DE19616276A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen und Kalibrieren eines mehrachsigen Manipulators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen und Kalibrieren eines mehrachsigen Manipulators, insbesondere eines sechsachsigen Industrieroboters, mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruchs.

In der Praxis ist es bekannt, einen Roboter mit mechanischen Koordinatenmeßmaschinen zu vermessen. Dabei wird der Roboter in eine vorgegebene geometrische "0"-Stellung gefahren, in der alle seine Achsen zueinander ausgerichtet orthogonal sein sollen. Die Vermessung erfolgt am Roboter selbst durch Abtasten von Referenzpunkten. Dabei müssen Achskorrekturen solange durchgeführt werden, bis die Meßpunkte miteinander tatsächlich im Lot liegen. In dieser tatsächlichen "0"-Stellung kann dann die Kalibrierung des Roboters erfolgen. Hierzu werden z. B. Meßuhren an den Achsen solange verschoben, bis sie in eine am Achsenschaft befindliche mechanische Markierung, z. B. eine Kerbe, greifen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bessere Möglichkeit zur Vermessung und Kalibrierung eines Manipulators aufzuzeigen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist schneller, einfacher und genauer als vorbekannte Techniken. Darüber hinaus ist auch der Aufwand niedriger. Es genügen eine Meßvorrichtung und ein Meßkörper. Der Einsatz zweier Koordinatenmeßmaschinen, wie er beim Stand der Technik häufig erforderlich war, ist entbehrlich. Der Meßkörper hat den Vorteil, definierte und exakt erfaßbare Meßstellen zu bieten, die sich besser und genauer als Meßstellen an einem Robotergehäuse fertigen lassen.

Als gemeinsamer Bezugsort für den Meßkörper und den Manipulator kann die Grundplatte des Manipulators dienen, auf der beide mittels zweier oder mehrerer Aufnahmebolzen lösbar befestigt und für die verschiedenen Meßvorgänge ausgetauscht werden können.

Die auswechselbare Anordnung des Meßkörpers und des Manipulators auf einen gemeinsamen Bezugsort hat den Vorteil, daß mit wenigen und exakten Meßvorgängen eine genaue Kalibrierung des Manipulators auf sein World-Koordinatensystem erfolgen kann. Mit der Anordnung des Meßkörpers auf den Bezugsort kann gleich ein Koordinatenbezug zum Fußpunkt des Manipulators hergestellt werden.

Die Meßvorrichtung kann in beliebiger Weise ausgebildet sein. Von Vorteil ist die Verwendung einer berührungslos arbeitenden Meßkamera, die die einzelnen Meßstellen am Meßkörper dreidimensional vermessen kann. In einem Rechner, der in die Meßvorrichtung integriert oder dieser zugeordnet ist, können die einzelnen Lageberechnungen durchgeführt werden. Hier können auch gleich Korrekturwerte für die Achsbewegungen zum Anfahren der tatsächlichen "0"-Stellung des Manipulators berechnet und direkt in die Steuerung des Manipulators eingegeben werden. Dies vereinfacht den Rechenaufwand, beschleunigt das Meß- und Kalibrierverfahren und verbessert die Genauigkeit.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 den Meßkörper auf dem Bezugsort in der Draufsicht,

Fig. 2 den Manipulator in der Grundstellung auf den Bezugsort mit angebautem Meßkörper,

Fig. 3 den Manipulator mit angebautem Meßkörper in der Meßposition in Draufsicht,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Meßkörpers auf den Bezugsort und

Fig. 5 eine Seitenansicht des Manipulators mit angebautem Meßkörper auf den Bezugsort.

Die Zeichnungen verdeutlichen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen und Kalibrieren eines mehrachsigen Manipulators (1), der vorzugsweise als sechsachsiger Industrieroboter ausgebildet ist. Zur Vermessung kommt eine Vermessungseinrichtung (2) zum Einsatz, die vorzugsweise aus einem Meßkörper (5) mit drei oder mehr definierten Meßstellen (6, 7) und einer Meßvorrichtung (8) sowie einem Bezugsort (4) besteht.

