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Stand der Technik
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Für
viele Aufgaben im Heimwerkerbereich ist es erforderlich, Markierungen,
beispielsweise zum Bohren in bestimmten Abständen und Winkeln,
anzubringen. Zum Beispiel müssen zum Anbringen eines Hängeregals
Markierungen anbracht werden, so dass am Ende die einzelnen Bretter
im Wasser sind und die Seitenhalterung senkrecht zum Boden an der Wand
ist. Traditionell können solche Aufgaben mittels Wasserwaage
u. Meterstab gelöst werden. In den vergangenen Jahren gibt
es jedoch einen Trend, solche Messaufgaben durch spezielle Messgeräte
z. B. auf Laserbasis zu lösen.
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So
gibt es beispielsweise Laserlinien-Projektoren, die rechte Winkel
entlang der Wand projizieren können oder Laserentfernungsmesser
zum Messen von Entfernungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Markiergerät
bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein handgeführtes
Markiergerät, das seine Position an einer Fläche,
insbesondere einer Wand, bestimmen kann und mit dem an vom Benutzer
gewünschten oder vorprogrammierten Positionen Markierungen
angebracht werden können.
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Es
wird ein Markiergerät vorgeschlagen, das einen Benutzer
für Aufgaben dieser Art speziell für die Markierung
von Punkten, beispielsweise an einer Wand, kom fortabel unterstützt.
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann dabei gegenüber einem
frei wählbaren Ursprung auf der Wand den Abstand in x-Richtung
(x-Achse parallel zum Boden und der Wand) und y-Richtung (y-Achse
senkrecht zur Wand) messen, siehe 1.
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In
einer ersten Ausführungsform weist das Markiergerät
eine Einrichtung zum Ermitteln einer relativen Position des Markiergeräts
und eine Einrichtung zum Abgeben einer Markierung auf einer Fläche,
insbesondere einer Wand auf.
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In
eine weiteren Ausführungsform weist das Markiergerät
eine Vorrichtung zum Halten eines Stiftes, mit dem die Markierung
aufgebracht werden kann, auf.
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In
einer weiteren Ausführungsform weist die Einrichtung zum
Ermitteln der Position wenigstens zwei Messensoren auf, mit denen
in einer Ebene der Abstand zu zwei Wänden gemessen und
angezeigt werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist das Markiergerät
wenigstens zweiteilig ausgebildet ist, wobei die Einheit zum Ermitteln
der relativen Position in einem getrennt angeordneten Gehäuse
untergebracht ist.
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In
einer weitern Ausführungsform ist die Einrichtung zum Ermitteln
einer relativen Position des Markiergeräts in Form eines
optischen Projektionssystems ausgebildet, mit dem Positionen für
das Markiergerät auf eine Fläche projiziert werden
können.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist die Einrichtung zum
Ermitteln einer relativen Position des Markiergeräts in
Form einer optischen Kamera ausgebildet ist, wobei die Kamera mithilfe
einer Markierung auf dem Markiergerät eine Ortsposition
des Markiergeräts erfasst und insbesondere eine 3-D Position
berechnet.
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Die
Erfindung hat das Potential, Wasserwaage, Lotstock und Meterstab
für Markierungsarbeiten an ebenen Flächen zu ersetzen.
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Vorzugsweise
kann durch die Integration in ein Gerät und die elektronische/sensorische
Unterstützung eine höhere Genauigkeit erreicht
werden.
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Bei
Einsatz einer benutzerfreundlichen Schnittstelle kann auch eine
höhere Geschwindigkeit des Benutzers bei der Ausführung
einer Markierungsaufgabe erwartet werden.
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Die
Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Anwendungsform,
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten Anwendungsform,
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3 eine
schematische Darstellung einer dritten Anwendungsform, und
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4 eine schematische Darstellung einer vierten
Anwendungsform.
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Detaillierte Beschreibung von Aufbau und
Funktion des Vorschlags mit möglichen Alternativen
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Zur
Verwirklichung des Markiergeräts werden zwei Komponenten
benötigt. Zum einen die Bestimmung der Position auf der
Wand, zum anderen eine Möglichkeit, Markierungen anzubringen.
Für die Markierungskomponente gibt es eine Reihe von Möglichkeiten,
z. B. kann ein Stift integriert sein, den man durch leichten Druck
ausfährt, es kann lediglich eine Öffnung für
einen Stift vorgesehen sein, es kann aber auch z. B. ein Druckkopf
integriert sein (z. B. Nadeldrucker).
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Im
Folgenden wird hauptsächlich auf die technischen Möglichkeiten
zur Bestimmung der Position an der Wand eingegangen. Die folgenden
technischen Lösungen bestimmen die Position des Markiergeräts
entweder mit den vollen sechs Freiheitsgraden (6DOF, x/y/z, drei
Winkel) oder mit drei Freiheitsgraden auf der Wand. Im ersten Fall
kann die Lage der Wand durch das Setzen des Ursprungs bestimmt werden,
wenn das Gerät flach an die Wand aufgesetzt werden kann.
