DE3919917A1 - Optischer sensor fuer die identifizierung eines koerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zum Identifizieren eines Körpers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bildverarbeitende Systeme bestehen stets aus den Komponenten Bildaufnehmer- und Bildverarbeitungssystem, die aufgrund der hohen Komplexität meist örtlich voneinander getrennt werden müssen. Die wünschenswerte Eigenschaft, die Intelligenz in den eigentlichen Sensor zu implementieren, ist nur bedingt oder überhaupt nicht möglich.

Bildaufnehmersysteme betrachten stets die gesamte Szene, beschränken also ihren Informationsgehalt nicht auf das für die eigentliche Aufgabe notwendige Maß. Zur Extrahierung der gewünschten Informationen aus der großen Datenmenge müssen deshalb komplizierte und zeitaufwendige Algorithmen angewandt werden.

Bei der Positionierung von Aktoren (z. B. Roboterarm) auf ein Objekt sind oftmals verschiedene Zusatzinformationen notwendig. Beispielsweise muß bei einer Betrachtung der Szene von oben herab die Größe des Objektes, die Größe des Roboterarms und der Abstand zwischen Bildaufnehmer und Szene bekannt sein, um einen absoluten Positionierbetrag zu erhalten. Bei Veränderungen der örtlichen Gegebenheiten muß das System neu parametriert werden.

Kamerabildaufnehmersysteme sehen stets zweidimensional, das heißt, sie spannen eine x-y-Ebene ohne Tiefenwirkung (z-Ebene) auf. Für dreidimensionale Problemstellungen sind oft zwei Bildaufnehmer erforderlich. Die Informationen beider Aufnehmer muß in geeigneter Weise zusammengeführt werden, um einen räumlichen Eindruck des Objektes zu erhalten.

Ebenso sind optische Entfernungsmesser bekannt, die nur bedingt für die oben genannten Aufgaben geeignet sind, da sie nur einen Punkt des Objektes erfassen und somit weder die Position noch die Orientierung (Verdrehung) des Objektes relativ zum Aktor wiedergeben. Ebenso ist eine Identifizierung von Objekten nicht denkbar.

Des weiteren sind optische Taster und Reflexschranken bekannt. Mit optischen Tastern unter Zuhilfenahme von Lichtleitern oder mit Reflexschranken wäre es möglich, eine x-y-Ebene aufzuspannen. Um eine hinreichende Auflösung zu erzielen, sind allerdings sehr viele Einzelkomponenten notwendig, die in ihrer Anordnung unflexibel sind und viel Platz in Anspruch nehmen.

Ebenso sind positionsempfindliche Bauelemente (PSD) bekannt, deren sensitive Fläche eine Position zu identifizieren im Stande ist, aufgrund eines empfangenen Beleuchtungssignals. Entsprechend dem Einfallwinkel des Beleuchtungssignals gibt die positionsempfindliche Diode ein entsprechendes elektrisches Signal ab, welches weiterverarbeitet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Sensor der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der die notwendig anfallende Datenmenge auf das notwendigste Maß reduziert und die ausgewerteten Informationen ohne Umwege und externer Verarbeitung dem Aktor zur Verfügung stellt, wobei die Erfassung von Objekten im dreidimensionalen Raum möglich sein soll; ebenso soll der optische Sensor derart kompakt ausgeführt sein, daß er mit dem Aktor selbst integriert werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße optische Sensor arbeitet nach dem Triangulationsprinzip und wertet die diffuse Reflexion des Objektes aus. Dabei sollte die optische Rauhigkeit des Objektes größer als 2 Mikrometer sein. In vorteilhafter Weise reduziert der Sensor die anfallenden Datenmengen aufgrund seines Wirkungsprinzips auf das notwendige Maß an Datenmengen, wobei die Auswertung der Information, vorzugsweise mittels eines integrierten Mikroprozessors, ohne Umwege und ohne einer externen Verarbeitung im Sensor stattfindet und dem Aktor zur Verfügung steht. In vorteilhafter Weise kann der optische Sensor Objekte sowohl im Raum als auch zweidimensional in einer Ebene identifizieren.

Ein mit dem erfindungsgemäßen Sensor ausgestatteter Aktor besitzt in vorteilhafter Weise eine hohe Flexibilität, weil der Sensor leicht in einen Aktor zu integrieren ist. Da der Sensor einfach in seinem Aufbau ist, ist er auch gegenüber Umgebungseinflüssen, wie unterschiedliche Intensität des empfangenen Lichts, unempfindlich. Durch die beliebige Wählbarkeit der Anzahl der Lichtquellen kann ein praktisch beliebiges Auflösungsvermögen des Sensors erzielt werden.

