WO2009141184A1 - Vorrichtung zum verbessern von genauigkeitseigenschaften von handhabungsgeräten - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a device for improving the accuracy characteristics of handling devices in terms of their pose, such as a multi-axis industrial robot, especially when used in the environment of metallurgical plants.
- such a device comprises for detecting the pose of manipulators
- At least one control device for moving the handling device at least one control device for moving the handling device
- a measuring device which is positioned independently of the handling device or directly on the handling device
- a reference surface or measuring plate with one or more markers or holes on a tool to be controlled or on a device A reference surface or measuring plate with one or more markers or holes on a tool to be controlled or on a device.
- a handling device formed by a robot is known, which is provided for various manipulations in the region of the bottom outlet of a melt container.
- a camera coupled to an image evaluation device is arranged for the exact position determination of the spout opening in relation to the image evaluation device.
- a marker specifically spatial structures, such as positioned marker pens or color-highlighted by the environment marking points on tools or equipment or removable parts.
- the object of the present invention is therefore to avoid the disadvantages of the known prior art and to propose a device which delivers high-contrast measuring signals or image signals of markers and their surroundings even in heavily contaminated working fields in order to enable a more precise determination of poses.
- a device for improving accuracy characteristics of handling devices in that the markers or holes formed by hole-like depressions in the reference surface or the measuring plate in the form of blind holes or slots with a certain depth and with a specific blind hole diameter or a certain slot width are where the ratio of depth to blind hole diameter or slot width is greater than 1.
- a hole-like depression formed in this way allows an approach to a "black body” in the physical sense
- a black body in physics is an idealized body that completely absorbs electromagnetic radiation, for example light, impinging on it and thus differs in its appearance Reflection behavior of other bodies or surfaces striking black body is not feasible in practice, however, approximating its properties by hole-like depressions minimizes the reflection behavior in the region of these hole-like depressions to a particular extent.
- the hole-like depressions are formed as blind holes or slots, these slots may preferably be formed straight or as Ringlochbohrept. As a result, particularly high absorption values of the electromagnetic radiation in these areas are achieved.
- a substantial reduction in reflective properties is achieved when the hole-like depressions are at least 10 mm, preferably at least 15 mm deep.
- An enhancement of the absorption properties is additionally achieved by a blackening of the hole-like depressions. Particularly effective acts a Berußung the inner walls of the hole-like depressions.
- the contrast is additionally increased if the surrounding area of the hole-like depressions is kept as light as possible within the possibilities offered by the working environment. In any case, the surrounding area must be held distinctively brighter than the hole-like depressions. Reflections of light from the hole-like recesses are more suppressed when the diameter or slot width of these hole-like recesses is less than 10 mm, preferably less than 6 mm.
- FIG. 1 shows a robot in cooperation with a measuring plate according to the invention on a metallurgical vessel
- FIG. 2 shows a measuring plate according to the invention with hole-like depressions according to a first embodiment
- FIG. 3 shows a measuring plate according to the invention with hole-like depressions according to a second embodiment.
- Figure 1 shows a schematic representation of a handling device 1, which is designed as a multi-axis industrial robot of conventional design, when coupling a spout 2 to a melt container 3 for transport and treatment of, for example, a molten steel in a steel mill.
- a measuring plate 4 is fixed, which carries four markers 5. These markers 5 are used to determine the pose of a measuring device 6.
- the measuring device 6 is embodied as a stereo camera 7 and generates an image of the marker 5 and its surrounding area 8 on the end face of the measuring plate 4 or also an environmental region extending beyond the end face of the measuring plate.
- the spout 2 in relation to the markers 5 on the melt container 3, a number of reference points are defined in Figure 1 with OCP, CCP, TCP and RCP are designated.
- the measuring device 6 is associated with an evaluation device 10, which receives the image signals generated by the measuring device 6 and evaluates based on an evaluation program and determines the pose of the measuring device.
