DE3528047A1 - Verfahren zum orten von unbekannten gegenstaenden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Orten von unbekannten Gegenständen durch eine opti­ sche Einrichtung. Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Erfassung von Gegenständen.

Bei der optischen Erfassung von unbekannten Ge­ genständen mittels einer Fernsehkamera und Wieder­ gabe auf einem Monitor ergibt sich die Schwierigkeit, daß diese Gegenstände nur flach, also nur in zwei Di­ mensionen erkennbar sind. Bei schlechter Bildqualität und ungenügendem Bildkontrast ist es schwer, Einzel­ heiten (Abmessungen von Gegenständen, konstruktive Ausgestaltungen usw.) auf dem Bildschirm zu erkennen. Dabei ist besonders die Erkennung eines dunklen Ge­ genstandes vor einem dunklen Hintergrund schwierig.

Aus dem englischen Buch "Robot Vision", Springer- Verlag, Auflage 1983, Seite 170 bis 171, ist ein Verfahren bekannt, mit Hilfe einer zusätzlichen Lichtquelle eine drei-dimensionale Erkennung von Schweißnähten vor­ zunehmen bzw. einen Schweißautomat einer vorgege­ benen Schweißnaht nachzuführen. Hierbei wird aus ei­ ner Lichtquelle die unterbrochene, eckige, schlitzförmi­ ge oder keilförmig angerauhte Oberfläche eines Werk­ stücks schräg angestrahlt. Aus der festen Zuordnung von Lichtquelle und Fernsehkamera und der Reflexion des Lichtstrahles aus der Lichtquelle an der verformten Oberfläche läßt sich eine drei-dimensionale Information über die Oberfläche erzielen.

Diese bekannte physikalische Erkenntnis (allgemein bekannt als Triangulationsverfahren in der Landver­ messungstechnik) ist bei der Veröffentichung zur Er­ kennung von Schweißnähten eingesetzt worden.

Eine laseroptische Distanzmessung nach dem Trian­ gulationsverfahren ist aus einem Prospekt des Betriebs­ forschungsinstituts VDEh, Düsseldorf, bekannt. Das "lo­ dim" genannte Meßverfahren arbeitet mit einem Leuchtfleck, dessen Position optisch vermessen wird. Dieses Verfahren findet Anwendung bei Distanzmes­ sungen von Pfannenhöhe und Gießrinnenfüllstand so­ wie Banddurchhang in der Eisen- und Stahlindustrie. Weiter wird es bei der Profilvermessung, Entfernungs­ und Abstandsmessung in der Metall- und Chemie-Indu­ strie eingesetzt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, mit dem aus der topographischen Vermessungstechnik bekannten Tri­ angulationsverfahren unbekannte Gegenstände mit pla­ ner Oberfläche unabhängig von den vorherrschenden Beleuchtungsverhältnissen zu erfassen. Es soll also eine drei-dimensionale Lageerkennung von Gegenständen erfolgen, die sich beispielsweise auf einem Förderband an einer Fernsehkamera vorbei bewegen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Hauptanspruchs erzielt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.

De drei-dimensionale Erkennung von unbekannten Gegenständen erfolgt gemäß der Erfindung mit sehr hoher Genauigkeit. Reflektierende oder bunte Flächen auf den unbekannten Gegenständen verursachen keine Ungenauigkeiten mehr. Selbst dunkle Räume ohne aus­ reichende Grundhelligkeit verfälschen das Meßergebnis nicht. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in vor­ teilhafter Weise für eine automatische Entpalettierung von grob vorpositionierten Kartons mittels eines Hand­ habeautomaten einsetzen. Die unbekannten Gegen­ stände werden durch das einfache und preisgünstige Erkennungsverfahren schnell erkannt und sicher ausge­ wertet. Durch die Auswertung des auf dem unbekann­ ten Gegenstand und seiner Unterlage (Förderband) ab­ gebildeten schlitzförmigen Lichtbandes (es werden qua­ si nur Striche abgebildet) ergibt sich eine starke Verein­ fachung bei der Identifizierung von unbekannten Ge­ genständen. Die Länge der abgebildeten Striche läßt sich zur weiteren Verarbeitung leicht in digitale Infor­ mationen umwandeln. Mittelpunkt bzw. Schwerpunkt des unbekannten Gegenstandes können sich auch sehr einfach erfassen lassen.

Weitere Vorteile sind aus der nachfolgenden Be­ schreibung ersichtlich.

Ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand der Zeichnung nä­ her erläutert.

Die Position und die Größe eines Paketes soll erkannt werden. Auf einem gestrichelt angedeuteten Förder­ band 1 befindet sich ein von der Größe und Lage her unbekanntes Paket 2 mit planer Oberfläche. Senkrecht zur Oberfläche des Paketes 2 ist eine Fernsehkamera 3 angeordnet, deren Achse rechteckwinklig zur Oberflä­ che des Paketes 2 liegt. Seitlich versetzt neben der Fern­ sehkamera 3 ist eine schlitzförmige Lichtquelle 4 ange­ bracht. Die Lichtquelle 4 sendet einen stark gebündelten Lichtstrahl 5 aus, der auf dem Paket 2 und dem Förder­ band 1 schlitzförmige Flächen bzw. Striche hervorruft.

