WO1996027153A1 - Verfahren zum kalibrieren des arbeitspunktes eines roboters - Google Patents

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WO1996027153A1
WO1996027153A1 PCT/EP1996/000767 EP9600767W WO9627153A1 WO 1996027153 A1 WO1996027153 A1 WO 1996027153A1 EP 9600767 W EP9600767 W EP 9600767W WO 9627153 A1 WO9627153 A1 WO 9627153A1
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WO
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measuring
spatial axis
axis
measurement
working point
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PCT/EP1996/000767
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Inventor
Konstantin Lutze
Michael Niessner
Michael Collasius
Original Assignee
Qiagen Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/401—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for measuring, e.g. calibration and initialisation, measuring workpiece for machining purposes
    • G05B19/4015—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for measuring, e.g. calibration and initialisation, measuring workpiece for machining purposes going to a reference at the beginning of machine cycle, e.g. for calibration

Definitions

  • the invention relates to a method for calibrating the working point of a robot, which can be moved in particular in a Cartesian coordinate system, and in particular a tool which can be moved automatically along a measuring spatial axis and at least one further spatial axis of a particularly coordinate system, the position of the working point merely being the measuring spatial axis can be measured and the orientation of the at least one further spatial axis relative to the measuring spatial axis is known.
  • the calibration of the position of the system in the room i.e. the working point, regardless of all other influences, is a problem.
  • An example of the working point is the drill tip of a machine tool or the pipetting needle tip of a laboratory robot.
  • the coordinates of the working point in space must be known to the control system of the robot in order to enable precise work.
  • the coordinates of the working point can change due to external influences, such as, for example, a tool change, wear or wear and deformation.
  • external influences such as, for example, a tool change, wear or wear and deformation.
  • regular calibration of the operating point is required. In order to further increase reliability, this should be done automatically. Examples of such Calibration methods can be found in EP 0 042 960 Bl and W093 / 11915.
  • the position of the working point is recorded by means of video cameras / laser measurement and evaluated using methods of digital image processing / measurement data processing. This process requires extensive hardware and software, which is why it is complex and expensive.
  • the three Cartesian axes are controlled individually and in this way the pipetting needle is brought up to an obstacle until there is a near touch. Since the coordinates of the obstacle are known, the absolute position of the needle tip in space can be determined. Unfortunately, must the laboratory robot must be equipped with (position) measuring systems for all three spatial axes.
  • the invention has for its object to provide a method for calibrating the working point of a robot, with which less complex systems can be calibrated, in which the position of the working point cannot be detected in all of its directions of movement by means of measuring systems.
  • the invention provides a method for calibrating the working point of a tool which can be moved automatically along a measuring spatial axis and at least one further spatial axis, the position of the working point being measurable only on the measuring spatial axis and the Alignment of the at least one further spatial axis relative to the measuring spatial axis is proposed, in which the procedure is as follows:
  • the working point of the tool is used to approach a measuring surface that is orthogonal to the measuring spatial axis
  • At least one reference surface is approached with the working point, the position of which is clear and known relative to the measuring surface and which is intersected exactly once both by the measuring spatial axis and by the at least one further spatial axis,
  • this working point approach position of the reference surface on the measuring spatial axis is measured and e) the working point is calibrated along the at least one other spatial axis on the basis of the difference between the two measuring point approach positions of the measuring surface and the reference surface and the geometric relation of the measuring surface and the reference surface.
  • the method according to the invention for calibrating the working point provides for its displacement in every possible spatial axis in order to detect a measuring surface or its position when moving in the spatial axes.
  • a prerequisite for the method is that the movement of the working point along a spatial axis (hereinafter referred to as the measuring spatial axis) and thus the absolute position of the working point in this spatial axis can be measured.
  • the measuring spatial axis such measuring systems for measuring the distance traveled when moving in the other axes and the respective positions need not be present in order to calibrate the operating point.
