DE19814779A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines beweglichen Gegenstandes - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines beweglichen GegenstandesInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Bewegung eines beweglichen ersten Gegenstandes (1) relativ zu einem zweiten Gegenstand (2, 2'), mit Hilfe einer optischen Erfassung des zweiten Gegenstandes (2, 2') oder eines Teiles desselben durch ein optisches Erfassungssystem (4, 5), und zwar unter Erkennung eines am zweiten Gegenstand (2, 2') vorgegebenen Musters (3, 3') bzw. einer daran vorhandenen Struktur, wobei Vergleichsstrukturen bzw. -muster in einer Speichereinrichtung gespeichert sind, wobei der erste (1) und der zweite Gegenstand (2, 2') aus einer voneinander entfernten Position einander angenähert und miteinander in Eingriff gebracht werden. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung. Um ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, welche einen sicheren Eingriff der miteinander in Eingriff zu bringenden Teile des ersten und zweiten Gegenstandes auch dann ermöglichen, wenn der zweite Gegenstand während der Annäherungsbewegung gegenüber dem ersten Gegenstand mehr oder weniger unkontrollierbare Bewegungen vollführen kann und/oder wenn die Position, die der zweite Gegenstand einnehmen kann, nur sehr grob festgelegt werden kann. Es versteht sich, daß dabei die Teile des zweiten Gegenstandes, die mit den Teilen des ersten Gegenstandes in Eingriff zu bringen sind, dennoch immer im Bewegungsbereich bzw.innerhalb der Reichweite der letzten liegen müssen, wird erfindungsgemäß ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Bewegung eines beweglichen
ersten Gegenstandes relativ zu einem zweiten Gegenstand, und zwar mit Hilfe einer optischen
Erfassung des zweiten Gegenstandes oder eines Teiles desselben durch ein optisches
Erfassungssystem, unter Erkennung eines am zweiten Gegenstand vorgegebenen Musters
bzw. einer daran vorhandenen Struktur, wobei entsprechende Strukturen in einer Speicher
einrichtung gespeichert sind und wobei der erste und der zweite Gegenstand aus einer
voneinander entfernten Position einander angenähert und miteinander in Eingriff gebracht
werden.
Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung zum Steuern der Bewegung
eines beweglichen ersten Gegenstandes relativ zu einem zweiten Gegenstand, mit Antriebs-
und Steuereinrichtungen für mindestens einen der Gegenstände, einer Musterspeicher- und
einer Mustererkennungseinrichtung sowie einer optischen Erfassungseinrichtung für am
zweiten Gegenstand vorgegebene oder angebrachte Muster bzw. Strukturen.
Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen sind aus der sogenannten Robotik bzw.
Robotertechnik bekannt. Bei dem Verfahren und der Vorrichtung, von welchen die vorliegende
Erfindung ausgeht, muß zum Beispiel ein am Ende eines Roboterarmes angebrachtes Werkzeug
mit einem Gegenstand in Eingriff treten, der seinerseits beweglich sein kann, so daß seine
Position nicht von vornherein exakt definiert ist, sondern zunächst von einer optischen
Erfassungseinrichtung erfaßt werden muß, um den Roboterarm bzw. das an diesem
angebrachte Werkzeug gezielt mit dem betreffenden zweiten Gegenstand in Eingriff zu bringen.
Die Tatsache, daß die Position des zweiten Gegenstandes, mit welchem der erste Gegenstand
oder Teile des ersten Gegenstandes in Eingriff gebracht werden soll, nicht von vornherein
eindeutig festliegt, unterscheidet derartige Verfahren und Vorrichtungen zum Beispiel von
anderen automatischen Maschinen, wie zum Beispiel Werkzeugmaschinen mit Werkzeug
wechselvorrichtungen, bei welchen verschiedene Werkzeuge in einem Werkzeugmagazin an
exakt definierten Positionen angeordnet sind, so daß ein automatischer Werkzeugwechsel
stattfinden kann, ohne daß die jeweiligen Werkzeuge hierfür optisch erfaßt werden müssen.
Bei anderen Verfahren und Vorrichtungen wird zum Beispiel ein Werkzeug, ein Lesekopf oder
eine sonstige Vorrichtung kontinuierlich in einem im wesentlichen festen Abstand über die
Oberfläche oder Teile der Oberfläche eines zweiten Gegenstandes hinweg bewegt. Auch dabei
können Teile des ersten Gegenstandes mit Teilen des zweiten Gegenstandes in Eingriff stehen,
jedoch wird dabei nicht der Annäherungsvorgang des ersten Gegenstandes an den zweiten
Gegenstand gesteuert, sondern lediglich die Bewegung der in Eingriff stehenden Teile relativ
zueinander, also zum Beispiel die Bewegung einer Schweißvorrichtung entlang einer
Schweißbahn, wobei die Nahtstelle der miteinander zu verschweißenden Teile optisch erfaßt
und kontinuierlich verfolgt wird. Während dieser Bewegungssteuerung findet jedoch keine
Annäherung statt, vielmehr wird der Abstand mit Hilfe eines entsprechenden Regelsystems
konstant gehalten.
