DE3501051A1

DE3501051A1 - Verfahren und vorrichtung zur positionsbestimmung

Info

Publication number: DE3501051A1
Application number: DE19853501051
Authority: DE
Inventors: Donald Roy Charles Maidstone Kent Price
Original assignee: GEC Avionics Ltd
Current assignee: Allard Way Holdings Ltd
Priority date: 1984-01-16
Filing date: 1985-01-15
Publication date: 1985-07-25
Also published as: GB8431352D0; JPS60227104A; GB2153178A; GB8401088D0; US4582430A; GB2153178B

Description

.if, 35D1051

Verfahren_und_Vorrichtung_zur_Positionsbestimmung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der gegenseitigen Positionen eines ersten Objektes und eines zweiten Objektes.

Ein derartiges Verfahren wird häufig in der Robotertechnik angewendet, wo es beispielsweise erforderlich 5* ist, einen Manipulator neben einem zu handhabenden

_f oder zu bearbeitenden Objekt zu plazieren, wobei die-

^rs> ser Vorgang unter der Steuerung eines Computers stattfindet. Damit der Computer Informationen über die gegenseitigen Positionen des Manipulators und des Objektes erhält, ist es bisher üblich, zwei Kameras anzuordnen, von denen eine jede die Szene mit dem Manipulator und dem Objekt aus unterschiedlichen Winkeln aufnimmt, um räumliche Informationen für den Computer zu erhalten. Der Computer verwendet die Unterschiede zwischen den von den beiden Kameras erzeugten Bildern, um die gegenseitigen Positionen des Manipulators und des Objektes zu bestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der gegenseitigen Positionen von zwei Objekten derart zu verbessern, daß nur eine

Sicht und damit nur eine Kamera erforderlich ist, wobei die Auswertung der von der Kamera für den Computer gelieferten Informationen vereinfacht sein soll. Gleichzeitig soll eine Vorrichtung zur Verwendung in dem Verfahren angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 6 angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der gegenseitigen Positionen eines ersten Objektes und eines zweiten Objektes sieht vor, daß das erste Objekt so beleuchtet wird, daß ein Schatten des ersten Objektes auf einer Fläche entsteht, wobei sich diese Fläche an einer bekannten Position bezüglich des zweiten Objektes befindet, daß eine zweidimensionale Abbildung einer die Fläche einschließenden Szene erzeugt wird, daß der Abstand zwischen den Positionen des Schattens und einer Bezugsposition in der zweidimensionalen Abbildung überwacht bzw. kontrolliert wird und daß dieser Abstand verwendet wird, um Informationen bezüglich der gegenseitigen Positionen des ersten Objektes und des zweiten Objektes abzuleiten.

Weiter kann mit Vorteil vorgesehen sein, daß das erste Objekt so beleuchtet wird, daß ein zweiter Schatten des ersten Objektes auf der Fläche entsteht, wobei die Bezugsposition durch die Position des zweiten Schattens gegeben ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren zur Bestimmung der gegenseitigen Positionen eines ersten Objektes und eines zweiten Ob-

jektes sieht vor, daß eine Lichtquelle angeordnet ist, um das erste Objekt so zu beleuchten, daß ein Schatten von dem ersten Objekt auf einer Fläche entsteht, wobei sich die Fläche in einer bekannten Position bezüglich des zweiten Objektes befindet, daß eine Kameraeinrichtung angeordnet ist, um eine zweidimensionale Abbildung einer die Fläche einschließenden Szene zu erzeugen, und daß eine Einrichtung angeordnet ist, die eine Angabe der gegenseitigen Positionen d_es ersten Objektes und des zweiten Objektes in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den Positionen des ersten Schattens und einer Bezugsposition in der Abbildung bereitstellt.

in einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer zweiten Lichtquelle versehen, die das erste Objekt so beleuchtet, daß ein

^r zweiter Schatten des ersten Objektes auf der Fläche

ζ entsteht, wobei die Position des zweiten Schatten

die Bezugsposition bildet.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen '~ Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Be-

Schreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie anhand der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in einer schematischen Aufsicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Das nachfolgend beschriebene Verfahren ist zur Anwendung in einer Situation geeignet, in der ein Manipulator 1 ein entfernt befindliches Objekt 3 erfassen soll. Der Manipulator 1 wird von einem flexiblen Arm 5 gehalten, der aus verschiedenen mitein-

ander verbundenen Abschnitten besteht, wobei sich der Arm ausdehnen kann, so daß der Manipulator unter der Steuerung einer Steuereinheit 7 bewegbar ist. Mit der Steuereinheit 7 sind zwei Lichtquellen 9, 11 und eine Fernsehkamera 13 verbunden, die auf eine vertikale Fläche 15 eingestellt ist, an der das Objekt 3 angebracht ist.

Bei Verwendung der Vorrichtung werden die Lichtquellen 9, 11 abwechselnd eingeschaltet, um den Manipulator 1 so zu beleuchten, daß zwei Schatten 17, 19 des Manipulators abwechselnd auf die Fläche 15 geworfen werden. Da die Form der Schatten 17, 19 von der Form des Manipulators 1 abhängt, sind diese in der von der Kamera 13 erzeugten Abbildung der Fläche 15 leicht zu erkennen, wobei die von dieser Abbildung bezüglich der gegenseitigen Positionen der Schatten auf der Fläche 15 abgeleiteten Daten anschließend von einem nicht dargestellten Rechner innerhalb der Steuereinheit 7 verarbeitet werden. Da die gegenseitigen Positionen der Lichtquelle 9, 11 feststehen und bekannt sind, kann das Verhältnis des Abstandes des Manipulators von der Fläche 15 zum Gesamtabstand zwischen der Kamera 13 und der Fläche 15 durch Anwendung der Regeln der Geometrie bestimmt werden. Da der Abstand des Manipulators von der Steuereinheit 7 durch die Längenausdehnungen und die Winkel der verschiedenen Abschnitte des Armes 5 geschätzt werden kann, kann auch der tatsächliche Abstand von der Fläche 15 und damit von dem Objekt 3 geschätzt werden. Unter Verwendung dieser Informationen kann der Arm 5 ausgedehnt werden, bis der Manipulator in der vertikalen Ebene liegt, die das Objekt 3 einschließt. Da die Schatten 17, 19 sich

