WO2018091141A1 - Vermessen einer bewegungsachse eines roboters - Google Patents

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WO2018091141A1
WO2018091141A1 PCT/EP2017/001340 EP2017001340W WO2018091141A1 WO 2018091141 A1 WO2018091141 A1 WO 2018091141A1 EP 2017001340 W EP2017001340 W EP 2017001340W WO 2018091141 A1 WO2018091141 A1 WO 2018091141A1
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WO
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axis
robot arm
movement axis
point
coordinate system
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PCT/EP2017/001340
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Manfred Hüttenhofer
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Kuka Roboter Gmbh
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    • 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
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    • G05B2219/39056—On line relative position error and orientation error calibration

Definitions

  • the present invention relates to a method and a means for measuring a movement axis of a robot having a robot arm, as well as a
  • a kinematic model is useful, the positions of the additional axis q r and positions of points P on the turntable 13 relative to the robot arm 1 1 linked together, for example, with a
  • Additional axis q t is movable relative to the environment U, in particular a kinematic model may be appropriate, the positions of the additional axis q t and poses of the robot arm 11 with positions of the tool 12 relative to (points P de) r environment linked, for example in the form of a so-called
  • Such kinematic models generally have one or more transformations between coordinate systems, each of which convert two coordinate systems into each other, in particular environment-fixed coordinate systems, by means of which
  • the kinematic model may, for example, have a transformation between a rotationally fixed and an environmental or robot-arm-fixed coordinate system
  • Coordinate system for example, a transformation between an environment and a robot arm base fixed coordinate system, in particular only this transformation or additionally associated transformation between this robot arm base fixed coordinate system and a tool or roboterarmspitzenfesten coordinate system.
  • Movement axis which is usually - as well as the orientation
  • a robot has a single or multi-axis robotic arm, which in a further development has at least four,
  • the robot in particular in addition to the robot arm, has at least one (further) movement axis, in particular at least one so-called additional axis.
  • this (additional or further movement) axis is measured, in particular by means according to an embodiment of the present invention, which is or is used for this purpose, in particular hardware and / or software, in particular program technology becomes.
  • the method according to an embodiment of the present invention comprises the steps:
  • the means for measuring a movement axis or according to an embodiment of the present invention comprises according to:
  • Robot arm in a or the first pose, wherein the movement axis has a or the first position
  • the robot arm itself is advantageously used for measuring the movement axis, in particular determining a (two-dimensional) orientation, whereby an external measuring system can be omitted in a further development.
  • the movement axis is an (additional) axis through which a
  • Machine part in particular a tool or workpiece, in particular a so-called positioning, on which the tool or workpiece for
  • the movement axis is an (additional) axis through which the robot arm, in particular a base of the robot arm, relative to a
  • internal or stationary environment in particular a work cell, a floor, a wall, ceiling or the like, is movable or is moved or which is set up for this purpose or is used.
  • a method or means according to the invention is particularly suitable.
  • the point repeatedly approached with the robot arm is movable relative to the robot arm, in particular a base of the robot arm, by or by adjusting the movement axis.
  • the point can be environmentally safe, in particular if the robot arm is movable or moved relative to the environment through the movement axis, since by moving the robot arm relative to the environment, an environmentally stable point is also moved relative to the robot arm.
  • the point in a further development may be robot-resistant, in particular if a machine part is or can be moved relative to the robot arm by the movement axis, in particular thus a positionally fixed point.
  • the point is given by a geometric design, in particular depression or elevation, in particular an edge, corner, a paragraph or the like. This can facilitate starting up with the robotic arm.
  • the orientation of the movement axis is determined such that a deviation between changes in a position of the point relative to the robot arm in the assumed poses of the robot arm and theoretical changes of this position due to an adjustment of
  • Movement axis is minimized in the corresponding positions of the movement axis.
  • the movement axis is a rotary or rotary axis.
  • Motion axis i. a rotation about the axis of motion, theoretically along a circle. Accordingly, the orientation of the movement axis can be determined so that actual positions of the point, which are determined on the basis of the determined when approaching the robot arm poses, as close as possible to a circle around the correspondingly oriented movement axis.
  • the movement axis is a translatory or linear axis. Then the position of the point changes due to an adjustment of the
  • Motion axis i. a displacement along or in the movement axis, theoretically along a straight line. Accordingly, the orientation of the
  • Movement axis are determined so that changes in the actual positions of the point, which are determined on the basis of the determined when approaching with the robot arm poses, as parallel as possible to the corresponding oriented
  • the method comprises the step: determining a position of the movement axis, in particular a two-dimensional position, in particular perpendicular to the
  • Movement axis based on the poses of the robot arm, in particular so on
  • the position of the movement axis is (are) determined such that a deviation between changes in a position of the point relative to the robot arm in its assumed poses and theoretical changes in that position due to an adjustment of
  • a layer in the sense of the present invention may in each case be a one-, two- or three-dimensional layer, in particular a Cartesian layer, i. from a distance, in particular to a reference, in particular a
  • Coordinate system in one, two or three directions depending, in particular a (s) specify such a distance, in particular be.
  • a position within the meaning of the present invention may indicate or include a position, in particular a two- or three-dimensional and / or Cartesian position, in particular be and / or indicate a position in the sense of the present invention in an embodiment one, in particular two- or three-dimensional and / or Cartesian, position, or in particular be.
  • the method includes the step of calibrating one,
  • Robot arm linked together based on the determined orientation and / or position of the movement axis, in a development such that at the positions of the axis of movement in which the point was approached, which determined for this purpose based on the poses of the robot arm positions as well as possible with positions
  • the predetermined kinematic model can have a transformation dependent on the position of the movement axis between a first and a second coordinate system, which in a development can be linked in a known manner with one or more further transformations between further coordinate systems, in particular in a known manner additively and / or multiplicatively, for example by
  • this transformation of the given kinematic model between the first and second coordinate system for calibrating the kinematic model is replaced by a calibrated transformation also dependent on the position of the motion axis between the first and a calibrated coordinate system, or the kinematic model is calibrated thereby the calibrated coordinate system from the second coordinate system is given by:
  • the original second coordinate system which may be predetermined in a manner known per se on the basis of theoretical target values for the robot, is retained as far as possible and modified only insofar, in particular as little as possible a rotation axis twisted and possibly as little as possible perpendicular to
  • (Calibrated) kinematic model optimally map the determined orientation and optionally position of the movement axis, while the remaining degrees of freedom that were used in the selection or specification of the second coordinate system, remain as unchanged as possible.
  • the movement axis is adjusted in at least two, in particular at least three, further positions and in each case the point with the
  • Robot arm approached by moving the robot arm in a further pose, wherein the movement axis has this further position, and the orientation and / or position of the movement axis based on the poses of the robot arm, in particular based on the positions of the point determined based on the poses relative to the robot arm , determined by means of an averaging method, in particular a least squares method or the like.
  • a (two-dimensional) orientation of a translational axis can already be determined on the basis of two positions by moving parallel to a connection of these positions or a corresponding change in the position of the point moved by adjusting the translational movement axis
  • a (two-dimensional) position and a (two-dimensional) orientation of a rotary axis can already be determined on the basis of three positions by being arranged perpendicular to a plane through these positions so that the positions are as close as possible to a circle around the axis lie.
  • averaging method can here also measurement errors and the like minimized and accordingly the precision of the measurement can be increased.
  • the point is approached with a working tool that, in particular releasably, on the robot arm, in particular its tip or
  • End flange is arranged.
  • the kinematic model can be calibrated directly in the work process.
  • the point is approached with a specially arranged, in particular detachably, on the robot arm, in particular its tip or end flange, arranged measuring tool, which is not set up for processing and / or transporting workpieces or is used.
  • a specially arranged, in particular detachably, on the robot arm, in particular its tip or end flange, arranged measuring tool which is not set up for processing and / or transporting workpieces or is used.
