DE102009016146A1 - Vorrichtung zur Überwachung eines Überwachungsbereiches auf das Vorhandensein eines oder mehrerer Objekte - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird hauptsächlich eine Vorrichtung (100) zur Überwachung eines Überwachungsbereiches (101, 102) zumindest auf das Vorhandensein eines oder mehrerer Objekte(s) (8, 12), die wenigstens ein Messsystem (20) mit wenigstens einer Strahlenquelle (1) zur Erzeugung eines Strahles (2), wie Laser- oder Lichtstrahl, und wenigstens einen Lichtsensor (3) umfasst, die in einem Systemgehäuse untergebracht sein können. Eine Lichtablenkeinheit (4) steht in Wirkverbindung mit einem Motor (5) und wird durch diesen um eine gemeinsame Achse gedreht. Um bereits allein durch die Kenntnis der Drehfrequenz und der Winkelgeschwindigkeit der Lichtablenkeinheit (4) die Dauer einer Unterbrechung, Störung oder Abschwächung bedingt durch das Vorhandensein des Objekts (8) bestimmen und damit eine Winkelauswertung zur Positionserkennung der Objektlage realisieren zu können, ist eine Referenz oder Codierung (10) eingebunden, die in bzw. vor einem, den Überwachungsbereich (101, 102) begrenzenden oder im Systemgehäuse integrierten katadioptrischen Reflektor bzw. Reflektorfolie (9) angebracht sein kann.
Description
- Die Erfindung betrifft eine einfach aufgebaute, flächendeckende Reflexionsschranke mit einer Vermessungs- als auch Lokalisierungsfunktion.
- Aus der
DE 20 2005 020 705 U1 ist eine Vorrichtung zum Vermessen und/oder Bearbeiten von dreidimensionalen Objekten mittels Lichtstrahlen bekannt. Selbiges Technikgebiet betrifft auch dieDE 10 2006 062 447 A1 . - Ein Scanner und ein Verfahren zum Betreiben des Scanners sind Gegenstand der
DE 10 2005 002 190 B4 . - Die
DE 695 31 462 T2 (EP 0 875 728 B1 ) als auch dieDE 695 18 953 T2 (EP 0 689 032 B1 ), offenbaren ein Vermessungssystem, bei welchem das reflektierende Objekt den Laserstrahl durchlässt und diffus macht. Zudem ist eine Positionssteuereinrichtung zum Steuern einer emittierenden Position des Laserstrahls eingebunden. - Ein rotierendes Laser-Strahlungssystem wird in der
DE 694 11 102 T2 (EP 0 643 283 B1 ) näher betrachtet. - Bereits die nicht veröffentlichte
DE 10 2008 053 881.7 beschäftigt sich mit dem Vermessen eines Objektes unter Nutzung einer Reflektionsschranke, die das Prinzip der Retro-Reflektion anwendet. Dieses Prinzip basiert darauf, dass spiegelnde und brechende Elemente (= katadioptrische Elemente) das Licht umkehren und es in Richtung der Lichtquelle zurücksenden. Erreicht werden kann diese Art der Reflexion mit Hilfe einer großen Anzahl sehr kleiner katadioptrischer Teile (z. B. halb verspiegelter Glaskugeln). Retro-reflektierende Stoffe sind u. a. Reflexfolien, Reflexgewebe oder auch Reflexfarben, die bei Tageslicht eine normale Aufsichtfarbe zeigen, bei Anleuchtung mit künstlichem Licht jedoch den Charakter eines Reflexstoffes aufweisen. Derartige Folien sind u. a. aus derCA 2 376 812 C ,DE 10 2007 009 013 A1 ,DE 10 2007 006 405 A1 sowieDE 10 2004 025 325 A1 bekannt. - Die in der
DE 10 2008 053 881.7 vorgeschlagene Vorrichtung verwendet unter anderem zur Bestimmung eines Winkels bezogen auf das zu detektierende Objekt einen Winkelsensor. - Aufbauend auf diese Idee stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine weitere Vorrichtung anzugeben, die in einfacher Art und Weise nicht nur das Lokalisieren, sondern auch ein Vermessen eines Objektes in Raum und/oder Ebene ermöglicht.
- Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsformen.
- Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, in die (Mess-)Vorrichtung mit wenigstens einem Laser- bzw. Messsystem und einem katadioptrischen Reflektor eine Referenz oder Codierung einzubinden, wodurch neben einer einfacheren Ortsbestimmung eines im Messraum befindlichen Objektes eine Anfangs- und Endposition des Messweges selbst definiert werden kann. So kann bereits allein durch die Kenntnis der Drehfrequenz und der Winkelgeschwindigkeit der Lichtablenkeinheit eine Winkelauswertung zur Positionserkennung der Objektlage realisiert werden.
- Das Laser- bzw. Messsystem selbst ist bevorzugt in einem Gehäuse untergebracht, in dem sich auch eine Strahlenquelle, Lichtsensoren und eine Lichtablenkeinheit, verbunden mit einem Motor, befinden können.
- Die Referenz oder Codierung ist in bzw. vor einem, den Überwachungsbereich begrenzenden oder im Systemgehäuse integrierten katadioptrischen Reflektor bzw. Reflektorfolie angebracht. Damit kann in einer einfachsten Ausführung ein sonst benötigter Winkelsensor entfallen. Aufbauend auf dieser Idee kann der katadioptrische Reflektor bzw. die Folie oder ein Reflektorband in das Systemgehäuse derart eingebunden werden, dass ein Austritt (Winkelsegment) des Licht- bzw. Laserstrahls bereits vordefiniert wird.
- In einer ersten Variante sind ein (oder mehrere) die Messfläche begrenzende/r katadioptrischer Reflektor bzw. katadioptrische Reflektorfolien vorgesehen, der/die mit der Referenz, Codierung etc. auf oder vor dem Reflektor/der Folie versehen ist. Der Reflektor kann dabei halbrund um die Messfläche angeordnet sein, andere Anbringungen sind ebenfalls möglich.
- Die Einbindung einer derartigen Referenz bzw. Codierung macht eine einfache (rechnerische) Auswertung der örtlichen Lage und Dimensionierung des Objektes möglich. Ausreichend sind die Kenntnis der Drehfrequenz und der Winkelgeschwindigkeit der Lichtablenkeinheit
4 und die Messung der Dauer der Unterbrechung, Störung oder Abschwächung des Strahls. - In Weiterführung wird in einer weiteren Variante ein codiertes Referenz- oder Messobjekt in die Vorrichtung integriert, das statisch positioniert oder dynamisch bewegt werden kann. Ein solches Referenzobjekt wird ebenfalls mit einer Referenz oder Codierung versehen, hierbei jedoch bevorzugt in Längsrichtung am (vor dem) Objekt/es. Mit dieser Anordnung kann dann eine dreidimensionale Lagebestimmung des Referenzobjektes selbst durchgeführt werden, beispielsweise zur Bestimmung der Lage eines Roboterarms im Raum. Es versteht sich, dass in diesem Fall die Informationen zur Überwachung und Nachregelung der örtlichen Lagevorgabe eines derartigen Referenzobjektes genutzt werden können.
- Durch die Vorrichtung wird eine konstruktiv einfache Vorrichtung für eine Detektion, Lokalisierung, Dimensionierung und somit für ein Vermessen der Position eines Objektes in drei Raumebenen sowie eine einfache Nachrüstung (Montage/Demontage) auch vor Ort vorgeschlagen.