- the determined position characteristics are used to control the many control devices 11 of the handling device, for example in the joints of the robot arms.
- FIG. 2 shows a top view and a sectional illustration of a measuring plate 4 with four markers 5 according to a first embodiment of the invention.
- Each marker 5 is formed by an annular slot 12 made through a ring slot bore.
- the slot has a slot width B of 5 mm and a slot depth T of 15 mm.
- the diameters D1, D2, D3, D4 of the annular slot bores are different for the individual markers and are between 10 and 40 mm.
- the arrangement of the markers 5 on the end face of the measuring plate 4 and their dimensions allow an accurate determination of the pose of the measuring device to the center point OCP of the melt container 3.
- each marker 5 forms a hole-like recess 15 in the measuring plate 4th
- the measuring plate is made of stainless steel and optionally sandblasted to obtain a diffusely reflecting surface.
- the ring slots are black coated by a Berußung or a corresponding color order to increase the contrast with the environment.
- FIG. 3 shows a reference surface 13 with four markers 5 formed by blind holes 16.
- the blind hole diameters D s are between 3 and 6 mm.
- the reference surface 13 is either directly part of an object or the melt container 3 or represents the end face of a measuring plate 4, as shown in Figure 2, is.
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Verbessern von Genauigkeitseigenschaften von Handhabungsgeräten, wie einem Mehrachsen- Industrieroboter, mit einem Handhabungsgerät (1 ), wenigstens einer Steuereinrichtung (11 ) zum Bewegen des Handhabungsgerätes (1 ), einer Messeinrichtung (6), welche von der Handhabungseinrichtung (1 ) unabhängig oder unmittelbar auf der Handhabungseinrichtung (1 ) positioniert ist, einer Auswerteeinrichtung (10) für die von der Messeinrichtung (6) generierten Messsignale und einer Referenzfläche (13) oder Messplatte (4) mit einem oder mehreren Markern (5) oder Löchern an einem anzusteuernden Werkzeug oder einer Einrichtung (3). Eine Verbesserung der Genauigkeitseigenschaften wird erreicht, indem die Marker (5) oder Löcher von lochartigen Vertiefungen (15) in der Referenzfläche (13) oder der Messplatte (4) in Form von Sacklöchern (16) oder Schlitzen (12) mit einer bestimmten Tiefe und mit einem bestimmten Sacklochdurchmesser oder einer bestimmten Schlitzbreite gebildet sind, wobei das Verhältnis von Tiefe zu Sacklochdurchmesser oder Schlitzbreite größer als 1 ist.
Description
Vorrichtung zum Verbessern von Genauiqkeitseiqenschaften von Handhabungsgeräten
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbessern der Genauigkeitseigenschaften von Handhabungsgeräten hinsichtlich ihrer Pose, wie beispielsweise einem Mehrachsen-Industrieroboter, insbesondere bei einem Einsatz im Umfeld metallurgischer Anlagen.
Bei Vorrichtungen dieser Art wird die Pose einer Messeinrichtung in Bezug auf eine bestimmte Referenzfläche oder Referenzstruktur festgestellt. Als Pose sind die Position und die Orientierung einer Messeinrichtung und im weiteren Sinn des Handhabungsgerätes selbst zu verstehen. Die Messeinrichtung besteht zumindest aus einer Signal- oder Bildempfangseinrichtung, die auswertbare Signal- oder Bilddaten generiert, die in weiterer Folge einer Auswertung im Hinblick auf eine exakte Positionsbestimmung unterzogen werden.
Dementsprechend umfasst eine derartige Vorrichtung zum Ermitteln der Pose von Handhabungsgeräten
- ein Handhabungsgerät,
- wenigstens eine Steuereinrichtung zum Bewegen des Handhabungsgerätes,
- eine Messeinrichtung, welche von der Handhabungseinrichtung unabhängig oder unmittelbar auf der Handhabungseinrichtung positioniert ist,
- eine Auswerteeinrichtung für die von der Messeinrichtung generierten Messsignale und
- eine Referenzfläche oder Messplatte mit einem oder mehreren Markern oder Löcher an einem anzusteuernden Werkzeug oder an einer Einrichtung.
