DE102020212641A1 - Non-contact transport device with position detection device and method for position detection - Google Patents
Non-contact transport device with position detection device and method for position detection Download PDFInfo
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Abstract
Offenbart ist eine Beförderungsvorrichtung, die zum gleichzeitigen Befördern mehrerer Nutzlasten, ausgelegt ist, wobei jeder Nutzlast mindestens ein Transportkörper (Mover) zugeordnet ist, der schwebend über einer Oberfläche eines Stators bewegbar und positionierbar ist. Dabei erfolgt das Bewegen und das Positionieren bezüglich aller sechs Freiheitsgrade. Es ist eine optische Positionserfassungseinrichtung vorgesehen.A transport device is disclosed which is designed to transport a plurality of payloads simultaneously, with each payload being assigned at least one transport body (mover) which can be moved and positioned in a floating manner over a surface of a stator. The movement and positioning takes place with regard to all six degrees of freedom. An optical position detection device is provided.
Description
Die Erfindung betrifft eine berührungslose Beförderungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Insbesondere eignet sich die Erfindung für industrielle Anwendungen in der Montagetechnik, biologischen, chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie sowie in der Solarzellen-/Displayherstellung, Medizintechnik, Laborautomatisierung und Logistik. Besonders bevorzugt ist die Anwendung der Beförderungsvorrichtung in der Halbleiterindustrie.The invention relates to a non-contact transport device according to the preamble of
Im Rahmen der technischen Fertigung müssen oftmals Objekte bzw. Nutzlasten wie Werkstoffe, Werkstücke, Werkzeuge oder Erzeugnisse transportiert oder positioniert werden. Dazu sind sowohl berührende als auch berührungslose Beförderungsvorrichtungen bekannt, welche beispielsweise im Maschinen- und Anlagenbau Anwendung finden, beispielsweise zum Transport von Objekten bzw. Nutzlasten in Verpackungsmaschinen, zur Positionierung von Maschinenelementen oder zur möglichst präzisen Ausrichtung von Werkzeugen auf das Werkstück, beispielsweise zur Laserbearbeitung, oder in der Halbleiterindustrie zur Beschichtung, Belichtung oder Strukturierung von Substraten in Wafer-Cluster- bzw. Stepper-Anlagen. Dabei können Systeme zur Levitation von Objekten zum Einsatz kommen.Within the scope of technical production, objects or payloads such as materials, workpieces, tools or products often have to be transported or positioned. For this purpose, both contacting and non-contact conveying devices are known, which are used, for example, in mechanical and plant engineering, for example for transporting objects or payloads in packaging machines, for positioning machine elements or for aligning tools as precisely as possible on the workpiece, for example for laser processing, or in the semiconductor industry for coating, exposure or structuring of substrates in wafer cluster or stepper systems. Systems for levitation of objects can be used.
Eine Herausforderung bei der magnetischen Levitation besteht darin, eine stabil in einem Magnetfeld schwebende Konstruktion zu erstellen. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die schwebende Konstruktion entsprechend einer Zielvorgabe automatisch in allen sechs Freiheitsgraden (jeweils drei in Translation und Rotation) zu positionieren und/oder zu bewegen, was auch als vollständige magnetische Levitation bezeichnet wird.A challenge in magnetic levitation is to create a structure that levitates stably in a magnetic field. Another challenge is to automatically position and/or move the levitating structure in all six degrees of freedom (three each in translation and rotation) according to a target, also known as full magnetic levitation.
Die
Dabei wird eine vollständige magnetische Levitation des Transportkörpers in sechs Freiheitsgraden ermöglicht, d.h. in drei translatorischen und drei rotatorischen Freiheitsgraden relativ zum Stator. Dies hat den Vorteil, dass die Beförderung des Transportkörpers flexibler erfolgen kann.This enables complete magnetic levitation of the transport body in six degrees of freedom, i.e. in three translational and three rotational degrees of freedom relative to the stator. This has the advantage that the transport of the transport body can be carried out more flexibly.
Ferner bietet die
Die Positionier- und Bahngenauigkeit des Transportkörpers ist durch eine Positionsbestimmungseinheit gegeben. In diesem Zusammenhang wird ein optischer Sensor genannt.The positioning and path accuracy of the transport body is given by a position determination unit. In this context, an optical sensor is mentioned.
Die Positionier- und Bahngenauigkeit ist durch die Leistungsmerkmale der Positionsbestimmungseinheit begrenzt: je präziser die Positionsmesswerte des Transportkörpers mit der wahren Position übereinstimmen, desto höher ist dessen Positioniergenauigkeit. Je größer die Messfrequenz und je geringer die Latenz der Positionsbestimmungseinheit, desto geringer ist die Totzeit des Lagereglers, infolge dessen steigt auch die Bahnpräzision des Transportkörpers.The positioning and path accuracy is limited by the performance characteristics of the position determination unit: the more precisely the measured position values of the transport body match the true position, the higher its positioning accuracy. The higher the measuring frequency and the lower the latency of the position determination unit, the lower the dead time of the position controller, which means that the path precision of the transport body also increases.
Dem entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Beförderungsvorrichtung für Nutzlasten zu schaffen und ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Beförderungsvorrichtung, bei der die optische Positionsbestimmungseinheit eine beschleunigte und verbesserte Positionsbestimmung der Transportkörper ermöglicht.Accordingly, the invention is based on the object of creating a transport device for payloads and a method for operating such a transport device, in which the optical position determination unit enables accelerated and improved position determination of the transport bodies.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Beförderungsvorrichtung gelöst die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens gelöst durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 12.This object is achieved with regard to the transport device by the combination of features of
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.Further advantageous refinements of the invention are described in the dependent patent claims.
Die beanspruchte Beförderungsvorrichtung ist zum gleichzeitigen Befördern mehrerer Nutzlasten ausgelegt, wobei jeder Nutzlast ein Transportkörper (Mover) zugeordnet ist, der schwebend über einer Oberfläche eines Stators bewegbar und positionierbar ist. Die Herausforderung, den vollständig levitierenden Transportkörper der Beförderungsvorrichtung entsprechend einer Zielvorgabe automatisch in allen sechs Freiheitsgraden (jeweils drei in Translation und Rotation) zu positionieren und/oder zu bewegen, wird mit einem Regelkreis gelöst, wobei die Regelgröße die Position des Transportkörpers ist. Dazu ist eine optische Positionserfassungseinrichtung vorgesehen, die erfindungsgemäß mindestens ein Kameramodul und eine flache (z.B. weniger als 1 mm dicke) zweidimensionale Codeanordnung aufweist.The claimed transport device is designed for transporting a plurality of payloads simultaneously, with each payload being assigned a transport body (mover) which can be moved and positioned in a floating manner over a surface of a stator. The challenge of automatically positioning and/or moving the fully levitating transport body of the transport device in all six degrees of freedom (three each in translation and rotation) according to a target specification is solved with a control loop, with the controlled variable being the position of the transport body. For this purpose, an optical position detection device is provided which, according to the invention, has at least one camera module and a flat (e.g. less than 1 mm thick) two-dimensional code arrangement.
Die erfindungsgemäße Positionsbestimmung erfolgt in mehreren, vorzugsweise allen Freiheitsgraden, also in sechs Dimensionen für den vollständig levitierenden Transportkörper, mit hoher Frequenz und Genauigkeit. Der Regelkreis nutzt die ermittelte Position, um die Ist-Position des Transportkörpers auf eine vorgegebene SollPosition nachzuführen.The position determination according to the invention takes place in several, preferably all, degrees of freedom, ie in six dimensions for the completely levitating transport body, with high frequency and accuracy. The control circuit uses the determined position to track the actual position of the transport body to a specified target position.
