质量有保证的制造
【技术领域】
[0001]本发明涉及制造环境技术领域，举例来说，诸如车体制造、飞机制造、机械制造等。这种环境通常被设置为组装线或者制造单元。
[0002]本发明总体上还涉及根据权利要求1的制造环境中的工具定位系统和涉及根据权利要求12的在制造环境中对手持工具进行定位的方法。
【背景技术】
[0003]US 2011/087360中示出了一种用于制造环境的自主型工业机器人，所述机器人配备有摄像头和力量传感器。计算装置被具体实施为基于摄像头和传感器数据来计算希望的机器人运动，使得机器人可以自动地将部件组装至随机移动的工件的预定位置，例如，将轮胎组装至车体。
[0004]除了由机器人执行的自动化步骤以外，这种制造中还存在许多步骤，这些步骤涉及人工处理和安装。这些人工制造步骤通常通过手持工具来进行，例如，像螺丝刀、扳手、卷边工具(crimping tool)、铆接工具、钻头、点胶机等。优选的是，所述工具是动力工具，例如可以通过电力或气压来驱动。由于完全自动化在经济上并不明智，许多制造步骤因此通过工人来执行。尽管如此，工人仍可能是过失、不准确、忽略或其它人为错误的潜在来源。因此，开发了用于最小化这种人为错误的技术。
[0005]JP 2000 111450示出了这样一种组装线，其中，每一个组装台处的制造步骤都由摄像头来记录。在检查阶段，所记录工作文档和组装手册的再现内容在分屏显示器上提供，这样，检查员能够检查该工作。
[0006]在WO 2010/053422或WO 2012/107300中，存在用于在制造或组装环境中对可移动工具和/或组装货物进行位置定位的系统，位置定位通过像无线电通信系统的局部GNSS来进行，这有时还被称为RTLS或RFID定位。那些系统基于超宽带(UWB)无线电通信。该环境配备有处于已知地点的多个固定RF传感器，并且所述工具配备有对应的有源电子标签。根据由此确定的三维工作位置，可以保证正确地进行组装，例如，在正确的地点、利用正确的工具、按正确的量、利用正确的工具参数并且是否例如实现希望的扣紧程度的结果。鉴于在制造环境中变得越来越突出的无线通信系统的潜在影响，实现UWB系统趋于棘手。而且，必须考虑规章限制(像FCC)，其限制了可实现的性能。如在上述文献中提到的，而且对UWB链路的屏蔽影响、信号反映、多路径以及散射问题或其它干扰限制了这种系统的实际可用性和性能。因此，这种系统的能够保证的实际上可实现的位置准确度大约为50cm，这与要制造的工件处的容差相比非常不准确。在大多数情况下，不能以扣紧点的间隔相对应的准确度可靠地区别工具位置。
[0007]在WO 00/17719中，使用拍摄预定加工区域的图像的图像拍摄装置，所述图像拍摄装置可以通过处于加工工具中或该处的图像拍摄装置来帮助。所述图像通过图案感知来评估，以确定操作员执行预定数量的加工操作，但不会遗漏工件上的任何加工点。
[0008]这些现有技术设计的缺点在于，例如大约50cm的定位准确度仅足够用于分段成粗糙工作区，其可以帮助避免某些严重的错误(例如，将工具锁定在粗糙限定的环境范围之外)，但这不足以确保高质量标准。
[0009]另外，现有技术系统的缺点还在于它们对于制造环境来说非常静态的事实。而且，它们的安装需要安装专用基础设施。就不断变化的制造环境、产品变型以及灵活的面向订单的制造而言，现有技术系统必须跟踪产品或环境中的每一个变化，并且所跟踪的每一个变化必须通过重新编程等而映射到那些系统中。
【发明内容】
[0010]因此，本发明的目的是改进制造工序，特别是改进用于制造过程的质量保证和文档提供系统。
[0011]特定目的是改进其中工人利用手持工具工作的制造环境的灵活性，特别是制造环境的变化(由于移动工人、可变供应库存、移动供应车、服务和维护人员以及设备等造成的周围变化)。
[0012]另一特定目的是改进这种系统的灵活性，特别是制造产品的变化，像不同的产品、型号或版本、变型、改进、可定制选项等。
[0013]另一目的是提供一种可以在所建立的制造环境中容易使用的系统，该系统优选地不需要或几乎不需要该环境中的任何物理改变和/或安装、或者专用基础设施的安装。
[0014]这些目的通过实现独立权利要求的特征来实现。按另选或有利方式进一步开发本发明的特征在从属专利权利要求中进行了描述。
[0015]根据本发明，建立了一种针对制造环境中的手持工具的工具定位系统。在所述制造环境中，通过使用那些手持工具来制造工件，特别是在诸如组装线处或制造单元中的车体、飞机或机械制造中的多个制造台处。
[0016]手动可移动工具配备有用于拍摄图像的摄像头，所述图像被提供给所述定位系统。所述定位系统包括诸如计算单元的数值评估装置，其被构建成基于来自所述摄像头的图像通过同时定位和绘图(SLAM)导航计算来确定所述工具的工具定位。
[0017]通过静态的制造环境，与其有关地限定全局坐标系。根据本发明，所述工具定位基于来自所述摄像头的所述图像的包含所述制造环境的视图的部分，通过所述SLAM导航而与所述环境有关地针对全局坐标系来确定。
