14.04.2009

OptoPose: Mehrkamerasystem zur flexiblen Positionsbestimmung von beweglichen Effektoren

Das Messsystem arbeitet mit mehreren hochauflösenden und kalibrierten Messkameras, die den Arbeitsraum eines Industrieroboters überwachen



Das Mehrkameramesssystem zur flexiblen Positionsbestimmung OptoPose ermöglicht die Erhöhung der Absolutgenauigkeit von Positioniersystemen, i. d. R. Industrierobotern. An dem Roboterkopf kann z. B. ein Bearbeitungssystem oder ein Messsensor befestigt sein (Endeffektor). Das Messsystem arbeitet mit mehreren hochauflösenden und kalibrierten Messkameras, die den Arbeitsraum des Industrieroboters überwachen. Auf dem Endeffektor des Industrieroboters sind entsprechende Zielmarkierungen angebracht, mit denen es möglich ist, die Position und Orientierung des Endeffektors hochgenau, sicher und schnell zu bestimmen. OptoPose wurde im Rahmen eines durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit finanzierten Kooperationsprojekts zwischen der Metronom Automation GmbH und dem i3mainz-Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik entwickelt.



Abb.: Schematischer Aufbau des Messsystems; Ansicht von hinten
(Bild: i3mainz
)


Roboter sind heute das wichtigste Arbeitswerkzeug in der industriellen Produktion und beeinflussen durch ihre Charakteristik ganz entscheidend die Produktivität im Herstellungsprozess und die Qualität der produzierten Güter. In Bezug auf die Qualität spielen vor allem Passungsfragen eine Rolle, die wiederum von der Fähigkeit des Roboters abhängen, eine bestimmte Raumposition sehr genau anfahren zu können. Bemühungen, diese Positionsgenauigkeit durch Verbesserungen am Roboter zu steigern, haben bislang nicht die gewünschten Erfolge erzielt, weshalb andere Lösungen benötigt werden. Ein vielversprechender Weg dazu ist die externe Überwachung des Roboters und die präzise Ermittlung seiner Position im Raum. Hierzu bietet OptoPose eine Lösung an, indem die statische Position (Pose) des Endeffektors hochgenau und schnell bestimmt wird.

Industrieroboter sind darauf optimiert, immer wiederkehrende Aufgaben auszuführen. Nachdem die verschiedenen Stellungen des Roboters eingelernt sind, werden diese mit hoher Präzision angefahren. Typischerweise liegt die Präzision im Bereich von 0,15 bis 0,5 mm, abhängig von der Größe des Roboters. Diese Angabe gilt nur für beschränkte Zeiträume, z. B. einen halben Tag. Insbesondere Temperaturänderungen führen zu erheblich größeren Schwankungen (bis zu 1 mm).

Im Gegensatz zur Wiederholgenauigkeit ist die absolute Positioniergenauigkeit um Größenordnungen schlechter. Wenn also dem Roboter eine beliebige Koordinate in seinem Arbeitsraum angegeben wird, so fährt er diese nur relativ schlecht an (typischerweise 1 bis 2 mm).

Die hohe absolute Positioniergenauigkeit ist in Produktionen notwendig, in denen sich für Bauteile laufend neue Abmessungen ergeben. Dies ist z. B. im industriellen Fensterbau der Fall. Die zu bauenden Fenster werden maßgenau anhand der vor Ort aufgenommenen Abmessungen gefertigt. Jedes Fenster ist somit ein Unikat. Aber auch bei Messrobotersystemen gibt es Einsatzfälle, in denen die eingelernten Messpunkte schnell zu verändern sind, um auf geänderte Produkteigenschaften oder aktuelle Qualitätsprobleme flexibel reagieren zu können. Mit dem Messsystem OptoPose wird somit die bislang typische Schwäche der Industrieroboter bei der Absolutgenauigkeit eliminiert. Insbesondere der Einsatz von industriellen Messrobotern wird wesentlich einfacher und flexibler. Die eigentliche Positioniergenauigkeit des Roboters spielt keine Rolle mehr. Somit können die Fahrprogramme ohne Beachtung bisheriger Restriktionen einfach verändert werden.

OptoPose arbeitet in seiner aktuellen Konfiguration mit vier hochauflösenden Industriemesskameras (4 MP) und kann einen Arbeitsbereich respektive ein Messvolumen von 2 x 2 x 1 m überwachen und die Position des Effektors bestimmen. Der Roboter wird mit einem mit IR-LEDs signalisierten kugelförmigen Kalibrierobjekt bestückt. Durch die Verwendung aktiver, im infraroten Spektrum leuchtenden Zielmarkierungen ist das System robuster gegenüber Schwankungen des Tageslichts und erfordert keine Einhausung der Messzelle. Die Position des Effektors und somit die Punktmessgenauigkeit am Objekt kann auf 0,1 mm bei 2 Sigma genau bestimmt werden. Die Posenbestimmung kann mit der aktuellen Konfiguration mit einer Taktrate von 1,5 s erfolgen.

Die Bestimmung der inneren und äußeren Orientierung der Messkameras erfolgt voll automatisiert in einer In-Situ-Kalibrierung. Ein großer Vorteil der In-Situ-Kalibrierung ist die Möglichkeit, die Messzelle mehrmals am Tag (z. B. in Produktionspausen) kalibrieren zu können. Auftretende Temperaturschwankungen im Messbereich, die u. a. die Stabilität der Kameras gefährden, können damit entschärft bzw. als Störgröße eliminiert werden.

Das System wird im Rahmen der Sonderschau "Berührungslose Messtechnik" anlässlich der Control 2009 in Stuttgart, 5. bis 8. Mai 2009, in Halle 1, Stand 1612, vorgestellt.

Fraunhofer Vision


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