OPTICAL SENSOR SYSTEM TO DETERMINE THE POSITION OF OBJECTS

Abstract: 1. A method of optically determining the position of components which are moved in relation to a recording head (3), where the moving component (1) is illuminated through a slot (5) in the recording head, and the light reflected back from the surface of said component is recorded by a row of photodiodes (7) arranged behind a slotted diaphragm (8), characterised in that the position and orientation of the component is determined by a parallel analysis of the diode currents via an analysis circuit, and that, that by the addition and weighting of the individual diode currents, the surface area (F) and the surface moments Mx , My of the component (1) are determined in order to specify the centre of gravity (S) of the component.

Description: Optisches Sensorsystem zur Teilelaqebestimmunq. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Teilelagebestimmung von Teilen, wobei diese relativ zum Aufnahmekopf mit konstanter Geschwindigkeit bewegt werden. Beim Einsatz von Industrierobotern muss zum Greifen eines Teiles dessen genaue Lage und Orientierung bekannt sein. Um verschiedene Bauteile zuzuführen, verwendet man entweder teilespezifische Zubringeeinrichtungen tRüttelförderer, Förderbänder mit Teileträger und so weiter), die die zu greifenden Teile in exakter Lage und Orientierung anbieten oder aufwendige Bildverarbeitungssystene, die Teilelage und Orientierung errechnen und der Robotersteuerung übermitteln. Die erstgenannte Möglichkeit ist jedoch nur für eine Teileart geeignet, bei mehreren verschiedenen Teilen wird zudem auch diese Methode wirtschaftlich aufwendig. Gerade eine effiziente Montage mit Industrierobotern erfordert aber eine flexible Bauteilezuführung (kleine Losgrössen - grosse Typenvielfalt). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren zu entwickeln, um zum Beispiel beim Einsatz von Industrierobotern die zum Greifen eines Teiles erforderlichen genauen Daten über Lage und Orientierung liefern zu können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das mit konstanter Geschwindigkeit gegenüber dem Aufnahmekopf bewegte Teil durch einen Schlitz des Aufnahmekopfes beleuchtet und das an der Teileoberfläche reflektierte Licht durch eine Fotodiodenzeile aufgenommen wird, vor der eine Schlitzblende angeordnet ist und da durch parallele Auswertung der Diodenströme über eine Auswerteschaltung die Teilelage und Orientierung ermittelt wird. Mit dem Verfahren nach der Erfindung ist man in der Lage, die Teile erst nach der Grösse der von oben sichtbaren Teilefläche zu bestimmen, falls dieses Kriterium allein für eine Unterscheidung ausreichend ist. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die für den Greifvorgang charakteristischen Erkennungsmerkmale einer bestimmten Höhenebene mittels der vor der Fotodiodenzeile angebrachten Schlitzmaske für die Auswertung herangezogen werden, während die für die Auswertung nicht wesentlichen Flächen, zum Beispiel der Hintergrund, ausgebiendet werden. Die beschriebene Erfindung bietet die Möglichkeit, ein kompaktes, störunempfindliches und kostengünstiges Sensorsystem zu bauen, das die schnelle Ermittlung von Teilelage und Orientierung ermöglicht. Im Rahmen der Erfindung werden durch Summierung und Gewichtung der einzelnen Diodenströme die Fläche und Flächenmomente des Teiles zur Festlegung des Teileschwerpunktes ermittelt. Der Teileschwerpunkt bildet ein teileunabhärgiges Merkmal, aus dem durch einfache Addition von x- und y-Werten der Greifpunkt gewonnen werden kann. Im physikalischen Sinn ist die Fläche F = ffdxdy, das Flächenmoment bezüglich der Ordinate Dl = fSxdxdy und y fxdxdy bezüglich der Abszisse Mx = ffydxdy. Mit dem