Stand der Technik
Eine Einrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der JP 7-185-754 A2 bereits bekannt. Hier wird ein Handhabungsgerät dazu verwendet, Gießrohre an einem Zwischengefäß einer Stranggießanlage zu wechseln, wobei am Gießrohr und am Gießrohraufsatzstück jeweils zwei zylindrische Marker angeordnet sind, die von zwei externen Kameras erfasst werden und womit letztlich die Position eines z.B. Greifers des Handhabungsgerätes in Relation zum Gießrohraufsatzstück oder zum Gießrohr bestimmt werden kann. Auch die Auswertung der Messsignale bzw. Bilddaten in einer Auswerteeinrichtung, um möglichst genaue Positionsdaten zu erhalten, sowie die mathematischen Grundlagen hierfür, sind skizziert.
Aus der JP 3-071-959 A ist ein von einem Roboter gebildetes Handhabungsgerät bekannt, welches für verschiedene Manipulationen im Bereich des Bodenauslasses eines Schmelzenbehälters vorgesehen ist. Direkt auf dem Roboter ist eine mit einer Bildauswerteeinrichtung gekoppelte Kamera zur genauen Positionsbestimmung der Ausgussöffnung in Relation zur Bildauswerteeinrichtung angeordnet.
Auch die DE 103 45 743 A1 und die EP 1 602 456 A2 befassen sich mit der Bestimmung von Position und Orientierung einer Bildempfangseinrichtung anhand von Markern an Einrichtungen.
Stets werden als Marker speziell räumliche Strukturen, wie positionierte Markierungsstifte oder farblich von der Umgebung hervorgehobene Markierungspunkte an Werkzeugen oder Einrichtungen oder Wechselteilen verwendet.
Bei Verwendung derartiger Marker in Verbindung mit metallurgischen Einrichtungen und Anlagen, sowie in anderen Anwendungsbereichen, bei denen die Einsatzbereiche der Handhabungseinrichtungen starken Verschmutzungen unterliegen, kommt es zu einer starken Beeinträchtigung oder zu einem Verlust der Kontrasteigenschaften von Markern zu deren Umgebungsbereich durch eine ausgeprägte Schmutzschicht. Die Unterscheidungskraft der Messsignale oder der aufgenommenen Bildsignale reicht daher oftmals für eine genaue Auswertung der Messsignale und damit für eine ausreichend genaue Positionsbestimmung nicht aus.
In Fertigungsstraßen zur Herstellung von Fahrzeugrahmen in der Automobilindustrie ist speziell für den punktgenauen Einsatz von Punktschweißmaschinen eine präzise Positionsbestimmung des Fahrzeugrahmens oder des Rahmenträgers erforderlich. Dazu ist aus der EP 328687 A1 , der JP 62-226308 A und der JP 6-035530 A bereits bekannt, die zuvor bereits beschriebenen Marker durch Löcher auszubilden, die im Fahrzeugrahmen zumeist herstellungsbedingt bereits vorgesehen sind. Diese Löcher sind üblicherweise Durchgangslöcher, die beim formgebenden Pressen der Rahmenteile hergestellt werden. Nähere Details zur Ausgestaltung dieser Art von Markern sind diesen Dokumenten nicht zu entnehmen. Die Rahmenfertigung für Fahrzeuge findet in einer weitgehend sauberen Umgebung statt, sodass durch die Löcher ein ausreichender Kontrast zur unmittelbaren Umgebung gegeben ist und daher eine gute Bildauswertung und Positionsermittlung ermöglicht. In verschmutzungsintensiver Umgebung, wie sie beispielsweise in einem Stahlwerk auftritt, ist der für die Bildauswertung notwendige Kontrast jedoch nicht gegeben.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu vermeiden und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die auch bei starker Verschmutzung unterliegenden Arbeitsfeldern kontrastreiche Messsignale oder Bildsignale von Markern und deren Umgebung liefert, um eine präzisere Posenbestimmung zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verbessern von Genauigkeitseigenschaften von Handhabungsgeräten dadurch erreicht, dass die Marker oder Löcher von lochartigen Vertiefungen in der Referenzfläche oder der Messplatte in Form von Sacklöchern oder Schlitzen mit einer bestimmten Tiefe und mit einem bestimmten Sacklochdurchmesser oder einer bestimmten Schlitzbreite gebildet sind, wobei das Verhältnis von Tiefe zu Sacklochdurchmesser oder Schlitzbreite größer als 1 ist.
