WO2017103489A1 - Système et procédé pour la correction d'une trajectoire d'un effecteur porté par un robot - Google Patents

Système et procédé pour la correction d'une trajectoire d'un effecteur porté par un robot Download PDF

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WO2017103489A1
WO2017103489A1 PCT/FR2016/053446 FR2016053446W WO2017103489A1 WO 2017103489 A1 WO2017103489 A1 WO 2017103489A1 FR 2016053446 W FR2016053446 W FR 2016053446W WO 2017103489 A1 WO2017103489 A1 WO 2017103489A1
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WO
WIPO (PCT)
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robot
targets
effector
cameras
camera
Prior art date
Application number
PCT/FR2016/053446
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English (en)
Inventor
Marc DOUILLY
Original Assignee
Airbus Group Sas
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Publication date
Application filed by Airbus Group Sas filed Critical Airbus Group Sas
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1638—Programme controls characterised by the control loop compensation for arm bending/inertia, pay load weight/inertia
    • 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
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39177—Compensation position working point as function of inclination tool, hand
    • 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
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39183—Compliance compensation

Definitions

  • the present invention relates to a system for correcting a trajectory of a tool carried by a robot.
  • a robot carrying a tool to work in support of a part must follow the programmed path to ensure compliance with manufacturing or assembly tolerances.
  • the programming of the trajectories of the tools carried by robots can be carried out in different ways, for example:
  • trajectory is defined in advance, for example in a virtual visualization tool in three dimensions, from the definition of a theoretical part, - by learning, where the trajectory is defined to empty (without execution of a process) in a real environment by teaching the robot a certain number of waypoints.
  • the robot executes the programmed trajectory, in the second, the robot re-plays a learned sequence.
  • the present invention relates to a system for correcting a trajectory of at least one robot comprising:
  • each camera being independent of the other camera (s) and connected to at least one image processing processing unit, the processing unit (s) being configured to determine a two-dimensional coordinate list of targets in an image reference;
  • a central unit configured to receive the two-dimensional coordinates of the targets obtained from each processing unit, to process said two-dimensional coordinates and to triangulate the positions of the targets in a three-dimensional work coordinate system (or working reference), to determine the position of the effector in the three-dimensional work coordinate system, for calculating a position error of the effector with respect to desired theoretical values and for transmitting position correction information, developed from said errors to the control unit of the robot.
  • the reference coordinate system may be the landmark of a camera, but not exclusively.
  • the reference of a camera can be used initially as reference during the calibration but another one can be used, it is about a simple geometrical construction.
  • position sometimes referred to as “pose” in this area of the art, must be understood as the Cartesian position and the angular position of the object, or in other words, the position as such and the orientation of the object. object.
  • effector refers to the tool positioned on the robot that performs tasks such as welding or fiber placement.
  • Such a system comprises at least two cameras that are arranged at a distance from each other or from each other.
  • the system has at least four targets attached to the effector.
  • Such a configuration of the system according to the invention makes it possible to ensure a real-time correction of the trajectory of the robot.
  • the system according to the invention comprises several cameras positioned in a robotic environment. These cameras observe a scene in which there are at least four targets attached to the tool or a support of the tool carried by the robot in a known position on said tool.
  • the operation of the system is based on triangulation measurements using multiple cameras.
  • the number of cameras used is not limited in theory, it depends on the desired volume of work, the configuration of the workspace and the uncertainty of the desired course corrections. An increased number of cameras makes it possible to cover a larger measurement volume by the distribution of the cameras. An increased number of cameras also makes it possible to take measurements in complex geometric configurations in which some cameras lose the visibility of the targets.
  • An increased number of cameras also makes it possible to increase the precision of the measurements, for example by the implementation of known algorithms for reducing the uncertainty on the position from positions calculated with different subsets of cameras. All the steps of acquisition, processing, calculation and data transmission performed by the system according to the invention can be performed in successive steps or simultaneously to minimize the cycle time.
  • Such a cycle time corresponds to the time interval between two determinations of the correction of the position of the effector which must be applied by the robot, and is adapted to the dynamics of the operations performed by the robot and to the precision sought on the position of the head.
  • a cycle time will advantageously be less than or equal to 10 ms. (0.5 x YY / XX).
  • a cycle time between an acquisition of the images of the targets by the cameras and the taking into account of the correction of the position of the effector by the robot integrates in particular the time to carry out the following operations: the treatment of the images of the cameras in two dimensions, the calculation of the positions of the targets in three dimensions by triangulation, the determination of a measured position of the effector by the treatment of the positions of the targets, the calculation of the position error of the effector and an order position correction.
  • each camera is connected to a single processing unit assigned to it.
  • the system according to the invention is then called modular system, in which each module is connected to its own entity for the acquisition and processing of images.
  • Such a modular structure makes it possible to perform calculations or even data processing in parallel and considerably increases the speed, and thus gives the possibility of having access to shorter cycle times.
  • Such a modular system has a great flexibility in terms of camera positioning, and it is possible to position the cameras to cover a larger volume.
  • four cameras are recommended to treat a volume of about 8 m 3 , and for a maximum distance between targets of about 500 mm.
