ES2213074T3 - Calibracion semiautomatica de un brazo de accionamiento de un robot. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para calibrar un brazo de accionamiento (2) de un robot (1) que se ha programado fuera de línea mediante un modelo matemático para un dispositivo (5), en especial para la fabricación automática en la industria del automóvil, en el cual se mide un dispositivo de medida (8) en relación con el sistema de coordenadas del dispositivo (5) real, el brazo de accionamiento (2) del robot se desplaza en su sistema de coordenadas de forma autónoma hasta un punto de referencia prefijado y esta posición se mide de forma autónoma mediante el dispositivo de medición (8), en donde la discrepancia entre las coordenadas de este punto de referencia en el sistema de coordenadas del dispositivo (5) real y el sistema de coordenadas del robot (1) se determina por ordenador, y para la calibración del robot (1) se adapta el modelo matemático del dispositivo (5) al dispositivo (5) real en función de esa discrepancia.

Description

Calibración semiautomática de un brazo de accionamiento de un robot.

La presente invención se refiere a un dispositivo y un procedimiento para calibrar un brazo de accionamiento de un robot que se puede programar fuera de línea por medio de un modelo matemático para un dispositivo a medir, en especial para la fabricación automática en la industria del automóvil.

Por el estado de la técnica se conocen diversos tipos de calibración de brazos de accionamiento de robots y similares:

Muchos métodos pretenden adaptar el modelo cinemático del robot mismo a las circunstancias reales, como figura, por ejemplo, en el documento GB 2 327 512 A, el documento US 5.731.679 A, el documento EP 353 585 A1, el documento FR 2 696 969 A y el documento US 4.868.473 A. Pero el modelo cinemático del robot no desempeña ningún papel en la programación fuera de línea del robot mismo, sino que se debe considerar prefijado y es más bien la base para la valoración y el control del robot.

Igualmente se conocen métodos para la calibración de sensores fijados a brazos robóticos, como por ejemplo por el documento DE 37 31 704 A1. Sin embargo, para ello el robot debe estar ya calibrado, es decir, debe ser capaz de situarse con exactitud en determinadas posiciones, ya que por lo demás falta una referencia fiable para la calibración del sensor.

Por otra parte, otros métodos compensan las diferencias de posición iguales sólo durante el funcionamiento, como se conoce por ejemplo por el documento EP 114 505 A1. En estos casos no es en absoluto necesario calibrar previamente el robot, ya que la compensación entre la posición de consigna y la real sólo se produce durante el funcionamiento.

En el pasado, el control de robots y su calibración se realizaba con frecuencia en línea mediante el llamado teaching (enseñanza), es decir, por desplazamiento manual del brazo robótico hasta la posición deseada con ayuda de un telemando y el registro de ese movimiento por el dispositivo de control.

En la actualidad, debido al progreso en el campo de la simulación informática de instalaciones, es posible realizar una programación del robot fuera de línea. En la programación fuera de línea, los programas de control de robots se generan en un ordenador de simulación separado utilizando un modelo geométrico exacto de simulación de la instalación. Dado que la instalación real no coincide exactamente con la instalación virtual debido a tolerancias de fabricación o montaje, hay que realizar una calibración del robot antes de su puesta en servicio. Esto se logra en la práctica mediante el desplazamiento manual (enseñanza a través del panel manual) a unos 5 a 10 puntos cualesquiera del espacio con el TCP (Tool Center Point) del robot. Aquí el mando del robot muestra o registra las correspondientes coordenadas REALES de los puntos espaciales. Paralelamente, con ayuda de un dispositivo de medida ajustado al sistema de coordenadas de la pieza (en general el sistema de coordenadas del dispositivo medido en el espacio de medida), se miden - también de forma manual - las coordenadas de CONSIGNA de esos puntos espaciales en relación con la pieza (dispositivo). Las parejas de valores de coordenadas de CONSIGNA/REALES de cada punto espacial así obtenidas se introducen en el sistema de simulación por medio de un soporte de datos o marcándolas por teclado. Este proceso de calibración requiere en general dos empleados y un gasto de tiempo considerable. Además, cada operación manual de datos es una fuente potencial de error. Cuando hay una cantidad grande de robots, por ejemplo algunos centenares en una cadena de producción de automóviles, estos costes de personal y las fuentes de error que implican constituyen un inconveniente considerable.

