ES2711651T3 - Procedimiento para determinar las coordenadas 3D de un objeto y para calibrar un robot industrial - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para hacer funcionar un dispositivo, que comprende un sistema de medición para determinar las coordenadas 3D de un objeto (1) con un proyector (10) para proyectar un patrón sobre el objeto (1), una cámara (11) unida de manera fija con el proyector (10) en cuanto a su posición y orientación para hacer una captura del objeto (1) y al menos una cámara de referencia (16) unida de manera fija con el proyector (10) y la cámara (11) en cuanto a su posición y orientación para hacer una captura de una o varias marcas de referencia (6, 24) de un campo (25) de marcas de referencia, una unidad de evaluación para determinar la posición y la orientación del sistema de medición a partir de una o varias capturas de la cámara de referencia y un robot industrial para colocar el sistema de medición, en el que según el procedimiento - se mide el campo de marcas de referencia al menos una vez por fotogrametría y - se emplea el sistema de medición para calibrar el robot industrial, registrándose la posición del robot industrial con ayuda del campo de marcas de referencia y del sistema de medición.
Description
DESCRIPCION
Procedimiento para determinar las coordenadas 3D de un objeto y para calibrar un robot industrial
La invencion se refiere a un procedimiento segun la definicion de la reivindicacion 1, para determinar las coordenadas 3D de un objeto y para calibrar un robot industrial. En un procedimiento conocido para determinar las coordenadas 3D de un objeto se hace una captura del objeto con un sistema de proyeccion de franjas. El sistema de proyeccion de franjas comprende un proyector para proyectar un patron de franjas sobre el objeto y una camara para capturar el patron de franjas reflejado por el objeto. La captura se evalua por un sistema de evaluacion, que comprende un ordenador, en particular un PC.
Como por regla general para determinar las coordenadas 3D del objeto no es suficiente con una unica captura para cumplir con los requisitos de medicion y/o registrar el objeto por completo, es necesario colocar el sistema de proyeccion de franjas en el espacio en diferentes posiciones de captura y transferir las capturas aqui obtenidas a un sistema de coordenadas comun, superior, que tambien puede denominarse sistema de coordenadas absoluto. Este proceso denominado a menudo “registro global” requiere una elevada precision.
En un procedimiento conocido de este tipo se obtienen capturas que se solapan parcialmente. Estas capturas pueden orientarse entre si mediante una optimizacion de las zonas de solapamiento. No obstante, posiblemente el procedimiento no es lo suficientemente preciso con objetos mas grandes con poca estructura de superficie. El uso adicional de marcas de medicion, que se aplican en las zonas de solapamiento sobre el objeto y que forman los puntos de union, a menudo tampoco aporta una mejora suficiente.
Ademas se conocen procedimientos en los que se utilizan marcas de medicion que se ponen sobre el objeto y/o sobre una o varias correderas que rodean el objeto. En primer lugar se miden las marcas de medicion. Esto se produce preferiblemente segun el procedimiento de la fotogrametria. Con ayuda de las marcas de medicion, que se registran mediante un sistema de proyeccion de franjas, es posible transformar las diferentes capturas del objeto en los puntos medidos, de modo que es posible un registro global.
Por el documento EP 2273229 A1 se conoce un procedimiento en el que para determinar las coordenadas 3D de un objeto un proyector proyecta un patron de franjas sobre el objeto. El patron de franjas reflejado por el objeto se captura por una camara que comprende un sistema optico y un sensor de superficie, en particular un sensor CCD o sensor CMOS. El proyector y la camara forman un sistema de proyeccion de franjas. Cerca del objeto estan dispuestas varias correderas de referencia que en cada caso presentan varias marcas de referencia. En primer lugar se miden las correderas de referencia. A continuacion se determinan las coordenadas 3D del objeto mediante el sistema de proyeccion de franjas.