Für ein freibewegliches Gerät kann mit Hilfe von
Neigungssensoren und der Annahme, dass die Wand parallel zur Schwerkraft
steht, die Position an der Wand ermittelt werden. Die Bestimmung
der Lage des Geräts mit nur drei Freiheitsgraden (x,y,
Winkel) (siehe 2) ist einfacher zu bewerkstelligen
und für die Aufgabenstellung auch ausreichend.
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Die
Bedienung des Markiergeräts könnte wie folgt ablaufen:
Der
Benutzer markiert mit dem Markiergerät einen beliebigen
Punkt der Wand, dieser ist dann im Folgenden der Ursprung. Der Benutzer
kann dann das Markiergerät an einen beliebigen anderen
Punkt an der Wand führen und bekommt über ein
Display die x/y Position angezeigt. Hat er die gewünschte
Position erreicht, kann er eine Markierung anbringen. Um eine Bohrmarkierung
anzubringen, die im Wasser zum Ursprung ist, muss er z. B. eine
Position mit y = 0 anfahren. Als Erweiterungen der Erfindung kann eine
Liste von Punkten auch vom Benutzer programmierbar sein, oder ein
regelmäßiges Gitter angegeben werden, bei dem
der Benutzer lediglich x/y Abstände vorgibt. Das Gerät
kann dann durch optische, akustische oder haptische Rückmeldung
die Nähe zum Zielpunkt signalisieren. Alternativ oder zusätzlich
kann das Gerät auch eine Grafik mit den bisher markierten
Punkten/noch zu markierenden Punkten anzeigen oder eine Grafik,
die die Abweichung zu x = 0/y = 0 visualisiert, z. B. ähnlich
einer Wasserwaage o. mit Richtungspfeilen.
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Folgende
technische Lösungen sind denkbar:
- – Variante „Northstar”:
Von der Firma Evolution Robotics, Passadena, ist ein Indoorpositionierungssystem
erhältlich, bei dem ein Projektor, der z. B. in eine Steckdose
eingesteckt werden kann, Spots an die Wand projiziert, die eine
Kamera auf dem Markiergerät erkennt. Beim aktuellen Produkt
sind jedoch die erzielbaren Genauigkeiten lediglich im Bereich einiger
cm, außerdem ist eine Messung der Raumhöhe erforderlich,
die einen Extraentfernungssensor benötigen würde.
- – Variante „Trackingsystem”
Am
Markiergerät werden drei oder mehr Markierungen angebracht,
die mittels eines Kameramoduls, das mit guter Sicht auf die Wand
postiert werden muss, erkannt werden, woraus mit Hilfe der bekannten
Geometrie der Markierungen und der internen Kameraparameter eine
3D-Position berechnet werden kann. Für hohe Genauigkeit und
Robustheit können auch eine aktive Beleuchtung oder aktive(z.
B. LED)-Marker vorgesehen werden.
- – Variante „Wii”: In der Spielekonsole
Nintendo Wii gibt es eine sogenannte „Sensor Bar”,
die vier aktive LED Marker enthält. Mit Hilfe der Kamera
im Kontroller kann so bei Sichtkontakt zur Sensor Bar die volle
6-DOF Position des Kontrollers festgestellt werden. Eine ähnliche
Kamera könnte im Markiergerät eingebaut werden;
die Sensorbar könnte z. B. am Boden postiert werden. Der
Benutzer müsste nun lediglich darauf achten, dass der Sichtkontakt
gewährleistet ist. Mit Hilfe eines Neigungssensors kann
zusätzlich die Richtung der Schwerkraft, und damit die
korrekte Positionierung der x/y Achsen des Markiergeräts,
gewährleistet werden. Die Sensorbar kann dabei wie das
Markiergerät akkubetrieben sein. Diese Variante kann natürlich
auch durch andere Marker als die der Sensorbar verwirklicht werden. 3 demonstriert
dieses Prinzip.
- – Variante „Laserentfernungsmessung mit Neigungssensor”.
Diese einfachste Variante ist ideal für leere Räume,
bei denen immer Boden/Decke und andere Wände zu sehen sind.
Am Markiergerät sind mindestens zwei Sensoren angebracht, die
Entfernungsmessungen ausführen können, z. B. Laserentfernungsmesser.
Weiterhin ist eine Anzeige zur Darstellung der gemessenen Entfernungen
vorgesehen. Diese messen die Entfernung bezüglich der x-Achse
zur nächsten Wand bzw. bezüglich der y-Achse zu
Boden oder Decke (4a und 4b). Wird
das Gerät exakt gerade gehalten, so lässt sich
die Position an der Wand direkt ableiten. Dazu weist das Markiergerät
eine Wasserwaage auf, mit der eine horizontale oder vertikale Ausrichtung überprüft
werden kann. Wird das Gerät ungefähr gerade gehalten, so
kann bei bekanntem Winkel phi (wie in 2) die korrekte
Position rekonstruiert werden. Dieser Winkel wird nun direkt mittels
eines Neigungssensors bestimmt. 4c zeigt
das Prinzip. Die Variante lässt sich natürlich
auch durch nur einen Laserentfernungsmesser und einen beweglichen Spiegel
umsetzen, z. B. kann ein einfacher Klappmechanismus vorgesehen werden,
der den Spiegel um 90 Grad klappen kann, um die horizontale und
die vertikale Messung durchzuführen.
