DE19501094A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung von Bewegungseinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Kalibrierung von Bewegungseinrichtungen, wie z. B. Industrieroboter, medizinische Manipulato­ ren, Großroboter usw., die eine Orientierungsänderung am Endeffektor erlauben.

Verfahren zur Kalibrierung von Robotern und anderen mehrachsigen Bewegungseinrichtungen dienen dazu, die Parameter eines Gerätemodells zu ermitteln. Das Gerä­ temodell ist eine mehr oder weniger umfassende mathe­ matische Beschreibung der realen Bewegungseinrichtung einschließlich der verwendeten Stellungssensoren und Antriebselemente. Aufgrund einer Vermessung von Posi­ tion und eventuell Orientierung des Endeffektors oder weiterer Geräteteile in unterschiedlichen Stellungen des Gerätes kann über ein mathematisches Optimie­ rungsverfahren das Gerätemodell mit optimalen Parame­ tern ausgestattet werden. Optimal heißt, daß die vom realen Gerät erhaltenen Meßwerte und die entsprechen­ den Größen des mathematischen Modells möglichst gut übereinstimmen.

Basis der Kalibrierung sind daher neben einem Geräte­ modell Meßwerte, die Position und eventuell Orientie­ rung des Endeffektors oder weiterer Geräteteile in unterschiedlichen Stellungen des Gerätes wiedergeben. Zu diesem Zweck werden Meßgeräte unterschiedlicher Genauigkeit und Geschwindigkeit eingesetzt, z. B. Ko­ ordinaten-Meßgeräte, Theodoliten-Meßverfahren usw. Weiterhin existieren Meßverfahren, mit denen die Po­ sition des Endeffektors relativ zu einer Referenzebe­ ne, in Form des Abstandes zur Ebene und der proji­ zierten Position innerhalb der Ebene angegeben wird. Die Nachteile der im Stand der Technik verwendeten Meßmethoden sind hohe Kosten für die benötigten Meß­ geräte bzw. Sensoren, teilweise längere Vorberei­ tungszeiten, bis mit der eigentlichen Vermessung be­ gonnen werden kann, lange Dauer der Vermessung selbst, notwendige kalibrierte Prüfkörper, qualifi­ ziertes Personal für das Meßverfahren, und weiterhin ist oft eine Vermessung der Bewegungseinrichtung am Einsatzort nicht möglich.

Aus der US 5,177,563 ist beispielsweise ein Meßsystem bekannt, bei dem an dem Endeffektor einer Bewegungs­ einrichtung ein U-förmiger Sensorträger vorgesehen ist, an dessen Schenkel jeweils drei optische Sender und Empfänger angebracht sind und als Referenzkörper ist eine Kugel vorgesehen. Durch gleichzeitigen tan­ gentialen Kontakt mit drei Lichtstrahlen wird die Kugelposition bestimmt. Dies bringt Genauigkeitspro­ bleme mit sich, da das tangentiale Berühren von Lichtstrahlen nicht sehr gut mit der Kugelposition korreliert. Darüber hinaus ist die Positionierung langwierig, da die Sensoranordnung exakt auf Position gebracht werden muß, und es muß ein iteratives Ein­ passen der Kugel in drei Raumrichtungen durchgeführt werden, damit alle drei Lichtstrahlen gleichzeitig berührt werden. Außerdem muß der Radius der Kugel bzw. der Kugeln konstant sein, da die Sensoranordnung daran angepaßt ist. Der Aufbau der Sensoranordnung verhindert eine Bestimmung der Kugelposition in einem großen Orientierungsbereich, da in mindestens einer Orientierungsebene aufgrund der Schenkelanordnung der Orientierungsbereich deutlich kleiner als 180° ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren von Bewegungseinrichtungen zu schaffen, mit denen optima­ le Parameter der Bewegungseinrichtungen derart erhal­ ten werden, daß die reale Bewegungseinrichtung sehr genau positioniert werden kann, wobei das Meßverfah­ ren für die Kalibrierung einfach und schnell durch­ zuführen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruches und des nebengeordneten Vorrich­ tungsanspruches gelöst. Dadurch, daß mindestens ein in bezug auf die Bewegungseinrichtung feststehender kugelförmiger Referenzkörper und mindestens ein am Endeffektor bzw. an anderen Teilen der Bewegungsein­ richtung angeordneter Abstandssensor vorgesehen ist, kann eine sehr schnelle Vermessung, deren Dauer prak­ tisch nur noch von der Bewegungsgeschwindigkeit der vermessenden Bewegungseinrichtung abhängt, durchge­ führt werden, wobei die Meßwerte in der Berechnungs­ einrichtung weiterverarbeitet werden. Die Kosten des Meßverfahrens sind gering, da nur preiswerte Sensoren benötigt werden. Für die Vermessung entfällt eine Einrichtung und Kalibrierung der Referenzkörper oder Meßgeräte, und daher ist nur eine kurze Vorberei­ tungszeit nötig, wobei der gesamte zu kalibrierende Arbeitsraum der Bewegungseinrichtung in einem Schritt vermessen werden kann. Die Durchführung der Vermes­ sung, die in den meisten Fällen am Einsatzort des Gerätes bzw. der Bewegungseinrichtung möglich ist, kann auch durch angelerntes Personal zuverlässig durchgeführt werden. Außerdem erlaubt das Verfahren eine einfache Detektion von fehlerhaften Meßwerten, die vor der Optimierungsrechnung entfernt werden kön­ nen und daher die Kalibrierung nicht verfälschen.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Bewe­ gungseinrichtung mit Referenzkörper,

