PRESSURE IMAGING SYSTEM

Abstract: A pressure imaging system for describing an object's configuration based on a pressure distribution resulting from contact between a sensor plate and the object. Optical signals, used to describe the pressure distribution, are converted into electrical signals which can be used to define the object.

Description: Druckabbildungssystem Die vorliegende Erfindung betrifft gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ein Druckabbildungssystem zur Beschreibung der Konfiguration eines mit dem System in Kontakt gebrachten Objekts und eine Vorrichtung mit einem solchen System. Existierende Verfahren zur Bestimmung oder Definition eines von einer Sensorvorrichtung kontaktierten Objekts benutzen elektrische Wandler. Derartige Wandler sind komplex, inhärent teuer und neigen zu Ausfall, insbesondere wenn sie in einer Produktionsumgebung bzw. -stätte, beispielsweise einer Fabrik, verwendet werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine billige, dafür aber sehr zuverlässige Vorrichtung zur Bestimmung der Konfiguration eines Objekts oder Gegenstandes anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Druckabbildungssystem gelöst, welches die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des Systems und eine Vorrichtung mit einem solchen System gehen aus den Unteransprüchen hervor. Durch die Erfindung ist vorteilhafterweise eine Vorrichtung für eine Robotervorrichtung zur Identifizierung von Objekten geschaffen, welche die Robotervorrichtung kontaktiert. Vorteilhafterweise liefert die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Teileidentifizierung in einer Produktionsoder Fertigungsumgebung. Die Erfindung bringt einen Hauptvorteil im Bereich der Druckabbildung, weil sie eine neue Anordnung optischer Komponenten zur Erzielung einer Beschreibung oder Abbildung eines Objekts mit hoher Auflösung bei sehr niedrigen Kosten verwendet. Die Einfachheit der Konstruktion im Vergleich zu anderen elektrischen Methoden zur Bestimmung eines Objekts bedeutet eine hohe Zuverlässigkeit, weil sehr wenige Teile ausfallen können. Ausserdem können alle notwendigen Reparaturen schnell ausgeführt werden, was einen beträchtlichen Gewinn an Betriebszeit im Vergleich zu den elektrischen Systemen zur Folge hat, die inhärent komplexer sind und deshalb mehr Erfahrung, Sachkenntnis und Reparaturzeit erfordern. Die hohe Zuverlässigkeit und Einfachheit der Erfindung macht sie gut geeignet für eine Fertigungsumgebung, wo sie in eine Robotervorrichtung eingebaut oder als ein Teil eines Identifizierungssystems benutzt werden kann. Generell zeichnet sich die Erfindung unter einem Aspekt aus durch ein Druckabbildungssystem zur Beschreibung der Konfiguration eines in Kontakt mit dem System gebrachten Objekts. Das System umfasst eine Einrichtung zur Erzeugung kollimierten Lichts, einen optischen Strahlteiler, der so angeordnet ist, dass er das kollimierte Licht empfängt, eine Sensorplatte, die lichttransparent, flexibel und neben dem Strahlteiler so angeordnet ist, dass das kollimierte Licht die Platte erreicht, nachdem das Licht den Strahlteiler durchstrahlt hat, eine mit der Sensorplatte in Kontakt stehende Matrix, welche eine flexible Oberseite und eine rauhe Unterseite aufweist, die in Kontakt mit der Sensorplatte steht, wobei die Matrix so angeordnet ist, dass das Objekt in Kontakt mit der Oberseite der Matrix gebracht werden kann, um die Matrix zu deformieren, eine Einrichtung zum Empfang des durch die Oberseite der Sensorplatte reflektierten Lichts, und eine Einrichtung zur Bestimmung der Konfiguration des Objekts auf der Grundlage des reflektierten Lichts. Gemäss bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung weist die Einrichtung zur Erzeugung kollimierten Lichts eine Glühbirne und eine Linse auf; der Strahlteiler ist kubusförmig; der Strahlteiler ist aus Glas gefertigt; der Strahlteiler weist eine diagonale Zwischenfläche oder Strahlteilerfläche auf, welche den Teiler längs einer diagonalen Ebene halbiert; die Sensorplatte besteht aus einem Silikonelastomer; die Matrix besteht ebenfalls aus einem Silikonelastomer mit einer flachen Oberseite und mehreren pyramidenförmigen Vorsprüngen auf ihrer Unterseite; die Einrichtung zum