  • a means in the sense of the present invention may be designed in terms of hardware and / or software, in particular a data or signal-connected, preferably digital, processing, in particular microprocessor unit (CPU) and / or a memory and / or bus system or multiple programs or program modules.
  • the CPU may be configured to execute instructions implemented as a program stored in a memory system, to capture input signals from a data bus, and / or
  • a storage system may comprise one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid state and / or other non-volatile media.
  • the program may be arranged to be capable of embodying the methods described herein, such that the CPU may perform the steps of such
  • one or more, in particular all, steps of the method are completely or partially automated, in particular by the means for measuring the movement axis or its means. In one embodiment, this comprises the means for measuring the movement axis:
  • Deviation between changes in a position of the point relative to the robot arm in its assumed poses and theoretical changes in that position due to an adjustment of the axis of motion to their respective positions is minimized;
  • predetermined kinematic model the positions of the movement axis and positions of the point relative to the robot arm linked together, based on the determined orientation and / or position of the movement axis;
  • FIG. 1 shows a robot and a means for measuring a movement axis of the robot according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 a calibration of a kinematic model according to this embodiment
  • FIG. 3 shows a robot and a means for measuring a movement axis of the robot according to a further embodiment of the present invention
  • 4 shows a calibration of a kinematic model according to this embodiment
  • 5 shows a method for measuring the movement axis of the robot according to both embodiments.
  • Fig. 1 shows a robot 10 with a six-axis robot arm 1 1, the base 14 with respect to an environment U is stationary. On the robot arm 11, a tool or button 12 is attached.
  • a turntable 13 is about an additional axis of the robot 10 in the form of a
  • a controller 2 of the robot 10 carries out a method explained below with reference to FIGS. 1, 2 and 5 for measuring this movement axis q r .
  • a step S10 an excellent point P predetermined on the turntable 13, for example by a depression or the like, is approached by the tool or pushbutton 12, by moving the robot arm 11 into a corresponding pose, and storing the pose taken thereby.
  • a step S20 it is checked whether a predetermined number of poses have already been taken, in the exemplary embodiment, for example, at least three poses.
  • step S30 the
  • Movement axis q r adjusted to another position and then repeated step S10, in which the point P on the turntable 13 again approached with the tool or button 12 and the case occupied further pose is stored.
  • step S40 the corresponding positions of the rotationally fixed point P relative to the robot arm 11 are determined from the stored poses.
  • the positions can be determined and stored directly in step S10 instead of the poses.
  • Robot arm 11 in which he the point P at a first position qi the
  • a turn table fixed coordinate system ⁇ x ax, y ax, z ax ⁇ created, whose z-axis z ax (on a plane passing through P (qi), P q 2 ) and P (q 3 ) is perpendicular and is arranged in this by means of a least-squares method so that the sum of the squares of the distances of the positions P (qi), P (q2) and P (q 3 ) to a in Fig. 2 indicated by dashed lines to z ax is minimal.
  • the x-axis x ax of the coordinate system ⁇ x ax , y ax , z ax ) is aligned with a perpendicular from the position P (qi) on this z-axis z ax , its y-axis y ax forms with the x and the z-axis a legal system or the Cartesian coordinate system
  • the z-axis z ax thus aligned with the axis of motion q r, the two-dimensional position (in the drawing plane of Fig. 2) and two-dimensional orientation relative to the roboterarmbasisfesten coordinate system ⁇ x r0 b, y r0 b- z r0 b ⁇ so that in step S40 was determined.
  • the kinematic model has a transformation between the
  • This rotary table fixed coordinate system ⁇ x m0 d, ymod, z m0 d ⁇ of the kinematic model is chosen in a conventional manner so that its z-axis z m0 d is aligned with the theoretical axis of rotation of the turntable 13.
  • step S50 first a smallest possible displacement d (see Fig. 2) is determined which is the origin of the coordinate system ⁇ x m0 d, y mod, z m0 d ⁇ of the coordinate system
  • a calibrated coordinate system ⁇ x ca i, ycäi, z) is obtained from the (second) coordinate system ⁇ x m0 d, ymod, z m0 d ⁇ of the kinematic model specified on the basis of the theoretical target dimensions ca i ⁇ out.
  • FIGs. 3 to 5 show in Figs. 1, 2 and 5, respectively, a robot 10 and a (means 2 for) measuring a movement axis of this robot according to another embodiment of the present invention.
  • Corresponding features are identified by identical reference numerals, so that reference is made to the above description and will be discussed below only differences.
  • the additional axis is a translational axis q t for moving the base 14 of the robot arm 1 relative to the surroundings U.
  • step S 0 an excellent, predetermined for example by a depression or the like, environmentally safe point P is approached by the tool or button 12 by the robot arm 11 is moved into a corresponding pose, and stored the pose thereby taken.
  • step S20 the predetermined number of poses is five poses.
  • step S30 the movement axis q t is in each case adjusted to a further position.
  • step S40 the corresponding positions of the environmentally fixed point P relative to the robot arm 11 or its base 14 'are determined from the stored poses. In a modification, instead of the poses, these positions can also be determined and stored directly in step S10. 3 shows an example of this in solid lines a first pose of
  • Robot arm 1 wherein t he starts up the environment fixed point P in a first position qi the movement axis q, and in dashed lines a further, fifth pose of the robot arm 1 1, in which he the point P in a further, fifth position q 5 the axis of movement q t starts up, Fig. 4, the determined positions P (q), P (qs) of the point P as well as in the form filled in circles three intervening further positions of the point P at respective further positions of the movement axis q t and corresponding further, in Fig 3, other poses of the robotic arm relative to the robotic arm 11, as shown by the robot arm base
  • step S40 From the positions P (q-P (q 5 ), in step S40, an environmentally fixed one
  • the z-axis z ax is thus in turn aligned with the movement axis q t whose
  • a kinematic model the positions qi - q 5 of the movement axis q t and positions of the axes of the robot arm 1 1, which determine its pose, with positions P (qi) - P (q 5 ) of the environmentally fixed point P relative to the robot arm 1 , in particular its tool or button 12, linked, so for example, these positions to a position of the tool or button 12 relative to
  • the kinematic model has a transformation between the robot arm base fixed (first) coordinate system ⁇ x r0 b, y r0 b, z r0 b ⁇ and a
  • Kinematic model is usually chosen so that its z-axis z m0C i with the theoretical linear or additional axis for moving the base 14 of
  • Robot arm 1 1 is aligned.
  • Linear axis aligned coordinate system are still freely selectable, are selected based on the theoretical target dimensions.
  • step S50 the smallest possible rotation D is determined (only, ie without preceding (smallest possible) displacement), which determines the z-axis z m0 d of the coordinate system ⁇ mod. ymod, Zmod ⁇ parallel to the motion axis q t or z-axis z ax of the
  • Coordinate system ⁇ x ax , y ax , z ax ⁇ aligns.
  • the axis of rotation of this rotation D results from the cross or vector product of the z-axis z m0 d and the
  • Movement axis q t was adjusted, while in the four remaining of the six degrees of freedom, ie, the three-dimensional position of the origin and the orientation of x and y axis of the coordinate system around the movement axis q t , this original choice based on the theoretical target dimensions retained has been.
  • This results in an advantageous calibrated kinematic model that maps the actual movement axis q t well and at the same time retains the original choice on the basis of the theoretical target dimensions as far as possible.
  • a translatory axis and / or in the exemplary embodiment of FIGS. 3, 4 additionally or alternatively a rotational axis may be present.