Fig. 2 eine vergrößerte, schematische Ansicht der Meßeinrichtung und

Fig. 3 ein Schaubild für das prinzipielle Vorgehen zur Ermittlung optimaler Parameter der Be­ wegungseinrichtung.

Im folgenden Ausführungsbeispiel wird ein Roboter als Bewegungseinrichtung beschrieben. Es ist entsprechend auf alle anderen Bewegungseinrichtungen anwendbar.

In Fig. 1 ist ein zu kalibrierender Roboter 1 darge­ stellt, der durch eine Steuerung in vorgebbare Lagen gebracht werden soll, wobei üblicherweise Soll-Lager in "Welt"-Koordinaten X, Y, Z (und drei Orientierungen) vorgegeben werden, die von der Steuerung der Bewe­ gungseinrichtung unter Verwendung von Parametern, welche die Bewegungseinrichtung beschreiben, in Soll-Achs­ winkel q_Soll umgerechnet werden. Bei der Übertra­ gung der vorgegebenen Bewegung auf den TCP (Tool Con­ trol Point), der im Koordinatensystem mit x, y, z be­ zeichnet wird durch Einstellen der von der Steuerung berechneten Achswinkel, treten zusätzliche Einfluß­ größen bzw. Fehler in den von der Steuerung verwende­ ten Parametern auf, die die Genauigkeit der tatsäch­ lichen Lage des Roboter-TCPx_Ist in bezug auf die vor­ gegebenen Achswinkel beeinflussen. Diese Parameter sind beispielsweise die Null-Lagen der Achsen, d. h. die Abweichung zwischen der tatsächlichen Null-Stel­ lung der Achsen und dem in dieser Stellung gemeldeten Wert des eingebauten Winkelsensors, Achswinkelfehler, wie Positionierrauschen, Getriebe-Ungenauigkeit usw., kinematische Parameter, wie Achslängen und -versätze in den Achsen, Durchbiegungseffekte usw. Einige oder alle diese Parameter sollen je nach gewünschter Ge­ nauigkeit bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.

In Fig. 3 ist die prinzipielle Vorgehensweise darge­ stellt, wobei die Vorgehensweise über der gestrichel­ ten Linie 3 mittels realer Geräte durchgeführt wird, während unterhalb der gestrichelten Linie eine mathe­ matische Modellierung vorgenommen wird. In dieser Figur ist mit 4 der reale Roboter bezeichnet, der die reale TCP-Lage x_Ist liefert. Diese reale TCP-Lage bleibt unbekannt. Allerdings bewegt sie eine später beschriebene Meßeinrichtung 5, welche die Meßwerte m_Ist liefert. Weiterhin ist ein Modell des Roboters 6 sowie ein Modell der Meßeinrichtung 7 vorgesehen, die berechnete TCP-Lagen x_Modell und berechnete Meßwerte m_Modell liefern. Auf der Grundlage der realen Meßwerte m_Ist und der berechneten Meßwerte m_Modell wird eine Opti­ mierungsrechnung zur Identifikation der Geräteparame­ ter (siehe Bezugszeichen 8) durchgeführt.

