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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Eichung eines ersten Koordinatennetzes von Indexierungsmitteln in
einem zweiten Bezugsrahmen einer Abtasteinheit, wenn die Abtasteinheit
im Wesentlichen starr mit den Indexierungsmitteln verbunden ist,
und die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, geeignet
zur Benutzung bei Durchführung
von Bohrungen durch einen Roboter.
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Bei
jedem System, das eine automatisierte Bewegung von Teilen aufweist,
bei denen die Bewegung durch ein äußeres Sensorsystem gesteuert
wird, muss die Beziehung zwischen dem Körper, der die Bewegung durchführt und
dem Sensorsystem bekannt sein, um eine genaue Roboterbewegung durchzuführen. Typische
Sensorsysteme, die in Verbindung mit Robotern benutzt werden, erfordern
entweder eine Berührung mit
dem Roboter und zu bearbeitenden Teilen oder sie befinden sich im
Abstand hierzu. Die Berührungssysteme
umfassen eine intensive Ausrichtung und sie sind empfindlich gegenüber Änderungen
in der Umgebung. Die Mehrzahl von berührungslosen Anordnungen, die
gegenwärtig
benutzt werden und sechs Freiheitsgrade (6 DOF) haben, besteht aus
einer digitalen Kamera oder einer auf Film basierenden Kamera, die
entfernt vom Roboter angeordnet ist, und im typischen Fall wird
eine polare Messeinrichtung, beispielsweise ein Lasernachführgerät, zur Eichung
anstelle des 6-DOF-Systems benutzt, wodurch zusätzliche Einrichtungen erforderlich werden,
welche die Kosten wegen der Hardware und der Rüstzeit erhöhen.
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In
der Veröffentlichung
IEEE Transactions on systems, man and cybernetics 23 (1993), Juli/August, Nr.
4, New York (US), Seiten 1168–1175
ist unter der Überschrift "A noise-tolerant
algorithm for robotic hand-eye calibration with or without sensor
orientation measurement" von
Z. Zhuang und Y.C. Shiu in 1 auf Seite
1169 eine Roboter-visuell-motorische Eichung beschrieben, wobei
eine einzige Kamera oder einzige Abbildungseinrichtung benutzt wird.
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Zwei
Abbildungseinrichtungen sind in 2 der US-A-4,753,569
gezeigt, jedoch nicht für
eine visuell-motorische, Eichung.
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Es
besteht daher ein Bedarf für
ein allgemein verbessertes Verfahren wand eine Vorrichtung zur Eichung
eines ersten Koordinatennetzes von Indexierungsmitteln in einem
zweiten Bezugsrahmen einer Abtasteinheit, wobei die Abtasteinheit
im Wesentlichen starr mit den Indexierungsmitteln verbunden ist
und demgemäß Teile
benutzt, die für
on-line-Messungen benutzbar sind.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Verfahren
zur Eichung eines ersten Koordinatennetzes von Indexierungsmitteln
in einem zweiten Bezugsrahmen einer Abtasteinheit, wenn die Abtasteinheit
im Wesentlichen starr mit den Indexierungsmitteln verbunden ist,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: es werden erste
Positionen einer Vielzahl von ersten Lichtquellen relativ zu der Abtasteinheit
gemessen, wobei jede erste Lichtquelle fern von der Abtasteinheit
liegt und entweder eine aktive Lichtquelle oder ein beleuchtbarer
reflektierender Punkt ist und wobei die ersten Positionen einer
ersten absoluten Position der Indexierungsmittel entsprechen; es
werden die Indexierungsmittel bewegt; es werden die zweiten Positionen
der Vielzahl von Lichtquellen relativ zu der Abtasteinheit gemessen,
wobei die zweiten Positionen der gewünschten zweiten absoluten Position
der Indexierungsmittel entsprechen; wobei bei den Messschritten
mit wenigstens zwei Abbildungseinrichtungen Licht abgebildet wird,
das von der Vielzahl erster Lichtquellen reflektiert oder projiziert
wurde und Signale, die die Verteilung des reflektierten oder projizierten Lichts
von jeder der wenigstens zwei Abbildungseinrichtungen anzeigen,
nach einem Prozessor übertragen und
diese so kombiniert werden, dass die ersten und/oder zweiten Positionen
der Vielzahl erster Lichtquellen relativ zu der Abtasteinheit definiert
werden; und wobei das Verfahren die weiteren folgenden Schritte
aufweist: es wird die Messung der ersten und zweiten Position und
die Bewegung von der ersten nach der zweiten Position wiederholt,
um wenigstens zwei Gruppen von Messungen von ersten und zweiten
Positionen zu erhalten, die wenigstens zwei Bewegungen entsprechen
und jede der wenigstens zwei Bewegungen eine bekannte eindeutige
Transformation ist; es werden die wenigstens zwei Gruppen von Messungen
von ersten und zweiten Positionen der Vielzahl erster Lichtquellen
relativ zu der Abtasteinheit durch Transformationsmittel derart kombiniert,
dass das erste Koordinatennetz in dem zweiten Bezugsrahmen geeicht
wird.
