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Die vorliegende Anmeldung betrifft ein flächiges Positionskennzeichen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Werkstück gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8, ein Positionsbestimmungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 sowie die Verwendung eines Positionskennzeichens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Die vorliegende Erfindung betrifft Positionskennzeichen zur Bestimmung deren Position und/oder Lage oder der eines zugeordneten Werkstücks. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein flächiges, einem Werkstück zugeordnetes Positionskennzeichen, besonders bevorzugt für die industrielle Fertigung.
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Zur vollautomatischen Bearbeitung von Werkstücken, beispielsweise mit einer CNC-Fräse o. dgl., ist eine automatische Erkennung eines Werkstücks sowie seiner Lage und/oder Orientierung notwendig, insbesondere wenn auch eine Verarbeitung unterschiedlicher, wechselnder und/oder vollautomatisch zugeführter Werkstücke ermöglicht werden soll.
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Positionskennzeichen sind seit Langem beispielsweise aus Anwendungen der Maskenausrichtung in der Lithographie bekannt. Die
US 5,665,495 A zeigt in diesem Zusammenhang beispielsweise einen Rahmen mit einem innenliegenden Quadrat zur Ausrichtung einer Fotomaske. Solche Positionskennzeichen sind primär für den Einsatz innerhalb einer Ebene, also zur Erkennung eines Versatzes oder einer Rotation ausgebildet, für die Erkennung einer räumlichen Position oder einer räumlichen Orientierung jedoch weniger geeignet.
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Auf einem vollkommen anderen Gebiet, und zwar dem der virtualen Welten auf Computersystemen, werden zur Raumcodierung für die Digitalisierung dreidimensionaler Objekte ebenfalls Positionskennzeichen verwendet. In
Fiala, Mark: "ARTag, Fiducial Marker System Using Digital Techniques", Porceedings of the 2005 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR ’05) wird eine Matte mit einer Vielzahl von Positionskennzeichen auf einer Fläche bzw. einem speziellen Fototisch verwendet. Die Positionskennzeichen bestehen aus einem breiten Rahmen und einem in diesem Rahmen befindlichen Kodierbereich zur Identifikation. Dies soll eine Identifizierung einer Vielzahl der regelmäßig angeordneten Positionskennzeichen auf der Matte bzw. eine Zuordnung zu auf einem auf einem Computersystem hinterlegten Positionsdaten ermöglichen. So können Tiefeninformationen für die Platzierung eines virtuellen Objekts auf der Matte verwendet werden, wobei die Tiefeninformationen mit einer einfachen Videokamera rekonstruiert werden. Die Position des jeweiligen Positionskennzeichens wird auf Basis des jeweiligen Rahmens bestimmt, was nicht sehr exakt ist, aber für die konkrete Anwendung im Bereich der Visualisierung von Gegenständen ausreicht. Zudem wird weder die Lage des Objekts direkt durch die Positionskennzeichen erkannt, noch ist das Objekt durch die Positionskennzeichen identifizierbar.
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Nicht zu verwechseln sind hingegen Positionskennzeichen mit Barcodes. Die
US 2007/0119956 A1 offenbart einen rund ausgebildeten Barcode zur Speicherung von Daten in mehreren Sektoren, die durch Bereiche zur Bestimmung einer Position und Verdrehung getrennt sind. Die Datenbereiche sind beispielhaft mit einem Muster dargestellt, das einer Schachbrettform ähnelt und einer fortlaufenden 01-Folge entspricht. Die Datenbereiche sind bei einer Anwendung mit Nutzdaten zugeordneten, unregelmäßig verteilten Punkten belegt, wobei die Punkte im vorliegenden Fall zudem einen variierenden Versatz zueinander aufweisen. Diese Punkte bzw. Datenbereiche sind daher insbesondere weder für eine Positionsbestimmung, Ortsbestimmung o. dgl. geeignet, noch werden Sie in einem solchen Zusammenhang verwendet.
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Den Bereich der industriellen Fertigung betrifft die
DE 10 2008 037 552 A1 . Offenbart wird eine Positionsbestimmung von Werkstücken, wobei mit einer Stereo-Kamera Bilddaten eines Werkstücks aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen werden, die aufgenommenen Daten werden mit Konstruktionsdaten des Werkstücks, bekannten Kanten, Abmessungen, Kurvenradien etc. abgeglichen und hierdurch wird die Position des Werkstücks bestimmt. Ein solches Verfahren ist ausgesprochen aufwendig und die Genauigkeit der Positionsbestimmung bzw. Positionierung hängt stark von der Geometrie des Werkstücks ab.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Positionskennzeichen, ein Werkstück, ein Positionsbestimmungssystem und eine Verwendung für ein Positionskennzeichen anzugeben, wobei das Positionskennzeichen identifiziert und gleichzeitig die Position und/oder Orientierung des Positionskennzeichens sehr genau bestimmt werden kann.
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Die obige Aufgabe wird durch ein Positionskennzeichen gemäß Patentanspruch 1, durch ein Werkstück gemäß Patentanspruch 8, durch ein Positionsbestimmungssystem gemäß Patentanspruch 9 oder durch eine Verwendung eines Positionskennzeichens gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich in einem ersten Aspekt mit einem Positionskennzeichen zur Erkennung der räumlichen Position und/oder Orientierung. Das Positionskennzeichen weist eine Positionsmarkierung und eine Identifikationskomponente auf. Die Positionsmarkierung weist mindestens drei Sattelpunkte auf, die auf einer Geraden liegen und/oder durch eine durchgehende Kette bildender Sattelpunktbildungselemente gebildet sind. Weiter weist die Identifikationskomponente eine Information auf, wodurch das Positionskennzeichen oder ein diesem zugeordnetes Werkstück eindeutig identifizierbar ist.
