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Einrichtung zur Regelung der Lage eines in einem Bewegungsablauf befindlichen Gegenstandes - Dokument DE3332508C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3332508C2 27.10.1988
Titel Einrichtung zur Regelung der Lage eines in einem Bewegungsablauf befindlichen Gegenstandes
Anmelder Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH, 6000 Frankfurt, DE
Erfinder Schöne, Gerhard, Dipl.-Ing., 2000 Wedel, DE;
Bothe, Wolfgang, Dipl.-Ing., 2000 Hamburg, DE;
Warnke, Hans-Wilhelm, Dipl.-Ing., 2000 Wedel, DE
DE-Anmeldedatum 09.09.1983
DE-Aktenzeichen 3332508
Offenlegungstag 04.04.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.10.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.10.1988
IPC-Hauptklasse G05D 3/20
IPC-Nebenklasse G05B 1/03   G05B 19/04   G05B 19/405   G09G 1/02   G06F 3/037   H04N 7/18   
Zusammenfassung Einrichtung zur Regelung der Lage eines in einem Bewegungsablauf, vorzugsweise in einem industriellen Produktionsablauf befindlichen Gegenstandes unter Verwendung von mindenstens einem optoelektronischen Bildsensor, einer Bildverarbeitungseinrichtung und von dieser gesteuerten Stellgliedern. Die Bildverarbeitungseinrichtung weist eine Einrichtung zur Digitalisierung der vom Sensor gelieferten Bilder, eine Bildspeicheradressiereinrichtung, einen Bildspeicher zur Abspeicherung der digitalisierten Bilder und zur Aufnahme des aktuellen Grauwertbildes eines beliebigen Gegenstandes, einen Grauwerte verarbeitenden Konturenprozessor und einen Soll-Ist-Vergleicher zur Bereitstellung der Stellsignale auf. Der dem Soll-Ist-Vergleicher vorgeschaltete, das digitale Videoeingangssignal vom Bildspeicher empfangende Konturenprozessor ist von einem mit dem charakteristischen Konturverlauf des zu erkennenden Gegenstandes frei programmierten Adressenspeicher derart gesteuert, daß der Konturenprozessor senkrecht zu den vorgegebenen Konturverläufen selbständig Gradientenverläufe ermittelt und dadurch feststellt, ob und wo sich der Gegenstand mit der gesuchten Kontur im Bild befindet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Es ist ein Verfahren zur Automatisierung von technischen Produktionsabläufen unter Verwendung von einem oder mehreren optoelektronischen Bildsensoren, insbesondere von mehreren Bildsensoren für einen Produktionsablauf, Einrichtungen zur optoelektronischen Bildauswertung und von diesen Einrichtungen gesteuerten Stellgliedern bekannt (DE 30 31 507 A1). Die von den Bildsensoren erfaßten Sensorbilder werden in mehr als zwei Grauwertstufen digital quantisiert. Digitale Grauwertmerkmale werden in der durch die Produktionsabläufe vorgegebenen Taktzeit verarbeitet. Mittels digitaler Bildverarbeitung kann die Grauwertstruktur (eines technischen Objektes oder es können die Grauwertstruktur von mehreren Momentaufnahmen eines technischen Produktionsablaufes (Bildfolgen) erlernt, gespeichert und im Laufe eines Produktionsablaufes wiedererkannt werden. Die Lage des Objektes kann zum Zwecke einer Grob- und/oder Feinstausrichtung vermessen werden. Auch kann die reale Lage der Objekte relativ zur Lage in den Momentaufnahmen zum Zwecke einer Grob- und/oder Feinstausrichtung vermessen werden.