Bei den Verfahren und Vorrichtungen, von welchen die vorliegende Erfindung ausgeht, ist zum
Beispiel eine Zweistufenbewegung üblich, wobei zunächst entsprechend einem vorgegebenen
Bewegungsprogramm eine erste Annäherungsbewegung erfolgt, die den ersten Gegenstand
bzw. die miteinander in Eingriff zu bringenden Teile, in einen grob abgeschätzten näheren
Abstandsbereich bringt, bei welchem jedoch aufgrund der Umstände und der vorgegebenen
Randbedingungen, wie zum Beispiel der Bewegungsbereiche der beiden Gegenstände, ein in
Kontakttreten zunächst noch ausgeschlossen ist. Dann erfolgt eine optische Positionsver
messung der miteinander in Eingriff zu bringenden Teile und der Rest der Bewegung erfolgt
unter Steuerung der Antriebseinrichtungen des ersten Gegenstandes entsprechend den in der
vorherigen Position ermittelten Koordinaten. Während dieses letzten Abschnittes der
Bewegung findet jedoch keinerlei Kontrolle und Korrektur der Bewegung mehr statt. Letzteres
kann vor allem dann ein Problem sein, wenn unvermittelte weitere Bewegungen des zweiten
Gegenstandes möglich sind oder wenn der zweite Gegenstand sich weiterbewegt,
insbesondere wenn er sich mit nicht gleichförmiger Geschwindigkeit bewegt. Während
gleichförmige Bewegungen des zweiten Gegenstandes möglicherweise noch mit dem
herkömmlichen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung Berücksichtigung finden
können, ist dies bei unvermittelten, nicht vorhersehbaren oder ungleichförmigen Bewegungen
des zweiten Gegenstandes relativ zum ersten Gegenstand nicht mehr möglich. Auch das
Einstellen der Vorposition, in welcher die beiden Gegenstände einander zunächst grob
angenähert werden, ist nur dann sinnvoll und problemlos möglich, wenn der Bewegungs
spielraum des zweiten Gegenstandes relativ zu dem ersten bei der Bewegungsannäherung
eingeschränkt ist, d. h. wenn definitiv feststeht, daß sich der zweite Gegenstand bzw.
derjenige Teil des zweiten Gegenstandes, der mit Teilen des ersten Gegenstandes in Eingriff
gebracht werden soll, innerhalb eines relativ kleinen, vorgegebenen Raumbereiches befindet.
Diese Bedingungen sind jedoch in der Praxis nicht immer zu erfüllen. So besteht zum Beispiel
im Zuge der fortschreitenden Automatisierung ein Bedarf an einem automatischen Tanksystem,
bei welchem ein Kraftfahrer mit seinem Fahrzeug in den Bereich vor einer automatischen
Tanksäule fährt und zum Beispiel von innen die Tankklappe öffnet, woraufhin ein Tankrüssel
automatisch an den Tankstutzen des Fahrzeuges herangeführt und mit dem Tankstutzen
gekoppelt wird, und dann das Betanken des Fahrzeuges automatisch erfolgen kann. Für den
Kunden ist ein solches System sehr angenehm, da er weder auf Bedienungspersonal warten
noch befürchten muß, seine Hände mit Kraftstoff oder Öl zu beschmutzen, wie dies bei der
Berührung herkömmlicher Zapfpistolen an Tankstellen häufig der Fall ist. Eine entsprechende
Tankstelle könnte mit einem solchen System Personal und damit auch Kosten einsparen. Ein
Problem besteht dabei allerdings darin, daß der Kraftfahrer sein Fahrzeug nicht immer exakt
an eine vorgegebene Position fahren kann, sondern daß ihm die Position, die er beim Betanken
einzunehmen hat, nur sehr grob vorgegeben werden kann, da es den meisten Fahrern nicht
möglich wäre, ihr Fahrzeug zentimetergenau zu positionieren. Außerdem sind die Tankstutzen
an verschiedenen Fahrzeugen in unterschiedlicher Höhe und auch im unterschiedlichen
Abstand von der Front- oder Heckpartie des Fahrzeuges angebracht, so daß auch eine
entsprechende Steuer- und Positioniervorgabe für den Kraftfahrer, wie sie zum Beispiel aus
Waschanlagen bekannt ist, nur eine sehr grobe Positionierung des Tankstutzens ermöglichen
würde. Selbst bei spezieller Einstellung auf einen bestimmten Kraftfahrzeugtyp, können diese
Positionen aufgrund unterschiedlicher Beladungszustände der Fahrzeuge variieren. Schließlich
kann es auch geschehen, daß sich der Tankstutzen aufgrund von Wankbewegungen des
Fahrzeugaufbaus in seiner Lage verändert, während der Annäherungsvorgang bereits begonnen
hat.
Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht primär auf automatische Betankungs
systeme gerichtet ist, sondern daß dieses Beispiel hier lediglich zu dem Zweck vorgestellt
wurde, die bei manchen Annäherungsvorgängen auftretenden Probleme anschaulich
verständlich zu machen, wenn der zweite Gegenstand relativ zu dem ersten Gegenstand
beweglich bleibt und/oder nicht sehr exakt positionierbar ist.
Gegenüber dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den eingangs
genannten Merkmalen zu schaffen, welche einen sicheren Eingriff der miteinander in Eingriff
zu bringenden Teile des ersten und zweiten Gegenstandes auch dann ermöglichen, wenn der
zweite Gegenstand während der Annäherungsbewegung gegenüber dem ersten Gegenstand
mehr oder weniger unkontrollierbare Bewegungen vollführen kann und/oder wenn die Position,
die der zweite Gegenstand einnehmen kann, nur sehr grob festgelegt werden kann. Es versteht
sich, daß dabei die Teile des zweiten Gegenstandes, die mit den Teilen des ersten Gegen
standes in Eingriff zu bringen sind, dennoch immer im Bewegungsbereich bzw. innerhalb der
Reichweite der letzteren liegen müssen.
Hinsichtlich des eingangs erwähnten Verfahrens wird die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe dadurch gelöst, daß die Annäherung des ersten an den zweiten Gegenstand unter
kontinuierlicher Erfassung der Strukturen des zweiten Gegenstandes durch die Erfassungsein
richtung des ersten Gegenstandes erfolgt, wobei der Abstand zwischen den miteinander in
Eingriff tretenden Teilen des ersten und zweiten Gegenstandes kontinuierlich, und zwar
entweder direkt oder indirekt ermittelt wird und wobei die Bewegungssteuerung in
Abhängigkeit von diesem jeweils ermittelten Abstand und in Abhängigkeit von der jeweiligen
festgestellten Abweichung von der gewünschten Annäherungslinie gesteuert wird.
Der wesentliche Unterschied zu den bekannten Verfahren besteht also darin, daß die
Bewegungssteuerung bis zum endgültigen Andocken des ersten an den zweiten Gegenstand
kontinuierlich kontrolliert wird und jederzeit noch Korrekturen möglich sind, auch wenn der
zweite Gegenstand sich möglicherweise gegenüber dem ersten Gegenstand noch etwas
bewegt, während der erste Gegenstand den zweiten nahezu erreicht hat.
Die entsprechende Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen zur
kontinuierlichen, direkten oder indirekten Erfassung des Abstandes zwischen den miteinander
in Eingriff zu bringenden Teilen des ersten und zweiten Gegenstandes, sowie Einrichtungen
zur Steuerung der Annäherungsbewegung in Abhängigkeit von diesem jeweils ermittelten
Abstand und in Abhängigkeit von der jeweiligen festgestellten Abweichung von der
gewünschten Annäherungslinie aufweist.
Die entsprechenden Steuereinrichtungen können zum Beispiel die Vorrichtung so steuern, daß
die Annäherungsbewegung bei Verringerung des Abstandes verlangsamt wird, so daß
ausreichend Zeit für Korrekturen quer zur Annäherungsbewegung bleibt und so daß der Eingriff
zwischen den miteinander in Eingriff zu bringenden Teilen hinreichend sanft erfolgt, während
in größeren Abständen die Relativbewegung sehr schnell und mit geringerer Genauigkeit
erfolgen kann.
