eines Störfalls infolge einer teilweise verdeckten Aufnahmekontur.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Greifvorrichtung 1 ist schematisch in 1 in einem Längsschnitt dargestellt. Die Greifvorrichtung 1 ist symmetrisch um ihre Längsachse 3 ausgebildet und verläuft sich verjüngend zu einer Seite zu. Die Spitze der Greifvorrichtung 1 ist offen. Im Inneren der Greifvorrichtung 1 befindet sich eine Objektivlinse 2, deren optische Achse 3 mit der Längsachse 3 zusammenfällt. Außerdem ist im Inneren des Grundkörpers der Greifvorrichtung 1 eine Kamera 4 angeordnet, mittels derer unter Nutzung der Objektivlinse 2 Bilddaten erfasst werden können. Die Kamera 4 und die Objektivlinse 2 können in einer Abwandlung integriert als Kameraeinheit ausgeführt sein. Eine solche Kameraeinheit wird vorstehend und nachfolgend auch als Mini-Kamera bezeichnet. Die Mini-Kamera ist vollständig in den Grundkörper der Greifvorrichtung 1 eingelassen und mit diesem verschraubt oder verklebt. Die Greifvorrichtung 1 weist ferner zwei stellbare Greifelemente 1.1 und 1.2 auf, mit einem Grundelement, das mit dem Grundkörper der Greifvorrichtung 1 verbunden ist, und einem gelenkig mit dem Grundelement verbundenen Effektorelement. Die Gestalt des Effektorelements ist an eine vorbestimmte „Greifaufgabe“ angepasst. Um die Anpassung der Greifvorrichtung 1 an eine neue Greifaufgabe zu vereinfachen, ist die Verbindung zwischen Grundelement und Effektorelement oder zwischen Grundkörper und Grundelement lösbar und das Effektorelement ist austauschbar.
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In der 1a ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der Greifvorrichtung der 1 gezeigt. Der Grundaufbau entspricht der Greifvorrichtung 1 der 1, weshalb diesbezüglich an dieser Stelle auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann. Zusätzlich weist die Greifvorrichtung eine zweite Kamera 4a auf. Diese ist orthogonal zu der ersten Kamera 4 in einem der Greifelemente 1.1, 1.2 angeordnet. Das Sichtfeld der zweiten Kamera 4a ist somit orthogonal zu dem Sichtfeld der ersten Kamera 4. Im Ausführungsbeispiel der 1a blickt die zweite Kamera 4a nach innen in Richtung der Längsachse 3 der Greifvorrichtung. Es kann alternativ vorgesehen sein (nicht gezeigt), dass die zweite Kamera 4a nach außen von der Längsachse 3 der Greifvorrichtung weg blickt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Greifvorrichtung 1 mit Objektivlinse 2 und Kamera 4 ist in 2 schematisch gezeigt. Die Kamera 4 ist außerhalb der Greifvorrichtung 1 angeordnet und erhält Bilddaten über eine nur andeutungsweise dargestellte Lichtleitfaser. Die optische Achse 3 ist auf ein Bauteil 5 gerichtet, das eine Aufnahmekontur 6 in Form eines Lochs aufweist. Die Kamera 4 ist über eine Verbindung 11, insbesondere eine steckbare Kabelverbindung (angedeutet gezeigt), mit einer Auswerteeinheit 7 verbunden, in der zudem eine variable Schnittstelle 10, beispielsweise zur Zuordnung digitaler Daten zu Netzwerkprotokollen, vorhanden ist. Diese ist dazu konfiguriert, um anhand der erhaltenen Bilddaten Koordinaten mindestens eines aktuellen Mittelpunkts M (siehe 3 bis 6) der Aufnahmekontur 6 zu ermitteln und Koordinaten ermittelter aktueller Mittelpunkte M zu vergleichen. Eine Steuereinheit 8 dient zur Erzeugung von Steuerbefehlen in Abhängigkeit der Ergebnisse der Auswerteeinheit 7. Mittels der Steuerbefehle wird eine Stellvorrichtung 9 angesteuert, mittels der die Lage der optischen Achse 3 und eines aktuellen Mittelpunkts M zueinander angenähert werden kann. Auswerteeinheit 7, Steuereinheit 8 und/oder Stellvorrichtung 9 können auch in einer Ausführung gemäß 1 vorhanden sein.
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In der 3 ist beispielhaft die Ermittlung eines aktuellen Mittelpunkts M gezeigt. An die Außenform der Mündung der Aufnahmekontur 6 wird virtuell eine Kreisform angepasst, indem ein Kreis an den Hell-Dunkel-Übergang der Aufnahmekontur 6 approximiert wird. Der Mittelpunkt des so gefundenen Kreises ist der aktuelle Mittelpunkt M der Aufnahmekontur 6. Außerdem wird virtuell ein Durchstoßpunkt DP der optischen Achse 3 (nicht gezeigt) ermittelt, in dem diese die Referenzöffnung 6 durchstoßen würde. Für den aktuellen Mittelpunkt M und den Durchstoßpunkt DP werden die jeweiligen Koordinaten, beispielsweise als X- und Y-Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems, ermittelt. Anhand der Differenz der Koordinaten des aktuellen Mittelpunkts M und des Durchstoßpunkts DP können Steuerbefehle generiert und der Durchstoßpunkt DP an den aktuellen Mittelpunkt M, oder umgekehrt, angepasst werden.