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Vermessen einer Bewegungsachse (qr; qt eines Roboters (10), der einen Roboterarm (11) aufweist, umfasst die Schritte: - Anfahren (S10) eines Punktes (P) mit dem Roboterarm durch Bewegen des Roboterarms in eine erste Pose, wobei die Bewegungsachse eine erste Stellung (q1) aufweist; - Verstellen (S30) der Bewegungsachse in wenigstens eine weitere Stellung (q2, q3; q5) und Anfahren des Punktes (P) mit dem Roboterarm durch Bewegen des Roboterarms in eine weitere Pose, wobei die Bewegungsachse diese weitere Stellung aufweist; und - Ermitteln (S40) einer Orientierung (D) der Bewegungsachse auf Basis der Posen des Roboterarms.

Description

Beschreibung
Vermessen einer Bewegungsachse eines Roboters
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Mittel zum Vermessen einer Bewegungsachse eines Roboters, der einen Roboterarm aufweist, sowie ein
Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
Insbesondere zur Bahnplanung, Steuerung und Überwachung von Robotern mit Roboterarmen und Zusatzachsen sind kinematische Modelle bekannt, die Stellungen der Zusatzachsen, gegebenenfalls zusammen mit Stellungen von Roboterarmachsen bzw. -posen, und Positionen von Punkten relativ zum Roboterarm miteinander verknüpfen.
So ist beispielsweise bei einem in Fig. 1 gezeigten Roboter 10, der einen Roboterarm 1 mit einer umgebungsfesten Basis 14 und eine Zusatzachse qr zum Rotieren eines Drehtisches 13 aufweist, ein kinematisches Modell zweckmäßig, das Stellungen der Zusatzachse qr und Positionen von Punkten P auf dem Drehtisch 13 relativ zum Roboterarm 1 1 miteinander verknüpft, beispielsweise, um mit einem
roboterarmgeführten Werkzeug 12 einen bestimmten drehtischfesten Punkt anzufahren.
Bei einem in Fig. 3 gezeigten Roboter 10, dessen Roboterarm 1 1 durch eine
Zusatzachse qt relativ zur Umgebung U verfahrbar ist, kann insbesondere ein kinematisches Modell zweckmäßig sein, das Stellungen der Zusatzachse qt und Posen des Roboterarms 11 mit Positionen des Werkzeugs 12 relativ zu( Punkten P de)r Umgebung verknüpft, beispielsweise in Form einer sogenannten
Vorwärtskinematik bzw. -transformation Stellungen und Posen auf Positionen oder invers in Form einer sogenannten Rückwärtskinematik bzw. -transformation
Positionen auf Stellungen und Posen abbildet.
Solche kinematischen Modelle weisen allgemein eine oder mehrere Transformationen zwischen Koordinatensystemen auf, die jeweils zwei Koordinatensysteme ineinander überführen, insbesondere umgebungsfeste Koordinatensysteme, durch die
Zusatzachse bewegte Koordinatensysteme und/oder roboterarmfeste, insbesondere
BESTÄTIGUNGSKOPIE roboterarmbasis-, roboterarmspitzen- bzw. -endflanschfeste und/oder werkzeugfeste Koordinatensysteme. Im Beispiel der Fig. 1 kann das kinematische Modell beispielsweise eine Transformation zwischen einem drehtischfesten und einem umgebungs- oder roboterarmbasisfesten Koordinatensystem aufweisen,
insbesondere nur diese Transformation oder zusätzlich eine damit verknüpfte Transformation zwischen diesem umgebungs- bzw. roboterarmbasisfesten
Koordinatensystem und einem Werkzeug- oder roboterarmspitzenfesten
Koordinatensystem, im Beispiel der Fig. 2 beispielsweise eine Transformation zwischen einem umgebungs- und einem roboterarmbasisfesten Koordinatensystem, insbesondere nur diese Transformation oder zusätzlich eine damit verknüpfte Transformation zwischen diesem roboterarmbasisfesten Koordinatensystem und einem Werkzeug- oder roboterarmspitzenfesten Koordinatensystem.
Oft werden solche Koordinatensysteme so gewählt, dass die Bewegungsachse mit einer Koordinatenachse fluchtet. Bei rotatorischen Bewegungsachsen verbleiben damit zwei frei wählbare Freiheitsgrade für das entsprechende Koordinatensystem (Drehung um und Verschiebung längs der Bewegungsachse), bei translatorischen Bewegungsachsen vier frei wählbare Freiheitsgrade (dreidimensionale Lage des Koordinaten(system)ursprungs zur Bewegungsachse, Drehung um die
Bewegungsachse), die in der Regel - ebenso wie die Orientierung und
gegebenenfalls Lage seiner mit der Bewegungsachse fluchtenden Koordinatenachse - auf Basis von theoretischen Soll-Werten, beispielsweise Konstruktionsmaßen oder dergleichen, für den Roboter, insbesondere die Bewegungsachse, vorgegeben bzw. gewählt werden. Ein bekanntes Beispiel stellen etwa Denavit-Hartenberg-Parameter dar. Stimmt nun die Orientierung und gegebenenfalls Lage der Bewegungsachse, die eine Transformation eines kinematischen Modells abbildet, aufgrund von Fertigungsund/oder Montagefehlern, Kollisionen, thermischen Veränderungen oder dergleichen nicht mit der Realität überein, verschlechtert sich die Qualität des kinematischen Modells und damit einer darauf basierenden Bahnplanung, Steuerung, Überwachung oder dergleichen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein kinematisches Modell und insbesondere eine darauf basierende Bahnplanung, Steuerung und/oder
Überwachung eines Roboters zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 11 , 12 stellen ein Mittel bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Roboter einen ein- oder mehrachsigen Roboterarm auf, der in einer Weiterbildung wenigstens vier,
insbesondere wenigstens sechs, insbesondere wenigstens sieben, insbesondere aktuierte bzw. angetriebene, Achsen bzw. Gelenke, insbesondere Drehachsen bzw. - gelenke, aufweist.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist der Roboter, insbesondere zusätzlich zu dem Roboterarm, wenigstens eine (weitere) Bewegungsachse, insbesondere wenigstens eine sogenannte Zusatzachse auf.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird diese (Zusatz- bzw. weitere Bewegungs)achse vermessen, insbesondere durch ein Mittel nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, das hierzu, insbesondere hard- und/oder Software-, insbesondere programmtechnisch, eingerichtet ist bzw. verwendet wird. Das Verfahren weist nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung die Schritte auf:
- Anfahren eines Punktes mit dem Roboterarm durch Bewegen des Roboterarms in eine erste Pose, wobei die Bewegungsachse eine erste Stellung aufweist;
- Verstellen der Bewegungsachse in wenigstens eine weitere Stellung und (jeweils) Anfahren des Punktes mit dem Roboterarm durch Bewegen des Roboterarms in eine weitere Pose, wobei die Bewegungsachse diese weitere Stellung aufweist; und
- Ermitteln einer, insbesondere zweidimensionalen, Orientierung der
Bewegungsachse auf Basis der Posen des Roboterarms. Das Mittel zum Vermessen einer bzw. der Bewegungsachse weist entsprechend nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung auf:
- Mittel zum Anfahren des Punktes mit dem Roboterarm durch Bewegen des
Roboterarms in eine bzw. die erste Pose, wobei die Bewegungsachse eine bzw. die erste Stellung aufweist;
- Mittel zum Verstellen der Bewegungsachse in (die) wenigstens eine weitere
Stellung und (jeweils) Anfahren des Punktes mit dem Roboterarm durch Bewegen des Roboterarms in (die) eine weitere Pose, wobei die Bewegungsachse diese weitere Stellung aufweist; und
- Ermitteln einer bzw. der Orientierung der Bewegungsachse auf Basis der Posen des Roboterarms.
