Robotersystem mit Werkzeug, Kamera und Lichtquelle Die vorliegende Erfindung betrifft ein Robotersystem, das mit einer Lichtquelle und einer Kamera zum Erfassen von geometri- schen Eigenschaften eines Werkstücks und wenigstens einem Werkzeug zum Vornehmen von Manipulationen an dem Werkstück versehen ist. Ein solches Robotersystem ist z. B. aus JP-A- 07-28 68 20 bekannt.

Bei diesem bekannten Robotersystem sind eine Lichtquelle und eine Kamera gemeinsam, aber unabhängig von einem Werkzeug an der Spitze eines gelenkigen Roboterarms montiert und mit ei- ner Mehrzahl von Freiheitsgraden im Raum platzierbar, so dass die Lichtquelle ein zu bearbeitendes Werkstück ausleuchtet und die Kamera Bilder des Werkstücks aufnimmt.

Kamera und Lichtquelle dieses bekannten Systems sind gegen- einander nicht beweglich. Zwar ist die Lichtquelle mit Hilfe eines Projektors in der Lage, auch ohne eine Bewegung der Lichtquelle unterschiedliche streifenförmige Zonen im Blick- feld der Kamera wahlweise zu beleuchten, doch ist die Rich- tung, aus der ein bestimmter Punkt eines Objekts in dem Blickfeld angestrahlt wird, immer der gleiche, solange sich nicht Lichtquelle und Kamera gemeinsam bewegen. Dies kann die Auswertung der von der Kamera aufgenommenen Bilder er- heblich erschweren, insbesondere dann, wenn die interessie- renden Bereiche eines Objekts durch zwischen der Lichtquelle und ihnen liegende Gegenstände abgeschattet werden.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Robotersystem zu schaffen, bei dem optimale Sichtverhältnisse für eine Kamera zum Er- fassen eines Werkstücks bei unterschiedlichen Geometrien des Werkstücks oder einer Umgebung, in die es eingebaut ist, re- alisierbar sind.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Lichtquelle und die Kamera unabhängig von einander bewegbar sind, um das Blickfeld aus unterschiedlichen Richtungen auszuleuchten.

D. h., wenn in einer gegebenen Stellung von Lichtquelle und Kamera in Bezug zueinander ein interessierender Bereich ei- nes Werkstücks schlecht beleuchtet ist, kann die Lichtquelle unabhängig von der Kamera bewegt werden, um die Ausleuchtung dieses Bereichs zu verbessern. Die Variabilität der Ausrich- tungen von Lichtquelle und Kamera relativ zueinander er- leichtert auch die Gewinnung von 3D-Information aus einem von der Kamera erfassten Bild, da die mit einer Veränderung der Einstrahlrichtung auf ein Objekt verbundene Änderung der Form von Schatten es einer ggf. an die Kamera angeschlosse- nen Bildauswertungselektronik erlaubt, Schattenzonen von von Natur aus dunklen Oberflächen zu unterscheiden.

Vorzugsweise ist eine Baugruppe, die die Kamera und die Lichtquelle sowie wenigstens eine erste Stellvorrichtung zum Bewegen von Kamera und Lichtquelle gegeneinander umfasst, durch eine zweite Stellvorrichtung in Bezug auf eine gemein- same Basis bewegbar. So ist es beispielsweise möglich, eine Standardstellung von Kamera und Lichtquelle in Bezug zuein- ander, die für die meisten Geometrien eines zu untersuchen- den Werkstücks brauchbare Bilder liefert, an der ersten Stellvorrichtung einzustellen und zum Variieren von Blick- feld oder-winkel der Kamera lediglich die zweite Stellvor- richtung zu betätigen. Da diese Kamera und Lichtquelle ge- meinsam bewegt, bleibt, von Parallaxeneffekten abgesehen, die Lichtquelle auf das Blickfeld der Kamera ausgerichtet, ohne das erstere dafür eigens in ihrer Bewegung gesteuert werden muss.

Vorzugsweise ist von Kamera und Lichtquelle eine fest mit der zweiten Stellvorrichtung verbunden, so dass ihre Positi- on und Orientierung vollständig und ausschließlich durch die Stellung der zweiten Stellvorrichtung gegeben ist, wohinge- gen durch die Stellung der ersten Stellvorrichtung die Lage der Lichtquelle in Bezug auf die Kamera definiert ist.

Ferner ist vorzugsweise eine Baugruppe, die die Kamera und wenigstens eines der Werkzeuge sowie wenigstens eine dritte Stellvorrichtung zum Bewegen von Kamera und Werkzeug gegen- einander umfasst, durch eine vierte Stellvorrichtung in Be- zug auf eine gemeinsame Basis bewegbar. Auch hier ist von Kamera und Werkzeug vorzugsweise jeweils eines fest mit der vierten Stellvorrichtung verbunden, so dass ihre ihre Posi- tion und Orientierung vollständig und ausschließlich durch die Stellung der vierten Stellvorrichtung gegeben ist und die Stellung der dritten Stellvorrichtung die Lage von Kame- ra und Werkzeug in Bezug aufeinander festlegt.