  • the working point to be calibrated is first moved in the direction of the measurement space axis according to the method according to the invention until the approach to or contact with a measurement surface which is orthogonal to the measurement space axis is detected.
  • the position of this measuring surface in the direction of the measuring spatial axis can be measured using the measuring system. Subsequently, a reference surface is approached with the working point, which is cut only once by the measuring spatial axis and one of the other spatial axes, in the direction of which the working point can be moved, and whose position relative to the measuring surface is clear and known.
  • the approach to or contact with the reference surface is also detected by the measuring system assigned to the measuring spatial axis, since the measuring spatial axis runs through the reference surface.
  • the position of the approach point in the direction of the measuring spatial axis is determined by measurement. The approach position the reference surface is different from that of the measuring surface.
  • the position of the working point along the at least one further spatial axis can then be calibrated on the basis of the clear geometric relationship between the measuring surface and the reference surface. Because of the difference between the two working point approach positions of the measuring surface and the reference surface determined by measuring technology in the direction of the measuring spatial axis and because of the clear geometric relation of the measuring surface and the reference surface, it is thus known which way the working point is has moved in the direction of the further spatial axis. For each further spatial axis, the procedure is as described above. The difference between the working point approach position of the measuring surface and the working point approach position of the reference surface assigned to the further spatial axis and from the clear geometric relation of these two surfaces always affect the working point along the ⁇ calibrated the other spatial axis.
  • the measuring surface and the at least one reference surface are advantageously formed on a geometric measuring body. Since the position of the measuring surface and the reference surface must be defined in space, the position of the measuring body in space is also determined.
  • the measuring body defines the unambiguous geometric relationship between the measuring surface and the reference surface or surfaces, the position and orientation of which is selected in accordance with the connection between the spatial axes. By means of this relationship, the other coordinates of the working point in space (when moving along the further spatial axis or spatial axes) can be determined from the only measurable coordinate (movement in the measurement spatial axis).
  • FIG. 1 is a perspective view of a pipetting robot system with a measuring / sensor system for determining the absolute position of the needle tip and for detecting the approach to an obstacle by means of the needle tip in the z direction, with a measuring body with a on the table of the pipetting robot system is arranged on this formed measuring surface and a plurality of reference surfaces at defined positions, and
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the measuring body with a pipetting needle tip, the possible positions of which are shown for calibration in the x direction.
  • FIG 1 shows a highly schematic pipetting robot 10 with a pipetting needle 12 that can be moved automatically in the x, y and z directions.
  • a microtitre plate 16 with a multiplicity of sample receptacles 18 is arranged on the work table 14 of the pipetting robot 10, in FIG which are used to bring or remove liquids required for analysis or the like by means of the pipetting needle 12.
  • the pipetting robot 10 is provided with a measuring and sensor system for determining the absolute position when the pipetting needle 12 is moving and for detecting obstacles in the z direction (measuring spatial axis).
  • On the work table 14 there is also a measuring body 20, which has a defined geometrical shape and orientation in space relative to the three orthogonal axes x, y and z.
  • measuring or reference surfaces are formed on the measuring body 20 in a defined absolute position and in a defined relative position to one another.
  • the measuring body 20 is provided on its upper side with a measuring surface 22 which is flat and is cut exactly once by the measuring spatial axis (extending in the z direction).
  • the measuring surface 22 also runs parallel to the plane spanned by the two other spatial axes (extending in the x and y directions).
  • the height (Z Q - Z ma ⁇ ) at which the measuring surface 22 is spaced from the work table 14 is known.
  • the reference body 20 has four reference surfaces 24, 26, which are each flat.
  • the two reference surfaces 24 are arranged on opposite sides of the reference body 20; the same also applies to the two reference surfaces 26.
  • the reference surfaces 24 have a defined inclined position in space. In other words, the angles at which each of the two reference surfaces 24 run to the measuring surface 22 are known. While the two reference surfaces 24 extend parallel to the y-space axis, they each have exactly one intersection with the measurement space axis and the x-space axis in the x and z directions. At least one of the two reference surfaces 24 is required to calibrate the pipetting needle 12 in the x direction.