Hierdurch wird in einer Ausführung vorteilhaft der Roboterarm selber zur Vermessung der Bewegungsachse, insbesondere Ermitteln einer (zweidimensionalen) Orientierung, verwendet, wodurch in einer Weiterbildung ein externes Messsystem entfallen kann. In einer Ausführung ist die Bewegungsachse eine (Zusatz)Achse, durch die ein
Maschinenteil, insbesondere ein Werkzeug oder Werkstück, insbesondere ein sogenannter Positionier, an dem das Werkzeug bzw. Werkstück zum
Zusammenwirken mit dem Roboterarm, insbesondere einem von diesem geführten Werkstück oder Werkzeug, insbesondere lösbar, befestigbar ist bzw. befestigt wird bzw. der hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird, relativ zu dem Roboterarm, insbesondere einer Basis des Roboterarms, bewegbar ist bzw. bewegt wird bzw. die hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird.
In einer Ausführung ist die Bewegungsachse eine (Zusatz)Achse, durch die der Roboterarm, insbesondere eine Basis des Roboterarms, relativ zu einer,
insbesondere internalen bzw. ortsfesten, Umgebung, insbesondere einer Arbeitszelle, einem Boden, einer Wand, Decke oder dergleichen, bewegbar ist bzw. bewegt wird bzw. die hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird.
Insbesondere zur Vermessung solcher Bewegungs- bzw. (Zusatz)Achsen ist ein erfindungsgemäßes Verfahren bzw. Mittel besonders geeignet. In einer Ausführung ist der mit dem Roboterarm mehrfach angefahrene Punkt relativ zu dem Roboterarm, insbesondere einer Basis des Roboterarms, durch die bzw. durch Verstellen der Bewegungsachse bewegbar.
In einer Weiterbildung kann der Punkt umgebungsfest sein, insbesondere, wenn der Roboterarm durch die Bewegungsachse relativ zur Umgebung bewegbar ist bzw. bewegt wird, da durch eine Bewegung des Roboterarms relativ zur Umgebung umgekehrt auch ein umgebungsfester Punkt relativ zu dem Roboterarm bewegt wird.
Gleichermaßen kann der Punkt in einer Weiterbildung roboterfest sein, insbesondere, wenn durch die Bewegungsachse ein Maschinenteil relativ zu dem Roboterarm bewegbar ist bzw. bewegt wird, insbesondere also ein positionierfester Punkt.
In einer Ausführung ist der Punkt durch eine geometrische Gestaltung, insbesondere Vertiefung oder Erhöhung, insbesondere eine Kante, Ecke, einen Absatz oder dergleichen vorgegeben. Dies kann das Anfahren mit dem Roboterarm erleichtem.
In einer Ausführung wird die Orientierung der Bewegungsachse derart bzw. dadurch ermittelt, dass eine Abweichung zwischen Änderungen einer Position des Punktes relativ zu dem Roboterarm in den eingenommenen Posen des Roboterarms und theoretischen Änderungen dieser Position infolge einer Verstellung der
Bewegungsachse in die entsprechenden Stellungen der Bewegungsachse minimiert wird. In einer Ausführung ist die Bewegungsachse eine rotatorische bzw. Drehachse.
Dann ändert sich die Position des Punktes infolge einer Verstellung der
Bewegungsachse, d.h. einer Drehung um die Bewegungsachse, theoretisch längs eines Kreises. Entsprechend kann die Orientierung der Bewegungsachse so ermittelt werden, dass tatsächliche Positionen des Punktes, die auf Basis der beim Anfahren mit der Roboterarm ermittelten Posen ermittelt werden, möglichst nahe an einem Kreis um die entsprechend orientierte Beweg ungsachse liegen.
In einer Ausführung ist die Bewegungsachse eine translatorische bzw. Linearachse. Dann ändert sich die Position des Punktes infolge einer Verstellung der
Bewegungsachse, d.h. einer Verschiebung längs bzw. in der Bewegungsachse, theoretisch längs einer Geraden. Entsprechend kann die Orientierung der
Bewegungsachse so ermittelt werden, dass Änderungen der tatsächlichen Positionen des Punktes, die auf Basis der beim Anfahren mit der Roboterarm ermittelten Posen ermittelt werden, möglichst parallel zu der entsprechend orientierten
Bewegungsachse liegen.
Allgemein werden daher in einer Ausführung auf Basis der ermittelten Posen
Positionen des Punktes relativ zum Roboterarm ermittelt und die Orientierung der Bewegungsachse auf Basis dieser Positionen (und somit auf Basis der ermittelten Posen) ermittelt.
In einer Ausführung, insbesondere, falls die Bewegungsachse eine rotatorische Achse ist, weist das Verfahren den Schritt auf: Ermitteln einer Lage der Bewegungsachse, insbesondere einer zweidimensionalen Lage, insbesondere senkrecht zu der
Bewegungsachse, auf Basis der Posen des Roboterarms, insbesondere also auf
Basis der Positionen des Punktes relativ zum Roboterarm, die ihrerseits auf Basis der ermittelten Posen des Roboterarms ermittelt werden.
Bei einer rotatorischen Achse bestimmt nicht nur die Orientierung diese Achse, sondern auch ihre zweidimensionale Lage in zwei zu ihr senkrechten Richtungen die Bewegung des Punktes. Entsprechend wird in einer Ausführung (auch) die Lage der Bewegungsachse derart ermittelt, dass eine Abweichung zwischen Änderungen einer Position des Punktes relativ zu dem Roboterarm in dessen eingenommenen Posen und theoretischen Änderungen dieser Position infolge einer Verstellung der
Bewegungsachse in deren entsprechende Stellungen minimiert wird. Eine Lage im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere jeweils eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Lage, insbesondere eine kartesische Lage sein, d.h. von einem Abstand, insbesondere zu einer Referenz, insbesondere einem
Koordinatensystem(ursprung), in einer, zwei bzw. drei Richtungen abhängen, insbesondere ein(en) solchen Abstand angeben, insbesondere sein. In einer
Ausführung kann eine Lage im Sinne der vorliegenden Erfindung eine, insbesondere zwei- oder dreidimensionale und/oder kartesische, Position angeben bzw. umfassen, insbesondere sein und/oder eine Position im Sinne der vorliegenden Erfindung in einer Ausführung eine, insbesondere zwei- oder dreidimensionale und/oder kartesische, Lage angeben bzw. umfassen, insbesondere sein.
In einer Ausführung weist das Verfahren den Schritt auf: Kalibrieren eines,
insbesondere auf Basis von Soll-Werten, vorgegebenen kinematischen Modells, das Stellungen der Bewegungsachse und Positionen des Punktes relativ zu dem
Roboterarm miteinander verknüpft, auf Basis der ermittelten Orientierung und/oder Lage der Bewegungsachse, in einer Weiterbildung derart, dass bei den Stellungen der Bewegungsachse, in denen der Punkt angefahren wurde, dessen hierfür auf Basis der Posen des Roboterarms ermittelten Positionen möglichst gut mit Positionen
übereinstimmen, die das kalibrierte kinematische Modell mit diesen Stellungen verknüpft.
Wie bereits einleitend erläutert, kann das vorgegebene kinematische Modell eine von der Stellung der Bewegungsachse abhängige Transformation zwischen einem ersten und zweiten Koordinatensystem aufweisen, die in einer Weiterbildung in an sich bekannter weise mit einer oder mehreren weiteren Transformationen zwischen weiteren Koordinatensystemen verknüpft sein kann, insbesondere in an sich bekannter Weise additiv und/oder multiplikativ, beispielsweise durch
Hintereinanderschalten von Verschiebungen und/oder Verdrehungen. In einer Ausführung wird diese Transformation des vorgegebenen kinematischen Modells zwischen dem ersten und zweiten Koordinatensystem zum Kalibrieren des kinematischen Modells durch eine ebenfalls von der Stellung der Bewegungsachse abhängige kalibrierte Transformation zwischen dem ersten und einem kalibrierten Koordinatensystem ersetzt, bzw. das kinematische Modell dadurch kalibriert, wobei das kalibrierte Koordinatensystem aus dem zweiten Koordinatensystem hervorgeht durch:
- Positionieren eines bezüglich der Stellung der Bewegungsachse invarianten
Punktes, insbesondere eines Koordinatenursprungs, des zweiten
Koordinatensystems auf der Bewegungsachse, insbesondere durch eine kleinstmögliche Verschiebung; und/oder, insbesondere anschließendes,
- Ausrichten einer bezüglich der Stellung der Bewegungsachse invarianten Achse, insbesondere einer Koordinatenachse, des zweiten Koordinatensystems parallel zu der Orientierung der Bewegungsachse, insbesondere durch eine kleinstmögliche Rotation.
