DE10327479A1 - Device for determining the position of a workpiece and method therefor using at least one electronic camera - Google Patents

Device for determining the position of a workpiece and method therefor using at least one electronic camera Download PDF

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Frank Dr.-Ing. Grünewald
Harald Manfred Günter Mikeska
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VMT Vision Machine Technic Bildverarbeitungssysteme GmbH
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VMT Vision Machine Technic Bildverarbeitungssysteme GmbH
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    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1694Programme controls characterised by use of sensors other than normal servo-feedback from position, speed or acceleration sensors, perception control, multi-sensor controlled systems, sensor fusion
    • B25J9/1697Vision controlled systems
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical means
    • G01B11/002Measuring arrangements characterised by the use of optical means for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005Measuring arrangements characterised by the use of optical means for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Position eines Werkstücks und der Position von Merkmalen des Werkstücks im 3-D-Raum unter Verwendung von mindestens einer elektronischen Kamera und digitaler Bildverarbeitung, bei welchem die Kamera/s auf ein Weltkoordinatensystem kalibriert sind und das Werkstück in den Raum vor der Kamere bzw. zwischen den Kameras verbracht ist. Als Kameras finden Schwenkneigekopfkameras, SNK-Kameras, Verwendung, welche einen schwenkbaren, frei positionierbaren Sensorkopf mit einer Zoomoptik aufweisen, wobei die Position des Sensorkopfes und der Zoomoptik parametrierbar und in Abhängigkeit vom Objekt-Typ im Einricht-Betrieb optimal einstellbar ist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren, bei welchem als Kameras Schwenkneigekopfkameras eingesetzt werden, welche einen schwenkbaren, frei positionierbaren Sensorkopf mit einer Zoomoptik aufweisen, wobei die Position des Sensorkopfes wie auch die Zoomoptik parametrierbar ist und die Parametrierung in Abhängigkeit vom Objekt-Typ im Einricht-Betrieb optimal eingestellt wird.The invention relates to a device for determining the position of a workpiece and the position of features of the workpiece in 3-D space using at least one electronic camera and digital image processing, in which the camera / s are calibrated to a world coordinate system and the workpiece in the room is in front of the camera or between the cameras. Pan-tilt head cameras, SNK cameras, are used as cameras, which have a pivotable, freely positionable sensor head with zoom optics, the position of the sensor head and the zoom optics being parameterizable and optimally adjustable depending on the object type in set-up mode. The invention also relates to a method in which pan-tilt head cameras are used as cameras which have a pivotable, freely positionable sensor head with zoom optics, the position of the sensor head as well as the zoom optics being parameterizable and the parameterization depending on the object type in the setup. Operation is optimally set.

Description

  • Technisches Gebiet:Technical field:
  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Position eines Werkstücks und der Position von Merkmalen des Werkstücks im 3D-Raum unter Verwendung von mindestens zwei elektronischen Kameras und digitaler Bildverarbeitung, bei welchem die Kameras auf ein gemeinsames Weltkoordinatensystem kalibriert sind und das Werkstück in den Raum zwischen den Kameras verbracht ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren dafür.The invention relates to a device for determining the position of a workpiece and the position of features of the workpiece in 3D space using at least two electronic cameras and digital image processing, in which the cameras on one common world coordinate system are calibrated and the workpiece in the Space is spent between the cameras, according to the preamble of the claim 1 and a process for this.
  • Die schnelle und berührungslose 3D-Vermessung eines dreidimensionalen Körpers besitzt eine Schlüsselfunktion auf dem Weg zu höhere Automatisierung und zur vollständigen Qualitätssteuerung und Qualitätsüberwachung in vielen Fertigungsprozessen, weil sie die genaue Kenntnis der Position von Objekten im Raum und deren Lage relativ zueinander liefert. In der industriellen Produktion kommt der schnellen und berührungslosen 3D-Positions- und 3D-Formerfassung eine große Bedeutung zu, so zum Beispiel für die Maßhaltigkeitskontrolle, die Vollständigkeitsprüfung, Robotersichtführung in der automatischen Montage, Prüfung von Oberflächen, Reserve-Engineering, Überwachung von Sicherheitszonen, 3D-Positionsbestimmung und Navigation im Raum. Die 3D-Formerfassung liefert die Positionen von Objekten, die unabhängig vom Oberflächenzustand, von der Entfernung, Drehung und Beleuchtung sind, das heißt, sie sind rotations-, verschiebungs- und beleuchtungsinvariant.The fast and contactless 3D measurement of a three-dimensional body has a key function on the way to higher Automation and complete quality control and quality control in many manufacturing processes because they have the exact knowledge of Position of objects in space and their position relative to each other supplies. In industrial production comes the fast and contactless 3D position and 3D shape detection are of great importance, for example for the Dimensional accuracy, the completeness check, robot vision guidance in automatic assembly, testing of surfaces, Reserve engineering, monitoring of security zones, 3D positioning and navigation in space. The 3D shape capture provides the positions of objects that are independent of the Surface condition, of the distance, rotation and lighting are, that is, they are invariant in terms of rotation, displacement and lighting.
  • Hierzu werden auf dem Gebiet der Kalibrierung von elektronischen stationären Kameras Verfahren eingesetzt, die sich mit der Auswertung von bekannten Merkmalen im Videobild befassen, wobei alle bekannten Verfahren auf dem Modell der Lochkamera aufsetzen. Parameter sind die optimale Brennweite, die Position der Lichteintrittsöffnung im Raum und Linsenverzeichnungsparameter sowie Parameter, die sich mit der Position des CCD-Chips im Bezug zum Lochkoordinatensystem befassen. In den Videobildern versucht man, über die Betrachtung von Kalibrierkörpern oder Kalibrierplatten die Parameter der Kameramodelle zu ermitteln.To this end, in the field of Calibration of electronic stationary cameras procedures used which deals with the evaluation of known features in the video image deal with all known methods on the model of the pinhole camera put on. The parameters are the optimal focal length, the position the light entry opening in space and lens distortion parameters as well as parameters that differ with the position of the CCD chip in relation to the hole coordinate system deal. In the video pictures one tries to look at calibration bodies or Calibration plates to determine the parameters of the camera models.