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Zweckmäßigerweise
sind die bekannten Bewegungen, die den wenigstens zwei Gruppen von
ersten und zweiten Positionen entsprechen, zwei Translationsbewegungen.
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Vorteilhafterweise
sind die bekannten Bewegungen, die den wenigstens zwei Gruppen von
ersten und zweiten Positionen entsprechen, eine Translationsbewegung
und eine Drehbewegung.
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Vorzugsweise
sind die bekannten Bewegungen, die den wenigstens zwei Gruppen von
ersten und zweiten Positionen entsprechen, zwei Drehungen um unterschiedliche
Achsen mit oder ohne wenigstens einer Translation und/oder einer
weiteren Drehung.
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Zweckmäßigerweise
umfasst die Kombination der wenigstens zwei Gruppen von ersten und
zweiten Positionsmessungen für
jede der wenigstens zwei Gruppen von ersten und zweiten Positionsmessungen
eine Kombination einer jeden der ersten und zweiten Messpositionen
mit einer Matrixmultiplikation der entsprechenden bekannten Bewegungstransformation
und einer unbekannten Transformation, wobei die unbekannte Transformation
das erste Koordinatennetz im zweiten Bezugsrahmen beschreibt, um
eine Gruppe von wenigstens zwei Ausdrücken zu liefern, und es wird
jede der Gruppen der wenigstens zwei Ausdrücke summiert und es werden
alle hieraus resultierenden Fehler durch standardisierte Optimierungstechniken
optimiert, um die unbekannte Transformation zu bestimmen, wobei
die unbekannte Transformation das erste Koordinatennetz in dem zweiten
Bezugsrahmen eicht.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese eine Vorrichtung
zur Eichung eines ersten Koordinatennetzes von Indexierungsmitteln
in einem zweiten Bezugsrahmen einer Abtasteinheit, wenn die Abtasteinheit
im Wesentlichen starr mit den Indexierungsmitteln verbunden ist,
wobei die Vorrichtung die folgenden Teile aufweist: eine Abtasteinheit;
Indexierungsmittel zur Bewegung der Abtasteinheit, wenn die Abtasteinheit
im Wesentlichen starr daran festgelegt ist; eine Vielzahl erster
Lichtquellen, die aktive Lichtquellen oder beleuchtbare, reflektierende
Punkte umfassen und in einer festen Position im Raum angeordnet
sind; wobei die Indexierungsmittel einen Roboter und ein Wirkorgan
aufweisen und die Abtasteinheit wenigstens zwei Abbildungseinrichtungen
umfasst, von denen jede an dem Wirkorgan befestigbar und jede so
konfigurierbar ist, dass jede der Vielzahl von ersten Lichtquellen
abgebildet wird; und wobei die Vorrichtung weiter die folgenden
Teile aufweist: einen Prozessor, der betriebsmäßig den Indexierungsmitteln
zugeordnet ist; Transformationsmittel, die betriebsmäßig dem
Prozessor zugeordnet sind; Übertragungsmittel,
um Signale zu übertragen,
die eine erste und eine zweite Position von jeder der Vielzahl erster
Lichtquellen relativ zu der Abtasteinheit von der Abtasteinheit
nach dem Prozessor anzeigen, wobei die ersten und zweiten Positionen
von jeder der Vielzahl erster Lichtquellen relativ zu der Abtasteinheit
einer absoluten ersten Position und einer gewünschten absoluten zweiten Position
der Indexierungsmittel entsprechen, derart, dass dann, wenn sich
die Indexierungsmittel von der absoluten ersten Position nach der
gewünschten
absoluten zweiten Position bewegen, die ersten und zweiten Positionen
jeder der Vielzahl erster Lichtquellen relativ zu der Abtasteinheit,
die nach dem Prozessor übertragen
werden, dann durch die Transformationsmittel derart kombiniert werden,
dass das erste Koordinatennetz in dem zweiten Bezugsrahmen geeicht
wird.
