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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Messung der Positionskoordinaten eines bewegten
oder ruhenden Objektes in einer Ebene oder in einem schmalen Raumbereich
nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9. Es handelt sich
dabei um die Messung eines Winkels zur Gewinnung der Koordinaten
eines vorgegebenen Punktes auf dem bewegten oder ruhenden Objekt.
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Derartige Messungen auf kurzen Entfernungen
sind beispielsweise für
die Vermessung von Handhabungsrobotern erforderlich, während die
präzise
Ortsbestimmung auf größere Entfernungen
für mobile
Roboter wie beispielsweise Gabelstapler für Container und dergleichen
notwendig ist.
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Aus der
DE 44 15 419 A1 ist eine
gattungsgemäße Positionsmesseinrichtung
unter Verwendung von Laserscannern bekannt geworden, welche mit
Hilfe rotierender Spiegel Fächerstrahlen
aussenden. Für
jeden zu ortenden Punkt ist mindestens eine Fotodiode vorgesehen,
wobei die Eintreffzeiten der Fächerstrahlen
detektiert und letztlich eine Ortsbestimmung mittels Triangulation
erfolgt. Bei der vorbekannten Positionsmesseinrichtung sind wenigstens drei
derartiger Laserstrahlsender erforderlich, wobei die drei Laserstrahlsender
jeweils ortsfest montiert sind. Die Sensoren sind auf dem zu messenden
Objekt angeordnet. Aus dieser Druckschrift ist somit bekannt, einen
rotierenden, gefächerten
Laserstrahl zur Winkelmessung einzusetzen.
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Bei dem aus der
DE 35 38 103 A1 bekannten Winkelmessverfahren
werden ebenfalls mehrere Laserlichtsender verwendet, und zwar wenigstens
zwei solcher Sender, wobei diese auf Ablenkeinheiten angeordnet
sind. Es erfolgt eine optische Strahlaufweitung quer zur Ablenkrichtung,
wobei die mehreren Lasersender ebenfalls ortsfest angeordnet sind,
und das zu messende Ob jekt einen Sensor trägt, der beispielsweise in Form
eines Lichtsensors auf einem Arm eines Krans montiert ist.
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Nachteilig bei den vorbekannten Messeinrichtungen
ist vor allem die jeweils vergleichsweise komplizierte und teure
Anordnung, welche mehrere, teilweise wenigstens drei Laserscanner
erfordert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, die vorbekannten Messverfahren im Hinblick
auf eine höhere
Präzision
des Messergebnisses, verzögerungsarme
Messung, sowie Unabhängigkeit
von der Umgebung, und hohe Präzision
auch in einem durch Reflexionen gestörten Feld zu verbessern, und
insbesondere eine konstruktiv einfachere und kostengünstiger
zu realisierende Vorrichtung zur Bestimmung von Position und Ausrichtung
eines Roboterarms oder mobilen Roboters zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung
mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und mit einer Vorrichtung nach
Anspruch 9 gelöst.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, dass lediglich eine einzige Lichtquelle verwendet wird, wobei
diese einzige Lichtquelle auf dem bewegten oder ruhenden Objekt
angeordnet oder mit diesem verbunden ist, und der eine oder die
mehreren Lichtsensoren ortsfest auf einem ruhenden Sensorträger angebracht
ist bzw. sind. Dem Prinzip der Erfindung folgend stellt die auf
dem bewegten oder ruhenden Objekt angeordnete oder mit diesem verbundene
Lichtquelle eine Laserstrahlquelle dar, welche einen um eine Drehachse
rotierenden, aufgefächerten
Laserstrahl aussendet. Hierbei wird die Drehgeschwindigkeit der
rotierenden Laserstrahlquelle während
einer Umdrehung des Laserstrahles bzw. während einer Messwerterfassung
konstant gehalten.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung
besteht darin, dass lediglich ein (rotierender, gefächerter)
Laserstrahl verwendet wird und demzufolge lediglich eine einzige
Laserstrahlquelle erforderlich ist, und die Sensoren von an sich
beliebiger Anzahl ortsfest auf einem Sensorträger angebracht sind, wobei der
Sensorträger
von Vorteil eine praktisch beliebige Form besitzen kann. Eine wesentliche
Vorraussetzung für
eine hinreichend präzise
Messung liegt darin, dass die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Laserstrahlsenders
während
einer Umdrehung bzw. einer Messwerterfassung hinreichend konstant bleibt.