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Es ist zudem bevorzugt, dass das Positionskennzeichen Sattelpunkte in mindestens zwei linear voneinander unabhängige Raumrichtungen aufweist. In vorteilhafter Weise ist es hierdurch möglich, die Ausrichtung bzw. Neigung zuverlässig zu bestimmen.
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Der Begriff „räumlich” ist vorzugsweise so zu verstehen, dass es sich um etwas in einem, insbesondere dreidimensionalen, Raum handelt. Eine „räumliche Position” ist folglich vorzugsweise als Punkt, Bereich, Ort und/oder Koordinate in einem, insbesondere dreidimensionalen, Raum zu verstehen. Eine „räumliche Orientierung” kann eine Ausrichtung bzw. Neigung in einem Raum sein. Sie kann durch eine Ebene und/oder Richtung im dreidimensionalen Raum bestimmt bzw. charakterisiert werden. Insbesondere kann ein Neigungswinkel und/oder eine Neigungsrichtung in Bezug auf eine Referenz, wie eine Referenzachse, Referenzebene, Aufnahmerichtung einer Kamera o. dgl. eine räumliche Orientierung beschreiben, charakterisieren und/oder sein.
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”Sattelpunkte” im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Punkte oder Bereiche, bei denen sich Kanten bzw. Ecken zweier benachbarter Sattelpunktsbildungselemente tangieren.
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Vorzugsweise sind Sattelpunktbildungselemente geometrische Gebilde oder weisen solche auf. Insbesondere handelt es sich um Polygone oder dergleichen mit jeweils mindestens einer Ecke. Hierbei ist der Begriff ”Polygon” vorzugsweise in einem weitem Sinne zu verstehen, insbesondere so, dass ein Polygon insbesondere auch Kanten in Form von Kurvenzügen, gebogenen bzw. runden Bereichen oder dergleichen aufweisen kann, was also ein Polygon mit einer beliebig hohen Anzahl von Ecken. Vorzugsweise erzeugt ein Sattelpunktbildungselement vor einem Hintergrund einen Kontrast, insbesondere einen farblichen bzw. hell/dunkel-Kontrast. Zwei benachbarte Sattelpunktbildungselemente treffen sich vorzugsweise zumindest im Wesentlichen nur in einem Sattelpunkt. Besonders bevorzugt bildet ein Sattelpunktsbildungselement mit zwei Nachbarn bzw. an gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Sattelpunkt. Dies ist vorteilhaft zur Bildung einer, insbesondere einseitigen, Kette. Ein Sattelpunktbildungselement kann jedoch mit mehreren Nachbarn auch mehrere Sattelpunkte bilden.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine Aufnahme, wie ein Bild und/oder Video, des Positionskennzeichens erstellt und analysiert wird. Hierbei ist das Positionskennzeichen oder eine diesem zugeordnete Positionsmarkierung vorzugsweise in dem Bild und/oder Video zu erkennen. Die räumliche Position kann insbesondere durch Bestimmung der abgebildeten Größe des Positionskennzeichens und seiner Lage, insbesondere relativ zum Bild- und/oder Videomittelpunkt, bestimmt werden. Ein senkrecht zu der Aufnahmerichtung oder Ausrichtung einer Kamera orientiertes, oder in einer Ebene senkrecht zu der Aufnahmerichtung angeordnetes Positionskennzeichen wird vorzugsweise zumindest im Wesentlichen unverzerrt aufgenommen. Ist die Ebene gegenüber der Aufnahmerichtung geneigt, wird das Positionskennzeichen perspektivisch verzerrt dargestellt. Durch Auswertung dieser Verzerrungen lässt sich eine Orientierung bestimmen. Vorschlagsgemäß weist die Positionsmarkierung mindestens drei Sattelpunkte auf, was der Genauigkeit der Bestimmung der Position und/oder der Orientierung zuträglich ist und im Folgenden noch detaillierter erläutert wird.
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Zur Identifikation weist das Positionskennzeichen eine Identifikationskomponente mit einer Identifikationsinformation auf. Diese Information kann vorzugsweise mit oder bei der Bestimmung der Position und/oder der Orientierung ausgelesen und dieser und/oder dem Werkstück zugeordnet werden. Auch ist es möglich, dass durch die Information eine Zuordnung der Position und/oder der Orientierung zu einer vorbestimmten Lage des Positionskennzeichens auf dem Werkstück ermöglicht wird, was die Bestimmung der Position- und/oder Orientierung des Werkstücks unterstützen bzw. erleichtern kann.
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In vorteilhafter Weise kann das vorschlagsgemäße Positionskennzeichen eine einfache, genaue und zuverlässige Bestimmung der Position und/oder der Orientierung des Positionskennzeichens oder des Werkstücks mit diesem Positionskennzeichen ermöglichen oder unterstützen. Zusätzlich bietet das Positionskennzeichen die Möglichkeit seiner Identifikation und damit auch der Identifikation des ihm zugeordneten Werkstücks.
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Besonders bevorzugt wird die Identifikationskomponente zur Verifikation eines vorschlagsgemäßen Positionskennzeichens verwendet. Ziel ist es, ein vorschlagsgemäßes Positionskennzeichen von Strukturen zu unterscheiden, die einem (teilweise verdeckten) Positionskennzeichnen ähneln könnte. Die Identifikationskomponente kann dazu verwendet werden, eine potentiell als Positionskennzeichnen erkannte Struktur auf Basis einer der Identifikationskomponente zugeordneten Information zu verifizieren, also sicherzustellen, dass eine positionskennzeichen-ähnliche Struktur auch ein Positionskennzeichnen ist. Es ist besonders bevorzugt, dass die Identifikationskomponente redundante Informationen bzw. eine fehlerkorrigierende Kodierung aufweist. In vorteilhafter Weise ist es hierdurch möglich, auch eine teilweise fehlinterpretierte oder verdeckte Identifikationskomponente dazu zu verwenden, das zugeordnete Positionskennzeichen zu identifizieren und/oder zu verifizieren.