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Vorzugsweise
ist jede der zwei Abbildungseinrichtungen ein metrologischer Sensor, der
digitalisierbare Bilder erzeugt und die wenigstens zwei Abbildungseinrichtungen
im gleichen Abstand um das Wirkorgan herum angeordnet sind.
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Vorzugsweise
sind wenigstens zwei zweite Lichtquellen vorgesehen, von denen jede
einer entsprechenden Abbildungseinrichtung zugeordnet ist, wobei
die Vielzahl erster Lichtquellen von einer Vielzahl reflektierender
Ziele gebildet wird.
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Zweckmäßigerweise
ist ein erster Teil vorgesehen, der die Vielzahl von Lichtquellen
trägt und
die folgenden Teile aufweist: eine rechteckige Platte; einen Schaft
mit im Wesentlichen kreisförmigem
Querschnitt, der abnehmbar an einer ersten Seite der rechteckigen
Platte befestigbar ist und wenigstens eine der Vielzahl erster daran
positionierter Lichtquellen aufweist; und Mittel, um abnehmbar den
Schaft mit der rechteckigen Platte zu verbinden.
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Vorteilhafterweise
weisen die Übertragungsmittel
Koaxialkabel und Anschlüsse
für eine
Bildfangschaltung auf, um ein Signal, das die ersten und zweiten
Positionen einer jeden der Vielzahl von ersten Lichtquellen relativ
zu der Abtasteinheit angibt, nach dem Prozessor zu übertragen.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie diese verwirklicht
werden kann, wird im Folgenden Bezug genommen auf in der beiliegenden
Zeichnung beschriebene Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung
zur Eichung eines Koordinatennetzes von Abtastmitteln in einem Bezugsrahmen
von Indexierungsmitteln, wobei die Abtastmittel im Wesentlichen
starr mit den Indexierungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung
verbunden sind;
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2 ist
ein Blockschaltbild der Verfahrensschritte, die bei der Vorrichtung
gemäß 1 Anwendung finden;
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3 ist
ein Blockschaltbild von Kombinationsmitteln, die einen Teil der
Verfahrensschritte bilden, die bei der Vorrichtung gemäß 1 Anwendung
finden;
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4 ist
eine schematische perspektivische Darstellung der Vorrichtung gemäß 1,
worin die Indexierungsmittel und ein erster Teil dargestellt sind;
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5 ist
eine Ansicht einer rechteckigen Platte, die einen Teil des ersten
Teils gemäß 4 bildet;
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6 ist
ein Schnitt der rechteckigen Platte gemäß 5, geschnitten
nach der Linie A-A; und
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7 ist
eine Schnittansicht von einen Schaft und einen Bolzen aufnehmenden
Mitteln, die einen Teil des ersten Teils gemäß 4 bilden.