Es ist ferner ein Konzept eines Bildverarbeitungssystems für den industriellen Einsatz mit mindestens einem optoelektronischen Sensor bekanntgeworden (Schöne, G.:, Forschungsbericht über Verarbeitung optischer Grauwertmuster/Forschungsbericht DV 83-003, 08-IT 1024, Bundesministerium für Forschung und Technologie). Die Bildverarbeitungseinrichtung dieses Systems weist eine Einrichtung zur Digitalisierung der vom Sender gelieferten Bilder, eine Kommunikationseinrichtung, einen Bildspeicher zur Abspeicherung bzw. zur direkten Weitergabe (on-line) der digitalisierten Bilder, einen Gradientenprozessor zur Bildvorverarbeitung und einen Soll-Ist-Vergleicher zur Bereitstellung der Stellsignale für die Stellglieder auf. Dem Gradientenprozessor kann zusätzlich ein Grauwertkorrelator nachgeordnet sein. Das gesamte Bildverarbeitungssystem ermöglicht neben einer Bildvorverarbeitung mittels Gradientenprozessor auch eine Bildverarbeitung mittels universellem Grauwertkorrelator und ist somit für die komplexesten Erkennungsaufgaben geeignet. Von Nachteil ist, daß das bekannte Bildverarbeitungssystem an einen vorgegebenen Gegenstand gebunden ist. Für eine Umrüstung bzw. Umprgrammierung sind erhebliche Detailkenntnisse und ein verhältnismäßig hoher Aufwand erforderlich. Dies gilt auch für eine Einrichtung, die nach dem eingangs genannten Verfahren arbeitet.

Es ist ein Verfahren zur Positionsabtastung eines Objektes bekannt (DE 31 11 027 A1), das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

  • a) vorheriges Speichern der Positionsinformation von mindestens einer Art von Standardmuster, das in einem Muster eines vorgegebenen Gesamtbereiches vorhanden ist, wobei der Gesamtbereich sämtliche Beobachtungsbereiche in allen Positionszuständen eines Objektes enthält,
  • b) Aufnehmen eines Musters des Beobachtungsbereiches des Objektes,
  • c) Herausziehen der Positionsinformation des Standardmusters aus dem beim Schritt b) aufgenommenen Muster, und
  • d) Vergleichen der beim Schritt c) erhaltenen Positionsinformation mit der beim Schritt a) gespeicherten Positionsinformation, um zu entscheiden, in welchem Teil des Gesamtbereiches der Beobachtungsbereich liegt und um die Position des Objektes abzutasten.


Die von diesem Verfahren Gebrauch machende Vorrichtung weist einen Bildspeicher auf, der aus (n-1) Schieberegister besteht. Die Schieberegister sind hintereinander geschaltet und dienen dazu, binäre Bildinformation zeitweilig zu speichern, die der Anzahl von Abtastzeilen (n-1) entspricht. Dem Bildspeicher ist eine Schwellwertschaltung vorgeschaltet, die das von einer Aufnahmeeinrichtung gelieferte Videosignal in ein Binärsignal umwandelt. Dieses Binärsignal gibt an, ob das Bild eines Bildelementes "weiß" oder "schwarz" ist, d. h. es werden nur Zahlen zwischen Null und Eins verarbeitet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, mit der beliebig viele verschiedenartige Gegenstände erkannt bzw. deren Lage in einem Bewegungsablauf geregelt bzw. mit der ständig auf neue Meßfunktionen, Meßabläufe und verschiedenste Bauteileformen umgerüstet werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 beschrieben.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist in einer flexiblen, kundenprogrammierbaren Verwendung von diversen Grauwert-Bildverarbeitungsverfahren und -Prozessoren in einem Universalsystem zur Gegenstandserkennung, -vermessung, -inspektion und -montage zu sehen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Einrichtung zur Regelung der Lage von in einem Bewegungsablauf befindlichen Gegenständen in Blockschaltbildform und

Fig. 2 drei verschiedene Beispiele für Adressenmuster.