Die vorliegende Erfindung beschreibt also eine Beförderungsvorrichtung mit integrierter Positionsbestimmungseinheit, die eine hohe Genauigkeit mit hoher Messfrequenz und geringer Latenz kombiniert und dadurch die vollständige Levitation mit hoher Positioniergenauigkeit und Bahnpräzision ermöglicht. Das gute Signal- zu Rausch-Verhältnis der Positionsbestimmungseinheit führt zu hoher Stabilität der Positionsregelung und reduziert den Energiebedarf der Antriebe, insbesondere des Stators. Die geringe Latenz der Positionsbestimmungseinheit reduziert die Totzeit der Lageregelung und ermöglicht so eine schnelle Reaktion auf äußere Störkräfte und - momente, die besonders schnell ausgeregelt werden, so dass jeder Transportkörper eine hohe Lagesteifigkeit bei dynamischer Einwirkung von Störkräften und -momenten aufweist.The present invention thus describes a transport device with an integrated position determination unit that combines high accuracy with a high measurement frequency and low latency, thereby enabling complete levitation with high positioning accuracy and path precision. The good signal-to-noise ratio of the position determination unit leads to high stability of the position control and reduces the energy requirement of the drives, especially the stator. The low latency of the position determination unit reduces the dead time of the position control and thus enables a quick reaction to external disturbing forces and moments, which are corrected particularly quickly, so that each transport body has a high positional rigidity under the dynamic influence of disturbing forces and moments.
Zusätzlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Positionsbestimmungseinheit durch einen einfachen und preiswerten Aufbau aus, der sich besonders platzsparend in den Transportkörper und in den Stator integrieren lässt. Durch die Möglichkeit, die Baugruppen der Positionsbestimmungseinheit an unterschiedlichen Orten in der Beförderungsvorrichtung anzuordnen, lässt sich diese besonders vorteilhaft an unterschiedliche Anwendungen anpassen.In addition, the position-determining unit according to the invention is characterized by a simple and inexpensive structure that can be integrated into the transport body and into the stator in a particularly space-saving manner. Due to the possibility of arranging the subassemblies of the position determination unit at different locations in the transport device, this can be adapted to different applications in a particularly advantageous manner.
Zwischen dem Transportkörper und dem Stator ist keine stoffliche Verbindung erforderlich, so dass die vollständige Levitation und die Bewegungsfreiheit der Transportkörper nicht eingeschränkt werden.No material connection is required between the transport body and the stator, so that the complete levitation and the freedom of movement of the transport body are not restricted.
Gemäß einem ersten Prinzip ist das Kameramodul im oder am Transportkörper mit einer Recheneinheit zur Bildauswertung angebracht, während die zweidimensionale Codeanordnung ortsfest auf dem Stator angebracht ist. Die Recheneinheit errechnet aus der Bildinformation die Position des Kameramoduls relativ zur Codeanordnung.According to a first principle, the camera module is attached in or on the transport body with a computing unit for image evaluation, while the two-dimensional code arrangement is attached in a stationary manner on the stator. The arithmetic unit calculates the position of the camera module relative to the code arrangement from the image information.
Beim ersten Prinzip muss der Transportkörper zur Energieversorgung des mindestens einen Kameramoduls einen elektrischen Energiespeicher mitführen, vorzugsweise einen Akkumulator oder einen Kondensator. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist dieser an einer Ladestation oder einer Wechselstation aufladbar oder austauschbar.In the first principle, the transport body must carry an electrical energy store, preferably an accumulator or a capacitor, to supply energy to the at least one camera module. In a preferred embodiment, this can be charged or exchanged at a charging station or a changing station.
In den Transportkörpern (vorzugsweise am jeweiligen Boden) ist mindestens ein Permanentmagnet-Array angeordnet, das in Wirkverbindung mit dem Stator bringbar und von diesem bewegbar ist. Damit ist bezüglich der Antriebstechnik keine Stromversorgung der Transportkörper nötig. Das mindestens eine Permanentmagnet-Array kann kreisringförmig sein.At least one permanent magnet array is arranged in the transport bodies (preferably on the respective floor), which is operatively connected can be brought with and moved by the stator. This means that no power supply is required for the transport bodies with regard to the drive technology. The at least one permanent magnet array can be circular.
Bei einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Prinzip ist das Sichtfeld eines Kameramoduls im Innern des kreisringförmiges Permanentmagnet-Arrays angeordnet. In an embodiment according to the first principle, the field of view of a camera module is arranged inside the annular permanent magnet array.
Bei einer besonders flexibel gestaltbaren Beförderungsvorrichtung ist der Stator aus Antriebsmodulen zusammengesetzt.In a transport device that can be configured particularly flexibly, the stator is composed of drive modules.
In dem Verbund von mehreren zusammengesetzten Antriebsmodulen und beim ersten Prinzip ist die Oberfläche der Antriebsmodule mit Codeanordnungen bedeckt, so dass die Kameramodule im Transportkörper an jeder Position des Arbeitsbereiches Ihre Position in mehreren Dimensionen messen können. Dazu gibt es verschiedene Varianten:
- • Die Codeanordnungen aller Antriebsmodule ergänzen sich zu einer durchgängigen Fläche, so dass das Code-Raster über die Antriebsmodul-Grenze hinweg fortgeführt wird. Dies setzt voraus, dass alle Antriebsmodule mit unterschiedlichen Codeanordnungen ausgestattet sind.
- • Das Code-Raster ist an den Antriebsmodul-Grenzen unterbrochen. Dies kann beispielsweise konstruktionsbedingt notwendig sein, um die Codeanordnung mit einem umlaufenden Rahmen auf der Oberfläche des Antriebsmoduls zu fixieren.
- • Eine durchgängig gedruckte Codeanordnung liegt über allen Antriebsmodulen des Stators.
- • The code arrangements of all drive modules complement each other to form a continuous area, so that the code grid is continued beyond the drive module boundary. This assumes that all drive modules are equipped with different code arrangements.
- • The code grid is interrupted at the drive module boundaries. This can be necessary for construction reasons, for example, in order to fix the code arrangement with a surrounding frame on the surface of the drive module.
- • A solid printed code array overlies all drive modules of the stator.
Gemäß einem zweiten Prinzip ist das Kameramodul mit der Recheneinheit zur Bildauswertung ortsfest im oder am Stator angebracht, während die zweidimensionale Codeanordnung an einer Unterseite des Transportkörpers angebracht ist. Die Recheneinheit errechnet aus der Bildinformation die Position der Codeanordnung relativ zum Kameramodul.According to a second principle, the camera module with the computing unit for image evaluation is fixed in or on the stator, while the two-dimensional code arrangement is attached to an underside of the transport body. The arithmetic unit calculates the position of the code arrangement relative to the camera module from the image information.
Bei einer Ausgestaltung beider Prinzipien umfasst die Codeanordnung als Basissymbole dienende Kreise, deren Mittelpunkte ein zweidimensionales periodisches Raster bilden.In an embodiment of both principles, the code arrangement comprises circles serving as basic symbols, the centers of which form a two-dimensional periodic grid.
Optional verwendet das Sensorsystem ergänzend mindestens einen Inertialsensor zur Erfassung einer Beschleunigung und einer Drehrate in jeweils drei Dimensionen. Aus den teilweise redundanten Sensordaten der Kameramodule und des Inertialsensors ermittelt ein Rechnersystem mit Hilfe eines Algorithmus' zur Sensor-Datenfusion eine optimale Schätzung der Position des Transportkörpers im ortsfesten Koordinatensystem des Stators in mehreren, vorzugsweise allen sechs Freiheitsgraden.Optionally, the sensor system additionally uses at least one inertial sensor for detecting an acceleration and a yaw rate in three dimensions. From the partially redundant sensor data of the camera modules and the inertial sensor, a computer system uses an algorithm for sensor data fusion to determine an optimal estimate of the position of the transport body in the stationary coordinate system of the stator in several, preferably all six, degrees of freedom.