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Ein zweiter, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein solches Werkstück mit einem flächigen Positionskennzeichen zur Erkennung der räumlichen Position und/oder Orientierung, wobei das Positionskennzeichen eine Positionsmarkierung mit mindestens drei Sattelpunkten sowie eine Identifikationskomponente aufweist. Insbesondere kann das Positionskennzeichen auf dem Werkstück angebracht oder durch dieses gebildet sein und mindestens drei Sattelpunkte aufweisen, die auf einer Geraden liegen und/oder durch eine durchgehende Kette bildende Sattelpunktbildungselemente gebildet sind.
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Ein dritter, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Positionsbestimmungssystem zur Bestimmung einer räumlichen Position und/oder Orientierung. Das Positionsbestimmungssystem arbeitet vorzugsweise mit einem vorschlagsgemäßen Positionskennzeichen und/oder Werkstück. Weiter weist das Positionsbestimmungssystem mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei Kameras auf, wobei durch die Kameras ein Bild des Positionskennzeichens aus unterschiedlichen Perspektiven erzeugbar ist. Insbesondere handelt es sich also um eine Stereo-Kamera, die zur Aufnahme des Positionskennzeichens ausgebildet ist. Weiterhin ist das Positionsbestimmungssystem derart ausgebildet, dass durch Auswertung des Bildes eine räumliche Position und/oder Orientierung des Positionskennzeichens bestimmbar ist. In vorteilhafter Weise ist es mit diesen Positionsbestimmungssystem möglich, die räumliche Position und/oder Orientierung im Vergleich zu den Verfahren aus dem Stand der Technik wesentlich exakter zu bestimmen. Auch eine Verfolgung des Positionskennzeichens bzw. des Werkstücks sowie eine Positionierung und/oder Ausrichtung zum Bearbeiten ist so wesentlich genauer möglich. In vorteilhafter Weise ist es durch Einsatz einer Stereo-Kamera möglich, sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Genauigkeit der Positionsbestimmung mit einem vorschlagsgemäßen Positionskennzeichen zu verbessern. Insbesondere führen zwei unabhängige Bilder zu einer gewissen Redundanz, die zu einer verminderten Wahrscheinlichkeit einer (teilweisen) Abdeckung eines Positionskennzeichens führt. Zudem ist es möglich, dass aufgrund der Stereo-Informationen über eine diesen zugeordnete Triangulierung eine exaktere Berechnung der Ausrichtung und/oder Neigung des Positionskennzeichens ermöglicht wird.
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Ein vierter, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines Positionskennzeichens mit einer Kette von mindestens drei Sattelpunkten, wobei das Positionskennzeichen bei einem Werkstück verwendet wird und wobei die Sattelpunkte optisch erfasst und daraus die räumliche Lage und/oder Orientierung des Werkstücks bestimmt wird.
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Die oben sowie die nachfolgend beschriebenen Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung können unabhängig voneinander, aber auch in einer beliebigen Kombination realisiert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein erstes Positionskennzeichen;
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2 ein zweites Positionskennzeichens;
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3 mehrere, ausschnittsweise Detailansichten von Bereichen um einen Sattelpunkt;
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4 mehrere, durch unterschiedliche Sattelpunktbildungselemente gebildete Ketten;
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5 ein Werkstück mit Positionskennzeichen; und
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6 eine vereinfachte, schematische Darstellung eines Positionsbestimmungssystems.
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Im Folgenden werden für gleiche oder ähnliche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet, wobei entsprechende oder vergleichbare Vorteile erreicht werden, auch wenn auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird.
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1 zeigt ein vorschlagsgemäßes flächiges Positionskennzeichen 1 mit einer Positionsmarkierung 2 und einer Identifikationskomponente 3. Die Sattelpunkte 4 liegen vorzugsweise auf einer Geraden 5 und/oder sind vorzugsweise durch eine Kette 6 von Sattelbildungselementen 7 gebildet.
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2 zeigt ein zweites Positionskennzeichen 1, wobei lediglich der Übersichtlichkeit wegen schraffierte Flächen verwendet worden sind. Das Positionskennzeichen gemäß 2 entspricht im Wesentlichen dem Positionskennzeichen gemäß 1, wobei die Identifikationskomponente 3 im Positionskennzeichen gemäß 1 Daten in Form einer Kodierung, vorzugsweise einer optisch und/oder visuell lesbaren Kodierung, insbesondere in Form eines zweidimensionalen Barcodes, aufweist.
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Die Identifikationskomponente 3 weist vorzugsweise eine Information auf, wodurch das Positionskennzeichen 1 oder ein diesem zugeordnetes Werkstück 9 (in 5 und 6 gezeigt) eindeutig identifizierbar ist. Die Identifikationskomponente 3 ist vorzugsweise als Barcode, 2-D-Barcode oder dergleichen ausgebildet oder weist einen solchen auf. Die Kodierung besteht also insbesondere aus einer zweidimensionalen Abfolge von dunklen und hellen, verschiedenfarbigen oder auf sonstige Weise unterscheidbaren Punkten. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch auch möglich, dass ein aus Strichen gebildeter eindimensionaler Barcode und/oder ein Transponder oder dergleichen verwendet wird. In den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 kann sich ein solcher Transponder beispielsweise unterhalb der sichtbaren Oberfläche befinden. Vorzugsweise kann ein RFID-Transponder verwendet werden. Es kann sich um einen magnetisch oder elektrisch betreibbaren Transponder, insbesondere mit einer Spule und/oder Antenne zum Senden und/oder Empfangen ausgebildet sein. Die Spule und/oder Antenne kann in einem Substrat angeordnet sein, das insbesondere die Positionsmarkierung 2 trägt. Die Positionsmarkierung 2 kann sich beispielsweise oberhalb der Spule und/oder Antenne befinden bzw. auf diese aufgebracht, aufgedruckt und/oder durch diese gebildet sein. Durch solche Transponder ist es möglich, die jeweilige Identifikationskomponente 3 und/oder das dieser zugeordnete Positionskennzeichen 1 drahtlos und/oder per Funk zu identifizieren. Es ist auch möglich, dass eine Identifikationskomponente 3 sowohl einen Transponder als auch einen Barcode o. dgl. aufweist. Es kann jedoch ausreichend sein, wenn die Identifikationskomponente 3 nur ein Barcode, nur einen Transponder oder ein sonstiges Identifikationsmittel aufweist. Auch sind weitere konstruktive Lösungen zur Bildung der Identifikationskomponente 3 möglich.
