質(zhì)量有保證的制造
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及制造環(huán)境技術(shù)領域，舉例來說，諸如車體制造、飛機制造、機械制造等。這種環(huán)境通常被設置為組裝線或者制造單元。
[0002]本發(fā)明總體上還涉及根據(jù)權(quán)利要求1的制造環(huán)境中的工具定位系統(tǒng)和涉及根據(jù)權(quán)利要求12的在制造環(huán)境中對手持工具進行定位的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]US 2011/087360中示出了一種用于制造環(huán)境的自主型工業(yè)機器人，所述機器人配備有攝像頭和力量傳感器。計算裝置被具體實施為基于攝像頭和傳感器數(shù)據(jù)來計算希望的機器人運動，使得機器人可以自動地將部件組裝至隨機移動的工件的預定位置，例如，將輪胎組裝至車體。
[0004]除了由機器人執(zhí)行的自動化步驟以外，這種制造中還存在許多步驟，這些步驟涉及人工處理和安裝。這些人工制造步驟通常通過手持工具來進行，例如，像螺絲刀、扳手、卷邊工具(crimping tool)、鉚接工具、鉆頭、點膠機等。優(yōu)選的是，所述工具是動力工具，例如可以通過電力或氣壓來驅(qū)動。由于完全自動化在經(jīng)濟上并不明智，許多制造步驟因此通過工人來執(zhí)行。盡管如此，工人仍可能是過失、不準確、忽略或其它人為錯誤的潛在來源。因此，開發(fā)了用于最小化這種人為錯誤的技術(shù)。
[0005]JP 2000 111450示出了這樣一種組裝線，其中，每一個組裝臺處的制造步驟都由攝像頭來記錄。在檢查階段，所記錄工作文檔和組裝手冊的再現(xiàn)內(nèi)容在分屏顯示器上提供，這樣，檢查員能夠檢查該工作。
[0006]在WO 2010/053422或WO 2012/107300中，存在用于在制造或組裝環(huán)境中對可移動工具和/或組裝貨物進行位置定位的系統(tǒng)，位置定位通過像無線電通信系統(tǒng)的局部GNSS來進行，這有時還被稱為RTLS或RFID定位。那些系統(tǒng)基于超寬帶(UWB)無線電通信。該環(huán)境配備有處于已知地點的多個固定RF傳感器，并且所述工具配備有對應的有源電子標簽。根據(jù)由此確定的三維工作位置，可以保證正確地進行組裝，例如，在正確的地點、利用正確的工具、按正確的量、利用正確的工具參數(shù)并且是否例如實現(xiàn)希望的扣緊程度的結(jié)果。鑒于在制造環(huán)境中變得越來越突出的無線通信系統(tǒng)的潛在影響，實現(xiàn)UWB系統(tǒng)趨于棘手。而且，必須考慮規(guī)章限制(像FCC)，其限制了可實現(xiàn)的性能。如在上述文獻中提到的，而且對UWB鏈路的屏蔽影響、信號反映、多路徑以及散射問題或其它干擾限制了這種系統(tǒng)的實際可用性和性能。因此，這種系統(tǒng)的能夠保證的實際上可實現(xiàn)的位置準確度大約為50cm，這與要制造的工件處的容差相比非常不準確。在大多數(shù)情況下，不能以扣緊點的間隔相對應的準確度可靠地區(qū)別工具位置。
[0007]在WO 00/17719中，使用拍攝預定加工區(qū)域的圖像的圖像拍攝裝置，所述圖像拍攝裝置可以通過處于加工工具中或該處的圖像拍攝裝置來幫助。所述圖像通過圖案感知來評估，以確定操作員執(zhí)行預定數(shù)量的加工操作，但不會遺漏工件上的任何加工點。
[0008]這些現(xiàn)有技術(shù)設計的缺點在于，例如大約50cm的定位準確度僅足夠用于分段成粗糙工作區(qū)，其可以幫助避免某些嚴重的錯誤(例如，將工具鎖定在粗糙限定的環(huán)境范圍之外)，但這不足以確保高質(zhì)量標準。