  • the distribution of the cameras then depends on the type of trajectory performed as well as the risks of occultation due to the presence of fixed tools, for example.
  • the position of the cameras is determined by the user according to the operations that he wishes his robot to perform, unlike the prior art systems implementing triangulation calculations whose geometric work volume can not be achieved. not be modified.
  • the measurement is never interrupted, the masking effects being avoided or even compensated, if the number of cameras is sufficient and their positioning is optimized, unlike the prior art systems which use beams. laser.
  • the targets emit advantageously in the infrared or the near infrared, or both. Such targets allow a uniform brightness in the image of the cameras.
  • Targets can be active targets, such as LEDs with diffusers, sometimes called illuminators.
  • the targets can be passive targets, such as flat or spherical targets and having a coating for returning light to the source (retro-reflective), the cameras are then coupled to a lighting, for example annular, arranged around the lens and emitting in the desired wavelength range.
  • a lighting for example annular
  • the cameras advantageously comprise at least one band-pass or high-pass filter, preferably preferably only passing the waves centered on the infrared and / or the near infrared.
  • the presence of such filters eliminates all that is of the order of the visible and thus more easily isolate the targets from the rest of the image.
  • Such filters contribute to increasing the reliability in terms of robustness and allow the reduction of cycle times.
  • the cameras are for example connected to the processing units by a digital communication interface.
  • An Ethernet protocol is used for example, or the "CoaXPress” protocol, or the “Link Camera” protocol, or even the optical fiber to significantly reduce the cycle time.
  • the present invention also provides a method for correcting a trajectory of at least one robot subjected to forces implementing the use of the system described in the context of the invention comprising the following steps: - acquisition of the images containing the targets by the cameras;
  • each processing unit for the determination of the two-dimensional coordinates in the reference of each camera
  • the system according to the invention is coupled to the control unit of a robot and receives and / or transmits data from / to the robot periodically.
  • Such a calibration advantageously implements steps, such as an initialization of the pose of each camera with respect to the other cameras after moving at least one reference target; and a calibration of the pose of each camera with respect to the other cameras and determination of the measurement scale after moving at least two reference targets.
  • the calibration of the system according to the invention comprises the following steps:
  • This work benchmark is generated by the simultaneous recording in the system of N points whose coordinates are read by an external system or on the monitor of the robot.
  • the present invention relates to a use of the system for monitoring a friction stir welding trajectory (FSW) or the placement of fibers for producing parts made of composite materials.
  • FSW friction stir welding trajectory
  • This type of friction welding and this placement of fibers impose forces that tend to deform the mechanical structure of the robot causing it to deviate from the programmed path (or learned), while its control believes to be correctly positioned: the system according to the invention makes it possible to correct these deviations.
  • the friction stirring process is typically used for the joining of sheet metal parts with the creation of a joint.
  • the effector that performs FSW operations causes friction phenomena at the interface between the sheets, to cause the softening of the metal in contact with the rotating tool.
  • Such friction leads to considerable efforts of the effector on the sheets with deformations that make it difficult to control the trajectory of the effector which must remain localized on the seal.
  • the system according to the invention is particularly adapted to allow a follow-up and a permanent correction of the trajectory of the effector during its movements while it is assembled by FSW.
  • FIG. 1 represents a perspective view of a system according to the invention embodying an anthropomorphic robot; and - Figure 2 schematically shows the operation of the system according to the invention; and
  • FIG. 3 represents a schematic view of the arm of the anthropomorphic robot illustrating the position of the tool with and without correction of trajectory.
  • FIG. 1 represents a system 1, according to an exemplary embodiment of the invention, comprising, in the illustrated example, four cameras 2a, 2b, 2c, 2d which receive images of a plurality of reference targets 3 positioned on a support, mounted on an effector 4 of an anthropomorphic robot 5.
  • the reference targets on the support are used for calibration, in practice the targets can be directly positioned on the effector.
  • the four cameras 2a, 2b, 2c, 2d are respectively connected to four processing units 6a, 6b, 6c, 6d.
  • Each processing unit processes the collected images and determines the two-dimensional coordinates of the targets 3.
  • the central unit 8 from the information transmitted from two-dimensional position of the targets and from a knowledge of the positions of the cameras, establishes, by conventional triangulation calculations, three-dimensional coordinates of the targets and an orientation of the support of said targets, in a work reference, which is equivalent to a position of the effector 4.
  • the CPU 8 compares the position data obtained by the measurement with reference data.
  • the link between the control of the robot and the system is bilateral, since on the one hand the system measures, therefore receives from the control unit of the robot somehow, the position values that the robot must have reached in theory, and, that on the other hand the system transmits to the robot the offsets between the values of the position that the robot should have reached and what the system measures in practice.
  • the central unit 8 transmits, via the communication interface 7, the error on the position to a control unit of the anthropomorphic robot 5 and said control unit controls the robot to correct the position and orientation of the effector.
  • this correction is carried out continuously or at least with a sufficient frequency, taking into account the dynamics of the robot in the process implemented, so that the error of position and orientation of the effector remains in a range of tolerated value.