Verfahren nach der Erfindung ist es möglich, die Ermittlung der Teilelage in Echtzeit, das heisst nahezu ohne Verzögerungszeit, durchzuführen. Wählt man n-Einzeldioden und konstante Relativgeschwindigkeit, dann ergibt sich für das Flächenmoment bezüglich der Ordinate EMI2.1 dt, wobei gn der Beleuchtungsanteil der n-Einzeldioden ist. Zur Aufnahme der Abszisse, längs der die Bewegung erfolgt, bestehen zwei Möglichkeiten. Nach Start der Auswertung können die Summenwerte der Diodenströme in bestimmten Zeitabständen ab einem willkürlichen Startsignal mit einem laufenden Zähler multipliziert und aufaddiert werden. Das ist eine besonders einfache Möglichkeit, die x-Komponente zu erfassen. Eine weitere Möglichkeit zur Aufnahme der x-Komponente besteht nach der Erfindung darin, dass die Summenwerte der Diodenströme kontinuierlich mit einem der Abtastzeit proportionalen Spannungswert multipliziert werden. Der Einsatz eines analogen Multiplizierers, wobei der mitlaufende Zähler durch eine Sägezahnspannung (x (t)) ersetzt wird, bietet verschiedene Vorteile, wie zum Beispiel Echtzeitverarbeitung und hohe Auflösung in x-Richtung. Daneben kann diese Methode auch für Fälle eingesetzt werden, wo die Verfahrgeschwindigkeit nicht konstant ist. Hier kann durch Integration eines geschwindigkeitsproportionalen Signals die Spannung x (t) extern gewonnen werden. Die Orientierung des Teils kann durch Berechnung der Lage der Trägheitsellipse gewonnen werden. In diesem Sinne können nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung durch weitere Summation und Gewichtung der ermittelten Werte die Flächenträgheitsmomente festgestellt werden. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann aus den Flächenmomenten und den Flächenträgheitsmomenten mit Hilfe eines digitalen Rechners der Teileschwerpunkt und die Orientierung eines Teiles gewonnen werden. Mit dem Rechner kann die endgültige Division der analog ermittelt ten Werte zur Bestimmung der Positionskoordinaten x5 und y5 sowie des Drehwinkels g und die Bereitstellung dieser Werte für einen Industrieroboter erfolgen. Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines Aufnahmekopfes, Figur 2 die Draufsicht auf ein Teil dessen Lage mit der Schwerpunktsberechnung bestimmt wird, Figur 3 eine weitere Draufsicht mit der Trägheitsellipse und Figur 4 eine Schaltungsanordnung für die Auswertung. In den Figuren ist ein Teil, dessen Lage bestimmt werden soll, mit 1 bezeichnet. Nach der Darstellung in der Figur 1 wird dieses Teil auf einem Fördermittel 2 mit konstanter Geschwindigkeit unter einem Aufnahmekopf 3 vorbeibewegt. Von einer Lichtquelle 4 wird das Objekt durch einen Schlitz 5 beleuchtet, vor dem zum Beispiel eine Zylinderlinse 6 angeordnet ist. Das reflektierte Licht wird durch eine Fotodiodenzeile 7 aufgenommen, vor der sich eine Schlitzblende 8 befindet. Ein Teil, dessen Lage bestimmt werden soll, ist in den Figuren 2 und 3 abgebildet. Ein Ausschnitt der Diodenzeile 7 mit n-Einzeldioden ist mit 13 bezeichnet. Ausser- dem ist in den Figuren 2 und 3 der Schwerpunkt S markiert. Die schraffierten Kästchen bezeichnen die Einzel dioden auf die von der Oberfläche des Teiles reflektiertes Licht fällt. Für eine der Dioden ist die Position durch die Angabe des y-Wertes Yn und x (t) angegeben. Der Drehwinkel ist mit OC bezeichnet. Für die Auswertung macht sich die Erfindung die physikalischen Gesetze über Flächenschwerpunktsbestimmung zunutze. Demnach ist EMI5.1 Bei den folgenden Betrachtungen wird der Beleuchtungsanteil der Einzeldioden mit g n bezeichnet, der proportional der Länge dy ist. Für die nachfolgende Auswertung ist Voraussetzung, dass das Teil mit konstanter Geschwindigkeit v gegenüber dem Aufnahmekopf bewegt