Das Rechnersystem kann auf eine Recheneinheit im Transportkörper und eine Recheneinheit im Stator bzw. Antriebsmodul verteilt sein. Die Recheneinheit im Transportkörper errechnet Zwischenergebnisse oder bereits das Ergebnis der 6D-Positionsschätzung in Echtzeit und überträgt diese mittels eines Modems drahtlos an die Recheneinheit im Stator bzw. Antriebsmodul. Diese übernimmt optional weitere Rechenschritte und übermittelt die Ist-Position des Transportkörpers an die Steuerungseinheit des Stators bzw. des Antriebsmoduls, welche sie als Eingangsgröße für den Lageregler nutzt.The computer system can be distributed over a computing unit in the transport body and a computing unit in the stator or drive module. The computing unit in the transport body calculates intermediate results or the result of the 6D position estimate in real time and wirelessly transmits these to the computing unit in the stator or drive module using a modem. This optionally takes over further calculation steps and transmits the actual position of the transport body to the control unit of the stator or the drive module, which uses it as an input variable for the position controller.
In Verbindung mit dem zweiten Prinzip ist es möglich, dass der Transportkörper keine Energieversorgung benötigt. Damit entfallen mobile Energiespeicher und Ladestation bzw. Wechselstation.In connection with the second principle, it is possible that the transport body does not require an energy supply. This eliminates the need for mobile energy storage and charging stations or changing stations.
Vorzugsweise ist in dem Transportraum ein Gas (z.B. Schutzgas, Stickstoff oder Inertgas) oder ein Gasgemisch (z.B. gereinigte Luft) oder ein Vakuum oder ein Ultra-Hochvakuum (z.B. bis 10-7 oder bis 10-8 bar) oder ein aseptischer Bereich oder ein ABC geschützter Bereich oder eine Flüssigkeit (z.B. bis 2 bar) vorgesehen.Preferably in the transport space is a gas (e.g. protective gas, nitrogen or inert gas) or a gas mixture (e.g. purified air) or a vacuum or an ultra-high vacuum (e.g. up to 10 -7 or up to 10 -8 bar) or an aseptic area or a ABC-protected area or a liquid (e.g. up to 2 bar).
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Positionsbestimmung eines Transportkörpers gegenüber einem Stator nach Anspruch, mit dem Schritt:
- Ermittlung einer optimalen Schätzung der Position des Transportkörpers im ortsfesten Koordinatensystem des Stators oder eines seiner Antriebsmodule in mehreren, vorzugsweise allen sechs Freiheitsgraden aus teilweise redundanten Sensordaten der Kameramodule und des Inertialsensors mit Hilfe eines Algorithmus' zur Datenfusionierung der Sensordaten.
- Determination of an optimal estimate of the position of the transport body in the stationary coordinate system of the stator or one of its drive modules in several, preferably all six, degrees of freedom from partially redundant sensor data of the camera modules and the inertial sensor using an algorithm for data fusion of the sensor data.
Die vorliegende Erfindung beschreibt also auch ein Verfahren, das eine hohe Genauigkeit mit hoher Messfrequenz und geringer Latenz kombiniert und dadurch die vollständige Levitation mit hoher Positioniergenauigkeit und Bahnpräzision ermöglicht. Das gute Signal- zu Rausch-Verhältnis des Verfahrens führt zu hoher Stabilität der Positionsregelung und reduziert den Energiebedarf der Antriebe, insbesondere des Stators. Die geringe Latenz der Positionsbestimmungseinheit reduziert die Totzeit der Lageregelung und ermöglicht so eine schnelle Reaktion auf äußere Störkräfte und - momente, die besonders schnell ausgeregelt werden, so dass jeder Transportkörper eine hohe Lagesteifigkeit bei dynamischer Einwirkung von Störkräften und -momenten aufweist.The present invention thus also describes a method that combines high accuracy with a high measurement frequency and low latency, thereby enabling complete levitation with high positioning accuracy and path precision. The good signal-to-noise ratio of the method leads to high stability of the position control and reduces the energy requirement of the drives, especially the stator. The low latency of the position determination unit reduces the dead time of the position control and thus enables a quick reaction to external disturbing forces and moments, which are corrected particularly quickly, so that each transport body has a high positional rigidity under the dynamic influence of disturbing forces and moments.
Ein Bildfeld des Kameramoduls erfasst einen Ausschnitt der Codeanordnung und das Rechnersystem errechnet aus der Bildinformation zunächst die Position des Kameramoduls in Bezug auf die Position der Codeanordnung. Danach wird die Position des betroffenen Transportkörpers in Bezug auf die Position des Stators ermittelt.An image field of the camera module captures a section of the code arrangement and the computer system first calculates the position of the camera module in relation to the position of the code arrangement from the image information. After that, the position of the affected transport body is determined in relation to the position of the stator.
Das Rechnersystem verwendet vorzugsweise folgende Methoden zur Fusionierung der Sensorsignale:
- • Räumliche Fusionierung der Sensordaten: Durch Koordinatentransformation wird die Positionsinformation vom Bezugspunkt des jeweiligen Sensors hin zu einem gemeinsamen Bezugspunkt
im Transportkörper 1 transformiert. Der gemeinsame Bezugspunkt ist beispielsweise der geometrische Mittelpunkt oder der Schwerpunkt desTransportkörpers 1. - • Zeitliche Fusionierung der Sensordaten: die Sensorsignale oder die daraus berechneten Positionsinformationen werden in Zeitreihen aufgezeichnet. Durch Interpolation oder Extrapolation der Zeitreihen werden alle Sensorsignale auf eine gemeinsame Bezugszeit korrigiert. Die Bezugszeit ist beispielsweise diejenige Zeit, zu der der Positionsregler im Stator bzw.
im Antriebsmodul 10 die Sensordaten erhält. In diesem Fall wird von einem latenzfreien Positionswert gesprochen.
- • Spatial fusion of the sensor data: The position information is transformed from the reference point of the respective sensor to a common reference point in the
transport body 1 by means of coordinate transformation. The common reference point is, for example, the geometric center or the center of gravity of thetransport body 1. - • Temporal fusion of the sensor data: the sensor signals or the position information calculated from them are recorded in time series. All sensor signals are corrected to a common reference time by interpolation or extrapolation of the time series. The reference time is, for example, the time at which the position controller in the stator or in the
drive module 10 receives the sensor data. In this case we speak of a latency-free position value.
Mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung und ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Figuren dargestellt.Several exemplary embodiments of the conveying device according to the invention and an exemplary embodiment of the method according to the invention are shown in the figures.
Es zeigen
-
1 eine erste Variante eines Transportkörpers in einer geschnittenen Seitenansicht und in zwei geschnittenen Draufsichten, -
2 eine zweite Variante eines Transportkörpers in einer geschnittenen Seitenansicht und in einer geschnittenen Draufsicht, -
3 einen Schaltplan von elektronischen Komponenten der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung mitdem Transportkörper aus 2 , -
4 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung mitdem Transportkörper aus 1 in einer geschnittenen Seitenansicht, -
5 ein Antriebsmodul eines Stators eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung in einer Draufsicht, -
6 das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung mit einem Ausschnitt des Antriebsmoduls aus5 und mit einer dritten Variante eines Transportkörpers in einer geschnittenen Seitenansicht, -
7 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung mit einem Ausschnitt des Antriebsmoduls aus5 mit einer vierten Variante eines Transportkörpers in einer geschnittenen Seitenansicht, -
8 eine erste Variante einer Codeanordnung, -
9 eine zweite Variante einer Codeanordnung, -
10 eine erste Variante einer Parzelle einer Codeanordnung, -
11 eine zweite und eine dritte Variante einer Parzelle, jeweils mit Zusatzdaten, -
12 einen Stator mit sechs Antriebmodulen mit entsprechenden sechs Teilen einer Codeanordnung ohne Unterbrechung des Rasters, -
13 einen Stator mit sechs Antriebmodulen mit entsprechenden sechs Teilen einer Codeanordnung mit Unterbrechung des Rasters, -
14 eine perspektivische Darstellung eines Kameramodus mit einem Teil einer Codeanordnung und ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
15 eine erste Variante eines Kameramodus, -
16 eine zweite Variante eines Kameramodus, und -
17 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a first variant of a transport body in a sectional side view and in two sectional top views, -
2 a second variant of a transport body in a sectional side view and in a sectional plan view, -
3 a circuit diagram of electronic components of the transport device according to the invention with thetransport body 2 , -
4 a first embodiment of the transport device according to the invention with thetransport body 1 in a cut side view, -
5 a drive module of a stator of a second embodiment of the transport device according to the invention in a top view, -
6 the second exemplary embodiment of the transport device according to the invention with a section of thedrive module 5 and with a third variant of a transport body in a sectional side view, -
7 a third exemplary embodiment of the transport device according to the invention with a section of thedrive module 5 with a fourth variant of a transport body in a sectional side view, -
8th a first variant of a code arrangement, -
9 a second variant of a code arrangement, -
10 a first variant of a parcel of a code arrangement, -
11 a second and a third variant of a parcel, each with additional data, -
12 a stator with six drive modules with corresponding six parts of a code arrangement without grid break, -
13 a stator with six drive modules with corresponding six parts of a code arrangement with grid break, -
14 a perspective view of a camera mode with part of a code arrangement and an embodiment of the method according to the invention, -
15 a first variant of a camera mode, -
16 a second variant of a camera mode, and -
17 an embodiment of the method according to the invention.