Hierdurch wird in einer Ausführung das ursprüngliche zweite Koordinatensystem, das insbesondere in an sich bekannte, eingangs beschriebener Weise auf Basis von theoretischen Soll-Werten für den Roboter vorgegeben sein kann, so weit wie möglich beibehalten und nur insofern modifiziert, insbesondere so wenig wie möglich um eine Drehachse verdreht und gegebenenfalls so wenig wie möglich senkrecht zur
Bewegungsachse verschoben, bis die (kalibrierte) Transformation bzw. das
(kalibrierte) kinematischen Modell die ermittelte Orientierung und gegebenenfalls Lage der Bewegungsachse optimal abbilden, während die übrigen Freiheitsgrade, die bei der Auswahl bzw. Vorgabe des zweiten Koordinatensystems genutzt wurden, möglichst unverändert bleiben.
In einer Ausführung wird die Bewegungsachse in wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei, weitere Stellungen verstellt und jeweils der Punkt mit dem
Roboterarm durch Bewegen des Roboterarms in eine weitere Pose angefahren, wobei die Bewegungsachse diese weitere Stellung aufweist, und die Orientierung und/oder Lage der Bewegungsachse auf Basis der Posen des Roboterarms, insbesondere auf Basis der auf Basis der Posen ermittelten Positionen des Punktes relativ zum Roboterarm, mittels eines Mittelungsverfahrens, insbesondere eines least- squares-Verfahrens oder dergleichen, ermittelt.
Theoretisch kann eine (zweidimensionale) Orientierung einer translatorischen Achse bereits auf Basis von zwei Positionen ermittelt werden, indem sie parallel zu einer Verbindung dieser Positionen bzw. einer entsprechenden Änderung der Position des durch Verstellen der translatorischen Bewegungsachse bewegten Punktes
ausgerichtet wird. Durch die Berücksichtigung von mehr als zwei Stellungen bzw. Positionen mittels eines Mittelungsverfahrens können Messfehler und dergleichen minimiert und entsprechend die Präzision der Vermessung erhöht werden.
Analog kann theoretisch eine (zweidimensionale) Lage und eine (zweidimensionale) Orientierung einer rotatorischen Achse bereits auf Basis von drei Positionen ermittelt werden, indem sie senkrecht zu einer Ebene durch diese Positionen so angeordnet wird, dass die Positionen möglichst nah an einem Kreis um die Achse liegen. Durch die Berücksichtigung von mehr als drei Stellungen bzw. Positionen mittels eines Mittelungsverfahrens können auch hier Messfehler und dergleichen minimiert und entsprechend die Präzision der Vermessung erhöht werden.
In einer Ausführung wird der Punkt mit einem Arbeitswerkzeug angefahren, das, insbesondere lösbar, an dem Roboterarm, insbesondere dessen Spitze bzw.
Endflansch, angeordnet ist. Hierdurch kann vorteilhaft ohne Werkzeugwechsel vermessen, insbesondere das kinematische Modell direkt im Arbeitsprozess kalibriert werden.
In einer Ausführung wird der Punkt mit einem speziell hierzu, insbesondere lösbar, an dem Roboterarm, insbesondere dessen Spitze bzw. Endflansch, angeordneten Messwerkzeug angefahren, das nicht zum Bearbeiten und/oder Transportieren von Werkstücken eingerichtet ist bzw. verwendet wird. Hierdurch kann insbesondere das Anfahren verbessert werden.
Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder
Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die CPU die Schritte solcher
Verfahren ausführen kann und damit insbesondere die Bewegungsachse vermessen, insbesondere diese verstellen, den Roboterarm bewegen und dessen Posen ermitteln kann.
In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch das Mittel zum Vermessen der Bewegungsachse bzw. seine Mittel. In einer Ausführung weist das das Mittel zum Vermessen der Bewegungsachse auf:
- Mittel zum Ermitteln der Orientierung der Bewegungsachse derart, dass eine Abweichung zwischen Änderungen einer Position des Punktes relativ zu dem Roboterarm in dessen eingenommenen Posen und theoretischen Änderungen dieser Position infolge einer Verstellung der Bewegungsachse in deren entsprechende Stellungen minimiert wird;
- Mittel zum Ermitteln einer Lage der Bewegungsachse auf Basis der Posen des Roboterarms;
- Mittel zum Ermitteln der der Bewegungsachse derart ermittelt, dass eine
Abweichung zwischen Änderungen einer Position des Punktes relativ zu dem Roboterarm in dessen eingenommenen Posen und theoretischen Änderungen dieser Position infolge einer Verstellung der Bewegungsachse in deren entsprechende Stellungen minimiert wird;
- Mittel zum Kalibrieren eines, insbesondere auf Basis von Soll-Werten,
vorgegebenen kinematischen Modells, das Stellungen der Bewegungsachse und Positionen des Punktes relativ zu dem Roboterarm miteinander verknüpft, auf Basis der ermittelten Orientierung und/oder Lage der Bewegungsachse;
- Mittel zum Kalibrieren des vorgegebene kinematische Modell, das eine von der Stellung der Bewegungsachse abhängige Transformation zwischen einem ersten und zweiten Koordinatensystem aufweist, durch Ersetzen dieser Transformation mit bzw. durch eine(r) von der Stellung der Bewegungsachse abhängige(n) kalibrierte(n) Transformation zwischen dem ersten und einem kalibrierten Koordinatensystem, das aus dem zweiten Koordinatensystem hervorgeht durch: Positionieren eines bezüglich der Stellung der Bewegungsachse invarianten Punktes, insbesondere eines Koordinatenursprungs, des zweiten
Koordinatensystems auf der Bewegungsachse, insbesondere durch eine kleinstmögliche Verschiebung; und/oder, insbesondere anschließendes,
Ausrichten einer bezüglich der Stellung der Bewegungsachse invarianten Achse, insbesondere einer Koordinatenachse, des zweiten Koordinatensystems parallel zu der Orientierung der Bewegungsachse, insbesondere durch eine
kleinstmögliche Rotation; - Mittel zum Verstellen der Bewegungsachse in wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei, weitere Stellungen und jeweils Anfahren des Punktes mit dem Roboterarm durch Bewegen des Roboterarms in eine weitere Pose, wobei die Bewegungsachse diese weitere Stellung aufweist; und/oder - Mittel zum Ermitteln der Orientierung und/oder Lage der Bewegungsachse auf Basis der Posen des Roboterarms mittels eines Mittelungsverfahrens.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert,:
Fig. 1 : einen Roboter und ein Mittel zum Vermessen einer Bewegungsachse des Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: ein Kalibrieren eines kinematischen Modells nach dieser Ausführung;
Fig. 3: einen Roboter und ein Mittel zum Vermessen einer Bewegungsachse des Roboters nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung; Fig. 4: ein Kalibrieren eines kinematischen Modells nach dieser Ausführung; und
Fig. 5: ein Verfahren zum Vermessen der Bewegungsachse des Roboters nach beiden Ausführungen.
Fig. 1 zeigt einen Roboter 10 mit einem sechsachsigen Roboterarm 1 1 , dessen Basis 14 bezüglich einer Umgebung U ortsfest ist. An dem Roboterarm 11 ist ein Werkzeug oder Taster 12 befestigt.