  • FIG. 3 represents an arm of the anthropomorphic robot 5 with the measured position of the effector 4 before correction, whose coordinates 9 are shown on the left in FIG. 3, and the desired position of the effector 4 after correction, whose coordinates 10 are shown on the right in FIG.
  • the position of the cameras and the relative positions of the targets on the effector must be known as accurately as possible.
  • the accuracy of these positions will naturally depend on the accuracy of the measurement of the position of the effector and therefore the correction that will be applied.
  • the application of the two-dimensional location algorithms of the targets and the triangulation algorithms used to position errors of the cameras and / or targets gives in practice the accuracy that can be expected from the measuring device.
  • a method for accurately knowing the position of the cameras and targets consists of a calibration of the measuring device.
  • fixed reference targets are advantageously used to perform this calibration which avoids precise positioning of the cameras.
  • the calibration step implements the following substeps:
  • This base is generated by the simultaneous recording in the system of N points whose coordinates are read by an external system or on the monitor of the robot.
  • the cameras 2a, 2b, 2c, 2d receive the images, then the processing units 6a, 6b, 6c, 6d determine the two-dimensional coordinates individually, with acquisition of the images. containing the targets by the cameras; and processing the images by each processing unit for determining the two-dimensional coordinates in the mark of each camera; Finally, the central unit 8 implements the following steps:
  • the number of cameras can be different from four. At least two cameras are needed to triangulate, but the maximum number of cameras is not theoretically limited. An increase in the number of cameras makes it possible to improve the precision of measurements by reducing the number of uncertainties on the measurements obtained by each individual camera, and also makes it possible to avoid losses of the measurement of the position and / or the orientation of the effector because of the loss of the acquisition of the targets by certain cameras during movements of the effector.
  • the robot described in the example as an anthropomorphic robot, can be of any type, for example a portal or for example tripod / tricept or hexapod.
  • the number of targets may also be different depending on the measurements taken and the application.
  • a single target linked to the effector may be necessary if the robot implemented does not modify the orientation of the effector and only one position of the effector is measured without orientation (only in the case of the effector). a rectilinear trajectory along a given axis, without modification of orientation).
  • the camera system can be assigned to a workshop with several robots.
  • a subset of cameras can be assigned to each of the robots in operation at a given time, and the data resulting from the processing of the images provided by the cameras will be shared between the different robots for the measurements that concern each one of them. .
  • the architecture example of the calculation means of the example described is arbitrary and, in a manner known in the field of digital signal processing, any system comprising means for acquiring signals from the cameras and processing signals for apply the algorithms giving the position and orientation of the effector, and calculating an error on the position and orientation of the effector, can be implemented.
  • all of the processing means can be implemented in a computer center, which can be the center controlling the movements of the robot.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Système (1) pour la correction d'une trajectoire d'au moins un robot (5) comprenant : - un effecteur (4) porté par le robot; - une unité de commande du robot; - au moins une cible (3) liée à l'effecteur (4); ledit système comporte : - au moins deux caméras (2a, 2b, 2c, 2d) connectée à au moins une unité de traitement (6a, 6b, 6c, 6d); et - une unité centrale (8) configurée pour recevoir les coordonnées bidimensionnelles des cibles (3) et pour transmettre des informations de correction de position, à l'unité de commande du robot.

Description

SYSTÈME ET PROCÉDÉ POUR LA CORRECTION D'UNE TRAJECTOIRE D'UN EFFECTEUR PORTÉ PAR UN ROBOT
La présente invention concerne un système pour la correction d'une trajectoire d'un outil porté par un robot.
Elle s'applique, en particulier, au domaine des procédés robotisés devant suivre une trajectoire lorsque l'outil est soumis à des efforts susceptibles d'induire des déformations de la structure du robot et des écarts de la trajectoire réelle de l'outil par rapport à la trajectoire souhaitée.
De telles situations se rencontrent par exemple dans le soudage par friction malaxage (FSW), ou encore dans le placement de fibres pour la réalisation de pièces en matériaux composites, pour lesquels il est essentiel de suivre précisément une trajectoire programmée.
Un robot portant un outil devant travailler en appui sur une pièce doit impérativement suivre la trajectoire programmée afin de garantir le respect des tolérances de fabrication ou d'assemblage.
La programmation des trajectoires des outils portés par des robots peut être conduite de différentes façons, par exemple :
- la programmation hors-ligne, où la trajectoire est définie à l'avance, par exemple dans un outil de visualisation virtuel en trois dimensions, à partir de la définition d'une pièce théorique, - par apprentissage, où la trajectoire est définie à vide (sans exécution d'un procédé) dans un environnement réel en apprenant au robot un certain nombre de points de passage.
Dans le premier cas, le robot exécute la trajectoire programmée, dans le second, le robot rejoue une séquence apprise.
Dans l'un ou l'autre cas, les efforts s'exerçant sur l'outil du robot lors de l'application du procédé mis en œuvre ont tendance à déformer la structure mécanique du robot, déformation dont il résulte un écart entre la trajectoire réelle suivie par l'outil et la trajectoire programmée ou apprise, alors que le système de commande du robot considère que l'outil est correctement positionné. Ce phénomène est d'autant plus flagrant dans le cas de trajectoires courbes dans l'espace géométrique de travail. Le constat est donc un décalage à chaque instant entre la trajectoire réelle et la trajectoire théorique.