Por regla general en la determinacion de las coordenadas 3D de un objeto segun el procedimiento del documento EP 2273229 A1 tampoco es suficiente con hacer una unica captura porque el objeto o la zona de interes del objeto son mas grandes que el campo de vision de la camara. Por consiguiente es necesario colocar el sistema de proyeccion de franjas compuesto por el proyector y la camara en diferentes posiciones. A continuacion se transfieren las capturas obtenidas en la respectiva posicion a un sistema de coordenadas comun, superior.
No obstante, el procedimiento segun el documento EP 2273229 A1 a menudo conlleva un esfuerzo considerable, en particular, cuando este procedimiento tiene que llevarse a cabo en una instalacion de medicion automatizada, integrada en un proceso de fabricacion. En este tipo de instalaciones es ventajoso utilizar un robot industrial para colocar el sistema de proyeccion de franjas compuesto por proyector y camara. La informacion de posicion del robot puede utilizarse entonces como valor aproximado para la determinacion de la posicion y orientacion del sistema de proyeccion de franjas. No obstante, por regla general, la precision de esta informacion de posicion de robot no es suficiente para el registro global.
Se produce otro inconveniente cuando con el procedimiento segun el documento EP 2 273 229 A1 tienen que determinarse las coordenadas 3D de objetos de diferentes tipos. En este caso, para cada tipo de objeto es necesario colocar y medir diferentes correderas adaptadas al tamano respectivo del objeto.
Ademas puede ocurrir que debido a la colocacion de las correderas de referencia el objeto, cuyas coordenadas 3D deben determinarse, ya no este accesible o no lo este en una medida suficiente. Mediante las correderas de referencia pueden limitarse las trayectorias de movimiento del robot. Ademas, mediante las correderas de referencia pueden taparse partes del objeto. La disposicion de objetos nuevos a determinar en la zona que rodea las correderas de referencia tambien puede resultar complicada.
Por el documento EP 2273229 A1 se conoce un procedimiento para determinar las coordenadas 3D de un objeto, en el que el objeto esta rodeado por varias correderas de referencia con marcas de referencia codificadas. El objeto da lugar a varias capturas de tal modo que estas incluyen en cada caso una parte del objeto y una parte de una corredera de referencia.
Por el documento US 2006/265177 A1 se conoce un procedimiento para determinar las coordenadas 3D de la superficie de un objeto, que puede realizarse por medio de un aparato de medicion 3D optico. La posicion del aparato de medicion 3D se determina por un sistema de seguimiento.
Por el documento US 5.198.877 A se conoce un procedimiento similar para determinar las coordenadas 3D de la superficie de un objeto.
Por los documentos US 2009/323121 A1, US 2009/067706 A1 y US 2003/025788 A1 se conocen procedimientos de medicion 3D opticos que utilizan camaras de referencia y campos de marcas de referencia.
En el documento US4753569 A se utilizan camaras de referencia y campos de marcas de referencia para calibrar un brazo de robot.
Un objetivo de la invencion es proponer un procedimiento mejorado para determinar las coordenadas 3D de un objeto. El dispositivo, que se hace funcionar en este procedimiento y que no se reivindica como tal, comprende un proyector para proyectar un patron sobre el objeto, una camara unida con el proyector para hacer una captura del objeto y una camara de referencia unida con el proyector y la camara para hacer una captura de una o varias marcas de referencia de un campo de marcas de referencia. El patron proyectado por el proyector es en particular un patron de franjas. Es particularmente adecuada una proyeccion de franjas de luz blanca. La camara comprende preferiblemente un sensor de superficie, en particular un sensor CCD, un sensor CMOS u otro sensor de superficie. Resulta ventajoso que la camara comprenda un sistema optico. La camara puede estar unida con el proyector directa o indirectamente. Esta orientada de tal modo que puede capturar el patron irradiado por el objeto. La camara de referencia esta unida directa o indirectamente con el proyector y la camara. Su posicion y orientacion es fija con respecto al proyector y la camara. El proyector, la camara y la camara de referencia forman un sistema de medicion para determinar las coordenadas 3D del objeto.