- Anhand eines Ausführungsbeispiels mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
- Es zeigt:
-
1 eine Prinzipdarstellung eines Reflektorsystems, -
2 eine weitere Variante mit einer im Reflektor eingebundenen Referenz, -
3 eine weitere Messanordnung mit zwei Lasersystemen, -
4 bis6 eine Messanordnung mit einem codierten Referenz- bzw. Messobjekt. -
1 zeigt das Grundprinzip einer Messvorrichtung100 , bestehend aus einer Strahlenquelle1 zum Erzeugen eines kollimierten oder fokussierten Lichtstrahls2 . Mit3 sind Lichtsensoren (zumindest einer) und mit4 eine rotierende, in 45° angeordnete Lichtablenkeinheit gekennzeichnet. Ein Motor5 treibt die Lichtablenkeinheit4 , beispielsweise ein Spiegel, ein Prisma oder anderes optisches System selbiger Wirkung bzw. Funktion derart an, dass der umgelenkte Lichtstrahl2 eine Fläche101 (Messfläche bzw. Überwachungsbereich) quer zur Drehachse des Motors5 und des Spiegels4 überstreicht. Zwischen der Strahlenquelle1 und dem Spiegel4 befinden sich die vorzugsweise ringförmig um den Strahl2 angeordneten Sensoren3 . Ein beispielsweise halbrunder katadioptrischer Reflektor9 begrenzt hierbei die Messfläche (den Überwachungsbereich)101 . - Die Funktionsweise der Messung für das Vorhandensein eines Objektes
8 im Überwachungsbereich101 ist dabei wie folgt:
Der Lichtstrahl2 tastet die Begrenzung, den Reflektor9 , ab. Wenn der katadioptrische Reflektor9 vom Lichtstrahl2 getroffen wird, wirft dieser den größten Teil des Lichtstrahls2 leicht divergiert in die Herkunftsrichtung zurück. Das zurückgeworfene Licht7 wird über den rotierenden Spiegel4 auf die Lichtsensoren3 geleitet. Die Lichtsensoren3 liefern ein dem Reflexionsgrad entsprechendes elektrisches Signal, das den Ist-Zustand (ohne Objekt8 ) darstellt. Wird nun der Lichtstrahl2 zwischen Spiegel4 und Reflektor9 durch ein Objekt8 unterbrochen, gestört oder abgeschwächt, ändert sich das von den Lichtsensoren3 generierte elektrische Signal über den Ist-Zustand in dem Bereich – nämlich das Vorhandensein des Objektes8 . - In einer Variante nach
3 kann selbstverständlich ein Winkelsensor6 eingebunden werden, wodurch neben der Detektion auch eine Winkelmessung realisiert werden kann. Der Winkelsensor6 liefert die Information bezüglich der Stellung des Spiegels4 und dem umgelenkten Lichtstrahl2 bezogen auf das Objekt8 . Die Auswertung erfolgt dann in Verbindung der Information bezüglich einer Unterbrechung, Störung oder Abschwächung des Lichtstrahls2 . - Zur möglichen Einsparung des Winkelsensors
6 ist in einer weiteren Ausführungsform die Einbindung einer Referenz (oder Codierung)10 vorgesehen. Die Winkelauswertung zur Objektlage kann dann über die Kenntnis der Drehfrequenz und Winkelgeschwindigkeit der Lichtablenkeinheit4 und damit die Dauer der Unterbrechung, Störung oder Abschwächung erfolgen. Die Referenz10 befindet sich vorzugsweise im Raum vor oder auf dem Reflektor9 . Mit Hilfe dieser Referenz10 kann die relative Anfangs- und/oder Endposition des Objektes8 definiert werden. - In einer einfachen Ausführung wird also ein Anfangsreferenzpunkt festgelegt, d. h., der Messbeginn. Der Laser- bzw. Lichtstrahl