Eine solcherart ausgebildete lochartige Vertiefung ermöglicht eine Annäherung an einen „schwarzen Körper" im physikalischen Sinn. Ein schwarzer Körper ist in der Physik ein idealisierter Körper, der auf ihn auftreffende elektromagnetische Strahlung, z. B. Licht, vollständig absorbiert und unterscheidet sich demnach durch sein Reflexionsverhalten von anderen Körpern oder Oberflächen markant. Der
schwarze Körper ist in der Praxis nicht realisierbar, jedoch minimiert eine Annäherung an seine Eigenschaften durch lochartige Vertiefungen das Reflexionsverhalten im Bereich dieser lochartigen Vertiefungen in besonderem Maße.
Die lochartigen Vertiefungen sind als Sacklöcher oder Schlitze ausgebildet, wobei diese Schlitze vorzugsweise gerade oder als Ringlochbohrungen ausgebildet sein können. Dadurch werden besonders hohe Absorptionswerte der elektromagnetischen Strahlung in diesen Bereichen erreicht.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung, die den fertigungstechnischen Möglichkeiten besonders entgegenkommt, sind die Marker oder Löcher von lochartigen Vertiefungen mit mindestens 10 mm Tiefe und mit einem Sacklochdurchmesser oder einer Schlitzbreite kleiner 10 mm in der Referenzfläche oder Messplatte in Form von Sacklöchern oder Schlitzen gebildet.
Eine wesentliche Verringerung der Reflexionseigenschaften wird erzielt, wenn die lochartigen Vertiefungen mindestens 10 mm, vorzugsweise mindestens 15 mm tief sind.
Eine Verstärkung der Absorptionseigenschaften wird zusätzlich durch eine Schwärzung der lochartigen Vertiefungen erreicht. Besonders effektiv wirkt eine Berußung der Innenwandungen der lochartigen Vertiefungen. Der Kontrast wird zusätzlich erhöht, wenn der Umgebungsbereich der lochartigen Vertiefungen im Rahmen der Möglichkeiten, die das Arbeitsumfeld bietet, möglichst hell gehalten ist. Jedenfalls muss der Umgebungsbereich unterscheidungskräftig heller gehalten sein als die lochartigen Vertiefungen. Lichtreflexionen aus den lochartigen Vertiefungen werden verstärkt unterdrückt, wenn der Durchmesser oder die Schlitzbreite dieser lochartigen Vertiefungen kleiner als 10 mm ist, vorzugsweise weniger als 6 mm beträgt.
Die Auswertegenauigkeit der erfassten Messsignale wird verbessert, wenn mindestens drei oder vier lochartige Vertiefungen in der Referenzfläche oder Messplatte angeordnet sind. Damit kann bei die Auswertung der generierten Messsignale auf die besten Messergebnisse zurückgegriffen werden und so eine qualitative Auswahl getroffen werden.
Die Auswertung der Messsignale wird hinsichtlich der räumlichen Orientierung erleichtert, wenn mindestens zwei der lochartigen Vertiefungen unterschiedliche Dimensionierungen aufweisen.