Différentes méthodes sont connues pour corriger de tels écarts de trajectoires.
II est connu de mettre en œuvre le système pour réaliser une pièce sacrifiée sans correction de la trajectoire de l'outil et d'introduire ensuite dans le système de contrôle de la trajectoire les écarts entre la trajectoire réelle mesurée lors de la réalisation de cette pièce sacrifiée et la trajectoire théorique.
Cette solution peut s'avérer intéressante pour des grandes séries où il y a peu de trajectoires à générer. Elle peut cependant s'avérer très coûteuse suivant le coût de réalisation des pièces ainsi que le nombre de trajectoires à générer. De plus, les dérives au cours du temps ne sont pas forcément maîtrisées, il peut donc y avoir besoin de recaler les trajectoires de façon périodique, avec des impacts pouvant être importants sur les cycles de fabrication et sur les coûts.
Il est également connu de modéliser le comportement du robot, le modèle prenant en compte la rigidité de ses différents composants, et d'en déduire par calculs les déformations du robot en fonction des efforts qui lui seront appliqués par le procédé mis en œuvre et de prendre en compte dans la trajectoire programmée les écarts de position de l'outil résultant de ces déformations. Cette solution est plus complexe que la précédente et elle dépend de la finesse du modèle utilisé pour simuler le comportement du robot sous efforts, et de la précision avec laquelle les efforts appliqués par le procédé sont connus. Elle nécessite souvent de nombreux essais de caractérisation et s'applique en général pour une utilisation restreinte à des zones ou des configurations de robot spécifiques
Il est également connu d'embarquer une solution locale de correction relative, de type optique par exemple, et de positionner une référence à suivre à chaque instant le long de la trajectoire de travail (suivi de joint et/ou de profilé). Cette solution est adaptée à certain cas de soudage. Elle est en particulier utilisable dans les procédés qui ne nécessitent que de faibles amplitudes de variation des angles de la tête du robot. Elle consiste en une correction relative locale. Elle ne permet pas de garantir un respect nominal de la trajectoire. Il est également connu de suivre la position réelle de la tête du robot à l'aide d'un système externe de mesure optique. Un tel système de mesure met par exemple en œuvre des caméras et des calculs de position par triangulation, comme cela est décrit dans le brevet US 7 813 830. Un tel système de mesure peut aussi mettre en œuvre des lasers de poursuite. Dans son application au suivi d'un outil monté en bout d'un robot, il faut cependant garantir de ne pas couper le faisceau des lasers de poursuite, ce qui s'avère difficile dans le cas de trajectoires d'outils sur des pièces complexes.
En pratique aucun des systèmes connus de correction de la trajectoire d'un outil porté par un robot et soumis à un effort lors de l'application du procédé ne satisfait les exigences de précision et/ou les contraintes économiques pour une application industrielle de procédés tels que le soudage à friction malaxage ou la dépose de fibres pour la réalisation de pièces en matériaux composites.
La présente invention concerne un système pour la correction d'une trajectoire d'au moins un robot comprenant :
- un effecteur porté par le robot ;
- une unité de commande du robot ;
- au moins une cible liée à effecteur ;
- au moins deux caméras fixes dans un système de coordonnées de référence, chaque caméra étant indépendante de la ou des autres caméras et connectée à au moins une unité de traitement d'analyse des images, la ou les unités de traitement étant configurées pour déterminer une liste de coordonnées bidimensionnelle des cibles dans un repère image ; et
- une unité centrale configurée pour recevoir les coordonnées bidimensionnelles des cibles obtenues de chaque unité de traitement, pour traiter lesdites coordonnées bidimensionnelles et déterminer par triangulation les positions des cibles dans un repère tridimensionnel de travail (ou repère de travail), pour déterminer la position de l'effecteur dans le repère tridimensionnel de travail, pour calculer une erreur de position de l'effecteur par rapport à des valeurs théoriques souhaitées et pour transmettre des informations de correction de position, élaborées à partir desdites erreurs à l'unité de commande du robot.
Le système de coordonnées de référence peut être le repère d'une caméra, mais pas exclusivement. Le repère d'une caméra peut servir initialement de référence lors de la calibration mais un autre peut être utilisé, il s'agit d'une simple construction géométrique.
Le terme « position », parfois qualifié de « pose » dans ce domaine de la technique, doit être compris comme la position cartésienne et la position angulaire de l'objet, ou autrement dit, la position en tant que telle et l'orientation dudit objet.
Le terme « effecteur » correspond à l'outil positionné sur le robot qui effectue des tâches comme par exemple le soudage ou le placement de fibres.
Un tel système comporte au moins deux caméras qui sont agencées distantes l'une de l'autre ou les unes par rapport aux autres.
Le système comporte au moins quatre cibles fixées à l'effecteur.
Une telle configuration du système selon l'invention permet d'assurer une correction en temps réel de la trajectoire du robot.