2 rotiert beispielsweise mit einer Drehfrequenz von 1 Hz, woraus sich eine Winkelgeschwindigkeit von 360° pro Sekunde (°/s) ergibt. Wenn das Objekt8 den Lichtstrahl2 unterbricht, werden die Zeiten der Unterbrechung (Anfangszeit A und Endzeit E) gemessen und das Winkelsegment über diese gemessene Zeit errechnet. Die Winkelgeschwindigkeit (°/s)·Zeit (Anfang/Ende) ergibt den Winkel (°). Wird der Beginn (Anfang) des Objektes nach 0,1 s (vom Referenzpunkt) und das Ende nach 0,15 s (vom gleichen Referenzpunkt) gemessen, lässt sich daraus schlussfolgern, dass das Objekt beispielsweise zwischen 36° und 54° gemessen von dem Anfangsreferenzpunkt/der Codierung befindet. - Alternativ können mehrere Referenzpunkte vorgesehen werden, wobei nach dem Anfangsreferenzpunkt jedem weiteren Referenzpunkt ein bestimmter Winkel ausgehend vom Anfangsreferenzpunkt zugeordnet (codiert) und in einem Speicher hinterlegt wird. Der Laserstrahl
2 rotiert und zählt die Punkte, so dass mit Beginn der Unterbrechung etc. durch ein im Strahlengang vorhandenes Objekt8 ein definierter Winkelanfangswert zur Verfügung steht. Ein zweiter Winkelwert ergibt sich dann wieder, wenn das Objektende erreicht wird. Dieser kann in Abhängigkeit eines Endreferenzpunktes bestimmt werden. Aus beiden Informationen lässt sich dann der Winkelbereich ermitteln, in dem sich das Objekt befindet. Andere Auswertemöglichkeiten sind ebenfalls möglich. - Durch eine Verdoppelung oder Vervielfachung (Redundanz) des vorgenannten Aufbaus kann die Messung verbessert werden, es ergeben sich mehrere überschneidende Informationen. Durch das Überschneiden der Messflächen
101 ,102 kann eine genauere Position und Dimension der Außenkonturen des Objektes8 über die oben beschriebene Triangulation bestimmt werden (3 ). - Die Ausführung nach
4 bis6 baut ebenfalls auf eine Verdoppelung oder Vervielfachung des in2 dargestellten Aufbaus auf. Hierbei ist jedoch ein sogenanntes Referenzobjekt12 mit einer Referenz bzw. Codierung10 auf der Reflexionsfolie9 versehen. Dieses wird als dynamisches Referenzobjekt in der Schnittmenge der Messebenen101 ,102 genutzt und kann statisch positioniert sein oder sich dynamisch bewegen. Es wird zweidimensional erfasst und beispielsweise über die bereits beschriebene Triangulation geortet (X-Y Achsen). - Wird auf einen, die Messflächen
101 ,102 begrenzenden Reflektor9 verzichtet (siehe4 -6 ), kann eine derartige Folie in das Systemgehäuse (nicht weiter dargestellt) in der Ebene des rotierenden Spiegels4 /austretenden Lichtes2 eingebunden werden. Für den gezielten Lichtaustritt wird dann eine Öffnung (nicht näher dargestellt) im Systemgehäuse freigelassen, dessen Breite vorbestimmbar ist. Der Rest ist wie beschrieben. - Des Weiteren lässt sich die Position des Referenzobjektes
12 (rechtwinklig) zur Messebene101 ,102 , also längs der Z-Achse bestimmen. Durch ein Ein- und Austauchen des Referenzobjektes12 in die Messebenen101 ,102 kann somit die dritte Dimension (Z-Achse) relativ zur Messebene (X-Y) bestimmt werden (4 ,5 ). Dies erfolgt durch Auszählen der Codierung10 und den dazwischen befindlichen Reflexfolienabschnitten9 in der Längsachse am mobilen Referenzobjekt12 , so dass die Position der Z-Achse beim Verschieben des Referenzobjektes12 an mehreren Stellen ermittelbar wird. In5 wird der Lichtstrahl2 durch die Reflexionsfolie9 zurückgeworfen, in4 nicht. Anhand der Anzahl der Übergänge kann dann die Detektion, Lokalisierung und Vermessung des Referenzobjektes12 im3 dimensionalen Raum vorgenommen werden. -
6 zeigt eine Möglichkeit der Kalibrierung bzw. Kontrolle der Neigung der Z-Achse des Referenzobjektes12 . Dazu besitzt das Referenzobjekt12 einen in das Gehäuse15 eingebundenen Zylinderspiegel11 , der bekanntlich nur dann das Licht2 als Lichtstrahl13 auf den Ausgangspunkt zurückwirft, wenn das Licht2 senkrecht auf den Spiegel11 auftrifft. Damit kann ermittelt werden, ob die Z-Achse des Referenzobjektes12 senkrecht zu den beiden Messsystemen20 ausgerichtet ist. - Die vorgenannten Varianten können zum Messen und/oder Kalibrieren von Maschinen und Robotern jeglicher Art, zur Kollisionsüberwachung bei Maschinen jeglicher Art sowie zur Türüberwachung auch bei Aufzügen, Objektschutz und Alarmsystemen aller Art und Zutrittsüberwachung genutzt werden.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202005020705 U1 [0002]