Hierzu ist insbesondere ein ausreichendes Trägheitsmoment für den rotierenden
Laserstrahlsender erforderlich. Der konstruktive Aufwand für den rotierenden
Laserstrahlsender und seiner elektronischen Steuerungs- und Versorgungskomponenten
ist vergleichsweise hoch. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung
besteht darin, dass zur Messung der Positionskoordinaten eines (bewegten
oder ruhenden) Objektes in einer Ebene oder in einem schmalen Raumbereich
ein aus im Wesentlichen zwei Komponenten bestehender Aufbau angewendet wird,
und zwar zum einen aus einem rotierenden, gefächerten Laserstrahl, der von
einem auf dem bewegten bzw. ruhenden Objekt geordneten Sender ausgestrahlt
wird, und zum anderen einen (ortsfest installierten) Sensorträger, auf
welchem eine beliebige Anzahl, wenigstens drei (bzw. fünf) lichtempfindliche Detektoren
angebracht sind. Der Laserstrahl trifft auf die Sensoren, diese
liefern beim Überstreichen
des Laserstrahls ein elektrisches Ausgangssignal. Gemessen werden
die Zeitunterschiede zwischen diesen Ausgangssignalen, sowie die
Umlaufzeit des Lasers. Aus den Zeitunterschieden werden die Winkel zwischen
den Sensoren und dem Laserstrahlsender gemessen, und letztlich daraus
die Position des Objektes bezüglich
des Sensorträgers
bestimmt.
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Der (einzige) rotierende Laserstrahlsender kann
in unterschiedlicher Weise aufgebaut sein, prinzipiell sind hierfür drei unterschiedliche
Grundtypen denkbar. Zum einen kann der von einem gegenüber dem
Objekt feststehenden Laser ausgehende Punktlaserstrahl mittels einer
zylinderförmigen
Welle aufgefächert
werden. Weiterhin denkbar ist die Reflexion eines vom einem feststehenden
Laser ausgehenden Strichlaserstrahles an einem rotierenden Spiegel.
Und schließlich
wäre auch
ein rotierender Laser denkbar, welcher einen Strichlaserstrahl aussendet, wobei
die Energieversorgung der Laserquelle induktiv oder über Schleifringe
erfolgen kann.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispieles
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles der Messvorrichtung
mit Laserstrahlsender und Sensorträger;
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2 ein
schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles; und
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3 eine
schematische Ansicht zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
nach dem Ausführungsbeispiel.
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Das in den 1 und 2 schematisch
dargestellte Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Messung der Positionskoordinaten
x, y, z eines bewegten oder ruhenden Objektes 1 (in den
Figuren näher
dargestellt ist lediglich der mit dem Objekt verbundene Lichtsender
mit Drekörper, die übrigen Bestandteile
des Objektes wie beispielsweise Roboterarm, Ausleger und dergleichen
sind nicht näher
dargestellt) unter Verwendung eines Lichtsenders 2 und
wenigstens eines Lichtsensors A1, A2, B1, B2, C, auf den der vom
Lichtsender 2 abgestrahlte Lichtstrahl S, S1 bis S5 trifft
und welcher als eine Reaktion hierauf ein elektrisches Ausgangssignal
A liefert, wobei zur Gewinnung der Koordinaten x, y, z eines vorgegebenen
Raumpunktes TCP (TCP = Tool Center Point) auf dem Objekt 1 wenigstens
ein Winkel zwischen dem ausgestrahlten Lichtstrahl S, S1 bis S5,
dem Lichtsensor A1, A2, B1, B2, C, und einer festen Bezugslinie,
beispielsweise Koordinatenachsen x, y, z gemessen wird.
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Erfindungsgemäß ist lediglich eine einzige Lichtquelle 2 vorgesehen,
wobei diese einzige Lichtquelle 2 auf dem bewegten oder
ruhenden Objekt 1 angeordnet oder mit diesem verbunden
ist, wobei der eine oder die mehreren Lichtsensoren A1, A2, B1, B2,
C ortsfest auf einem ruhenden Sensorträger angebracht ist bzw. sind.