  • Beispielsweise hierfür ist durch die EP 0 763 406 A1 ein Verfahren zum Bestimmen der Lage eines Körpers im Raum bekannt geworden, um Manipulationen an diesem durchzuführen, mit mehreren mit diesem zusammenwirkenden räumlich getrennten elektronischen Kameras mit Bildverarbeitung. Jede von mindestens drei räumlich getrennten elektronischen Kameras mit Bildverarbeitung nimmt bei deren Einmessung eine ihr zugeordnete Kalibriertafel mit Punktmuster auf, deren Bilder sowie das Punktmuster zur Bestimmung der Lage der einzelnen Kamera im Raum verarbeitet und deren Lage speichert. Eine Vermessung der Kalibriertafeln zueinander erfolgt hiervon getrennt, wobei diese Werte ebenfalls gespeichert werden. Anschließend wird der zu vermessende Körper in den Raum zwischen den elektronischen Kameras verbracht. Je ein charakteristischer Punkt auf dem in den Raum verbrachten Körper wird in je einer diesem zugeordneten elektronischen Kamera abgebildet, so dass dessen Lage in Bild mit seiner konstruktiven vorgegebenen Position des charakteristischen Punktes auf den in den Raum verbrachten Körper zusammen mit den gespeicherten Werten verarbeitet wird; alle derart verarbeiteten Werte charakterisieren die Lage des in dem Raum verbrachten Körpers in den sechs räumlichen Freiheitsgraden. Nachteilig an diesem Verfahren ist prinzipiell, dass zum Bestimmen der Lage eines Körpers im Raum Kalibriertafeln verwendet werden, welche sorgfältig gehandhabt werden müssen und nicht beschädigt werden dürfen wie sie auch Lagerplatz benötigen. Der wesentliche Nachteil ist, dass die Kalibriertafeln mit einem großen Aufwand mechanisch im Sichtfeld der Kameras positioniert werden müssen und die Positionierbarkeit äußerst wiederholgenau sein muß. Diese Reproduzierbarkeit der Positionierung zu gewährleisten ist oft mit erheblichen Kosten verbunden, da die räumlichen Verhältnisse zum Beispiel in der Fördertechnik häufig schwierig sind.For example, this is through the EP 0 763 406 A1 a method for determining the position of a body in space to manipulate it has become known, with several interacting with it spatially separated electronic cameras with image processing. Each of at least three spatially separated electronic cameras with image processing records a calibration table with dot pattern assigned to it, whose images and the dot pattern are processed to determine the position of the individual camera in the room and their position is saved. The calibration tables are measured separately from one another, and these values are also stored. The body to be measured is then moved into the space between the electronic cameras. One characteristic point each on the body brought into space is imaged in an electronic camera assigned to it, so that its position in image with its constructive predetermined position of the characteristic point on the body brought into space is processed together with the stored values; all values processed in this way characterize the position of the body in the room in the six spatial degrees of freedom. A disadvantage of this method is, in principle, that calibration boards are used to determine the position of a body in space, which have to be handled carefully and must not be damaged, as they also require storage space. The main disadvantage is that the calibration plates have to be positioned mechanically in the field of view of the cameras with a great deal of effort and the positionability must be extremely repeatable. Ensuring this reproducibility of the positioning is often associated with considerable costs, since the spatial conditions, for example in conveyor technology, are often difficult.
  • Durch die EP 0473010A2 ist ein Verfahren zur berührungslosen Koordinatenvermessung von Objektoberflächen bekannt geworden, bei dem mit einer Kamera Bilder des Objektes von mehreren unterschiedlichen Positionen aus aufgenommen werden. Die Kamera ist dazu in den Meßarm eines Koordinatenmeßgerätes gesetzt, wobei der Meßarm in mindestens zwei verschiedene Stellungen verfahren wird und das zu vermessende Objekt mit Hilfe einer Dreh-Schwenk-Einrichtung angezielt wird. Die in zwei Stellungen aufgenommenen Bilder werden abgespeichert und in Bezug auf die Koordinaten charakteristischer Punkte ausgewertet. Dabei werden die von den Maßstäben des Koordinatenmeßgerätes und den Winkelgebern der Dreh-Schwenk-Einrichtung erhaltenen Positionswerte für die Berechnung der Objektkoordninaten aus den Bildkoordinaten der Kamera herangezogen.Through the EP 0473010A2 A method for contactless coordinate measurement of object surfaces has become known, in which images of the object are taken from several different positions with a camera. For this purpose, the camera is placed in the measuring arm of a coordinate measuring machine, the measuring arm being moved into at least two different positions and the object to be measured being aimed with the aid of a rotary-swivel device. The images recorded in two positions are saved and evaluated in relation to the coordinates of characteristic points. The position values obtained from the scales of the coordinate measuring machine and the angle encoders of the rotary-swivel device are used for the calculation of the object coordinates from the image coordinates of the camera.