Der Industrieroboter (1) besitzt im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Gestell (11), das auf einer Grundplatte (3) lösbar montiert ist. Auf dem Gestell (11) befindet sich ein Karussell mit einer Schwinge (12), welche sich um die vertikale Gestellachse bzw. Achse I drehen können. Die Schwinge (12) ist ihrerseits um eine vorzugsweise horizontale Schwingenachse (16) bzw. Achse II schwenkbar gegenüber dem Gestell (11) gelagert. Die Schwinge (12) trägt am anderen Ende einen Ausleger (13), der um eine ebenfalls im wesentlichen horizontale Auslegerachse (17) bzw. Achse III gegenüber der Schwinge (12) schwenkbar gelagert ist. Am vorderen Ende des Auslegers (13) ist die Roboterhand (14) angeordnet, die vorzugsweise drei Bewegungsachsen aufweist, die der Übersicht halber nicht im einzelnen dargestellt sind. Alternativ kann der Manipulator (1) auch anders als in der gezeigten Ausführungsform ausgebildet sein. Er kann außer Dreh- und Schwenkachsen auch translatorische Achsen besitzen. Er kann außerdem Zusatzachsen aufweisen oder weniger Achsen im gezeigten Ausführungsbeispiel haben.

Für die Vermessung und Kalibrierung des Manipulators (1) haben der Meßkörper (5) und der Manipulator (1) einen gemeinsamen Bezugsort (4), an dem sie lösbar befestigt sind und für die nachfolgend im einzelnen beschriebenen Meßvorgänge ausgetauscht werden können. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Bezugsort (4) von zwei oder mehr aufrecht stehenden Aufnahme- oder Steckbolzen gebildet, die auf der Grundplatte (3) des Manipulators (1) angeordnet sind. Der gemeinsame Bezugsort (4) ist die einfachste und genaueste Ausführungsform für die Erfindung. Alternativ können auch zwei Bezugsorte vorhanden sein, die aber in einem genau bekannten Lagebezug zueinander stehen.

Zur Vermessung und Kalibrierung des Manipulators (1) wird zunächst der Meßkörper (5) auf die Steckbolzen (4) und die Grundplatte (3) gesetzt. Der Meßkörper (5) besteht z. B. aus einer Platte mit entsprechenden Aufnahmeöffnungen für die Steckbolzen (4). An der Vorderseite hat der Meßkörper (5) drei oder mehr definierte Meßstellen (6, 7), die mit der Meßvorrichtung (8) anvisiert und dreidimensional vermessen werden können. Bei den Meßstellen (6) handelt es sich z. B. um drei an verschiedenen Stellen des Meßkörpers (5) positionierte Meßkegel oder sonstige geeignete und genau anmeßbare Punkte, Markierungen oder Körper. Die Meßstellen (6) können alle in der gleichen Ebene liegen.

Die Meßstelle (7) ist als ein über die Plattenoberfläche vorstehender Vorsprung ausgebildet und dient zur genaueren Festlegung und Kontrolle der Z-Achse. Sie ist zwischen den anderen Meßstellen (6) angeordnet und besteht aus einem vorstehenden Zapfen, der am Kopf ebenfalls eine geeignete Markierung, einen Körper oder dergleichen trägt. Der Meßkörper (5) hat dadurch in der gezeigten Ausführung vier Meßstellen (6, 7). Es können auch mehr sein.

Die Meßvorrichtung (8) kann beliebig ausgebildet sein. In der bevorzugten Ausführungsform besteht sie aus einer berührungslos arbeitenden Meßkamera für die räumliche Vermessung von Objekten. Sie hat z. B. einen beweglichen CCD-Bildsensor. Die Verschiebebewegungen lassen sich mit geeigneten Meßaufnahmen nach zwei Richtungen messen. Entfernungen können über ein Referenzgitter oder auf geeignete andere optische Weise gemessen werden. Dadurch kann beim Fokusieren ein metrischer Bezug hergestellt werden. Die Meßkamera (8) kann mit einem Visierstrahl (9) oder Meßstrahl die Meßstellen (6, 7) berührungslos abtasten und ihre Position dreidimensional erfassen.

Die Meßvorrichtung (8) hat einen festen Standort mit Abstand vor dem Bezugsort (4). Ihr Standort ist so gewählt, daß die nachfolgend beschriebenen Vermessungsvorgänge im Arbeitsbereich stattfinden und keinen Standortwechsel erforderlich machen.

