DE102009037742A1

DE102009037742A1 - Verfahren und Vorrichtung bzw. Sensorik zur Gewinnung von spezifischen Objektinformationen

Info

Publication number: DE102009037742A1
Application number: DE102009037742A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Echelmeyer; Harry Halfar; Anne Virnich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2011-02-24

Abstract

Verfahren und Vorrichtung bzw. Sensorik zur Gewinnung von spezifischen Informationen von Objekten oder Bereichen in der Umgebung, bestehend aus mindestens einem Datenspeicher, einer bildgebenden Sensorik und einer Datenverarbeitungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher unter anderem Informationen über die geometrische Form und/oder Maße von im Erfassungsbereich der bildgebenden Sensorik befindlichen Gegenständen oder Bereichen enthält und die Datenverarbeitungseinheit diese Informationen mit den Messwerten der bildgebenden Sensorik vergleicht und, im Fall einer Übereinstimmung, eine Verknüpfung zwischen den entsprechenden mit der bildgebenden Sensorik erhaltenen Daten und dem entsprechenden Datensatz in dem entsprechenden Datenspeicher herstellt.

Description

Die Erfindung Betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um Informationen über sich in der Umgebung befindliche Objekte und Bereiche mittels einer Sensorik zu gewinnen. Bei diesen Informationen handelt es sich in erster Linie um Geometrische Form und Maße der Objekte sowie ihr Ablageort und ihre Ausrichtung im Raum.
Stand der Technik
Autonom agierende Roboter, welche mit einer Sensorik ausgestattet sind und ihren nächsten Arbeitszyklus selber berechnen anstatt fest einprogrammierten Bewegungsabläufen zu folgen, stellen ein noch relativ junges technisches Gebiet dar. Diese Systeme benötigen leistungsfähige Sensorsysteme, welche in der Lage sind, mit einem hohen Grad an Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Vollständigkeit Informationen aus dem Arbeitsbereich des Systems zu liefern.
Aus der DE 10349021 A1 ist bekannt, dass sich quaderförmiges Stückgut beispielsweise aus einem einseitig offenen Container vollautomatisch entladen lässt. Hierbei wird eine CCD Kamera oder ein Laserscanner eingesetzt, der die Lageposition des Stückgutes im Raum sowie den Angreifpunkt eines Sauggreifers ermittelt, welche an die Steuerung eines entsprechenden Robotersystems übermittelt werden. Als Angreifpunkt wird hier vorzugsweise die obere Kante des entsprechenden Stückgutes ermittelt.
Die verwendete Sensorik kann lediglich die Ihr zugewandte Seite des Stückgutes erfassen. Eine vollständige Vermessung des Stückgutes, insbesondere die Messung der Tiefe, ist nicht, oder nur in Ausnahmefällen möglich, beispielsweise, wenn das Stückgut frei steht, was in einer üblichen Beladungssituation nicht zu erwarten ist.
Dieses System ist außerdem nicht in der Lage, das zu greifende Stückgut vor dem Greifvorgang zu identifizieren und zusätzliche eventuell für den Handhabungsvorgang notwendige Informationen (z. B. Gewicht, Zerbrechlichkeit, Bestimmungsort) zur Verfügung zu stellen.
In DE 10 2005 033 112 A1 wird ein System vorgeschlagen, in dem zu handhabendes Stückgut mittels einer Selbstlokalisierungseinrichtung in seiner Lage bestimmt wird, und diese Informationen an eine entsprechende Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Handhabungssystems weitergeleitet wird. Als Lokalisierungsverfahren werden hier funkbasierte Verfahren (GPS, WLAN, Bluetooth) sowie magnetfeldbasierte Verfahren vorgeschlagen. Bei diesen Systemen muss das zu lokalisierende Objekt mit einer entsprechenden Technologie ausgestattet sein. Bei der Verwendung von beispielsweise GPS oder WLAN muss jedes lokalisierende Stückgut über einen entsprechenden GPS-Empfänger oder WLAN-Modul verfügen. Es ist offensichtlich, dass dies bei vielen Anwendungen aus Kostengründen nicht in Frage kommt.
Es wird ebenso vorgeschlagen, die Objekte anhand von daran angebrachten (kostengünstigen passiven) RFID-Transpondern zu lokalisieren. Um einen Gegenstand zuverlässig und vollautomatisch Handhaben zu können, ist die Kenntnis seiner Position auf mindestens wenige Zentimeter genau erforderlich. Diese erforderliche Genauigkeit zu erzielen ist mit der Ortung von kostengünstigen passiven RFID-Transpondern unter realen industriellen Bedingungen nicht zuverlässig möglich.
Das hier vorgeschlagene System kann die für die Handhabung erforderliche Genauigkeit also nicht, oder, wenn überhaupt, nicht zuverlässig, oder nur mit erheblichem Kostenaufwand zur Verfügung stellen.
In der DE10039629B4 wird ein System vorgeschlagen, um Stahlcoils aus Bahnwaggons vollautomatisch zu be- und entladen. Hierbei wird der Bahnwaggon, oder allgemeiner das verwendete Transportmittel, mittels eines Transponders identifiziert und darüber spezifische Daten des Transportmittels gewonnen. Zusätzlich werden die auf oder in dem Transportmittel geladenen Güter mittels eines Laserscanners dreidimensional vermessen, und darüber hinaus Angriffspunkte für die vollautomatische Handhabung mittels eines Krangreifers ermittelt. Diese Vermessungsdaten werden mit den über den Transponder ermittelten spezifischen Daten des Transportmittels verglichen und abgeglichen und zu komplexen Datensätzen zusammengefasst, welche eine Grundlage bieten für eine vollautomatische Be- und Entladung unter Aspekten des Zielortes der Fracht und der Transportsicherheit.
Dieses System ist jedoch ungeeignet, wenn sich mehrere zu vermessende Objekte gleichzeitig im Erfassungsbereich des Laserscanners befinden und die Position der Objekte a priori unbekannt ist. Des Weiteren ist dieses System ebenso nicht in der Lage, die dem Laserscanner abgewandte Seite des entsprechenden Stückgutes zu erfassen und zu vermessen oder anderweitig spezifische Informationen darüber zu erhalten.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der Erfindung besteht damit darin, die in dem oben erläuterten Stand der Technik erwähnten Nachteile zu beseitigen und damit ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen die