Por el documento EP 470 257 A1 se conoce una calibración así de un robot por medio de una programación fuera de línea, en la que se mide un dispositivo de medida en cuanto al sistema de coordenadas del robot, con lo cual es imposible realizar una calibración autónoma y automática dado que el robot no calibrado sólo se puede desplazar manualmente en su sistema de coordenadas. Sin embargo, por eso no es posible realizar una calibración rápida y de bajo coste.

Por ello, una misión de la presente invención consiste en crear un dispositivo y un procedimiento automatizado con los que la calibración se pueda realizar con la mayor rapidez, y por lo tanto al menor coste posible, así como con la mayor seguridad posible y con alta fiabilidad y precisión.

Según la invención, esta misión se soluciona con la medición de un dispositivo de medida en cuanto al sistema de coordenadas del dispositivo real, el desplazamiento autónomo del brazo de accionamiento del robot en su sistema de coordenadas a un punto de referencia prefijado y la medición autónoma de esa posición a través del dispositivo de medida, en donde la discrepancia entre las coordenadas de este punto de referencia en el sistema de coordenadas del dispositivo real y el sistema de coordenadas del robot se determina por ordenador, y para la calibración del robot se adapta el modelo matemático del dispositivo al dispositivo real en función de esa discrepancia. En un dispositivo según la invención, esta misión se soluciona con un dispositivo de medida, mensurable en función del sistema de coordenadas del dispositivo real, mediante el cual se puede medir automáticamente la posición del brazo de accionamiento del robot en un punto de referencia prefijado hasta el que se haya avanzado en el sistema de coordenadas del robot, en donde se han previsto un medio para la determinación por ordenador de la discrepancia entre la posición de ese punto de referencia en el sistema de coordenadas del dispositivo real y el sistema de coordenadas del robot, y un medio para la calibración por ordenador del robot mediante adaptación del modelo matemático del dispositivo al dispositivo real.

Con el control de procedimiento o el dispositivo de nuevo tipo, funcional e informáticamente integrado, la invención permite ahora por vez primera realizar una calibración autónoma o por ordenador, es decir, automática y sin errores, de un robot programado fuera de línea que se puede efectuar con rapidez y gran precisión. Al contrario que los métodos hasta ahora conocidos, la calibración según la invención se puede realizar con un solo empleado. Esta ventaja destaca especialmente en las celdas de varios robots típicas en la construcción de carrocerías y en uno o varios dispositivos para piezas. Con una estructura de sistema de medida se pueden calibrar de forma automática varios robots sucesivamente. Esto ahorra considerables costes de personal y de tiempo, y proporciona necesariamente una mayor seguridad en los datos y la posibilidad de documentación directa. Otra ventaja consiste en que, tras el primer ciclo de calibración, para comprobar la eficacia de esa calibración se puede proceder muy rápidamente a un segundo ciclo de calibración con el programa de calibración fuera de línea corregido.

Preferentemente, el modelo matemático se adapta al dispositivo real por medio de una transformación matemática. Así resulta posible una adaptación precisa del modelo de simulación a la pieza real por medio de operaciones matemáticas sencillas. Para aumentar la precisión resulta ventajoso que el brazo de accionamiento del robot se desplace al menos a tres puntos de referencia, preferentemente 5-10, y éstos se midan automáticamente, realizándose la adaptación del modelo matemático sobre la base de las discrepancias de al menos tres puntos de referencia, preferentemente 5-10. Con esta cantidad de puntos de referencia se pueden determinar sin lugar a dudas y corregir todas las discrepancias, desplazamientos lineales en tres direcciones, giros o basculamientos y discrepancias escalares, así como la elasticidad del robot ante masas de herramientas de la simulación en relación con el dispositivo real. Además, en la práctica es ventajoso que el punto de herramienta relevante del robot avance hasta los puntos de referencia y se midan estos puntos de herramienta. Así, las posiciones de la simulación que sean relevantes para el posterior funcionamiento se adaptan con exactitud al dispositivo real. Una precisión especialmente elevada se logra midiendo los puntos de referencia con un sistema óptico de medida, en especial un sistema de medición por láser en 3D. Además, la medición óptica tiene la ventaja de una fácil accesibilidad y un gran alcance.