El dispositivo comprende una o varias camaras de referencia adicionales. La una o varias camaras de referencia adicionales estan fijadas en su posicion y orientacion con respecto al proyector, la camara y la primera camara de referencia. Pueden estar unidas directa o indirectamente con el proyector y/o la camara y/o la camara de referencia. Resulta ventajoso que la direccion del eje optico de la camara de referencia adicional o de las camaras de referencia adicionales sea diferente de la direccion del eje optico de la camara y/o de la (primera) camara de referencia y/o de las camaras de referencia adicionales. En general la precision que puede alcanzarse es mayor cuantas mas camaras de referencia se utilicen y/o cuanto mas diferente sea la distribucion de sus ejes opticos y con ello de sus direcciones visuales. En casos determinados puede resultar ventajoso que los ejes opticos de las camaras de referencia sean perpendiculares entre si. Por ejemplo puede haber tres camaras de referencia, cuyos ejes opticos sean perpendiculares entre si. No obstante tambien son posibles otras configuraciones.
Las camaras de referencia pueden estar previstas en un modulo de camara. Pueden estar fijadas al modulo de camara de manera separable o inseparable.
El dispositivo comprende ademas una unidad de evaluacion para determinar la posicion y/o la orientacion del proyector y/o de la camara y/o de la o de las varias camaras de referencia. La unidad de evaluacion puede estar formada por un ordenador, en particular un PC. La determinacion de la posicion o posiciones y/o de la orientacion u orientaciones puede llevarse a cabo mediante el ajuste de bloque por haces.
El dispositivo para determinar las coordenadas 3D de un objeto comprende tambien un robot industrial para colocar este dispositivo.
El dispositivo comprende ademas un campo de marcas de referencia. Las marcas de referencia pueden estar colocadas en una o varias paredes. No obstante tambien es posible colocar las marcas de referencia de otro modo. Las paredes, en las que estan colocadas las marcas de referencia, pueden formar una celda de medicion para el objeto. La celda de medicion puede estar cerrada o abierta.
En un procedimiento para determinar las coordenadas 3D de un objeto el objetivo de la invencion se alcanza por que el objeto se coloca delante de un campo de marcas de referencia, se hace una captura completa o parcial del objeto con el dispositivo y se hace una captura de una o varias marcas de referencia de un campo de marcas de referencia por una o varias camaras de referencia.
Resulta ventajoso que se hacen capturas de partes adicionales del objeto. Preferiblemente se solapan algunas o todas las capturas de las partes del objeto.
En el procedimiento de la reivindicacion 1 el campo de marcas de referencia se mide por fotogrametria al menos una vez.
En el procedimiento segun la reivindicacion 1 tambien se produce una calibracion del robot industrial. A este respecto, se trata preferiblemente de un robot industrial multiaxial.
Un objetivo adicional de la invencion es proponer un procedimiento mejorado para calibrar un robot industrial.
Segun la invencion este objetivo tambien se alcanza mediante las caracteristicas de la reivindicacion 1. Segun el procedimiento el robot industrial coloca un dispositivo para determinar las coordenadas 3D de un objeto en varias posiciones preestablecidas. Estas posiciones pueden estar preestablecidas segun su posicion y/u orientacion. En estas posiciones se capturan una o varias o todas las marcas de referencia de un campo de marcas de referencia por el dispositivo. A partir de estas capturas se determinan las posiciones del robot industrial. Las posiciones del robot industrial pueden determinarse segun su posicion y/u orientacion. En el caso de las posiciones preestablecidas y determinadas del robot industrial puede tratarse de las posiciones del brazo mas externo del robot industrial. Las posiciones del robot industrial, que se han determinado a partir de las capturas, se comparan con las posiciones preestablecidas del robot industrial. Esta comparacion proporciona una medida para las desviaciones de las posiciones reales del robot industrial con respecto a las posiciones preestablecidas. Esta medida puede tenerse en cuenta como valor de correccion para posiciones del robot industrial que se preestableceran en un futuro. Tambien es posible formar una matriz de correccion a partir de varios valores de correccion para diferentes posiciones preestablecidas, que tambien proporciona valores de correccion para posiciones intermedias, por ejemplo debido a una interpolacion. La interpolacion puede realizarse con diferentes funciones adecuadas.