Der Transportkörper 1 besitzt weiterhin einen Energiespeicher 5, beispielsweise einen Akkumulator oder einen Kondensator, zur Versorgung der Komponenten der Positionsbestimmungseinheit mit Strom und eine Ladestrom-Schnittstelle 8 zum Aufladen des Energiespeichers 5, entweder berührend (z.B. mit galvanischen Kontakten) oder berührungslos durch kontaktlose Energieübertragung (z.B. induktiv mittels Spulen oder optisch mittels Solarzellen). Die Ladestrom-Schnittstelle 8 kann entfallen, wenn die Energieversorgung des Transportkörpers 1 durch den regelmäßigen Austausch des entladenen Energiespeichers 5 durch einen aufgeladenen Energiespeicher 5 realisiert ist.The
Weiterhin sind ein oder mehrere Kameramodule 4 zur Messung der Position des Transportkörpers 1 am Ort des Kameramoduls 4 im Transportkörper 1 integriert. Weiterhin ist ein Inertialsensor 7 zur Erfassung von Beschleunigung und Drehrate des Transportkörpers 1 in sechs Dimensionen im Transportkörper 1 integriert. Weiterhin ist eine Steuerungseinheit 6 mit Recheneinheit zur Berechnung der Transportkörper-Position aus den Daten des mindestens einen Kameramoduls 4 und des Inertialsensors 7, sowie zur zyklischen Übertragung der Transportkörper-Position an den Stator mittels einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle in den Transportkörper 1 integriert. Vorzugsweise basiert die Kommunikationsschnittstelle auf induktiver Datenübertragung und besteht aus einem Modulator/ Demodulator (Modem) mit mindestens einer angeschlossenen Spule 3 zum Senden oder Empfangen von modulierten magnetischen Wechselfeldern.Furthermore, one or
Die Kameramodule 4 erfassen ihre individuelle Position in sechs Dimensionen. Aufgrund ihrer starren mechanischen Anordnung im Transportkörper ist diese Information teilweise redundant. Die Redundanz kann genutzt werden, um die Genauigkeit der berechneten Transportkörper-Position durch Mittelung über die aus mehreren Kameramodulen 4 ermittelte Position zu erhöhen. Zusätzlich können mit einer Diagnosefunktion Fehlmessungen einzelner Kameramodule 4 erkannt und korrigiert werden, indem die vier unabhängig gewonnenen Positionswerte verglichen und plausibilisiert werden. Falls ein Positionswert stark von den übrigen abweicht, wird dieser als Fehlmessung behandelt und nicht in die Auswertung mit einbezogen.The
Ein Inertialsensor 7 im Transportkörper 1 steht in festem maßlichen Bezug zu den Kameramodulen 4. Der Inertialsensor 7 ist insbesondere zur Bestimmung von sechs Freiheitsgraden ausgebildet, d.h. er umfasst vorzugsweise eine Kombination von mindestens einem 3D Beschleunigungssensor und mindestens einem 3D Drehratesensor. Alternativ kann der Inertialsensor 7 ausgebildet sein, weniger als sechs Freiheitsgrade zu bestimmen, wie zum Beispiel nur die translatorischen und/oder rotatorischen Freiheitsgrade.An
Der Inertialsensor 7 und die Kameramodule 4 stellen ihre Messsingale und/oder Messdaten der Steuerungseinheit 6 des Transportkörpers 1 zur Verfügung, wobei die Steuerungseinheit 6 die Transportkörper-Position durch Fusion der Sensordaten ermittelt. Insbesondere ist die Steuerungseinheit 6 dazu ausgebildet, bei zeitweise ausgefallenen Kameramodulen 4 und/oder Detektionsproblemen die Transportkörper-Position auf Basis der Messdaten des Inertialsensors 7 zu bestimmen.The
Die Steuerungseinheit 6 überträgt gemäß
Alternativ zur induktiven Datenübertragung kann beispielsweise Funkübertragung oder optische Datenübertragung eingesetzt werden, wobei LED's und Photodioden in Transportkörper 1 und Stator vorgesehen sein können, die zur Informationsübertragung genutzt werden.As an alternative to inductive data transmission, for example, radio transmission or optical data transmission can be used, with LEDs and photodiodes in the
Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung kombiniert die hohe Genauigkeit der Kameramodule 4 mit der hohen Messfrequenz des Inertialsensors 7 zu einer Positionsbestimmungseinrichtung mit hoher Genauigkeit und hoher zeitlicher Auflösung. Beispielsweise ist der Inertialsensor 7 ausgebildet, die Linearbeschleunigung in drei translatorischen und die Winkelgeschwindigkeit in drei rotatorischen Freiheitsgraden zu erfassen, wobei insbesondere durch mathematische Integration der Sensorsignale die Relativposition und/oder Relativlage ermittelbar ist, allerdings ohne absoluten Bezug zu einem Maßstab und/oder einer optischen Markierung. Aufgrund des Driftverhaltens bei der Integration nimmt insbesondere der Messfehler über der Messdauer zu. Um die Driftfehler zu minimieren, kann die Messinformation der Kameramodule 4 genutzt werden, um den Transportkörper-Positionswert am Ausgang des Integrators periodisch darauf zu kalibrieren.A possible embodiment of the invention combines the high accuracy of the
Dann kann insbesondere der Inertialsensor-Positionswert und/oder Lagewert verwendet werden, um die zeitliche Auflösung des absoluten Positionswertes, gewonnen durch die Kameramodule 4, zu erhöhen. Beträgt beispielsweise die Ausgabefrequenz des Kameramoduls 4 200Hz und die Ausgabefrequenz des Inertialsensors 7 2000Hz, kann die Ausgabefrequenz des absoluten Transportkörper-Positionswertes auf 2000Hz erhöht werden, indem die vom Integrator mit 2000Hz gelieferten relativen Positions- und Winkeländerungen mit der absoluten Positionsinformation der Kameramodule 4 kombiniert werden.Then, in particular, the inertial sensor position value and/or location value can be used in order to increase the temporal resolution of the absolute position value obtained by the
In
Ein Antriebsmodul 10 des Stators weist mehrere beweglich angeordnete Magnet-Arrays 15 auf, welche jeweils über ein Stellelement bzw. einen Aktor 16 mit dem Antriebsmodul 10 verbunden sind, wobei der Aktor 16 dazu eingerichtet ist, eine Position und/oder eine Orientierung des damit verbundenen Magnet-Arrays 15 relativ zum Antriebsmodul 10 in kontrollierter Weise zu ändern. Dazu weist das Antriebsmodul 10 eine Steuerungseinheit 18 auf, die in der Lage ist, die Transportkörper 1 durch kontrollierte Positionierung und/oder Orientierung der Stellmagneten des Magnet-Arrays 15 mittels der Aktoren 16 zu befördern. Weiterhin weist das Antriebsmodul 10 ein Gehäuse 17 mit Deckplatte 12 auf. Unter der Steuerungseinheit 18 ist eine Kühlungseinheit 19 vorgesehen.A
Weiterhin sind folgende Komponenten der Positionserfassungseinheit im Stator oder im Antriebmodul 10 integriert:
- • Eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle, beispielsweise auf Basis induktiver Datenübertragung, bestehend aus mindestens einer
Spule 14 und einem FSK-Modem 18.1 (vgl.3 ), zur Kommunikation mit demmindestens einen Transportkörper 1. Im Empfangsbetrieb wird das inder Spule 14 induzierte frequenzmodulierte Signal vom FSK-Modem 18.1 demoduliert und in einen seriellen Datenstrom verwandelt, der von einer Recheneinheit eingelesen und ausgewertet wird. - • Eine Recheneinheit, welche die Kommunikation
mit dem Transportkörper 1 steuert und optional Teilaufgaben zur Sensor-Datenfusion übernimmt. Die Funktion der Recheneinheit kann beispielsweise in derSteuerungseinheit 18 desAntriebmoduls 10 integriert sein. - •
Eine zweidimensionale Codeanordnung 13, dievon den Kameramodulen 4 gelesen wird, und als Maßverkörperungfür das Koordinatensystem 11 dient. Dabeispannt die Codeanordnung 13ein Koordinatensystem 11 in der X/Y-Ebene des Antriebsmoduls 10 auf. Die Z-Richtung des Koordinatensystems 11 steht senkrecht auf der X/Y-Ebene, so dass X, Y und Zein rechtshändiges Koordinatensystem 11 bilden.
