DE10033366A1 - Verfahren und Erfassungsvorrichtung zur Erfassung von Parametern an maschinellen Einrichtungen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erfassung von Parametern an maschinellen Einrichtungen (10) vorgeschlagen, insbesondere von Positionen bewegbarer Teile (14) bei einem Bewegungsablauf (16), mittels wenigstens einer Videokamera (18), durch die lediglich für die Erfassung der Parameter erforderliche Bildbereichsausschnitte (20-23) und/oder Farbspektrumsbereiche des Videobilds erfaßt, die übrigen dagegen ausgeblendet werden, wobei durch Auswertung der Bilddaten die Parameter ermittelt werden. Hierdurch kann eine Vielzahl von Bewegungen oder sonstige Parameter mittels einer Videokamera sensiert werden, ohne daß eine aufwendige Verdrahtung von Sensoren erforderlich wäre.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Para­ metern an maschinellen Einrichtungen, insbesondere von Posi­ tionen bewegbarer Teile bei einem Bewegungsablauf, mittels wenigstens einer Videokamera.

Aus dem Artikel "Sensoren für Roboter", P. Levi und L. Vaij­ ta, Robotersysteme 3, 1-15, Springer-Verlag 1987, sind Fern­ sehkameras als elektrooptische Sensoren für zwei- und dreidi­ mensionales Sehen bekannt. Diese Fernsehkameras tasten die Objekte nach dem Rasterprinzip zeilenweise ab und liefern proportional der Lichtidentität ein Analogsignal. Die Auswer­ tung derartiger Rasterbilder ist jedoch im Hinblick auf die großen Datenmengen sehr Zeit- und speicherintensiv und damit langsam und kostspielig. Es wird daher festgestellt, daß der­ artige Systeme für den Industrieeinsatz noch nicht geeignet sind. Der Vorteil einer solchen Erfassung von Bewegungen mit­ tels wenigstens einer Kamera besteht prinzipiell darin, daß verschiedene Bewegungen erfaßt werden können, ohne daß eine Vielzahl von ansonsten erforderlichen Sensoren verdrahtet werden müßte.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erfassung von Parametern mittels einer Video­ kamera so zu verbessern, daß bei wesentlich geringeren Daten­ mengen eine schnellere, weniger speicherintensive Auswertung möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erfassung von Parametern an maschinellen Einrichtungen, ins­ besondere von Positionen bewegbarer Teile bei einem Bewe­ gungsablauf, mittels wenigstens einer Videokamera gelöst, durch die lediglich für die Erfassung der Parameter erforder­ liche Bildbereichsausschnitte und/oder Farbspektrumsbereiche des Videobilds erfaßt, die übrigen dagegen ausgeblendet wer­ den, wobei durch Auswertung der Bilddaten die Parameter er­ mittelt werden.

Die Vorteile des Erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen insbe­ sondere darin, daß nicht mehr alle Daten des Videobilds er­ faßt und ausgewertet werden, sondern nur noch für die jewei­ ligen Parameter wesentliche Bildbereichsausschnitte und/oder Farbspektrumsbereiche. Dadurch reduziert sich die zu erfas­ sende und auszuwertende Datenmenge erheblich, es sind kleine­ re Speicher ausreichend, und die Verarbeitungsgeschwindigkeit wird erhöht. Die Verarbeitungsgenauigkeit kann dabei eben­ falls verbessert werden. Dabei ist keinerlei Installations­ aufwand für die Sensorik erforderlich, insbesondere keine Verkabelung bzw. Verdrahtung. Bei einer rein pneumatischen maschinellen Einrichtung sind nur noch pneumatische und keine elektrischen Zuleitungen mehr erforderlich. Alle benötigten Aktoren sind sofort einsetzbar, da die Zuordnung der Sensoren für die Steuerung oder Regelung nachträglich beispielsweise an einem Rechner erfolgen kann. Ist einmal eine solche Zuord­ nung erfolgt, so können weitere entsprechende maschinelle Einrichtungen in einfacher Weise mit den gleichen Sensoren bestückt und eine Videokamera entsprechend positioniert wer­ den, wobei die Zuordnung der Sensorsignale durch die bereits erstellte Software schnell und einfach realisiert werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im An­ spruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.

In den Bildbereichsausschnitten werden zweckmäßigerweise op­ tische Markierungen erfaßt, zum Beispiel Farbmarkierungen, Leuchtelemente, Displays oder dergleichen.

