WO2009036816A1 - System und verfahren zur erfassung und/oder erkennung von objekten bei robotergestützten produktions- und fertigungsprozessen - Google Patents

System und verfahren zur erfassung und/oder erkennung von objekten bei robotergestützten produktions- und fertigungsprozessen Download PDF

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Jörg IHRIG
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    • G05B2219/40564—Recognize shape, contour of object, extract position and orientation

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for detecting and / or detecting objects in robot-assisted production and manufacturing processes, wherein in particular the geometric shape and / or the spatial orientation and / or the position of the respective object, in particular moved by means of a conveyor or conveyor belt Object, relative to at least one handling device and / or a reference point, regardless of the prevailing lighting conditions, can be determined.
  • a robot is understood to mean an almost freely programmable, computer-controlled handling device or a handling device for moving material, workpieces, tools or special devices.
  • Robots are stationary or mobile machines or devices that perform predetermined tasks, in particular a program, specified tasks and / or fulfill.
  • Robot, handling device or device are also used synonymously below.
  • industrial robots industrially used robots with multiple axes, in particular six axes, understood, which in various production and / or manufacturing processes, such as in the Automotive industry when painting, welding, or polishing or grinding and the like can be used.
  • robots in the field of automation, for example in painting and / or welding technology, or robotic automation is one of the most widespread applications in modern robot systems.
  • robots are increasingly being used, with the aid of which, in conjunction with the most universal production devices, numerous different product variations can be produced, with the robots and / or production devices used as a rule intelligently communicating with their environment via a large number of sensors and interact.
  • coping with complex automation tasks in the production area also often involves the detection and / or differentiation of patterns as well as the recognition of the respective workpiece to be machined and / or its position and / or orientation or orientation in space.
  • the position and / or orientation of the respective workpiece is to be determined precisely in order to be able to track the respective handling devices and mounting devices with sufficient accuracy.
  • the cost of the product-dependent devices is drastically reduced and the flexibility of production increases many times, if the position can be determined in three-dimensional space.
  • vision systems are used for this purpose. These systems mainly use optical methods, in particular from the field of image / pattern recognition, and are subdivided into 2-dimensional and 3-dimensional position and / or position recognition systems in accordance with their configuration
  • the respective workpiece is detected via one or more flexibly or stationarily arranged cameras or camera systems, as a rule using light or laser beams, in particular in the visible spectral range, and its position and / or orientation, for example also using a corresponding computer program component, determined or determined.
  • Known systems use light in the visible range for illuminating or illuminating or for operating the respective camera or camera systems, in particular from about 380 to 780 nanometers [nm] wavelength, or employ lasers with a comparable wavelength range.
  • For spatial vision or spatial detection and stereo systems can be used.
  • 3D (3-dimensional) stereo systems allow the highly accurate determination of position coordinates even in six degrees of freedom. They are particularly used when simple recognition / identification or distinguishing features are not available or not available, large or multiple parts or components detected with a very high resolution and the quality and efficiency of highly automated Rotober- and handling systems through fast and accurate Position determinations should be increased or must.
  • the respective working area of the camera and / or handling system or device is defined and / or illuminated homogeneously, the fluctuations in the brightness, in particular due to the course of the day, weather or seasonal variations in brightness, being reduced to a minimum.
  • the object of the invention is to provide a possibility for efficient detection and / or detection of an object, in particular a moving object, which is non-optical and thus independent of the prevailing lighting conditions and dispenses with the use of artificial light sources.
  • the system for detecting and / or detecting objects in robotic production and manufacturing processes at least one radar sensor and a data processing device which cooperates with the respective radar sensor and with which at least one object, in particular a moving object, and / or the respective position and position can be detected and / or recognized and / or converted into information usable for a control / regulating device of at least one handling device.
  • two or more radar sensors can be used.
  • radar sensor and data processing device each have a wireless or wired communication connection, in particular a LAN, WLAN or WAN, for example, the type Ethernet, Bluetooth, or other common bus type, such as CAN, CANOPEN, Profibus, Modbus, but also USB , RS-232, SCSI or the like.
  • a wireless or wired communication connection in particular a LAN, WLAN or WAN, for example, the type Ethernet, Bluetooth, or other common bus type, such as CAN, CANOPEN, Profibus, Modbus, but also USB , RS-232, SCSI or the like.
  • the system comprises at least one interface via which the converted information of the control / regulating device of at least one handling device, in particular one or more six-axis industrial robots, feedable or can be transmitted.
  • the aforementioned interface can be wired or wireless in nature, for example, as Ethernet, Bluetooth, CAN, CANOPEN, Profibus, Modbus, but also USB, RS-232 or SCSI interface or a combination thereof be.
  • the corresponding radar sensors comprise both a transmitting device and a receiving device for radar waves of suitable frequency. Further education transmitting and receiving device can also be integrated in a device.
  • electromagnetic waves can be generated outside the visible spectral range by means of the respective radar sensor, for example in the form of microwaves in the MHz and GHz range or of sound waves at frequencies between 20 kHz and 1 GHz, which are resistant to influences in the surrounding atmosphere as in production. and production facilities is insensitive.
