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Sensoren zur Erfassung bekannter dreidimen.sionaler Körper in beliebiger
Lage Heute bekannte intelligente optische Sensoren für Industrieroboter, die Ordnungs-
und Positionieraufgaben durchführen, verursachen einen hohen Aufwand an Speicherplatz
und Rechenzeit, so daß ihr praktischer Einsatz bisher nicht erfolgt ist /1/. Ein
Weg zur Realisierung wirtschaftlich interessanter Sensoren besteht darin, die beim
Einsatz von Industrierobotern vorhandene, im voraus weitgehend bekannte Umwelt,
z.B.
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die Art des zu manipulierenden Werkstückes, zu berücksichtigen und
schon bei der Aufnahme des Bildes der Umwelt mit Hilfe von optisch-elektrischen
Wandlern die Information so stark zu reduzieren, daß die anschliessende Informationsverarbeitung
mit vertretbarem Aufwand durchzuführen ist. Im folgenden wird ein optischer Sensor
beschrieben, der es erlaubt, einen dreidimensionalen, zuvor bekannten Körper z.B.
ein zu manipulierendes Werkstück, bezüglich seiner Orientierung im Raum und bezUglich
der Koordinaten seines Schwerpunktes zu erfassen; mit den vom Sensor abgegebenen
Winkel- und Lagekoordinaten kann ein in seinen Bewegungen frei programmierbarer,
~blinden" Industrieroboter so angesteuert werden, daß er den Körper mit seinem Greifer
aufnimmt.
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Bekannte Verfahren zur Reduzierung der Information bei der Bildaufnahme
schränken die Zahl der Freiheitsgrade des zu manipulierenden Körpers ein. Durch
Vereinzelung,
Verwendung einer Bezugsfläche (~Griff auf den Tisch")
und Verwendung eines Anschlags /2/ werden die möglichen Orientierungen einer großen
Zahl von Körpern, insbesondere von Werkstücken, auf eine endliche Zahl von Orientierungsklassen
eingeschränkt, so daß durch Maskenvergleich, z.B. durch inkohärentoptische Korrelation
/2/, eine einfache Lageerfassung ermöglicht wird. Bei Verwendung von Fernsehkameras
zur Bildwandlung ist unter den gleichen Voraussetzungen eine Informationsreduktion
bei der Bildaufnahme dadurch möglich, daß nur bei wenigen geeignet ausgewählten
Zeilen der Schnittpunkt mit der Begrenzung des Körpers ausgewertet wird /3/.
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Wenn die bei den genannten Verfahren erforderliche Einschränkung der
Freiheitsgrade nicht möqlich ist, kann wegen der unendlich großen Vielfalt der sich
einem Bildwandler bietenden Ansichten kein Sensor mit Maskenvergleich verwendet
werden. bisher bekannte Verfahren /1/ führen deshalb eine sehr allgemein verwendbare
Pildanalyse durch, wobei angepaßte Beleuchtungsverfahren, Kontur- und Kantenreduktion
und Verfahren der linguistischen Bildbeschreibung Verwendung finden. Der dadurch
entstehende Bedarf an Speicherplatz und Rechenzeit steht einer Anwendung dieser
Verfahren im Wege. Der im folgenden beschriebene Sensor umgeht diese Schwierigkeiten.
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Der Sensor besteht aus einer Aufnahmeeinrichtung, die das Bild des
zu erfassenden Körpers nach einem Fernsehraster abtastet und Meßgrößen bildet, die
anschließend mit entsprechenden gespeicherten Meßgrößen verglichen werden.
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Diese Meßgrößen sind vorzugsweise die Fläche des Umrißbildes des Körpers,
Koordinaten des Schwerpunktes, Hauptträgheitsmomente des Umrißbildes und die Richtung
der Hauptträghei tsachsen.
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1. Fläche des Umrißbildes Ein beliebiger, vereinzelter Körper bietet
dem optischen Sensor eine durch seine Umrißlinie umschlossene Fläche dar, die bei
bekannter Entfernunq durch die Richtung von zwei körperfesten Geraden, gemessen
bezüglich der optischen Achse des Sensors, gegeben ist.
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Die zwei Geraden können vorzugsweise Symmetriegeraden oder sonstige
durch die Form des Körpers ausgezeichnete Geraden sein. In Bild 1 ist als Beispiel
ein quaderförmiger Körper 1 qezeigt, in dem die beiden Symmetrieachsen 2 und 3 die
Winkel gO und fc mit der optischen Achse 4 des Sensors einschließen. In Bild 2 ist
eine Abbildung des Körpers in der Bildebene des Sensors dargestellt. Die durch die
Punkte 6... 10 gegebene Umrißlinie schließt eine Fläche Fo ein, die von der Größe
der beiden Winkel dCc und pc abhängt. In Bild 3 ist die Umrißlinie allein dargestellt.
Die Fläche F (,i,e¢) kann in bekannter Weise während des Abtastens nach einem Fernsehraster
gemessen werden, indem die einzelnen Abschnitte der Fernsehzeilen zwischen der Umrißlinie
addiert werden; die Abtastrichtung des Fernsehsystems ist die x-Pichtung, die darin
senkrechte Richtung die y-Richtung.