Ein Drehtisch 13 ist um eine Zusatzachse des Roboters 10 in Form einer
rotatorischen Bewegungsachse qr relativ zur Umgebung U und damit dem
Roboterarm 11 , insbesondere dessen Basis 14, drehbar, beispielsweise, um ein Werkstück durch den Roboter 10 bzw. Roboterarm 11 bzw. das von diesem geführte Werkzeug 12 zu bearbeiten. Eine Steuerung 2 des Roboters 10 führt ein nachfolgend mit Bezug auf Fig. 1 , 2 und 5 erläutertes Verfahren zum Vermessen dieser Beweg ungsachse qr durch.
In einem Schritt S10 wird ein ausgezeichneter, beispielsweise durch eine Vertiefung oder dergleichen vorgegebene, Punkt P auf dem Drehtisch 13 mit dem Werkzeug bzw. Taster 12 angefahren, indem der Roboterarm 11 in eine entsprechende Pose bewegt wird, und die dabei eingenommene Pose abgespeichert. In einem Schritt S20 wird überprüft, ob bereits eine vorgegebene Anzahl von Posen eingenommen wurde, im Ausführungsbeispiel beispielsweise wenigstens drei Posen.
Solange dies nicht der Fall ist (S20:„N"), wird in einem Schritt S30 die
Bewegungsachse qr in eine weitere Stellung verstellt und anschließend Schritt S10 wiederholt, in dem der Punkt P auf dem Drehtisch 13 erneut mit dem Werkzeug bzw. Taster 12 angefahren und die dabei eingenommene weitere Pose abgespeichert wird.
Wurde die vorgegebene Anzahl von Posen eingenommen und abgespeichert, fährt das Verfahren bzw. die Steuerung 2 mit Schritt S40 fort. In diesem werden aus den abgespeicherten Posen die entsprechenden Positionen des drehtischfesten Punktes P relativ zu dem Roboterarm 1 1 ermittelt. In einer
Abwandlung können in Schritt S10 anstelle der Posen auch direkt die Positionen ermittelt und abgespeichert werden.
Fig. 1 zeigt hierzu exemplarisch in ausgezogenen Linien eine erste Pose des
Roboterarms 11 , in der er den Punkt P bei einer ersten Stellung qi der
Bewegungsachse qr anfährt, und in gestrichelten Linien eine weitere, zweite Pose des Roboterarms 11 , in der er den Punkt P bei einer weiteren, zweiten Stellung q2 der Bewegungsachse qr anfährt, Fig. 2 die ermittelten Positionen P(q-i), P(q2) des Punktes P sowie eine weitere, dritte Position P(q3) des Punktes P bei einer weiteren, dritten Stellung q3 der Bewegungsachse qr und einer entsprechenden weiteren, in Fig. 1 nicht gezeigten, dritten Pose des Roboterarms 1 1 relativ zu dem Roboterarm 1 1 , wie in Fig. 2 durch ein roboterarmbasisfestes Koordinatensystem {xr0b, yr0b, Zrob}
angedeutet. Aus den Positionen P(q-i ) - P(q3) wird in Schritt S40 ein drehtischfestes Koordinatensystem {xax, yax, zax} erstellt, dessen z-Achse zax auf einer Ebene durch P(q-i), P(q2) und P(q3) senkrecht steht und in dieser mittels eines least-squares- Verfahrens so angeordnet ist, dass die Summe der Quadrate der Abstände der Positionen P(qi), P(q2) und P(q3) zu einem in Fig. 2 gestrichelt angedeuteten Kreis um zax minimal ist. Die x-Achse xax des Koordinatensystems {xax, yax, zax) fluchtet mit einem Lot von der Position P(q-i ) auf diese z-Achse zax, seine y-Achse yax bildet mit der x- und der z-Achse ein Rechtssystem bzw. das kartesische Koordinatensystem
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Die z-Achse zax fluchtet somit mit der Bewegungsachse qr, deren zweidimensionale Lage (in der Zeichenebene der Fig. 2) und zweidimensionale Orientierung relativ zum roboterarmbasisfesten Koordinatensystem {xr0b, yr0b- zr0b} damit in Schritt S40 ermittelt wurde.
Ein kinematisches Modell, das Stellungen q-ι, q2, q3 der Bewegungsachse qr auf Positionen P(q-i ), P(q2) bzw. P(q3) des Punktes P relativ zu dem Roboterarm 1 1 , insbesondere dessen Koordinatensystem {xrob, yr0b- zr0b}, oder invers Positionen auf Stellungen abbildet, wurde zunächst auf Basis theoretischer Soll-Maßangaben insbesondere des Drehtisches 13, vorgegeben.
Hierzu weist das kinematische Modell eine Transformation zwischen dem
roboterarmbasisfesten (ersten) Koordinatensystem {xrob, yrob, zr0b} und einem drehtischfesten (zweiten) Koordinatensystem {xmod, ymod, zm0d} auf, die von der Stellung der Bewegungsachse qr abhängt.
Dieses drehtischfeste Koordinatensystem {xm0d, ymod, zm0d} des kinematischen Modells ist in üblicher Weise so gewählt, dass seine z-Achse zm0d mit der theoretischen Drehachse des Drehtisches 13 fluchtet.
Auch die Lage seines Ursprungs sowie die Orientierung seiner x- und y-Achse relativ zum roboterarmbasisfesten Koordinatensystem {xrob, yrob, zrob} sind auf Basis der theoretischen Soll-Maßangaben gewählt. Aufgrund von Abweichungen zu diesen theoretischen Soll-Maßangaben weicht jedoch die Lage und Orientierung der theoretischen Drehachse zmod von der tatsächlichen Bewegungsachse qr ab, wie in Fig. 2 zur Verdeutlichung übertrieben groß angedeutet.
Daher wird in Schritt S50 zunächst eine kleinstmögliche Verschiebung d (vgl. Fig. 2) ermittelt, die den Ursprung des Koordinatensystems {xm0d, ymod, zm0d} des
kinematischen Modells bzw. seiner Transformation auf die ermittelte
Bewegungsachse qr bzw. die z-Achse zax des Koordinatensystems {xax, yax, zax} verschiebt. Diese kleinstmögliche Verschiebung d ergibt sich aus dem Lot von dem Ursprung des Koordinatensystems {xm0d, ymod, zm0d} auf die z-Achse zax. Anschließend wird in Schritt S50 eine kleinstmögliche Verdrehung D ermittelt (vgl. hierzu Fig. 4), die die z-Achse zmod des Koordinatensystems {xm0d, ymod, zm0d} parallel zur Bewegungsachse qr bzw. z-Achse zax des Koordinatensystems {xax, yax, zax} ausrichtet. Die Drehachse dieser Verdrehung D ergibt sich aus dem Kreuz- bzw.
Vektorprodukt der z-Achse zmod und der Bewegungsachse qr bzw. z-Achse zax (im Ausführungsbeispiel ist sie antiparallel zur x-Achse xm0d), der Drehwinkel ist gleich dem Winkel zwischen diesen beiden Achsen.
Durch diese kleinstmögliche Verschiebung d und anschließende kleinstmögliche Verdrehung D geht aus dem (zweiten) Koordinatensystem {xm0d, ymod, zm0d} des auf Basis der theoretischen Soll-Maßangaben vorgegebenen kinematischen Modells ein kalibriertes Koordinatensystem {xcai, ycäi, zcai} hervor.
Indem die Transformation zwischen dem roboterarmbasisfesten (ersten)
Koordinatensystem {xr0b, yrob, zr0b} und dem drehtischfesten (zweiten)
Koordinatensystem {xm0d, ymod, zm0d} des ursprünglich vorgegebenen kinematischen Modells durch eine kalibrierte Transformation zwischen dem roboterarmbasisfesten (ersten) Koordinatensystem {xrob, yr0b, zrob} und dem kalibrierten Koordinatensystem {Xcai, ycai, zcai} ersetzt wird, wird in Schritt S50 das kinematisch Modell bezüglich der ermittelten tatsächlichen Bewegungsachse qr kalibriert.