[0009]另外，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的缺點還在于它們對于制造環(huán)境來說非常靜態(tài)的事實。而且，它們的安裝需要安裝專用基礎設施。就不斷變化的制造環(huán)境、產(chǎn)品變型以及靈活的面向訂單的制造而言，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)必須跟蹤產(chǎn)品或環(huán)境中的每一個變化，并且所跟蹤的每一個變化必須通過重新編程等而映射到那些系統(tǒng)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]因此，本發(fā)明的目的是改進制造工序，特別是改進用于制造過程的質(zhì)量保證和文檔提供系統(tǒng)。
[0011]特定目的是改進其中工人利用手持工具工作的制造環(huán)境的靈活性，特別是制造環(huán)境的變化(由于移動工人、可變供應庫存、移動供應車、服務和維護人員以及設備等造成的周圍變化)。
[0012]另一特定目的是改進這種系統(tǒng)的靈活性，特別是制造產(chǎn)品的變化，像不同的產(chǎn)品、型號或版本、變型、改進、可定制選項等。
[0013]另一目的是提供一種可以在所建立的制造環(huán)境中容易使用的系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)選地不需要或幾乎不需要該環(huán)境中的任何物理改變和/或安裝、或者專用基礎設施的安裝。
[0014]這些目的通過實現(xiàn)獨立權(quán)利要求的特征來實現(xiàn)。按另選或有利方式進一步開發(fā)本發(fā)明的特征在從屬專利權(quán)利要求中進行了描述。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，建立了一種針對制造環(huán)境中的手持工具的工具定位系統(tǒng)。在所述制造環(huán)境中，通過使用那些手持工具來制造工件，特別是在諸如組裝線處或制造單元中的車體、飛機或機械制造中的多個制造臺處。
[0016]手動可移動工具配備有用于拍攝圖像的攝像頭，所述圖像被提供給所述定位系統(tǒng)。所述定位系統(tǒng)包括諸如計算單元的數(shù)值評估裝置，其被構(gòu)建成基于來自所述攝像頭的圖像通過同時定位和繪圖(SLAM)導航計算來確定所述工具的工具定位。
[0017]通過靜態(tài)的制造環(huán)境，與其有關(guān)地限定全局坐標系。根據(jù)本發(fā)明，所述工具定位基于來自所述攝像頭的所述圖像的包含所述制造環(huán)境的視圖的部分，通過所述SLAM導航而與所述環(huán)境有關(guān)地針對全局坐標系來確定。
[0018]而且，所述工件限定與其有關(guān)的局部坐標系。特別地，所述局部坐標系可以相對于所述全局坐標系移動，例如，在組裝線排布結(jié)構(gòu)中。根據(jù)本發(fā)明，所述工具定位基于來自所述攝像頭的所述圖像的包含所述工件的視圖的部分，通過所述SLAM導航而與所述工件有關(guān)地針對局部坐標系來確定。
[0019]如果所述攝像頭的實際視場僅包括所述環(huán)境的一部分而不包括所述工件的一部分(或者至少合理的一部分)，則所述工具定位因此可僅在所述全局坐標系中確定。
[0020]如果所述攝像頭的實際視場僅包括所述工件的一部分而不包括所述環(huán)境的一部分(或者至少合理的一部分)，則所述工具定位因此可僅在所述局部坐標系中確定。
[0021]如果所述攝像頭的實際視場包括所述環(huán)境的一部分和所述工件的一部分，則所述工具定位基于來自同一攝像頭的圖像，在全局坐標系和局部坐標系中確定。所述攝像頭可以具有包括所述工具的工作范圍的至少一部分的視場。
[0022]其中，確定所述工具定位可涉及將所述SLAM導航與所述工件和/或所述環(huán)境的已知空間信息進行匹配，所述已知空間信息特別是CAD或點云數(shù)據(jù)形式的空間信息。
[0023]所述評估裝置可以被構(gòu)建成建立所述工具定位在所述局部坐標系與所述全局坐標系之間的無縫轉(zhuǎn)換，特別是利用所述局部坐標系相對于所述全局坐標系的現(xiàn)場更新參照。
[0024]所述工具可以特別是安裝工具，例如，螺絲刀工具、扳手工具、夾持工具或鉚接工具，優(yōu)選為扭矩監(jiān)視和/或位置監(jiān)視動力工具。所述工具還可以包括慣性測量單元(MU)，并且確定所述工具定位可以涉及基于來自所述IMU的數(shù)據(jù)通過慣性導航算法導出的信息。