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Bei
Roboterbohrsystemen, die äußere Sensoren
benutzen, um Position und Orientierung der zu bohrenden Teile zu
messen, sollte der Roboterwerkzeugrahmen in einem Koordinatensystem
geeicht werden, das für
die Sensoren charakteristisch ist. Diese Eichung ist erforderlich,
weil Positionseinstellungen in dem Sensorkoordinatensystem festgestellt,
aber durch den Roboter beeinflusst werden. Ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Eichung eines ersten Koordinatennetzes einer Abtasteinheit
in einem zweiten Bezugsrahmen von Indexierungsmitteln, bei denen
die Abtasteinheit im Wesentlichen starr mit den Indexierungsmitteln
verbunden ist (wie dies in den 1 bis 7 der
beiliegenden Zeichnung dargestellt ist), ist geeignet zur Eichung
eines jeden Systems, das Teile bewegt, wobei die Bewegung hiervon
relativ zu dem Sensorsystem durch ein äußeres Sensorsystem gesteuert
wird, das starr mit dem System selbst verbunden ist. Insbesondere kann
der Werkzeugmittelpunkt des Roboters in einem Koordinatensystem
eines photogrammetrischen Systems geeicht werden, das am Roboterwirkorgan
festgelegt ist.
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Demgemäß benutzt
die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, wie in 1 der
Zeichnung dargestellt, ein erfindungsgemäßes Verfahren unter Bezugnahme
auf 2 der beiliegenden Zeichnung zur Eichung eines
ersten Koordinatennetzes 1 von Indexierungsmitteln 4 in
einem zweiten Bezugsrahmen 3 von Sensormitteln 2a, 2b,
wenn die Sensormittel 2a, 2b im Wesentlichen starr
an den Indexierungsmitteln 4 festgelegt sind. Das Verfahren
umfasst die Schritte der Messung erster Positionen 5 mehrerer
erster Lichtquellen 6 relativ zu den Sensormitteln 2a, 2b,
wobei jede erste Lichtquelle 6 von den Sensormitteln 2a, 2b entfernt
liegt und entweder eine aktive Lichtquelle oder ein beleuchtbarer,
reflektierender Punkt ist, wobei die ersten Positionen 5 einer
ersten absoluten Position 7 der Indexierungsmittel 4 entsprechen
und die Indexierungsmittel 4 nach einer gewünschten
zweiten absoluten Position 8 überführt werden und die zweiten
Positionen 9 der mehreren der ersten Lichtquellen 6 relativ
zu den Sensormitteln 2a, 2b gemessen werden, wobei
die zweiten Positionen der gewünschten
zweiten absoluten Position 8 der Indexierungsmittel 4 entsprechen.
Die Teile 2a bis 6 bilden einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wie dies später
beschrieben wird.
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Wie
aus 2 ersichtlich, umfasst das Verfahren eine Wiederholung
der Messung der Bewegung von der ersten in die zweite Position 5, 9,
so dass wenigstens zwei Gruppen von Messungen von ersten und zweiten
Positionen (5, 9)1, (5, 9)2 erzeugt werden, die wenigstens zwei Bewegungen
entsprechen, wobei jede der wenigstens zwei Bewegungen eine bekannte
einheitliche Transformation 101 , 102 ist und vorzugsweise zwei Translationen
oder eine Translation und eine Drehung oder wenigstens zwei Drehungen
um verschiedene Achsen umfasst, und zwar mit oder ohne wenigstens
einer Translation und/oder weiteren Drehung. Diese beiden Gruppen
von Messungen der ersten und zweiten Positionen (5, 9)1, (5,9)2 werden
dann kombiniert 11a, um den ersten Koordinatenrahmen 1 in
einem zweiten Bezugsrahmen 3 zu eichen.
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Die
Messungen von ersten und/oder zweiten Positionen 5, 9 der
mehreren ersten Lichtquellen 6 relativ zu den Sensormitteln 2a, 2b umfassen
eine Abbildung des Lichtes, das von den mehreren ersten Lichtquellen 6 reflektiert
oder projiziert wurde, auf wenigstens zwei Abbildungsgeräten, die
die Sensormittel 2a, 2b bilden, und es werden Übertragungssignale 12a, 12b erzeugt,
die die Verteilung des reflektierten oder projizierten Lichts von
jedem der wenigstens zwei Abbildungsgeräte auf einem Prozessor 13 anzeigen.