  • Zur Vermeidung der Nachteile des Umgangs mit Kalibriertafeln ist durch die DE 100 16 963 A1 ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Werkstücks und der Position von Merkmalen des Werkstücks im 3D-Raum unter Verwendung von mindestens zwei elektronischen Kameras und digitaler Bildverarbeitung bekannt geworden, bei welchem die Kameras auf ein gemeinsames Weltkoordinatensystem kalibriert werden und anschließend das Werkstück in den Raum zwischen den Kameras verbracht wird. Für die Lagebestimmung von Objekten für einen Objekt-Typ werden somit wenigstens drei stationäre Kameras oder andere geeignete Sensoren eingesetzt. Aus den 2dimensionalen Abbildern von Objekt-Merkmalen und der Kenntnis der Lage dieser Merkmale in einem gemeinsamen Koordinatensystem und der Kenntnis der Position der Kameras im Raum, wird die 3dimensionale Positionsverschiebung des Objekts gegenüber einer einmalig eingelernten Nullposition berechnet. Damit werden Manipulatoren, zum Beispiel Roboter, in ihrer Position korrigiert bzw. gesteuert, um am Objekt lagerichtig Manipulationen vornehmen zu können, wie zum Beispiel Vorgänge wie Nahtabdichten, Lackieren, Spritzen, Greifen, Montieren, Demontieren und anderes mehr.To avoid the disadvantages of dealing with calibration boards, the DE 100 16 963 A1 a method for determining the position of a workpiece and the position of features of the workpiece in 3D space using at least two electronic cameras and digital image processing has become known, in which the cameras are calibrated to a common world coordinate system and then the workpiece in the space between is spent on the cameras. At least three stationary cameras or other suitable sensors are thus used for determining the position of objects for an object type. The two-dimensional images of object features and the knowledge of the position of these features in a common coordinate system and the knowledge of the position of the cameras in space are used to calculate the three-dimensional position shift of the object compared to a one-time learned zero position. Manipulators, for example robots, are thus corrected or controlled in their position in order to be able to manipulate the object in the correct position, such as processes such as seam sealing, painting, spraying, gripping, assembling, disassembling and more.
  • Es wird davon ausgegangen, dass sich die Objekt-Merkmale ortsfest auf dem Objekt befinden und zum Beispiel Ecken, Löcher, Sicken, Markierungen, Aufdruck oder sonstige visuell erfassbare Konturen sind. Dabei werden die Bildfelder und die Positionen der Kameras nach folgenden Kriterien festgelegt:
    • A: Lage der Objekt-Merkmale auf dem Objekt: Eine optimale Position der Kameras ist gegeben, wenn diese möglichst gleichmäßig um das Objekt verteilt sind und die Kameras aus einem Winkel von 45Grad auf die Merkmale gerichtet sind.
    • B: Positionsungenauigkeit der Objekte im Kamerabildfeld: Je größer die Ungenauigkeiten bei der Vorpositionierung sind, um so größer muß das Bildfeld sein.
    • C: Typenvielfalt: Je mehr unterschiedliche Objekt-Typen vorhanden sind und je mehr sich die Lage der Objekt-Merkmale unterscheidet, desto größer muß das Bildfeld festgelegt werden. Da jedoch die geforderte Genauigkeit – wobei eine Genauigkeit zwischen 0,3mm bis 1mm typisch ist – kein großes Bildfeld zuläßt, müssen mehrere stationäre Kameras eingesetzt werden.
    • D: Geforderte Genauigkeit: Je höher die geforderten Genauigkeiten sind, desto höher muß die Auflösung sein, woraus ein kleines Bildfeld resultiert.
    It is assumed that the object features are stationary on the object and are, for example, corners, holes, beads, markings, printing or other visually detectable contours. The image fields and the positions of the cameras are determined according to the following criteria:
    • A: Position of the object features on the object: The cameras are optimally positioned when they are distributed as evenly as possible around the object and the cameras are directed at the features from an angle of 45 degrees.
    • B: Position inaccuracy of the objects in the camera image field: the greater the inaccuracies in the pre-positioning, the larger the image field must be.
    • C: Variety of types: The more different object types are available and the more the position of the object features differs, the larger the image field must be. However, since the required accuracy - whereby an accuracy between 0.3mm to 1mm is typical - does not allow a large image field, several stationary cameras have to be used.
    • D: Required accuracy: The higher the required accuracy, the higher the resolution must be, which results in a small image field.
  • Der Einsatz und die Verwendung von stationären Kameras hat den Nachteil, dass immer ein Kompromiß zwischen der erforderlichen Bildfeldgröße, für die Erfassung unterschiedlicher Objekt-Typen und der notwendigen Auflösung, das ist die Genauigkeit, gefunden werden muß. Außerdem erfolgt dadurch eine zwangsläufige Festlegung auf vorauszuwählende Bereiche, welche später, wenn überhaupt, nur noch durch erheblichen Überarbeitungsaufwand verändert werden können.The use and use of stationary The disadvantage of cameras is that there is always a compromise between the required image field size for the acquisition different object types and the necessary resolution, that is the accuracy that must be found. It also creates a inevitable Determination on preselectable Areas which later, if anything, just still be changed by considerable revision effort can.
  • Da die geforderten Genauigkeiten typischer Weise hoch sind wie auch die Typenvielfalt sehr groß ist, müssen gewöhnlich sehr viele stationäre Kameras eingesetzt werden. Das hat einen erhöhten Hardwareeinsatz und damit erhöhte Installationskosten zur Folge, wie sich ebenfalls die Instandhaltungskosten erhöhen. Insbesondere aber erhöht sich mit der Anzahl der Sensoren, wie Kameras, die Ausfallwahrscheinlichkeit mit jedem weiteren Sensor.Because the required accuracy are typically high and the variety of types is very large, usually very high many stationary Cameras are used. That has an increased use of hardware and thus increased Installation costs as well as the maintenance costs increase. But especially increased with the number of sensors, such as cameras, the probability of failure with every additional sensor.