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26)
  • the reference surfaces 26 of the measuring body 20 are designed corresponding to the reference surfaces 24 and accordingly run parallel to the x direction, each having exactly one point of intersection with the measuring spatial axis and the y spatial axis. Exactly one reference surface 26 is required to calibrate the pipetting needle 12 in the y direction.
  • the measuring body 20 is shown in the example of a truncated pyramid described here.
  • the truncated pyramid is, however, only one of several possible geometrical configurations of the measuring body 20 in order to define the relative position and relative orientation of the measuring surface to the reference surfaces.
  • Other geometrical bodies are conceivable as long as the conditions given above for the position of the measuring surface and the reference surfaces are met.
  • a point A on the measuring surface 22 is first approached by means of the pipetting needle 12.
  • the sensor system can be used, for example, to detect the contact of the pipetting needle 12 with the measuring surface 22, while the measuring system is used to determine the absolute position (Z ma ⁇ ) of the tip of the pipetting needle 12 in the measuring spatial axis (Z axis).
  • the pipetting robot 10 is controlled in such a way that the pipetting tip 12 comes into contact with one of the two reference surfaces 24 (contact point B), which has exactly one intersection point in the z and x directions and in particular has no intersection with the y axis. Because of the clear geometric relationship of the measuring surface 22 and the reference surface 24 and because of the
  • the absolute x coordinate in space can thus be determined by measuring the value Z B and the known geometric relationship between the measuring surface 22 and the reference surface 24. The same procedure is used to determine the absolute y coordinate, using one of the two reference surfaces 26 as a help. All three spatial coordinates of the working point are thus determined.
  • the robot-internal coordinate system can now be adapted so that all points in the work area can be approached precisely despite any misalignment of the pipetting needle (calibration).

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Abstract

Mit dem Verfahren läßt sich der Arbeitspunkt eines automatisch entlang einer Meß-Raumachse (z) und mindestens einer relativ zur Meß-Raumachse (z) definiert ausgerichteten weiteren Raumachse (x, y) bewegbaren Werkzeuges (12), dessen Position lediglich auf der Meß-Raumachse (z) meßtechnisch erfaßbar ist, kalibrieren. Mit dem Arbeitspunkt des Werkzeuges (12) dazu wird zunächst eine orthogonal zur Meß-Raumachse (z) verlaufende Meßfläche (22) angefahren und die Position dieser Meßfläche (22) auf der Meß-Raumachse (z) gemessen. Mit dem Arbeitspunkt wird anschließend mindestens eine Referenzfläche (24, 26) angefahren, deren Lage relativ zur Meßfläche (22) eindeutig und bekannt ist und die sowohl von der Meß-Raumachse (z) als auch von der mindestens einen weiteren Raumachse (x, y) genau einmal geschnitten wird. Auch diese Arbeitspunkt-Anfahrposition der Referenzfläche (24, 26) auf der Meß-Raumachse (z) wird gemessen. Anhand der Differenz der beiden meßtechnisch ermittelten Arbeitspunkt-Anfahrpositionen der Meßfläche (22) und der Referenzfläche (24, 26) und der geometrischen Relation der Meßfläche (22) und der Referenzfläche (24, 26) wird dann der Arbeitspunkt entlang der mindestens einen weiteren Raumachse (x, y) kalibriert.

Description

Verfahren zum Kalibrieren des Arbeitspu-nktes eines Roboters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren des sich insbesondere in einem kartesischen Koordinatensystem bewegbaren Arbeitspunktes eines Roboters und insbesondere eines automatisch entlang einer Meß-Raumachse und min¬ destens einer weiteren Raumachse eines insbesondere karte¬ sischen Koordinatensystems bewegbaren Werkzeuges, wobei die Position des Arbeitspunktes lediglich auf der Meß- Raumachse meßtechnisch erfaßbar und die Ausrichtung des mindestens einen weiteren Raumachse relativ zur Meß-Raum¬ achse bekannt ist.