Die Messeinrichtung ist vorzugsweise als Bilderfassungseinrichtung ausgebildet, die den Kontrast der elektromagnetischen Strahlung bzw. der Lichtreflexion zwischen den lochartigen Vertiefungen und dem Umgebungsbereich dieser lochartigen Vertiefungen erfasst. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinrichtung von einer Stereokamera gebildet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird, die folgendes zeigen:
Fig. 1 einen Roboter im Zusammenwirken mit einer erfindungsgemäßen Messplatte an einem metallurgischen Gefäß, Fig. 2 eine erfindungsgemäße Messplatte mit lochartigen Vertiefungen nach einer ersten Ausführungsform, Fig. 3 eine erfindungsgemäße Messplatte mit lochartigen Vertiefungen nach einer zweiten Ausführungsform.
Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Handhabungsgerät 1 , welches als Mehrachsen-Industrieroboter üblicher Bauart ausgebildet ist, beim Ankoppeln eines Ausgussrohres 2 an einen Schmelzenbehälter 3 zum Transport und zur Behandlung von beispielsweise einer Stahlschmelze in einem Stahlwerk.
Am Schmelzenbehälter ist eine Messplatte 4 befestigt, die vier Marker 5 trägt. Diese Marker 5 werden zur Bestimmung der Pose einer Messeinrichtung 6 herangezogen.
Die Messeinrichtung 6 ist als Stereokamera 7 ausgebildet und generiert ein Abbild der Marker 5 und deren Umgebungsbereich 8 auf der Stirnfläche der Messplatte 4 oder auch einen über die Stirnfläche der Messplatte hinausgehenden Umgebungsbereich. Für die Bestimmung der Pose der Messeinrichtung 6 und damit letztlich des Handhabungsgerätes 1 und insbesondere seines nicht näher dargestellten Greifers 9, der in diesem Ausführungsbeispiel das Ausgussrohr 2 trägt, in Relation zu den Markern 5 am Schmelzenbehälter 3 sind eine Reihe von Bezugspunkten festgelegt, die in Figur 1 mit OCP, CCP, TCP und RCP bezeichnet sind. Der Messeinrichtung 6 ist eine Auswerteeinrichtung 10 zugeordnet, die von der Messeinrichtung 6 generierte Bildsignale empfängt und anhand eines Auswerteprogramms auswertet und die Pose der Messeinrichtung bestimmt. Die ermittelten Positionskenndaten werden zur Steuerung der vielen Steuereinrichtungen 11 des Handhabungsgerätes, beispielsweise in den Gelenken der Roboterarme herangezogen.
In Figur 2 ist in einer Draufsicht und in einer Schnittdarstellung eine Messplatte 4 mit vier Markern 5 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Jeder Marker 5 ist von einem ringförmigen Schlitz 12 gebildet, der durch eine Ringschlitzbohrung hergestellt wurde. Der Schlitz weist eine Schlitzbreite B von 5 mm und eine Schlitztiefe T von 15 mm auf. Die Durchmesser D1 , D2, D3, D4 der Ringschlitzbohrungen sind bei den einzelnen Markern unterschiedlich und betragen zwischen 10 und 40 mm. Die Anordnung der Marker 5 auf der Stirnfläche der Messplatte 4 und ihre Abmessungen ermöglichen eine genaue Bestimmung der Pose der Messeinrichtung zum Zentrumspunkt OCP des Schmelzenbehälters 3. Generell bildet jeder Marker 5 eine lochartige Vertiefung 15 in der Messplatte 4.
Zur Optimierung des Kontrastes der Marker 5 zum Umgebungsbereich 8 auf der Stirnfläche der Messplatte 4 ist die Messplatte aus nichtrostendem Stahl gefertigt und gegebenenfalls sandgestrahlt, um eine diffus reflektierende Oberfläche zu erhalten. Die Ringschlitze sind durch eine Berußung oder einen entsprechenden Farbauftrag schwarz beschichtet um den Kontrast zur Umgebung zu erhöhen.
