Sistema externo para mejora de la precisión robótica.

El concepto de la invención del sistema de metrología (el sistema) determina de forma activa la representación de los (6) Grados de Libertad (6-GDL) de un dispositivo de movimiento tal como un robot industrial,

pero sin quedar limitado a él, que usa un extremo de herramienta de brazo (EDHB). Un concepto del sistema incluye el uso de dispositivos de orientación de láser sin ninguna capacidad inherente de variar en combinación con los objetivos montados en EDHB para determinar de forma activa la representación del EDHB en distintas posiciones de trabajo de al menos un dispositivo de movimiento.

SISTEMA EXTERNO PARA MEJORA DE LA PRECISiÓN ROBÓTICA

Solicitudes relacionadas

Esta es una solicitud de patente no provisional que reivindica prioridad a una solicitud de patente provisional con número de serie 61/070, 614 presentada el 21 de marzo de 2008 e incorporada en la presente como referencia en su totalidad.

CAMPO DE LA INVENCiÓN La presente invención se refiere a sistemas y procedimientos para mejora de la precisión de robótica y de equipos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

En el campo de la robótica y de los sistemas de movimiento Controlado Numéricamente (NC) , se ha dedicado unA gran cantidad de esfuerzo e investigación para modelar y caracterizar dichos dispositivos de movimiento y sistemas de movimiento en busca de la mejora de la precisión. Con robots industriales, concretamente, los fabricantes y compañías de mercado secundario se han centrado principalmente en el modelado de las condiciones de un robot "terminadas". Normalmente, los parámetros del modelo cinemática del robot se ajustan sobre la base de los resultados de una calibración volumétrica de una vez del robot en una variedad de posturas en toda su envolvente de trabajo; típicamente se usa un dispositivo de metrología externa tal como un seguidor láser para medir y comparar la postura (o simplemente posición) actual con la comandada del robot sobre una distribución de ubicaciones. Una ampliación posterior de la antes mencionada calibración, pero no se propone realizarla durante la producción. Dichos procedimientos de calibración fuera de línea solamente proveen una instantánea puntual de las características del robot, y no informan de la degradación en cuanto a precisión debida a desgaste o posibles cambios térmicos que, inevitablemente, se producen en medio de las calibraciones del sistema.

La técnica está llena de varios sistemas y procedimientos de seguimiento de láser de la técnica anterior, que pueden localizar un objetivo en cualquiera de los tres a seis grados de libertad (GOL) , alineando así los dispositivos robóticas con respecto al objetivo para realizar operaciones sobre una pieza. Estos sistemas y procedimientos de la técnica anterior se explican en las patentes de EE. UU: números 4, 412, 121, concedida a Kremers y otros, 4, 707, 129 concedida a Hashimoto y otros, 4, 714, 339 concedida a Lau y otros, 4, 792, 228 concedida a Haffner, 5, 042, 709 concedida a Cina y otros, 5, 100, 229 concedida a Lundberg y otros, 5, 907, 229 concedida a Snell, y 6, 400, 452 concedida a Maynard. La patente de EE. UU. nO. 4, 714, 339 concedida a Lau y otros, por ejemplo, explica un sistema de seguimiento tridimensional que es una simplificación del sistema de" seguimiento de cinco grados de libertad.

Otros procedimientos de mejora de la precisión conllevan la actualización en línea de los parámetros del modelo cinemático del robot, normalmente por medio de la presentación periódicamente del efector final del robot (en varias posturas) hasta sensores fijos que típicamente no existen dentro del "volumen de trabajo" actual del robot o por medio de la provisión lecturas de codificador "mejoradas" en las articulaciones de robot (o combinaciones de las mismas) . Al menos uno de esta clase de procedimientos conlleva la medición de la posición del efector final del robot en el "volumen de trabajo", pero este no se realiza durante el ciclo de trabajo actual del robot. Todos los procedimientos antes mencionados, bien diseñados para ser una instantánea o para ser acuatizados periódicamente son, a fin de cuentas, solamente de predicción, y pueden considerarse "pasivos" con respecto al conocimiento verdadero de la postura presente del efector final.