Un control sencillo de la calibración automática resulta en especial porque el robot y el dispositivo de medida se controlan centralizadamente a través de un programa de calibración fuera de línea, y el resultado de la medición, eventualmente tras un procesado previo, se trasmite para su procesado a un programa de simulación que contiene el programa de simulación. En ello, a través del programa de calibración fuera de línea se intercambian datos por medio de un protocolo de red, por ejemplo Ethernet con TCP/IP, con el mando del robot y el dispositivo de medida, y eventualmente con el ordenador que contiene el programa de simulación. Un ahorro de tiempo especialmente grande resulta posible gracias a que con una estructura de medición se pueden calibrar varios robots.

Otras características y ventajas de la presente invención resultan de la descripción siguiente de un ejemplo de ejecución no limitativo de la invención, en donde se hace referencia a las figuras adjuntas que muestran lo siguiente:

Fig. 1 - una representación en esquema de un dispositivo de calibración según la invención, y

Fig. 2 - una representación en esquema de las funciones del programa de calibración.

En lo que sigue se hace referencia a la Figura 1, en la que se representa en esquema la estructura para la calibración de un robot 1 programable fuera de línea. El robot 1, que presenta un brazo robótico 2 junto con el soporte de herramientas 3, está unido por conducciones de mando a un dispositivo de mando 4, que está conectado a una red, por ejemplo Ethernet, a través de una interfaz. El experto conoce el robot y los dispositivos de mando correspondientes, por lo que aquí no se describen con detalle.

En la estación de trabajo del robot se encuentra el dispositivo 5 con respecto al cual hay que calibrar el robot. En el ejemplo de ejecución mostrado, el dispositivo 5 está formado por un soporte de piezas 6 y dos piezas 7.

Para medir la posición del soporte de piezas 3 del robot, en el ejemplo de ejecución mostrado se ha previsto un dispositivo óptico de medición de posición, concretamente un sistema de medición 8 por láser en 3D, que también está conectado por conducciones de mando al llamado ordenador de medición 9, que a su vez está conectado a la red. Para medir la posición del soporte de herramientas 3 del robot se han dispuesto reflectores 10 en el soporte de herramientas 3. En el marco de la presente invención se puede emplear cualquier dispositivo conocido adecuado para medir la posición. Los dispositivos ópticos tienen la ventaja de una buena accesibilidad y un gran alcance, así como una alta precisión. El experto conoce dispositivos de este tipo y se pueden adquirir en el comercio especializado, por ejemplo bajo la denominación "Leica Laser Tracker".

Además hay un ordenador de simulación 11 conectado a la red Ethernet en el que está simulado el dispositivo, junto con los robots, en función de un modelo matemático. En el ordenador de simulación también se incluye un módulo para la generación del programa fuera de línea para el mando de robot 4. En el ordenador de simulación también se ha previsto un módulo para procesar datos de calibración, que procesa los datos suministrados en la calibración por el ordenador de medición 9 y el mando de robot 4 o el programa de calibración, y adapta la simulación al equipo real por medio de una trasformación matemática. También se conoce un módulo para el procesado de datos de calibración y lo ofrece, por ejemplo, la firma Krypton bajo la denominación "Robcal" y "Roboscope" en el comercio del ramo. También se conocen programas para la simulación de una instalación técnica o para la generación fuera de línea de programas para un mando robótico, y se pueden adquirir en el comercio, por ejemplo, de la firma Tecnomatrix bajo la denominación "Robcad".