Este procedimiento permite utilizar exclusivamente la posicion del robot para el registro global de la respectiva captura. Esto resulta especialmente ventajoso cuando no es posible que la o las varias camaras de referencia puedan capturar un numero suficiente de marcas de referencia. Este puede ser el caso en particular cuando las coordenadas 3D deben determinarse en el espacio interior de un objeto, por ejemplo una carroceria.
A continuacion se explicara en detalle un ejemplo de realizacion de la invencion mediante el dibujo adjunto. En el dibujo la unica figura muestra un dispositivo para determinar las coordenadas 3D de un objeto en una representacion en perspectiva.
La estructura de medicion mostrada en el dibujo sirve para determinar las coordenadas 3D del lado anterior de un objeto 1, concretamente de una puerta de vehiculo (puerta en bruto). El objeto 1 esta colocado delante de una pared posterior 2 de una celda de medicion 3. La celda de medicion 3 comprende la pared posterior 2, la pared lateral izquierda 4 y la pared de suelo 5. La celda de medicion 3 comprende ademas una pared lateral derecha, una pared trasera y una pared de techo (no representada en el dibujo).
En las paredes de la celda de medicion 3 estan dispuestas marcas de referencia 6, que en si mismas estan codificadas, y marcas de referencia 24, que no estan codificadas en si mismas, pero que estan dispuestas espacialmente unas respecto a otras de tal modo que esta disposicion espacial supone una codificacion. Las marcas de referencia 6, 24 forman un campo 25 de marcas de referencia. Cada marca de referencia 6 codificada en si misma comprende un elemento invariable, no codificador y un elemento variable, codificador. El elemento no codificador se forma por un circulo 7 que se encuentra en el centro de la marca de referencia codificada 6. El elemento codificador se forma por segmentos 8. A diferencia de la representacion en el dibujo el elemento codificador 8 es diferente para cada marca de referencia codificada 6. Mediante los diferentes elementos codificadores 8 es posible una identificacion univoca de cada marca de referencia codificada 6.
En la celda de medicion 3 esta dispuesto un sistema de proyeccion de franjas 9. El sistema de proyeccion de franjas 9 comprende un proyector 10 y una camara 11. El proyector 10 proyecta un patron, en particular un patron de franjas, sobre el objeto 1, como se indica mediante la flecha 12. La camara 11 captura el patron de franjas reflejado por el objeto 1 segun su superficie espacial, como se indica mediante la flecha 13. El proyector 10 y la camara 11 estan unidos entre si mediante un sistema de barras 14. Estan fijados con respecto a su posicion y orientacion entre si.
Un modulo de camara 15 esta unido con el sistema de proyeccion de franjas 9. El modulo de camara 15 comprende una primera camara de referencia 16, una segunda camara de referencia 17 y una tercera camara de referencia 18. El eje optico 19 y con ello la direccion visual de la primera camara de referencia 16 se dirige hacia la pared trasera de la celda de medicion 3, el eje optico 20 y con ello la direccion visual de la segunda camara de referencia 17 se dirige hacia la pared lateral derecha de la celda de medicion 3 y el eje optico 21 y con ello la direccion visual de la tercera camara de referencia 18 se dirige hacia la pared de techo de la celda de medicion 3. La pared lateral derecha, la pared trasera y la pared de techo de la celda de medicion tambien estan dotadas de marcas de referencia 6, 24. El modulo de camara 15 esta fijado con respecto a su posicion y orientacion con respecto al sistema de proyeccion de franjas 9. Esta unido con el sistema de barras 14 del sistema de proyeccion de franjas 9 mediante un sistema de barras 22. El sistema de proyeccion de franjas 9 y el modulo de camara 15 forman un sistema de medicion 23.