  • the associated transmission frequencies can be an example in the range of 76-77 GHz, corresponding to a wavelength of about 4 mm or even in the range of about 24 GHz move.
  • the object is achieved by a corresponding method for detecting and / or detecting objects for processing by computer-controlled handling devices, wherein in particular by means of an aforementioned system, at least one object, in particular a moving object, and / or their respective position and Radar-based detected and / or detected or identified and / or the obtained data and / or signals are converted into usable for a control / regulation device at least one handling device information.
  • the method is also applicable to a moving by means of a transport or conveyor belt object.
  • the usable information for implementation via a corresponding communication link to the control / regulating device at least one handling device, in particular a multi-axis industrial robot, transmitted and / or for synchronization and coordination of movements and positioning of handling device and object, in particular workpiece used ,
  • the respective radar sensor with transmitting and receiving device transmits directional electromagnetic waves bundled as a so-called primary signal and receives the signals or "echoes" reflected by the respective object as a so-called secondary signal and evaluates them in cooperation with the data processing device according to various, predeterminable criteria. or the respective object rule-based recognizes or accurately recorded position.
  • information about the respective objects can be obtained, for example, by using the respective measurement for transit times as well as transit time differences and / or also for the Doppler effect.
  • a Doppler effect is the change in the frequency of the waves of any kind, including radar or ultrasound waves, while the source and measuring body, in this case in particular the workpiece, move relative to one another, that is to say, for example, the source moves towards or onto the body moved away from it or the body moves towards or away from the source.
  • the control / regulating device of the respective handling device can be passed to the control / regulating device of the respective handling device.
  • the respective object which at least partially reflects the radar beams, is scanned at a sufficiently small distance from the transmitter, in particular only a few 10 cm to a few meters, corresponding to a predeterminable raster with corresponding resolution by means of a directed radar beam (can be 1- or 2-dimensional scanning)
  • a directed radar beam can be 1- or 2-dimensional scanning
  • At least one radar sensor is used in the form of an FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) radar, a “Modulated CW Radar” or an FM radar, the different types of radar also being usable in combination.
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
  • FM radar the different types of radar also being usable in combination.
  • These radars transmit at a constantly changing frequency. At least two operating modes can be distinguished.
  • the frequency either increases linearly to abruptly decrease to the initial value at a certain frequency, or it increases and decreases alternately at a constant rate of change.
  • At least one data processing device which has a decoder or decoder or coder for signal or pulse or signal processing and / or information provision.
  • the radar sensor and / or data processing device and / or control device of at least one handling device each have a wireless or wired communication connection, in particular a LAN, WLAN or WAN, for example the type Ethernet, Bluetooth, or another common bus type, such as For example, cooperate CAN 1 CANOPEN, Profibus, Modbus, but also USB, RS-232, SCSI or the like.
  • the usable information for implementation via a corresponding communication link to the control / regulating device at least one handling device, in particular a multi-axis industrial robot, transmitted and / or used for synchronization and tuning of the movements of handling device and object, in particular workpiece.
  • Fig. 1 is an exemplary trained system for detecting and / or detection of objects in robotic production and manufacturing processes (in plan view), and
  • FIG. 2 shows an exemplarily designed system for detecting and / or detecting objects in robot-assisted production and production processes, including speed and distance determination.
  • Fig. 1 shows an exemplary trained system for detection and / or detection of objects in robotic production and manufacturing processes, which uses radar waves for image recognition.
  • the system shown by way of example comprises a data processing device 2 and two radar sensors 4, which are arranged in front of a handling device 6, here a multi-axis industrial robot, above a conveyor belt 8, in particular in the transport direction and spaced apart.
  • the signals of the radar sensors 4 are converted into digital signals by means of an encoder, which is integrable into the data processing device 2.
  • These signals are converted by means of the data processing device 2 in useful for the controller 10 of the robot information and / or instructions and these by means of at least one respective robot control transmitted. This information can be used, for example, for the exact positioning of the robot 6 for the respective object or workpiece.
  • FIG. 2 shows a system for measuring the speed and distance in robot-assisted production and production processes in a modified embodiment compared with FIG. 1, where two radar sensors 4 above a conveyor or conveyor belt 8 are aligned and spaced apart in the transport direction are.
  • a further, third radar sensor 4b is provided at the end of the transport bath 8, which determines the transport speed of an object or of the belt by utilizing the Doppler effect.
  • a data processing device 2 is provided, which data processing device 2 cooperates with the respective radar sensor 4, 4b and detects and recognizes the same, in particular with knowledge of the speed and / or distance of at least one object 12 moving by means of a transport or conveyor belt 8,
  • a control device 6 for a control / control device 6, in the example shown here, a six-axis industrial robot, in particular a welding and / or painting robots, convertible information and this for Implementation or recovery via a suitable interface.