In Fig. 2 ist die Meßvorrichtung schematisch darge­ stellt, und sie besteht aus einem in bezug auf die Welt-Koordinaten räumlich feststehenden kugelförmigen Referenzkörper 9 und aus am Endeffektor 10 des Robo­ ters 1 über eine Halterung 11 angebrachten Abstands­ sensoren 12, die im Ausführungsbeispiel als optische Sensoren ausgebildet sind. In Fig. 2 sind zwei Senso­ ren vorgesehen, es kann aber auch nur mit einem Sen­ sor gearbeitet werden, oder es können drei oder mehr Sensoren gleichzeitig verwendet werden. Auch können mehrere Referenzkörper 9 im Arbeitsraum des zu kali­ brierenden Roboters angeordnet werden.

Jeder der kugelförmigen Referenzkörper wird in geeig­ neter Weise raumfest positioniert, z. B. auf einem Stativ (siehe Fig. 1). Die Anzahl der Referenzkörper und deren Position im Raum richtet sich nach dem Ar­ beitsraum des zu kalibrierenden Roboters und danach, ob die Kalibrierung möglicherweise nur in einem be­ stimmten Teil des Arbeitsraumes gültig sein soll.

Für den Kalibriervorgang muß die Position k im Welt-Ko­ ordinatensystem ungefähr bekannt sein, wobei die Kugel 9 manuell vermessen werden kann. Es ist aber auch möglich, die Kugelposition mit Hilfe der Meßein­ richtung 5 zu bestimmen. Dazu wird die Kugel grob positioniert, und durch manuelle Steuerung des Robo­ ters wird die Kugel 9 angefahren, und es wird der Abstand zwischen Abstandssensor und Kugeloberfläche gemessen. Da durch die Steuerung der Bewegungsein­ richtung die Lage des TCP und damit auch die Lage des Abstandssensors in Welt-Koordinaten bekannt ist, kann aus dem gemessenen Abstand sofort die Position des angemessenen Punktes auf der Kugeloberfläche im Welt-Ko­ ordinatensystem berechnet werden. Die Messung wird aus unterschiedlichen Richtungen wiederholt, wodurch die Positionen mehrerer Punkte auf der Kugeloberflä­ che im Welt-Koordinatensystem bekannt werden. Durch eine mathematische Anpassungsrechnung wird eine idea­ lisierte Kugel in diese gemessenen Punkte optimal eingepaßt. Dabei kann der Radius der Kugel entweder fest vorgegeben sein oder erst während der Anpaßrech­ nung ermittelt werden. Der Mittelpunkt der so berech­ neten Kugel ist eine gute Annäherung an die tatsäch­ liche Kugelposition k.

Diese Kugelposition wird auch dem Modell der Meßein­ richtung 7 vorgegeben.

Für das eigentliche Meßverfahren wird entsprechend Fig. 3 eine Mehrzahl von Achswinkeln in Welt-Koordi­ naten als Meßlagen q_Soll bereitgestellt, wobei vorzugs­ weise berücksichtigt wird, daß der Abstandssensor 12 im Idealfall immer denselben Abstand zur Kugelober­ fläche besitzt und die Messung senkrecht zur Kugel­ oberfläche durchgeführt wird. Die Meßlagen werden nacheinander angefahren, und für jede Meßlage wird der Abstandswert zur Kugel 9 gemessen. In den jewei­ ligen Meßwert m_Ist gehen die reale TCP-Lage x_Ist, die Kugelposition k und der Kugelradius ein.

Parallel zu der Messung des eindimensionalen Abstan­ des m_Ist zu der Kugeloberfläche bei den unterschiedli­ chen TCP-Lagen liefert das mathematische Modell des realen Roboters, für das ein statisches Modell der Gerätekinematik verwendet wird, unter Berücksichti­ gung der vorgegebenen Achswinkel q_Soll jeweils eine TCP-Lage x_Modell. Das Modell der Meßeinrichtung berech­ net aus der TCP-Lage sowie der Position der Kugel relativ zum Roboter und dem Schnittpunkt des "Meß­ strahles" den jeweiligen Abstand m_Modell. Mit der Sum­ mier/Subtrahiervorrichtung 13 wird die Abweichung zwischen den realen Meßwerten und den berechneten Meßwerten bestimmt, und in der Parameter-Identifika­ tion, in der Ausgangswerte der Parameter vorgegeben sind, wird abhängig von der Summe z. B. der quadrati­ schen Abweichung eine nichtlineare mehrdimensionale Optimierung durchgeführt, d. h. die Parameter des Ro­ botermodells 6 und des Modells der Meßeinrichtung 7 werden so angepaßt, daß über alle Messungen eine bestmögliche Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten Meßwerten erreicht wird. Die letztendlich gefundenen Modell-Parameter beschreiben den realen Roboter in einem optimalen Sinn, und die optimalen Parameter können dann an die Robotersteuerung überge­ ben werden, die diese gefundenen Parameter bei allen Positionier- und Orientierungsangaben im Welt-Koor­ dinatensystem berücksichtigt. Die Parameter können auch dazu verwendet werden, ein genaueres Modell des Roboters zu erstellen.