- • A wireless communication interface, for example based on inductive data transmission, consisting of at least one
coil 14 and an FSK modem 18.1 (cf.3 ), for communication with the at least onetransport body 1. In the receiving mode, the frequency-modulated signal induced in thecoil 14 is demodulated by the FSK modem 18.1 and converted into a serial data stream, which is read in and evaluated by a computing unit. - • A computing unit that controls the communication with the
transport body 1 and optionally takes on subtasks for sensor data fusion. The function of the computing unit can be integrated in thecontrol unit 18 of thedrive module 10, for example. - • A two-
dimensional code arrangement 13 which is read by thecamera modules 4 and serves as a material measure for the coordinatesystem 11 . Thecode arrangement 13 spans a coordinatesystem 11 in the X/Y plane of thedrive module 10 . The Z-direction of the coordinatesystem 11 is perpendicular to the X/Y plane, so that X, Y and Z form a right-handed coordinatesystem 11.
Mit Blick auf
Unter der Steuerungseinheit 18 ist eine Kühlungseinheit 19 des Antriebsmoduls 10 vorgesehen.A cooling
In
Gemäß einem in den
Bei Einsatz besonders schneller Kameramodule 4, deren Bilderfassungsrate die Messfrequenz des Inertialsensors 7 erreicht, kann auf den Inertialsensor 7 verzichtet werden, da er keine relevante Zusatzinformation liefert. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Vereinfachung des Transportkörper-Aufbaus gemäß der Variante aus
Die Codeanordnung 13 umfasst Basissymbole 32 wie beispielsweise Kreise, deren Mittelpunkte auf der Fläche ein zweidimensionales periodisches Raster 31 bilden. Die Kreise repräsentieren die Ziffern eines Zahlensystems mit der Basis b. Die b Ziffern werden mit mindestens b unterschiedlichen Basissymbolen 32 codiert dargestellt. Vorzugsweise wird das Binärsystems mit der Basis 2 verwendet, wobei die Ziffern 0 und 1 durch zwei Kreise mit unterschiedlichen Radien dargestellt sind.The
In den gezeigten Beispielen ist der kleinere Kreis der Ziffer 0 zugeordnet und der größere Kreis der Ziffer 1. Die Codeanordnung 13 umfasst vorzugsweise Leerstellen an einigen Rasterplätzen, die nicht mit Basissymbolen 32 besetzt sind.In the examples shown, the smaller circle is associated with the
Im Beispiel aus
In Richtung der X-Achse ist die Rasterlänge angeordnet und entlang der Y-Achse ist die Rasterbreite angeordnet. Sowohl entlang der Rasterlänge als auch entlang der Rasterbreite sind mehrere Parzellen 33 angeordnet, wobei die mehreren Parzellen 33 ein periodisches quadratisches Parzellenraster bilden. Insbesondere weisen alle Parzellen 33 die gleiche Form und die gleiche Größe auf.The grid length is arranged in the direction of the x-axis and the grid width is arranged along the y-axis. A plurality of
Auf dem Parzellenpunkt, welcher dem Mittelpunkt einer Parzelle 33 am nächsten liegt, ist ein Parzellensymbol 34 angeordnet. Das Parzellensymbol 34 ist bei der gezeigten Variante als eine Leerstelle, also durch Weglassen eines Basissymbols 32, ausgebildet. Alternativ kann das Parzellensymbol 34 an einem anderen Punkt innerhalb einer Parzelle 33 angeordnet sein, wobei die Anordnung des Parzellensymbols 34 innerhalb einer Parzelle 33 für alle Parzellen 33 der Codeanordnung 13 gleich ist. Das Parzellensymbol 34 dient insbesondere dazu, die Lese- und/oder Decodierrichtung der Basissymbole 32 innerhalb einer Parzelle 33 vorzugeben und/oder festzulegen.A
Zum Lesen des Codes werden die Basissymbole 32 spaltenweise von links nach rechts und innerhalb jeder Spalte von oben nach unten gelesen. Die Lesereihenfolge in den X-Parzellenbereichen ist in Rasterpunkt-Koordinaten (X,Y): (0,6); (0,5); (0,4); (1,6); (1,5); (1,4); (2,6); (2,5); (2,4); (3,6); (3,5); (3,4); (3,2); (3,1); (3,0); (4,2); (4,1); (4,0); (5,2); (5,1); (5,0); (6,2); (6,1); (6,0).To read the code, the
Die beiden Felder 36 kennzeichnen die Y-Parzellenbereiche, in denen der fortlaufende Code für die Position in Y-Richtung dargestellt ist. Die Lesereihenfolge entspricht derjenigen der X-Parzellenbereiche, jedoch um 90° gegen den Uhrzeigersinn gedreht, also zeilenweise von unten nach oben und innerhalb jeder Zeile von links nach rechts.The two
Der Code aus den X-Parzellenbereichen (X-Code) ist eine Teilsequenz mit t=24 Ziffern Länge aus einer Gesamtsequenz von g Ziffern, wobei g sehr viel größer als t ist. Die Anzahl g ist hinreichend groß, so dass die X-Parzellenbereiche aller in X-Richtung benachbarten Parzellen 33 vollständig gefüllt werden können. Insbesondere ist g größer als fünfzig, insbesondere größer als tausend und im Speziellen größer als eine Million. Die Inhalte der X-Parzellenbereiche von in Y-Richtung benachbarten Parzellen 33 sind identisch. Die Gesamtsequenz ist so ausgebildet, dass jede Teilsequenz von t aufeinanderfolgenden Basissymbolen 32 vorwärts gelesen in der Gesamtsequenz genau einmal enthalten ist und jede rückwärts gelesene Teilsequenz in der Gesamtsequenz vorwärts gelesen nicht enthalten ist.The code from the X parcel areas (X code) is a subsequence with a length of t=24 digits from a total sequence of g digits, where g is much larger than t. The number g is sufficiently large so that the X parcel areas of all
Der Code aus den Y-Parzellenbereichen (Y-Code) ist invertiert dargestellt, d.h. jede Ziffer z ist ersetzt durch die Ziffer (b-1-z). Für das Binärsystem mit b=2 entspricht das einer bitweisen Invertierung. Der invertierte Y-Code ist eine Teilsequenz mit t=24 Bit Länge aus einer Gesamtsequenz, wobei die gleiche Gesamtsequenz verwendet werden kann wie für den X-Code. Auch der invertierte Y-Code kommt nur einmal in der Gesamtsequenz vor und kommt rückwärts gelesen in der Gesamtsequenz nicht vor. Die Inhalte der Y-Parzellenbereiche von in X-Richtung benachbarten Parzellen 33 sind identisch.The code from the Y parcel areas (Y code) is shown in reverse video, i.e. each digit z is replaced by the digit (b-1-z). For the binary system with b=2, this corresponds to a bitwise inversion. The inverted Y code is a partial sequence with a length of t=24 bits from a total sequence, whereby the same total sequence can be used as for the X code. The inverted Y code also occurs only once in the overall sequence and does not occur in the overall sequence when read backwards. The contents of the Y parcel areas of
In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Gesamtsequenz so ausgebildet, dass eine Quersumme einer Teilsequenz kleiner als die Hälfte der maximal möglichen Quersumme einer Teilsequenz ist. Insbesondere ist die Quersumme für jede beliebige aus der Gesamtsequenz herausgegriffenen Teilsequenz kleiner als die Hälfte der maximal möglichen Quersumme einer Teilsequenz. Beispielsweise ist die Quersumme jeder Teilsequenz mit der Länge t zu einem Zahlensystem mit der Basis b kleiner als q = t (b - 1)/2.In one possible embodiment of the invention, the overall sequence is designed in such a way that a checksum of a partial sequence is less than half the maximum possible checksum of a partial sequence. In particular, the checksum for any partial sequence selected from the overall sequence is less than half the maximum possible checksum of a partial sequence. For example, the checksum of each subsequence of length t in a number system with base b is less than q=t(b-1)/2.