Die Ausführungsform der Marker als Schlitze ist nicht auf Ringschlitze beschränkt. Die Schlitze können auch als gerade Schlitze mit begrenzter Länge ausgebildet und durch eine Einfräsung in der Messplatte hergestellt sein.
Figur 3 zeigt eine Referenzfläche 13 mit vier von Sacklöchern 16 gebildete Marker 5. Die Sacklochdurchmesser Ds liegen zwischen 3 und 6 mm. Die Referenzfläche 13 ist entweder unmittelbar Teil eines Objektes oder des Schmelzenbehälters 3 oder stellt die Stirnfläche einer Messplatte 4, wie in Figur 2 dargestellt, dar.
Bezugszeichenliste:
1 Handhabungsgerät
2 Ausgussrohr
3 Schmelzenbehälter
4 Messplatte
5 Marker
6 Messeinrichtung
7 Stereokamera
8 Umgebungsbereich der Marker auf der Stirnfläche der Messplatte
9 Greifer des Handhabungsgerätes
10 Auswerteeinrichtung
11 Steuereinrichtung
12 Schlitz
13 Referenzfläche
15 lochartige Vertiefung
16 Sackloch
OCP, CCP,
TCP, RCP Bezugspunkte
B Schlitzbreite
T Schlitztiefe
D1. D2,
D3, D4 Durchmesser der Ringschlitzbohrungen
Ds Sacklochdurchmesser
Claims
1. Vorrichtung zum Verbessern von Genauigkeitseigenschaften von Handhabungsgeräten, wie einem Mehrachsen-Industrieroboter, mit einem Handhabungsgerät (1 ), wenigstens einer Steuereinrichtung (1 1 ) zum Bewegen des Handhabungsgerätes (1 ), einer Messeinrichtung (6), welche von der Handhabungseinrichtung (1 ) unabhängig oder unmittelbar auf der Handhabungseinrichtung (1 ) positioniert ist, einer Auswerteeinrichtung (10) für die von der Messeinrichtung (6) generierten Messsignale und einer Referenzfläche (13) oder Messplatte (4) mit einem oder mehreren Markern (5) oder Löchern an einem anzusteuernden Werkzeug oder einer Einrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Marker (5) oder Löcher von lochartigen Vertiefungen (15) in der Referenzfläche (13) oder der Messplatte (4) in Form von Sacklöchern (16) oder Schlitzen (12) mit einer bestimmten Tiefe und mit einem bestimmten Sacklochdurchmesser oder einer bestimmten Schlitzbreite gebildet sind, wobei das Verhältnis von Tiefe zu Sacklochdurchmesser oder Schlitzbreite größer als 1 ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Marker (5) oder Löcher von lochartigen Vertiefungen (15) mit mindestens 10 mm Tiefe und mit einem Sacklochdurchmesser oder einer Schlitzbreite kleiner 10 mm in der Referenzfläche (13) oder der Messplatte (4) in Form von Sacklöchern (16) oder Schlitzen (12) gebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lochartigen Vertiefungen (15) mindestens 15 mm tief sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lochartigen Vertiefungen (15) geschwärzt, vorzugsweise mit Russ beschichtet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungsbereich (8) der lochartigen Vertiefungen (15) möglichst hell gehalten ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lochartigen Vertiefungen (15) einen Sacklochdurchmesser oder eine Schlitzbreite kleiner 6 mm aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der lochartigen Vertiefungen (15) unterschiedliche Dimensionierungen aufweisen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei oder vier lochartige Vertiefungen (15) in der Referenzfläche (13) oder Messplatte (4) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (6) den Kontrast zwischen den lochartigen Vertiefungen (15) und dem Umgebungsbereich (8) der Vertiefungen (15) erfasst.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (6) von einer Stereokamera (7) gebildet ist.
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