El programa para realizar la calibración automática puede estar instalado en el ordenador de medición, el mando de robot o el ordenador de simulación, así como distribuido entre dos o más de estos ordenadores, pero también en un ordenador adicional separado, que no se representa en la Fig. 1.

A continuación se describen con detalle las distintas funciones del programa de calibración haciendo referencia a la Fig. 2.

En el ordenador de simulación 11 se generan los programas para robots fuera de línea para el empleo en producción (por ejemplo programas de soldadura por puntos) mediante simulación de procesos en un modelo existente. En principio estos programas todavía no están calibrados, es decir, todavía no están adaptados mediante trasformación de coordenadas a las discrepancias geométricas existentes entre la instalación real y el modelo, y por lo tanto aún no están autorizados.

Según la Fig. 2, en el mismo ordenador de simulación 11 se elabora ahora también un programa de calibración fuera de línea llamado "Programa de calibración OLP" para acceder aproximadamente a 5 hasta 10 puntos espaciales con el TCP (Tool Center Point) del robot. Por medio de una orden DOWNLOAD, preferentemente iniciada por el mando de robot, en el ejemplo de ejecución mostrado se trasfiere el programa de calibración OLP al mando de robot 4.

La estructura del programa de calibración OLP se caracteriza por una configuración por juegos, y contiene juegos de funciones de comunicación y juegos para las funciones de movimiento del robot, para que avance a los puntos espaciales programados.

Para las funciones de comunicación se dispone de subprogramas o macros del modo conocido, mediante cuya activación se pueden utilizar las órdenes del sistema a implementar en el mando para emitir (SEND) y recibir (RECEIVE) datos a través de una interfaz instalada, por ejemplo una interfaz Ethernet, mediante un protocolo adecuado, por ejemplo TCP/IP.

Los datos a emitir son secuencias de signos definidos en su grafía sintáctica (Mnemonics) para comandos/órdenes, confirmaciones de ejecución de las órdenes y parámetros complementarios, que deben ser comprensibles, interpretables y ejecutables por todos los partícipes en la comunicación.

Las órdenes del sistema SEND y RECEIVE intercambian los datos en el marco de un protocolo de red, por ejemplo TCP/IP, entre las unidades de comunicación configuradas en la red por medio de direcciones de red.

Cada destinatario correspondiente interpreta los datos recibidos, las órdenes se ejecutan y la ejecución de las órdenes se confirma a los correspondientes remitentes según el llamado principio de intercambio de señales.

De este modo, como se expone esquemáticamente en la Fig. 2, se realiza la comunicación y sincronización entre el mando de robot 4 y el ordenador de medición 9.

Por razones técnicas de seguridad, el arranque del proceso de calibración se efectúa preferentemente por arranque manual del programa en el mando de robot 4.

El proceso que debe controlar el programa de calibración OPL arrancado comienza con la consulta de la operatividad del sistema de medición.

Tras la confirmación positiva por el ordenador de medición 9, el mando de robot 4 emite la orden al sistema de medición para la aproximación al primer punto espacial. La orden contiene como parámetros complementarios las coordenadas de CONSIGNA de este punto espacial.

Ahora ambos sistemas, el robot y el sistema de medición láser en 3D, avanzan independientemente entre sí hacia el punto descrito por las coordenadas de CONSIGNA. El sistema de medición avanza debido a la orden del mando de robot, y el robot avanza por su siguiente juego de movimiento.

Tras realizar el juego de movimiento, el mando de robot 4 comunica al ordenador de medición 9 que el TCP del robot está posicionado en el punto espacial. El ordenador de medición 9 interpreta este mensaje como orden de medir, ejecuta el ajuste fino del láser en el reflector en el TCP del robot y la subsiguiente medición de coordenadas, y confirma la medición ejecutada enviando las coordenadas REALES medidas al mando de robot 4. Éste registra los pares de valores de coordenadas de CONSIGNA/REALES en una tabla de datos de calibración (archivo de datos) y emite la siguiente orden de marcha enviando las coordenadas del punto al ordenador de medición.