Man erkennt, dass dabei nur die (zweidimensionale) Lage des Ursprungs des
Koordinatensystems {xm0d, ymod, zm0d} relativ zur z-Achse zax und die
(zweidimensionale) Orientierung seiner z-Achse zm0d, die ursprünglich auf Basis der theoretischen Soll-Maßangaben gewählt wurden, an die ermittelte tatsächliche Bewegungsachse qr angepasst wurde, während in den beiden restlichen der sechs Freiheitsgraden, d.h. der (eindimensionalen) Lage des Ursprungs auf der
Bewegungsachse qr und der (eindimensionalen) Orientierung von x- und y-Achse um die Bewegungsachse qr, diese ursprüngliche Wahl auf Basis der theoretischen Soll- Maßangaben beibehalten wurde.
Hierdurch ergibt sich ein vorteilhaftes kalibriertes kinematisches Modell, das die tatsächliche Bewegungsachse qr gut abbildet und zugleich die ursprüngliche Wahl auf Basis der theoretischen Soll-Maßangaben so weit wie möglich beibehält. Fig. 3 bis 5 zeigen in Fig. 1 , 2 und 5 entsprechender Weise einen Roboter 10 und ein (Mittel 2 zum) Vermessen einer Bewegungsachse dieses Roboters nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Einander entsprechende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen identifiziert, so dass auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf Unterschiede eingegangen wird.
In der weiteren Ausführung der Fig. 3 bis 5 ist die Zusatzachse eine translatorische Achse qt zum Bewegen der Basis 14 des Roboterarms 1 relativ zur Umgebung U.
In Schritt S 0 wird ein ausgezeichneter, beispielsweise durch eine Vertiefung oder dergleichen vorgegebene, umgebungsfester Punkt P mit dem Werkzeug bzw. Taster 12 angefahren, indem der Roboterarm 11 in eine entsprechende Pose bewegt wird, und die dabei eingenommene Pose abgespeichert.
In Schritt S20 beträgt die vorgegebene Anzahl von Posen beispielsweise fünf Posen. In Schritt S30 wird die Bewegungsachse qt jeweils in eine weitere Stellung verstellt.
In Schritt S40 werden aus den abgespeicherten Posen die entsprechenden Positionen des umgebungsfesten Punktes P relativ zu dem Roboterarm 11 bzw. dessen Basis 14' ermittelt. In einer Abwandlung können in Schritt S10 anstelle der Posen auch direkt diese Positionen ermittelt und abgespeichert werden. Fig. 3 zeigt hierzu exemplarisch in ausgezogenen Linien eine erste Pose des
Roboterarms 1 1 , in der er den umgebungsfesten Punkt P bei einer ersten Stellung q-i der Bewegungsachse qt anfährt, und in gestrichelten Linien eine weitere, fünfte Pose des Roboterarms 1 1 , in der er den Punkt P bei einer weiteren, fünften Stellung q5 der Bewegungsachse qt anfährt, Fig. 4 die ermittelten Positionen P(qi), P(qs) des Punktes P sowie in Form ausgefüllter Kreise drei dazwischenliegende weitere Positionen des Punktes P bei entsprechenden weiteren Stellungen der Bewegungsachse qt und entsprechenden weiteren, in Fig. 3 nicht gezeigten, weiteren Posen des Roboterarms relativ zu dem Roboterarm 1 1 , wie durch das roboterarmbasisfeste
Koordinatensystem {xrob, yr0b, Zrot.} angedeutet.
Aus den Positionen P(q - P(q5) wird in Schritt S40 ein umgebungsfestes
Koordinatensystem {xax, yax, zax} erstellt, dessen z-Achse zax mittels eines least- squares-Verfahrens so angeordnet ist, dass die Summe der Quadrate der Abstände der Positionen Pfa) - P(q5) zur z-Achse zax minimal ist und die x- und y-Achse damit ein Rechtssystem bzw. das kartesische Koordinatensystem {xax, yax, zax} bilden, wobei deren Orientierung um die z-Achse ebenso wie die Lage des Ursprungs in Richtung der z-Achse zax beliebig ist.
Die z-Achse zax fluchtet somit wiederum mit der Bewegungsachse qt, deren
(zweidimensionale) Orientierung relativ zum roboterarmbasisfestes
Koordinatensystem {xr0b, yr0b, Zrob} damit in Schritt S40 ermittelt wurde.
Ein kinematisches Modell, das Stellungen qi - q5 der Bewegungsachse qt sowie Stellungen der Achsen des Roboterarms 1 1 , die dessen Pose bestimmen, mit Positionen P(q-i) - P(q5) des umgebungsfesten Punktes P relativ zu dem Roboterarm 1 1 , insbesondere dessen Werkzeug bzw. Taster 12, verknüpft, also beispielsweise diese Stellungen auf eine Position des Werkzeugs bzw. Tasters 12 relativ zur
Umgebung und damit - jedenfalls indirekt auch - relativ zu dem umgebungsfesten Punkt P oder inverse eine solche Position des an dem Roboterarm angeordneten Werkzeugs bzw. Tasters 12 relativ zur Umgebung und damit - jedenfalls indirekt auch - Positionen des umgebungsfesten Punkt P relativ zu dem Roboterarm auf
entsprechende Stellungen abbildet wurde zunächst auf Basis theoretischer Soll- Maßangaben insbesondere der Linearführung der Bewegungsachse qt, vorgegeben. Hierzu weist das kinematische Modell eine Transformation zwischen dem roboterarmbasisfesten (ersten) Koordinatensystem {xr0b, yr0b, zr0b} und einem
Werkzeug- bzw. tasterfesten Koordinatensystem sowie eine hiermit verknüpfte
Transformation zwischen dem roboterarmbasisfesten (ersten) Koordinatensystem {xr0b, yrob, Zrob} und einem umgebungsfesten (zweiten) Koordinatensystem {xm0d, ymod, zm0d} auf, welche von der Stellung der Bewegungsachse qt abhängt.
Dieses umgebungsfeste (zweite) Koordinatensystem {xm0d, ymod. Zmod} des
kinematischen Modells ist in üblicher weise so gewählt, dass seine z-Achse zm0Ci mit der theoretischen Linear- bzw. Zusatzachse zum Verfahren der Basis 14 des
Roboterarms 1 1 fluchtet.
Auch die dreidimensionale Lage seines Ursprungs sowie die eindimensionale
Orientierung seiner x- und y-Achse relativ zum roboterarmbasisfesten
Koordinatensystem {xr0b, yrob, zr0b}, d.h. die vier Freiheitsgrade, die bei mit der
Linearachse fluchtendem Koordinatensystem noch frei wählbar sind, sind auf Basis der theoretischen Soll-Maßangaben gewählt.
Aufgrund von Abweichungen zu den theoretischen Soll-Maßangaben weicht jedoch die Lage und Orientierung der theoretischen Drehachse zmod von der tatsächlichen Bewegungsachse qt ab. Wie bereits in Fig. 2 ist auch in Fig. 4 diese Abweichung zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt. In Schritt S50 wird (nur, d.h. ohne vorhergehende (kleinstmögliche) Verschiebung) die kleinstmögliche Verdrehung D ermittelt, die die z-Achse zm0d des Koordinatensystems { mod. ymod, Zmod} parallel zur Bewegungsachse qt bzw. z-Achse zax des
Koordinatensystems {xax, yax, zax} ausrichtet. Die Drehachse dieser Verdrehung D ergibt sich aus dem Kreuz- bzw. Vektorprodukt der z-Achse zm0d und der
Bewegungsachse qt bzw. z-Achse zax (im Ausführungsbeispiel ist sie antiparallel zur y-Achse ymod ), der Drehwinkel ist gleich dem Winkel zwischen diesen beiden Achsen.