[0025]所述工具還可以包括用于感測所述工具工作的工作過程參數(shù)的傳感器裝置。該工作過程參數(shù)可以由通信接口與對應的工具定位一起提供為工具監(jiān)視數(shù)據(jù)，特別是提供給用于所述工件的制造歷史的管理和/或文檔制作的制造管理系統(tǒng)，優(yōu)選地，其中，所述工具監(jiān)視數(shù)據(jù)包括來自所述攝像頭的描繪所述工具工作的工作過程結(jié)果的圖像。
[0026]另外，所述工具可以包括通信接口，特別是無線通信接口，優(yōu)選為實時通信接口，所述通信接口被構(gòu)建成與制造管理系統(tǒng)和/或其它工具交換其定位和/或圖像信息。
[0027]所述制造環(huán)境和/或所述工件可以包括被構(gòu)建成要在所述攝像頭的圖像中標識的多個協(xié)作和/或主動發(fā)光目標，特別是可用于支持SLAM導航的對比面(contrast face)、反射器或LED。
[0028]所述工件可以相對于所述全局坐標系移動，并且還可以配備有用于在所述全局坐標系中的工件定位的SLAM導航的攝像頭，特別是按照與所述工具定位相同的方式進行，特別是其中，所述工件定位和所述工具定位被組合，優(yōu)選地由此建立所述全局坐標系和所述局部坐標系的參照。其中，可以通過基于來自所述工件處的所述攝像頭的圖像對所述工具的定位和基于來自所述工具處的所述攝像頭的圖像對所述工件的定位來建立所述工具定位與所述工件定位之間的反向參照。
[0029]本發(fā)明還涉及用于制造環(huán)境的工具監(jiān)視系統(tǒng)，其中，所述制造環(huán)境包括固定物品和可移動物品。所述可移動物品包括要制造的工件和/或其部件以及要由工人操作的工具。所述工具監(jiān)視系統(tǒng)還包括如在此描述的用于工人的工具的工具定位系統(tǒng)。
[0030]在所述工具監(jiān)視系統(tǒng)中，所述制造環(huán)境可以配備有:用于對所述制造環(huán)境進行成像的多個全局攝像頭，特別是固定全局攝像頭；以及圖像處理裝置，該圖像處理裝置被構(gòu)建成標識/檢測所述制造環(huán)境中的所述固定物品和可移動物品，并且確定它們在全局環(huán)境坐標系中的全局位置坐標，特別是在至少三個維度中的全局位置坐標。其中，所述全局位置坐標可以與確定的所述工具定位相匹配，特別是其中，通過利用所述環(huán)境處的所述攝像頭對所述工具的全局定位和利用所述工具處的所述攝像頭相對于所述環(huán)境對所述環(huán)境的全局定位來建立所述工具導航與所述環(huán)境導航之間的反向參照。
[0031]所述攝像頭可以是將光學輻射變換成電信號的2D光敏裝置，優(yōu)選地利用光敏單元的二維矩陣排布結(jié)構(gòu)，并且具有用于將視場成像到所述光敏裝置上的光學裝置。示例有CCD或CMOS攝像頭，優(yōu)選的是，其中，拍攝的圖像被數(shù)字化并被提供為用于進一步處理的數(shù)字圖像或視頻數(shù)據(jù)。
[0032]同時定位和繪圖(SLAM-SimultaneousLocat1n And Mapping)技術(shù)(有時還指用于可視SLAM的VSLAM)包含策略，其中，優(yōu)選地來自單一攝像頭的圖像不僅用于自主標識該圖像內(nèi)的先前未知特征，而且基于該圖像導出攝像頭定位，并且生成所成像周圍環(huán)境的3D地圖。例如，US 8274406或US 2012/121161示出了通過使用視覺系統(tǒng)將同時定位和繪圖(SLAM)技術(shù)用于機器人導航的示例性實施方式。為實現(xiàn)SLAM導航，所述攝像頭相對于被成像物體移動，為此，“從運動恢復結(jié)構(gòu)(Structure from Mot1n) ”(SfM)也是結(jié)合使用的術(shù)語。對于位于工人操作的手持式工具處的攝像頭來說，當所述工具按其希望方式操作時，該攝像頭(和工具)移動的縱橫比根據(jù)其類型給出。
[0033]盡管如此，在制造環(huán)境中，攝像頭視場不僅與單一環(huán)境相對，而且對所述制造環(huán)境、所述工件或者制造