Die Teilsequenzen der Gesamtsequenz codieren insbesondere einen Koordinatenwert, beispielsweise die X-Koordinaten der Startposition des Lesevorgangs. Ebenso codiert eine Teilsequenz der invertierten Gesamtsequenz eine Y-Koordinate, beispielsweise die Position, von welchem an die Teilsequenz gelesen wird. Der in einer Parzelle 33 gelesene X-Code und der Y-Code sind der X- und der Y-Koordinate eines Bezugspunktes in der Parzelle 33 zugeordnet, beispielsweise dem Rasterpunkt (3,3) in der Mitte der Parzelle 33.The partial sequences of the overall sequence encode in particular a coordinate value, for example the X coordinates of the starting position of the reading process. Likewise, a partial sequence of the inverted overall sequence encodes a Y coordinate, for example the position from which the partial sequence is read. The X code and Y code read in a
Ein Lesefeld ist ein beliebiger Ausschnitt der Codeanordnung 13 von der Größe einer Parzelle 33. Das Lesefeld ist nicht an das Parzellenraster gebunden, sondern an das Raster der Basissymbole 32 und Parzellensymbole. Gegenüber dem Parzellenraster kann es um beliebig viele Rasterpunkte in X- und Y-Richtung versetzt sein.A reading field is any section of the
Jedes Lesefeld beinhaltet genau ein Parzellensymbol 34, t Basissymbole 32 aus X-Parzellenbereichen und t Basissymbole 32 aus Y-Parzellenbereichen. Aus der Position des Parzellensymbols 34 kann die Lage des Parzellenrasters und somit die Lage der X- und Y-Parzellenbereiche im Lesefeld sowie die zugehörige Lesereihenfolge abgeleitet werden. Die entsprechend der Lesereihenfolge gelesenen Basissymbole 32 ergeben eine Ziffernfolge mit t Stellen, die - ggf. nach Invertierung - eine Teilsequenz der Gesamtsequenz ist.Each reading field contains exactly one
Bei unbekannter Orientierung des Lesefeldes ist zunächst nicht bekannt, ob es sich um eine X-Achse oder eine Y-Achse handelt. Dies wird ermittelt, indem die Quersumme des gelesenen Codes errechnet und mit q verglichen wird: die Quersumme eines X-Codes ist kleiner als q, die Quersumme eines Y-Codes ist größer als q. Aus der Richtung der gelesenen Codes in Bezug auf die Gesamtsequenz (vorwärts oder rückwärts) wird die Richtung der Koordinatenachsen des Lesefeldes in Bezug auf die Koordinatenachsen der Codeanordnung 13 eindeutig abgeleitet.If the orientation of the reading field is unknown, it is initially not known whether it is an X-axis or a Y-axis. This is determined by calculating the checksum of the read code and comparing it with q: the checksum of an X code is less than q, the checksum of a Y code is greater than q. The direction of the coordinate axes of the reading field in relation to the coordinate axes of the
Auf diese Weise kann die Lage und Orientierung eines Lesefeldes im Koordinatensystem 11 der Codeanordnung 13 bestimmt werden, die Lage in ganzzahligen Schritten der Rasterweite und die Orientierung in ganzzahligen Schritten von 90°.In this way, the position and orientation of a reading field in the coordinate
In
In Beispiel a befindet sich mittig in der Parzelle 33 ein Zusatzdaten-Bereich (37) mit 5x5 Rasterpunkten, wobei der mittlere Rasterpunkt für das Parzellensymbol 34 ausgespart ist, so dass vierundzwanzig Rasterpunkte verbleiben, die jeweils ein Basissymbol 32 aufnehmen können. Auf diese Weise können in jeder Parzelle 33 vierundzwanzig Bit Zusatzinformationen dargestellt werden, die in einer festgelegten Reihenfolge gelesen werden.In example a, there is an additional data area (37) with 5×5 grid points in the center of
Beispiel b zeigt eine andere Codeanordnung 13 mit vier Parzellenbereichen für Zusatzdaten und insgesamt 40 Bit Informationsgehalt der Zusatzdaten je Parzelle 33.Example b shows another
In einem Verbund von mehreren aneinandergereihten Antriebsmodulen 10 und beim ersten Prinzip ist die Oberfläche der Antriebsmodule 10 mit Codeanordnungen 13 bedeckt, so dass die Kameramodule 4 im Transportkörper 1 an jeder Position des Arbeitsbereiches Ihre Position in mehreren Dimensionen messen können. Dazu gibt es verschiedene Varianten:
- •
Gemäß 12 ergänzen sich dieCodeanordnungen 13aller Antriebsmodule 10 zu einer durchgängigen Fläche, so dass das Code-Raster über die Antriebsmodul-Grenze hinweg unterbrechungsfrei fortgeführt wird. Dies setzt voraus, dass alle Antriebsmodule 10mit unterschiedlichen Codeanordnungen 13 ausgestattet sind. - •
Gemäß 13 ist das Code-Raster an den Antriebsmodul-Grenzen unterbrochen, indem die Rasterpunkte in einer oder mehreren Reihen entlang der Antriebsmodul-Grenzen nichtmit Basissymbolen 32 besetzt sind. Dies kann beispielsweise konstruktionsbedingt notwendig sein, um dieCodeanordnung 13 mit einem umlaufenden Rahmen auf der Oberfläche des Antriebsmoduls 10 zu fixieren. Dann können dieCodeanordnungen 13 gleich sein. - • Eine durchgängig gedruckte Codeanordnung 13, die
über allen Antriebsmodulen 10 des Stators liegt.
- • According to
12 thecode arrangements 13 of all drivemodules 10 complement each other to form a continuous surface, so that the code grid is continued without interruption across the drive module boundary. This presupposes that all drivemodules 10 are equipped withdifferent code arrangements 13. - • According to
13 the code grid is interrupted at the drive module boundaries in that the grid points in one or more rows along the drive module boundaries are not occupied bybasic symbols 32 . This can be necessary for construction reasons, for example, in order to fix thecode arrangement 13 with a surrounding frame on the surface of thedrive module 10 . Then thecode arrangements 13 can be the same. - • A solid printed
code assembly 13 overlying all drivemodules 10 of the stator.