wird. Unter diesen Voraussetzungen ergeben sich für den Schwerpunkt folgende Koordinaten: EMI5.2 Die Flächenmomente sind mit Mx und My bezeichnet. EMI5.3 In der Figur 3 ist eine Erweiterung dargestellt, mit der auch die Drehlage des zu bestimmenden Teiles berechnet werden kann. Aus der Mechanik ergibt sich für die Orientierung der Trägheitsellipse EMI5.4 mit EMI5.5 Fl iehmom ent Trägheitsmoment x-Achse Trägheitsmoment y-Achse Aufgrund der eingangs beschriebenen Randbedingungen ergibt sich EMI6.1 Ein Blockschaltbild zur Auswertung der Diodenströme zeigt die Figur 4. An jede Diode D1....Dn ist ein Stromspannungswandler W1....Wn angeschlossen. Darauf folgen drei Summierglieder A1 A,, durch die die Diodenströme besonders gewichtet aufaddiert werden. Bei dem Summierglied A3 ergibt sich eine Ausgangsspannung EMI6.2 k.. U. mit k. = j j j Konstant. Bei dem Summlerglied A2 gilt die gleiche Beziehung für die Ausgangsspannung aber für kj ¯ j. Für das Summierglied A1 gilt die gleiche Beziehung für die Ausgangsspannung für kr ¯ Für die weitere Auswertung wird ein Sägezahngenerator G eingeführt, an den sich Multiplikationsglieder Pl P P3 anschliessen. Darauf folgen Integratoren Z1 - Z6 zur abschliessenden Berechnung der erforderlichen spannungs- werte U1 - U6: EMI6.3 Flächenträgheitsmoment Flächenmoment Flächenmoment Flächenträgheitsmoment Flächenmoment und Fläche. Ein grosser Teil der Schaltung kann in Analogtechnik (Summationsverstärker mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren, Multiplizierer, Integratoren und so weiter) aufgebaut werden, um eine rasche und genaue Auswertung zu gewährleisten. Zudem kann dieser Schaltungsteil leicht auf einem Baustein integriert werden. Die direkte Berechnung und Ausgabe der Schwerpunktskoordinaten und der Orientierung erfolgt vorzugsweise mit einem Standard Mikroprozessorsystem. 6 Patentansprüche 4 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur optischen Teilelagebestimmung von Teilen, die relativ zu einem Aufnahmekopf mit konstanter Geschwindigkeit bewegt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das mit konstanter Geschwindigkeit gegenüber dem Aufnahmekopf (3) bewegte Teil (1) durch einen Schlitz (5) des Aufnahmekopfes beleuchtet (4) und das an der Teileoberfläche reflektierte Licht durch eine Fotodiodenzeile (7) aufgenommen wird, vor der eine Schlitzblende (8) angeordnet ist und dass durch parallele Auswertung der Diodenströme über eine Auswerteschaltung (Figur 4) die Teilelage und Orientierung ermittelt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch Summierung und Gewichtung der einzelnen Diodenströme die Fläche (F) und die Flächenmomente (M , M ) des Teiles (5) zur Festlegung des Teilescherpusktes (St ermittelt werden. 3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Summenwerte der Diodenströme in bestimmten Zeitabständen ab einen willkürlichen Startsignal mit einem laufenden Zähler multipliziert und aufaddiert werden. 4. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Summenwerte der Diodenströme kontinuierlich mit einem der Abtastzeit proportionalen Spannungswert (G) multipliziert werden. 5. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch weitere Summation und Gewichtung der ermittelten Werte die Flächenträgheits momente (1 Iy 1 und 1 ) festgestellt werden. y xy 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass aus den Flächenmomenten und den Flächenträgheitsmomenten mit Hilfe eines digitalen Rechners der Teileschwerpunkt (S) und die Orientierung eines Teiles gewonnen werden.

Inventors: NIEDERMAYR, ERICH, DIPL.-ING., POLESCHINSKI, RICHARD, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1983
Main classification: G01B11
IPC codes: B07C5, G01S17, B25J19, G01B11