NO853999L - Fremgangsm¨te og anordning ved posisjonsindikering. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte samt anordning for indikering av posisjonen for et objekt i tredimensjonalt rom.

Apparat finner anvendelse eksempelvis innenfor robotteknikken hvor det ønskes å plassere under fjernstyring en manipulator hosliggende et objekt som skal manipuleres.

En kjent form for slik anordning omfatter en binokulær stereoskopisk betraktningsinnretning som omfatter middel for å oppnå to todimensjonale bilder av stedet som innbefatter objektet og manipulatoren betraktet fra to punkter adskilt med en avstand lik den gjennomsnittlige observatørs interokulære avstand, idet de to bildene er adskilt med denne avstand. En observatør blir så i stand til å smelte de to bildene sammen og få en forståelse av avstanden for et hvilket som helst punkt innenfor stedet som skyldes de naturlige binokulære ulikheter mellom de to bildene. En slik anordning kan anvendes av en operatør til å plassere, under fjernstyring, en manipulator hosliggende et objekt under anvendelse av hans eller hennes vurdering av de relative posisjoner for manipulatoren og objektet i hans eller hennes stereoskopiske betraktning av stedet, men dette kan være en sakte og vanskelig prosess.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en anordning som gir en indikasjon av posisjonen for et objekt i tredimensjonalt rom på en slik måte at posisjoneringen av en manipulator hosliggende objektet lettes.

Ifølge oppfinnelsen er der tilveiebragt en anordning for indikering av posisjonen for et objektet i et tredimensjonalt rom, hvilken anordning kjennetegnes ved bildedanningsmiddel for å frembringe et stereoskopisk bilde av et sted som innbefatter objektet, overlagringsmiddel for å overlagre på nevnte bilde, et stereoskopisk bilde av en løper (cursor), styremiddel for å variere nevnte løperbilde for derved å variere den tilsynelatende posisjon for løperen i nevnte stedsbilde, og signalgenereringsmiddel for å utlede fra nevnte styremiddelsignaler som representerer den tilsynelatende posisjon for løperen.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen omfatter nevnte bildedanningsmiddel middel for å frembringe to todimensjonale bilder av nevnte sted, fra to betraktningsposisjoner adskilt med en avstand lik den interokulære avstand hos en observatør, og middel for respektivt å fremvise nevnte bilder i posisjoner adskilt med nevnte avstand for respektiv betraktning av observatørens to øyne for derved å frembringe nevnte stereoskopiske bilde, idet nevnte overlagringsmiddel omfatter middel for å overlagre på hvert av nevnte fremviste bilder et respektivt av to todimensjonale bilder av løperen, og hvor nevnte styremiddel omfatter middel for å variere de respektive posisjoner for nevnte løperbilder i nevnte bilder av stedet for derved å variere den tilsynelatende posisjonen for nevnte løper i nevnte sted.

Fortrinnsvis omfatter nevnte styremiddel dessuten middel for å variere størrelsen av minst en del av det stereoskopiske bildet av løperen med variasjon av den tilsynelatende avstanden for løperen, for derved å forbedre det stereoskopiske subjektive inntrykk av løperen som oppnås hos observatøren.

I en spesiell utførelsesform av oppfinnelsen er minste del av nevnte løper av tilsynelatende tredimensjonal form, nevnte styremiddel omfatter middel for å variere formen av nevnte stereoskopiske bildeavløperen slik at nevnte del synes for observatøren å rotere om minst en akse, og nevnte signalgenereringsmiddel omfatter middel for å utlede fra nevnte middel for variering av formen et utgangssignal som representerer den tilsynelatende vinkelmessige posisjon for nevnte del av løperen om nevnte akse.

Det skal forstås at, ettersom en anordning ifølge oppfinnelsen tilveiebringer utmatninger som indikerer posisjonen for objekter utpekt av en løper, før den aktuelle oppgave med å plassere en manipulator hosliggende et objekt påbegynnes, kan anordningen anvendes til å oppnå indikasjoner av posisjonen for objektet, de nåværende og ønskede posisjoner for manipulatoren, og hindringer mellom disse, hvorved den påfølgende bevegelse av manipulatoren til en ønsket posisjon i betydelig grad lettes.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgrangsmåte for å indikerere posisjonen av et objekt i et tredimensjonalt rom, hvilken fremgangsmåte kjennetegnes ved å frembringe et stereoskopisk bilde av et sted som omfatter objektet, å overlagre på nevnte bilde et stereoskopisk bilde av en løper, å variere nevnte løperbilde for derved å variere den tilsynelatende posisjonen for løperen i nevnte stedsbilde, og å utlede signaler som representerer den tilsynelatende posisjon for løperen.