En un primer ciclo de medicion se registran y almacenan las posiciones de las marcas de referencia 6, 24 de la celda de medicion 3. Preferiblemente en este ciclo de medicion no hay ningun objeto 1 en la celda de medicion 3. La determinacion de las posiciones de las marcas de referencia 6, 24 se produce mediante fotogrametria. A este respecto, se obtienen capturas de las marcas de referencia 6, 24 desde diferentes posiciones de camara. Esto puede realizarse mediante la camara 11. No obstante tambien es posible realizar la fotogrametria de las marcas de
referencia 6, 24 independientemente del sistema de proyeccion de franjas 9. En ambos casos es posible, pero no obligatorio, colocar la camara mediante un robot industrial.
Tras la determinacion de las posiciones de las marcas de referencia 6, 24 es posible determinar las coordenadas 3D de objetos. Para ello se coloca el objeto 1 en la celda de medicion 3 como resulta evidente por el dibujo. El proyector 10 proyecta un patron de franjas sobre la superficie del objeto 1, la camara 11 captura el patron de franjas reflejado y una o varias o todas las camaras de referencia 16, 17, 18 capturan las marcas de referencia 6, 24 del campo 25 de marcas de referencia.
Cuando se utiliza solo una camara de referencia en general es necesario registrar en una captura al menos tres marcas de referencia codificadoras 6. Cuando se utilizan tres camaras de referencia en general es necesario que cada camara de referencia registre al menos una marca de referencia codificadora 6.
En una unidad de evaluacion, en particular en un ordenador, en particular en un PC (no representado en el dibujo), a partir de la o las capturas de las marcas de referencia 6, 24, obtenidas por la o las camaras de referencia 16, 17, 18, se determina la posicion y orientacion del sistema de medicion 23. De este modo es posible determinar las coordenadas 3D del objeto 1 a partir de las capturas de la camara 11.
Cuando el objeto 1 es mas grande que el campo de vision de la camara 11, es necesario obtener varias capturas del objeto 1. Estas capturas pueden solaparse parcialmente entre si. Gracias a las capturas de las marcas de referencia 6, 24 mediante una o varias camaras de referencia 16, 17, 18 es posible determinar, para cada captura individual de una parte del objeto 1 mediante la camara 11, las coordenadas 3D de la superficie parcial correspondiente del objeto 1 como coordenadas absolutas.
El dispositivo comprende ademas una unidad de evaluacion para determinar la posicion y orientacion del sistema de medicion 23, es decir, del proyector 10, de la camara 11 y de las camaras de referencia 16, 17, 18. Tambien esta unidad de evaluacion puede formarse por un ordenador, en particular un PC (no representado en el dibujo).
El sistema de medicion 23 se coloca segun la invencion por un robot industrial (no representado en el dibujo).
Mediante la invencion se proporciona un procedimiento para el registro global de un objeto. Una celda de medicion, en la que puede operar un sistema de robot, esta dotada de marcas de referencia. El campo de marcas de referencia se mide una vez por fotogrametria. Las capturas de medicion individuales para determinar las coordenadas 3D del objeto pueden transferirse al sistema de coordenadas de las marcas de referencia.
Una o varias camaras de referencia 16, 17, 18 orientadas en diferentes direcciones del espacio se fijan mecanicamente con el sistema de proyeccion de franjas 9 y por medio de una calibracion adecuada se disponen en un sistema de coordenadas comun con el mismo. Esta calibracion puede producirse porque el sistema de proyeccion de franjas 9 y el modulo de camara 15 miden simultaneamente, preferiblemente repetidas veces, en cada caso una cantidad parcial de las marcas de referencia. Entonces, con un ajuste de bloque por haces por fotogrametria pueden determinarse en conjunto las orientaciones externas o relativas de las camaras de referencia 16, 17, 18 del modulo de camara 15 asi como del proyector 10 y la camara 11 del sistema de proyeccion de franjas 9.