Die Meßvorrichtung (8) kann einen Rechner (nicht dargestellt) beinhalten oder zugeordnet haben. Im Rechner werden die Meßdaten verarbeitet. Der Rechner und/oder die Meßvorrichtung (8) können über eine geeignete Leitung mit der Steuerung (10) des Manipulators (1) verbunden sein. Fig. 2 zeigt schematisch diese Anordnung. In den anderen Figuren ist die Steuerung (10) der Übersicht halber nicht dargestellt.

Die Meßvorrichtung (8) kann nivelliert und am Standort exakt und mit absolutem Bezug ausgerichtet sein. Dies ist allerdings nicht unbedingt erforderlich. Es kann genügen, mit der Meßvorrichtung (8) Relativmessungen durchzuführen.

Zu Beginn der Vermessung empfiehlt es sich, den Bezugsort (4), das heißt im gezeigten Ausführungsbeispiel die Steckbolzen (4) mit der Kamera zu vermessen und die Meßwerte zu speichern. Anschließend wird der Meßkörper (5) auf die Steckbolzen (4) gesetzt. Danach werden die Meßstellen (6, 7) mit der Meßkamera (8) vermessen. Hierbei wird ein Koordinatenbezug zwischen den Meßstellen (6,7) und den Steckbolzen (4) hergestellt. Die Meßwerte und die als Vektor vorliegenden Koordinatenbeziehungen können wiederum gespeichert werden.

Im nächsten Schritt wird der Meßkörper (5) gegen den Manipulator (1) ausgetauscht. Der Manipulator (1) sitzt nun in definierter Lage auf der Grundplatte (3) und den Steckbolzen (4). An der Roboterhand (4) wird der Meßkörper (5) in einer definierten Lage angebaut. Dadurch ist die Lagebeziehung zwischen Roboterhand (14) und den Meßstellen (6, 7) vorgegeben und festgelegt.

Für den nächsten Meßvorgang wird der Manipulator (1) in eine Grundposition mit angenommener "0"-Stellung seiner sechs Achsen (15, 16, 17) gefahren. In dieser angenommenen "0"-Stellung bestehen bei ein oder mehreren Achsen Stellungsabweichungen gegenüber der tatsächlichen "0"-Stellung.

In dieser Grundposition und angenommenen "0"-Stellung wird der Meßkörper (5) mit seinen Meßstellen (6, 7) erneut vermessen. Hierdurch wird wiederum ein Koordinatenbezug zwischen den Meßstellen (6, 7) in der Grundposition und dem Bezugsort (4) beziehungsweise auch den Meßstellen (6, 7) am Bezugsort (4) beim ersten Meßvorgang hergestellt.

Fig. 2 zeigt die vorbeschriebene Grundposition mit angenommener "0"-Stellung der Achsen (15, 16, 17) des Manipulators (1). Aus dieser Grundposition wird anschließend der Manipulator (1) in eine Meßposition gefahren, die in Fig. 3 wiedergegeben wird. In der Meßposition befindet sich der Meßkörper (5) vorzugsweise nahe vor der Meßkamera (8). Die Meßposition ist vorgegeben und wird über die Steuerung (10) des Manipulators (1) angefahren. Dabei bewegen sich die sechs Achsen (15, 16, 17) um vorgegebene Wege. Die Achsstellungen in der Grundposition und in der Meßposition sind bekannt, festgelegt und in der Steuerung (10) gespeichert.

In der Meßposition erfolgt neuerlich eine Vermessung des Meßkörpers (8) mit seinen Meßstellen (6, 7). Aus dem vorgegebenen und bekannten Verfahrweg des Manipulators (1) von der Grund- in die Meßposition ist es bekannt, welche Lage die Meßstellen (6, 7) haben müßten, wenn die Grundposition die tatsächliche "0"-Stellung der Achsen (15, 16, 17) präsentieren würde. Nachdem die Achsen (15, 16, 17) in der Grundposition aber nur eine angenommene "0"-Stellung haben, kommt es faktisch zu Lageabweichungen der Meßstellen (6, 7) in der Meßposition.