Para el segundo punto se repite el mismo ciclo. Estas secuencias se repiten en función de la cantidad de puntos espaciales que se deban alcanzar, preprogramada en el programa de calibración.

El mando de robot 4 comunica la finalización del ciclo de calibración al ordenador de medición con la orden "Finalizar calibración", que el ordenador de medición confirma con la orden "Calibración finalizada" y, eventualmente, regresa a una posición preferente.

Tras recibir esta confirmación de "Calibración finalizada", el mando del robot, a través de una orden UPLOAD, devuelve al ordenador de simulación 11 la tabla de datos de calibración como archivo de datos con los pares de valores de coordenadas de todos los puntos espaciales medidos.

En el ordenador de simulación 11 fluye la subsiguiente evaluación de los datos de calibración de CONSIGNA/REALES, a través de un algoritmo matemático en forma de una trasformación de coordenadas, al programa de robot OLP, por ejemplo el programa de producción para soldadura por puntos.

A continuación se puede aprobar para la producción el programa de robot OLP ya calibrado, por ejemplo ese programa de soldadura por puntos, se carga en el mando de robot 4 por medio de la orden DOWNLOAD y se procede al trabajo del robot en la instalación.

Alternativamente, el proceso también se puede realizar cuando el programa de calibración OLP se carga tanto en el mando del robot como también en el ordenador de medición, en donde el ordenador de medición incluye un intérprete de software que le permite procesar interpretativamente el programa de calibración y seleccionar las coordenadas del punto.

La comunicación y la sincronización se mantienen conceptualmente iguales. Es más ventajoso que en este caso el ordenador de medición envíe al final del ciclo de calibración la tabla de datos de calibración como archivo de datos al ordenador de simulación.

Una tercera variante posible consiste en elaborar interpretativamente el programa de calibración directamente en el ordenador de simulación, en donde el ordenador de simulación envía órdenes de marcha punto a punto a través de la red al mando del robot y órdenes de marcha y medición al ordenador de medición. Tras cada medición, el ordenador de medición devuelve al ordenador de simulación el par de valores de coordenadas del punto espacial medido junto con la confirmación de la ejecución.

En cuanto al coste técnico de datos y software, las tres variantes de ejecución descritas se han de valorar como prácticamente equivalentes.

Las ventajas de la invención consisten en que, por un lado, la técnica de bus actualmente disponible (Ethernet) y las interfaces de bus disponibles en los tres aparatos (ordenador de simulación - ordenador de medición - mando del robot) se utilizan para una trasferencia continua de datos con objeto de calibrar el robot y, por otro lado, por medio de la calibración del robot se emplea un programa fuera de línea elaborado a través de un ordenador de simulación para la aproximación automatizada a puntos espaciales, para la medición automatiza de ese punto y para la subsiguiente trasformación automatizada de las coordenadas en el modelo de simulación. Para ello, en los tres aparatos mencionados se requieren ampliaciones con respecto a las versiones tradicionales. Estas ampliaciones son esencialmente:

En el ordenador de simulación

Traslado del programa de calibración fuera de línea al mando del robot y, al mismo tiempo, al ordenador de medición, captación de las coordenadas de CONSIGNA enviadas como respuesta por el ordenador de medición y cálculo subsiguiente de las coordenadas de CONSIGNA/REALES en el modelo de simulación.

En el mando del robot

Ejecución del programa de calibración fuera de línea con sincronización del sistema de medición mediante la comunicación de instrucciones de mando a través de la interfaz de bus según el principio de intercambio de señales. El robot tiene función maestra con respecto al ordenador de medición y el arranque del proceso automático de calibración se efectúa desde el panel del robot.

En el ordenador de medición

Tratamiento interpretativo del programa de calibración fuera de línea y avance hacia los puntos espaciales de forma sincrónica con el robot. Ajuste fino automático del rayo láser sobre el reflector en el TCP del robot. Comunicación de instrucciones de mando con el robot a través de la interfaz de bus según el principio de intercambio de señales, para el arranque automático del proceso de medición y para responder con la transmisión de los datos de medida (coordenadas de CONSIGNA) al ordenador de simulación.