In Fig. 1 werden von einem zeichnerisch nicht dargestellten Sensor Bilder eines ebenfalls nicht gezeichneten Gegenstandes an eine Einrichtung 1 zur Digitalisierung der Bilder des Gegenstandes (z. B. 8 bit) abgegeben. Der Einrichtung 1 ist eine Bildspeicheradressiereinrichtung 2 nachgeordnet. An die Bildspeicheradressiereinrichtung 2 schließt sich ein Bildspeicher 3 an, der z. B. für softwaregestützte Bilduntersuchungen mittels einer nicht dargestellten Mikroprozessorzentraleinheit die Grauwertbilder des Gegenstandes abspeichert und eine Darstellung der bildverarbeiteten Bilder auf einem Monitor, beispielsweise für Servicezwecke, ermöglicht. Der Bildspeicher kann die digitalisierten Bilder auch direkt an einen Konturenprozessor 4 weitergeben (on-line-Betrieb). Dem Konturenprozessor 4, der zu jedem Punkt des digitalisierten Gegenstandsbildes einen Gradientenverlauf ermittelt, ist ein Soll-Ist-Vergleicher 5 zur Bereitstellung der Stellsignale für zeichnerisch nicht dargestellte Stellglieder nachgeschaltet.

Der vorgesehene Konturenprozessor 4 wird über eine Addiervorrichtung 6, die gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel auch entfallen kann, von einem Adressenspeicher 7 gesteuert. Hierzu werden die vom Adressenspeicher 7 abgegebenen Adressensignale mit einem von einer Basiseinheit 8 erzeugten Basisadressensignal addiert, wobei das Adressen-Summensignal dem Konturenprozessor 4 übermittelt wird. Dem Adressenspeicher 7, der von einem Bildpunktzähler 9 gesteuert wird, ist eine Musterauswahlvorrichtung 10 zur freien Programmierung beliebiger Konturverläufe des beliebigen Gegenstandes vorgeschaltet.

Für abschließende Objekterkennungsaufgaben kann dem Konturenprozessor 4 ein zeichnerisch nicht dargestellter Grauwertkorrelator nachgeschaltet sein, der mit beliebigen Grauwertbildern von charakteristischen Details des beliebigen Gegenstandes frei programmierbar ist.

Zur Regelung der Lage eines beliebigen Gegenstandes in einem industriellen Produktionsablauf, beispielsweise zwecks Entnahme von geordnet übereinander liegenden Blechteilen aus Behältern oder zwecks sensorgestützter Feinjustage eines Punktschweißroboters im Karosseriebau, wird zunächst im Bildspeicher 3 das Grauwertbild des Gegenstandes abgelegt. Der das digitale Videoeingangssignal vom Bildspeicher 3 empfangende Konturenprozessor 4 ist von dem mit dem charakteristischen Konturverlauf des beliebigen Gegenstandes frei programmierten Adressenspeicher 7 derart verbunden, daß der Konturprozessor 4 senkrecht zu den vorgegebenen Konturverläufen selbständig Gradientenverläufe ermittelt und feststellt, ob und wo sich der Gegenstand mit der gesuchten Kontur im Bild befindet. Die Form des Gegenstandes wird daran wiedererkannt, daß an verschiedenen Stellen des Gegenstandes, d. h. an bestimmten Bildadressen unter einer bestimmten Richtung, ein Gradient vorhanden sein muß. Die hierfür erforderlichen Adressen für vorgegebene Abtastmuster werden dem frei programmierbaren Adressenspeicher 7 entnommen.