La medición activa (en tiempo real) de un efector final de robot por medio de dispositivos de metrología externos ha sido investigada durante micho tiempo, y muchas aplicaciones comerciales se están iniciando actualmente o ya se han implementado. Las unidades de seguimiento de láser o de radar ciertamente tienen las precisiones exigidas para guiar/corregir suficientemente un robot para una variedad de procedimientos de fabricación, pero son dispositivos de una sola línea visual (LV) . En le caso de los rastreadores de láser, requieren tiempo para "buscar" en sus objetivos de cubo de esquina. En el rádar de láser típicamente se escanean objetivos semiesféricos. Todos los tipos de sistema son prohibitivamente costosos y lentos para su aplicación generalizada en corrección robótica activa en tiempo real. La generación 6

GDL que usa reflectores cúbicos de esquina tradicionales requiere bien seguidores de láser múltiples o, más normalmente, objetivos cúbicos de esquina múltiples sobre un extremo de herramienta de brazo (EDHB) del robot.

Se han descrito muchos diseños de objetivo especializados con los que se piensa determinar 5-GDL o 6-GDL de dicho objetivo usando una sola línea de observación de un descodificador de láser (usando técnicas interferométricas y/o tiempo de vuelo) . Dicho dispositivo que usan un cubo de esquina con una abertura apical menor que el diámetro del haz de láser, que permite que parte del haz incida sobre un detector fotosensible detrás del mismo, que facilita así 5-GOL (x, y, z, inclinación, guiñada) del objetivo se describe en la patente de EE. UU. nO. 6, 667, 798 concedida a Markendorf y otros, Publicación de EE-UU nO. 20060222314 concedida a Zumbrunn y otros, por ejemplo, añade fotoemisores modelados para el objetivo de 5-GOL; cuando se mide con una cámara externa incorporada en el descodificador de láser, también se puede determinar lístas de objetivos. Comercialmente, el detector activo posee múltiples LEOs que son captados por la cara apoyada sobre el rastreador de láser. En este caso, el descodificador láser no pierde tiempo buscando el cubo de esquina que usa una información deducida de la ubicación del detector por medio de la medición de la cámara de los LEOs. Hay varias limitaciones para soluciones de esta clase. Dado que los ángulos apicales entre los LEOs son bastante pequeños vistos por la cámara, cualquier error en la determinación de la posición transversal de los LEOs contribuye a errores angulares en la solución de 6-GOL. Análoga ambigüedad angular resulta de la distancia entre el dispositivo fotosensible y el cubo de esquina que también es pequeña; cualquier error en el cálculo de la posición del punto de láser sobre la superficie fotosensible da lugar a un error angular grande del propio objetivo debido a la necesidad de mantener las dimensiones del objetivo suficientemente pequeñas para encajar en un efector final de robot. Además, esta opción de escala de grises es bastante costosa, y el detector es demasiado grande y limitado direccionalmente para ser montado en muchos efectores finales robóticas, especialmente cuando el procedimiento exige que el robot ejercite un rango completo de posturas. La Publicación de EE. UU: nO. 20030043362 concedida a Lau y otros describe un detector de objetivo activo usado en conjunción con un rastreador láser que 'permite 6-GDL del objetivo, en el que se usa luz polarizada para deducir la función del objetivo. Este objetivo tiene también la ventaja de rotar para mantener su abertura perpendicular al haz descodificador de láser incidente. No obstante, este objetivo tiene limitaciones angulares para detección en guiñada, en inclinación y balanceo; La carencia de la precisión necesaria para aplicaciones de corrección de robot de mayor precisión; es incluso demasiado grande para su incorporación en muchos diseños de efector final; y es costoso. Los detectores descritos aquí son generalmente demasiado grandes para ser ubicados cerca del punto central de la herramienta (PCH) del robot, lo que da lugar a efectos de "brazo de palanca" cuando se determina la postura del ACP. Y, junto con el hecho de que necesitan un rastreador láser o un rastreador mejorado con cámara para actuar, dichos sistemas son prohibitivamente costosos, especialmente cuando se comparan con el precio base de un robot de brazo articulado.

El GPS óptico de interior ha hecho recientemente avances hacia muchas soluciones de fabricación y puede facilitar la postura en curso de un robot, pero dichos sistemas no pueden en este momento mostrar precisiones próximas a las necesarias para aplicaciones de guiado de robot de alta precisión. Los sistemas tienen receptores con grandes campos de visión en los que captar la salida de láser de los transmisores, pero son aún dispositivos de LV. En el contexto del guiado de robots de alta precisión, el rendimiento económico del GPS de interior solamente se puede realizar cuando son necesarios grandes números de receptores...