Beim Einsatz von Robotern im halb- und vollautomatischen Betrieb stellt die Kalibrierung der Position des Systems im Raum, d.h. des Arbeitspunktes, unabhängig von allen anderen Einflüssen ein Problem dar. Ein Beispiel für den Arbeitspunkt (Tool Center Point, bzw. Punkt, an dem der Roboter auf das Werkstück oder dergleichen einwirkt) ist die Bohrerspitze einer Werkzeugmaschine oder die Pipet- tiernadelspitze eines Laborroboters. Die Koordinaten des Arbeitspunktes im Raum müssen dem Steuerungssystem des Roboters bekannt sein, um ein präzises Arbeiten zu ermög¬ lichen.
Die Koordinaten des Arbeitspunktes können sich durch äuße¬ re Einflüsse verändern, wie beispielsweise durch einen Werkzeugwechsel, durch Abnutzung bzw. Verschleiß und durch Verformungen. Um trotz dieser äußeren Einflüsse dennoch einen zuverlässigen Betrieb des Geräts zu gewährleisten, ist eine regelmäßige Kalibrierung des Arbeitspunktes er¬ forderlich. Dies sollte - um die Zuverlässigkeit weiter zu steigern - automatisch erfolgen. Beispiele für derartige Kalibrierungsverfahren finden sich in EP 0 042 960 Bl und W093/11915.
Um den Arbeitspunkt zu kalibrieren, werden gegenwärtig die verschiedensten Techniken eingesetzt.
1. Kamerasystem/Laservermessung
Hierbei wird die Position des Arbeitspunktes mittels Videokameras/Laservermessung erfaßt und mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung/Meßdatenverarbeitung ausgewertet. Dieses Verfahren benötigt umfangreiche Hardware und Software, weshalb es aufwendig und teuer ist.
2. Nadelkissen
Es wird eine Fläche, die dicht mit druckempfindlichen Sensoren belegt ist, angefahren. Die ausgelösten Sig¬ nale geben Aufschluß über die Position der Berührung. Diese Vorgehensweise erfordert zum einen eine Spe- zialhardware und liefert zum anderen lediglich eine geringe Auflösung, weshalb die Kalibrierung wenig genau erfolgt.
3. Detektion der Annäherung an ein Hindernis mittels kapazitiver Sensorik (Beispiel: Laborroboter- CATALYST) :
Die drei kartesischen Achsen werden hierbei einzeln angesteuert und auf diese Weise die Pipettiernadel an ein Hindernis herangeführt, bis eine Beinaheberührung stattfindet. Da die Koordinaten des Hindernisses be¬ kannt sind, läßt sich die absolute Position der Nadelspitze im Raum bestimmen. Nachteiligerweise muß der Laborroboter mit (Positions-) Meßsystemen für sämtliche drei Raumachsen ausgestattet sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung des Arbeitspunktes eines Roboters zu schaffen, mit dem sich auch weniger aufwendig konstruierte Systeme kalibrieren lassen, bei denen die Position des Arbeitspunktes nicht in sämtlichen seiner Bewegungsrich¬ tungen mittels Meßsystemen erfaßbar sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Ver¬ fahren zum Kalibrieren des Arbeitspunktes eines automa¬ tisch entlang einer Meß-Raumachse und mindestens einer weiteren Raumachse bewegbaren Werkzeuges, wobei die Posi¬ tion des Arbeitspunktes lediglich auf der Meß-Raumachse meßtechnisch erfaßbar und die Ausrichtung der mindestens einen weiteren Raumachse relativ zur Meß-Raumachse bekannt ist, vorgeschlagen, bei dem wie folgt verfahren wird:
a) mit dem Arbeitspunkt des Werkzeuges wird eine ortho¬ gonal zur Meß-Raumachse verlaufende Meßfläche ange¬ fahren,
b) die Position dieser Meßfläche auf der Meß-Raumachse wird gemessen,