- - DE 102006062447 A1 [0002]
- - DE 102005002190 B4 [0003]
- - DE 69531462 T2 [0004]
- - EP 0875728 B1 [0004]
- - DE 69518953 T2 [0004]
- - EP 0689032 B1 [0004]
- - DE 69411102 T2 [0005]
- - EP 0643283 B1 [0005]
- - DE 102008053881 [0006, 0007]
- - CA 2376812 C [0006]
- - DE 102007009013 A1 [0006]
- - DE 102007006405 A1 [0006]
- - DE 102004025325 A1 [0006]
Claims (9)
- Vorrichtung (
100 ) zur Überwachung eines Überwachungsbereiches (101 ,102 ) zumindest auf das Vorhandensein eines oder mehrer Objekte(s) (8 ,12 ), umfassend – wenigstens ein Messsystem (20 ) mit wenigstens einer Strahlenquelle (1 ) zur Erzeugung eines Strahles (2 ), wie Laser- oder Lichtstrahl, und wenigstens einen Lichtsensor (3 ), die in einem Systemgehäuse untergebracht sein können, sowie – eine Lichtablenkeinheit (4 ), die in Wirkverbindung mit einem Motor (5 ) steht und durch diesen um eine Achse rotieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Referenz oder Codierung (10 ) eingebunden ist, die in bzw. vor einem, den Überwachungsbereich (101 ,102 ) begrenzenden oder im Systemgehäuse integrierten katadioptrischen Reflektor bzw. Reflektorfolie (9 ) angebracht sein kann, so dass – mittels der Kenntnis der Drehfrequenz und der Winkelgeschwindigkeit der Lichtablenkeinheit (4 ) die Dauer einer Unterbrechung, Störung oder Abschwächung bedingt durch das Vorhandensein des Objekts (8 ) bestimmt und damit eine Winkelauswertung zur Positionserkennung der Objektlage erfolgen kann. - Vorrichtung (
100 ) zur Überwachung eines Überwachungsbereiches (101 ,102 ) zumindest auf das Vorhandensein eines oder mehrer Objekte(s) (8 ,12 ), umfassend – wenigstens ein Messsystem (20 ) mit wenigstens einer Strahlenquelle (1 ) zur Erzeugung eines Strahles (2 ), wie Laser- oder Lichtstrahl, und wenigstens einen Lichtsensor (3 ), die in einem Systemgehäuse untergebracht sein können, sowie – eine Lichtablenkeinheit (4 ), die in Wirkverbindung mit einem Motor (5 ) steht und durch diesen um eine Achse rotieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzobjekt (12 ) mit einer Referenz bzw. Codierung (10 ) versehen eingebunden ist, so dass durch ein Ein- und Austauchen des Referenzobjektes (12 ) im Überwachungsbereich (101 ,102 ) eine Messung der Z-Achse relativ zur Messebene (X-Y) erfolgen kann. - Vorrichtung in einer Kombination nach Anspruch 1 und 2.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkelsensor (
6 ) vorgesehen ist, der funktional mit der Lichtablenkeinheit (4 ) und dem Motor (5 ) verbunden ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtablenkeinheit (
4 ) ein in 45° angeordneter Spiegel, Prisma oder anderes optisches Element ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontrolle der Neigung und/oder Kalibrierung des Referenzobjektes (
12 ) ein Zylinderspiegel (11 ) vorgesehen ist. - Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Messen und/oder Kalibrieren von Maschinen und Robotern jeglicher Art.
- Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Kollisionsüberwachung bei Maschinen jeglicher Art.
- Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Türüberwachung auch bei Aufzügen, Objektschutz und Alarmsystemen aller Art sowie Zutrittsüberwachung.
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