– kostengünstig ist
– die Lage und Ausrichtung der interessierenden Objekte oder Bereiche bestimmen kann
– hierbei eine hinreichende Genauigkeit liefert
– eine hinreichende Zuverlässigkeit liefert
– auch geeignet ist, wenn die Position der erfassten Güter a priori nicht bekannt ist und sich mehrere Güter gleichzeitig im Erfassungsbereich befinden
– in der Lage ist, bei Bedarf beliebige zusätzliche objektspezifische Informationen zur Verfügung zu stellen (vollständige Form und Maße, Gewicht, Schwerpunkt, ... etc.)

Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, das die gewünschten objektspezifischen Daten, insbesondere aber die geometrischen Abmaße der jeweiligen Objekte in entsprechenden Datensätzen in einem oder mehreren Datenspeichern zur Verfügung stehen. Ein bildgebender Sensor, beispielsweise ein Laserscanner, vermisst nun die für ihn „sichtbare” geometrische Form der Objekte und vergleicht sie mit den gespeicherten Werten in dem Datenspeicher. Stimmen die Werte bei einem Datensatz überein, so handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um den Datensatz des erfassten Objektes und das System kann die restlichen Daten dieses Datensatzes verwenden. Durch die Vermessung durch den Laserscanner kennt das System außerdem Lage und Ausrichtung des Objektes. Diese Informationen können dann an die Steuerung eines automatischen Handhabungssystems weitergeleitet werden. Generell ist jedoch eine Anwendung dieses Verfahrens auch in anderen Anwendungen denkbar, in denen Informationen über durch eine Sensorik erfasste Objekte benötigt werden. Statt eines Laserscanners wäre auch der Einsatz einer CCD Kamera mit einer geeigneten Bilderkennungssoftware denkbar. Ebenso ist es denkbar, statt objektspezifische Informationen, spezifische Informationen über bestimmte Bereiche in einem Raum auf diese Weise zu gewinnen, z. B. wenn sich eine Roboter in der Nähe von Gefahrenstellen auf eine bestimmte Weise bewegen soll.
Eine vorteilhafte Verbesserung der Erfindung stellt es dar, wenn der Datenspeicher oder die jeweiligen Teile des Datenspeichers oder Datensätze, welche die Objektinformationen enthalten, mit jeweils einem Teilbereich des von dem Laserscanner erfassten Raumes verknüpft werden, wobei sich in diesem Teilbereich das entsprechende Objekt befinden sollte. Dieser Teilbereich kann fest vorgegeben sein oder während des Auswerteprozesses anhand von Messwerten ermittelt werden. Ist der Auswerteeinheit diese Verknüpfung bekannt, kann es den Vergleich der Geometriedaten abhängig von dieser Verknüpfung durchführen, z. B. auf diesen Raumbereich beschränken, und damit zum einen Rechenzeit sparen, und zum anderen voneinander entfernt liegende Gegenstände mit ähnlichen oder gleichen Formen und Maßen unterscheiden. Realisiert werden kann diese Verknüpfung dadurch, das in dem entsprechenden Datensatz Raumkoordinaten gespeichert werden, und um diesen Punkt ein Raumbereich, beispielsweise eine Kugel mit einem vorher festgelegten Radius, berechnet wird. Sind die Positionen der Objekte präzise bekannt, kann auf die Ermittlung des Raumbereiches selbstverständlich verzichtet werden und dieser Punkt direkt an die Auswerteinheit übermittelt werden um die räumliche Ausrichtung des Gegenstandes zu ermitteln. Eine weitere Möglichkeit, eine solche Verknüpfung zu realisieren, besteht darin, den oder die Datenspeicher selber, beispielsweise in Form von RFID-Transpondern oder Barcodeetiketten, in diesem Raumbereich, naheliegenderweise an dem entsprechenden Objekt selber, zu positionieren, und diese Position mittels eines geeigneten Verfahrens zu ermitteln oder näherungsweise zu schätzen. Bei passiven RFID-Transpondern ist dies beispielsweise anhand der gemessenen Signalstärken an den Antennen möglich. (derartige Verfahren werden in der einschlägigen Literatur ausführlich behandelt, daher wird hier auf eine detaillierte Ausführung verzichtet. Siehe z. B.: Schönegger, Wernle und Stadlmann; Analysis of an UHF RFID System for interior position sensing; RFID-Systec 2008). Denkbar ist auch, dass der Transponder oder der Barcode nicht die Daten an sich enthält, sondern lediglich zur Identifikation verwendet wird und dadurch wiederum eine entsprechende Verknüpfung in eine Datenbank hergestellt wird.