c) mit dem Arbeitspunkt wird mindestens eine Referenz- fläche angefahren, deren Lage relativ zur Meßfläche eindeutig und bekannt ist und die sowohl von der Meß- Raumachse als auch von der mindestens einen weiteren Raumachse genau einmal geschnitten wird,
d) diese Arbeitspunkt-Anfahrposition der Referenzfläche auf der Meß-Raumachse wird gemessen und e) anhand der Differenz der beiden meßtechnisch ermit¬ telten Arbeitspunkt-Anfahrpositionen der Meßfläche und der Referenzfläche und der geometrische Relation der Meßfläche und der Referenzfläche wird der Arbeitspunkt entlang der mindestens einen weiteren Raumachse kalibriert .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung des Arbeitspunktes sieht dessen Verschiebung in jeder mög¬ lichen Raumachse vor, um bei Bewegung in den Raumachsen jeweils eine Meßfläche bzw. deren Lage zu detektieren. Voraussetzung bei dem Verfahren ist, daß die Bewegung des Arbeitspunktes entlang einer Raumachse (nachfolgend Meß- Raumachse genannt) und damit die absolute Position des Arbeitspunktes in dieser Raumachse meßtechnisch erfaßbar ist. Demgegenüber brauchen derartige Meßsysteme zum Messen des bei Bewegung in den anderen Achsen zurückgelegten Weges und der jeweiligen Positionen nicht vorhanden zu sein, um den Arbeitspunkt zu kalibrieren. Der zu kalibrie¬ rende Arbeitspunkt wird nach dem erfindungsgemäßen Verfah¬ ren zunächst in Richtung der Meß-Raumachse bewegt, bis die Annäherung an eine bzw. die Berührung mit einer Meßfläche detektiert wird, die orthogonal zur Meß-Raumachse ver¬ läuft. Die Position dieser Meßfläche in Richtung der Meß- Raumachse kann mittels des Meßsystems meßtechnisch erfaßt werden. Im Anschluß daran wird mit dem Arbeitspunkt eine Referenzfläche angefahren, die ausschließlich von der Meß- Raumachse und einer der weiteren Raumachsen, in deren Richtung sich der Arbeitspunkt verfahren läßt, jeweils genau einmal geschnitten wird und deren Lage relativ zur Meßfläche eindeutig und bekannt ist. Die Annäherung an die bzw. Berührung mit der Referenzfläche wird ebenfalls durch das der Meß-Raumachse zugeordnete Meßsystem detektiert, da die Meß-Raumachse durch die Referenzfläche hindurch ver¬ läuft. Die Position des Anfahrpunktes in Richtung der Meß- Raumachse wird meßtechnisch ermittelt. Die Anfahrposition der Referenzfläche ist dabei unterschiedlich zu derjenigen der Meßfläche. Aufgrund des eindeutigen geometrischen Zu¬ sammenhangs von Meßfläche und Referenzfläche läßt sich dann die Lage des Arbeitspunktes entlang der mindestens einen weiteren Raumachse kalibrieren. Aufgrund der Diffe¬ renz der beiden meßtechnisch ermittelten Arbeitspunkt-An¬ fahrpositionen von Meßfläche und Referenzfläche in Rich¬ tung der Meß-Raumachse und aufgrund der eindeutigen geome¬ trischen Relation von Meßfläche und Referenzfläche ist nämlich damit auch bekannt, um welchen Weg sich der Arbeitspunkt in Richtung der weiteren Raumachse bewegt hat. Für jede weitere Raumachse wird, wie oben beschrie¬ ben, verfahren. Stets wird aus der sich in Richtung der Meß-Raumachse einstellenden Differenz der Arbeitspunkt- Anfahrposition der Meßfläche und der Arbeitspunkt-Anfahr¬ position der der weiteren Raumachse zugeordneten Referenz- fläche und aus der eindeutigen geometrischen Relation die¬ ser beiden Flächen der Arbeitspunkt entlang der betreffen¬ den weiteren Raumachse kalibriert.