Die Ist-Lage und die Soll-Lage der Meßstellen (6, 7) in der Meßposition werden miteinander verglichen. In der Meßposition wird ebenfalls ein Koordinatenbezug zum Bezugsort (4) hergestellt. Aus den faktischen Lageabweichungen der Meßstellen (6, 7) in der Meßposition können die Stellungsdifferenzen zwischen der angenommenen und der tatsächlichen "0"-Stellung des Manipulators (1) ermittelt werden.

In der bevorzugten Ausführungsform werden bei dem Vergleich von Soll- und Ist-Lage der Meßstellen (6, 7) gleich Korrekturwerte für die Achsenbewegung berechnet und an die Steuerung (10) übermittelt.

Der Manipulator (1) wird dann aus der Meßposition zurückgefahren und bewegt sich dabei unter Berücksichtigung der Korrekturwerte entlang der zuvor in Vorwärtsrichtung gefahrenen vorgegebenen Bahn. Er fährt also den vorgegebenen Weg zwischen Meß- und Grundposition wieder zurück. Durch die Einbeziehung der Korrekturwerte hat der Manipulator (1) am Ende aber eine andere Position als die Grundposition. In diese Endposition haben die sechs Achsen (15, 16, 17) ihre tatsächliche "0"-Stellung und können kalibriert werden.

Zu Kontrollzwecken kann in der tatsächlichen "0"-Stellung noch einmal eine Vermessung des Meßkörpers (5) und ein Vergleich von Soll- und Ist-Lage stattfinden. Die Soll-Lage der Meßstellen (6, 7) wird aus der bekannten Bewegungsbahn des Manipulators (1) und den zuvor in der Meßposition ermittelten Korrekturwerten berechnet. Ist die Kontrollmessung in Ordnung, kann die Kalibrierung erfolgen. Ansonsten muß gegebenenfalls noch einmal nachpositioniert werden.

Die Kalibrierung der Achsen (15, 16, 17) des Manipulators (1) kann in beliebig geeigneter Weise erfolgen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel haben die sechs Achsen (15, 16, 17) mechanische Markierungen in Form von Kerben am Achsenmantel. Am Achsengehäuse sind Meßuhren in Umfangsrichtung beweglich angeordnet, die vorzugsweise mechanische Taster besitzen. Bei Einnahme der tatsächlichen "0"-Stellung werden die Meßuhren solange verschoben, bis ihre Taster in Eingriff mit den Achsmarkierungen stehen und dann fixiert. Die Meßuhren beinhalten geeignete Meßelemente, die den Markierungseingriff feststellen und für die Kalibrierung und für den nachfolgenden Betrieb des Manipulators (1) an die Steuerung (10) melden.

Abweichungen vom gezeigten Ausführungsbeispiel sind in verschiedener Weise möglich. So können z. B. aus den Lageabweichungen der Meßstellen (6, 7) in der Meßposition (vgl. Fig. 3) die Koordinatendifferenzen zwischen angenommener und tatsächlicher "0"-Stellung der Achsen (15, 16, 17) direkt berechnet werden. Die tatsächliche "0"-Stellung kann dann auf einer beliebigen Bahn unmittelbar angefahren werden. Ferner ist es möglich, den Bezugsort (4) von der Grundplatte s(3) wegzuverlegen und den Koordinatenbezug der Meßstellen (6, 7) in den verschiedenen eingenommenen Positionen zu einem externen Bezugsort (4) herzustellen. In den beschriebenen Ausführungsformen kann sich der Bezugsort (4) irgendwo im Raum befinden. Seine genaue Lage muß nicht bekannt sein. Es wird lediglich ein Koordinatenbezug zwischen den Meßstellen (6, 7) in den verschiedenen Positionen und dem Bezugsort (4) hergestellt, der vorzugsweise in der gleichen Position verharren sollte. Alternativ ist es möglich, die Meßvorrichtung (8) genau einzumessen und zu nivellieren und dabei einen absoluten Bezug herzustellen. Die Koordinaten der Meßstellen (6, 7) in den verschiedenen Positionen werden dann als Absolutwerte ausgegeben. Ein Koordinatenbezug auf dem Bezugsort (4) kann sich dadurch erübrigen. In weiterer Abwandlung kann die Meßvorrichtung (8) auch beliebig anders ausgebildet sein und mit ausgesendeten sichtbaren oder unsichtbaren Meßstrahlen arbeiten. Ferner ist es auch möglich, die Vermessung mit mechanischer Berührung durchzuführen.