Eine Bewegung läßt sich in einfacher Weise dadurch sensieren, daß wenigstens ein bewegbares Teil wenigstens eine optische Markierung besitzt, und daß mehrere Bildbereichsausschnitte entlang der Bewegungsbahn dahingehend überprüft werden, ob die optische Markierung vorhanden ist. Auf diese Weise können Positionen mit sehr geringem Rechneraufwand und sehr geringem Speicheraufwand schnell und einfach erfaßt werden.

Um auch Bewegungen oder sonstige Parameter erfassen zu kön­ nen, die oder deren Erfassungsort durch Teile der maschinel­ len Einrichtung verdeckt sind, werden in vorteilhafter Weise Sensorsignale wenigstens eines Sensors zur Erfassung eines Parameters in optische Signale einer optischen Anzeigeeinrichtung umgesetzt, wobei die Videokamera diese optischen Signale über einen entsprechenden Bildbereichsausschnitt oder Farbspektrumsbereich erfaßt. Auf diese Weise können bei­ spielsweise Positionen verdeckter Teile, Temperaturen, Drücke und/oder elektrische Signale als Parameter erfaßt werden. Die Sensorsignale werden dabei von der Erfassungsstelle zur opti­ schen Einrichtung mittels einer Übertragungseinrichtung über­ tragen.

Zur schnelleren und einfacheren Einbindung der Sensoren und Sensorsignale werden die Bildbereichsausschnitte und/oder op­ tischen Markierungen und/oder die Zuordnung der Inhalte der Bildbereichsausschnitte zu Parametern im Lernmodus erfaßt. Die Bildbereichsausschnitte können auch zweckmäßigerweise durch entsprechende Markierung mit einer Maus am Bildschirm gebildet werden.

Zur Erfassung von Parametern, bei denen die entsprechenden optischen Markierungen verdeckt sind oder deren Erfassungsort verdeckt ist, dient in vorteilhafter Weise eine Erfassungs­ einrichtung für Parameter an maschinellen Einrichtungen mit­ tels wenigstens eines Sensors, der über ein Verbindungs­ element mit einer optischen Anzeigeeinrichtung zur optischen Wiedergabe des Sensorsignals verbunden ist, wobei eine Video­ kamera zur Erfassung wenigstens des die optische Anzeige­ einrichtung enthaltenden Bildbereichsausschnitts des Video­ bilds vorgesehen ist. Eine Auswerteeinrichtung dient dabei zur Ableitung der Parameter aus dem Videobild. Eine derartige Erfassungsvorrichtung eignet sich besonders in Verbindung mit dem vorstehend angegebenen Verfahren, besitzt jedoch auch ei­ genständige erfinderische Bedeutung.

Das Verbindungselement ist zweckmäßigerweise als Verbindungs­ leitungen zwischen Sensor und optischer Anzeigeeinrichtung enthaltendes Rohr ausgebildet, durch das die optische Anzei­ geeinrichtung in eine zur Erfassung durch die Videokamera günstige Position gebracht werden kann.

Die optische Anzeigeeinrichtung besitzt wenigstens eine Leuchtdiode oder ein Display zur Erfassung durch die Video­ kamera.

Um auch elektrische Leitungen zur Stromversorgung der opti­ schen Anzeigeeinrichtung zu vermeiden, ist wenigstens diese mit Solarzellen versehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Erfassung des Be­ wegungsablaufs eines pneumatisch betätigbaren Grei­ fers mittels einer Videokamera,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Erfassungs­ vorrichtung für Parameter mit einer Leuchtdiode zur optischen Wiedergabe des Sensorsignals und

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer solchen Er­ fassungsvorrichtung mit einem LCD-Display zur opti­ schen Wiedergabe des Sensorsignals.