  • the radar-based system as well as methods executable thereon, advantageously enable detection and / or detection of a moving object, possibly also of the respective speed and / or distance of the object in relation to a predeterminable reference point, independently of the prevailing light conditions and without the expense additional artificial light sources.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten bei robotergestützten Produktions- und Fertigungsprozessen, wenigstens einen Radarsensor (4, 4b) sowie eine Datenverarbeitungseinrichtung (2) auf, welche mit dem jeweiligen Radarsensor (4, 4b) zusammenwirkt und mit welchen wenigstens ein Objekt (12), insbesondere ein sich bewegendes Objekt, und/oder dessen jeweilige Position sowie Lage erfassbar und/oder erkennbar und/oder in für eine Steuer-/Regeleinrichtung (10) wenigstens einer Handhabungsvorrichtung (6) verwertbare Informationen umwandelbar sind. Verfahren zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten für eine Bearbeitung mittels rechnergesteuerter Handhabungsgeräte gelöst, wobei insbesondere mittels eines vorgenannten Systems, wenigstens ein Objekt (12), insbesondere ein sich bewegendes Objekt, und/oder dessen jeweilige Position sowie Lage radarbasiert erfasst und/oder erkannt beziehungsweise identifiziert wird und/oder die erhaltenen Daten und/oder Signale in für eine Steuer-/Regeleinrichtung (10) wenigstens einer Handhabungsvorrichtung (6) verwertbare Informationen umgewandelt werden.

Description

System und Verfahren zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten bei robotergestützten Produktions- und Fertigungsprozessen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten bei robotergestützten Produktions- und Fertigungsprozessen, wobei insbesondere die geometrische Gestalt und/oder die räumliche Orientierung und/oder die Lage des jeweiligen Objektes, insbesondere eines mittels eines Förderoder Transportbandes bewegten Objektes, relativ zu wenigstens einer Handhabungsvorrichtung und/oder einem Referenzpunkt, auch unabhängig von den jeweils vorherrschenden Lichtverhältnissen, bestimmbar ist.
Als Roboter wird dabei ein nahezu frei programmierbares, rechnergesteuertes Handhabungsgerät oder eine Handhabungsvorrichtung für das Bewegen von Material, Werkstücken, Werkzeugen oder Spezialgeräten verstanden. Roboter sind stationäre oder mobile Maschinen oder Geräte, die nach vorbestimmbaren Anweisungen, insbesondere einem Programm, festgelegte Aufgaben verrichten und/oder erfüllen. Roboter, Handhabungsvorrichtung oder - gerät werden nachfolgend auch synonym gebraucht. Als Industrieroboter werden industriell eingesetzte Roboter mit mehreren Achsen, insbesondere sechs Achsen, verstanden, welche in verschiedensten Produktions- und/oder Fertigungsprozessen, wie beispielsweise in der Automobilindustrie beim Lackieren, Schweißen, oder Polieren oder Schleifen und dergleichen einsetzbar sind.
Der Einsatz von Robotern im Automatisierungsbereich, beispielsweise in der Lackier- und/oder Schweißtechnik, oder von robotergestützter Automation zählt zu den am weitest verbreiteten Anwendungen bei modernen Robotersystemen. Auch zur Bewältigung immer komplexerer Automatisierungsaufgaben im Fertigungsbereich werden zunehmend Roboter eingesetzt, mit deren Hilfe im Zusammenwirken mit möglichst universellen Fertigungseinrichtungen zahlreiche auch unterschiedliche Produktvariationen herstellbar sind, wobei die eingesetzten Roboter und/oder Fertigungseinrichtungen in aller Regel über eine Vielzahl von Sensoren intelligent mit ihrer Umwelt kommunizieren und interagieren können.
So umfasst die Bewältigung komplexerer Automatisierungsaufgaben im Fertigungsbereich auch oftmals das Erfassen und/oder Differenzieren von Mustern sowie das Erkennen des jeweilig zu bearbeitenden Werkstückes und/oder seiner Position und/oder Orientierung beziehungsweise Ausrichtung im Raum. Dabei ist die Position und/oder Ausrichtung des jeweiligen Werkstückes genau zu bestimmen, um die jeweiligen Handhabungsvorrichtungen und Montageeinrichtungen hinreichend exakt nachführen zu können. Der Aufwand für die produktabhängigen Vorrichtungen reduziert sich drastisch und die Flexibilität der Fertigung erhöht sich um ein Vielfaches, wenn die Positionsbestimmung im dreidimensionalen Raum erfolgen kann. Dazu werden herkömmlich sog. „Vision Systeme" eingesetzt. Diese Systeme nutzen vornehmlich optische Verfahren, insbesondere aus dem Bereich Bild-/Mustererkennung, und werden entsprechend ihrer Ausgestaltung unterteilt in 2-dimensionale- und 3- dimensionale Lage- und/oder Positionserkennungs-Systeme beziehungsweise - Verfahren. Dabei wird das jeweilige Werkstück über eine oder mehrere flexibel oder stationär angeordnete Kameras oder Kamerasysteme, in der Regel unter Verwendung von Licht oder Laserstrahlen, insbesondere im sichtbaren Spektralbereich, erfasst und dessen Position und/oder Orientierung, beispielsweise auch unter Verwendung einer entsprechenden Computerprogrammkomponente, ermittelt beziehungsweise bestimmt. Bekannte Systeme verwenden zur Aus- oder Anleuchtung beziehungsweise zum Betrieb der jeweiligen Kamera oder Kamerasysteme Licht im sichtbaren Bereich, insbesondere von ca. 380 bis 780 Nanometer [nm] Wellenlänge bzw. setzen Laser mit vergleichbarem Wellenlängenbereich ein. Für das räumliche Sehen beziehungsweise die räumliche Erfassung sind auch Stereosysteme einsetzbar.