Der bewegliche erste Gegenstand, an welchem optische Erfassungseinrichtungen angebracht
sind, nimmt über seine Optik die am zweiten Gegenstand angebrachten oder vorhandenen
Strukturen auf. Vorzuziehen sind dabei im übrigen speziell für die Bewegungssteuerung des
ersten Gegenstandes ausgewählte und an dem zweiten Gegenstand angebrachte Strukturen,
deren konkrete Ausgestaltung und Form speziell für die Bedürfnisse der Bewegungsannäherung
ausgelegt ist. Ein solches Muster oder eine entsprechende Struktur könnte zum Beispiel aus
zwei rechtwinklig in Form eines L zueinander angeordneten Balken oder aus drei Punkten
bestehen, welche die Eckpunkte eines Dreiecks, vorzugsweise eines nicht gleichschenkligen
und rechtwinkligen Dreiecks, wiedergeben. Die spezielle Struktur, die für den jeweiligen
Anwendungszweck optimiert ist, hängt jedoch auch davon ab, ob diese Annäherungs
bewegung auch mit einer bestimmten Orientierung der beiden Gegenstände zueinander zu
erfolgen hat oder ob es auf diese Orientierung nicht ankommt. Im letzteren Fall könnte eine
Annäherungsstruktur zum Beispiel aus einem einfachen Ring oder aus mehreren konzentrischen
Ringen bestehen. Falls die Annäherung in verschiedenen, fest definierten Drehpositionen
erfolgen kann, könnten ein entsprechendes Polygon oder Punkte, welche die Ecken eines
solchen Polygons definieren, als Strukturen am zweiten Gegenstand angebracht werden. Auch
auf die optische Erfaßbarkeit der Strukturen sollte dabei geachtet werden, vorzugsweise
könnten solche Strukturen zum Beispiel auf einer reflektierenden Folie angebracht sein, die an
einer entsprechenden Stelle auf den zweiten Gegenstand aufgeklebt wird.
Die Vorrichtung weist außerdem Skalierungseinrichtungen zur Anpassung der Größe der
erfaßten Muster bzw. Strukturen an die gespeicherten Strukturen, bzw. umgekehrt, auf. Das
entsprechende Verfahren nimmt diese Größenanpassung der erfaßten Strukturen vor. Die am
ersten Gegenstand angebrachte optische Erfassungseinrichtung nähert sich während der
Annäherungsbewegung des ersten Gegenstandes an den zweiten Gegenstand gleichzeitig
ebenfalls an den zweiten Gegenstand an, so daß sich auch der Bildausschnitt dieser optischen
Erfassungseinrichtung ständig verändert und insbesondere die Größe und eventuell auch die
Orientierung der an dem zweiten Gegenstand angebrachten Struktur bzw. des Musters. Da es
für die Annäherungsbewegung wichtig ist, daß die Struktur, die als Orientierungshilfe für die
Annäherung des ersten an den zweiten Gegenstand dienen soll, als solche erkannt wird und
da dies über Vergleiche mit entsprechenden, gespeicherten Mustern erfolgt, ist aufgrund des
sich ändernden Bildausschnittes und der sich dadurch ändernden Größe der Struktur auch eine
Anpassung zwischen den gespeicherten und den erfaßten Strukturen zweckmäßig und
sinnvoll. Unter einem gespeicherten "Muster" oder gespeicherten "Strukturen" werden im
Rahmen der vorliegenden Anmeldung nicht nur Muster in Form graphischer Daten, sondern
auch abstrakt durch numerische Daten definierte Muster bzw. Strukturen verstanden, wobei
es lediglich eine Frage der Ausgestaltung entsprechender Programme, Vergleiche und
Erkennungsabläufe ist, inwieweit unmittelbar graphische Daten miteinander zu vergleichen sind
oder ob zunächst graphische Daten in abstraktere, numerische Daten umgewandelt werden
oder umgekehrt, wobei auch verschiedene Bildverarbeitungstechniken, wie Kontrastver
stärkung, Änderungen in der Grauwertabstufung etc. involviert sein können.
Praktisch kann dies zum Beispiel durch eine Zoom-Optik erfolgen, die den Bildausschnitt bzw.
die Brennweite eines Objektivs der optischen Erfassungseinrichtung ständig so anpaßt, daß
das Muster im wesentlichen immer denselben Bildausschnitt einnimmt, vorzuziehen ist jedoch
eine rein rechnerische Anpassung der Größe der Strukturen bzw. Muster. Dabei können die
Anpassungsparameter, d. h. also entweder die konkrete Stellung des Zoom-Objektivs oder aber
die Skalierungsfaktoren zwischen optischen Strukturen und gespeicherten Strukturen als
indirekte Maßstäbe für den erreichten Abstand der miteinander in Eingriff zu bringenden Teile
des ersten und zweiten Gegenstandes verwendet werden. Es versteht sich, daß der in Form
der Skalierungsfaktoren indirekt ermittelte Abstand zwischen den genannten Teilen jederzeit
in ein direktes Abstandsmaß umgerechnet werden könnte, obwohl dies für die Steuerung der
Vorrichtung letztlich nicht erforderlich ist, da auch die indirekten Größen, die den Abstand
eindeutig festlegen, als Steuerungsparameter verwendbar sind.