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Um die Außenform der Mündung der Aufnahmekontur 6 an die Form einer Ellipse anzupassen, wird der kleinste Durchmesser der Außenform als kleine Achse einer Ellipse anhand der Bilddaten ermittelt. Ausgehend von der Mitte der kleinen Achse wird orthogonal dazu eine große Achse der Ellipse ermittelt. Der aktuelle Mittelpunkt M der Ellipse wird ermittelt und wie oben beschrieben mit dem Durchstoßpunkt DP verglichen.
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Es können auch die Koordinaten der mittels der beiden Vorgehensweisen ermittelten aktuellen Mittelpunkte M, miteinander verglichen werden. Weist die Aufnahmekontur 6 die gewünschte Form und Größe auf, liegen die Koordinaten der aktuellen Mittelpunkte M im Falle runder Aufnahmekonturen 6 sehr nahe beieinander.
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Eine solche Situation ist in der Tabelle unter den 3 und 4 gezeigt. Die Koordinaten weichen in X- beziehungsweise in Y-Richtung nur sehr gering voneinander ab. Auch die Abweichung der ermittelten Durchmesser liegt unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts und wird als tolerierbar angesehen.
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Entsprechend ist die in den 5 und 6 dargestellte Situation. Allerdings ist die Aufnahmekontur 6 teilweise verdeckt. Insbesondere der mittels Anpassung an die Form einer Ellipse ermittelte aktuelle Mittelpunkt M ist deutlich nach oben verschoben (6). Im Vergleich der Koordinaten der mit den beiden Verfahrensweisen ermittelten aktuellen Mittelpunkte M treten erhebliche Abweichungen auf, die oberhalb eines vorgegebenen kritischen Schwellwerts liegen (siehe Tabelle unter den 5 und 6). Infolge dieser Abweichungen wird ein Warnsignal ausgelöst.
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Ein Beispiel der Ermittlung eines aktuellen Mittelpunkts M durch Anpassen einer Form eines Quadrats an eine Aufnahmekontur 6 ist in Fig. / dargestellt. Die Aufnahmekontur 6 wird als Rechteck, insbesondere als ein Quadrat erkannt, da die hinterlegte Kontur eines Quadrats eine Außenform der erkannten Aufnahmekontur 6 am besten approximiert. Die Kanten der Aufnahmekontur 6 werden virtuell verlängert. Deren jeweilige Schnittpunkte werden ermittelt und dienen als Messpunkte zur Ermittlung der jeweiligen Kantenlängen KL sowie der Konstruktion und Längenermittlung der Diagonalen DN. Die ermittelten Kantenlängen KL und Längen der Diagonalen DN werden mit hinterlegten Daten, insbesondere mit hinterlegten CAD-Daten der Aufnahmekontur 6 verglichen. Weichen die Verhältnisse der Kantenlängen KL, des Umfangs der Aufnahmekontur 6 und/oder des Flächeninhalts nicht mehr als ein vorbestimmter Toleranzbetrag voneinander ab, wird ein Quadrat erkannt. Der aktuelle Mittelpunkt M ist durch den Schnittpunkt der beiden Diagonalen DN gegeben. Weichen die die Verhältnisse der Kantenlängen KL, des Umfangs der Aufnahmekontur 6 und/oder des Flächeninhalts mehr als der vorbestimmte Toleranzbetrag voneinander ab, wird ein Störfall erkannt.
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Ein solcher Störfall ist beispielhaft in 8 gezeigt. Die rechte untere Ecke der Aufnahmekontur 6 ist überdeckt und wird daher nicht erkannt. Entsprechend werden statt vier sogar fünf Kantenlängen KL ermittelt, die zueinander nicht in einem tolerierbaren Verhältnis stehen. Außerdem werden mehr als zwei mögliche Diagonalen DN erkannt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Greifvorrichtung
- 1.1
- erstes Greifelement
- 1.2
- zweites Greifelement
- 2
- Objektivlinse
- 3
- optische Achse, Längsachse
- 4
- (erste) Kamera
- 4a
- zweite Kamera
- 5
- Bauteil
- 6
- Aufnahmekontur
- 7
- Auswerteeinheit
- 8
- Steuereinheit
- 9
- Stellvorrichtung
- 10
- Schnittstelle
- 11
- Verbindung
- DP
- Durchstoßpunkt
- M
- aktueller Mittelpunkt
- KL
- Kantenlänge
- DN
- Diagonale