3D (3-dimensionale)-Stereosysteme ermöglichen die hochgenaue Bestimmung von Lagekoordinaten auch in sechs Freiheitsgraden. Sie werden besonders dann eingesetzt, wenn einfache Erkennungs-/Identifikations- beziehungsweise Unterscheidungsmerkmale nicht zur Verfügung stehen beziehungsweise nicht vorliegen, große oder mehrere Teile oder Komponenten mit einer sehr hohen Auflösung erfasst und die Qualität und Effizienz von hochautomatisierten Rotober- und Handhabungssystemen durch schnelle und präzise Positionsbestimmungen gesteigert werden sollen beziehungsweise müssen. Dabei ist der jeweilige Arbeitsbereich von Kamera und/oder Handhabungssystem beziehungsweise -Vorrichtung definiert und/oder homogen auszuleuchten, wobei die Schwankungen in der Helligkeit, insbesondere tagesverlaufsbedingte oder wetterbedingte oder jahreszeitbedingte Helligkeitsschwankungen, auf ein Minimum zu reduzieren sind.
Diesen Vorgaben wird beispielsweise durch umfangreiche Baumaßnahmen wie z. B. das Abdunkeln der jeweiligen Arbeitsbereiche und/oder Räumlichkeiten Rechnung getragen.
Besonderes Augenmerk verdient auch die jeweilige Umgebung der Anlagen oder Fertigungsstätten, die nicht durch atmosphärische Störungen wie beispielsweise Sprühnebel beeinträchtigt werden darf. Ein derartiger Nebel könnte die Funktionsweise der Lampen beeinträchtigen oder zwischen Kamera und Werkstück eine Lichtstreuung oder Reduzierung der Lichtintensität verursachen. Damit wären solche Systeme beispielsweise in einer Gießerei nicht einsetzbar.
Auch an das jeweilige Werkstück oder Bauteil selbst werden dabei besondere Anforderung hinsichtlich Beschaffenheit und Material gestellt. So darf das jeweilige Bauteil beispielsweise nicht durchsichtig sein und/oder muss sich farblich vom Hintergrund unterscheiden.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Möglichkeit für eine effiziente Erfassung und/oder Erkennung eines Objektes, insbesondere eines bewegten Objektes anzugeben, welche nicht-optisch und damit unabhängig von den vorherrschenden Lichtverhältnissen ist und auf den Einsatz künstlicher Lichtquellen verzichtet.
Diese Aufgabe wird durch ein System der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten für eine Bearbeitung mittels rechnergesteuerter Handhabungsgeräte sind in weiteren Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Demgemäß weist das System zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten bei robotergestützten Produktions- und Fertigungsprozessen, wenigstens einen Radarsensor sowie eine Datenverarbeitungseinrichtung auf, welche mit dem jeweiligen Radarsensor zusammenwirkt und mit welchen wenigstens ein Objekt, insbesondere ein sich bewegendes Objekt, und/oder dessen jeweilige Position sowie Lage erfassbar und/oder erkennbar und/oder in für eine Steuer-/Regeleinrichtung wenigstens einer Handhabungsvorrichtung verwertbare Informationen umwandelbar sind.
Systemgemäß sind dabei insbesondere zwei oder mehr Radarsensoren einsetzbar.
Vorteilhaft ist vorsehbar, dass Radarsensor und Datenverarbeitungseinrichtung jeweils über eine drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationsverbindung, insbesondere ein LAN, WLAN oder WAN, beispielsweise der Art Ethernet, Bluetooth, oder einen anderen gängigen Bustyp, wie beispielsweise CAN, CANOPEN, Profibus, Modbus, aber auch USB, RS-232, SCSI oder dergleichen zusammenwirken.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst das System wenigstens eine Schnittstelle, über welche die umgewandelten Informationen der Steuer-/Regeleinrichtung wenigstens einer Handhabungsvorrichtung, insbesondere einem oder mehreren sechsachsigen Industrierobotern, zuleitbar beziehungsweise übermittelbar sind.
Auch die vorgenannte Schnittstelle kann dabei der Art nach drahtgebunden oder drahtlos beispielsweise als Ethernet-, Bluetooth-, CAN-, CANOPEN-, Profibus-, Modbus-, aber auch USB-, RS-232- oder SCSI-Schnittstelle oder einer Kombination daraus ausgebildet sein.