Es versteht sich, daß es zu dem Skalierungsvorgang alternative Methoden gibt, wie zum
Beispiel das Abspeichern von Mustern in unterschiedlichen Größen und das Anpassen des
optisch erfaßten Musters an jeweils eines der gespeicherten Muster, wobei die Anpassung an
das am besten passende Muster dann ebenfalls ein Maß für den erreichten Abstand liefert.
Derartige Alternativen sind letztlich auch Skalierungen bzw. Größenanpassungen zwischen den
optisch erfaßten und gespeicherten Mustern.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die optische
Erfassungseinrichtung den zweiten Gegenstand bzw. die daran vorhandenen Strukturen von
einem mit dem zweiten Gegenstand in Eingriff treten den Teil des ersten Gegenstandes aus
erfaßt. Konkret sollte also eine entsprechende Kameraoptik in einen Teil des ersten
Gegenstandes integriert sein, der mit dem zweiten Gegenstand in Eingriff tritt. Dabei kann die
Kameraoptik bzw. ein Objektiv in einen Hohlraum des betreffenden Teiles des ersten
Gegenstandes integriert sein. Auch die gesamte Kamera kann in einem Hohlraum in dem ersten
Gegenstand aufgenommen sein, wobei allerdings eine Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt
ist, bei welcher das Objektiv mit seiner dem zweiten Gegenstand nächstliegenden Fläche einen
relativ großen Abstand zu der eigentlichen Kamera der optischen Erfassungseinrichtung hat.
Dieser Abstand kann zum Beispiel bei einer starren Optik in einem Bereich von 10 bis 50 cm
oder auch noch darüber liegen. Denkbar wäre eventuell auch eine Optik, die über Spiegel oder
über ein geordnetes Bündel aus Lichtleitfasern das von dem Objektiv erzeugte Bild an eine
relativ weit entfernte Kamera weiterleitet. Zunächst hat man dadurch den Vorteil, daß die
Bewegungssteuerung bzw. die Erfassung der für die Bewegungssteuerung wesentlichen
Parameter exakt von demjenigen Teil aus erfolgt, welches auch tatsächlich die Annäherung
an den zweiten Gegenstand ausführt und mit diesem in Eingriff tritt. Damit sind jegliche
Abschattungseffekte, wie sie bei stationär oder auch beweglich außerhalb des ersten
Gegenstandes angebrachten Kameras auftreten können, vermieden. Die Anordnung nur der
Kameraoptik in dem vordersten Bereich des mit dem zweiten Gegenstand in Eingriff tretenden
Teiles des ersten Gegenstandes beschränkt dabei die Anordnung von Teilen, die der sonstigen
Funktion der miteinander in Eingriff tretenden Teile nicht dienen, auf das absolut erforderliche
Minimum. Diese Teile können dann ihrerseits eine minimale Baugröße haben.
Ein weiterer Vorteil der von dem Objektiv mehr oder weniger entfernt angeordneten Kamera
liegt darin, daß eine solche Kamera im allgemeinen eine elektrische Stromversorgung enthält
und daß es für manche Anwendungsfälle zweckmäßig ist, jegliche elektrische Stromver
sorgung von dem Eingriffsbereich der Teile des ersten und zweiten Gegenstandes fernzuhalten.
Die Kameraoptik als rein passives, optisches Bauelement ist dabei unkritisch.
Entsprechendes gilt in der bevorzugten Ausführungsform auch für die Beleuchtung, die nach
Möglichkeit ebenfalls in denjenigen Teil des ersten Gegenstandes integriert sein sollt, der mit
dem zweiten Gegenstand in Eingriff tritt. Die so integrierte Beleuchtung stellt die optimale
Ausleuchtung der von der optischen Erfassungseinrichtung zu erfassenden Strukturen sicher.
Auch die Beleuchtungseinrichtung ist in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung so
ausgestaltet, daß keinerlei elektrische Ladungen, Funken oder sonstige Gefahrenquellen im
Eingriffsbereich des ersten mit dem zweiten Gegenstandes entstehen können, indem eine aus
Lichtleitfasern bestehende Beleuchtungseinrichtung verwendet wird, wobei die Lichtleitfasern
an ihrem einen, von dem Eingriffsbereich entfernt liegenden Ende mit einer Lichtquelle
verbunden sind. Zweckmäßigerweise werden jeweils die Lichtleitfasern individuell mit einer
entsprechenden Lichtquelle verbunden, so daß es auch zwischen den Lichtleitfasern nicht zu
lokalen Licht- und damit Energiekonzentrationen kommen kann und so daß am vorderen Ende
der Lichtleitfasern das Licht mit einer gleichmäßig verteilten Leuchtdichte austritt.