Fig. 1 zeigt ein pneumatisches Handhabungsgerät 10, bei dem auf einer Säule 11 ein erster Linearantrieb 12 horizontal verfahrbar ist. Ein zweiter Linearantrieb 13 ist am ersten Linearantrieb 12 vertikal verfahrbar und trägt an einem Ende einen Greifer 14. Das Handhabungsgerät 10 wird über einen Steuerrechner 15 so gesteuert, daß der Greifer 14 sich ent­ lang einer durch gestrichelte Linien markierten Bewegungsbahn 16 bewegt. Der Greifer 14 besitzt eine Farbmarkierung 17. Ei­ ne ortsfest positionierte Videokamera 18 ist so eingestellt, daß wenigstens der Greifer 14 entlang seiner Bewegungsbahn 16 erfaßt wird. Das Videobild wird dem Steuerrechner 15 zuge­ führt. Die Programmierung zur Bewegungserfassung des Greifers 14 erfolgt in der Weise, daß nur markante oder für die Bewe­ gung wichtige Punkte der Bewegungsbahn 16 überprüft werden. Dies sind im Ausführungsbeispiel die vier Eckpunkte. Auf dem Bildschirm 19 des Steuerrechners 15 werden beispielsweise mittels einer Maus diese vier Eckpunkte der Bewegungsbahn als Bildbereichsausschnitte 20-23 markiert. Diese Markierung bedeutet, daß lediglich die Bilddaten dieser vier Bild­ bereichsausschnitte 20-23 betrachtet und ausgewertet wer­ den, die übrigen Bildbereiche dagegen ausgeschnitten werden. Hierdurch wird die erfaßte Datenmenge gegenüber dem gesamten Videobild stark reduziert. Durch Überprüfung der Bildinforma­ tionen der vier Bildbereichsausschnitte 20-23 wird jeweils geprüft, ob sich die Farbmarkierung 17 innerhalb einer dieser Bildbereichsausschnitte 20-23 befindet. Dies wird dann als Position des Greifers 14 erkannt und der Bewegungssteuerung als Positions-Istwert mitgeteilt, so daß eine Bewegungssteue­ rung und/oder -regelung möglich ist.

Die Zahl der erfaßten Bildbereichsausschnitte entlang einer Bewegungsbahn ist selbstverständlich beliebig. Zusätzlich können durch dieselbe Videokamera 19 die Bewegungen weiterer Handhabungsgeräte 10 sensiert werden. Auch die Bewegungen an­ derer bewegbarer Teile oder Bereiche solcher Handhabungs­ geräte 10 können bezüglich ihrer Bewegungen sensiert werden. Dabei ist diese kontaktlose Bewegungserfassung selbstver­ ständlich nicht auf Handhabungsgeräte 10 beschränkt, sondern kann für alle maschinellen Einrichtungen eingesetzt werden, bei denen Bewegungen stattfinden und/oder sonstige Parameter oder Meßwerte erfaßt werden, wie später in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 noch näher erläutert wird.

Falls Bewegungsabläufe oder Teile von Bewegungsabläufen durch andere Bereiche solcher maschinellen Einrichtungen verdeckt sind, können verdeckte Bildbereichsausschnitte auch mittels Spiegeln oder sonstiger Lichtumlenkungseinrichtungen durch die Videokamera 18 beobachtet werden.

Es ist auch möglich, anstelle der Betrachtung von Bild­ bereichsausschnitten einer Bewegungsbahn bestimmte Farb­ spektrumsbereiche des Videobilds zu beobachten und die übri­ gen Farbspektrumsbereiche auszublenden. Falls beispielsweise die maschinelle Einrichtung keine roten Bereiche oder Stellen besitzt, so können zur Sensierung von Bewegungen rote Farb­ markierungen 17 verwendet werden. Durch Ausblenden aller üb­ rigen Farben aus dem Videosignal wird dann nur noch der rote Farbspektrumsbereich erfaßt, also ausschließlich die für die Bewegung wesentlichen Farbmarkierungen. Auch hierdurch wird die Menge der zu verarbeitenden Bildinformationen deutlich reduziert.

Selbstverständlich sind auch Kombinationen dieser beiden Mög­ lichkeiten realisierbar, das heißt, es werden nur bestimmte Bildbereichsausschnitte und darüber hinaus innerhalb dieser nur bestimmte Farbspektrumsbereiche erfaßt bzw. nur die ent­ sprechenden Bildinformationen ausgewertet.

Der Programmablauf kann durch eine Matrix, die die Abhängig­ keiten der einzelnen Bewegungen bzw. die einzelnen Bewegungs­ schritte zueinander prüft, überwacht werden. Am Bildschirm 19 kann jeder Bewegungsablauf als Matrix dargestellt werden, al­ so wenn an der maschinellen Einrichtung oder an maschinellen Einrichtungen verschiedene Bewegungen ablaufen. Diese Matrix zeigt die aktuellen Stellungen des Aktuators bzw. des zu ü­ berwachenden, sich bewegenden Teils als 0 oder 1 an, zum Bei­ spiel die eingefahrene oder ausgefahrene Stellung. Die Pro­ grammierung erfolgt dann beispielsweise mit der Maus am Bild­ schirm. Der Aktuator bzw. dessen Farbmarkierung 17 wird ange­ klickt, und dann wird der Bewegungsbefehl eingegeben, zum Beispiel Einfahren oder Ausfahren eines Aktuators. Abhängig­ keiten zu anderen Aktionen oder Aktoren müssen dann jeweils festgelegt und als Programmschritte gespeichert werden.

