DE3612146A1

DE3612146A1 - Method and device for path length measurement

Info

Publication number: DE3612146A1
Application number: DE19863612146
Authority: DE
Inventors: Rolf Hinkel; Theo Dipl Ing Doll
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-04-10
Filing date: 1986-04-10
Publication date: 1987-10-29

Abstract

The invention relates to a method and a device for path length measurement, having high resolution for the near zone, in particular for the position measurement of actuators. The invention occupies the field of contactless position measurement. The object of the invention is to provide a contactless method which makes absolute measurements and is largely independent of environmental influences and which permits very small paths and changes in position (up to 10 cm) to be measured within very short measuring times (up to 10,000 Hz) in conjunction with a resolution of better than one part per thousand of the measuring range. This object is achieved in the case of the method according to the invention by providing that a pattern of marks applied to the measuring section is projected by an optical system onto a receiving plane, and the image produced there is used for the purpose of position measurement.

Description

Technical field

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Weglängen messung mit hoher Auflösung für den Nahbereich insbesondere zur Po sitionsmessung von Stellgliedern. Die Erfindung fällt in das Gebiet der berührungslosen Wegmessung.The invention relates to a method and a device for path length high-resolution measurement for close-up areas, especially towards the buttocks position measurement of actuators. The invention falls within the field of non-contact distance measurement.

Underlying state of the art

Bei bekannten Verfahren zur Messung von kleinen Wegen wird durch mechanische Kopplung eine elektrische Größe, beispielsweise ein Widerstand oder eine Induktivität, verändert und dann elektronisch ausgewertet.In known methods for measuring small paths is by mechanical coupling an electrical quantity, for example a Resistance or an inductor, changed and then electronic evaluated.

Diese Lösungen sind aufgrund der mechanischen Kopplung und Abnutzung nicht für hohe Meßraten und eine lange Lebensdauer geeignet. Auch bereiten Umwelteinflüsse, wie beispielsweise die Temperatur und magnetische oder elektrische Felder, und die dadurch entstehenden Meßverfälschungen Probleme bei der Auswertung der Meßsignale.These solutions are due to the mechanical coupling and wear not suitable for high measuring rates and a long service life. Also cause environmental influences such as temperature and magnetic or electrical fields, and the resulting ones Falsification of measurement Problems with the evaluation of the measurement signals.

Die bestehenden optischen Verfahren beruhen auf dem Zählen von feinen Strichen einer Meßskala, die mittels einer Lichtquelle und einem licht empfindlichen Detektor mit zum Teil vorgesetzter Phasenplatte abge tastet werden. Diese Verfahren haben außer der Baugröße und der durch die mechanischen Kopplung limitierten Meßrate den Nachteil, daß sie nur inkrementell und nicht absolut messen können.The existing optical processes are based on counting fine ones Lines on a measuring scale, which are by means of a light source and a light sensitive detector with a partially inserted phase plate be groped. These processes have in addition to the size and through the mechanical coupling limited measuring rate the disadvantage that it can only measure incrementally and not absolutely.

Disclosure of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein berührungsloses, absolut messendes und von Umwelteinflüssen weitgehend unabhängiges Verfah ren zu schaffen, das es erlaubt, kleinste Wege und Positionsänderungen (bis 10 cm) innerhalb kürzester Meßzeiten (bis 10 000 Hz) bei einer Auflösung von besser einem Promille des Meßbereichs zu messen.The invention is based, a contactless, absolute task measuring process that is largely independent of environmental influences to create the smallest paths and changes in position (up to 10 cm) within the shortest measuring times (up to 10,000 Hz) at a To measure the resolution of better than one per thousand of the measuring range.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß das auf der Meßstrecke angebrachte Markierungsmuster durch ein optisches System auf eine Aufnahmeebene abgebildet und das dort entstehende Bild zur Wegmessung herangezogen wird. This is achieved in the method according to the invention solved that the marking pattern attached to the measuring section imaged on an image plane by an optical system and that the resulting image is used to measure the distance.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Genauigkeit der Wegmessung, bez. der Positionsmessung der Markierungen lediglich von der Auflösung des optischen Systems und der Anzahl der Empfangs zellen des Detektors, der beispielsweise durch einen CCD-Bildwandler gebildet wird, abhängt. Da zwischen Meßstrecke und Detektor keine mechanische Verbindung besteht, ist ein Verschleiß der Meßeinrich tung ausgeschlossen. Außerdem wird durch die berührungslose Meßan ordnung die Meßzeit lediglich durch die Ansprechzeit des verwendeten lichtempfindlichen Empfängers begrenzt. Auch ist dieses Meßverfahren nicht nur auf eine Dimension beschränkt, sondern kann, beispielsweise mit einem einzigen zweidimensionalen Bildwandler, auch zur Positions messung in der Ebene eingesetzt werden.The method according to the invention has the advantage that the accuracy the distance measurement, the position measurement of the markings only on the resolution of the optical system and the number of reception cells of the detector, for example by a CCD image converter is formed depends. Since none between the measuring section and the detector mechanical connection exists, the measuring device is worn tion excluded. In addition, the contactless Meßan order the measurement time only by the response time of the used photosensitive receiver limited. This is also the measuring method not limited to one dimension, but can, for example with a single two-dimensional image converter, also for position measurement can be used in the plane.