[0018]而且，所述工件限定与其有关的局部坐标系。特别地，所述局部坐标系可以相对于所述全局坐标系移动，例如，在组装线排布结构中。根据本发明，所述工具定位基于来自所述摄像头的所述图像的包含所述工件的视图的部分，通过所述SLAM导航而与所述工件有关地针对局部坐标系来确定。
[0019]如果所述摄像头的实际视场仅包括所述环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)，则所述工具定位因此可仅在所述全局坐标系中确定。
[0020]如果所述摄像头的实际视场仅包括所述工件的一部分而不包括所述环境的一部分(或者至少合理的一部分)，则所述工具定位因此可仅在所述局部坐标系中确定。
[0021]如果所述摄像头的实际视场包括所述环境的一部分和所述工件的一部分，则所述工具定位基于来自同一摄像头的图像，在全局坐标系和局部坐标系中确定。所述摄像头可以具有包括所述工具的工作范围的至少一部分的视场。
[0022]其中，确定所述工具定位可涉及将所述SLAM导航与所述工件和/或所述环境的已知空间信息进行匹配，所述已知空间信息特别是CAD或点云数据形式的空间信息。
[0023]所述评估装置可以被构建成建立所述工具定位在所述局部坐标系与所述全局坐标系之间的无缝转换，特别是利用所述局部坐标系相对于所述全局坐标系的现场更新参照。
[0024]所述工具可以特别是安装工具，例如，螺丝刀工具、扳手工具、夹持工具或铆接工具，优选为扭矩监视和/或位置监视动力工具。所述工具还可以包括惯性测量单元(MU)，并且确定所述工具定位可以涉及基于来自所述IMU的数据通过惯性导航算法导出的信息。
[0025]所述工具还可以包括用于感测所述工具工作的工作过程参数的传感器装置。该工作过程参数可以由通信接口与对应的工具定位一起提供为工具监视数据，特别是提供给用于所述工件的制造历史的管理和/或文档制作的制造管理系统，优选地，其中，所述工具监视数据包括来自所述摄像头的描绘所述工具工作的工作过程结果的图像。
[0026]另外，所述工具可以包括通信接口，特别是无线通信接口，优选为实时通信接口，所述通信接口被构建成与制造管理系统和/或其它工具交换其定位和/或图像信息。
[0027]所述制造环境和/或所述工件可以包括被构建成要在所述摄像头的图像中标识的多个协作和/或主动发光目标，特别是可用于支持SLAM导航的对比面(contrast face)、反射器或LED。
[0028]所述工件可以相对于所述全局坐标系移动，并且还可以配备有用于在所述全局坐标系中的工件定位的SLAM导航的摄像头，特别是按照与所述工具定位相同的方式进行，特别是其中，所述工件定位和所述工具定位被组合，优选地由此建立所述全局坐标系和所述局部坐标系的参照。其中，可以通过基于来自所述工件处的所述摄像头的图像对所述工具的定位和基于来自所述工具处的所述摄像头的图像对所述工件的定位来建立所述工具定位与所述工件定位之间的反向参照。
[0029]本发明还涉及用于制造环境的工具监视系统，其中，所述制造环境包括固定物品和可移动物品。所述可移动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。所述工具监视系统还包括如在此描述的用于工人的工具的工具定位系统。
[0030]在所述工具监视系统中，所述制造环境可以配备有:用于对所述制造环境进行成像的多个全局摄像头，特别是固定全局摄像头；以及图像处理装置，该图像处理装置被构建成标识/检测所述制造环境中的所述固定物品和可移动物品，并且确定它们在全局环境坐标系中的全局位置坐标，特别是在至少三个维度中的全局位置坐标。其中，所述全局位置坐标可以与确定的所述工具定位相匹配，特别是其中，通过利用所述环境处的所述摄像头对所述工具的全局定位和利用所述工具处的所述摄像头相对于所述环境对所述环境的全局定位来建立所述工具导航与所述环境导航之间的反向参照。
[0031]所述摄像头可以是将光学辐射变换成电信号的2D光敏装置，优选地利用光敏单元的二维矩阵排布结构，并且具有用于将视场成像到所述光敏装置上的光学装置。示例有CCD或CMOS摄像头，优选的是，其中，拍摄的图像被数字化并被提供为用于进一步处理的数字图像或视频数据。
[0032]同时定位和绘图(SLAM-SimultaneousLocat1n And Mapping)技术(有时还指用于可视SLAM的VSLAM)包含策略，其中，优选地来自单一摄像头的图像不仅用于自主标识该图像内的先前未知特征，而且基于该图像导出摄像头定位，并且生成所成像周围环境的3D地图。例如，US 8274406或US 2012/121161示出了通过使用视觉系统将同时定位和绘图(SLAM)技术用于机器人导航的示例性实施方式。为实现SLAM导航，所述摄像头相对于被成像物体移动，为此，“从运动恢复结构(Structure from Mot1n) ”(SfM)也是结合使用的术语。对于位于工人操作的手持式工具处的摄像头来说，当所述工具按其希望方式操作时，该摄像头(和工具)移动的纵横比根据其类型给出。
[0033]尽管如此，在制造环境中，摄像头视场不仅与单一环境相对，而且对所述制造环境、所述工件或者制造