Eine weitere Verfeinerung und vorteilhafte Verbesserung stellt es dar, wenn der verknüpfte Teilraum noch zusätzlich unterteilt wird und den entstehenden Teilräumen für jedes Objekt Werte zugewiesen werden, welche der, möglicherweise sehr grob geschätzten, Aufenthaltswahrscheinlichkeit des entsprechenden Objektes in diesem Teilraum entsprechen sollen. Dies lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass im Falle einer um den geschätzten Aufenthaltsort berechneten Kugel eine weitere Kugel mit kleinerem Radius berechnet wird und dieser inneren Kugel eine höherer Wahrscheinlichkeitswert, z. B. 0,75 und der entstehenden Kugelschale außerhalb der inneren Kugel ein niedrigerer Wert, z. B. 0,25 zugewiesen wird. Der Vergleich in der Datenverarbeitungseinheit kann dann abhängig von diesen Werten durchgeführt werden, vorteilhafterweise derart, dass der Vergleich mit Messwerten, die innerhalb der Teilräume mit hoher Aufenthaltswahrscheinlichkeit liegen, zuerst durchgeführt werden. Diese Methode lässt sich bei Verwendung der RFID-Technik nahezu beliebig verfeinern. Eine Methode, wie man eine sehr hochauflösende „Wahrscheinlichkeitslandkarte” anhand von Messwerten aus mehreren Antennen errechnen kann ist in der folgenden Publikation veröffentlicht: Alippi, C.; Cogliati, D.; Vanini, G.; A statistical approach to localize passive RFIDs; IEEE International Symposium an Circuits and Systems 2006
Ausführungsbeispiel
Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung erläutert werden. Der Einfachheit und besseren Verständlichkeit halber ist die Darstellung auf einen zweidimensionalen Fall reduziert.
Im Erfassungsbereich des Laserscanners (LS) (schraffierter Bereich) befinden sich drei Stückgüter (SG1, SG2 und SG3). Der Laserscanner und die dazugehörige Datenverarbeitungseinheit (DV) sind in der Lage die jeweiligen Breiten der Stückgüter, sowie deren genaue Lage und Ausrichtung im Raum zu vermessen. Ein Handhabungssystem (nicht dargestellt) benötigt aber zur sicheren vollautomatischen Handhabung der Stückgüter als Information nun noch die Tiefe und das Gewicht. Hierzu sind die Stückgüter mit RFID-Transpondern versehen. Diese werden mittels eines Lesegerätes (LG) und den beiden Antennen (A1 und A2) ausgelesen und die Stückgüter dadurch identifiziert. Nun können das Gewicht, sowie Tiefe und Breite der Stückgüter aus einem Datenbanksystem (nicht dargestellt) ermittelt werden. Die mit dem Laserscanner gemessene Breite wird nun mit den Werten aus der Datenbank verglichen. Stimmen die Werte im Rahmen der Messgenauigkeiten überein, kann das System eine Verknüpfung zwischen den mit dem Laserscanner ermittelten Werten und den entsprechenden Datenbankeinträgen herstellen, und damit der Steuerung des Handhabungssytemes alle notwendigen Informationen zur Verfügung stellen.
In dem hier dargestellten Fall haben nun die Stückgüter SG1 und SG3 die gleiche Breite und können daher alleine anhand der Vermessung durch den Laserscanner nicht unterschieden werden. Daher kann im RFID-Lesegerät (LG) noch zusätzlich die Signalstärke des von den RFID-Transpondern reflektierten Signals an den Antennen A1 und A2 ausgewertet werden und dadurch die ungefähre Position der Stückgüter im Raum ermittelt werden. Dadurch ist bekannt, dass sich SG1 im linken und SG3 im rechten Teil des Erfassungsbereiches befindet. Die Datenverarbeitungseinheit kann dadurch eine entsprechende Zuordnung vornehmen und eine Verwechslung der beiden Objekte verhindern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10349021 A1 [0003]
- DE 102005033112 A1 [0006]
- DE 10039629 B4 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Schönegger, Wernle und Stadlmann; Analysis of an UHF RFID System for interior position sensing; RFID-Systec 2008 [0013]
- Alippi, C.; Cogliati, D.; Vanini, G.; A statistical approach to localize passive RFIDs; IEEE International Symposium an Circuits and Systems 2006 [0014]