Empfang reflektierten Lichts weist ein Fotodetektorfeld, beispielsweise eine CCD-Kamera oder ein Vidikon aùf, das die Konfiguration des Objekts auf der Grundlage der Verteilung des reflektierten Lichts bestimmt; die fokussierende Linse empfängt das reflektierte Licht und fokussiert das Licht auf das Fotodetektorfeld; der Fotodetektor stellt eine Einrichtung zur Umwandlung der zweidimensionalen Lichtverteilung in elektrische Signale zur Bestimmung der Konfiguration des Objekts dar. Gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das System eine Einrichtung zur Erzeugung einer Videoanzeige des Objekts, die aus den elek trischen Signalen erzeugt wird. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet das Druckabbildungssystem einen integralen Teil der Kontaktfläche einer Vorrichtung zur Kontaktieruung von Objekten, welche die Konfiguration des kontaktierten Objekts bestimmen kann; die Vorrichtung bildet einen integralen Teil einer Robotervorrichtung bzw. -einrichtung. Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren und aus den Ansprüchen. Von den die bevorzugte Ausführungsform darstellenden Figuren zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform, Figur 2 eine schematische Darstellung der in Kontakt mit einem Objekt stehenden bevorzugten Ausführungs form, und Figur 3 eine vergrösserte Ansicht der in Figur 2 gezeig ten Matrix. Das in Figur 1 gezeigte Druckabbildungssystem weist eine Lichtquelle 10 auf, die einen Lichtstrahl 11 erzeugt, der eine Linse 12 durchstrahlt und von dieser kollimiert wird. Die Lichtquelle 10 kann eine Glühlampe oder eine lichtemittierende Diode sein. Der kollimierte Lichtstrahl 14 trifft auf einen Spiegel 16 und wird als Parallelstrahl in einen Strahlteiler 18 reflektiert. Der Strahlteiler 18 besteht typischerweise aus einem Glas, das von einer diagonalen Zwischenfläche 20 halbiert wird. Der in den Strahlteiler eintretende Lichtstrahl trifft auf die Zwischenfläche 20, die einen Teil 22 des einfallenden Lichts nach der linken Seite des Strahlteilers reflektiert und den verbleibenden Lichtanteil 24 durch die Oberseite des Strahlteilers leitet. Das Licht 22 wird durch eine schwarze Fläche 26 absorbiert. Das Licht 24 durchstrahlt eine Sensorplatte 28, die aus einem transparenten Silikonelastomer oder Gummi besteht, das bzw. der auf der Oberseite des Strahlteilers 18 angeordnet ist. Das Licht trifft auf eine Kontaktfläche 30, welche die Oberseitenfläche der Sensorplatte bildet. Die Kontaktfläche 30 reflektiert das auftreffende Licht als reflektiertes Licht 32 zurück zur Zwischenfläche 20. Die Zwischenfläche lenkt das reflektierte Licht 32 zur Linse 34, welche das Licht auf ein Fotodetektorfeld 36 fokussiert. Der Fotodetektor entwickelt aus dem Licht elektrische Signale, welche dem Betrag des auftreffenden Lichts entsprechen. Auf der Kontaktfläche 30 ruht eine Matrix 42, die aus zahlreichen flexiblen Vorsprüngen 44 besteht, die an einer Oberseitenfläche 46 miteinander verbunden sind. Die Oberseitenfläche di muss sehr dünn und flexibel sein, so dass Deformationen auf einem Bereich der Fläche in Abhängigkeit von der Plazierung eines Objekts auf diesem Bereich nur eine minimale Wirkung auf den umgebenden Oberflächenbereich hat. Typischerweise ist diese Matrix 42 aus einem Silikonelastomer gebildet, das eine flache Oberseitenfläche und eine Unterseitefläche aufweist, die aus einem regulären zweidimensionalen Feld aus vielen kleinen Pyramiden besteht. Die räumliche Dichte der Pyramiden bestimmt die Auflösung des Druckbildes. Eine typische Matrix weist ABmessungen von 2,54 2,54 cm auf und hat eine Dicke von 2 oder 3 mm, wobei die untenliegende Oberfläche ein Feld aus 100 100 Pyramiden aufweist. Anhand der Figuren 2 und 3 wird die Arbeitsweise im einzelnen beschrieben. Ein mit der Oberseitenfläche 46 in Kontakt kommender Gegenstand deformiert die Fläche im Verhältnis zum Objekt. Eine Sensorplatte 28, deren obere Kontaktfläche 30 in direktem Kontakt mit der Matrix 42 steht, deformiert sich ebenfalls. Die Deformation der Sensorplatte stimmt mit der Deformation der Matrix überein. Sowohl die Matrix 42 als auch die Sensorplatte 28 sind in den Figuren 2 und 3 in ihren deformierten Stellungen gezeigt. Sowohl die Sensorplatte 28 als auch