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es ist
Dabei sind (Bild 4) N1 die erste Zeile, die die Umrißlinie schneidet, N2 die letzte
Zeile, die die Umrißlinie schneidet, n die Nummer der laufenden Zeile, Xn1 und Xn2
die Koordinaten der Schnittpunkte der n. Zeile mit dem timrißbild (bei mehr als
zwei Schnittpunkten treten entsprechende weitere Glieder auf), 5 der Abstand zweier
Zeilen.
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2. Koordinaten des Schwerpunktes Die Koordinaten des Schwerpunktes
hängen ebenfalls von den Winkeln wo und so ab; sie errechnen sich nach den Beziehungen
3. Hauptträgheitsmomente /4/ Die Hauptträgheitsmomente hängen ebenfalls von den
Winkeln wo und pO ab; sie errechnen sich nach den Bez i ehungen
die auf die x-und y-Richtung bezogenen Trägheitsmomente.
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Nach der Messung dieser Größen und erforderlichenfalls weiterer Größen
erfolgt eine Bestimmung der Orientierung des Körpers. Dazu werden zunächst die Winkels
und ,gO und anschließend ein zusätzlicher Winkel a bestimmt, der den Drehwinkel
des Körpers um die optische Achse des Sensors festlegt. Da die Meßgrößen F, 11 und
12 kontinuierlich vona und120 abhängen, ist ein Vergleich mit diskreten Sollwerten
nicht möglich. Deshalb wird in einer Lernphase, unter Auswertung der Kenntnisse
über die Geometrie des Körpers, ein Modell des Körpers in einem Datenspeicher des
Sensors abgebildet. Dieses Modell kann entweder aus den Koordinaten der Oberfläche
des Körpers bestehen, aus denen jeweils die Funktionen F 11 (2,) und 12 (9,p) errechnet
werden, oder aus diesen Funktionen selber, die in Form von genügend vielen Stützwerten
abgelegt sind.
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Diese Funktionen können im voraus mit einem Digital- / rechner aus
den Abmessungen des Körpers bestimmt werden.
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Nach Messung der Fläche F werden aus dem Modell diejenigen Wertepaare
(s,) ausgewählt, für die F @,4) = F erfüllt ist. Anschließend werden diejenigen
Wertepaare ausgewählt, für die und, falls erforderlich, für die 12 (dß) = 12 ist.
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Der Durchschnitt der sich dabei ergebenden Mengen von Wertepaaren
wird dadurch im allgemeinen auf ein Wertepaar (gO,ßO) reduziert. Diese beiden Winkel
bestimmen die Form des Bildes, das der Körper dem Sensor darbietet; der Drehwinkel
tum die optische Achse ergibt sich aus der Lage der Hauptträgheitsachse zur y-Achse.
Die Hauptträgheitsachse der in Bild 4 gezeigten Fläche bildet mit der y-Achse den
Winkel /4/
Die Richtung der Hauptträgheitsachse legt die Richtung der zugehörenden Fläche bis
auf einen additiven Winkel fest. Diese Zweideutigkeit muß durch eine zusätzliche
Messung beseitigt werden.
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Der Winkel gunterscheidet sich um einen von den Größen aO und pO abhängigen
Winkel &von demjenigen Winkel den eine ausgezeichnete, körperfeste Gerade gegen
die y-Achse bildet. Es ist also
Da die Funktion £(9,) aus den Abmessungen des Körpers im voraus
bestimmt werden kann, ist damit auch der Winkel ao zu berechnen.
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Die Größen MO,4O und wo bestimmen die Orientierung des Körpers völlig.
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Die Messung der Fläche F und der Hauptträgheitsmomente I1 2 sind auch
zur Bestimmung der Orientierung eines auf einer ebenen Fläche liegenden Körpers
geeignet (~Griff auf den Tisch"). Die Größen F, Ii und 12 dienen zur Entscheidung
zwischen den möglichen Auflagearten (endlich viele Möglichkeiten); der Winkel #gibt
den Drehwinkel an. In diesem Fall ist ein optisches "teach-in" durch Darbieten des
Körpers in den verschiedenen Auflagearten möglich.
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Die genannten Verfahren, die die Umrißlinie auswerten, bieten beleuchtungstechnische
Vorteile; im Durchlicht ergeben sich kontrastreiche Obergänge und entsprechend gut
auswertbare Fernsehsignale.
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Literatur: /1/ Fischlein, O. Intelligent machines are on the Fischler,
M.A. way.
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Coles, L.S. IEEE Spectrum 11, July 1974, S.
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Tenenbaum, J.M. 41.. .48. Dort weitere Literatur.
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/2/ Deutsche Patentanmeldung P 2426 199.2 /3/ Deutsche Patentanmeldurg
F 2513 655.4 /4/ Szabo, J. : Einführung in die Technische Mechanik Springer Verlag
Berlin, Göttingen, Heidelberg 1961, S. 98...104