Die entsprechenden Radarsensoren umfassen dabei insbesondere sowohl eine Sendeeinrichtung als auch eine Empfangseinrichtung für Radarwellen geeigneter Frequenz. Weiterbildend können Sende- und Empfangseinrichtung auch in einem Gerät integriert sein.
Systemgemäß sind mittels des jeweiligen Radarsensors elektromagnetische Wellen außerhalb des sichtbaren Spektralbereiches generierbar, beispielsweise in Form von Mikrowellen im MHz- und GHz-Bereich oder von Schallwellen bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 1 GHz, welche gegen Einflüsse in der umgebenden Atmosphäre wie sie in Fertigungs- und Produktionsbetrieben vorkommt unempfindlich sind.
Die zugehörigen Sendefrequenzen können sich dabei beispielhaft im Bereich von 76-77 GHz, entsprechend einer Wellenlänge von etwa 4 mm oder aber auch im Bereich von ca. 24 GHz bewegen.
Des Weiteren wird die gestellte Aufgabe durch ein entsprechendes Verfahren zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten für eine Bearbeitung mittels rechnergesteuerter Handhabungsgeräte gelöst, wobei insbesondere mittels eines vorgenannten Systems, wenigstens ein Objekt, insbesondere ein sich bewegendes Objekt, und/oder dessen jeweilige Position sowie Lage radarbasiert erfasst und/oder erkannt beziehungsweise identifiziert wird und/oder die erhaltenen Daten und/oder Signale in für eine Steuer-/Regeleinrichtung wenigstens einer Handhabungsvorrichtung verwertbare Informationen umgewandelt werden. Vorteilhaft ist das Verfahren auch bei einem mittels eines Transport- oder Förderbandes bewegten Objektes anwendbar.
In Weiterbildung des Verfahrens werden die verwertbaren Informationen zur Umsetzung über eine entsprechende Kommunikationsverbindung an die Steuer-/Regeleinrichtung wenigstens einer Handhabungsvorrichtung, insbesondere ein mehrachsiger Industrieroboter, übermittelt und/oder zur Synchronisation sowie Abstimmung der Bewegungen sowie Positionierung von Handhabungsvorrichtung und Objekt, insbesondere Werkstück, verwendet.
Vorteilhaft ist vorsehbar dass der jeweilige Radarsensor mit Sende - sowie Empfangseinrichtung, gerichtete elektromagnetische Wellen gebündelt als sogenanntes Primärsignal aussendet und die vom jeweiligen Objekt reflektierten Signale beziehungsweise "Echos" als sogenanntes Sekundärsignal empfängt und im Zusammenwirken mit der Datenverarbeitungseinrichtung nach verschiedenen, vorbestimmbaren Kriterien auswertet und/oder das jeweilige Objekt regelbasiert erkennt beziehungsweise positionsgenau erfasst.
So können Informationen über die jeweiligen Objekte gewonnen werden, indem beispielsweise bei der jeweiligen Messung auf Laufzeiten sowie Laufzeitunterschiede und/oder auch auf den Doppler - Effekt zurückgegriffen wird.
Ais Doppler - Effekt bezeichnet man die Veränderung der Frequenz der Wellen jeder Art, also auch Radar oder Ultraschallwellen, während sich die Quelle und Messkörper, vorliegend insbesondere das Werkstück, relativ zueinander bewegen, das heißt, beispielsweise die Quelle sich auf den Köper zu oder sich von diesem weg bewegt oder der Körper sich auf die Quelle zu oder von dieser weg bewegt. Durch diese Frequenzänderung können verschiedene Informationen an die Steuer-/Regeleinrichtung der jeweiligen Handhabungsvorrichtung weitergegeben werden.
Aus der Zeitdifferenz und damit der Laufzeit zwischen Senden der Welle und deren Empfang nach der Reflexion am jeweiligen Objekt oder Messkörper, insbesondere einem zu verarbeitenden Werkstück, kann die Entfernung des jeweils angestrahlten Oberflächenbereiches oder Punktes des jeweiligen Objektes zum Sender erfasst werden.
Wird das jeweilige, die Radarstahlen zumindest anteilig reflektierende Objekt, bei hinreichend kleinem Abstand zum Sender, insbesondere nur wenige 10 cm bis wenige Meter, entsprechend einem vorbestimmbaren Raster mit entsprechender Auflösung mittels eines gerichteten Radarstrahls abgetastet (kann 1- oder 2- dimensionale Abtastung sein) , so lassen sich die reflektierenden Strukturen des Objektes, insbesondere die Oberflächen von metallischen Objekten beziehungsweise Werkstücken, anhand von Abtastrichtung und Laufzeit der empfangenen Echos rekonstruieren.
Auf diese Weise lässt sich eine 3D-Rekonstruktion des Abtastbereiches sowie des darin zumindest teilweise befindlichen Objektes gewinnen.
Wirken mehrere, beispielsweise zwei bis vier geeignet positionierte Radarsensoren zusammen, beispielsweise über eine entsprechende Datenverarbeitungseinrichtung mit dafür eingerichtetem Computerprogrammprodukt, so kann auf diese Weise ein nahezu vollständiges 3D-Abbild des jeweiligen Objektes gewonnen und/oder eine Erfassung sowie Bilderkennung des jeweiligen Objektes durchgeführt und damit auch die Ausrichtung beziehungsweise Orientierung des jeweiligen Werkstückes ermittelt werden.