- – Variante „2D-Scanmatching” (4a, 4b, 4c).
Auf dem Markiergerät ist ein 2D Laserscanner angebracht,
der die Entfernung in einem bestimmten Winkelbereich (bevorzugt > 180 Grad) mit einer
hohen Auflösung (bevorzugt >= 1 Messwert pro Grad) misst. Der Laserscan
wird dabei parallel zur Wand aus geführt. Solch ein Laserscan
wir dabei beim Setzen des Ursprungs aufgenommen und als Referenzscan
gespeichert. Soll nun die Position des Markiergeräts bezüglich dieses
Ursprungs ermittelt werden, so wird ein weiterer Laserscan aufgenommen
und die Verschiebung und Drehung (x,y, Winkel) ermittelt, die diesen
Laserscan in Übereinstimmung mit dem Referenzscan bringt.
Für dieses sogenannte Laserscan-Matching sind in der Literatur
eine Reihe von Methoden bekannt. Durch die Extraktion der Decke
und des Bodens aus den Daten lässt sich zudem die Lage
der x-Achse (parallel zum Boden) bestimmen. Im Normalfall sollten
auch andere Wände im Laserscan sichtbar sein, die sich
aus dem Scan extrahieren lassen, was das Scan Matching und die Bestimmung
der x/y-Achse sehr einfach macht. Ebenso lässt sich durch
zusätzlichen Einbau eines Neigungssensors zur direkten Bestimmung
des Winkels die Genauigkeit erhöhen. Im Gegensatz zur vorherigen
Variante ist dieses Verfahren in Räumen mit beliebiger
Struktur und Einrichtung umsetzbar, da die Struktur selbst zur Bestimmung
der Position verwendet wird.
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In 1 ist
schematisch ein Raum dargestellt, der eine Wand 1 aufweist,
auf der ein Ursprung mit zwei im rechten Winkel zueinander angeordneten x-
und y-Achsen angedeutet ist.
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2 zeigt
in einer schematischen Darstellung die Wand 1, auf der
ein Markiergerät 2 dargestellt ist. Weiterhin
sind die x- und y-Achsen angedeutet und es ist ein Winkel 4 zwischen
der x-Achse und einer Längsachse 5 des Markiergeräts 2 dargestellt.
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3 zeigt
die Ausbildungsform, bei der das Markiergerät zweigeteilt
ist. In dieser Ausführungsform ist ein erster Teil des
Markiergeräts, der beispielsweise den Stift zur Markierung
bzw. eine Einrichtung zum Halten eines Stiftes aufweist. Zudem kann
in einer Ausführungsform der erste Teil der Markiereinheit
eine Markierung aufweisen.
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Der
zweite Teil der Markiereinheit, der im unteren Bereich der Wand
dargestellt ist, weist die Einrichtung zum Ermitteln einer relativen
Position des ersten Teils des Markiergeräts auf.
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In 3 ist
eine Bedienperson 6 dargestellt, die das Markiergerät 2 an
der Wand an verschiedenen Positionen hält. Weiterhin ist
ein zweiter Teil 6 des Markiergeräts dargestellt.
Der zweite Teil 6 des Markiergeräts kann in Form
eines Projektionssystems oder eines LED-Sensorbars ausgebildet sein.
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Weiterhin
kann das Markiergerät 2 auch eine Kamera aufweisen
und der zweite Teil 6 des Markiergeräts kann in
Form eines Musters oder einer LED-Leiste ausgebildet sein. Die Kamera
kann in dieser Ausführungsform aufgrund des Musters 6 die
Position des Markiergeräts 2 relativ zum zweiten
Teil 6 des Markiergeräts 6 erfassen.
Auch auf diese Weise ist eine definierte Positionierung des Markiergeräts 2 möglich.
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4 zeigt die Ausführungsform,
bei der mithilfe einer Entfernungsmessung zu gegenüberliegenden
Decken, Wänden und Boden in x- und in y-Richtung die relative
Position des Markiergeräts auf der Wand ermittelt werden
kann. Die Abstandsmessung kann beispielsweise optisch oder mithilfe
von Ultraschall erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform, die
in 4c dargestellt ist, weist das Markiergerät 2 einen
Neigungssensor auf, mit dem ein Winkel 4 bestimmt werden
kann. Dies verbessert die Festlegung der Position des Markiergeräts 2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10133321 [0003]
- - DE 102005000060 [0003]
- - DE 19902075 [0003]
- - DE 19634800 [0003]