Le système selon l'invention comprend plusieurs caméras positionnées dans un environnement robotisé. Ces caméras observent une scène dans laquelle est présente au moins quatre cibles fixées à l'outil ou à un support de l'outil porté par le robot dans une position connue sur ledit outil. Le fonctionnement du système est basé sur des mesures par triangulation à l'aide de plusieurs caméras. Le nombre de caméras utilisées n'est pas limité en théorie, il dépend du volume de travail souhaité, de la configuration de l'espace de travail et de l'incertitude des corrections de trajectoires voulues. Un nombre de caméras augmenté permet de couvrir un volume de mesure plus important par la répartition des caméras. Un nombre de caméras augmenté permet également de réaliser des mesures dans des configurations géométriques complexes dans lesquelles certaines caméras perdent la visibilité des cibles. Un nombre de caméras augmenté permet également d'augmenter la précision des mesures, par exemple par la mise en œuvre d'algorithmes connus pour diminuer l'incertitude sur la position à partir de positions calculées avec différents sous-ensembles de caméras. L'ensemble des étapes d'acquisition, de traitement, de calcul et de transmission de donnée effectuées par le système selon l'invention peuvent être réalisées en étapes successives ou en simultané afin de minimiser le temps de cycle.
Un tel temps de cycle, correspond à l'intervalle de temps entre deux déterminations de la correction de la position de l'effecteur qui doit être appliquée par le robot, et est adapté à la dynamique des opérations réalisées par le robot et à la précision recherchée sur la position de la tête. Par exemple pour une vitesse de déplacement de l'outil de 250 mm/s (XX) et pour une précision recherchée de la position mesurée pour l'effecteur de 0.25 mm (YY) un temps de cycle sera avantageusement inférieur ou égal à 10 ms (0.5 x YY/XX).
Un temps de cycle entre une acquisition des images des cibles par les caméras et la prise en compte de la correction de la position de l'effecteur par le robot intègre notamment le temps pour effectuer les opération suivantes : le traitement des images des caméras en deux dimensions, le calcul des positions des cibles en trois dimensions par triangulation, la détermination d'une position mesurée de l'effecteur par le traitement des positions des cibles, le calcul de l'erreur de position de l'effecteur et d'un ordre de correction de position.
Avantageusement, chaque caméra est connectée à une seule unité de traitement qui lui est affectée. Le système selon l'invention est alors qualifié de système modulaire, dans lequel chaque module est relié à sa propre entité pour l'acquisition et le traitement des images. Une telle structure modulaire permet d'effectuer des calculs, voire des traitements de données, en parallèle et augmente considérablement la vitesse, et donne ainsi la possibilité d'avoir accès à des temps de cycle plus courts.
Un tel système modulaire présente une grande souplesse en termes de positionnement des caméras, et il est ainsi possible de positionner les caméras pour couvrir un volume plus important. Idéalement, quatre caméras sont conseillées pour traiter un volume d'environ 8 m3, et pour une entre distance maximale entre cibles d'environ 500 mm. La répartition des caméras dépend ensuite du type de trajectoire effectuée ainsi que des risques d'occultation dus à la présence d'outillages fixes, par exemple. De plus, la position des caméras est déterminée par l'utilisateur en fonction des opérations qu'il souhaite faire réaliser à son robot, contrairement aux systèmes de l'art antérieur mettant en œuvre des calculs par triangulations dont le volume géométrique de travail ne peut pas être modifié. En outre, la mesure n'est jamais interrompue, les effets de masquage étant évités voire compensés, si le nombre de caméra est suffisant et que leur positionnement est optimisé, à la différence des systèmes de l'art antérieur qui ont recours à des faisceaux laser.
Les cibles émettent avantageusement dans le l'infrarouge ou le proche infrarouge, ou les deux. De telles cibles permettent une luminosité homogène dans l'image des caméras.
Les cibles peuvent être des cibles actives, comme par exemple des LED équipées de diffuseurs, parfois qualifiées illuminateurs.
Les cibles peuvent être des cibles passives, comme par exemple des cibles plates ou sphériques et disposant d'un revêtement permettant de renvoyer la lumière à la source (rétro-réfléchissant), les caméras sont alors couplées à un éclairage, par exemple annulaire, disposé autour de l'objectif et émettant dans la gamme de longueur d'onde voulue.
Les caméras comprennent avantageusement au moins un filtre passe- bande ou passe-haut, laissant de préférence uniquement bien passer les ondes centrées sur l'infrarouge et/ou le proche infrarouge. La présence de tels filtres permet d'éliminer tout ce qui est de l'ordre du visible et ainsi isoler plus facilement les cibles du reste de l'image. De tels filtres participent à augmenter la fiabilité en terme de robustesse et permettent la diminution des temps de cycle.
Les caméras sont par exemple connectées aux unités de traitement par une interface de communication numérique. Un protocole Ethernet est utilisé par exemple, ou le protocole « CoaXPress », ou encore le protocole « Caméra Link », ou bien encore la fibre optique pour réduire considérablement le temps de cycle.