En anordning samt fremgangsmåte for å indikere posisjonen av et objekt i tredimensjonalt rom ifølge oppfinnelsen skal nå beskrives kun i eksempelsform, med henvisning til de vedlagte tegninger.

Fig. 1 er en skjematisk oppstilling over anordningen.

Fig. 2(a), 2(b), 2(c) illustrerer et første aspekt ved operasjonsprinsippet for en løperinnretning anvendt i anordningen vist i fig. 1. Fig. 3(a), 3(b), 3(c), 3(d) illustrerer et andre aspekt ved operasjonsprinsippet for Løperinnret-ningen anvendt i anordningen vist i fig. 1 i en forstørret målestokk relativt fig. 2.

I fig. 1 omfatter anordningen et par videokameraer 1, 3, plassert på et fjerntliggende arbeidssted, idet kameraene holdes nøyaktig innrettet på en parallell, innbyrdes adskilt måte, adskilt med en avstand lik den gjennomsnittlige menneskelige interokulære avstand. Utgangene fra kameraene 1, 3 er forbundet med en dobbelt kanals sender 5 som er innrettet til å sende kanaler som representerer disse utganger til en dobbelt kanals mottaker 7 plassert på et operasjonssted. Separate videosignaler fra det venstre 1 og det høyre 3 videokameraet mates fra mottakeren 7 til henholdsvis venstre 9 og høyre 11 videoblandere, hvor videosignaler fra venstre kanal 13 og høyre kanal 15 overleggingsgeneratorer også henholdsvis mates til nevnte venstre 9 og høyre 11 videoblandere. Styresignaler til venstre og høyre kanals overleggingsgeneratorer 13, 15 tilveiebringes av en mikroprosessor 17 som i sin tur styres av signaler fra en X, Y, Z løperstyreenhet 19, og en løperrotasjonsstyreenhet 21 hvis funksjon skal ytterligere beskrives i det etterfølgende, idet hver enhet har en joystickstyrer med tre frihetsgrader. Mikroprosessoren 17 tilveiebringer også signaler til en manipulator (ikke vist) som også ytterligere beskrevet i det etterfølgende.

Utmatningene fra venstre 9 og høyre 11 videoblandere mates til henholdsvis venstre 23 og høyre 25 videomonitorer, idet fremviserne på de to monitorene er adskilt med den interokulære avstanden, slik at venstre 27 og høyre 29 øye hos en observatør samtidig kan betrakte de respektive bilder som er tilstede på monitorenes 23, 25 skjermer via respektive okularer 31, 33.

Ved bruk av anordningen fokuseres videokameraene 1, 3 på det stedet hvor ting skal skje, hvilket omfatter objektet 35 hvis posisjon det ønskes å indikere, for å lette plasseringen av manipulatoren, under fjernstyring, hosliggende objektet. Bildene som frembringes av kameraene 1, 3 presenteres på skjermene av henholdsvis monitorene 23, 25 via senderen 5, mottakeren 7 og videoblanderen 9 eller 11. Venstre og høyre kanals overleggingsgeneratorer 13, 15 under styring fra mikroprosessoren 17, tilveiebringer signaler til henholdsvis venstre og høyre videoblandere 9, 11, for å frembringe et respektivt bilde av en løper 37 eller 39 som overligger stedsbildet på skjermen hos hver av monitorene 23 eller 25. Slik det best fremgår av fig. 2(a), 2(b) og 2(c), er hver løper i form av en sirkel kuttet av to linjer som representerer X og Y-aksene, idet hver løper dessuten omfatter en bevegelig retningsindikator 41 eller 43, hvis funksjon skal beskrives i det etterfølgende.