Claims (13)

1. Procedimiento para calibrar un brazo de accionamiento (2) de un robot (1) que se ha programado fuera de línea mediante un modelo matemático para un dispositivo (5), en especial para la fabricación automática en la industria del automóvil, en el cual se mide un dispositivo de medida (8) en relación con el sistema de coordenadas del dispositivo (5) real, el brazo de accionamiento (2) del robot se desplaza en su sistema de coordenadas de forma autónoma hasta un punto de referencia prefijado y esta posición se mide de forma autónoma mediante el dispositivo de medición (8), en donde la discrepancia entre las coordenadas de este punto de referencia en el sistema de coordenadas del dispositivo (5) real y el sistema de coordenadas del robot (1) se determina por ordenador, y para la calibración del robot (1) se adapta el modelo matemático del dispositivo (5) al dispositivo (5) real en función de esa discrepancia.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el modelo matemático se adapta al dispositivo real mediante una trasformación matemática.

3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el brazo de accionamiento (2) del robot (1) se desplaza al menos a tres, preferentemente a 5-10 puntos de referencia y éstos se miden de forma autónoma, en donde la adaptación del modelo matemático se realiza sobre la base de las discrepancias de al menos tres puntos de referencia, preferentemente 5-10.

4. Procedimiento según las reivindicaciones 1, 2 ó 3, caracterizado porque el punto relevante de herramienta del robot (1) se desplaza al menos a un punto de referencia y se mide este punto de herramienta.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque al menos un punto de referencia se mide por medio de un dispositivo óptico de medición (8), en especial un sistema de medición por láser en 3D.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el robot (1) y el dispositivo de medición (8) se controlan por medio de un programa de calibración fuera de línea y el resultado de la medición, eventualmente tras un procesado previo, se trasmite para su procesamiento a un programa de simulación que contiene el modelo matemático.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque mediante el programa de calibración fuera de línea, a través de un protocolo de red, por ejemplo Ethernet, se intercambian datos con el mando del robot (1) y el dispositivo de medición (8), así como eventualmente con el ordenador que contiene el programa de simulación.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se calibran varios robots (1) al mismo tiempo.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque a través de la calibración fuera de línea se realizan otras mediciones prefijadas en una celda de robots o en una aplicación robotizada, por ejemplo para una medición "en proceso" integrada en la producción de puntos de medida definidos, puntos de prueba o de referencia, o también mediciones de superficie y mediciones comparadas de superficie en piezas o módulos de carrocerías.

10. Dispositivo para calibrar un brazo de accionamiento (2) de un robot, que se puede programar fuera de línea mediante un modelo matemático de un dispositivo, en especial para la fabricación automática en la industria del automóvil, en el cual se ha previsto un dispositivo de medición (8) mensurable en relación con el sistema de coordenadas del dispositivo real, mediante el cual se puede medir de forma autónoma la posición del brazo de accionamiento (2) del robot (1) en un punto de referencia prefijado hasta el que se haya avanzado en el sistema de coordenadas del robot (1), en donde se ha previsto un medio para la determinación por ordenador de la discrepancia entre la posición de este punto de referencia en el sistema de coordenadas del dispositivo real y el sistema de coordenadas del robot (1), y un medio para calibrar el robot (1) mediante la adaptación del modelo matemático al dispositivo real.

11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado porque en el punto de herramienta del brazo de accionamiento (2) del robot (1) se ha previsto un soporte para el dispositivo automático de medición (8).

12. Dispositivo según las reivindicaciones 10 ó 11, caracterizado porque el dispositivo de medición (8) es un dispositivo de medición óptico, en especial un sistema de medición por láser en 3D.

13. Dispositivo según las reivindicaciones 10, 11 ó 12, caracterizado porque el mando del robot (1), el dispositivo de medición (8) y un dispositivo de calibración que abarca el medio para determinar la discrepancia, así como eventualmente un dispositivo de simulación que contiene el modelo matemático, están unidos entre sí por medio de una red.