Es versteht sich, daß je nach Ausgestaltung der miteinander in Eingriff tretenden Teile die
optische Erfassungseinrichtung bzw. die Kameraoptik und die Beleuchtungseinrichtungen mehr
oder weniger zentral oder auch exzentrisch in dem Teil des ersten Gegenstandes angeordnet
sein können, welches mit dem zweiten Gegenstand in Eingriff tritt.
Zweckmäßigerweise ist insbesondere für den Nahbereich der Annäherung ein Weitwinkel
objektiv der optischen Erfassungseinrichtung vorgesehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden
deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der
dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer zentralen
Anordnung der optischen Erfassungseinrichtung und
Fig. 2 eine Ausführungsform mit einer exzentrischen Anordnung der optischen Erfassungs
einrichtung.
Man erkennt in Fig. 1 einen bewegbaren Roboterarm 1, an dessen vorderen Ende eine Hülse
8 angebracht ist, die wiederum ein Werkzeug 7 trägt, das für den Eingriff mit einem zweiten
Gegenstand 2 ausgestaltet ist. Bei dem Gegenstand 2, der hier lediglich schematisch
wiedergegeben ist und stellvertretend für einen beliebigen, insbesondere beliebig großen und
beliebig komplizierten Gegenstand steht, handelt es sich im vorliegenden Fall um ein
regelmäßig achteckiges Prisma, dessen einen achteckigen Polygonzug bildende Kanten eine
Struktur 3 darstellen, die optisch gut erfaßbar ist. Bei dem Werkzeug 7 kann es sich um
gegenüberliegende Greifklauen handeln, das Werkzeug 7 kann aber auch ein Hohlteil sein,
welches passend zu dem Gegenstand 2 in einem achteckigen Polygonzug angeordnete
Innenflächen aufweist. In der Hülse 8 ist eine Kamera 5 mit einer Kameraoptik 4 aufgenom
men, wobei die Kameraoptik 4 die achteckige Struktur 3 abbildet und auf entsprechende
lichtempfindliche Flächen der Kamera 5 projiziert. Die lichtempfindliche Fläche der Kamera 5
ist im allgemeinen eine Matrix aus lichtempfindlichen Teilflächen bzw. Pixeln, wie sie
beispielsweise auch in Videokameras Verwendung finden, wobei allerdings auch andere
lichtempfindliche Flächen und Aufzeichnungsmedien verwendet werden könnten.
Das von der Kamera empfangene Bildsignal wird elektronisch umgewandelt und an eine
Steuereinheit 6 übermittelt, die im allgemeinen einen Mikroprozessor und Speichereinrichtun
gen enthält. Die von der Kamera 5 empfangenen Bilder werden in der Steuereinheit 6
ausgewertet und zwischengespeichert. Zu der Auswertung gehört insbesondere eine Muster-
bzw. Strukturerkennung, im allgemeinen durch Vergleich mit einem in der Speichereinrichtung
gespeicherten Muster bzw. einer gespeicherten Struktur. Die Auswerteeinheit enthält
darüberhinaus auch eine Skalierungseinrichtung, welche es ermöglicht, vor dem Vergleich die
Größe der erfaßten Struktur 3, 3', zum Beispiel den wechselseitigen Abstand zweier oder
dreier bestimmter Punkte der Struktur 3', an die Größe der gespeicherten Struktur anzupassen,
um so zu einer positiven Mustererkennung zu kommen.
Die Kameraoptik 4 ist zentral in der Hülse und dem Werkzeug 7 angeordnet, so daß die
gesteuerte Bewegung des Roboterarmes 1 derart erfolgen kann, daß die Kameraoptik 4 sich
auf das Zentrum des von ihr erfaßten Polygonzuges 3 ausrichtet und die Bewegung derart
erfolgt, daß der Polygonzug konzentrisch zu einem Zielpunkt der Bewegung angeordnet bleibt.
Dabei wird das von der Optik 4 und der Kamera 5 erfaßte Bild kontinuierlich neu ausgewertet,
bis der gesamte Annäherungsvorgang abgeschlossen ist und der Eingriff zwischen dem
Werkzeug 7 und dem Gegenstand 2 stattgefunden hat bzw. bis die vorgesehene Endposition
erreicht ist und das Werkzeug 7 zum Ergreifen des Gegenstandes 2 betätigt werden kann.