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Vorzugsweise ist die Identifikationskomponente 3 in einem definierten, abgeschlossenen und/oder gekennzeichneten Bereich angeordnet. In den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 wird der Bereich für die Identifikationskomponente 3 durch einen optionalen Rahmen 8 abgegrenzt. Es sind jedoch auch andere konstruktive Lösungen, insbesondere auch ohne den Rahmen 8, möglich. Der Identifikationskomponente 3 kann also der Rahmen 8 zugeordnet sein und insbesondere ist die Identifikationskomponente 3 im Inneren des optionalen Rahmens 8 angeordnet. Dieser Rahmen 8 kann als Begrenzung der Identifikationskomponente 3 dienen und/oder das auslesen bzw. identifizieren dieser vereinfachen. Zudem kann mittels des Rahmens 8 eine erste, grobe Positionsbestimmung vorgenommen werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Identifikationskomponente 3 in Sattelpunktbildungselementen 7 angeordnet ist oder durch diese gebildet wird. Insbesondere kann eine (Teil-)Identifikationskomponente 3 in einem Sattelpunktbildungselement gebildet sein und das Sattelpunktbildungselement weist zusätzlich einen Rahmen auf, um einen Kontrast zum Hintergrund und die Bildung eines Sattelpunkts 4 zu ermöglichen.
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Wie bereits erwähnt, weist die Positionsmarkierung 2 mindestens drei Sattelpunkte 4 auf. Der Einsatz von Sattelpunkten 4 ermöglicht in vorteilhafter Weise eine sehr genaue Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Positionskennzeichens 1 bzw. der Positionsmarkierung 2. Anhand 3 sollen im Folgenden die Bildung von Sattelpunkten 4 durch Sattelpunktbildungselemente 7 sowie der mögliche Aufbau und mögliche Formen für Sattelbildungselemente 7 näher erläutert werden.
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Ein Sattelpunkt 4 wird vorzugsweise durch zwei benachbarte Sattelpunktbildungselemente 7 gebildet. Die Sattelbildungselemente 7 sind hierbei vorzugsweise flächige, geometrische Gebilde wie Polygone, die sich vom Hintergrund abheben können bzw. einen Kontrast zum Hintergrund erzeugen. Insbesondere können Sattelpunktbildungselemente 7 dunkler oder heller oder andersfarbig als ihr Hintergrund sein. Vorzugsweise bilden die Sattelpunktsbildungselemente 7 einen verhältnismäßigen starken Kontrast zum Hintergrund, insbesondere einen Farb- und/oder hell-/dunkel-Kontrast. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Sattelpunktbildungselemente 7 zumindest in Wesentlichen schwarz und der Hintergrund zumindest im Wesentlichen weiß ausgebildet sind oder umgekehrt. Es kann zudem vorgesehen sein, dass das Positionskennzeichen 1, die Positionsmarkierung 2 und/oder die Identifikationskomponente 3 alternativ oder zusätzlich Infrarot, UV oder sonstige Strahlung reflektiert. Auch kann das Positionskennzeichen 1, die Positionsmarkierung 2 und/oder die Identifikationskomponente 3 ein Hologramm aufweisen oder als solches ausgebildet sein.
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An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Sattelpunktbildungselemente 7 und der Rahmen 8 in 2 lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit schraffiert sind und eine realistischeres Positionskennzeichen 1 in 1 dargestellt ist. Es ist jedoch möglich, dass auch in der Anwendung das Positionskennzeichen 1 und/oder die Identifikationskomponente 3 zumindest teilweise schraffiert sind. Vorzugsweise werden einfarbige bzw. gleichmäßig gefärbte Flächen verwendet. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch Farbverläufe und/oder unregelmäßige Flächen möglich.
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Die Sattelpunktbildungselemente 7 sind vorzugsweise als Polygone ausgebildet. Hierbei ist der Begriff ”Polygon”, wie bereits Eingangs erläutert, breit zu verstehen und umfasst insbesondere geometrische Gebilde mit mindestens einer, vorzugsweise zwei Ecken, wobei ein Polygon auch beliebig viele Ecken und, insbesondere hieraus gebildete, Kurvenzüge als Kanten bzw. zumindest teilweise gebogene oder abgerundete Kurven aufweisen können.
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In 3A–3D sind Sattelpunkte 4 durch dreieckige Abschnitte von Sattelpunktbildungselementen 7 gebildet. Hierbei kann es sich insbesondere um ausschnittsweise Vergrößerungen eines Bereichs um einen Sattelpunkt 4 handeln, wobei die Sattelpunktbildungselemente 7 auch andere Formen aufweisen können. Zur Bildung eines Sattelpunkts 4 tangieren vorzugsweise zwei benachbarte Sattelpunktsbildungselemente 7 an bzw. in einem Sattelpunkt 4, insbesondere nur an bzw. in einem Sattelpunkt 4. Weiter ist bevorzugt, dass benachbarte Sattelpunktbildungselemente 7 jeweils eine Ecke aufweisen, an der sie tangieren und hierdurch einen Sattelpunkt 4 bilden.