  • Stationäre Kameras mit Objektiven und festen Brennweiten besitzen eine optimale Fokusebene und eine beschränkte Schärfentiefe, so daß Merkmale, deren Abstände vom Objektiv variieren, nicht optimal abgebildet werden, was zu Meßungenauigkeiten und Einschränkungen bei der Auswahl der anzutastenden Objekt-Merkmale führt.Stationary cameras with lenses and fixed focal lengths have an optimal focus level and a limited depth of field, so characteristics their distances vary from the lens, are not optimally mapped what to Measurement inaccuracies and limitations leads when selecting the object features to be probed.
  • In wirtschaftlicher Hinsicht ist ein Ziel der Erfindung die Erhöhung der Flexibilität: Investitionen müssen sich durch Verwendung der gleichen Anlage über mehrere Modellzyklen rechnen lassen. Anlageumbauten sollen bei Veränderung der Objekte oder bei neuen Modellen, z.B. von Fahrzeugkarossen, möglichst vermieden werden. Werden die Objekte oder deren Objekt-Merkmale geändert und fallen diese zum Beispiel weg oder befinden sich an einer anderen Stelle, soll das System darauf einfach und ohne Umbauten oder gar zusätzliche Hardware angepaßt werden können. Ebenso ist es ein Ziel der Erfindung, die Komplexität bei gleichzeitiger Erhöhung der Flexibilität und Leistungsfähigkeit zu reduzieren. Ebenso ist es ein Ziel der Erfindung, neben der 3dimesionalen Positionsbestimmung, wie Messen, möglichst weitere Aufgabenstellungen mit dem gleichen System zu lösen, wie Typerkennung oder Typverifikation, Kontrolle von Anbauteilen, Lesen von Beschriftungen, Lagebestimmung von Anbauteilen, Inspektion der zu applizierenden Bereiche und Inspektion von zum Beispiel aufgebrachten Klebern.In economic terms an object of the invention is to increase of flexibility: Investment Pay off over multiple model cycles by using the same system to let. Plant conversions should change the objects or at new models, e.g. of vehicle bodies should be avoided if possible. Become the objects or their object characteristics changed and these fall to Example away or are in another place, should that System on it easily and without modifications or even additional Hardware adapted can be. It is also an object of the invention to reduce complexity while at the same time increase of flexibility and performance to reduce. It is also a goal of the invention, in addition to the 3dimesional Position determination, such as measuring, further tasks if possible to solve with the same system such as type recognition or type verification, control of attachments, Reading labels, determining the position of attachments, inspection the areas to be applied and inspection of, for example, applied areas Adhesives.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Einrichtung in ihrer technischen Ausgestaltung flexibler zu gestalten, den Installationsaufwand einer derartigen Einrichtung zu senken wie auch die Kosten der Gesamtanlage zu minimieren, ebenso wie die Folgekosten für Instandhaltung und Anlagenwartung sowie die Lagerhaltungskosten durch geringere Anzahl von Komponenten und Komponentenvarianten zu senken. Insbesondere sollen weitere Aufgabenstellungen mit der gleichen Einrichtung oder dem gleichen System gelöst werden können, wie Inspektionen, Typerkennung oder Typverifikation, Kontrolle von Anbauteilen, Lesen von Beschriftungen, Lagebestimmung von Anbauteilen, Inspektion der zu applizieren den Bereiche und Inspektion von aufzubringenden oder aufgebrachten Gegenständen, wie zum Beispiel aufgebrachte Kleber.The invention has for its object a such facility in its technical design more flexible to design the installation effort of such a facility to lower as well as to minimize the costs of the entire system, as well like the follow-up costs for Maintenance and plant maintenance as well as storage costs lower the number of components and component variants. In particular, other tasks with the same should Setup or the same system can be solved, such as inspections, type recognition or type verification, checking attachments, reading labels, Position determination of attachments, inspection of the to be applied Areas and inspection of objects to be applied or applied, such as for example applied glue.
  • Offenbarung der Erfindung sowie deren Vorteile:
    Die Lösung der Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs genannten Gattung besteht darin, dass als Kamera eine oder mehrere Schwenkneigekopfkameras, abgekürzt genannt SNK-Kamera, oder eine Kombination von wenigstens einer Schwenkneigekopfkamera und von wenigstens einer stationären Kamera Verwendung finden.
    Disclosure of the invention and its advantages:
    The solution to the problem in a device of the type mentioned at the outset is that one or more pan-tilt cameras, abbreviated to SNK cameras, or a combination of at least one pan-tilt camera and at least one stationary camera are used as the camera.
  • In weiterer Ausgestaltung der Einrichtung weisen die Schwenkneigekopfkameras einen schwenkbaren, frei positionierbaren Sensorkopf auf, wobei die Position des Sensorkopfes parametrierbar und in Abhängigkeit vom Objekt-Typ im Einricht-Betrieb optimal einstellbar ist und im Automatik-Betrieb typabhängig automatisch angefahren wird.In a further embodiment of the device, the pan-tilt head cameras have a pivotable, freely positionable sensor head, the position of the sensor head can be parameterized and optimally adjusted depending on the object type in set-up mode and is automatically approached in automatic mode depending on the type.
  • In weiterer Ausgestaltung der Einrichtung können die Schwenkneigekopfkameras eine Zoomoptik aufweisen, welche ebenfalls parametrierbar ist.In a further embodiment of the facility, the Pan-tilt head cameras have zoom optics, which also is parameterizable.