In Fig. 2 ist eine sehr ähnliche Anordnung dargestellt, in welcher der Roboterarm 1 anstelle
eines Werkzeuges 7 mit einem Einfüllstutzen 7' einer automatischen Betankungsvorrichtung
ausgerüstet ist. Dementsprechend ist der Gegenstand 2' ein Tankstutzen, zum Beispiel der
Tankstutzen eines Fahrzeuges. Konzentrisch um eine zentrale Öffnung des Tankstutzens 2'
herum sind Strukturelemente 3' vorgesehen, die von der Kameraoptik 4 erfaßt werden. Im
konkreten Fall ist in der Hülse 8' der Einfüllstutzen 7' zentral angeordnet und die Kamera 5 und
die Kameraoptik 4 sind exzentrisch hierzu angeordnet. Das Vorderende der Hülse 8' kann aus
einzelnen Fingern oder Kupplungselementen bestehen, die mit entsprechenden Aussparungen
oder Kupplungsgegenstücken am Tankstutzen 2' in Eingriff treten. Auch in diesem Fall hat die
Kameraoptik 4 während des gesamten Annäherungsvorganges des Roboterarmes 1 an den
Tankstutzen 2' immer eine freie Sicht auf den Tankstutzen 2' bzw. die daran angeordneten
Strukturelemente 3'. Die Mustererkennung der Strukturelemente 3' erfolgt in völlig analoger
Weise wie die Mustererkennung im Falle des Polygonzuges 3 in der Ausführungsform gemäß
Fig. 1. Die Steuerung des Roboterarmes 1 erfolgt in diesem Fall allerdings nicht so, daß das
Vorderende der Kamera in das Zentrum des Musters 3' geführt wird, sondern zum Beispiel so,
daß die Kameraoptik 4 sich den Musterpunkten 3' annähert, aus deren Lage der Schluß auf
die Lage der gesamten Strukturebene der Musterpunkte 3' möglich ist, die zum Beispiel ein
gleichseitiges Dreieck aufspannen. Auch hier erfolgt während des Annäherungsvorganges eine
fortgesetzte Skalierung und der erforderliche Skalierungsfaktor stellt bei bekannten Abständen
der Musterpunkte 3' bzw. allgemein bei bekannten Abmessungen der Strukturelemente 3 bzw.
3' gleichzeitig ein Maß für den aktuell erreichten Abstand zwischen dem Werkzeug 7 und dem
Gegenstand 2 bzw. zwischen dem Einfüllstutzen 7' und dem Tankstutzen 2' dar. Es versteht
sich, daß der Tankstutzen 7' das vordere Ende der Kameraoptik 4 und auch der Hülse 8' um
einen mehr oder weniger großen Betrag überragen könnte und daß im übrigen die vorderen
Kupplungselemente oder Finger der Hülse 8' ebenso wie auch die Kameraoptik in entsprechend
am Tankstutzen 2' vorgesehene Hohlräume eintauchen könnten, während der Einfüllstutzen
7' in die zentrale Öffnung bzw. ein zentrales Rohr des Tankstutzens 2' eingeführt wird.
Der in den Zeichnungen bewußt angedeutete, relativ große Abstand zwischen dem Objektiv
4 der Kameraoptik und dem elektrischen bzw. elektronischen Aufzeichnungsbereich in der
eigentlichen Kamera 5 dient bei den vorliegend dargestellten Ausführungsformen dem Zweck,
alle strom- bzw. spannungführenden Teile in einem möglichst großen Abstand von dem
Arbeitsbereich der Werkzeuge 7 bzw. 7' und dem zweiten Gegenstand 2 bzw. 2' entfernt zu
halten. Im Falle des Tankstutzens 7' dient diese vor allem dem Zweck, die einschlägigen
Explosionsschutzbestimmungen zu erfüllen. Es versteht sich, daß darüberhinaus die Kamera
5 noch durch zusätzliche Mittel gegenüber dem Arbeitsbereich abgegrenzt werden kann, zum
Beispiel durch eingesetzte Dichtungs- oder Abschirmscheiben, die sich über den Innenquer
schnitt der Hülsen 8 bzw. 8' erstrecken und lediglich für die hindurchzuführende Kameraoptik
und gegebenenfalls für Werkzeuge wie den Tankstutzen 7' oder andere Steuerungs- und
Betätigungseinrichtungen entsprechende Durchführungen aufweisen.