Die Meßfläche und die mindestens eine Referenzfläche sind dabei vorteilhafterweise an einem geometrischen Meßkörper ausgebildet. Da die Position der Meßfläche und der Refe¬ renzfläche im Raum definiert sein muß, ist somit auch die Position des Meßkörpers im Raum bestimmt. Der Meßkörper definiert den eindeutigen geometrischen Zusammenhang zwi¬ schen der Meßfläche und der bzw. den Referenzflächen, deren Lage und Ausrichtung entsprechend dem Zusammenhang zwischen den Raumachsen gewählt ist. Mittels dieses Zusam¬ menhangs lassen sich aus der einzigen meßbaren Koordinate (Bewegung in Meß-Raumachse) die anderen Koordinaten des Arbeitspunktes im Raum (bei Bewegung entlang der weiteren Raumachse bzw. Raumachsen) ermitteln.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, den Arbeitspunkt von Robotern zu kalibrieren, dessen Be- wegung in lediglich einer einzigen der möglichen Achsen meßtechnisch erfaßbar ist. Zur Anwendung des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens sind Hardware-Änderungen in maximal lediglich geringem Umfang erforderlich, da Roboter und insbesondere die für die Anwendung dieses Verfahrens interessierenden Pipettierrobotersysteme bereits über ein Meß/Sensorsystem in Richtung der vertikalen Bewegung ver¬ fügen. Im Arbeitsraum des Roboters sind lediglich die Me߬ fläche und die Referenzfläche bzw. Referenzflächen anzu¬ ordnen. Auf Softwareseite ist der Implementierungsaufwand als gering anzusehen. Damit lassen sich bestehende Systeme insgesamt problemlos nachrüsten, was auf Seiten des Anwen¬ ders Kosten spart und die Akzeptanz des Verfahrens erhöht.
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei- spiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Pipettier- robotersystems mit einem Meß/Sensorsystem zur Ermittlung der absoluten Position der Nadelspitze und zur Detektion der Annäherung an ein Hindernis mittels der Nadelspitze in z-Richtung, wobei auf dem Tisch des Pipettierrobotersystems ein Meßkör¬ per mit einer an diesem ausgebildeten Meßfläche und mehreren Referenzflächen an definierter Posi¬ tionen angeordnet ist, und
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Meßkörpers mit Pipet- tiernadelspitze, deren mögliche Positionen zur Kalibrierung in x-Richtung eingezeichnet sind.
In Fig. 1 ist stark schematisch ein Pipettierroboter 10 mit einer automatisch in x-,y- und z-Richtung verfahrbare Pipettiernadel 12 dargestellt. Auf dem Arbeitstisch 14 des Pipettierroboters 10 ist eine Mikrotitterplatte 16 mit einer Vielzahl von Probenaufnahmegefäßen 18 angeordnet, in die bzw. aus denen mittels der Pipettiernadel 12 für die Analyse oder dergleichen erforderliche Flüssigkeiten ein¬ gebracht oder entnommen werden. Der Pipettierroboter 10 ist mit einem Meß- und Sensorsystem zur Ermittlung der absoluten Position bei Bewegung der Pipettiernadel 12 und zur Detektion von Hindernissen in z-Richtung (Meß-Raum¬ achse) versehen. Auf dem Arbeitstisch 14 befindet sich ferner ein Meßkörper 20, der eine definierte geometrische Form und Ausrichtung im Raum relativ zu den drei orthogo¬ nal zueinander verlaufenden Raumachsen x,y und z aufweist.