die Matrix 42 gehen in ihre undeformierten Stellungen zurück, wenn der Kontakt mit dem Gegenstand endet. Wenn die Matrix eine durch zahlreiche Punkte 44 erzeugte rauhe Unterseite aufweist, stimmt der deformierte Teil der Sensorplatte mit der rauhen Unterseite überein und es wird Licht, das auf den deformierten Bereich auftrifft, durch die Rauhheit der Oberfläche gestreut. Diese Streuung reduziert die durch die deformierten Teile des Sensors 28 zur Zwischenfläche 20 reflektierte Lichtmenge 32. Das durch die undeformierten Bereiche oder Abschnitte der Sensorplatte 28 reflektierte Licht 32 wird ohne wesentliche Streuung direkt reflektiert und deshalb ist es von grösserer Intensität, als das reflektierte gestreute Licht. Das durch den deformierten Teil des Sensors 28 reflektierte Licht 32 ist in der Figur 3 detaillierter dargestellt. Der Abschnitt 28 der oberen Kontaktfläche 30, der zwischen benachbarten Vorsprüngen angeordnet ist, erzeugt eine glatte konkave optische Fläche, welche das reflektierte Licht 32 auf einen Punkt A konzentriert. Licht, welches auf den Abschnitt 50 der obenliegenden Kontaktfläche trifft, die in Kontakt mit einem Vorsprung 44 steht, wird gestreut, so dass dieser Teil reflektierten Lichts 32 von geringerer Intensität ist als das durch den Abschnitt 48 der Sensorplatte reflektierte Licht. Das reflektierte Licht 32 wird durch die Zwischenfläche 20 zur Linse 34 geleitet, welche das Licht auf verschiedene Teile des Fotodetektorfeldes fokussiert. Unter Anwendung konventioneller Techniken erzeugt das Fotodetektorfeld elektrische Signale in Abhängigkeit von dem einfallenden Licht, die proportional zum Betrag bzw. der Menge des Lichts sind, das auf die Teile des Fotodetektors fällt. Diese Signale sind auf die Deformation der Sensorplatte 28 bezogen bzw. entsprechen dieser Deformation, und deshalb sind sie proportional zur Druckverteilung, die auf der Sensorplatte durch das auf sie plazierte Objekt bzw. den auf sie plazierten Gegenstand erzeugt wird. Die von diesen Signalen erzeugte Fotodektorausgabe 38 kann zum Definieren der Grösse und Form des auf der Sensorplatte plazierten Objekts und zur Erzeugung eines Videobildes des Objekts auf einer nicht dargestellten konventionellen Kathodenstrahlröhreanzeige benutzt werden. Das von dem Fotodetektorfeld 36 direkt erhaltene Druckbild ist ein reguläres Feld von Punkten, von denen jeder einem Kontaktpunkt einer Spitze eines Vorsprungs mit der Sensorplatte entspricht. Weil der Kontaktbereich zwischen der Spitze der Projektion und der Oberseitenfläche der Sensorplatte annähernd proportional zu dem auf den Vorsprung ausgeübten Druck ist, haben die Punkte variable Flächen oder Bereiche, welche die auf die Matrix ausgeübte Druckvariation definieren. Deshalb ist die Druckinformation in dem Bereich oder der Fläche des resultierenden Bildes kodiert. Diese Art des bereichsoder flächenmodulierten Bildes wird üblicherweise als nHalbton"-Bild bezeichnet und ähnelt einem auf eine Zeitung gedruckten Bild. Wenn ein Druckbild mit kontinuierlichem Ton anstelle eines Haibtonbildes gewünscht ist, kann das Bild durch Defokussierung verschmiert werden. Dies wird durch eine Bewegung der Linse 34 derart ausgeführt, dass das Bild leicht defokussiert wird, so dass das reguläre Punkte muster ein Grautonbild wird, welches der Druckvariation entspricht. Im wesentlichen ist dies eine konventionelle Raumfrequenz-Tiefpassfilterung. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform kann das Druckabbildungssystem in die Fingerspitze einer Roboterhand eingebaut sein, beispielsweise derart, dass die Sensorplatte 28 an der Aussenfläche der Fingerspitze angeordnet ist. Wenn die Fingerspitze in Kontakt mit einem Objekt kommt, deformiert sich die Sensorplatte und der Roboter kann die Ausgabe 38 dazu benutzen, auf der Grundlage der über dem Sensor erzeugten Druckverteilung die Konfiguration des Objekts zu bestimmen. Gemäss einer anderen Ausführungsform kann die Fotodetektorausgabe dazu benutzt werden, ein Videobild des Objekts auf einer nicht dargestellten Kathodenstrahlröhrenanzeige unter Anwendung konventioneller Techniken anzuzeigen, zur Identifizierung von Teilen in einer Fertigungsumgebung bzw. -stätte. Es wurde ein Druckabbildungssystem