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Eine besonders bevorzugte Form der Bildung eines Sattelpunkts 4 ist in 3A dargestellt. Hierbei ist der Sattelpunkt 4 durch Tangieren zweier zumindest im Wesentlichen rechtwinklig ausgebildeter Ecken benachbarter Sattelpunktbildungselemente gebildet. Vorzugsweise sind die Ecken zudem in entgegengesetzte Richtungen und/oder direkt mit ihren Spitzen gegeneinander gerichtet. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige und exakte Bestimmung der Position des Sattelpunkts 4 durch optische Verfahren. Es sind jedoch auch andere konstruktive Lösungen möglich.
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Beispiele für mögliche Alternativen sind in den 3B bis 3D dargestellt. In 3B tangieren benachbarte Sattelpunktsbildungselemente 7 im Sattelpunkt 4 mit ihren Ecken, die spitzwinklig ausgebildet sind. In 3C tangieren Ecken benachbarter Sattelpunktbildungselemente 7, die stumpfwinklig ausgebildet sind. In 3D tangieren benachbarte Sattelpunktbildungselemente 7 in dem Sattelpunkt 4, wobei die tangierenden Ecken der benachbarten Sattelpunktbildungselemente 7 unterschiedliche Winkel aufweisen, insbesondere einen spitzen und einen stumpfen Winkel.
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Vorzugsweise sind benachbarte Sattelpunktbildungselemente 7, zumindest im Bereich um den Sattelpunkt 4, in Bezug auf den Sattelpunkt 4 punktsymmetrisch. Hierdurch verlaufen sich gegenüberliegende Kanten der benachbarten Sattelpunktbildungselemente 7 im Bereich um den Sattelpunkt 4 zumindest im Wesentlichen auf einer Geraden. Dies begünstig eine besonders exakte Bestimmung Position des Sattelpunktes 4, da bei einer etwas unscharfen Darstellung oder Abbildung der Sattelpunktsbildungselemente 7 die exakte Position des Sattelpunkts 4 gut approximiert werden kann. Dieser Vorteil wird insbesondere dann erreicht, wenn der Bereich um den Sattelpunkt 4 zumindest im Wesentlichen punktsymmetrisch ausgebildet ist und zusätzlich die sich tangierenden Ecken der Sattelpunktbildungselemente 7 zumindest im Wesentlichen rechtwinklig ausgebildet sind.
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Der Begriff „tangierende Ecken” ist sind im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in einem weiterem Sinn zu verstehen. Insbesondere ist es möglich, dass es sich bei tangierenden Ecken auch um leicht abgerundete und/oder um sich gerade eben noch nicht berührende und/oder sich gerade eben überschneidende Ecken handelt.
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Eine vorschlagsgemäße Positionsmarkierung 2 weist mindestens drei Sattelpunkte 4 auf. Diese liegen bevorzugt auf einer Geraden 5 und/oder sind durch eine durchgehende Kette 6 von Sattelpunktbildungselementen 7 gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die vorschlagsgemäße Positionsmarkierung 2 Sattelpunkte in mindestens zwei unterschiedliche Raumrichtungen aufweist, was eine Positionsbestimmung, insbesondere eine Bestimmung der Ausrichtung bzw. Neigung der Positionsmarkierung 2 ermöglicht bzw. erleichtert. Es kann also insbesondere vorgesehen sein, dass mindestens drei Sattelpunkte 4 auf einer Geraden 5 liegen und zusätzlich mindestens ein weiterer Sattelpunkt abseits dieser Geraden 5 platziert ist.
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Eine Kette 6 wird vorzugsweise durch eine, insbesondere zumindest im Wesentlichen unterbrechungsfreie, Aneinanderreihung von Sattelpunktbildungselementen 7 gebildet. Eine Kette 6 kann zudem ein Teil einer längeren insbesondere zumindest im Wesentlichen unterbrechungsfreien, Aneinanderreihung von Sattelpunktbildungselementen 7 sein. In 4A bis 4C sind drei unterschiedliche Ketten 6 mit Sattelpunktbildungselementen 7 zur Bildung von Sattelpunkten 4 dargestellt. 4A zeigt eine Kette 6, wobei die Sattelpunktbildungselemente 7 vorzugsweise parallelogrammförmig, insbesondere rautenförmig, weiter insbesondere zumindest im Wesentlichen rechteckig, besonders bevorzugt quadratisch ausgebildet sind. Benachbarte Sattelpunktbildungselemente 7 tangieren vorzugsweise jeweils an einer Ecke unter Bildung eines Sattelpunktes 4.
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Die Position eines Sattelpunkts 4 lässt sich insbesondere bei Aufnahme dessen mit einer begrenzten Auflösung approximieren, indem die durch die auf den jeweiligen Sattelpunkt 4 zulaufenden Kanten der benachbarten Sattelpunktbildungselemente 7 verwendet werden, um den in ihrer Verlängerung befindlichen Sattelpunkt 4 anzunähern. Alternativ oder zusätzlich kann ein Sattelpunkt 4 durch Identifikation eines lokalen Minimums, insbesondere mittels Gradientenabstieg, angenähert und/oder bestimmt werden. Vorzugsweise bezieht sich der Begriff ”lokales Minimum” auf die minimale Ausdehnung des Bereichs zwischen zwei benachbarten Sattelpunktbildungselementen 7. Eine Vergrößerung der Sattelpunktbildungselemente 7 bzw. eine Verlängerung der auf einen jeweiligen Sattelpunkt 4 zulaufenden Kanten der Sattelpunktsbildungselemente 7 kann die Genauigkeit der Approximation der Position eines Sattelpunkts 4 verbessern. Daher ist es insbesondere im Hinblick auf eine effektive Platznutzung bevorzugt, dass die Sattelpunktbildungselemente 7 eine durchgehende Kette 6 bilden. Hierdurch kann ein maximal großer Bereich um den jeweiligen Sattelpunkt 4 zur möglichst genauen Bestehung seiner Position verwendet werden. Eine durchgehende Kette 6 liegt im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugsweise auch bereits dann vor, wenn diese durch kleine Unterbrechungen nur eine zumindest im Wesentlichen unterbrechungsfreie Aneinanderreihung von Sattelpunktbildungselementen 7 ist. Eine kleine Unterbrechung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise eine Unterbrechung, die weniger als einer Hälfte, vorzugsweise weniger als einem Viertel, insbesondere weniger als einem Achtel der maximalen Erstreckung eines zugeordneten Sattelpunktbildungselements 7 entspricht.