Eine dreidimensionale Identifizierung eines Objektes kann auf mehrfache Weise erzielt werden. Entweder können sich die Lichtquellen in einer Matrix in mehreren Reihen zum Beispiel kaskadenartig, parallel zueinander befinden, so daß schon die Lichtquellen eine Ebene aufspannen. Aufgrund der Wirkungsweise der PSD's und der Triangulations-Meßmethode kann dann ein Objekt im Raum eindeutig identifiziert und dessen Lage bestimmt werden.

Ebenso ist es möglich, nur mit einer einzigen Zeile von Lichtquellen zu arbeiten und in diesem Fall zur Bestimmung der Lage im Raum den Sensor in der dritten Raumrichtung zu verfahren.

Die Lichtquellen werden diskret nacheinander angesteuert - vorzugsweise durch einen Multiplexer - und senden vorteilhafterweise kurze Lichtblitze aus, welche nacheinander von den positionsempfindlichen Bauelementen empfangen und deren elektrische Signale von einer Auswerteelektronik ausgewertet werden.

Zwei Beispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors mit geschnittenem Gehäuse,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Gehäuse von vorn zur Darstellung der Zeile von Lichtquellen und

Fig. 3 eine Prinzip-Darstellung eines Sensors.

Die prinzipielle Wirkungsweise des Sensors soll anhand der Fig. 3 nachfolgend beschrieben werden. Eine beliebige - aber nicht unnötig große - Anzahl n von Lichtquellen S_i bzw. 14 mit möglichst kleinem Strahldurchmesser und Divergenzwinkel (Beam) befinden sich in einer Reihe nebeneinander mit den gegebenen Basisweiten B_i. Sie stellen die ortsdiskrete x-Koordinatenachse des Systems dar (i = 1 . . . n). In dieser Anordnung befinden sich auf der linken und rechten Seite jeweils eine Empfangsoptik 01, 02 und eine Positionsdiode PSD1, PSD2 in einem bestimmten Winkel β bezüglich zur n-Koordinatenachse.

Bei einem gegebenen Winkelbereich Wmax, Wmin spannen die Empfangsoptiken mit den Sendestrahlen S_i eine optisch aktive Ebene auf, innerhalb derer sich das Objekt 15 befinden muß. Für die folgenden Betrachtungen soll nur die linke Empfangsanordnung 01, PSD1 herangezogen werden; für die Empfangsoptik 02 und die Positionsdiode PSD2 gelten bis auf 1 = n . . . 1 die gleichen Aussagen.

Die Sendestrahlen S_i . . . S_n werden in zeitlicher Reihenfolge nacheinander erzeugt. Hierbei handelt es sich um kurze Lichtblitze, von links nach rechts laufend. Befindet sich ein Objekt 15 in der optisch aktiven Ebene bzw. im optisch aktiven Raum, so erzeugt jeder Sendestrahl S₁ . . . S_n einen diffusen Leuchtfleck auf dem Objekt. Dieser Leuchtfleck wiederum wird an einer bestimmten Position p_i auf der Positionsdiode abgebildet. Anhand dieser Position kann die Entfernung D_i des Punktes P_i bestimmt werden. Man erhält damit ein Entfernungsfeld der Form:

F = (D1, D2 . . . Dn) .

Die kontinuierliche Distanz Di stellt die y-Koordinate dar, während die Basisweite Bi die entsprechende ortsdiskrete x-Koordinate repräsentiert. Diesem Entfernungsfeld F kann folgender Informationsgehalt entnommen werden:

A. Identifizierung des Objektes

Mittels Korrolation des gemessenen mit einem abgespeicherten Entfernungsfeld ist eine Identifizierung des Objekts möglich. Eigentlich wird hierbei die Kontur ermittelt und mit Referenzkonturen verglichen.

B. Orientierung

Nach erfolgter Identifizierung ist es - ebenfalls mittels Korrolation - möglich, die Orientierung (Verdrehung) bezüglich des x-y-Koordinatensystems zu definieren. Wertet man diese Informationen aus, so kann ein Winkel berechnet werden, um den sich ein Aktor zu drehen hätte, damit das Objekt gegriffen werden kann.

C. Positionsbestimmung

Mittels geeigneter Verfahren läßt sich ein Vektor mit Richtung und Betrag ermitteln, der dem Aktor die Information übermittelt, um ein Objekt zu ergreifen.

Deshalb ermittelt dieses Sensorprinzip gerade nur die Daten, die für die oben genannten Aufgaben notwendig sind. Zum Beispiel ergeben 32 Sendestrahlen mit einer Entfernungsauflösung von 8 Bit ein Entfernungsfeld F mit 32 Byte.