Zu den Werkzeugen des erfindungsgemäßen Robotersystems gehö- ren vorzugsweise wenigstens ein Greifwerkzeug und weiteres Werkzeug zur Durchführung eines beliebigen Bearbeitungs- schritts an dem Werkstück. Das Greifwerkzeug, unter dem hier umfassend ein beliebiges Werkzeug zum zeitweiligen Halten und gegebenenfalls Bewegen eines Werkstücks verstanden wird, kann insbesondere dazu eingesetzt werden, Hindernisse zu greifen und (wenigstens zeitweilig) zu entfernen, die an- dernfalls den freien Zugang des Lichts von der Lichtquelle, die Sicht der Kamera oder den Zugang des weiteren Werkzeugs zu einer interessierenden Stelle des Werkstücks behindern.

Während die Beweglichkeit des weiteren Werkzeugs in Bezug auf die Kamera eingeschränkt sein kann, ist für das Greif- werkzeug und die Kamera eine möglichst hohe Zahl von Frei- heitsgraden in der Bewegung relativ zueinander wünschens- wert, damit das Greifwerkzeug Hindernisse entfernen kann, ohne seinerseits das Blickfeld der Kamera zu beeinträchti- gen. Daher sind das Greifwerkzeug und die Kamera vorzugswei- se auf voneinander unabhängigen beweglichen Träger montiert, mit anderen Worten, die Zahl der Freiheitsgrade, mit denen das Greifwerkzeug und die Kamera in Bezug zueinander beweg- bar sind, sollte größer sein als die Zahl der Freiheitsgra- den der Kamera bzw. des Greifwerkzeugs in Bezug auf einen stationären Teil des Robotersystems.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren.

Dabei zeigen : Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä- ßen Robotersystems, bei dem Kamera, Lichtquelle und Werkzeug jeweils von an einem ortsfesten Sockel mon- tierten Roboterarmen getragen sind ; Fig. 2 eine Abwandlung des Robotersystems aus Fig. 1, mit zwei Werkzeugen ; Fig. 3 eine zweite Ausgestaltung eines Robotersystems mit zwei Werkzeugen ; und Fig. 4 eine dritte Ausgestaltung des Robotersystems, bei dem Kamera, Lichtquelle und Werkzeug tragende Robo- terarme an einem Portal montiert sind.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung das Grund- prinzip der Erfindung. Ein ortsfester, z. B. am Boden einer Werkhalle montierter Sockel 1 trägt einen Roboterarm 2 mit mehreren gelenkig verbundenen Gliedern 3. Gelenke 4 zwischen dem Sockel 1 und den Gliedern 3 bzw. zwischen zwei Gliedern 3 haben jeweils wenigstens einen, vorzugsweise mehrere Rotati- onsfreiheitsgrade und sind von einer nicht dargestellten Steuervorrichtung ansteuerbar, um ein am Ende des Arms 2 mon- tiertes Werkzeug 5 im Rahmen der Reichweite des Arms 2 be- liebig in allen drei Raumrichtungen zu positionieren und zu schwenken. Das Werkzeug 5 kann von beliebiger bekannter, zur Bearbeitung eines Werkstücks 6 geeignete Art sein, z. B. ein Greifer, ein Bohrer, eine Fräse, ein Schweißwerkzeug, etc..

Ein zweiter Sockel 7 trägt einen zweiten Roboterarm 8, des- sen Aufbau der gleiche sein kann wie der des Roboterarms 2.

Am freien Ende des Roboterarms 8 ist eine Kamera 9 montiert, die unter der Kontrolle der Steuervorrichtung beliebig im Raum positionierbar und auf das Werkstück 6 ausrichtbar ist, um der Steuervorrichtung Bilder des Werkstücks 6 zu liefern.

Von der Kamera 9 steht eine Schiene 10 ab, auf der ein Schlitten 11 unter der Kontrolle der Steuervorrichtung ver- fahrbar ist. Der Schlitten 11 trägt über ein ebenfalls steu- erbares Gelenk 12 eine Lichtquelle 13. Bei der Lichtquelle 13 kann es sich um einen einfachen Scheinwerfer mit Reflek- tor handeln, wie in der Figur angedeutet, der einen Lichtke- gel mit einer Hauptstrahlrichtung B liefert, der durch Ver- schieben des Schlittens 11 und Schwenken des Gelenks 12 aus verschiedenen Winkeln relativ zur Blickrichtung der Kamera 9 auf das Werkstück 6 ausrichtbar ist. Vorzugsweise ist die Schiene 10 um die optische Achse A der Kamera 9 drehbar, so dass nicht nur der Winkel zwischen der Hauptstrahlrichtung B der Lichtquelle 13 und der optischen Achse A der Kamera 9 variabel ist, sondern auch die Lage der durch diese beiden Richtungen definierten Ebene. Während der Roboterarm 8 eine erste Stellvorrichtung darstellt, mit der die Steuervorrich- tung Kamera 9 und Lichtquelle 13 in einer festen Lagebezie- hung zueinander verschieben kann, sind der Schlitten 11 und das Gelenk 12 Teil einer zweiten Stellvorrichtung, mit der bei gegebener Position und Orientierung der Kamera 9 die Ausleuchtung des Blickfeldes der Kamera 9 variiert werden kann, um diejenige Ausleuchtung zu finden, die jeweils inte- ressierende Details des Werkstücks 6 am besten erkennbar macht.