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Vorzugsweise weisen benachbarte Sattelpunkte 4 zumindest im Wesentlichen den gleichen Abstand zu einander auf. Dies ermöglicht, insbesondere bei Einsatz mehrere Sattelpunkte in einem vorschlagsgemäßen Positionskennzeichen, eine sehr genaue Positionsbestimmung auch im Bereich der Auflösungsgrenze einer Vorrichtung zum Abbilden und/oder Auswerten des Positionskennzeichens.
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Vorzugsweise liegen die Sattelpunktbildungselemente 7, die Sattelpunkte 4 und/oder die Kette 6, zumindest bereichsweise oder abschnittsweise, auf einer Geraden 5. Besonders bevorzugt bilden mindestens drei Sattelpunkte 4 eine Kette, wobei die Sattelpunkte 4 auf mindestens zwei linear voneinander unabhängigen Geraden liegen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass jeweils mindestens drei Sattelpunkte 4 und/oder vier Sattelpunktbildungselemente 7 jeweils auf einer Graden 5 liegen. Weiter kann es vorgesehen sein, dass die Sattelpunktbildungselemente 7 bzw. die Kette 6 achsensymmetrisch zu der Geraden 5 ausgebildet ist. Weiter können benachbarte Sattelpunktbildungselemente 7 zu einer im zugeordneten Sattelpunkt 4 angreifenden und senkrecht auf der Geraden 5 stehenden Achse symmetrisch ausgebildet sein.
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Durch Einsatz mehrer Sattelpunkte 4, insbesondere in einem gleichbleibenden Abstand und/oder verlaufend auf einer Geraden 5, kann es bei einer Aufnahme und Auswertung des Positionskennzeichen 1 in Abhängigkeit von der Auflösung, mit der das Positionskennzeichen 1 zur Auswertung aufgenommen wird, zu Interferenzen kommen. Hiermit ist insbesondere gemeint, dass eine regelmäßige Anordnung von Sattelpunktbildungselementen 7 in Wechselwirkung mit dem Raster eines Kamera-Sensors zu periodischen, Moiré-Effekt ähnlichen Effekten führen kann. Diese können Rückschlüsse auf die genaue Position der Sattelpunkte 4 zulassen und/oder eine Korrektur von ermittelten Positionsdaten ermöglichen. Insbesondere ähnelt dies dem Prinzip einer Unterabtastung. Die Verwendung mehrerer Sattelpunkte 4 ermöglicht also in vorteilhafter Weise eine genaue Bestimmung der Position des Positionskennzeichens 1 bzw. der Positionsmarkierung 2.
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In den 4B und 4C sind Ketten 6 mit alternativen Sattelpunktbildungselementen 7 dargestellt. In 4B sind die Sattelpunktbildungselemente 7 sechseckig ausgebildet. Die Kette 6 in 4C weist Sattelpunktbildungselemente 7 auf, wobei deren Seitenbereiche zwischen den die Sattelpunkte 4 bildenden Ecken die Form eines Kurvenzugs, einer Kurve, einer Biegung, o. dgl. aufweisen.
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Die sind Ketten 6 sind vorzugsweise aus zumindest im Wesentlichen identischen Sattelpunktbildungselementen 7 gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass Ketten 6 durch Sattelpunkte 4 aus unterschiedlichen Sattelpunktbildungselementen 7 gebildet werden. Beispielsweise können sich zwei unterschiedliche Formen von Sattelpunktbildungselementen 7, insbesondere jeweils ein großes und ein kleines Sattelpunktbildungselement 7, abwechseln. Alternativ oder zusätzlich können die Sattelpunktbildungselemente an den Enden der Ketten 6, insbesondere an den Ecken des Positionskennzeichens 1 bzw. -markierung 2 oder in der Mute der Ketten 6 oder der Kanten des Positionskennzeichens 1 bzw. -markierung 2 größer oder kleiner sein oder abweichende Formen aufweisen. Eine Verwendung unterschiedlich großer und/oder unterschiedlich geformter Sattelpunktbildungselemente 7 kann in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, eine mehrstufige Positionserkennung zu unterstützen, insbesondere wobei die Position eines Positionskennzeichens 1 über große Sattelpunktbildungselemente 7 zu erst grob bestimmt wird. Im Folgenden können weitere, beispielsweise kleinere, Sattelpunktbildungselemente 7 bzw. durch diese gebildete Sattelpunkte 4 für eine genauere Bestimmung der Position und/oder zu einer, insbesondere genaueren, Bestimmung der Orientierung verwendet werden.
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Vorzugsweise bilden die Sattelpunkte 4 oder Sattelpunktbildungselemente 7 eine einreihige Kette 6. Eine einreihige Kette 6 bittet Vorteile in Bezug auf den Platzbedarf für die Positionsmarkierung 2 bzw. für das Positionskennzeichen 1. Eine schachbrettartige Struktur aus Sattelpunktbildungselementen 7 kann alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen sein, insbesondere wenn die Identifikationskomponente 3 als Transponder ausgebildet und unterhalb der Positionsmarkierung bzw. nicht sichtbar angeordnet ist.
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Das Positionskennzeichen 1 kann Sattelpunkte 4 und/oder Sattelpunktketten 6 mit unterschiedlichen Ausrichtungen aufweisen. Vorzugsweise ist hierfür die Positionsmarkierung 2 mit mindestens zwei (Teil-)Ketten 6 gebildet, die vorzugsweise jeweils auf Geraden 5 liegen, insbesondere wobei die Geraden 5 in ihrer Ausrichtung linear unabhängig von einander sind. Besonders bevorzugt sind die Ketten 6 bzw. die diesen zugeordneten Geraden 5 zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einander ausgebildet. Dies begünstigt eine Platzierung einer Vielzahl von Sattelpunkten 4 auf möglichst kleinem Raum, was der Genauigkeit der Positionsbestimmung zuträglich ist.