En la medicion del objeto 1, es decir, la determinacion de las coordenadas 3D del objeto 1, la determinacion exacta de la posicion y orientacion del sistema de proyeccion de franjas 9 se produce mediante el modulo de camara 15 y las marcas de referencia 6, 24, preferiblemente con el procedimiento de ajuste de bloque por haces por fotogrametria. Con ayuda de esta informacion es posible transferir las capturas de medicion individuales del objeto 1 a un sistema de coordenadas comun.
Ademas es posible una medicion posterior del campo 25 de marcas de referencia dentro de la celda de medicion 3. Esto puede producirse con ayuda de un programa de robot y del sistema de medicion 23. A este respecto, las coordenadas de las marcas de referencia 6, 24 conocidas de la primera medicion se incluyen como valores aproximados en el ajuste de bloque por haces.
Segun la invencion el sistema de medicion 23 se emplea tambien para calibrar un robot industrial. Cuando se han registrado y almacenado las posiciones de las marcas de referencia 6, 24, es posible registrar de manera muy exacta la posicion del robot industrial con ayuda del campo 25 de marcas de referencia y con ayuda del sistema de medicion 23.
La informacion de calibracion necesaria del robot se obtiene a partir de una comparacion de las transformaciones de las mediciones de referencia con las posiciones preestablecidas manualmente en el sistema de coordenadas del robot.
Claims (8)
1. Procedimiento para hacer funcionar un dispositivo, que comprende un sistema de medicion para determinar las coordenadas 3D de un objeto (1) con un proyector (10) para proyectar un patron sobre el objeto (1), una camara (11) unida de manera fija con el proyector (10) en cuanto a su posicion y orientacion para hacer una captura del objeto (1) y al menos una camara de referencia (16) unida de manera fija con el proyector (10) y la camara (11) en cuanto a su posicion y orientacion para hacer una captura de una o varias marcas de referencia (6, 24) de un campo (25) de marcas de referencia, una unidad de evaluacion para determinar la posicion y la orientacion del sistema de medicion a partir de una o varias capturas de la camara de referencia y un robot industrial para colocar el sistema de medicion, en el que segun el procedimiento
- se mide el campo de marcas de referencia al menos una vez por fotogrametria y
- se emplea el sistema de medicion para calibrar el robot industrial, registrandose la posicion del robot industrial con ayuda del campo de marcas de referencia y del sistema de medicion.
2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el sistema de medicion comprende una o varias camaras de referencia adicionales (17, 18).
3. Procedimiento segun la reivindicacion 2, caracterizado por que las camaras de referencia (16, 17, 18) estan previstas en un modulo de camara (15).
4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que se emplea el sistema de medicion para determinar las coordenadas 3D de un objeto (1), caracterizado por que el objeto (1) se coloca delante de un campo de marcas de referencia (6, 24), se hace una captura total o parcial del objeto (1) con el sistema de medicion y se hace una captura de una o varias marcas de referencia (6, 24) de un campo (25) de marcas de referencia por una o varias camaras de referencia (16, 17, 18).
5. Procedimiento segun la reivindicacion 4, caracterizado por que se hace una captura de partes adicionales del objeto (1) con el sistema de medicion.
6. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que la medicion del campo de marcas de referencia (6, 24) se realiza colocandose el sistema de medicion por el robot industrial en varias posiciones, captandose una o varias o todas las marcas de referencia (6, 24) por el sistema de medicion en estas posiciones y por que se determinan las posiciones de las marcas de referencia (6, 24) a partir de estas capturas.
7. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que el sistema de medicion para calibrar el robot industrial se coloca en varias posiciones preestablecidas, se capturan una o varias o todas las marcas de referencia (6, 24) de un campo (25) de marcas de referencia por el sistema de medicion en estas posiciones y se determinan las posiciones del robot industrial a partir de estas capturas y se comparan con las posiciones preestablecidas.
8. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que se emplea el sistema de medicion para determinar las coordenadas 3D de un objeto, caracterizado por que el sistema de medicion se coloca con el proyector (10) para proyectar un patron sobre el objeto (1) y la camara (11) unida con el proyector para hacer una captura del objeto (1) por el robot industrial y el objeto se captura por el sistema de medicion.
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