  • Erfindungsgemäß werden somit anstelle von stationären Kameras Schwenkneigekopfkameras, sogenannte SNK-Kameras, oder die Kombination von SNK und stationären Kameras verwendet. Eine derartige Schwenkneigekopfkamera ist in der Hauptsache durch einen schwenkbaren, frei positionierbaren Sensorkopf gekennzeichnet. Der Schwenkbereich kann bis zu ±180Grad in allen Freiheitsgraden betragen. Eine weitere, gegebenenfalls zusätzliche Ausgestaltung einer derartigen Schwenkneigekopfkamera kann eine Zoomoptik sein. Die Verwendung einer Zoomoptik ermöglicht es, daß nur der relevante Bildausschnitt optimal vergrößert wird und somit eine Konzentration auf das Wesentliche erfolgt.According to the invention, instead of stationary cameras Pan-tilt head cameras, so-called SNK cameras, or the combination of SNK and stationary Cameras used. Such a pan and tilt head camera is in the main thing is a swiveling, freely positionable sensor head characterized. The swivel range can be up to ± 180 degrees in all degrees of freedom. Another, possibly additional configuration Such a pan and tilt head camera can be zoom optics. The use of zoom optics enables only the relevant image section is optimally enlarged and thus a concentration to the essentials.
  • Sowohl die Position des Sensorkopfes der Schwenkneigekopfkamera als auch die Zoomeinstellung derselben ist parametrierbar und wird in Abhängigkeit vom Objekt-Typ im Einricht-Betrieb einmalig optimal eingestellt. Im anschließendenden Automatik-Betrieb wird diese voreingestellte Positionierung und Zoomeinstellung vollautomatisch und typspezifisch angefahren.Both the position of the sensor head the pan and tilt camera as well as the zoom setting of the same can be parameterized and is depending on the object type in Setup operation optimally set once. In the subsequent automatic mode this preset positioning and zoom setting becomes fully automatic and approached specific to type.
  • Die Verwendung von derartigen Schwenkneigekopfkameras in der erfindungsgemäßen Einrichtung oder in einem derartigen System eröffnet eine Reihe von Vorteilen. Einer der Vorteile besteht in der Erhöhung der Flexibilität. Grundsätzliche kann die Anzahl der Kameras reduziert werden. Die Kosten sind in folglich geringer. Des Weiteren ist die Abdeckung von weiteren Aufgabenstellungen möglich, weil durch den frei positionierbaren Sensorkopf mit Zoomoptik eine Anpassung an eine große Objekt-Typen-Vielfalt und neue Objekt-Typen möglich ist, in dem lediglich die Parametrierung angepasst wird. Bei neuen Modellzyklen sind in der Regel keine aufwendigen Anlageumbauten oder -erweiterungen notwendig. Denn werden die Objekt-Merkmale geändert oder fallen diese zum Beispiel weg oder befinden sie sich an einer anderen Stelle oder kommen neue hinzu, müssen die Schwenkneigekopfkameras lediglich neu parametriert werden, das heißt, der frei positionierbaren Sensorkopf wird auf die neue Merkmalsposition "gerichtet" und mit der Zoomoptik eine optimale Vergrößerung, das heißt Auflösung, eingestellt. Dadurch kann insbesondere die Anbauposition der Schwenkneigekopfkameras wesentlich flexibler ausgewählt werden. Auch nach der Installation ist eine nachträgliche Auswahl weiterer oder anderer Merkmale möglich, ohne dabei bereits eingerichtete Typen von Werkstücken zu beeinflussen. Damit ist auch eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit verbunden.The use of such pan and tilt head cameras in the device according to the invention or in such a system opens up a number of advantages. One of the advantages is increased flexibility. basic the number of cameras can be reduced. The cost is in consequently less. Furthermore, the coverage of other tasks possible because adjustment thanks to the freely positionable sensor head with zoom optics to a big one Object types variety and new object types is possible in the only the parameterization is adjusted. With new model cycles are in generally no complex plant conversions or expansions are necessary. Because are the object characteristics changed or do they fall Example away or they are in another place or new ones have to be added the pan and tilt cameras are only re-parameterized, that is called, the freely positionable sensor head is "directed" to the new feature position and with the zoom optics an optimal magnification, this means Resolution, set. This allows, in particular, the mounting position of the pan / tilt head cameras selected much more flexible become. Even after installation, there is a subsequent selection further or different features possible, without having already configured types of workpieces influence. This is also an increase in performance connected.
  • Durch den frei positionierbaren Sensorkopf der Schwenkneigekopfkameras kann ein Objekt-Merkmal mit optimaler Auflösung und an nahezu beliebiger Position erkannt werden. Es muß insbesondere kein Kompromiß zwischen Bildfeldgröße und Auflösung gefunden werden. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, durch Verwendung räumlich verteilter Merkmale eine erhöhte Redundanz in der Berechnung der Objektposition sicherzustellen und dadurch letztendlich die Anlageverfügbarkeit zu erhöhen.Thanks to the freely positionable sensor head of the Pan-tilt cameras can be an object feature with optimal resolution and can be recognized at almost any position. It has to be in particular no compromise between Image field size and resolution found become. There is still the option of using spatial distributed characteristics an increased Ensure redundancy in the calculation of the object position and ultimately increasing plant availability.
  • Des Weiteren bietet die erfindungsgemäße Einrichtung auch erweiterte Nutzungsmöglichkeiten. Es können ohne zusätzliche Hardware weitere typische Aufgabenstellungen der klassischen Bildverarbeitung umgesetzt werden, wie Typerkennung, Typverifikation, Kontrolle von Anbauteilen, Lesen von Beschriftungen, Lagebestimmung von Anbauteilen, Inspektion von zu applizierenden Bereichen mittels eines Gegenstandes, wie zum Beispiel Überwachung und Inspektion von Kleberaupen, Klebestellen oder Schweißnähten.Furthermore, the device according to the invention offers also expanded usage options. It can without additional Hardware further typical tasks of classic image processing implemented, such as type recognition, type verification, control of Attachments, reading labels, determining the position of attachments, inspection of areas to be applied by means of an object, such as for example surveillance and inspection of glue beads, glue spots or welds.