Mit der im Bild gezeigten Anordnung läßt sich die Position des Paketes in einer Richtung (parallel zu dem Lichtstrahl 5) feststellen. Bei der mehrdimensionalen Er­ kennung (senkrecht zum Lichtstrahl 5) ist eine weitere, z. B. um 90° versetzte Lichtquelle erforderlich. Denkbar wäre aber auch, eine sogenannte Kreuzoptik einzuset­ zen, d. h., kreuzförmige Lichtstrahlen zu erzeugen. Der­ artige Anordnungen wurden aus Gründen der Über­ sichtlichkeit in dem Bild nicht dargestellt.

Der aus der schlitzförmigen Lichtquelle 4 ausgesen­ dete Lichtstrahl ist mit 5 bezeichnet. Dieser Lichtstrahl 5 fällt unter einem festen Winkel auf das Förderband 1. Der Lichtstrahl 5 bildet auf der Oberfläche des Paketes 2 einen Strich 6 und auf dem Förderband zweimal einen Strich 7 ab. Die Seitenflächen des Paketes 2 werden von dem Lichtstrahl 5 nicht beleuchtet. Die Länge des abge­ bildeten Lichtbandes (Striches) ist ein Maß für die räum­ liche Lage des Paketes parallel zu dem Lichtstrahl 5. Durch unterschiedliche Strichlängen des Lichtbandes aus der Lichtquelle 4 ist somit die Drehlage des Paketes auf dem Förderband erkennbar.

Die senkrecht über dem Förderband 1 angeordnete Fernsehkamera 3 erfaßt diese abgebildete Lichtstriche 6 und 7 und gibt die Information auf einen nachgeschalte­ ten Bildspeicher 8. In einem anschließenden Rechen­ werk 9 werden die erfaßten und gespeicherten lnforma­ tionen derart berechnet, daß die Höhe, Breite und Lage (Drehlage) des Paketes auf dem Förderband erkennbar ist.

Dazu sind natürlich noch weitere Parameter ausser der Länge der Striche 6 und 7 und des Winkels α erfor­ derlich. So läßt sich der Abstand zwischen Paketoberflä­ che und Fernsehkamera und damit die Höhe des Pake­ tes leicht erfassen, denn der Abstand zwischen Fernseh­ kamera 3 und Förderband 1 und der Winkel α ist in einer der Stufe 9 nachgeschalteten Bewertungsstufe 10 einge­ geben. In dieser Stufe 10 sind also die Fixparameter der geometrischen Anordnung gespeichert. Diese Bewer­ tungsstufe 10 berechnet nun aus den fest gespeicherten geometrischen Werten und den erfaßten aktuellen Wer­ ten die Abmessungen und die Drehlage des unbekann­ ten Paketes. An diese Bewertungsstufe 10 kann ein Ro­ boter oder ein Handhabeautomat angeschaltet sein.

Die seitliche Verschiebung des Paketes 2 auf dem Förderband 1 und damit auch die Längenermittlung läßt sich durch eine nicht dargestellte weitere, rechtwinklig zur ersten angeordneten, schlitzförmigen Lichtquelle erzielen. Möglich ist aber auch der Einsatz einer aus der Optik her bekannten Kreuzoptik mit um 90° versetztem Lichtaustritt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung befinden sich Fernsehkamera und Lichtquelle als Baueinheit in einem Gehäuse. Diese Baueinheit kann sogar an einem Robo­ ter oder Handhabeautomaten angeordnet sein.

Das anmeldungsgemäße Verfahren arbeitet norma­ lerweise mit Lichtstrahlen im sichtbaren Bereich. Um zusätzliche Störungen auszuschalten, kann die Licht­ quelle ein monokromatisches Licht (z. B. Laserlicht) er­ zeugen, das über ein Filter von der Fernsehkamera auf­ genommen werden kann. Dabei werden sämtliche ande­ re Lichtwellenlängen zu der Kamera nicht durchgelas­ sen. Dadurch wird die Anordnung unempfindlich gegen Fremdlichtstörungen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Orten von unbekannten Gegen­ ständen durch eine optische Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ungeordnet liegende, mit pla­ ner Oberfläche versehene Gegenstände (2) durch eine schräg montierte, schlitzförmige Lichtquelle (4) angestrahlt werden, so daß die daraus resultie­ renden beleuchteten Flächen oder Striche (6, 7) auf dem Gegenstand und seiner Umgebung durch eine senkrecht zu der Gegenstandsoberfläche montier­ ten Fernsehkamera (3) erfaßt werden, daß die Grö­ ße und Position der durch die Fernsehkamera er­ faßten Flächen und Striche (6, 7) mit Festwerten der geometrischen Anordnung von Fernsehkamera und Lichtquelle derart bewertet werden, daß eine Ausgabe der Position, Höhe und Breite des unbe­ kannten Gegenstandes bezogen auf die Fernsehka­ mera für eine weitere Bearbeitung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch eine weitere, rechtwinklig zur ersten Lichtquelle angeordneten zweiten schlitz­ förmigen Lichtquelle eine Position senkrecht zur ersten Lichtquelle erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fernsehkamera (3) und die schlitz­ förmige Lichtquelle (4) zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt werden und auf einem bewegli­ chen Handhabeautomaten angebracht sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle (4) ein monokromati­ sches Licht erzeugt und daß die Fernsehkamera (3) ein Filter aufweist, das nur dieses monokromatische Licht durchläßt.