Da die Meßeinrichtung als Modell in die Optimierungs­ rechnung mit einbezogen wird, ist eine explizite Be­ stimmung der realen TCP-Lage nicht mehr nötig, d. h. die tatsächliche Lage des Roboter-TCPx_Ist muß nicht bekannt sein. Daher ist die Messung nur des eindimen­ sionalen Abstandes m_Ist zu der Oberfläche der Kugel 9 als Meßwert ausreichend.

Als Sensoren sind im obigen Ausführungsbeispiel opti­ sche Sensoren angegeben. Selbstverständlich ist die Verwendung anderer berührungslos oder auf Berührung arbeitender Sensoren möglich.

Claims (6)

1. Verfahren zur Kalibrierung von Bewegungseinrich­ tungen unter Verwendung mindestens eines in be­ zug auf die Bewegungseinrichtung feststehenden kugelförmigen Referenzkörpers und mindestens eines am Endeffektor bzw. anderen Teilen der Bewegungseinrichtung angeordneten Abstandssen­ sors, bei dem bei gewünschten vorgegebenen Stel­ lungen der Achswinkel als Meßlagen der kugelför­ mige Referenzkörper aus unterschiedlichen Rich­ tungen abgetastet und der jeweilige Abstand zu dem kugelförmigen Referenzkörper zur Bestimmung von Abstandsmeßwerten gemessen wird, wobei die Abstandsmeßwerte mit simulierten Meßwerten ver­ glichen werden, die durch ein mathematisches Modell der Bewegungseinrichtung und ein mathema­ tisches Modell der Meßeinrichtung bei den vor­ gegebenen Meßlagen berechnet werden, und wobei abhängig von den Abweichungen eine Optimierung sowohl der Parameter des Modells der Bewegungs­ einrichtung als auch der des Modells der Meßein­ richtung durchgeführt wird und die über alle Messungen optimalen Parameter der Bewegungsein­ richtung für ihre Steuerung oder ihre mathemati­ sche Modellierung verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßlagen so ge­ wählt werden, daß der Abstandssensor in etwa den gleichen Abstand zur Oberfläche des kugelförmi­ gen Referenzkörpers aufweist, und daß die Abstandsmessung senkrecht zur Oberfläche des Referenzkörpers durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor den eigentlichen Messungen die Referenzkörperposition im Welt-Ko­ ordinatensystem der Bewegungseinrichtung be­ stimmt wird, wobei die Bewegungseinrichtung in eine Mehrzahl definierter Stellungen zu dem Re­ ferenzkörper gesteuert wird und jeweils der Ab­ stand zu der Oberfläche des Referenzkörpers ge­ messen und aus den Meßwerten die wirkliche Posi­ tion berechnet wird.

4. Vorrichtung zum Kalibrieren von Bewegungsein­ richtungen nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein in bezug auf die Bewegungseinrichtung (1) festste­ hender kugelförmiger Referenzkörper (9) und min­ destens ein am Endeffektor (10) bzw. anderen Teilen der Bewegungseinrichtung (1) angeordneter Abstandssensor (12) sowie eine Steuer- und Be­ rechnungseinrichtung vorgesehen sind, wobei die Steuereinrichtung die Bewegungseinrichtung in vorgegebene Meßlagen steuert und der Abstands­ sensor (12) den Abstand zur Oberfläche des ku­ gelförmigen Referenzkörpers (9) mißt, und daß die Berechnungseinrichtung abhängig von den Meß­ werten, Meßlagen und der Kugelposition sowie vorgegebenen Anfangswerten der Parameter eine Optimierung der Parameter der Bewegungseinrich­ tung vornimmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Referenzkör­ per (9) und/oder Abstandssensoren (12) vorgese­ hen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Abstandssensor (12) als optischer Sensor ausge­ bildet ist.