Alternativ hierzu kann auch im Lernmodus programmiert werden, das heißt, die einzelnen Bewegungen werden nacheinander durchgeführt, und die jeweiligen Positionen der Aktuatoren bzw. Farbmarkierungen werden zugeordnet und jeweils auto­ matisch abgespeichert. Insbesondere auch bei verschiedenen und zeitlich nicht miteinander gekoppelten Bewegungen müssen die jeweiligen Situationen zeitlich nacheinander erfaßt und abgespeichert werden. Die Abhängigkeiten von Aktorengruppen können am Bildschirm dargestellt werden.

Beispielsweise können auch Schaltstellungen von Ventilen über eine optische Codierung erfaßt werden. Bei Bewegungen können Zwischenpositionen erfaßt werden, um eine Wegmessung zu er­ möglichen. Dies kann rechnerisch mittels des Steuerrechners 15 erfolgen. Auch der Materialfluß kann beobachtet werden. Zum Beispiel kann die Entnahmestelle, an der ein Bauteil be­ reitgestellt wird, optisch so gekennzeichnet werden, daß bei entnommenem Bauteil eine Farbmarkierung sichtbar wird.

Selbstverständlich können bei Bedarf auch mehrere Video­ kameras eingesetzt und die Videosignale gemeinsam gemäß den vorstehenden Ausführungen ausgewertet werden.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Erfassungsvor­ richtungen dienen zum einen zur Erfassung von Sensorsignalen an optisch schwer oder nicht zugänglichen Stellen und zum an­ deren zur Erfassung von anderen Parametern, wie Temperatur, Druck, elektrische Signale und dergleichen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Er­ fassungsvorrichtung 24 für Parameter ist an einem Ende eines Übertragungsrohrs 25 ein Sensor 26 und am anderen Ende eine optische Anzeigeeinrichtung 27 angeordnet. Der Sensor 26 ist beispielsweise ein Endschalter, ein Temperatursensor, ein Drucksensor, ein elektrischer Sensor oder ein optischer Sensor, der an der zu sensierenden Position der maschinellen Einrichtung fixiert wird. Die Sensorsignale werden über nicht dargestellte elektrische Leitungen oder Lichtleiter im Über­ tragungsrohr 25 zur optischen Anzeigeeinrichtung 27 hin über­ tragen, wo sie in Steuersignale für eine Leuchtdiode 28 umge­ setzt werden. Beispielsweise wird die Leuchtdiode 28 bei Be­ tätigung des als Endschalter ausgebildeten Sensors 26 einge­ schaltet. Weiterhin kann die Über- oder Unterschreitung einer bestimmten Temperatur oder eines bestimmten Drucks die Leuchtdiode 28 einschalten. Durch die Videokamera 18 wird ein kleiner, die Leuchtdiode 28 umfassender Bildbereichs­ ausschnitt des Videobilds eingehend überwacht, ob die Leucht­ diode 28 eingeschaltet ist oder nicht. Dies kann - wie be­ reits beschrieben - auch durch Überwachung lediglich eines Farbspektrumsbereichs erfolgen, dem die Leuchtfarbe der Leuchtdiode 28 zugeordnet ist. Derartige Erfassungsvor­ richtungen 24 können auch in größerer Zahl an der maschinel­ len Einrichtung angeordnet sein und gemeinsam durch die Vi­ deokamera 18 überwacht werden.

In Abwandlung des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbei­ spiels können auch mehrere Leuchtdioden 28 an der optischen Anzeigeeinrichtung 27 angeordnet sein, die separat durch die Videokamera überwacht werden. Hierdurch lassen sich bei­ spielsweise verschiedene Drücke oder verschiedene Tempera­ turen darstellen und erfassen.

Das in Fig. 3 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel einer Erfassungsvorrichtung 29 unterscheidet sich von der Er­ fassungsvorrichtung 24 lediglich dadurch, daß anstelle der optischen Anzeigeeinrichtung 27 eine optische Anzeige­ einrichtung 30 mit einem LCD-Display 31 tritt. Dieses LCD- Display 31 kann entsprechend der Leuchtdiode 28 ein- oder ausgeschaltet werden, so daß entweder eine dunkle oder eine helle Fläche erscheint. Auch hier können Zwischenwerte gebil­ det und erfaßt werden, indem das LCD-Display 31 entsprechend dem Wert des erfaßten Parameters sukzessive verdunkelt oder hellgeschaltet wird.