Entsprechendes ist auch mit lediglich einem beispielsweise von oben auf das jeweilige Objekt, insbesondere ein weiterzuverarbeitendes Werkstück, gerichteten Sensor möglich, wobei auch bei 2-dim Abtastung in x- und y-Richtung dann lediglich eine teilweise 3D-Rekonstruktion des Objektes gewinnbar ist.
Wird das jeweilige Objekt unter dem Sensor bewegt, so kann dies in Kenntnis der Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit, welche beispielsweise mittels Radarsensor unter Ausnutzung des Dopplereffektes bestimmbar sind, auch bereits mit einer 1- dimensionalen Abtastung erreicht werden. Wird in alternativer Verfahrensausführung auf eine Laufzeitauswertung verzichtet, so kann eine Bilderkennung gegebenenfalls auch allein anhand der erfassten reflektierenden Strukturen durchgeführt werden.
In einer weiteren Verfahrensausführung wird wenigstens ein Radarsensor in der Art eines FMCW- (frequency modulated continous wave) Radars, eines „Modulated CW- Radars" oder eines FM-Radars verwendet, wobei die verschiedenen Radartypen auch kombiniert einsetzbar sind.
Diese Radare senden mit einer sich ständig ändernden Frequenz. Dabei können zumindest zwei Betriebsarten unterschieden werden. Die Frequenz steigt entweder linear an, um bei einer bestimmten Frequenz abrupt auf den Anfangswert wieder abzufallen, oder sie steigt und fällt abwechselnd mit konstanter Änderungsgeschwindigkeit.
Vorteilhaft ist weiterhin vorsehbar, dass verfahrensgemäß wenigstens eine Datenverarbeitungseinrichtung eingesetzt wird, welche einen Decoder beziehungsweise Dekodierer oder Kodierer zur Signal- beziehungsweise Impuls- oder Signalverarbeitung und/oder Informationsbereitstellung aufweist.
Mittels des Dekodierers ist demgemäß auch eine Bereitstellung von Daten/Informationen bereffend die Werkzeuggeschwindigkeit und/oder Entfernung beim Produktionsprozess durchführbar.
Vorteilhaft ist vorsehbar, dass Radarsensor und/oder Datenverarbeitungseinrichtung und/oder Steuer-/Regeleinrichtung wenigstens einer Handhabungsvorrichtung jeweils über eine drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationsverbindung, insbesondere ein LAN, WLAN oder WAN, beispielsweise der Art Ethernet, Bluetooth, oder einen anderen gängigen Bustyp, wie beispielsweise CAN1 CANOPEN, Profibus, Modbus, aber auch USB, RS-232, SCSI oder dergleichen zusammenwirken.
In Weiterbildung des Verfahrens werden die verwertbaren Informationen zur Umsetzung über eine entsprechende Kommunikationsverbindung an die Steuer-/Regeleinrichtung wenigstens einer Handhabungsvorrichtung, insbesondere ein mehrachsiger Industrieroboter, übermittelt und/oder zur Synchronisation sowie Abstimmung der Bewegungen von Handhabungsvorrichtung und Objekt, insbesondere Werkstück, verwendet.
Die weitere Darlegung der Erfindung erfolgt anhand zweier Figuren sowie der zugehörigen Ausführungsbeispiele.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie Weiterbildungen der Erfindung sind den beiden Figuren sowie der zugehörigen Beschreibung entnehmbar.
Es zeigen:
Fig. 1 ein beispielhaft ausgebildetes System zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten bei robotergestützten Produktions- und Fertigungsprozessen (in Draufsicht), sowie
Fig. 2 ein beispielhaft ausgebildetes System zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten bei robotergestützten Produktions- und Fertigungsprozessen inkl. Geschwindigkeits- und Entfernungsbestimmung.
In Fig. 1 zeigt ein beispielhaft ausgebildetes System zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten bei robotergestützten Produktions- und Fertigungsprozessen, welches Radarwellen zur Bilderkennung einsetzt. Das beispielhaft gezeigte System umfasst eine Datenverarbeitungseinrichtung 2 sowie zwei Radarsensoren 4, welche vor einer Handhabungsvorrichtung 6, hier ein mehrachsiger Industrieroboter, über einem Transportband 8, insbesondere in Transportrichtung fluchtend und einander beabstandet, angeordnet sind. Die Signale der Radarsensoren 4 werden mit Hilfe eines Encoders, welcher in die Datenverarbeitungseinrichtung 2 integrabel ist, in digitale Signale umgewandelt. Diese Signale werden mittels der Datenverarbeitungseinrichtung 2 in für die Steuer-/Regeleinrichtung 10 des Roboters verwertbare Informationen und/oder Anweisungen umgewandelt und diese mittels wenigstens einer dafür jeweilige Robotersteuerung übermittelt. Diese Informationen können beispielsweise zur genauen Positionierung des Roboters 6 zum jeweiligen Objekt oder Werkstück herangezogen werden.