La présente invention vise également un procédé pour la correction d'une trajectoire d'au moins un robot soumis à des efforts mettant en œuvre l'utilisation du système décrit dans le cadre de l'invention comprenant les étapes suivantes : - acquisition des images contenant les cibles par les caméras;
- traitement des images par chaque unité de traitement pour la détermination des coordonnées bidimensionnelles dans le repère de chaque caméra ;
- mise en correspondance des indices des coordonnées bidimensionnelles entre les caméras et calcul d'une position tridimensionnelle du repère fixe de chaque cible par triangulation ;
- calcul de coordonnées tridimensionnelles des cibles dans un repère de travail ;
- détermination de la position de l'effecteur à partir des coordonnées
tridimensionnelles calculées sur les cibles ;
- comparaison entre la position obtenue et la position théorique souhaitée à l'instant donnée ;
- calcul de la correction par comparaison entre les données mesurées et les données issues de l'unité de commande du robot ; et
- transmission des informations de correction de position à l'unité de commande du robot.
Le système selon l'invention est couplé à l'unité de commande d'un robot et reçoit et/ou émet des données du/au robot de manière périodique.
Avant de pouvoir être utilisé, un tel système est avantageusement calibré. Une telle calibration met avantageusement en œuvre des étapes, telles qu'une initialisation de la pose de chaque caméra par rapport aux autres caméras après mise en mouvement d'au moins une cible de référence ; et une calibration de la pose de chaque caméra par rapport aux autres caméras et détermination de l'échelle de mesure après mise en mouvement d'au moins deux cibles de référence.
Avantageusement, la calibration du système selon l'invention comprend les étapes suivantes :
- détermination du repère de chaque caméra, avec prises de vue d'une plaque de référence équipée de cibles déplacée par rapport à la caméra, ou l'inverse, puis calcul des paramètres internes par optimisation non- linéaire ;
- détermination d'un repère de travail, en calculant la position de chaque caméra par rapport aux autres caméras par une procédure robotisée de déplacement de cibles de référence dans le volume de travail du système ;
- détermination des coordonnées tridimensionnelles des cibles, et calcul de la position théorique souhaitée en temps donné ; et
- création d'un repère de travail (au sens géométrique) commun entre le robot et le système. Ce repère de travail, encore qualifié de base de données, est généré par l'enregistrement simultané dans le système de N points dont les coordonnées sont lues par un système externe ou sur le moniteur du robot.
Selon un autre aspect, la présente invention concerne une utilisation du système pour le suivi d'une trajectoire de soudage par friction malaxage (FSW) ou le placement de fibres pour la réalisation de pièces en matériaux composites. Ce type de soudage par friction et ce placement de fibres imposent des efforts qui ont tendance à déformer la structure mécanique du robot l'amenant à dévier de la trajectoire programmée (ou apprise), alors que sa commande croit être correctement positionnée : le système selon l'invention permet de corriger ces déviations.
Le procédé de friction malaxage (FSH) est typiquement utilisé pour la solidarisation de pièces en tôle avec création d'un joint. L'effecteur qui effectue les opérations de FSW provoque des phénomènes de friction à l'interface entre les tôles, jusqu'à provoquer le ramollissement du métal en contact avec l'outil en rotation. Une telle friction entraîne des efforts considérables de l'effecteur sur les tôles avec des déformations qui rendent difficile le contrôle de la trajectoire de l'effecteur qui doit rester localisé sur le joint. Le système selon l'invention est particulièrement adapté pour permettre un suivi et une correction permanente de la trajectoire de l'effecteur pendant ses déplacements pendant qu'il procède à un assemblage par FSW. D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente une vue en perspective d'un système selon l'invention mettant en œuvre un robot anthropomorphe ; et - la figure 2 représente de manière schématique le fonctionnement du système selon l'invention ; et
- la figure 3 représente une vue schématique du bras du robot anthropomorphe illustrant la position de l'outil avec et sans correction de trajectoire.
La figure 1 représente un système 1 , selon un exemple de réalisation de l'invention, comprenant, dans l'exemple illustré, quatre caméras 2a, 2b, 2c, 2d qui reçoivent des images d'une pluralité de cibles de référence 3 positionnées sur un support, montée sur un effecteur 4 d'un robot anthropomorphe 5. Les cibles de référence sur le support servent à la calibration, dans la pratique les cibles peuvent être directement positionnées sur l'effecteur.
En figure 2, les quatre caméras 2a, 2b, 2c, 2d sont connectées respectivement à quatre unités de traitement 6a, 6b, 6c, 6d. Une interface de communication 7, qui utilise un protocole Ethernet (norme internationale : ISO/IEC/IEEE 8802-3-1 ), collecte les informations des images depuis les unités de traitement 6a, 6b, 6c, 6d. Chaque unité de traitement traite les images collectées et détermine les coordonnées bidimensionnelle des cibles 3.
Ces coordonnées bidimensionnelles sont transmises en temps réel à une unité centrale 8 de traitement numérique. L'unité centrale 8, à partir des informations transmises de position en deux dimensions des cibles et d'une connaissance des positions des caméras, établit, par des calculs de triangulation conventionnels, des coordonnées tridimensionnelles des cibles et une orientation du support desdites cibles, dans un repère de travail, ce qui est équivalent à une position de l'effecteur 4.