bewegen, wenn der Manipulator sich in Richtung der Fläche 15 bewegt, sind ergänzende bzw. auf den jeweiligen neuen Stand gebrachte Informationen über die gegenseitigen Positionen des Objektes 3 und des Manipulators 1 verfügbar. Wenn der Manipulator 1 in der vertikalen Ebene liegt, die das Objekt 3 enthält, ist eine weitere Einstellung der Position des Manipulators durch Verwendung von Informationen möglich, die aus der von der Kamera 13 erzeugten zweidimensionalen Abbildung des Objektes 3 und des Manipulators 1 abgeleitet werden, bis der Manipulator sich dicht neben dem Objekt 3 befindet.

Obwohl vorstehend ein bestimmtes Verfahren beschrieben ist, sind zahlreiche weitere Verfahren möglich, die im Rahmen des Erfindungsgedankens liegen. Beispielsweise kann die Tatsache, daß die Schatten 17, 19 sich aufeinander zu bewegen, wenn der Manipulator 1 in Richtung der Fläche 15 bewegt wird, anstelle der Berechnung des Verhältnisses des Abstandes des Manipulators 1 von der Fläche 15 zu dem Abstand zwischen der Kamera und der Fläche durch geometrische Betrachtungen verwendet werden. Wenn der Manipulator die Fläche 15 erreicht, verschmelzen die Schatten 17, 19, wodurch an-25. gezeigt wird, daß der Manipulator 1 in der Ebene des Objektes 3 liegt.

Ferner kann jede beliebige Anzahl von Lichtquellen verwendet werden, um eine entsprechende Anzahl von Schatten zu erzeugen, wobei allgemein gilt, daß die Genauigkeit umso größer wird, je mehr Lichtquellen verwendet und Schatten erzeugt werden. Bei einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens ist nur eine einzige Lichtquelle erforderlich, wobei die Kamera so angeord-

net ist, daß die Verschiebung zwischen dem Manipulator 1 und dem einzigen auf die Fläche 15 geworfenen Schatten überwacht bzw. kontrolliert wird. Da sich der Manipulator auf die Fläche 15 zu bewegt, neigen der Manipulator und sein eigener Schatten unter geeigneten Umständen dazu, sich aufeinander zu zu bewegen.

Obwohl es besonders zweckmäßig ist, die Fläche 15 in der vertikalen Ebene anzuordnen, die das Objekt 3 enthält, kann auch jede andere passende Fläche verwendet werden, solange der Abstand zwischen dem Objekt 3 und der Fläche 15 bekannt ist.

■4f ·.

- Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung der gegenseitigen Positionen eines ersten Objektes und eines zweiten Objektes,

dadurch gekennzeichnet, daß das erste Objekt (1) so beleuchtet wird, daß ein Schatten (17) des ersten Objektes auf einer Fläche (15) hervorgerufen wird, wobei sich die Fläche (15) in einer bekannten Position zu dem zweiten Objekt (3) befindet, i

daß eine zweidimensionale Abbildung einer die Fläche (15) einschließenden Szene gebildet wird, daß der Abstand zwischen der Position des Schattens

(17) und einer Bezugsposition in der zweidimensionalen Abbildung überwacht wird und daß dieser Abstand verwendet wird, um Informationen bezüglich der gegenseitigen Positionen des ersten Objektes (1) und des zweiten Objektes (3) abzuleiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Objekt (1) so beleuchtet wird, daß ein zweiter Schatten (19) des ersten Objektes auf der Fläche (15) erzeugt wird, und daß die Bezugsposition durch die Position des zweiten Schattens gebildetwird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsposition durch die Position des zweiten Objektes (3) in der zweidimensionalen Abbildung gebildet wird.

k. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Information verwendet wird, um die Position des ersten Objektes (1) zu steuern.

5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Objekt (.1) so gesteuert wird, daß die Verschmelzung des ersten Schattens (17) mit der Bezugsposition hervorgerufen wird.

6.' Vorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren zur

" Bestimmung der gegenseitigen Positionen eines ersten Objektes und eines zweiten Objektes, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (9) so angeordnet ist, daß sie ein erstes Objekt (1) so beleuchtet, daß ein Schatten (17) des ersten Objektes auf einer Fläche (15) hervorgerufen wird, wobei sich die Fläche (15) in einer bekannten Position zu dem zweiten Objekt (3) befindet, daß eine Kameraeinrichtung (13) angeordnet ist, die eine zweidimensionale Abbildung einer die Fläche (15) anschließenden Szene erzeugt,

und daß eine Einrichtung (7) angeordnet ist zur Erzeugung' einer Angabe der gegenseitigen Position des ersten Objekts und des zweiten Objekts in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den Positionen des Schattens

(17) und einer Bezugsposition in der Abbildung.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Lichtquelle (19) angeordnet ist, um das erste Objekt (1) so zu beleuchten, daß ein zweiter Schatten (19) des ersten Objektes auf der Fläche (15) entsteht, wobei die Position des zweiten Schattens (19) die Bezugsposition darstellt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, ferner gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (5, 7), die die Position des ersten Objektes (1) in Abhängigkeit von der Positionsangabe steuert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Objekt (1) ein Manipulator"ist.