An dem Meßkörper 20 sind in definierter absoluter Lage und in definierter relativer Lage zueinander mehrere Meß- bzw. Referenzflächen ausgebildet. Der Meßkörper 20 ist an sei¬ ner Oberseite mit einer Meßfläche 22 versehen, die eben ist und genau einmal von der Meß-Raumachse (in z-Richtung verlaufend) geschnitten wird. Die Meßfläche 22 verläuft im übrigen parallel zu der von den beiden weiteren Raumachsen (in x- bzw. y-Richtung verlaufend) aufgespannten Ebene. Die Höhe (ZQ - Z maχ) , in der sich die Meßfläche 22 vom Arbeitstisch 14 beabstandet befindet, ist bekannt.
An den Seiten weist der Referenzkörper 20 vier Referenz¬ flächen 24,26 auf, die jeweils eben sind. Dabei sind die beiden Referenzflächen 24 an gegenüberliegenden Seiten des Referenzkörpers 20 angeordnet; selbiges gilt auch für die beiden Referenzflächen 26. Die Referenzflächen 24 weisen eine definierte Schräglage im Raum auf. Mit anderen Worten sind die Winkel, unter denen jede der beiden Referenz- flächen 24 zur Meßfläche 22 verlaufen, bekannt. Während die beiden Referenzflächen 24 sich parallel zur y-Raum- achse erstrecken, weisen sie in x- und z-Richtung jeweils genau einen Schnittpunkt mit der Meß-Raumachse und der x- Raumachse auf. Mindestens eine der beiden Referenzflächen 24 ist zur Kalibrierung der Pipettiernadel 12 in x-Rich- tung erforderlich.
ERSATZBLAπ (REGEL 26) Die Referenzflächen 26 des Meßkörpers 20 sind entsprechend den Referenzflächen 24 ausgebildet und verlaufen dement¬ sprechend parallel zur x-Richtung, wobei sie jeweils genau einen Schnittpunkt mit der Meß-Raumachse und der y-Raum- achse aufweisen. Zur Kalibrierung der Pipettiernadel 12 in y-Richtung ist genau eine Referenzfläche 26 erforderlich.
Der Meßkörper 20 ist in dem hier beschriebenen Ausfüh¬ rungsbeispiel aus Pyramidenstumpf dargestellt. Der Pyrami¬ denstumpf ist aber lediglich eine von mehreren möglichen geometrischen Ausgestaltungen des Meßkörpers 20, um die Relativlage und Relativausrichtung der Meßfläche zu den Referenzflächen zu definieren. Andere geometrische Körper sind denkbar, solange die oben angegebenen für die Lage der Meßfläche und der Referenzflächen geltenden Bedingun¬ gen eingehalten werden.
Anhand von Fig. 2 soll nachfolgend das Verfahren zur Kali¬ brierung des Arbeitspunktes in x-Richtung erläutert wer¬ den.
Mittels der Pipettiernadel 12 wird zunächst ein Punkt A auf der Meßfläche 22 angefahren. Mittels des Sensorsystems kann beispielsweise die Berührung der Pipettiernadel 12 mit der Meßfläche 22 detektiert werden, während mittels des Meßsystems die Absolutposition (Zmaχ) der Spitze der Pipettiernadel 12 in der Meß-Raumachse (Z-Achse) meßtech¬ nisch ermittelt wird. Im Anschluß an das Anfahren der Me߬ fläche 22 wird der Pipettierroboter 10 derart angesteuert, daß die Pipettierspitze 12 in Berührungskontakt mit einer der beiden Referenzflächen 24 gelangt (Berührungspunkt B) , die in z- und x-Richtung jeweils genau einen Schnittpunkt aufweist und insbesondere mit der y-Achse keinen Schnitt¬ punkt hat. Aufgrund der eindeutigen geometrischen Relation von Meßfläche 22 und Referenzfläche 24 und aufgrund der
ERSATZBLAH (REGEL 26) Tatsache, daß die Referenzfläche 24 eine ebene Fläche ist, gilt
max O _ _B U
Figure imgf000011_0001
(siehe Fig. 2) .