1. Un sistema para mejora de la precisión robótica que comprende;

al menos un dispositivo robotico adaptable al movimiento multiaxial y que presenta un brazo que Uene un extremo de herramienta de brazo que tiene un eje central para realizar varias operaciones en una pieza de trabajo;

una pluralídad de dispositivos multiaxiales para generar haces de luz

orientados con respecto al menos a uno de dichos dispositivos robóticas; y una pluralidad de elementos de objetivo desmontable~ conectados a dicho extremo de herramienta de brazo, estando cada uno de dichos elemetos de objetivo precertificado para orientar dicho extremo de herramienta de brazo con respecto a la pieza de trabajo en seis Grados de Libertad (6-GDL) para realizar varias operaciones en la pieza de trabajo cuando cada uno de dichos elementos de objetivo es activado por dichos dispositivos multiaxiales.

2. Un sistema como el definido en la reivindicación 1, en el que cada uno de dichos elementos de objetivo presenta una base formada de al menos uno de entre materiales metálicos y no metálicos y que presenta una pluralidad de aberturas definidas en la misma.

3. Un sistema como el definido en la reivindicación 2, en el que dicha base presenta una pluralidad de elementos receptores desmontable y que pueden unirse a las respectivas aberturas definidas en dicha base y una pluralidad de objetivos de calibración soportados por los respectivos elementos receptores.

4. Un sistema como el definido en la reivindicación 3, en el que dicha base incluye además una estructura fotosensible definida en dicha base.

5. Un sistema como el definido en la reivindicación 4, que incluye un alojamiento que encapsula cada uno de dichos elementos de objetivo, teniendo dicho alojamiento un dispositivo obturador.

6. Un sistema como el definido en la reivindicación 5, que incluye un controlador comunicado de manera que puede operar con dichos dispositivos multiaxiales, con dicho dispositivo robótico y con dichos elementos de objetivo.

7. Un sistema para mejora de la precisión robótica que comprende:

una pluralidad de dispositivos robóticos adaptables al movimiento multiaxíal y que presentan un brazo que tiene un extremo de herramienta de brazo que tiene un eje central para realizar al menos una operación sobre una pieza de trabajo en un primer periodo de tiempo;

una pluralidad de dispositivos multiaxíales para proyectar haces de luz orientados con respecto a dicho dispositivo robótica;

una pluralidad de elementos de objetivo desmontables conectados a dicho extremo de herramienta de brazo de cada uno de dichos dispositivos robóticas, estando cada uno de dichos elementos de objetivo precertificado para orientar dicho extremo de herramienta de brazo con respecto a la pieza de trabajo y realizar operaciones sobre la pieza de trabajo cuando cada uno de dichos elementos de objetivo es activado por dichos dispositivos multiaxiales; y un controlador comunicado de manera que puede operar con dichos elementos de objetivo, dicha pluralidad de dispositivos multiaxiales y dicha pluralidad de dispositivos robóticas para manipular al menos uno de dichos dispositivos multiaxiales para activar al menos uno de dichos elementos de objetivo dentro de un segundo periodo de tiempo inferior al primer período de tiempo, con lo que se guía al menos otro de dichos dispositivos robóticas.

8. Un sistema como el definido en la reivindicación 7, en el que cada uno de dichos elementos de objetivo presenta una base formada de al menos uno de entre materiales metálicos y no metálicos y que presenta una pluralidad de aberturas definidas en la misma.

9. Un sistema como el definido en la reivindicación 8, en el que dicha base presenta una pluralidad de elementos receptores desmontables que pueden unirse a las respectivas aberturas definidas en dicha base y una pluralidad de objetivos de calibración soportados por los respectivos elementos receptores. 10. Un sistema como el definido en la reivindicación 9, en el que dicha base 5 incluye además una estructura fotosensible definida en dicha base. 11. Un sistema como el definido en la reivindicación 10 que incluye un alojamiento que encapsula cada uno de dichos elementos de objetivo, teniendo dicho alojamiento un dispositivo obturador. 10