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Der Einsatz mehrerer Sattelpunkte 4, insbesondere als Ketten 6 in der oben beschriebenen Weise, ermöglicht bzw. erleichtert das Bestimmen einer Ebene im Raum. Liegt das Positionskennzeichen 1 nicht exakt senkrecht zu einer Richtung, aus der ein Bild, Video o. dgl. zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Positionskennzeichens 1 aufgenommen wird, können sich perspektivische Verzerrungen ergeben. Diese Verzerrungen sind charakteristisch für die Orientierung. Eine Auswertung der Verzerrungen beispielsweise durch Vergleich des aufgenommenen Positionskennzeichens 1 mit einem bekannten bzw. hinterlegten Positionskennzeichen 1, kann die Orientierung bestimmt werden kann. Eine Ausrichtung von Ketten 6 in unterschiedliche Raumrichtungen, insbesondere wenn diese jeweils auf Geraden 5 liegen, erleichtert in diesem Zusammenhang die Bestimmung der Verzerrungen in unabhängigere Raumrichtungen und hierdurch eine sehr genaue Bestimmung der Orientierung des Positionskennzeichen 1.
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Vorzugsweise kann eine auf einer gemeinsamen Geraden und/oder Kurve und/oder entlang einer Seite des Positionskennzeichens 1 und/oder der Informationskomponente 3 gebildete (Teil-)Kette 6 mindestens drei, vorzugsweise mindestens vier, insbesondere fünf oder mehr Sattelpunktbildungselemente 7 aufweisen. Die Länge einer Kante eines Sattelpunktbildungselements 7 kann beispielsweise mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 1,7 mm, insbesondere mindestens 3 mm und/oder höchstens 100 mm, vorzugsweise höchstens 50 mm, insbesondere höchstens 34 mm betragen, insbesondere wenn das Sattelpunktelement 7 die Form eines Parallelogramms, vorzugsweise eines Rechtecks, insbesondere eines Quadrats hat.
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Vorzugsweise ist die Identifikationskomponente 3 von der Positionsmarkierung 2 umgeben oder umschlossen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass Sattelpunkte 4 zumindest in zwei unterschiedliche bzw. unabhängige Raumrichtungen ausgebildet sind. Zudem erhöht dies die Wahrscheinlichkeit, dass die Position und/oder Orientierung auch bei teilweise verdecktem Positionskennzeichen 1 sicher bestimmt werden kann. Dies begünstigt insbesondere durch zusätzliche Informationen über perspektivische Verzerrungen eine Bestimmung der Orientierung des Positionskennzeichens 1. Insbesondere kann die Identifikationskomponente 3 von der Positionsmarkierung 2 derart umgeben oder umschlossen ist, dass Geraden 5, auf denen die Sattelpunkte 4 und/oder die Sattelpunktbildungselemente 7 liegen, in zumindest im Wesentlichen nur zwei unterschiedliche Richtungen angeordnet sind, insbesondere wobei diese eine Raute, ein Rechteck, ein Quadrat oder dergleichen um die Identifikationskomponente 3 bilden. Hierdurch können zusätzliche und/oder redundante Informationen bestimmt und hierdurch die Position und/oder die Orientierung des Positionskennzeichens 1 zuverlässig erkannt werden.
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Vorzugsweise sind die Sattelpunkte 4 entlang von Seiten der Identifikationskomponente 3 angeordnet. Insbesondere können die Sattelpunkte 4 oder die Sattelpunktbildungselemente 7 eine geschlossene Kette 6 um die Identifikationskomponente 3 bilden. Dies ermöglicht eine effektive Flächennutzung. Eine geschlossene Kette 6 ist auch in den Ausführungsbeispielen für Positionskennzeichen 1 in 1 und 2 dargestellt. Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass eine Kette 6 nur zumindest im Wesentlichen geschlossen ist, wobei ein oder mehrere Sattelpunktbildungselemente 7 Unterbrechungen aufweisen können, was bereits im Zusammenhang mit 4 im Detail erläutert wurde.
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Das Positionskennzeichen 1 und/oder die Positionsmarkierung 2 kann beispielsweise mindestens 5, vorzugsweise mindestens 8, insbesondere 12, 18 oder mehr Sattelpunktbildungselemente 7 aufweisen. Die Identifikationskomponente 3 kann beispielsweise eine Oberfläche einnehmen, die mindestens der doppelten, vorzugsweise dem vierfachen, insbesondere mindestens dem achtfachen oder mehr der durch ein Sattelpunktbildungselement 7 eingenommenen Fläche entspricht. Das Positionskennzeichen 1 ist vorzugsweise flach, flächig und/oder platt ausgebildet. Insbesondere ist es auf einer Fläche oder einem flachen Substrat, wie auf einem Träger, einem Aufkleber, einer Folie, einem Klebefilm oder dergleichen, gedruckt oder auf andere Weise hierauf und/oder in einem bzw. mit einem solchen Substrat gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass das Positionskennzeichen 1 gewölbt und/oder gebogen ist und/oder ein Relief oder eine, insbesondere auch dreidimensionale, Struktur bildet.
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5 zeigt ein Werkstück 9 mit mindestens einem, vorzugsweise zwei oder mehreren, insbesondere drei an unterschiedlichen Bereichen des Werkstücks 9 angeordneten Positionskennzeichen 1. Die Positionskennzeichen 1 weisen vorzugsweise mindestens drei Sattelpunkte 4 zur genauen Erkennung der räumlichen Position und/oder Orientierung und eine Identifikationskomponente 3 auf. Die Identifikationskomponenten 3 können dazu verwendet werden, das Werkstück 9 und/oder die Positionen der Positionskennzeichen 1 auf dem Werkstück 9 zu identifizieren und insbesondere hierdurch eine räumliche Position und/oder Orientierung des Werkstücks 9 zu bestimmen.