Durch Umstellen der obigen Gleichung und Auflösung nach XB ergibt sich
XB = Zmax ~T0 (ZB " Zmax} + XB
Damit läßt sich die Pipettiernadel 12 (Arbeitspunkt des Pipettierroboters 10) in x-Richtung kalibrieren. Durch meßtechnische Erfassung des Wertes ZB und aufgrund der bekannten geometrischen Relation zwischen Meßfläche 22 und Referenzfläche 24 läßt sich also die absolute x-Koordinate im Raum ermitteln. Ebenso verfährt man zur Bestimmung der absoluten y-Koordinate, wobei man eine der beiden Refe¬ renzflächen 26 zu Hilfe nimmt. Damit sind alle drei Raum¬ koordinaten des Arbeitspunktes bestimmt. Das roboter¬ interne Koordinatensystem kann nun so angepaßt werden, daß alle Punkte im Arbeitsraum trotz etwaiger Dejustage der Pipettiernadel präzise an diese angefahren werden können (Kalibrierung) .

Claims

ANSPRÜCHE
Verfahren zum Kalibrieren des Arbeitspunktes eines automatisch entlang einer Meß-Raumachse (z) und min¬ destens einer weiteren Raumachse (x,y) bewegbaren Werkzeuges (12) , wobei die Position des Arbeitspunk¬ tes lediglich auf der Meß-Raumachse (z) meßtechnisch erfaßbar und die Ausrichtung der mindestens einen weiteren Raumachse (x,y) relativ zur Meß-Raumachse (z) bekannt ist, bei dem
a) mit dem Arbeitspunkt des Werkzeuges (12) eine orthogonal zur Meß-Raumachse (z) verlaufende Meßfläche (22) angefahren wird,
b) die Position dieser Meßfläche (22) auf der Meß- Raumachse (z) gemessen wird,
c) mit dem Arbeitspunkt mindestens eine Referenz- fläche (24,26) angefahren wird, deren Lage relativ zur Meßfläche (22) eindeutig und bekannt ist und die sowohl von der Meß-Raumachse (z) als auch von der mindestens einen weiteren Raumachse (x,y) genau einmal geschnitten wird,
d) diese Arbeitspunkt-Anfahrposition der Referenz- fläche (24,26) auf der Meß-Raumachse (z) gemessen wird und
e) anhand der Differenz der beiden meßtechnisch er¬ mittelten Arbeitspunkt-Anfahrpositionen der Me߬ fläche (22) und der Referenzfläche (24,26) und der geometrischen Relation der Meßfläche (22) und der Referenzfläche (24,26) der Arbeitspunkt entlang der mindestens einen weiteren Raumachse (x,y) kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Meß-Raumachse (z) zwei weitere Raum¬ achsen (x,y) vorhanden sind und daß jeder weiteren Raumachse (x,y) eine Referenzfläche (24,26) zugeord¬ net ist, die sowohl von der Meß-Raumachse (z) als auch von der betreffenden weiteren Raumachse (x,y) genau einmal geschnitten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Schritte c) bis e) für jede weitere Raumachse (x,y) unter Verwendung der jeweils zugeord¬ neten Referenzfläche (24,26) durchgeführt werden.
PCT/EP1996/000767 1995-03-02 1996-02-24 Verfahren zum kalibrieren des arbeitspunktes eines roboters WO1996027153A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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DE1995107227 DE19507227C1 (de) 1995-03-02 1995-03-02 Verfahren zum Kalibrieren des Arbeitspunktes eines automatisch in einem kartesischen Koordinatensystem bewegbaren Werkzeuges
DE19507227.8 1995-03-02

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WO1996027153A1 true WO1996027153A1 (de) 1996-09-06

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Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP1996/000767 WO1996027153A1 (de) 1995-03-02 1996-02-24 Verfahren zum kalibrieren des arbeitspunktes eines roboters

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