  • Weitere Vorteile sind in wirtschaftlicher Hinsicht gegeben, von denen ein Vorteil in einer Kostensenkung besteht. Die Senkung der Kosten der Gesamtanlage ist dadurch gegeben, weil ein geringerer Hardwareeinsatz und ein geringerer Planungsaufwand im Vorfeld notwendig ist. Die Senkung der Installationskosten ist dadurch gegeben, daß weniger Komponenten eingesetzt werden müssen, wie Kameras, Beleuchtungen, elektromechanische Anbauteile, und dadurch der Einrichtaufwand erheblich sinkt. Eine Senkung der Folgekosten für Instandhaltung und Anlagenwartung ist dadurch gegeben, daß die Komplexität der Anlage geringer ist. Eine Senkung der Lagerhaltungskosten ist schließlich dadurch gegeben, daß eine geringere Anzahl von Komponenten und nur ein Kameratyp eingesetzt zu werden braucht. Die Verstellbarkeit der Schwenkneigekopfkameras bzw. des Sensorkopfes derselben ist prinzipiell in mehreren Freiheitsgraden möglich, wobei üblicherweise drei benutzt werden, nämlich Drehung um z-Achse, Drehung um y-Achse und Zoom.Other advantages are more economical Considerations, one advantage of which is cost reduction. The reduction in the cost of the overall system is given because less use of hardware and less planning effort is necessary in advance. The reduction in installation costs is given that fewer components must be used such as cameras, lights, electromechanical attachments, and thereby the set-up effort drops considerably. A reduction in follow-up costs for maintenance and system maintenance is given by the complexity of the system is less. Finally, the storage costs are reduced by that a fewer components and only one camera type used needs to be. The adjustability of the pan-tilt head cameras or the sensor head of the same is in principle in several degrees of freedom possible, being usually three are used, namely Rotation around the z axis, rotation around the y axis and zoom.
  • In der Figur ist eine perspektivische schematische Darstellung eines Roboterarms mit einem Greifer gezeigt, welcher eine Scheibe zum Einbau in eine Karosse hält, wobei das Beispiel der automatisierten Fahrzeugmontage entnommen ist.In the figure is a perspective schematic representation of a robot arm shown with a gripper, which holds a disc for installation in a body, whereby the example of automated vehicle assembly is taken.
  • Karossen 1 werden nacheinander auf einer (nicht gezeigten) Transportschiene in eine Montage- oder Fügeposition verfahren, wo mittels eines Roboterarms 6 mit einem Greifer 7 eines Roboters eine vom Greifer 7 getragene Scheibe 8 in eine Karossenaussparung 17 der jeweiligen Karosse 1 eingesetzt wird. Der Roboter ist auf einer (nicht gezeigten) Fahrschiene verfahrbar angeordnet und kann zwischen einem Magazin, aus welchem die Scheiben 8 nacheinander entnommen werden, und der Karosse 1 hin- und herfahren bzw. schwenken.bodies 1 are successively moved on a (not shown) transport rail into an assembly or joining position, where by means of a robot arm 6 with a gripper 7 of a robot one from the gripper 7 worn disc 8th in a body recess 17 the respective body 1 is used. The robot is movably arranged on a travel rail (not shown) and can be between a magazine from which the disks 8th can be removed one after the other, and the body 1 move back and forth or swivel.
  • Zur Aufnahme der Scheiben 8 besitzt der Roboterarm 6 an seinem Greifer 7 eine Greifplatte 18, an welcher Saugnäpfe zum Ergreifen und Loslassen der Scheibe 8 angeordnet sind. Nachdem der Roboter aus dem Magazin eine Scheibe 8 aufgenommen hat, fährt er die Scheibe in eine Vorhalteposition der Scheibe 8 kurz vor der Karosse 1, wie diese Position der Figur zu entnehmen ist.To accommodate the discs 8th owns the robot arm 6 on his gripper 7 a gripping plate 18 on which suction cups for gripping and releasing the disc 8th are arranged. After the robot slices a disk out of the magazine 8th has taken up, he moves the disc into a holding position of the disc 8th just before the body 1 how this position can be seen from the figure.
  • Im gezeigten Beispiel drei, vorzugsweise digitale, Schwenkneigekopfkameras 3, 4 und 5 sind an einem Portal 2 im Bereich der Karosse 1 angeordnet, wobei die Schwenkneigekopfkameras 3, 4, 5 beispielsweise über Kabel 14, 15, 16 – oder auch über drahtlose Funkstrecken – mit einer Bildverarbeitungssystem-Rechenstation 12 verbunden sind; über eine Eingabestation 13 erfolgt eine Dateneingabe in die Bildverarbeitungssystem-Rechenstation. Die Schwenkneigekopfkameras 3, 4 und 5 sind in sämtlichen Freiheitsgraden verstellbar, was durch die Bewegungsdoppelpfeile FG, FG2 und FG angedeutet ist. Die Verstellbarkeit der Schwenkneigekopfkameras 3, 4, 5 kann entweder dadurch gegeben sein, dass diese dergestalt kardanisch bewegliche und schwenkbare Sensorköpfe, SNK-Kameras, vorzugsweise mit Zoomoptik, aufweisen oder beim Einsatz von Kameras mit starrem Sensorkopf, ebenfalls vorzugsweise mit Zoomoptik, sind die Halterungen der Kameras am Portal 2 kardanisch beweglich und schwenkbar, so dass die Kameras 3, 4, 5 geschwenkt und gedreht werden können.In the example shown, three, preferably digital, pan-tilt head cameras 3 . 4 and 5 are on a portal 2 in the area of the body 1 arranged, the pan head cameras 3 . 4 . 5 for example via cable 14 . 15 . 16 - or also via wireless radio links - with an image processing system computing station 12 are connected; via an input station 13 data is entered into the image processing system computing station. The pan tilt head cameras 3 . 4 and 5 are adjustable in all degrees of freedom, which is indicated by the double arrows FG, FG 2 and FG. The adjustability of the pan-tilt head cameras 3 . 4 . 5 can either be given by the fact that they have gimbal-type movable and swiveling sensor heads, SNK cameras, preferably with zoom optics, or when using cameras with a rigid sensor head, also preferably with zoom optics, are the mountings of the cameras on the portal 2 gimbal movable and swiveling so that the cameras 3 . 4 . 5 can be pivoted and rotated.