Wie in 3 dargestellt, werden diese Signale 12a, 12b kombiniert
bei 11a durch Manipulation jeder ersten und zweiten gemessenen
Position (5, 9)i mit einer
Matrixmultiplikation der entsprechenden bekannten Bewegungstransformation 10i und einer unbekannten Transformation 15,
wobei die unbekannte Transformation 15 das erste Koordinatennetz 1 in
dem zweiten Bezugsrahmen 3 beschreibt, um wenigstens zwei
Ausdrücke 16i zu erzeugen. Diese Ausdrücke 16i werden dann bei 18 durch
eine standardisierte Optimierungstechnik, beispielsweise eine Kostenfunktion,
optimiert, um die unbekannte Transformation 15 zu bestimmen.
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Das
oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren
bewirkt eine Eichung eines ersten Koordinatennetzes 1 von
Indexierungsmitteln 4 in einem zweiten Bezugsrahmen 3 von
Sensormitteln 2a, 2b durch Benutzung des erfindungsgemäßen Gerätes, welches
Gerät die
Sensormittel 2a, 2b, die Indexierungsmittel 4 zur Bewegung
der Sensonrmittel 2a, 2b, die daran starr befestigt
sind und mehrere erste Lichtquellen 6 aufweist, die aus
aktiven Lichtquellen bestehen oder beleuchtbaren reflektierenden
Punkten und an einer festen Stelle im Raum angeordnet sind. Die
Indexierungsmittel 4 bestehen vorzugsweise aus einem Roboter 19 und
einem Wirkorgan 20, wie in 4 dargestellt,
wobei das Wirkorgan 20 die Sensormittel 2a, 2b daran
befestigt trägt, und
zwar im Wesentlichen im gleichen Abstand hierzu. Die Sensormittel 2a, 2b sind
vorzugsweise Abbildungsgeräte,
insbesondere metrologische Sensoren, die digitalisierbare Bilder
erzeugen, derart, dass das Licht, das von jeder der Lichtquellen 6 projiziert
oder reflektiert wird, als Bild weißer Pixel gegen einen dunklen
Hintergrund wiedergegeben wird, wobei die weißen Pixel eine zweidimensionale
räumliche
Stelle der ersten Lichtquellen 6 auf jedem Abbildungsgerät 2a, 2b definieren.
Diese Bilder werden als Ausgangssignale 12a, 12b über vorzugsweise
als Koaxialkabel ausgebildete Kommunikationsleitungen 23 nach
einem Prozessor 13 über Framgrabber-Anschlüsse 23a, 23b übertragen.
Die Abbildungsgeräte 2a, 2b sind
im Wesentlichen im gleichen Abstand um das Wirkorgan 20 herum
angeordnet.
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Der
Prozessor 13 befindet sich in Arbeitsverbindung mit den
Indexierungsmitteln 4 und kombiniert bei 11a die
Signale 12a, 12b zusammen mit einer unbekannten
Transformation 15 und einer Transformation 10, nachdem
Signale 12a, 12b empfangen wurden, die die erste
und zweite Position 5, 9 einer jeden der mehreren Lichtquellen 6 relativ
zu den Sensormitteln 2a, 2b angeben. Die letztere
Transformation 10 definiert eine Bewegung von der ersten
absoluten Position 7 der Indexierungsmittel 4 nach
einer zweiten gewünschten
absoluten Position 8 hiervon, und diese Bewegung wird vom
Prozessor 13 nach den Indexierungsmitteln 4 kommuniziert
und eine Kombination dieser Parameter 11a bestimmt gemäß dem oben
erläuterten
Verfahren die unbekannte Transformation 15.