Die auf dem bewegten oder ruhenden Objekt 2 angeordnete
oder. mit diesem verbundene Lichtquelle 2 stellt eine Laserstrahlquelle dar,
welche einen um eine Drehachse 4 rotierenden, aufgefächerten
Laserstrahl S aussendet. Die Drehgeschwindigkeit der rotierenden
Laserstrahlquelle 2 wird während einer Umdrehung des Laserstrahles
S bzw. während
einer Messwerterfassung präzise
konstant gehalten. Zu diesem Zweck ist unter anderem von Vorteil,
dass die Laserstrahlquelle 2 bzw. dessen rotierendes mechanisches
Stützteil 5 ein
ausreichend hohes mechanisches Trägheitsmoment besitzt. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
besteht die Laserstrahlquelle 2 aus einem um die Drehachse 4 rotierend
gelagerten Drehkörper
(rotierendes Stützteil 5),
einem mit dem Drehkörper 5 fest
verbundenen und mit diesem um die Achse 4 rotierenden Ablenkspiegel
oder Ablenkprisma 6, sowie in einem gewissen Abstand von
der Drehachse 4 gegenüber
dem Objekt ortsfest verbundenen, und daher nicht an einer Rotationsbewegung
des Drehkörpers 5 teilnehmenden
Laser 7, der einen Punktlaserstrahl 8 aussendet,
der vermittels einer Optik 9 zu einem flächigen Laserstrahl
S aufgefächert
wird, und nach Reflexion an dem Ablenkspiegel oder Ablenkprisma 6 als rotierender,
gefächerter
Laserstrahl S1 bis S5 die auf dem Sensorträger 3 angeordneten
Lichtsensoren A1, A2, B1, B2, C überstreicht
(Leuchtfeuerprinzip).
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Neben dem einen wesentlichen Vorteil
der Erfindung, dass lediglich ein einziger (rotierender, gefächerter)
Laserstrahl verwendet wird und demzufolge lediglich eine einzige
Laserstrahlquelle erforderlich ist, besteht ein weiterer wichtiger
Vorteil der Erfindung darin, dass die Lichtsensoren von an sich
beliebiger Anzahl ortsfest auf dem Sensorträger 3 angebracht sind,
wobei der Sensorträger 3 in
vorteilhafter Weise eine praktisch beliebige Form besitzen kann. Im
dargestellten und besonders bevorzugten, da konstruktiv äußerst einfach
ausgebildeten Ausführungsbeispiel
ist der Sensorträger 3 in
der Form eines aus zwei rechtwinkelig zueinander gestellten Schenkeln 10 und 11 bestehenden
Trägerteils
ausgebildet, wobei der eine Schenkel 10 in Richtung der x-Koordinatenachse
und der andere Schenkel 11 in Richtung der y-Koordinatenachse
angeordnet ist. Die Lichtsensoren sind auf randseitigen Bereichen
der Schenkel 10 und 11 auf der jeweiligen Oberseite
der Schenkel angeordnet, und zwar sind die Lichtsensoren A1 und
A2 mit einem gewissen Abstand voneinander auf dem in Richtung x-Koordinatenachse
an einem gemäß Darstellung
nach 1 oberen randseitigen
Bereich des Schenkels 10 angeordnet, die Lichtsensoren
B1 und B2 auf dem in y-Koordinatenrichtung angeordneten Schenkel 11 mit
einem gewissen Abstand voneinander auf einem in der Darstellung
gemäß 1 rechten randseitigen Bereich
des Schenkels 11 angeordnet, und der Lichtsensor C in einem
durch die beiden Schenkel 10 und 11 ausgebildeten
Eckbereich angeordnet.
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Das Ausführungsbeispiel umfasst somit
fünf solcher
gleichartig ausgebildeter Lichtsensoren A1, A2, B1, B2, und C; bei
Verwendung von lediglich dreier Lichtsensoren A1, B1, C kann eine
Messung in der von diesen drei Lichtsensoren A1, B1, C aufgespannten
Ebene E erfolgen, während
bei Verwendung von fünf
Lichtsensoren eine Messung innerhalb des von den Lichtsensoren A1,
A2, B1, B2, C aufgespannten Raumbereiches erfolgen kann (vgl. 3).
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Unter Bezugnahme auf 3 kann daher bei Verwendung der drei
Lichtsensoren A1, B1, C die Winkellage des detektierten Lichtstrahles
S und damit der Durchtrittspunkt des Strahles S und der von den
drei Lichtsensoren A1, B1, C aufgespannten Ebene E erfasst werden.