Claims

(1) Verfahren und Vorrichtung bzw. Sensorik zur Gewinnung von spezifischen Informationen von Objekten oder Bereichen in der Umgebung bestehend aus mindestens einem Datenspeicher, einer bildgebenden Sensorik und einer Datenverarbeitungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher unter anderem Informationen über die geometrische Form und/oder Maße von im Erfassungsbereich der bildgebenden Sensorik befindlichen Gegenständen oder Bereichen enthält und die Datenverarbeitungseinheit diese Informationen mit den Messwerten der bildgebenden Sensorik vergleicht, und im Fall einer Übereinstimmung eine Verknüpfung zwischen den entsprechenden mit der bildgebenden Sensorik erhaltenen Daten und dem entsprechenden Datensatz in dem entsprechenden Datenspeicher herstellt.
Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der bildgebenden Sensorik um einen Laserscanner handelt.
Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Datenspeicher oder Teile der Datenspeicher oder dort enthaltene Datensätze jeweils mit mindestens einem Punkt oder einem Teilbereich des von der bildgebenden Sensorik erfassten Raumes verknüpft sind oder verknüpft werden, und die Vergleichsoperationen in der Datenverarbeitungseinheit abhängig von dieser Verknüpfung durchgeführt werden.
Vorrichtung zur automatischen Handhabung von Gegenständen bestehend aus einem Roboter oder einer Verfahr- oder Handhabungseinheit mit einer geeigneten Greifvorrichtung, einer Steuerungseinheit zur Steuerung desselben und einem Sensorsystem, wobei das Sensorsystem Informationen über Lage und Ausrichtung der zu handhabenden Gegenstände oder Angriffspunkte an die Steuerungseinheit übermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem oder Teile des Sensorsystems gemäß Anspruch 1 oder 2 ausgeführt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem oder Teile des Sensorsystems gemäß Anspruch 3 ausgeführt sind.
Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfung des Raumbereiches mit dem jeweiligen Datenspeicher oder Teildatenspeicher oder Datensatz dadurch realisiert ist, dass sich in dem verknüpften Raumbereich jeweils mindestens ein mittels eines automatischen Identifikationsverfahrens identifizierbares oder klassifizierbares Objekt befindet, welches mit dem jeweiligen Datenspeicher oder Teildatenspeicher oder mindestens einem dort abgelegten Datensatz verknüpft ist.
Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem verwendeten Identifikationssystem um ein RFID-System handelt.
Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem verwendeten Identifikationssystem um ein optischen Identifikationssystem handelt.
Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfung des Raumbereiches mit dem jeweiligen Datenspeicher oder Teildatenspeicher dadurch erfolgt, dass sich der jeweilige Datenspeicher in dem verknüpften Raumbereich oder an dem verknüpften Punkt im Raum befindet.
Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Datenspeicher um ein RFID-Transponder handelt.
Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Datenspeicher um ein mit Klarschrift oder einem optischen Code bedrucktes Etikett oder bedruckten Bereich auf einem Gegenstand handelt.
Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3, oder 5–11, dadurch gekennzeichnet, dass der verknüpfte Raumbereich zusätzlich unterteilt wird, und für die Teile des Raumes für jedes Objekt Werte gespeichert oder ermittelt werden, die der Wahrscheinlichkeit entsprechen sollen, ob sich der entsprechende Gegenstand in diesem Raumteil befindet, und die Vergleichsoperationen in der Datenverarbeitungseinheit abhängig von diesen Werten stattfindet.