In Fig. 2 sind drei verschiedene Formen von Abtastmustern dargestellt, und zwar ein Kreis 11, der auch für eine Gegenstandsbohrung stehen kann, ein Winkel 12, beispielsweise für eine Ecke des Gegenstandes, und ein z. B. für ein Langloch eines Gegenstandes vorgesehenes Oval 13. Jedes Abtastmuster weist an sechzehn verschiedenen Stellen Gradienten-Suchmuster 14 bis 16 auf, die jeweils aus 8 Bildpunkten bestehen. Bei der Suche wird an jeder der sechzehn jeweiligen Positionen mit Hilfe des Suchmusters der gesuchte Gradientenverlauf ermittelt. Die Adressen für das Abtastmuster werden dem Adressenspeicher entnommen, wobei der Speicherbedarf für ein Muster bei 128 Worten liegt. Mit einem Paar 4K × 8 PROMs ist es so möglich, 32 verschiedene Muster bereitzuhalten. Es ist auch eine Drehlagenerkennung möglich, wobei für jede Drehlage ein Muster notwendig ist. Die Verarbeitungszeit für ein Muster an einer Position liegt bei geeigneter Wahl der Halbleiterbauteile unter 100 ms. Zwecks freier Programmierung des Konturenprozessors 4 und des Adressenspeichers 7 mit Konturverläufen eines beliebigen Gegenstandes können ein dem Gegenstand nachführbarer Lichtgriffel und ein Monitor, auf dem der Gegenstand abgebildet ist, vorgesehen sein. Durch den Lichtgriffel, der mit einer bestimmten Geschwindigkeit über die Kontur des Gegenstandes geführt wird, werden charakteristische Konturverläufe des Gegenstandes erlernt und nicht flüchtig abgespeichert. Auch kann eine freie Programmierbarkeit mittels Menue-Technik oder Cursor-Software erfolgen.

Anstelle der beschriebenen Beispiele, kann die Ermittlung Lage eines beliebigen Gegenstandes in einem industriellen Produktionsablauf auch bei einer aus Palettenspeicher, Portalroboter und Transferstraße bestehenden Fertigungsinsel zum automatischen Abstapeln von Kurbelgehäusen erfolgen.


Anspruch[de]
  1. 1. Einrichtung zur Regelung der Lage eines in einem Bewegungsablauf, vorzugsweise in einem industriellen Produktionsablauf befindlichen Gegenstandes unter Verwendung von mindestens einem optoelektronischen Bildsensor, einer dem Bildsensor nachgeschalteten Bildverarbeitungseinrichtung und von der Bildverarbeitungseinrichtung gesteuerten Stellgliedern, wobei die Bildverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zur Digitalisierung der vom Sensor gelieferten Bilder, eine Bildspeicheradressiereinrichtung, einen Bildspeicher zur Abspeicherung der digitalisierten Bilder, einen Grauwerte verarbeitenden Konturenprozessor und einen Soll-Ist-Vergleicher zur Bereitstellung der Stellsignale für die Stellglieder aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bildspeicher (3) das aktuelle Grauwertbild eines beliebigen Gegenstandes abgelegt ist, und daß der dem Soll-Ist-Vergleicher (5) vorgeschaltete, das digitale Videoeingangssignal vom Bildspeicher (3) empfangende Konturenprozessor (4) von einem mit dem charakteristischen Konturverlauf des zu erkennenden Gegenstandes frei programmierten Adressenspeicher (7) derart gesteuert ist, daß der Konturenprozessor (4) senkrecht zu den vorgegebenen Konturverläufen selbständig Gradientenverläufe ermittelt und dadurch feststellt, ob und wo sich der Gegenstand mit der gesuchten Kontur im Bild befindet.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Adressenspeicher (7) eine Musterauswahlvorrichtung (10) zur freien Programmierung beliebiger Konturverläufe beliebiger Gegenstände vorgeschaltet ist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen den Adressenspeicher (7) ansteuernden Bildpunktzähler (9).
  4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gegekennzeichnet, daß dem Adressenspeicher (7) eine Addiervorrichtung (6) nachgeordnet ist, die die vom Adressenspeicher (7) abgegebenen Adressensignale mit einem von einem Basisadressenspeicher (8) erzeugten Basisadressensignal addiert und ein Adressen-Summensignal dem Konturenprozessor (4) übermittelt.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für abschließende Objekterkennungsaufgaben dem Konturenprozessor (4) ein mit beliebigen Grauwertbildern von flächenhaften Details des beliebigen Gegenstandes frei programmierbarer Grauwertkorrelator nachgeschaltet ist.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur freien Programmierung beliebiger Konturverläufe des beliebigen Gegenstandes ein Lichtgriffel, der dem Gegenstand nachgeführt wird, und ein Monitor, auf dem der Gegenstand abgebildet ist, vorgesehen sind.






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