Um auch zur Stromversorgung der optischen Anzeigeeinrich­ tungen 27, 30 keine Zuführungskabel zu benötigen, die eine zu vermeidende Verkabelung bedeuten würden, können die Anzeige­ einrichtungen 27, 30 bzw. die Erfassungsvorrichtungen 24, 29 mit Solarzellen versehen sein, so daß die Stromversorgung ü­ ber das Umgebungslicht erfolgt.

Anstelle eines Übertragungsrohrs 25 kann auch ein anderes e­ lektrisches oder optisches Übertragungselement treten. Dieses oder auch das Übertragungsrohr 25 können in ihrer Form verän­ derbar ausgebildet werden, damit unabhängig von der Position des Sensors 26 alle Ausrichtung der optischen Anzeigeeinrich­ tung 27, 30 auf die Videokamera erfolgen kann.

Bei der Herstellung gleichartiger maschineller Einrichtungen, die dieselben Bewegungsabläufe beinhalten, ist es lediglich erforderlich, eine entsprechende Videokamera 18 in einer ent­ sprechenden räumlichen Zuordnung zu dieser maschinellen Ein­ richtung ortsfest zu fixieren. Der einmal erfaßte Ablauf, der in einem Programm niedergelegt wurde, kann dann unmittelbar verwendet werden, ohne daß die Sensoren oder die Bewegungsab­ läufe in irgendeiner Form neu erfaßt werden müßten.

Claims (12)

1. Verfahren zur Erfassung von Parametern an maschinellen Einrichtungen (10), insbesondere von Positionen bewegbarer Teile bei einem Bewegungsablauf (16), mittels wenigstens einer Videokamera (18, durch die lediglich für die Erfassung der Parameter erforderliche Bildbereichsausschnitte (20-23) und/oder Farbspektrumsbereiche des Videobilds erfaßt, die üb­ rigen dagegen ausgeblendet werden, wobei durch Auswertung der Bilddaten die Parameter ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bildbereichsausschnitten (20-23) optische Markie­ rungen (17) erfaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein bewegbares Teil (14) wenigstens eine optische Markierung (17) besitzt, und daß mehrere Bildbereichs­ ausschnitte (20-23) entlang der Bewegungsbahn (16) dahin­ gehend überprüft werden, ob die optische Markierung (17) vor­ handen ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Sensorsignale wenigstens eines Sen­ sors (26) zur Erfassung eines Parameters in optische Signale einer optischen Anzeigeeinrichtung (27, 30) umgesetzt werden, und daß die Videokamera (18) diese optischen Signale über ei­ nen entsprechenden Bildbereichsausschnitt und/oder nach Aus­ filterung unerwünschter Farbspektrumsbereiche erfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Positionen, Temperaturen, Drücke und/oder elektrische Signale als Parameter erfaßt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensorsignale von der Erfassungsstelle zur optischen Anzeigeeinrichtung ((27, 30) mittels einer Über­ tragungseinrichtung (25) übertragen werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bildbereichsausschnitte (20- 23) und/oder optischen Markierungen (17) und/oder die Zuord­ nung der Inhalte der Bildbereichsausschnitte (20-23) zu Pa­ rametern im Lernmodus erfaßt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bildbereichsausschnitte (20- 23) durch entsprechende Markierung mit einer entsprechenden Markierungseinrichtung, insbesondere einer Maus, am Bild­ schirm (19) gebildet werden.

9. Erfassungsvorrichtung für Parameter an maschinellen Einrichtungen, insbesondere von Positionen bewegbarer Teile bei einem Bewegungsablauf, mittels wenigstens eines Sensors (26), der über ein Verbindungselement (25) mit einer opti­ schen Anzeigeeinrichtung (27, 30) zur optischen Wiedergabe des Sensorsignals verbunden ist, mit einer Videokamera (18) zur Erfassung wenigstens des die optische Anzeigeeinrichtung (27, 30) enthaltenden Bildbereichsausschnitts des Videobilds und mit einer aus dem Videobild die Parameter ableitenden Auswerteeinrichtung (15).

10. Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verbindungselement (25) als Verbindungslei­ tungen zwischen Sensor (26) und optischer Anzeigeeinrichtung (27, 30) enthaltendes Rohr ausgebildet ist.

11. Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anzeigeeinrichtung (27, 30) wenigstens eine Leuchtdiode (28) und/oder ein Display (31) besitzt.

12. Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie, insbesondere ihre opti­ sche Anzeigeeinrichtung (27, 30), mit Solarzellen zur Strom­ versorgung versehen ist.