Eine bevorzugte Weiterbildung des Robotersystems ist in Fig.

2 gezeigt. Teile dieses Robotersystems, die bereits mit Be- zug auf Fig. 1 beschriebenen Teilen entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen und werden, soweit keine Unterschiede zur Ausgestaltung der Fig. 1 bestehen, nicht erneut erläu- tert. Das freie Ende des Roboterarms 8, das die Kamera 9 trägt, bildet hier die Basis eines dritten Roboterarms 14, an dessen freiem Ende sich ein Greifwerkzeug 15 befindet.

Das Greifwerkzeug 15 kann in üblicher Weise mehrere gegen- einander bewegliche Finger zum Einklemmen des Werkstücks 6 oder eines Teils davon haben, oder es kann, wenn das zu greifende Teil ferromagnetisch ist, einen Elektromagneten enthalten, es kann einen mit einer Unterdruckquelle verbun- denen Saugnapf oder eine beliebige andere Einrichtung zum zeitweiligen Festhalten eines Gegenstandes aufweisen. Wenn die Steuereinrichtung in dem von der Kamera 9 gelieferten Bild einen Gegenstand identifiziert, der den Blick auf die jeweils interessierende Stelle des Werkstücks 6 versperrt o- der diese Stelle beschattet, so steuert sie das Greifwerk- zeug 15 an, um den betreffenden Gegenstand zeitweilig zu entfernen, beispielsweise einen an das zu untersuchende Werkstück angeschlossenen Schlauch beiseite zu schieben oder einen daran angeschlossenen Steckverbinder abzuziehen. Nach erfolgter Inspektion des Werkstücks wird der Steckverbinder durch das Greifwerkzeug 15 wieder angesteckt.

Die Lichtquelle 13 ist hier an einem dritten ortsfesten So- ckel 16 über einen vierten Roboterarm 17 montiert und bewegt sich daher, im Gegensatz zum Greifwerkzeug 15, nicht gekop- pelt an die Kamera 9. So schränkt sie die Beweglichkeit des Roboterarms 14 rings um die Kamera 9 nicht ein. Alternativ könnten das Greifwerkzeug 15 und die Lichtquelle 13 natür- lich beide in Bezug auf die Kamera 9 beweglich am Roboterarm 8 montiert sein.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausgestaltung sind an dem freien Ende des ersten Roboterarms 2 das Werkzeug 5 und die Kamera 9 montiert. Die Kamera 9 kann mit dem Werkzeug 5 fest ver- bunden sein, mit fest auf eine mit dem Werkstück interagie- rende Spitze des Werkzeugs 5 ausgerichtet. Am zweiten Robo- terarm sind die Lichtquelle 13 und, mit dieser über den Ro- boterarm 14 verbunden, das Greifwerkzeug 15 angeordnet. Das Greifwerkzeug 15 folgt, solange der Arm 14 nicht verstellt wird, jeder Bewegung der Lichtquelle befindet sich so immer in der Nähe der Lichtquelle, wenn er benötigt wird, um ein Hindernis zwischen der Lichtquelle und der von der Kamera 9 beobachteten Oberfläche des Werkstücks 6 oder zwischen die- ser Oberfläche und der Kamera 9 zu entfernen.

Fig. 4 zeigt schematisch ein Robotersystem, bei dem der das Werkzeug 5 tragende Arm 2 und der die Kamera 9 und die Lichtquelle 13 tragende Arm 8 an Schienen 18 einer Laufkatze 19 montiert sind, die ihrerseits an Schienen 20 eines Por- talaufbaus beweglich ist. Aufbau und Arbeitsweise der Arme 2,8 ist hier die gleiche wie im Falle der Fig. 1. Wenn ge- wünscht, kann allerdings die Zahl der Gelenke 4 bei den Ar- men 2,8 dieses Ausführungsbeispiels gegenüber dem der Fig.

1 reduziert werden, da durch die Beweglichkeit entlang der Schienen 18,20 zwei Freiheitsgrade der Translation hinzu- kommen.

Einer nicht gezeichneten Abwandlung zufolge könnten auch die Roboterarme gemeinsam an einem Fahrzeug montiert sein.