  • Die drei Schwenkneigekopfkameras 3, 4 und 5 erblicken je ein Objekt-Merkmal in einem relativ eng begrenzten Bereich 9, 10, 11 aus drei verschiedenen Richtungen, so dass damit drei verschiedene Vorhaltebereiche 9, 10, 11 durch die Vorhalteposition der Scheibe 8 gegeben sind. Die Schwenkneigekopfkameras 3, 4, 5 erfassen somit gleichzeitig sowohl einen – relativ kleinen – Bereich der Füge- bzw. Einbauposition der Karossenaussparung 17 der Karosse 1 als auch einen – ebenfalls relativ kleinen – Bereich der Vorhaltepostion der Scheibe 8; Montage- oder Fügungsort und Scheibe 8 werden somit gleichzeitig von den Schwenkneigekopfkameras 3, 4, 5 erfasst.The three pan and tilt head cameras 3 . 4 and 5 perceive an object characteristic in a relatively narrow area 9 . 10 . 11 from three different directions, making three different lead areas 9 . 10 . 11 through the reserve position of the disc 8th given are. The pan tilt head cameras 3 . 4 . 5 thus simultaneously capture both a - relatively small - area of the joining or installation position of the body recess 17 the body 1 as well as a - also relatively small - area of the target position of the disk 8th ; Place of assembly or joining and washer 8th are thus simultaneously from the pan tilt head cameras 3 . 4 . 5 detected.
  • Wesentlich ist, dass die Positionen zum Verbau der Scheibe 8 bezüglich der Stellung der Schwenkneigekopfkameras 3, 4, 5 parametriert werden, wobei sowohl die Position des Sensorkopfes der Schwenkneigekopfkameras als auch die Zoomeinstellung des Sensorkopfes – die Kamera als solche insgesamt – parametrierbar ist, wobei die Parameter in Abhängigkeit vom Objekt-Typ im Einricht-Betrieb einmalig optimal eingestellt werden. Im anschließendenden Automatik-Betrieb wird diese voreingestellte Positionierung und Zoomeinstellung vollautomatisch und typspezifisch angefahren.It is essential that the positions for installing the pane 8th regarding the position of the pan / tilt head cameras 3 . 4 . 5 can be parameterized, whereby both the position of the sensor head of the pan and tilt camera as well as the zoom setting of the sensor head - the camera as such as a whole - can be parameterized, with the parameters being optimally set once in setup mode depending on the object type. In the subsequent automatic mode, this preset positioning and zoom setting is approached fully automatically and type-specifically.
  • Erfolgt anschließend in derselben Station ein Objektwechsel, beispielsweise werden in Karossenaussparungen mit unterschiedlichen Maßen andere Scheiben eingesetzt gegenüber der gezeigten Figur, so sind in der Regel keine aufwendigen Anlageumbauten oder -erweiterungen notwendig. Denn werden die Objekt-Merkmale geändert oder fallen diese zum Beispiel weg oder befinden sie sich an einer anderen Stelle oder kommen neue hinzu, müssen die Schwenkneigekopfkameras 3, 4, 5 lediglich neu parametriert werden, das heißt, der frei positionierbaren Sensorkopf wird auf die neue Merkmalsposition "gerichtet" und mit der Zoomoptik eine optimale Vergrößerung, das heißt Auflösung, eingestellt.If an object is subsequently changed in the same station, for example if different panes are used in body recesses with different dimensions compared to the figure shown, then no complex system conversions or expansions are generally necessary. Because if the object characteristics are changed or if they are omitted, for example, or if they are at a different location or new ones are added, the pan and tilt head cameras must 3 . 4 . 5 are only newly parameterized, that is, the freely positionable sensor head is "directed" to the new feature position and an optimal magnification, ie resolution, is set with the zoom optics.
  • Die Schwenkneigekopfkameras 3, 4, 5 können auch dem Roboter montiert und kalibriert und mit diesem Verfahrbar sein, wobei es auch möglich ist, nur eine oder zwei Schwenkneigekopfkameras 3, 4, 5 auf dem Roboter und die dritte Schwenkneigekopfkamera 3, 4, 5 ortsfest am Portal 2 zu montieren. Der Roboter kann die Scheibe 8 in der Vorhalteposition kurzzeitig anhalten, so dass die Schwenkneigekopfkameras 3, 4, 5 eindeutig die Koordinaten der Scheibe 8 und der Karossenaussparung 17 ermitteln können.The pan tilt head cameras 3 . 4 . 5 can also be assembled and calibrated to the robot and can be moved with it, whereby it is also possible to use only one or two pan and tilt head cameras 3 . 4 . 5 on the robot and the third pan head camera 3 . 4 . 5 stationary at the portal 2 to assemble. The robot can do the disk 8th Stop briefly in the lead position so that the pan and tilt cameras 3 . 4 . 5 clearly the coordinates of the disc 8th and the body recess 17 can determine.