Ser man nå spesielt på fig. 2(a), er løperne 37, 39 anordnet slik at i 44 og høyre 45 bildeplan betraktet av observatørens venstre 27 og høyre 29 øye gjennom henholdsvis venstre og høyre okularer 31, 33, er X-aksene for løperne 37, 39 innrettet med hverandre. Mikroprosessoren programmeres imidlertid slik at Y-aksene forskyves fra hverandre for derved å gi observatøren et virtuelt stereoskopisk bilde 47 av en enkelt løper plassert innenfor hans eller hennes stereoskopiske betraktning gjennom okularene 31, 33 av det handlingssted som betraktes av videokameraene 1, 3, dvs. i en posisjon langs Z-retningen angitt i fig. 2. For å angi posisjonen av objektet 35 innenfor handlingsstedet, anvender observatøren først joystickstyringen av løperstyreenheten 19 for å tilveiebringe signaler til mikroprosessoren 17 som er virksomme til å bevirke begge løpere 37, .39 til å bevege seg i XY-planet slik at det stereoskopiske løperbildet 47 overligger bildet i objektet 35 i det stereoskopiske betraktningsfeltet for observatøren. Operatøren anvender så joystickstyringen i løperstyre-enheten 19 til å bevirke de to løperne 37, 39 til å bevege seg relativt hverandre langs X-retningen slik at det stereoskopisk løperbildet 47 synes overfor observatøren å bevege seg langs Z-aksen til en posisjon hvor det synes å være sammenfallende med objektet med det stereoskopiske betraktningsfeltet for observatøren. Således, idet det også henvises til fig. 2(b) og 2(c) som viser forskjellige tilsynelatende posisjoner for løperbildet 37 langs Z-aksen, vil, ettersom løperbildene 37, 39 i bildeplanene 44, 45 beveger seg bort fra hverandre i en retning mot midt-linjene vist som prikkede linjer i fig. 2(a), 2(b), 2(c), det stereoskopiske løperbildet 47 synes å gå bakover langs Z-retningen. For å forøke illusjonen av bevegelse av løperen 47 mot eller vekk fra observatøren, programmeres mikroprosessoren ytterligere til å bevirke størrelsen av løperen til å minske i henhold til perspektivisk lover ettersom løperbildet 47 synes å bevege seg bort fra observatøren, og øke ettersom det synes å bevege seg mot observatøren.

Når observatøren har innrettet løperbildet 47 slik at det er sammenfallende med bildet av objektet i det stereoskopiske betraktningsfeltet for observatøren, kan X, Y, Z-koordinatene for løperen lagret i mikroprosessoren 17 så anvendes til å gi styresignaler for å bevege manipulatoren hosliggende objektet 35. Det er imidlertid ofte ønskelig for en manipulator å nærme seg et objekt fra en spesiell retning, og med en spesiell orientering, og i dette henseende er retningsindikatoren 41 eller 43 i hvert løperbilde 37 eller 39 tilveiebragt. Indikatorene 41, 43 er anordnet til å bli innrettet i bildeplanene 44, 45 slik at observatøren ser et stereoskopisk virtuelt bilde 49 av en enkelt indikator i løperbildet 47. Ved bruk av joystickstyringen i løperrotasjonsstyreenheten 21, er observatøren i stand til å tilveiebringer egnete styresignaler til mikroprosessoren 17 for å skape illusjonen av rotasjonsbevegelse av indikatorbildet 49 i tredimensjonalt rom relativt løperbildet 47 til den ønskede orientering av manipulatoren relativt objektet 35. Fig. 3(a), 3(b), 3(c) og 3(d) illustrerer fire mulige orienteringer av indikatorbildet 49 relativt løperbildet 47, idet data som tilsvarer orienteringen av indikatoren lagres i hvert tilfelle i mikroprosessoren 17.

Således er operatøren i stand til å definere den ønskede posisjonen i tredimensjonalt rom, og den ønskede orienteringen av manipulatoren uten nødvendigheten av å bevege selve manipulatoren. Hvis ønskelig kan den rotasjonsmessige frihet for indikatorbildet 49 begrenses til det som er oppnåelig med den aktuelle manipulatoren.

Det vil forstås at mange andre løperkonfigurasjoner kan anvendes i en anordning ifølge oppfinnelsen.

Det vil også forstås at mens anordningen beskrevet i eksempelsform anvender to separate videokameraer i den binokulære løsning som anvendes i anordningen, kan oppfinnelsen også brukes på anordning hvor de to bildene av det handlingssted som betraktes fra forskjellige punkter projeseres på et enkelt kamera, idet middel tilveiebringes for å skille venstre og høyre bilder som gis til observatøren. Eksempler på slike løsninger er beskrevet i US-patent nr. 3.251.933 og 3.670.097, og Britisk patentsøknad nr. 2.040.134 A.