Der Hauptstrahlungswinkel α der Lichtquellen S₁-S_n in bezug zur Richtung der x-Koordinate ist vorgebbar und beträgt vorzugsweise 90 Grad. Die Abstände B_i der einzelnen Lichtquellen S₁-S_n voneinander sind ebenfalls vorgebbar, müssen aber nicht konstant sein. Die dritte Raumkoordinate, hier die Z-Achse, kann auch durch Kaskadierung gewonnen werden.

In vorteilhafter Weise werden die analogen Signalströme der beiden positionsempfindlichen Dioden PSD's in je ein digitales Wort verwandelt, um im Mikroprozessorsystem weiterverarbeitet zu werden. Deshalb muß spätestens nach der Berechnung der Position p eines Punktes P eine diskrete Wandlung mittels eines Analog- Digital-Wandlers erfolgen.

Die folgenden Größen der geometrisch-optischen Anordnung sind vorgegeben:

Dmin = minimale Distanz der optisch aktiven Ebene (= minimale y-Koordinate),
Dmax = maximale Distanz der optisch aktiven Ebene (= maximale y-Koordinate),
Bmin = minimale Basisweite (= maximale x-Koordinate), entspricht hier dem linken Rand der aktiven Ebene,
Bmax = maximale Basisweite (= maximale x-Koordinate), entspricht hier dem rechten Rand der aktiven Ebene,
Dx = gewünschte Auflösung auf der diskreten x-Koordinatenachse.

Die Anzahl der notwendigen Sendestrahlen N läßt sich dann mit

berechnen. Man erhält somit die diskrete x-Koordinate in Form:

Bi = Bmin + (i-1) Dx  I = 1 . . . N

Anhand dieser Größe läßt sich der notwendige Winkelbereich β der Empfangsoptik berechnen.

Des weiteren zeigen die Fig. 1 und 2 eine technische Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Sensors. Innerhalb eines Gehäuses 11, welches als Greiferhand mit zwei seitlichen Gehäuseenden 10, 10′ ausgeführt ist, befindet sich ein Linsenblock 1, über dem als Gehäusewandung eine lichtdurchlässige Abdeckscheibe 5, vorzugsweise aus Mineralglas, angeordnet ist. Unterhalb des Linsenblocks 1 befindet sich eine Zeile 13 (Fig. 2) von Lichtquellen, die vorzugsweise LED's sind. Der Linsenblock 1 dient zur Fokussierung der von den LED's ausgesendeten Lichtstrahlen; Linsenblock 1 und LED-Zeile 13 bilden zusammen die Senderanordnung des Sensors.

Die Abdeckscheibe 5 ist an beiden Enden seitlich hochgezogen und geht in die Gehäusewandung der Gehäuseenden 10, 10′ über, wobei unterhalb dieser hochgezogenen Enden der Abdeckscheibe 5 je eine Empfangsoptik 3, 3′ angeordnet ist, unterhalb derselben sich je eine positionsempfindliche Diode 4, 4′ befinden. Die Dioden sind jeweils unter einem stumpfen Winkel β, bezogen auf die oben genannte X-Achse, zueinander geneigt angeordnet. Im unmittelbaren Bereich der Dioden 4, 4′ befindet sich je eine Empfangselektronik 6, 6′, die sich somit ebenfalls vorzugsweise in den Gehäuseenden 10, 10′ des Gehäuses 11 befinden.

Die LED's werden mittels einer Sendeelektronik 7 angesteuert, die einen Multiplexer beinhaltet, um die einzelnen Lichtquellen zeitlich nacheinander anzuregen. Des weiteren befindet sich innerhalb des Gehäuses 11 eine Auswerteelektronik 8, die u. a. einen Digital-Analog-Wandler beinhaltet und die die Ausgangssignale der positionsempfindlichen Dioden 4, 4′ bzw. der Empfangselektronik 6, 6′ weiterverarbeitet. Mit der Bezugsziffer 9 ist eine Steckverbindung gekennzeichnet zum Übermitteln der Ausgangssignale zum (nicht gezeigten) Aktor.

Die maximalen Empfangswinkel der positionsempfindlichen Dioden spannen eine aktive Ebene 12 bzw. einen aktiven Raum auf, innerhalb der sich ein Objekt befinden muß, um identifiziert zu werden, wobei in der Ebene oder im Raum die absolute Lage des Objektes oder auch des Sensors selbst bestimmt werden kann.