Bezugszeichenliste

1 Manipulator, Industrieroboter
2 Vermessungseinrichtung
3 Grundplatte
4 Bezugsort, Steckbolzen
5 Meßkörper
6 Meßstelle
7 Meßstelle, Vorsprung
8 Meßvorrichtung, Meßkamera
9 Meßstrahl, Visierstrahl
10 Steuerung
11 Gestell
12 Schwinge
13 Ausleger
14 Roboterhand
15 Achse I, Gestellachse
16 Achse II, Schwingenachse
17 Achse III, Auslegerachse

Claims (14)

1. Verfahren zum Vermessen und Kalibrieren eines mehrachsigen Manipulators, insbesondere eines 6-achsigen Industrieroboters (1) mit einer Vermessungseinrichtung (2), bestehend aus einem Meßkörper (5) und einer Meßvorrichtung (8), wobei

• - an einem Bezugsort (4) ein Meßkörper (5) vermessen wird,
• - danach am Bezugsort (4) der Manipulator (1) aufgebaut und der Meßkörper (5) am Manipulator (1) befestigt wird,
• - der Manipulator (1) in eine Grundposition mit angenommener "0"-Stellung seiner Achsen (15, 16, 17) bewegt wird,
• - der Meßkörper (5) am Manipulator (1) in der Grundposition vermessen wird,
• - der Manipulator (1) dann in eine vorgegebene Meßposition gefahren wird,
• - in der Meßposition der Meßkörper (5) erneut vermessen wird,
• - die Ist-Lage des Meßkörpers (5) in der Meßposition mit seiner Soll-Lage verglichen wird,
• - aus den Lageabweichungen des Meßkörpers (5) die Stellungsdifferenzen zwischen angenommener und tatsächlicher "0"-Stellung des Manipulators (1) ermittelt,
• - der Manipulator (1) unter Berücksichtigung der Stellungsdifferenzen in die tatsächliche "0"-Stellung gefahren wird und
• - die Achsen (15, 16, 17) dort kalibriert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungen in einem der Meßvorrichtung (8) eingebauten oder zugeordneten Rechner durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Lageabweichungen des Meßkörpers (5) Korrekturwerte für die Achsbewegungen in die tatsächliche "0"-Stellung berechnet und von der Meßvorrichtung (8) direkt in die Steuerung (10) des Manipulators (1) eingegeben werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) an drei oder mehr definierten Meßstellen (6, 7) vermessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Kalibrierung der Bezugsort (4) von der Meßvorrichtung (8) vermessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugsort (4) zwei oder mehr Aufnahmebolzen auf einer Grundplatte (3) des Manipulators (1) vermessen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermessungen berührungslos erfolgen.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermessungen mit einer Meßkamera (8) durchgeführt werden, die mit der Steuerung (10) des Manipulators (1) verbunden ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermessungen von einem festen Standort der Vermessungsvorrichtung (8) aus erfolgen.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der tatsächlichen "0"-Stellung des Manipulators (1) eine Kontroll-Vermessungen des Meßkörpers (5) durchgeführt wird.

11. Vorrichtung zum Vermessen und Kalibrieren eines mehrachsigen Manipulators, insbesondere eines 6-achsigen Industrieroboters (1), mit einer Vermessungseinrichtung (2), bestehend aus einem Meßkörper (5) und einer Meßvorrichtung (8), dadurch gekennzeichnet, daß der Manipulator (1) und der Meßkörper (5) einen gemeinsamen Bezugsort (4) aufweisen, an dem sie lösbar und austauschbar angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsort (4) aus zwei oder mehr Aufnahmebolzen auf einer Grundplatte (3) ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermessungsvorrichtung (8) einen Rechner aufweist und mit der Steuerung (10) des Manipulators (1) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermessungsvorrichtung (8) als berührungslos arbeitende Meßkamera ausgebildet ist.