  • Nunmehr berechnet die Bildverarbeitungssystem-Rechenstation 12 anhand der von den drei Schwenkneigekopfkameras 3, 4, 5 ermittelten Koordinaten sowie den vorher ermittelten Soll-Koordinaten der sogenannten Kalibrierkarosse und des sogenannten Kalibrierwerkstücks den Ist-Vektor, um welchen der Greifer 7 bzw. der Roboter in den drei Raumkoordinaten zu verfahren ist, um den Ist-Vektor zu fahren. In derNow the image processing system computing station calculates 12 based on that of the three pan and tilt cameras 3 . 4 . 5 determined coordinates and the previously determined target coordinates of the so-called calibration body and the so-called calibration workpiece, the actual vector around which the gripper 7 or the robot has to be moved in the three spatial coordinates in order to move the actual vector. In the
  • 1 ist zur Veranschaulichung hierzu zweidimensional ein Versatz "s" zwischen Scheibe 6 und Karossenaussparung 5 eingezeichnet. Der Versatz "s" ist in Realität sechs-dimensional, nämlich drei Positionen und drei Orientierungen. 1 is a two-dimensional offset "s" between the disc to illustrate this 6 and body recess 5 located. The offset "s" is actually six-dimensional, namely three positions and three orientations.

Claims (7)

  1. Einrichtung zur Bestimmung der Position eines Werkstücks (d) und der Position von Merkmalen des Werkstücks im 3D-Raum unter Verwendung von mindestens einer elektronischen Kamera (c) und digitaler Bildverarbeitung, bei welchem die Kamera (c) auf ein gemeinsames Weltkoordinatensystem (1) kalibriert ist und das Werkstück (d) in den Raum zwischen den Kameras (c) verbracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Kamera eine oder mehrere Schwenkneigekopfkameras, abgekürzt genannt SNK-Kamera, oder eine Kombination von wenigstens einer Schwenkneigekopfkamera und von wenigstens einer stationären Kamera Verwendung finden.Device for determining the position of a workpiece (d) and the position of features of the workpiece in 3D space using at least one electronic camera (c) and digital image processing, in which the camera (c) points to a common world coordinate system ( 1 ) is calibrated and the workpiece (d) is brought into the space between the cameras (c), characterized in that the camera is one or more pan and tilt cameras, abbreviated to the SNK camera, or a combination of at least one pan and tilt camera and at least one stationary Find camera use.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkneigekopfkameras einen schwenkbaren, frei positionierbaren Sensorkopf aufweisen, wobei die Position des Sensorkopfes parametrierbar und in Abhängigkeit vom Objekt-Typ im Einricht-Betrieb optimal einstellbar ist.Device according to claim 1, characterized in that the pan-tilt head cameras have a pivotable, freely positionable Have sensor head, the position of the sensor head can be parameterized and depending of the object type can be optimally set in setup mode.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkneigekopfkameras einen schwenkbaren, frei positionierbaren Sensorkopf aufweisen, wobei die Position des Sensorkopfes parametrierbar und in Abhängigkeit vom Objekt-Typ im Automatik-Betrieb typabhängig automatisch angefahren wird.Device according to claim 1, characterized in that the pan-tilt head cameras have a pivotable, freely positionable Have sensor head, the position of the sensor head can be parameterized and depending Approached automatically from the object type in automatic mode, depending on the type becomes.
  4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkneigekopfkameras eine Zoomoptik aufweisen, welche ebenfalls parametrierbar ist.Device according to claim 1, characterized in that the pan / tilt head cameras have a zoom lens, which is also parameterizable.
  5. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Werkstücks (d) und der Position von Merkmalen des Werkstücks im 3D-Raum unter Verwendung von mindestens einer elektronischen Kamera (c) und digitaler Bildverarbeitung, bei welchem die Kamera/s (c) auf ein gemeinsames Weltkoordinatensystem (1) kalibriert wird bzw. werden und das Werkstück (d) in den Raum vor der Kamera bzw. zwischen den Kameras (c) verbracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Kamera/s Schwenkneigekopfkameras, SNK-Kameras, eingesetzt werden, welche einen schwenkbaren, frei positionierbaren Sensorkopf aufweisen, wobei die Position des Sensorkopfes parametriert werden kann und die Parametrierung in Abhängigkeit vom Objekt-Typ im Einricht-Betrieb optimal eingestellt wird.Method for determining the position of a workpiece (d) and the position of features of the workpiece in 3D space using at least one electronic camera (c) and digital image processing, in which the camera / s (c) points to a common world coordinate system ( 1 ) is or are calibrated and the workpiece (d) is brought into the space in front of the camera or between the cameras (c), characterized in that pan / tilt head cameras, SNK cameras, are used as the camera / s, which have a pivotable, have freely positionable sensor head, whereby the position of the sensor head can be parameterized and the parameterization is set optimally depending on the object type in set-up mode.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkneigekopfkameras eine Zoomoptik aufweisen, welche ebenfalls parametriert werden kann.A method according to claim 5, characterized in that the pan / tilt head cameras have a zoom lens, which can also be parameterized.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Automatik-Betrieb die voreingestellte Positionierung und gegebenenfalls Zoomeinstellung vollautomatisch und Objekt-typspezifisch angefahren wird.A method according to claim 5 or 6, characterized in that that the preset positioning and if necessary, zoom adjustment fully automatic and object-specific is approached.
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