Description of the drawings

Es zeigtIt shows

Fig. 1 das Meßprinzip der ausgeführten Erfindung und Fig. 1 shows the measuring principle of the invention and executed

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel. Fig. 2 shows an embodiment.

Fig. 1 zeigt das Meßprinzip der ausgeführten Erfindung. Ein auf dem Meßobjekt angebrachtes Markierungsmuster (1), das aus einem einfachen schwarz-weiß Übergang besteht, wird über ein Objektiv (2) auf einen lichtempfindlichen Empfänger (3), hier ein CCD-Zeilenempfänger abge bildet. Ist die Objektentfernung g bekannt und ist die Bildweite ent sprechend dem Linsengesetz (4) gewählt, so ist das System fokkusiert. Jetzt kann die zumessende Weglänge s, die durch den Kontrastübergang des Markierungsstreifens und durch den Blickwinkelrand des Empfängers begrenzt wird, nach Gleichung (6) aus g und b, sowie aus der Position des Kontrastübergangs auf dem Empfänger (3) bestimmt werden. Die Po sition des Kontrastübergangs kann dabei einfach aus der Anzahl der Empfangszellen n, die zwischen dem Bildrand und dem hell-dunkel Übergang liegen, nach Gleichung (5) errechnet werden. Damit ergibt sich für die zumessende Weglänge s Gleichung (7). Fig. 1 shows the measuring principle of the carried out invention. A marking pattern ( 1 ) attached to the measurement object, which consists of a simple black-and-white transition, is formed via a lens ( 2 ) onto a light-sensitive receiver ( 3 ), here a CCD line receiver. If the object distance g is known and the image width is selected in accordance with the lens law ( 4 ), the system is focused. Now the measuring path length s , which is limited by the contrast transition of the marking strip and the viewing angle edge of the receiver, can be determined from equations ( 6 ) from g and b , and from the position of the contrast transition on the receiver ( 3 ). The position of the contrast transition can easily be calculated from the number of receiving cells n that lie between the image edge and the light-dark transition according to equation ( 5 ). This results in equation ( 7 ) for the measuring path length s .

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier soll die Finger stellung eines Robotergreifers (14) berührungslos gemessen werden. Dazu wird auf einem der Greiferbacken (13) ein Markierungsstreifen (11), der aus einem einzigen hell-dunkel Übergang besteht, angebracht und durch eine Lichtquelle (8) beleuchtet. Dieser Streifen ist dabei so beschaffen, daß der Kontrastübergang bei geschlossenem bez. bei geöffnetem Greifer und Abbildung durch das Objektiv (9) gerade noch innerhalb der lichtempfindlichen Fläche des optischen Empfängers (10) zu liegen kommt. Das vom Empfänger (10) detektierte Bild des Markier ungsstreifens (11) wird dann digitalisiert dem Auswerterechner (12) zugeführt. Dieser bestimmt dann nach bekannten Verfahren der Kanten detektierung die Position des Kontrastübergangs und errechnet daraus nach Gleichung (7) die Stellung des Greiferbackens. Werden beide Backen des Greifers simultan geführt, oder besitzen sie jeweils eine eigene Meßeinrichtung, so kann aus dem bekanntem Basisabstand der beiden Greiferfinger und der Backenposition die Dicke eines gegriffenen Ob jekts (14) bestimmt werden. Diese so gemessene Dicke kann dann der Auswerterechner (12) zur Identifizierung von zu greifenden Objekten oder zur Bestimmung von Objektlagen benutzen. Hat der Auswerterech ner (12) auch die Möglichkeit über ein Stellglied die Position der Grei ferbacken zu verändern, so kann das Meßsystem auch als Istwertgeber zur Positionsreglung der Greiferbacken eingesetzt werden. Fig. 2 shows an embodiment of the invention. Here the finger position of a robot gripper ( 14 ) should be measured without contact. For this purpose, a marking strip ( 11 ), which consists of a single light-dark transition, is attached to one of the gripper jaws ( 13 ) and illuminated by a light source ( 8 ). This stripe is such that the contrast transition with closed bez. with the gripper open and the lens ( 9 ) just lying within the light-sensitive surface of the optical receiver ( 10 ). The image of the marking strip ( 11 ) detected by the receiver ( 10 ) is then digitized and fed to the evaluation computer ( 12 ). This then determines the position of the contrast transition using known edge detection methods and uses this to calculate the position of the gripper jaw according to equation ( 7 ). If both jaws of the gripper are guided simultaneously, or they each have their own measuring device, the thickness of a gripped object ( 14 ) can be determined from the known base distance of the two gripper fingers and the jaw position. The thickness calculated in this way can then be used by the evaluation computer ( 12 ) to identify objects to be gripped or to determine object positions. If the Auswerterech ner ( 12 ) also has the option of changing the position of the gripper jaws via an actuator, the measuring system can also be used as an actual value transmitter for position control of the gripper jaws.