Claims (17)
1. Verfahren zum Steuern der Bewegung eines beweglichen ersten Gegenstandes (1)
relativ zu einem zweiten Gegenstand (2, 2'), mit Hilfe einer optischen Erfassung des
zweiten Gegenstandes (2, 2') oder eines Teiles desselben durch ein optisches
Erfassungssystem (4, 5), und zwar unter Erkennung eines am zweiten Gegenstand
(2, 2') vorgegebenen Musters (3, 3') bzw. einer daran vorhandenen Struktur, wobei
Vergleichsstrukturen bzw. -muster in einer Speichereinrichtung gespeichert sind,
wobei der erste (1) und der zweite Gegenstand (2, 2') aus einer voneinander
entfernten Position einander angenähert und miteinander in Eingriff gebracht werden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Annäherung des ersten an den zweiten Gegenstand
unter kontinuierlicher Erfassung der Strukturen (3, 3') des zweiten Gegenstandes (2,
2') durch die Erfassungseinrichtung (4, 5) des ersten Gegenstandes (1) erfolgt wobei
der Abstand zwischen den miteinander in Eingriff tretenden Teilen des ersten und
zweiten Gegenstandes (1, 2, 2') kontinuierlich direkt oder indirekt ermittelt wird,
wobei die Bewegungssteuerung in Abhängigkeit von dem jeweils erreichten Abstand
und in Abhängigkeit von der jeweiligen festgestellten Abweichung von der
gewünschten Annäherungsbahn erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Annäherung
des ersten an den zweiten Gegenstand eine Größenanpassung zwischen der von der
optischen Erfassungseinrichtung (3, 4) erfaßten und der in der Speichereinrichtung
gespeicherten Struktur vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung optisch
durch eine Zoom-Optik erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größenanpassung
rechnerisch erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
optische Erfassungseinrichtung (3, 4) den zweiten Gegenstand (2, 2') bzw. die daran
vorhandene Struktur (3, 3') von einem mit dem zweiten Gegenstand (2, 2') in Eingriff
tretenden Teil des ersten Gegenstandes (1) aus erfaßt.
6. Vorrichtung zum Steuern der Bewegung eines beweglichen ersten Gegenstandes (1)
relativ zu einem zweiten Gegenstand (2, 2'), mit Antriebs- und Steuereinrichtungen
für mindestens einen der Gegenstände (1, 2, 2'), einer Musterspeicher- und einer
Mustererkennungseinrichtung sowie einer optischen Erfassungseinrichtung (4, 5) für
am zweiten Gegenstand (2, 2') vorgegebene oder angebrachte Strukturen (3, 3'),
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Einrichtungen zur kontinuierlichen,
direkten oder indirekten Erfassung des Abstandes zwischen den miteinander in
Eingriff zu bringenden Teilen des ersten und zweiten Gegenstandes (1, 2, 2'), sowie
Einrichtungen zur Steuerung der Annäherungsbewegung in Abhängigkeit von dem
jeweils ermittelten Abstand und in Abhängigkeit von der jeweiligen festgestellten
Abweichung von der gewünschten Annäherungsbahn aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie Skalierungsein
richtung zur Anpassung der Größe der erfaßten Musterstrukturen an die gespeicher
ten Strukturen aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Skalierungsein
richtungen eine Zoom-Optik aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Skalierungsein
richtungen Teil der Mustererkennungseinrichtung sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kameraoptik (4) in den ersten Gegenstand (1) integriert ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kameraoptik (4) in
einem Hohlraum (6) des mit dem zweiten Gegenstand (2, 2') in Eingriff tretenden
Teiles des ersten Gegenstandes (1) aufgenommen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kamera
(5) in einem Hohlraum (6) des mit dem zweiten Gegenstand (2, 2') in Eingriff
tretenden Teiles des ersten Gegenstandes (1) aufgenommen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Beleuchtungseinrichtung in einem Hohlraum (6) des mit dem zweiten Gegenstand (2,
2') in Eingriff tretenden Teiles des ersten Gegenstandes (1) aufgenommen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsein
richtung aus Lichtleitfasern besteht, deren eines Ende mit einer Lichtquelle verbunden
ist, welche von den miteinander in Eingriff zu bringenden Teilen der ersten und
zweiten Gegenstände (1, 2, 2') entfernt liegt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Objektiv einer Kameraoptik (4) einen Abstand von mindestens 10 und vorzugsweise
mindestens 20 cm zu einer Kamera (5) hat.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
optische Erfassungseinrichtung ein Weitwinkelobjektiv aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der
zweite Gegenstand mit speziell für die Annäherungsbewegung des ersten Gegen
standes angebrachten, optisch erfaßbaren Strukturen versehen ist.
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