Bei Verwendung eines weiteren, vierten Lichtsensors kann ein weiterer
Durchtrittspunkt des mit diesem vierten Lichtsensor gemessenen Winkel
des Lichtstrahls S zur Ebene E erfasst, und damit die Lage der Drehachse
4 im Raum erfasst werden. Beispielsweise wird durch die Detektoren A1,
C, B1 eine erste Ebene E aufgespannt, und durch die Detektoren A1,
C, B2 wird eine zweite Ebene aufgespannt. Für jede Ebene E können nun
beispielsweise vermittels der sogenannten Rückwärtseinschneidemethode (mathematisches
Verfahren zur Gewinnung eines Schnittpunktes von Ebene und Gerade)
die Koordinaten der Schnittpunkte S der Drehachse 4 mit
der Ebene E berechnet werden, und daraus die Lagewinkel der Drehachse 4 in
Bezug auf eine Ebene E bestimmt werden.
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2 zeigt
in einem schematischen Blockschaltbild die elektronische Verschaltung
der erfindungsgemäßen Bestandteile
nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Eine Spannungsversorgung 13 versorgt sämtliche elektrischen Bestandteile
mit elektrischer Spannung. Eine Pulsaufbereitungsschaltung 14 ist
eingangsseitig mit den Lichtsensoren A1, A2, B1, B2, C elektrisch
verbunden und empfängt
die von diesen abgegebenen elektrische Ausgangssignale A, und ist
ausgangsseitig elektrisch verbunden mit einer Auswerte- und Messschaltung 15,
welche die von der Pulsaufbereitungsschaltung 14 abgegebenen
Signale D empfängt
und weiter verarbeitet. Die Schaltung 15 umfasst unter
anderem eine Temperaturmessschaltung 16, welcher die am
Trägerteil 3 und
damit an den Lichtsensoren A1, A2, B1, B2, C herrschende Temperatur
T misst und eine entsprechende Korrekturgröße zur Weiterverarbeitung in
der Schaltung 15 ausgibt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet wie folgt.
Grundlage der Erfindung ist ein aus der Geodäsie abgeleitetes Messver fahren,
welches es ermöglicht,
die Lage eines unbekannten Punktes zu ermitteln, wenn man die Lage
von drei weiteren Punkten kennt. Hierzu müssen die Winkel zwischen den bekannten
und den unbekannten Punkten gemessen werden. Die Positionen der
Lichtsensoren A1, A2, B1, B2, C auf dem Sensorträger 4 sind zueinander und
im Arbeitsraum 12 genau bekannt. Unbekannt und daher zu
ermitteln ist die Lage des Punktes TCP und damit die Lage des bewegten
oder ruhenden Objektes 2 im Arbeitsraum 12. Die Lichtsensoren
A1, A2, B1, B2, C liefern beim Überstreichen
des Laserstrahls S jeweils ein elektrisches Ausgangssignal A. Es
werden die Zeitunterschiede zwischen den Ausgangssignalen A und
die Umlaufzeit der Laserstrahlquelle 2 gemessen. Aus den
Zeitunterschieden werden die Winkel A1-L-C und C-L-B1 ermittelt
(L ist die Position der Laserstrahlquelle 2). Die Schrägstellung der
Laserstrahlquelle 2 gegenüber der von den Punkten A1,
B2, C aufgespannten Ebene kann aus den Zeitunterschieden zwischen
den Ausgangssignalen A der Lichtsensoren A1, A2 einerseits, und
der Lichtsensoren B1, B2 andererseits berechnet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann unter anderem bei der Positionskontrolle und -korrektur von
Roboterwerkzeugen im 1/10 mm-Bereich, bei der Positionskontrolle
und -korrektur von Regalförderzeug
im mm-Bereich, der
Positionserfassung von Bodenfahrzeugen im Produktions- und Lagerbereich,
der Konturenerfassung von großflächigen Bereichen,
oder bei einem Führungssystem
für frei
fahrende Bodenfahrzeuge angewendet werden.
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- 1
- Objekt
- 2
- Lichtsender
- 3
- Sensorträger
- 4
- Drehachse
- 5
- rotierendes
mechanisches Stützteil
- 6
- Ablenkprisma
- 7
- Laser
- 8
- Punktlaserstrahl
- 9
- Optik
- 10
- Schenkel
in x-Richtung
- 11
- Schenkel
in y-Richtung
- 12
- Arbeitsraum
- 13
- Spannungsversorgung
- 14
- Pulsaufbereitungsschaltung
- 15
- Messschaltung
- 16
- Temperaturmessschaltung
- A
- Ausgangssignal
- A1,
A2
-
- B1,
B2, C
- Lichtsensoren
- S
- Laserstrahl
- T
- Temperatur