Der erfindungsgemäße optische Sensor ist dazu geeignet, beispielsweise in Roboterarmen die Lage eines zu greifenden Objektes zu bestimmen, damit dasselbe von den Greifern angesteuert und ergriffen werden kann. Ebenso kann der optische Sensor zum Identifizieren von Objekten in der zweidimensionalen Ebene dienen. Ebenso können damit Objekte dreidimensional identifiziert und Oberflächenstrukturen erfaßt werden. Ebenso können mit dem Sensor Rotationen eines Aktors vorgegeben werden.

Liste der Bezugszeichen

1 Linsenblock
2 LED-Zeile diskrete LED's
3, 3′ Empfangsoptiken
4, 4′ positionsempfindliche Bauelemente, vorzugsweise PSD's
5 lichtdurchlässige Abdeckscheibe
6, 6′ Empfangselektroniken
7 Sendeelektronik
8 Auswerteelektronik mit Mikrocomputer-Einheit
9 Steckverbinder
10, 10′ Gehäuseenden
11 Gehäuse
12 aktive Ebene oder aktiver Raum
13 Linienzeile der einzelnen Linsen des Linsenblocks
14 diskrete Lichtquelle
15 Objekt
S1-Sn Lichtquellen
B_i Abstand der diskreten Lichtquellen voneinander
01, 02 Empfangsoptiken
PSD1, PSD2 positionsempfindliche Bauelemente (PSD-Dioden)
p_n-1-p₁ Orte des Empfangssignals auf der PSD-Diode
α Hauptstrahlungswinkel des gesendeten Lichtes zur X-Koordinate
β (stumpfer) Winkel der Optik und der PSD-Diode zur X-Koordinate

Claims (7)

1. Optischer Sensor für die Identifizierung eines Körpers und/oder Bestimmung der Lagen des Körpers oder Sensors im Raum bezüglich eines gegebenen Koordinatensystems, vorzugsweise zur Steuerung eines Aktors, mit einem positionsempfindlichen Bauelement (PSD = Position-Sensitive-Detector), welches nach dem Triangulationsprinzip arbeitet und die diffuse Reflexion des Körpers auszuwerten im Stande ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in Form einer Matrix in Reihen (13) nebeneinanderliegende diskrete Lichtquellen (1, 2; 14) aufweist, deren Abstände (B_i) voneinander und Hauptstrahlungswinkel (α) ihrer gesendeten Lichtstrahlen bezüglich der Ebene der Matrix vorgebbar sind und daß seitlich der Matrix von Lichtquellen (1, 2; 14) unter einem gegebenen Winkel (β) zwischen 90 Grad und 180 Grad zur Ebene der Matrix wenigstens ein positionsempfindliches Bauelement (4, 4′) angeordnet ist, das mit den Sendestrahlen der Lichtquellen (1, 2; 14) einen optisch aktiven Raum (12) aufspannt und mit einer elektrischen Ansteuerelektronik mit einem Zeitmultiplexer für die Lichtquellen (1, 2; 14) zum diskret nacheinander erfolgenden Ansteuern derselben und mit einer dem positionsempfindlichen Bauelement (4, 4′) nachgeschalteten elektrischen Auswerteeinrichtung (6, 6′, 8).

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1 zur Identifizierung eines Körpers und Bestimmung seiner Lage nur in der Ebene, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Lichtquellen (1, 2; 14) aus nur einer Reihe (13) von diskreten Lichtquellen besteht.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor den positionsempfindlichen Bauelementen (4, 4′) je eine fokussierende Optik, vorzugsweise eine Abbildungsoptik, angeordnet ist.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstrahlungswinkel (α), unter dem die Sendestrahlen der Lichtquellen (1, 2; 14) abgestrahlt werden, 90 Grad beträgt.

5. Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Abtastung im Raum mittels einer zeilenförmigen Lichtquelle (13) die Reihe der diskreten Lichtquellen mitsamt dem positionsempfindlichen Bauelement (4, 4′) in Richtung der dritten Raumkoordinate beweglich ist.

6. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise an beiden Enden der Matrix von Lichtquellen (1, 14) wenigstens ein positionsempfindliches Bauelement (4, 4′) angeordnet ist.

7. Optischer Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe die Form einer Greiferhand (10, 10′, 11) aufweist, wobei die Lichtquellen aus einem in einer geraden Ebene liegenden Linsenblock (1) gebildet sind, unter dem sich eine entsprechende Anzahl von Lichtdioden (LED's) (2) befinden, wobei die Empfangsoptik (3, 3′) an die Enden des Linsenblockes anschließen und unter den Empfangsoptiken die positionsempfindlichen Dioden (4, 4′) zusammen mit je einer Empfangselektronik (6, 6′) angeordnet sind.