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Vorzugsweise werden mehrere Positionskennzeichen 1 auf dem Werkstück 9 eingesetzt. Hierdurch ist es möglich, die Position und/oder Orientierung des Werkstücks 9 auch in dem Fall zu bestimmen, wenn eines der Positionskennzeichens 1 verdeckt ist. Zudem erleichtert und/oder verbessert die Verwendung mehrerer Positionskennzeichen 1 die Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung des Werkstücks 9. Zwar ist mit jedem einzelnen der Positionskennzeichen 1 bereits eine Bestimmung der Position und/oder Orientierung des zugeordneten Werkstücks 9 möglich, die Verwendung redundanter Informationen und insbesondere deren Kombination ist jedoch Vorteilhaft für eine besonders exakte Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Werkstücks 9. Vorzugsweise spannen mindestens drei durch Positionskennzeichen 1 definierte Punkte eine Ebene im Raum auf, wodurch alternativ oder zusätzlich zu der Orientierung der jeweiligen Positionskennzeichen 1 auch eine Orientierung des Gesamtsystems bestimmbar ist. Dies Ermöglicht eine exakte, zuverlässige Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Werkstücks 9.
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Ein oder mehrere Positionskennzeichen 1 sind vorzugsweise auf dem Werkstück 9 angebracht oder durch dieses gebildet. Das oder die Positionskennzeichen 1 können beispielsweise auf das Werkstück 9 aufgeklebt, an das Werkstück 9 angeschraubt oder angeklemmt sein. Es kann sich bei dem Positionskennzeichen 1 insbesondere um einen Aufkleber o. dgl. handeln. Insbesondere kann das Positionskennzeichen auf einem Trägermaterial gebildet sein und/oder das Positionskennzeichen 1 weist ein Trägermaterial auf. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass ein oder mehrere Positionskennzeichen 1 auf das Werkstück 9 aufgedruckt, als Aufdruck ausgebildet oder durch das Werkstück 9 gebildet sind. Durch das Werkstück 9 können Positionskennzeichen beispielsweise unter Verwendung von Prägetechnik, durch Gravur, wie Lasergravur oder Plasmagravur, durch Funkenerosion oder durch andere Verfahren zur Bearbeitung, Beschriftung oder dergleichen gebildet werden.
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In 6 ist ein Positionsbestimmungssystem 10 zur Bestimmung einer räumlichen Position und/oder Orientierung dargestellt. Auf dem Werkstück 9 ist mindestens ein Positionskennzeichen 1 vorzugsweise zwei Positionskennzeichen 1 angeordnet. Weiter weist das Positionsbestimmungssystem 10 vorzugsweise zwei Kameras 11, insbesondere eine aus zwei Kameras 11 gebildete Stereo-Kamera, auf. Durch die Kameras 11 ist vorzugsweise ein Bild mindestens eines Positionskennzeichens 1, insbesondere aus den Kameras 11 zugeordneten, unterschiedlichen Perspektiven, erzeugbar.
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Es werden also vorzugsweise von dem Werkstück 9 mit den Positionskennzeichen 1 mindestens zwei Bilder aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen. Diese werden vorzugsweise ausgewertet und zur Bestimmung einer räumlichen Position und/oder Orientierung des/der Positionskennzeichen 1 und/oder des Werkstücks 9 verwendet. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die räumliche Position und/oder Orientierung des Werkstücks 9 bzw. des Positionskennzeichens 1 auch mit nur einer Kamera 11 zu bestimmen. Eine Kombination mindestens eines vorschlagsgemäßen Positionskennzeichen 1 und mindestens zwei Kameras 11 zur Erzeugung von Bildern unter Verwendung unterschiedlicher Perspektiven ist jedoch bevorzugt, da hierdurch eine besonders exakte Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Werkstücks 9 möglich ist. Insbesondere ermöglicht der Einsatz zweier Kameras 11 alternativ oder zusätzlich zur Bestimmung der Orientierung auf Basis von Verzerrungsinformationen eine Stereo-Triangulierung, was zu einer verbesserten und/oder zuverlässigeren Bestimmung der Orientierung führen kann. Weiter wird die Verfolgung bzw. das Tracking des Positionskennzeichens 1 erleichtert, insbesondere da die Verwendung zweier Kameras 11 sowohl die Bestimmung dreidimensionaler Informationen ermöglicht, als auch die Wahrscheinlichkeit verringert, dass ein Positionskennzeichen 1 bzw. ein Teil eines Positionskennzeichen 1 für beide Kameras 11 gleichzeitig verdeckt ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Positionskennzeichen 1 zur Qualitätskontrolle eingesetzt wird. Insbesondere können mehrere Elemente oder Baugruppen jeweils mit mindestens einem Positionskennzeichen 1 versehen sein. Hierdurch ist deren Position und/oder Orientierung und/oder Identität feststellbar. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Montage der Elemente oder Baugruppen, insbesondere deren Platzierung, Befestigung oder Einbau, und/der die Kontrolle einer korrekten Montage bzw. des korrekten Einbaus, insbesondere in ein Gerät, einen Schaltschrank, eine Maschine o. dgl.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Positionskennzeichen
- 2
- Positionsmarkierung
- 3
- Identifikationskomponente
- 4
- Sattelpunkt
- 5
- Gerade
- 6
- Kette
- 7
- Sattelpunktbildungselement
- 8
- Rahmen
- 9
- Werkstück
- 10
- Positionsbestimmungssystem
- 11
- Kamera
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5665495 A [0004]
- US 2007/0119956 A1 [0006]
- DE 102008037552 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Fiala, Mark: ”ARTag, Fiducial Marker System Using Digital Techniques”, Porceedings of the 2005 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR ’05) [0005]