Das Kameramodul 4 aus
Die optische Achse schneidet die Codeanordnung 13 in einem Aufpunkt mit den Koordinaten (x', y', 0). Der Vektor z' liegt auf der optischen Achse, seine Länge entspricht dem Abstand des Kameramoduls 4 vom Aufpunkt. Die kartesische Position (xk, yk, zk) des Kameramoduls 4 ergibt sich als Vektoraddition der Koordinaten des Aufpunktes und des Vektors z'.The optical axis intersects the
Das Kameramodul 4 ist ausgebildet, einen Ausschnitt der Codeanordnung 13 aufzunehmen und als Bild im Arbeitsspeicher einer Recheneinheit abzulegen. Die Recheneinheit berechnet mittels Bildauswertung aus jedem Einzelbild die Position und die Winkellage des Kameramoduls 4. Mittels einer Datenschnittstelle wird die Kameraposition (xk, yk, zk) an die Steuerungseinheit im Transportkörper 1 übertragen, welche die Datenfusion mit weiteren Sensordaten durchführt und schließlich die Position des Transportkörpers 1 berechnet.The
Die LED's 45 sind auf einer ringförmigen LED-Leiterplatte 44 zur Beleuchtung installiert, so dass sie ein Ringlicht bilden, das vorzugsweise elektrisch und mechanisch mit der Kamera-Leiterplatte 40 verbunden ist. Alternativ ist es auf der gleichen Leiterplatte 40 integriert. Vorzugsweise wird es als Blitzlicht betrieben, d.h. es leuchtet in jedem Messzyklus nur kurzzeitig zur Belichtung während der Bildaufnahme des Kamerachips auf.The
Im Zentrum des Ringlichtes befindet sich das Objektiv 42. Die LED's 45 und das Objektiv 42 sind auf die zu vermessende Codeanordnung 13 hin ausgerichtet. Um das Eindringen von direkten Lichtreflexen in das Objektiv 42 zu minimieren, ist dieses von einer lichtundurchlässigen Hülse 46 umfasst. Ein transparentes Schutzglas 47 bildet die Abschlussfläche. Das Schutzglas 47 ist im Außenbereich 47d diffus ausgeführt. In diesem Bereich tritt das Licht der LED's 45 hindurch und wird an der diffusen Glasoberfläche gestreut. Durch die diffuse Beleuchtung können Codeanordnungen 13, die eine glänzende Oberfläche besitzen, ohne störende Reflexe im Bild aufgenommen werden. Im kreisförmigen Innenbereich 47t ist das Schutzglas 47 voll transparent, so dass der Strahlengang ungehindert zum Objektiv 42 hindurchtreten kann.The
Die Erfassung der Sensordaten erfolgt periodisch, vorzugsweise mit fester Ausgabefrequenz. Beispielsweise liefert der Inertialsensor 7 die Sensordaten mit einer Ausgabefrequenz, die sich von der Ausgabefrequenz der Kameramodule 4 unterscheidet. Typischerweise ist die Ausgabefrequenz des Inertialsensors 7 um einen Faktor 2 - 100 größer als die der Kameramodule 4. Hingegen besitzen die Kameramodule 4 die Eigenschaft, präzise Absolut-Positionen zu liefern. Die Sensordaten sind die Eingangsdaten des Verfahrens zur Positionsbestimmung. Zusätzlich haben alle Einheiten Zugriff auf eine gemeinsame präzise Zeitbasis (Timer), deren zeitliche Auflösung deutlich höher ist als die beiden genannten Ausgabefrequenzen.The sensor data is recorded periodically, preferably with a fixed output frequency. For example, the
Die Daten des Inertialsensors 7 (3 DoF Beschleunigung und 3 DoF Drehrate) werden mit einem Zeitstempel versehen und nach einer Offset-Korrektur und einer Signalaufbereitung, beispielsweise mit einem digitalen Filter, an den Algorithmus zur Sensordaten-Fusion übermittelt.The data from the inertial sensor 7 (3 DoF acceleration and 3 DoF yaw rate) are provided with a time stamp and, after an offset correction and signal processing, for example with a digital filter, are transmitted to the algorithm for sensor data fusion.
Ein Kameramodul 4 nimmt ein Grauwert-Bild eines Ausschnittes der Codeanordnung 13 auf und versieht diese Daten mit einem Zeitstempel. Zunächst werden die Bilddaten rektifiziert, um abbildungsbedingte Verzeichnungen durch das Objektiv 42 rechnerisch zu kompensieren. Anschließend wird mit üblichen Methoden der Bildverarbeitung das Raster 31 von Basissymbolen 32 der Codeanordnung 13 erfasst. Die Bildkoordinaten der Rasterpunkte werden mit Subpixel-Genauigkeit präzise ermittelt, beispielsweise indem ein mathematisch erzeugtes variables Modell des Rasters 31 mit numerischer Optimierung an die gemessenen Bilddaten angepasst wird.A
Anschließend werden die Basissymbole 32 an den Rasterpunkten erfasst und klassifiziert. Beispielsweise wird mittels Blobanalyse die Fläche eines Basissymbols 32 ermittelt, wobei der Flächenwert als Klassifikationskriterium dient.The
Im Schritt „Grobpositions-Bestimmung“ wird innerhalb des identifizierten Rasters mindestens ein Lesefeld ermittelt, also ein beliebiger Ausschnitt der Codeanordnung 13 von der Größe einer Parzelle 33. Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren wird der X-Code und der Y-Code im Lesefeld gelesen und daraus die Lage und Orientierung des Lesefeldes im Koordinatensystem der Codeanordnung 13 bestimmt. Als Ergebnis liegen die Koordinaten x' und y' in ganzzahligen Schritten der Rasterweite vor, und die Orientierung ϕ3 in ganzzahligen Schritten von 90°.In the "rough position determination" step, at least one reading field is determined within the identified grid, i.e. any section of the
Optional werden in einem Bild mehrere Lesefelder an unterschiedlichen Positionen ausgewertet. Daraus ergeben sich mehrere Positionswerte, die zur Erhöhung der Lesesicherheit paarweise gegeneinander plausibilisiert werden, indem die Differenz zweier gelesener Koordinatenwerte mit dem Abstand der Lesefelder in Einheiten von Rasterpunkten verglichen wird. Unplausible Positionswerte können so mittels einer 2-aus-3-Auswahl erkannt und von der weiteren Verarbeitung ausgeschlossen werden.Optionally, several reading fields are evaluated at different positions in one image. This results in a number of position values which, in order to increase reading reliability, are checked against one another in pairs for plausibility by comparing the difference between two read coordinate values with the distance between the reading fields in units of grid points. Implausible position values can thus be identified using a 2-out-of-3 selection and excluded from further processing.
Die Auswertung mehrerer Lesefelder kann auch erforderlich sein, um an einer Grenze zwischen zwei Antriebsmodulen 10 die Transportkörper-Position relativ zu beiden Antriebsmodulen 10 zu bestimmen. In diesem Fall ist das Kameramodul 4 dazu ausgebildet, die Codeanordnungen 13 beider Antriebsmodule 10 in einem Bildfeld zu erfassen, die Grenze zu erkennen und die Positionen auf beiden Seiten der Grenze mit Lesefeldern auszuwerten.The evaluation of several reading fields can also be necessary in order to determine the transport body position relative to both drive
Die „Feinpositions-Bestimmung“ hat das Ziel, alle sechs Kamerakoordinaten mit hoher Genauigkeit zu ermitteln. Sie erhält als Eingangsinformation die Grob-Position sowie die zuvor ermittelten präzisen Koordinaten der Rasterpunkte im Kamerabild. Mittels eines Abbildungsmodells des Kameramoduls 4 und üblicher mathematischer Methoden werden aus den Rasterpunkt-Koordinaten die Kamerakoordinaten (x', y', z') und die Kamerawinkel (ϕ1, ϕ2, ϕ3) mit hoher Genauigkeit ermittelt. Optional werden die nicht-kartesischen Koordinatenwerte (x', y', z') mit Hilfe der Kamerawinkel (ϕ1, ϕ2, ϕ3) in kartesische Kamerakoordinaten (xk, yk, zk) umgerechnet. Das Verfahren wird in gleicher Weise für alle Kameramodule 4 in einem Transportkörper 1 angewendet.The "fine position determination" aims to determine all six camera coordinates with high accuracy. It receives the rough position and the previously determined precise coordinates of the grid points in the camera image as input information. The camera coordinates (x′, y′, z′) and the camera angles (φ1, φ2, φ3) are determined with high accuracy from the grid point coordinates using an imaging model of the
Die Sensordaten-Fusion ermittelt aus den Messdaten des Inertialsensors 7, der Kameramodule 4, der Zeitinformation aller Messungen und der aktuellen Zeit mit Hilfe mathematischer Verfahren eine präzise und aktuelle Schätzung der Transportkörper-Position. Dazu werden die mit unterschiedlichen Zeitstempeln versehenen und an unterschiedlichen Orten des Transportkörpers 1 aufgenommenen Messdaten räumlich und zeitlich fusioniert.The sensor data fusion uses mathematical methods to determine a precise and up-to-date estimate of the transport body position from the measurement data from the
Das Rechnersystem verwendet vorzugsweise folgende Methoden zur Fusionierung der Sensorsignale:
- • Räumliche Fusionierung der Sensordaten: Durch Koordinatentransformation wird die Positionsinformation vom Bezugspunkt des jeweiligen Sensors hin zu einem gemeinsamen Bezugspunkt
im Transportkörper 1 transformiert. Der gemeinsame Bezugspunkt ist beispielsweise der geometrische Mittelpunkt oder der Schwerpunkt desTransportkörpers 1. - • Zeitliche Fusionierung der Sensordaten: die Sensorsignale oder die daraus berechneten Positionsinformationen werden in Zeitreihen aufgezeichnet. Durch Interpolation oder Extrapolation der Zeitreihen werden alle Sensorsignale auf eine gemeinsame Bezugszeit korrigiert. Die Bezugszeit ist beispielsweise diejenige Zeit, zu der der Positionsregler im Stator bzw.