L'unité centrale 8 compare les données de position obtenues par la mesure avec des données de référence. Le lien existant entre la commande du robot et le système est bilatéral, étant donné que d'une part le système mesure, donc reçoit de l'unité de commande du robot en quelque sorte, les valeurs de position que le robot doit avoir atteint en théorie, et, que d'autre part le système transmet au robot les décalages entre les valeurs de la position que le robot devrait avoir atteinte et ce que le système mesure en pratique.
L'unité centrale 8 transmet, via l'interface de communication 7, l'erreur sur la position à une unité de commande du robot anthropomorphe 5 et ladite unité de commande commande le robot pour corriger la position et l'orientation de l'effecteur.
Il doit être compris ici que cette correction est réalisée de manière continue ou au moins avec une fréquence suffisante, compte tenu de la dynamique du robot dans le procédé mis en œuvre, pour que l'erreur de position et d'orientation de l'effecteur reste dans une plage de valeur tolérée.
La figure 3 représente un bras du robot anthropomorphe 5 avec la position mesurée de l'effecteur 4 avant correction, dont les coordonnées 9 sont reportées à gauche sur la figure 3, et la position souhaitée de l'effecteur 4 après correction, dont les coordonnées 10 sont reportées à droite sur la figure 3.
Pour une mise en œuvre du système, la position des caméras et les positions relatives des cibles sur l'effecteur doivent être connues de manière aussi précise que possible. De la précision de ces positions dépendra naturellement la précision de la mesure de la position de l'effecteur et donc la correction qui sera appliquée. L'application des algorithmes de localisation en deux dimensions des cibles et des algorithmes de triangulation utilisés à des erreurs de positions des caméras et/ou des cibles donne en pratique la précision qui peut être attendue du dispositif de mesure.
Une méthode pour connaître de manière précise la position des caméras et des cibles consiste en une calibration du dispositif de mesure.
En particulier des cibles fixes de référence sont avantageusement mises en œuvre pour effectuer cette calibration qui évite un placement précis des caméras.
Dans le mode de réalisation présenté précédemment, l'étape de calibration met en œuvre les sous-étapes suivantes :
- détermination du repère de chaque caméra, avec prises de vue d'une plaque de référence équipée de cibles déplacée par rapport à la caméra, ou l'inverse, puis calcul des paramètres internes par optimisation non- linéaire ;
- détermination d'un repère de travail, en calculant la position de chaque caméra par rapport aux autres caméras par une procédure robotisée de déplacement de cibles de référence dans le volume de travail du système ; - détermination des coordonnées tridimensionnelles des cibles, et calcul de la position théorique souhaitée en temps donné ; et
- création d'un repère de travail commun entre le robot et le système.
Cette base est générée par l'enregistrement simultané dans le système de N points dont les coordonnées sont lues par un système externe ou sur le moniteur du robot.
En pratique, dans le mode de réalisation du système présenté précédemment, les caméras 2a, 2b, 2c, 2d réceptionnent les images, puis les unités de traitement 6a, 6b, 6c, 6d déterminent les coordonnées bidimensionnelles de manière individuelle, avec acquisition des images contenant les cibles par les caméras; et traitement des images par chaque unité de traitement pour la détermination des coordonnées bidimensionnelles dans le repère de chaque caméra ; enfin l'unité centrale 8 met en œuvre les étapes suivantes :
- mise en correspondance des indices des coordonnées bidimensionnelles de cibles et calcul d'une position tridimensionnelle du repère fixe de chaque cible par triangulation ;
- calcul de coordonnées tridimensionnelles des cibles dans un repère de travail ;
- détermination de la position de l'effecteur à partir des coordonnées
tridimensionnelles calculées sur les cibles ;
- comparaison entre la position obtenue et la position théorique souhaitée à l'instant donnée ;
- calcul de la correction par comparaison entre les données mesurées et les données issues de l'unité de commande du robot ; et
- transmission des informations de correction de position à l'unité de commande du robot.
L'invention décrite est susceptible de variantes respectant les principes exposés en détail dans un mode de réalisation.
Le nombre de caméras peut être différent de quatre. Au moins deux caméras sont nécessaires pour réaliser une triangulation, mais le nombre maximum de caméras n'est pas en théorie limité. Une augmentation du nombre de caméras permet d'améliorer la précision des mesures par la diminution des incertitudes sur les mesures obtenues par chaque caméra individuelle, et permet également d'éviter des pertes de la mesure de la position et/ou de l'orientation de l'effecteur en raison de la perte de l'acquisition des cibles par certaines caméras lors des mouvements de l'effecteur.
Le robot, décrit dans l'exemple comme un robot anthropomorphe, peut être de tout type, par exemple à portique ou par exemple tripode/tricept ou hexapode.
L'application de l'invention au cas du soudage par friction malaxage et au cas de la dépose de fibres pour la réalisation de pièces en matériau composite n'est pas limitative et l'invention trouvera en particulier application dans toutes les situations où se produisent des déformations du robot mis en œuvre du fait des efforts générés par le procédé.
Le nombre de cibles peut également être différent suivant les mesures réalisées et l'application.