Best way to carry out the invention

Wird beispielsweise eine CCD-Zeile mit 256 Bildpunkten und einem Punktabstand von 13 µm sowie ein 5 mm Objektiv verwendet, so um faßt der Meßbereich in 20 mm Entfernung etwa 10 mm. Wird auf dieser Meßstrecke ein schwarz-weiß Kontrast aufgebracht, so wird dieser vom Empfänger mit einer Genauigkeit von ¹⁰/₂₅₆ mm detektiert, d. h. die Auflösung beträgt etwa 0,04 mm oder 0,4 Prozent. Ein solcher Sensor kann wegen der verwendeten Halbleiterkameras so klein aufgebaut werden, daß er in einen Robotergreifer integriert und zur Messung und Reglung der Fingerstellung benutzt werden kann.If, for example, a CCD line with 256 pixels and a dot spacing of 13 µm and a 5 mm lens are used, the measuring range at a distance of 20 mm is about 10 mm. Is on this measuring section, a black and white contrast is applied, so this is detected by the receiver with an accuracy rate of ^_10/256 mm, that is, the resolution is about 0.04 mm or 0.4 percent. Because of the semiconductor cameras used, such a sensor can be constructed so small that it can be integrated into a robot gripper and used to measure and regulate the finger position.

Commercial usability

Eine gewerbliche Verwertbarkeit wird im Bereich von Weggebern und Positionsdetektoren, wie sie beispielsweise in NC-Maschinen und zur Messung von Stellantrieben benötigt werden, gesehen. Eine spezielle Anwendung liegt, wie das Ausführungsbeispiel zeigt, in der Bestimmung der Fingerstellung von Robotern und Handhabungsautomaten.Commercial usability is in the area of pathfinders and Position detectors, such as those used in NC machines and Measurement of actuators are seen. A special one Application, as the exemplary embodiment shows, lies in the determination the finger position of robots and handling machines.

Claims

1. A method for path length measurement with high resolution for the near range, in particular for position measurement of actuators in which a marking pattern is applied to the measuring section, characterized in that the marking pattern attached to the measuring section ( 1 ) by an optical system ( 2 ) on a Image plane ( 3 ) and the resulting image is used to measure the distance.

2. The method according to claim 1, characterized in that that to detect the marking pattern a photosensitive Line or area receivers, such as a photodiode array or a CCD imager is used.

3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized draws that the marking pattern from a single contrast transition exists and the position of this transition for measuring the path length is used on the receiver.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized records that from two successive measurements the Speed of path length change the change of position be is true.

5. A device for performing the method according to one of claims 1 to 4 with an illumination source ( 8 ), a recording lens ( 9 ), a light-sensitive line receiver ( 10 ), a marking strip ( 11 ) and an evaluation computer ( 12 ), thereby ge indicates that the line receiver ( 10 ) detects the image of the marking strip and the evaluation computer ( 12 ) uses the positions of the contrast transitions on the line receiver to determine the path length. Position of the marking strip calculated.

6. Device according to claim 5 for performing the method according to one of claims 1 to 4, characterized in that on the gripper jaws ( 13 ) of a handling machine a marking pattern ( 11 ) is attached and the evaluation computer ( 12 ) from the image of the receiver ( 10 ) determines the gripper position.

7. Device according to claim 5 and 6 for performing the method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the evaluation computer ( 12 ) from the gripper position when grasping an object ( 14 ) uses its thickness for identification.

8. Device according to claim 5 to 7 for performing the method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the evaluation computer ( 12 ) uses the measured gripper jaw position as an actual value for position control of the gripper jaws.