Durch diese kleinstmögliche Verdrehung D geht aus dem (zweiten)
Koordinatensystem {xm0d, ymod, zm0d} des auf Basis der theoretischen Soll- Maßangaben vorgegebenen kinematischen Modells wieder das kalibrierte
Koordinatensystem {xcai, ycai, zcai} hervor. Indem die Transformation zwischen dem roboterarmbasisfesten (ersten)
Koordinatensystem {xr0b. yrob, zr0b} und dem umgebungsfesten (zweiten)
Koordinatensystem {xm0d, ymod, zm0d} des ursprünglich vorgegebenen kinematischen Modells durch eine kalibrierte Transformation zwischen dem roboterarmbasisfesten (ersten) Koordinatensystem {xr0b, Yrob, zrob} und dem kalibrierten Koordinatensystem {Xcai, ycai, zcai} ersetzt wird, wird in Schritt S50 das kinematisch Modell bezüglich der ermittelten tatsächlichen Bewegungsachse qt kalibriert.
Man erkennt, dass dabei nur die (zweidimensionale) Orientierung der z-Achse zmod des Koordinatensystems {xm0d, ymod, zm0d}, die ursprünglich auf Basis der
theoretischen Soll-Maßangaben gewählt wurde, an die ermittelte tatsächliche
Bewegungsachse qt angepasst wurde, während in den vier restlichen der sechs Freiheitsgraden, d.h. der dreidimensionalen Lage des Ursprungs und der Orientierung von x- und y-Achse des Koordinatensystems um die Bewegungsachse qt, diese ursprüngliche Wahl auf Basis der theoretischen Soll-Maßangaben beibehalten wurde. Hierdurch ergibt sich wiederum ein vorteilhaftes kalibriertes kinematisches Modell, das die tatsächliche Bewegungsachse qt gut abbildet und zugleich die ursprüngliche Wahl auf Basis der theoretischen Soll-Maßangaben so weit wie möglich beibehält.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. So wurde im Ausführungsbeispiel der Fig. 3, 4 die Orientierung der Bewegungsachse qt mittels eines Mittelungsverfahrens ermittelt, wobei theoretisch bereits zwei
Positionen ausreichen würden. Umgekehrt kann auch im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 , 2 die Lage und Orientierung der Bewegungsachse qr mittels eines
Mittelungsverfahrens aus mehr als 3 Positionen ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 , 2 zusätzlich oder alternativ eine translatorische Achse und/oder im Ausführungsbeispiel der Fig. 3, 4 zusätzlich oder alternativ eine rotatorische Achse vorliegen.
Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen
Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die
Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten
Merkmalskombinationen ergibt.
Bezuqszeichenliste
2 Steuerung
10 Roboter
11 Roboterarm
12 Werkzeug/Taster
13 Drehtisch
14 Roboterarmbasis
qr rotatorische Bewegungsachse
qt translatorische Bewegungsachse
x, y, z Koordinatensystemachsen
P Punkt(position)
u Umgebung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Vermessen einer Bewegungsachse (qr; qt) eines Roboters (10), der einen Roboterarm (11 ) aufweist, mit den Schritten:
- Anfahren (S10) eines Punktes (P) mit dem Roboterarm durch Bewegen des Roboterarms in eine erste Pose, wobei die Bewegungsachse eine erste Stellung (q-ι) aufweist;
- Verstellen (S30) der Bewegungsachse in wenigstens eine weitere Stellung (q2, q3! qe) und Anfahren des Punktes (P) mit dem Roboterarm durch Bewegen des Roboterarms in eine weitere Pose, wobei die Bewegungsachse diese weitere Stellung aufweist; und
- Ermitteln (S40) einer Orientierung (D) der Bewegungsachse auf Basis der Posen des Roboterarms.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsachse eine Achse (qr) zum Bewegen eines Maschinenteils, insbesondere Werkzeugs oder Werkstücks, relativ zu dem Roboterarm oder eine Achse (qt) zum Bewegen des Roboterarms relativ zu einer Umgebung (U) ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der Bewegungsachse derart ermittelt wird, dass eine
Abweichung zwischen Änderungen einer Position des Punktes relativ zu dem Roboterarm in dessen eingenommenen Posen und theoretischen Änderungen dieser Position infolge einer Verstellung der Bewegungsachse in deren
entsprechende Stellungen minimiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt:
- Ermitteln (S40) einer Lage (d) der Bewegungsachse auf Basis der Posen des Roboterarms.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Bewegungsachse derart ermittelt wird, dass eine Abweichung zwischen Änderungen einer Position des Punktes relativ zu dem Roboterarm in dessen eingenommenen Posen und theoretischen Änderungen dieser Position infolge einer Verstellung der Bewegungsachse in deren entsprechende Stellungen minimiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt:
- Kalibrieren (S50) eines, insbesondere auf Basis von Soll-Werten,
vorgegebenen kinematischen Modells, das Stellungen der Bewegungsachse und Positionen des Punktes relativ zu dem Roboterarm miteinander verknüpft, auf Basis der ermittelten Orientierung und/oder Lage der Bewegungsachse.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene kinematische Modell eine von der Stellung der Bewegungsachse abhängige Transformation zwischen einem ersten Koordinatensystem ({xr0b- Yrob, Zrob}) und zweiten Koordinatensystem ({xm0d, ymod, Zmod}) aufweist, die zum
Kalibrieren des kinematischen Modells durch eine von der Stellung der
Bewegungsachse abhängige kalibrierte Transformation zwischen dem ersten und einem kalibrierten Koordinatensystem ({χΜι, ycai, zcai}) ersetzt wird, das aus dem zweiten Koordinatensystem hervorgeht durch:
- Positionieren eines bezüglich der Stellung der Bewegungsachse invarianten Punktes, insbesondere eines Koordinatenursprungs, des zweiten
Koordinatensystems auf der Bewegungsachse, insbesondere durch eine kleinstmögliche Verschiebung (d); und/oder, insbesondere anschließendes,
- Ausrichten einer bezüglich der Stellung der Bewegungsachse invarianten
Achse, insbesondere einer Koordinatenachse (zmod), des zweiten
Koordinatensystems parallel zu der Orientierung der Bewegungsachse, insbesondere durch eine kleinstmögliche Rotation (D).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Verstellen (S30) der Bewegungsachse in wenigstens zwei, insbesondere
wenigstens drei, weitere Stellungen und jeweils Anfahren des Punktes mit dem Roboterarm durch Bewegen des Roboterarms in eine weitere Pose, wobei die Bewegungsachse diese weitere Stellung aufweist; und - Ermitteln (S40) der Orientierung und/oder Lage der Bewegungsachse auf Basis der Posen des Roboterarms mittels eines Mittelungsverfahrens.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsachse eine translatorische Achse (qr) oder eine rotatorische Achse (qt) ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Punkt (P) mit einem Arbeits- oder Messwerkzeug (12) angefahren wird, das an dem Roboterarm (11 ) angeordnet ist.
1 1. Mittel (2) zum Vermessen einer Bewegungsachse (qr; qt) eines Roboters, der einen Roboterarm (11 ) aufweist, das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist:
- Mittel zum Anfahren eines Punktes (P) mit dem Roboterarm (11) durch
Bewegen des Roboterarms in eine erste Pose, wobei die Bewegungsachse eine erste Stellung (q1 ) aufweist;
- Mittel zum Verstellen der Bewegungsachse in wenigstens eine weitere Stellung (q2, q3; q5) und Anfahren des Punktes mit dem Roboterarm durch Bewegen des Roboterarms in eine weitere Pose, wobei die Bewegungsachse diese weitere Stellung aufweist; und
- Mittel zum Ermitteln einer Orientierung (D) der Beweg ungsachse auf Basis der Posen des Roboterarms.
12. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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