Par exemple une seule cible liée à l'effecteur peut s'avérer nécessaire si le robot mis en œuvre ne modifie pas l'orientation de l'effecteur et que seulement une position de l'effecteur est mesurée sans orientation (uniquement dans le cas d'une trajectoire rectiligne selon un axe donné, sans modification d'orientation).
Si la position et l'orientation doivent être mesurées, plusieurs cibles seront nécessaires et une redondance de cibles permet comme dans le cas des caméras d'améliorer la précision des mesures et de palier à des limitations de la visibilité de certaines cibles en fonction des positions pouvant être prises par l'effecteur.
II doit être également être considéré que le système de caméras peut être affecté à un atelier comportant plusieurs robots.
Dans ce cas un sous-ensemble de caméras peut être affecté à chacun des robots en opération à un moment donné, et les données résultant du traitement des images fournies par les caméras seront partagées entre les différents robots pour les mesures qui concernent chacun d'eux.
L'exemple d'architecture des moyens de calculs de l'exemple décrit est arbitraire et, de manière connue dans le domaine du traitement numérique des signaux, tout système comportant des moyens d'acquisition des signaux issus des caméras et de traitement des signaux pour appliquer les algorithmes donnant la position et l'orientation de l'effecteur, et calculer une erreur sur la position et l'orientation de l'effecteur, peut être mis en œuvre.
En particulier l'ensemble des moyens de traitement peut être implémenté dans un centre de calculs, qui peut être le centre contrôlant les mouvements du robot.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système (1 ) pour la correction d'une trajectoire d'au moins un robot (5) comprenant :
- un effecteur (4) porté par le robot ;
- une unité de commande du robot ;
- au moins une cible (3) liée à l'effecteur (4) ;
caractérisé en ce que ledit système comporte :
- au moins deux caméras (2a, 2b, 2c, 2d) fixes dans un système de coordonnées de référence, chaque caméra étant indépendante de la ou des autres caméras et connectée à au moins une unité de traitement (6a, 6b, 6c, 6d) d'analyse des images, la ou les unités de traitement étant configurées pour déterminer une liste de coordonnées bidimensionnelles des cibles dans un repère image ; et
- une unité centrale (8) configurée pour recevoir les coordonnées bidimensionnelles des cibles (3) obtenues de chaque unité de traitement (6a, 6b, 6c, 6d), pour traiter lesdites coordonnées bidimensionnelles et déterminer par triangulation les positions des cibles (3) dans un repère tridimensionnel de travail, pour déterminer la position de l'effecteur (4) dans le repère tridimensionnel de travail, pour calculer une erreur de position de l'effecteur par rapport à des valeurs théoriques souhaitées et pour transmettre des informations de correction de position, élaborées à partir desdites erreurs, à l'unité de commande du robot.
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel chaque caméra est connectée à une seule unité de traitement qui lui est affectée.
3. Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les cibles (3) émettent dans au moins un des domaines choisi parmi l'infrarouge et le proche infrarouge.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les caméras (2a, 2b, 2c, 2d) comprennent au moins un filtre passe-bande ou un filtre passe- haut.
5. Procédé mettant en œuvre l'utilisation d'un système selon l'une des revendications 1 à 4 pour la correction d'une trajectoire d'au moins un robot soumis à des efforts, comprenant les étapes suivantes :
- acquisition des images contenant les cibles (3) par les caméras (2a, 2b, 2c, 2d) ;
- traitement des images par chaque unité de traitement (6a, 6b, 6c, 6d) pour la détermination des coordonnées bidimensionnelles dans le repère de chaque caméra ;
- mise en correspondance des indices des coordonnées bidimensionnelles entre caméras et calcul d'une position tridimensionnelle du repère fixe de chaque cible (3) par triangulation ;
- calcul de coordonnées tridimensionnelles des cibles (3) dans un repère de travail ;
- détermination de la position de l'effecteur (4) à partir des coordonnées tridimensionnelles calculées sur les cibles (3) ;
- comparaison entre la position obtenue et la position théorique souhaitée à l'instant donnée ;
- calcul de la correction par comparaison entre les données mesurées et les données issue de l'unité de commande du robot (5); et
- transmission des informations de correction de position à l'unité de commande du robot (5).
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel une première étape de calibration est mise en œuvre, qui comporte les sous-étapes suivantes :
- détermination du repère de chaque caméra (2a, 2b, 2c, 2d), avec prises de vue d'une plaque de référence équipée de cibles (3) déplacées par rapport à la caméra, ou l'inverse, puis calcul des paramètres internes par optimisation non-linéaire ;
- détermination d'un repère de travail, en calculant la position de chaque caméra (2a, 2b, 2c, 2d) par rapport aux autres caméras par une procédure robotisée de déplacement de cibles (3) de référence dans le volume de travail du système ;
- détermination des coordonnées tridimensionnelles des cibles, et calcul de la position théorique souhaitée en temps donné ; et
- création d'un repère de travail commun entre le robot (5) et le système
(1 )-
7. Utilisation du système (1 ) selon l'une des revendications 1 à 4 pour le suivi d'une trajectoire de soudage par friction malaxage ou le placement de fibres pour la réalisation de pièces en matériaux composites.
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