zur Beschreibung der Konfiguration eines Objekts auf der Grundlage einer Druckverteilung beschrieben, die von einem Kontakt zwischen einer Sensorplatte und dem Objekt herrührt. Zur Beschreibung der Druckverteilung verwendete optische Signale werden in elektrische Signale umgewandelt, die zum Bestimmen des Objekts benutzt werden können, 14 Patentansprüche 3 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Druckabbildungssystem zur Beschreibung der Konfiguration eines in Kontakt mit dem System gebrachten Ob jekts, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h a) eine Einrichtung (10, 12) zur Erzeugung kolli mierten Lichts (14); b) einen optischen Strahlteiler (18), der so angeordnet ist, dass er das kollimierte Licht (14) empfängt; c) eine Sensorplatte (28), die lichttransparent und flexibel ist, und die neben dem Strahlteiler (18) so angeordnet ist, dass das kollimierte Licht (24) nach seinem Durchgang durch den Strahlteiler (18) die Sen sorplatte (28) erreicht; d) eine in Kontakt mit der Sensorplatte (28) stehende Matrix (42), die eine flexible Oberseite (46) und mehrere Vorsprünge (44) an ihrer Unterseite aufweist, wobei die Unterseite in Kontakt mit der Sensorplatte (28) steht, und wobei die Matrix (42) so angeordnet ist, dass das Objekt in Kontakt mit der Oberseite (46) der Matrix (42) zur Deformation der Matrix bringbar ist; e) eine Einrichtung (34, 36) zum Empfang des von der Oberseitenfläche (30) der Sensorplatte (28) reflek tierten Lichts (32); und durch f) eine Einrichtung zur Bestimmung der Konfiguration des Objekts auf der Basis des reflektierten Lichts (32). 2. System nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z ei c h n e t , dass die Einrichtung (10, 12) zur Erzeugung kollimierten Lichts (14) eine Glühbirne (10) und eine Linse (12) aufweist. 3. System nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Strahlteiler (18) kubusförmig ist. 4. System nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Strahlteiler (18) eine diagonale Zwischenfläche (20) aufweist, welche den Strahlteiler (18) längs einer diagonalen Ebene des Teilers halbiert. 5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Strahlteiler (18) aus Glas gefertigt ist. 6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass die Sensorplatte (28) aus einem Silikonelastomer besteht. 7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Matrix (42) aus einem Silikonelastomer besteht, das eine flache Oberseite (46) und mehrere pyramidenförmige Vorsprünge (44) auf seiner Unterseite aufweist. 8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Matrix (42) ein Gewebematerial mit einer glatten Oberseite und einer gleichmässig rauhen Unterseite aufweist. 9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einrichtung (34, 36) zum Empfang des reflektierten Lichts (32) ein Fotodetektorfeld (36) aufweist, welches die Konfiguration des Objekts auf der Basis der Verteilung des reflektierten Lichts (32) bestimmt. 10. System nach Anspruch 9, da d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einrichtung (34, 36) zum Empfang des reflektierten Lichts (32) eine fokussie rende Linse (34) aufweist, welche das reflektierte Licht (32) empfängt und dieses Licht auf das Fotodetektorfeld (36) fokussiert. 11. System nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Fotodetektorfeld igijt eine Einrichtung zum Umwandeln der Lichtverteilung in elektrische Signale zur Bestimmung der Konfiguration des Objekts bereitstellt. 12. System nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Einrichtung zur Erzeugung einer Videoanzeige des Objekts vorgesehen ist, welche Anzeige aus den elektrischen Signalen erzeugt wird. 13. Vorrichtung zur Kontaktierung von Objekten, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ein System nach einem der vorhergehenden Ansprüche als integraler Teil der Kontaktfläche der Vorrichtung, wodurch es der Vorrichtung ermöglicht ist, die Konfiguration des kontaktierten Objekts zu bestimmen. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vorrichtung ein integraler Teil einer Robotervorrichtung ist.

Inventors: CHIU, MING-YEE, TSIKOS, CONSTANTINE J.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: B25J19
IPC codes: B25J13, B25J19, G01L1, G01B11