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Die
Vorrichtung umfasst wenigstens zwei zweite Lichtquellen 21a, 21b,
die jeweils einem entsprechenden Abbildungsgerät 2a, 2b zugeordnet
sind. Die Mehrzahl der ersten Lichtquellen 6 besteht vorzugsweise
aus einer Mehrzahl von reflektierenden Zielen, von denen jedes auf
einem ersten Teil 22 positionierbar ist, und jedes ist
aus einem rückstrahlenden
Material hergestellt, so dass das Licht, das von jeder zweiten Lichtquelle 21a, 21b projiziert
wird, hiervon in der exakten Richtung des einfallenden Strahles
reflektiert wird. Der erste Teil 22 ist in den 5, 6 und 7 dargestellt,
und er besteht aus einer rechteckigen Platte 22a, einem Schaft 22b mit
einem im Wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt, wobei der Schaft 22b lösbar an einer ersten Oberfläche 22c der
rechteckigen Platte 22a festlegbar ist und wenigstens eine
der Mehrzahl der ersten Lichtquellen daran angeordnet trägt, wobei
Mittel 22d vorgesehen sind, um den Schaft 22b lösbar an
der rechteckigen Platte 22a festzulegen. 5 zeigt
mehrere Abstandsbohrungsöffungen 22e,
die durch die rechteckige Platte 22a geführt sind
und benutzt werden, um die ersten Lichtquellen 6 festzulegen.
Eine Abstandsbohrung 22h, die an irgendeiner Stelle der
Platte 22a angeordnet sein kann, ist vorgesehen, um den
Schaft 22b daran festzulegen.
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Der
Schaft 22b weist ein mit Innengewinde versehenes Blindloch 22f auf,
das von einem Ende des Schaftes 22b verläuft, um
mit Mitteln 22d in Eingriff zu gelangen, die vorzugsweise
als Gewindebolzen mit hexagonalem Kopf ausgebildet sind. Der Bolzen
ist in die Abstandsbohrung 22h über die zweite Fläche 22g der rechteckigen
Platte einsteckbar, um mit der Gewindebohrung 22f in den
Schaft 22b einzugreifen und so den Schaft 22b an
der rechteckigen Platte 22a festzulegen. Im Betrieb wird
eine von mehreren ersten Lichtquellen 6 in ein Sackloch 23 eingeführt, das über das
andere Ende des Schaftes 22 verläuft und die übrigen werden in
die Bohrungen 22e eingesetzt, um ein dreidimensionales
Lichtfeld zu erzeugen.
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Das
beschriebene erfindungsgemäße Verfahren
kann gemäß der folgenden
Prozedur gemäß 2 und 3 durchgeführt werden:
- es werden die Indexierungsmittel 4 von einer ersten
absoluten Position 7 nach wenigstens zwei gewünschten zweiten
absoluten Positionen 8 bewegt. Jede der Bewegungen wird
durch eine gegebene Transformation 10i durchgeführt;
- es werden die ersten und zweiten Positionen (5, 9)i einer jeden der ersten Lichtquellen 6 gemessen:
alle zwei Messungen der gleichen ersten Lichtquelle von der ersten
absoluten Position 7 nach der zweiten absoluten Position 8 sind
gegeben durch:
Pij =
TCT TTiT1 TTC P1j (1)
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Dabei
ist
die unbekannte Transformation
15,
P i / j ist die Position
9 des Ziels j an der Position i (demgemäß die gewünschte zweite
absolute Position für
die i.te Bewegung), P 1 / j ist die Position
5 des Ziels j an
der ersten absoluten Position und T Ti / T1 ist die gewünschte Transformation
10i der Indexierungsmittel
4; es
wird die Gleichung 1 für
alle ersten Lichtquellen
6 für jede der beiden Bewegungen
von einer ersten absoluten Position
7 nach der gewünschten zweiten
absoluten Position
8 summiert und optimiert:
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Dabei
ist n ≥ 2,
m ≥ 3, wobei
m die Zahl der ersten Lichtquellen ist.
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Die
Spezifikation für
die Transformation 10i , d.h. die
beiden Translationen oder eine Translation und eine Drehung, sind
erforderlich, um zu gewährleisten,
dass die Messungen eine nicht entartete Lösung der unbekannten Transformation 15,
T C / T liefern.