In Figur 2 ist ein System zur Geschwindigkeits- sowie Entfernungsmessung bei robotergestützten Produktions- und Fertigungsprozessen in gegenüber Fig. 1 abgewandelter Ausgestaltung gezeigt, wobei auch hier gemäß Fig. 1 zwei Radarsensoren 4 oberhalb eines Transport- oder Förderbandes 8 in Transportrichtung fluchtend und einander beabstandet angeordnet sind. Zudem ist ein weiterer, dritter Radarsensor 4b am Ende des Transportbades 8 vorgesehen, welcher unter Ausnutzung des Dopplereffektes die Transportgeschwindigkeit eines Objektes beziehungsweise des Bandes ermittelt. Weiterhin ist eine Datenverarbeitungseinrichtung 2 vorgesehen, welche Datenverarbeitungseinrichtung 2 mit dem jeweiligen Radarsensor 4,4b zusammenwirkt und mit welchen, insbesondere, in Kenntnis von Geschwindigkeit und/oder Entfernung wenigstens eines sich mittels eines Transport- 8 oder Förderbandes bewegenden Objektes 12 selbiges erfasst und erkannt, insbesondere hinsichtlich Art und Lage, werden kann und/oder die ermittelten Daten in für eine Steuer-/Regeleinrichtung 10 wenigstens einer Handhabungsvorrichtung 6, im hier gezeigten Beispiel ein sechsachsiger Industrieroboter, insbesondere ein Schweiß- und/oder Lackierroboter, verwertbare Informationen umgewandelt und diesem zur Umsetzung beziehungsweise Verwertung über eine geeignete Schnittstelle übermittelt werden.
Das radarbasierte System sowie auf ihm ausführbare Verfahren ermöglichen vorteilhaft eine Erkennung und/oder Erfassung eines auch sich bewegenden Objektes, gegebenenfalls auch der jeweiligen Geschwindigkeit und/oder der Entfernung des Objektes in Relation zu einem vorbestimmbaren Bezugspunkt, unabhängig von den vorherrschenden Lichverhältnissen und ohne den Aufwand zusätzlicher künstlicher Lichtquellen.

Claims

Patentansprüche
1. System zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten bei robotergestützten Produktions- und Fertigungsprozessen, wenigstens einen Radarsensor (4,4b) sowie eine Datenverarbeitungseinrichtung (2) auf, welche mit dem jeweiligen Radarsensor (4,4b) zusammenwirkt und mit welchen wenigstens ein Objekt (12) , insbesondere ein sich bewegendes Objekt, und/oder dessen jeweilige Position sowie Lage erfassbar und/oder erkennbar und/oder in für eine Steuer- /Regeleinrichtung (10) wenigstens einer Handhabungsvorrichtung (6) verwertbare Informationen umwandelbar sind.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Radarsensoren (4,4b) eingesetzt sind.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweiliger Radarsensor (4,4b) und Datenverarbeitungseinrichtung (2) jeweils über eine drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationsverbindung, insbesondere ein LAN, WLAN oder WAN, beispielsweise der Art Ethernet, Bluetooth, oder einen anderen gängigen Bustyp, wie beispielsweise CAN, CANOPEN, Profibus, Modbus, aber auch USB, RS-232, SCSI oder dergleichen zusammenwirken.
4. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schnittstelle vorgesehen ist, über welche die umgewandelten Informationen der Steuer-/Regeleinrichtung (10) wenigstens einer Handhabungsvorrichtung (6), insbesondere einem oder mehreren mehrachsigen Industrierobotern, zuleitbar beziehungsweise übermittelbar sind.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle drahtgebunden oder drahtlos ausgebildet ist, insbesondere als Ethernet-, Bluetooth-, CAN-, CANOPEN-, Profibus-, Modbus-, aber auch USB-, RS-232- oder SCSI-Schnittstelle oder einer Kombination daraus.
6. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des jeweiligen Radarsensors (4,4b) elektromagnetische Wellen außerhalb des sichtbaren Spektralbereiches generierbar sind, .wobei insbesondere Sendefrequenzen im Bereich von 76-77 GHz, entsprechend einer Wellenlänge von etwa 4 mm, oder im Sendefrequenzbereich von etwa 24 GHz generierbar sind.
7. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radarsensoren (4,4b) dabei sowohl eine Sendeeinrichtung als auch eine Empfangseinrichtung für Radarwellen geeigneter Frequenz umfassen und/oder Sende- und Empfangseinrichtung in einem Gerät integrierbar sind.
8. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Radarsensor (4,4b) zur Geschwindigkeitsund/Entfernungsbestimmung des jeweiligen Objektes (12) eingesetzt und eingerichtet ist.
9. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Radarsensor (4,4b) als FMCW- (frequency modulated continous wave) Radar, „Modulated CW-Radar" oder als FM-Radar ausgebildet ist.
10. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (2) einen Decoder beziehungsweise Dekodierer oder Kodierer beziehungsweise Encoder zur Signalbeziehungsweise Impuls- oder Signalverarbeitung und/oder Informationsbereitstellung umfasst.
11.Verfahren zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten für eine Bearbeitung mittels rechnergesteuerter Handhabungsgeräte gelöst, wobei insbesondere mittels eines Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wenigstens ein Objekt (12), insbesondere ein sich bewegendes Objekt, und/oder dessen jeweilige Position sowie Lage radarbasiert erfasst und/oder erkannt beziehungsweise identifiziert wird und/oder die erhaltenen Daten und/oder Signale in für eine Steuer-/Regeleinrichtung (10) wenigstens einer Handhabungsvorrichtung (6) verwertbare Informationen umgewandelt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die verwertbaren Informationen zur Umsetzung über eine entsprechende Kommunikationsverbindung an die Steuer-/Regeleinrichtung (10) wenigstens einer Handhabungsvorrichtung (6), insbesondere ein mehrachsiger Industrieroboter, übermittelt und/oder zur Synchronisation sowie Abstimmung der Bewegungen sowie Positionierung von Handhabungsvorrichtung (6) und Objekt (12), insbesondere Werkstück, verwendet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem jeweiligen Radarsensor (4,4b) mit Sende - sowie Empfangseinrichtung, gerichtete elektromagnetische Wellen gebündelt als sogenanntes Primärsignal ausgesendet und die vom jeweiligen Objekt (12) reflektierten Signale beziehungsweise Echos als sogenanntes Sekundärsignal empfangen werden und/oder im Zusammenwirken mit der Datenverarbeitungseinrichtung (2) nach verschiedenen, vorbestimmbaren Kriterien ausgewertet und/oder das jeweilige Objekt (12) regelbasiert erkannt beziehungsweise positionsgenau erfasst wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der jeweiligen Messung auf Laufzeiten sowie Laufzeitunterschiede und/oder auch auf den Doppler - Effekt zurückgegriffen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radarstahlen zumindest anteilig reflektierendes Objekt (12), bei hinreichend kleinem Abstand zum Sender, insbesondere nur wenige 10 cm bis wenige Meter, entsprechend einem vorbestimmbaren Raster mit entsprechender Auflösung mittels eines gerichteten Radarstrahls abgetastet wird und/oder die reflektierenden Strukturen des Objektes, insbesondere die Oberflächen von metallischen Objekten beziehungsweise Werkstücken, anhand von Abtastrichtung und Laufzeit der empfangenen Echos rekonstruiert werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung mit wenigstens einem von oben auf das jeweilige Objekt (12), insbesondere ein weiterzuverarbeitendes Werkstück, gerichteten Radarsensor (4,4b) durchgeführt, wird, wobei eine 1dim- oder 2-dim Abtastung durchführbar ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung und Erfassung und/oder Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung mehrere Radarsensoren (4,4b) eingesetzt werden, wobei ein Sensor dabei sowohl eine Sende- als auch eine Empfangseinrichtung aufweist und/oder die Sendeeinrichtung elektromagnetische Wellen geeigneter Sendefrequenz beziehungsweise Wellenlänge generiert und sendet und die Empfangseinrichtung die an einem oder mehreren Objekten, insbesondere Werkstücken, reflektierten Wellen, empfängt und registriert.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Zeitverschiebung zwischen Senden und Empfang beziehungsweise durch die Laufzeitbestimmung der Welle, in Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit, die Entfernung zum jeweilig reflektierenden Objekt (12) bestimmt wird und/oder unter Ausnutzung des Dopplereffektes und durch Bestimmung einer etwaigen Frequenzverschiebung sich die Geschwindigkeit und Richtung des jeweiligen Objektes (12), insbesondere des jeweiligen Werkstückes, bestimmt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Radarsensor (4,4b) in der Art eines FMCW- (frequency modulated continous wave) Radars, eines „Modulated CW-Radars" oder eines FM-Radars verwendet, wobei die verschiedenen Radartypen auch kombiniert eingesetzt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Datenverarbeitungseinrichtung (2) eingesetzt wird, welche einen Decoder beziehungsweise Dekodierer oder Kodierer zur Signal- beziehungsweise Impuls- oder Signalverarbeitung und/oder Informationsbereitstellung aufweist.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Dekodierers ist auch eine Bereitstellung von Daten/Informationen bereffend die Werkzeuggeschwindigkeit und/oder Entfernung beim Produktionsprozess durchgeführt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass Radarsensor (4,4b) und/oder Datenverarbeitungseinrichtung (2) und/oder Steuer-/Regeleinrichtung (10) wenigstens einer Handhabungsvorrichtung (6) jeweils über eine drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationsverbindung, insbesondere ein LAN, WLAN oder WAN, beispielsweise der Art Ethernet, Bluetooth, oder einen anderen gängigen Bustyp, wie beispielsweise CAN, CANOPEN, Profibus, Modbus, aber auch USB, RS-232, SCSI oder dergleichen zusammenwirken.
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