Det vil også forstås at selv om anordningen som er beskrevet ovenfor har særlig anvendelse i situasjoner hvor det ønskes å plassere en manipulator hosliggende et objekt, kan en anordning ifølge oppfinnelsen anvendes i en hver situasjon hvor det er ønskelig å oppnå en indikasjon av posisjonen for et objekt i tredimensjonalt rom.

Claims (10)

1. Anordning for indikering av posisjonen for et objekt (35) i et tredimensjonalt rom, karakterisert ved at den omfatter: bildedanningsmiddel (1,3,5,7,23,25,31,33) for å frembringe et stereoskopisk bilde av et sted som omfatter objektet (35), overlagringsmiddel (9,11,13, 15) for overlagring på nevnte bilde, et stereoskopisk bilde (47) av en løper, styremiddel (17,19,21) for å variere nevnte løperbilde (47) for derved å variere den tilsynelatende posisjon for løperen i nevnte handlingssted, og signalgenereringsmiddel (17) for å utlede fra nevnte styremiddel (17,19,21) signaler som representerer den tilsynelatende posisjon for løperen.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte bildedanningsmiddel (1, 3, 5, 7, 23, 25, 31, 33) omfatter midler for å frembringe to todimensjonale bilder av nevnte handlingssted fra to betraktningsposisjoner adskilt med en avstand som er lik den interokulære avstand hos en observatør, og middel for respektivt å fremvise nevnte bilder i posisjoner som er adskilt med nevnte avstand for respektiv betraktning av observatørens to øyne (27,29) for derved å frembringe nevnte stereoskopiske bilde (47), idet nevnte overlagrende middel (9,11,13,15) omfatter middel for å overlagre på hvert av nevnte fremviste bilder et respektivt av to todimensjonale bilder av løperen, og idet nevnte styremiddel (17,19,21) omfatter middel for å variere de respektive posisjoner for nevnte løperbilder i nevnte stedsbilder for derved å variere den tilsynelatende posisjon av nevnte løper i nevnte handlingssted.

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at hvert todimensjonale bilde av løperen omfatter to ortogonale linjer.

4. Anordning som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte styremiddel (17,19,21) dessuten omfatter middel for å variere størrelsen av minst en del av det stereoskopiske bildet (47) av løperen med variasjon av den tilsynelatende avstanden til løperen, for derved å bedre det stereoskopiske subjektive inntrykk av løperen som fåes hos observatøren.

5. Anordning som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at minste del av nevnte løper er av tilsynelatende tredimensjonal form, at nevnte styremiddel (17,19,21) omfatter middel for å variere formen av nevnte stereoskopiske bilde av løperen slik at nevnte del synes for observatøren å dreie seg om minst en akse, og at nevnte signalgenereringsmiddel (17) omfatter middel for å utlede fra nevnte middel for variering av formen et utgangssignal som representerer den tilsynelatende vinkelmessige posisjon for nevnte del av løperen om nevnte akse.

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at nevnte del omfatter en pil som tilsynelatende er roterbar utav et plan av en todimensjonal del av løperen.

7. Anordning som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte kontrollmiddel omfatter en joystickstyring (19,21).

8. Anordning som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den er tilknyttet en manipulator som beveger seg under styringen av nevnte signaler som utledes fra nevnte signalgenereringsmiddel (17).

9. Anordning som angitt i krav 8, underordnet krav 5 eller 6, karakterisert ved at nevnte utgangssignal som representerer den tilsynelatende vinkelmessige posisjon anvendes til å styre tilnærmings - vinkelen mellom manipulatoren og objektet (35).

10. Fremgangsmåte for å indikere posisjonen av et objekt (35) i et tredimensjonalt rom, karakterisert ved at den omfatter: å frembringe et stereoskopisk bilde av et handlingssted som omfatter objektet (35), å overlagre på nevnte bilde et stereoskopisk bilde (47) av en løper, å variere nevnte løperbilde (47) for derved å variere den tilsynelatende posisjonen for løperen i nevnte handlingsbilde, og å utlede signaler som representerer den tilsynelatende posisjonen for løperen.