im Antriebsmodul 10 die Sensordaten erhält. In diesem Fall wird von einem latenzfreien Positionswert gesprochen.
- • Spatial fusion of the sensor data: The position information is transformed from the reference point of the respective sensor to a common reference point in the
transport body 1 by means of coordinate transformation. The common reference point is, for example, the geometric center or the center of gravity of thetransport body 1. - • Temporal fusion of the sensor data: the sensor signals or the position information calculated from them are recorded in time series. All sensor signals are corrected to a common reference time by interpolation or extrapolation of the time series. The reference time is, for example, the time at which the position controller in the stator or in the
drive module 10 receives the sensor data. In this case we speak of a latency-free position value.
Eine Gravitationskompensation subtrahiert den Erdbeschleunigungs-Vektor von dem gemessenen Beschleunigungsvektor, so dass der Differenzvektor nur noch die inertiale Beschleunigung angibt. Dieser kann durch mathematische Integration in einen Ortsveränderungsvektor umgerechnet werden.A gravitational compensation subtracts the gravitational acceleration vector from the measured acceleration vector, so that the difference vector only indicates the inertial acceleration. This can be converted into a displacement vector by mathematical integration.
Optional wird eine digitale Filterung der Sensordaten durchgeführt. Vorzugsweise wird ein Kalman Filter oder ein Extended Kalman Filter eingesetzt, welches die ggf. vorverarbeiteten Sensordaten als Eingangsinformation erhält und daraus den optimalen Schätzwert für die Transportkörper-Position und dessen Varianz berechnet.Optionally, the sensor data can be digitally filtered. A Kalman filter or an extended Kalman filter is preferably used, which receives the possibly pre-processed sensor data as input information and from this calculates the optimal estimated value for the transport body position and its variance.
Optional wird der ermittelte Transportkörper-Positionswert extrapoliert, um die Verzögerungszeit durch die nachfolgende Datenübertragung oder weitere Ereignisse zu kompensieren.The determined transport body position value is optionally extrapolated in order to compensate for the delay time due to the subsequent data transmission or other events.
Entlang der gesamten Signalverarbeitungskette werden Verfahren zur Diagnose und Fehlerkorrektur eingesetzt, um die Robustheit und Genauigkeit der ausgegebenen Transportkörper-Koordinaten zu erhöhen.Methods for diagnosis and error correction are used along the entire signal processing chain in order to increase the robustness and accuracy of the output transport body coordinates.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht in der zusätzlichen Nutzung des Kameramoduls 4 als Identifikationssensor. Dazu wird Zusatzinformation wie beispielsweise ein ID-Code in die Codeanordnung 13 eingebettet, die von dem Kameramodul 4 zusätzlich zur Positionsinformation gelesen und ausgewertet wird.An advantageous embodiment consists in the additional use of the
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend zu verstehen. Beispielsweise kann:
- • die elektronischen Funktionen aller Komponenten in verschiedener Weise auf einer oder mehreren Leiterplatten integriert werden,
- • eine beliebige Technologie zur drahtlosen Datenübertragung zum Einsatz kommen, insbesondere können außer der beschriebenen induktiven Datenübertragung auch verschiedene Funktechnologien oder optische Übertragungstechnik eingesetzt werden.
- • the electronic functions of all components are integrated in different ways on one or more printed circuit boards,
- • any technology for wireless data transmission can be used, in particular, in addition to the described inductive data transmission, different which radio technologies or optical transmission technology are used.
Offenbart ist eine Beförderungsvorrichtung, die zum gleichzeitigen Befördern mehrerer Nutzlasten 9 ausgelegt ist, wobei jeder Nutzlast 9 ein Transportkörper 1 (Mover) zugeordnet ist, der schwebend über einer Oberfläche eines Stators bewegbar und positionierbar ist. Dabei erfolgt das Bewegen und das Positionieren bezüglich aller sechs Freiheitsgrade. Es ist eine optische Positionserfassungseinrichtung vorgesehen.A transport device is disclosed which is designed to transport a plurality of
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Transportkörpertransport body
- 22
- Permanentmagnetarray (des Transportkörpers)permanent magnet array (of the transport body)
- 44
- Kameramodulcamera module
- 55
- Energiespeicherenergy storage
- 66
- Steuerungseinheitcontrol unit
- 6.16.1
- FSK-Modem (des Transportkörpers)FSK modem (of the transport body)
- 77
- Inertialsensorinertial sensor
- 88th
- Ladestrom-Schnittstellecharging current interface
- 99
- Nutzlastpayload
- 1010
- Antriebsmodul (des Stators)drive module (of the stator)
- 1111
- Koordinatensystem (des Antriebsmoduls)coordinate system (of the drive module)
- 1212
- Deckplatte (des Antriebsmoduls)cover plate (of the drive module)
- 1313
- Codeanordnungcode arrangement
- 1414
- Stator-Spulestator coil
- 1515
- Magnetarray (des Aktors)magnet array (of the actuator)
- 1616
- Aktor (des Antriebsmodus)actuator (of the drive mode)
- 1717
- Gehäuse (des Antriebsmoduls)housing (of the drive module)
- 1818
- Steuerungseinheit (des Antriebsmoduls)control unit (of the drive module)
- 18.118.1
- FSK-Modem (des Stators)FSK modem (of the stator)
- 1919
- Kühlungseinheit (des Antriebsmoduls)cooling unit (of the drive module)
- 2020
- Prozesskammerprocess chamber
- 2626
- Spaltgap
- 3131
- Rastergrid
- 3232
- Basissymbolbase icon
- 3333
- Parzelleplot
- 3434
- Parzellensymbolparcel icon
- 3535
- Feldfield
- 3636
- Feldfield
- 4040
- Leiterplatte mit Recheneinheit (des Kameramoduls)Printed circuit board with computing unit (of the camera module)
- 4141
- Gehäuse (der Kamera)body (of the camera)
- 4242
- Objektivlens
- 4343
- Schnittstelleinterface
- 4444
- LED-LeiterplatteLED circuit board
- 4545
- LEDLEDs
- 4646
- Hülsesleeve
- 4747
- Schutzglasprotective glass
- 47d47d
- diffuser Bereichdiffuse area
- 47t47t
- transparenter Bereichtransparent area
- 4848
- optische Achseoptical axis
- 4949
- Umlenkspiegeldeflection mirror
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102016224951 A1 [0004, 0006]DE 102016224951 A1 [0004, 0006]
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Country | Link |
---|---|
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