DE102004006596A1 - System for automatic determining the position of items especially for robotic handling has camera images compared with stored templates and with rejection control - Google Patents

System for automatic determining the position of items especially for robotic handling has camera images compared with stored templates and with rejection control Download PDF

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Abstract

A system for automatic determining of the actual position of an item, e.g. for robotic processing, has short focal length cameras (2) and an image processing control (5) with VDU (4) to compare the actual images with stored templates. The images are moved and rotated on the VDU until a point match is obtained, or until the item is rejected.

Description

Die Erfindung betrifft die Handeingabe der Pose von Werkstücken, die mittels Roboter gegriffen oder bearbeitet werden sollen.The The invention relates to the manual input of the pose of workpieces which be gripped or processed by robot.

Zum Steuern von Robotern oder sonstigen Handhabungssystemen oder Bearbeitungssystemen (im folgenden einfach Roboter genannt) werden Sensorsysteme eingesetzt, die die Position und Drehlage (kurz Pose) von Werkstücken in mehreren Freiheitsgraden bestimmen und an den Roboter weitergeben. Solche Sensorsysteme können verschiedener Art sein, z.B. Bildverarbeitungssysteme, Laser-Meßsysteme, Ultraschall-Meßsysteme.To the Controlling robots or other handling systems or processing systems (simply called robots in the following) sensor systems are used, the position and rotational position (short pose) of workpieces in determine several degrees of freedom and pass them on to the robot. Such sensor systems can be of various types, e.g. Image processing systems, laser measuring systems, Ultrasonic measurement systems.

Wenn in solchen Anlagen Störungen auftreten, sei es durch Ausfall des Sensorsystems oder eines Teils davon oder aufgrund von Problemen mit dem aktuellen Werkstück, das vorgegebenen Bedingungen nicht genügt, entstehen größere Ausfallzeiten durch die notwendigen Eingriffe (Öffnen der Schutztür, Herausnehmen des Werkstücks, Wiederstarten der Anlage..). Außerdem muß das herausgenommene Werkstück gehandhabt und ggf. verschrottet werden.If in such plants disturbances occur due to failure of the sensor system or a part or because of problems with the current workpiece, the given conditions is not sufficient, resulting in greater downtime through the necessary interventions (opening the protective door, removing it of the workpiece, Restart the system ..). Furthermore that must be removed workpiece handled and if necessary scrapped.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bei solchen Störungen unumgänglichen Ausfallzeiten zu minimieren und verarbeitbare Werkstücke nicht verschrotten zu müssen.task The invention is the inevitable in such disorders Minimize downtime and workpieces that can not be processed to scrap.

Das Problem wird nach Anspruch 1 gelöst.The Problem is solved according to claim 1.

Dabei kann es sich bei dem Sensorsystem um ein Bildverarbeitungssystem handeln, das im Normalfall die Position und Drehlage des Werkstücks automatisch bestimmt, bei bestimmten Problemfällen (Beispiel: Fehlen normalerweise vorhandener Werkstückmerkmale bei Guß-Rohlingen) jedoch Rückweisungen liefern muss. Für die Handeingabe nach Anspruch 1 werden dann vorzugsweise Kamera und Bildschirm des Bildverarbeitungssystems benutzt.there For example, the sensor system may be an image processing system act, which normally the position and rotational position of the workpiece automatically determined, in certain problem cases (example: usually lack existing workpiece features in cast blanks) however, rejections must deliver. For the manual input according to claim 1 are then preferably camera and screen of the image processing system.

Bei Störungen wird nach Anspruch 1 alleine aufgrund der Handbedienung am Bildschirm und automatisch durch geführter Rechnungen, ohne in den Prozeß selbst mechanisch eingreifen zu müssen, die aktuelle Pose des Werkstücks berechnet und an den Roboter übermittelt. Hierzu verändert die Bedienperson eine auf dem Bildschirm dargestellte Schablone derart, daß die Schablone auf dem Bildschirm mit der Darstellung des Werkstücks korrespondiert. Bei einfachen 2D-Systemen (Freiheitsgrade x, y, alpha) genügt als Veränderung eine Verschiebung und Verdrehung einer starren Schablone. Bei 3D-Systemen mit 6 Freiheitsgraden besteht die Schablone vorzugsweise aus mehreren Einzelmerkmalen (z.-B. Ecken, Löcher), die einzeln manuell am Bildschirm verschoben und ggf. verdreht werdren können. In Sonderfällen genügt bei 3D-Systemen (z.B. bei Freiheitsgraden x, y, z, alpha) eine verschiebbare, verdrehbare und größenveränderbare Schablone.In case of disturbances is calculated according to claim 1 alone due to the manual control on the screen and automatically by guided invoices, without having to intervene in the process itself mechanically, the current pose of the workpiece and transmitted to the robot. For this purpose, the operator changes a template shown on the screen such that the template corresponds to the screen with the representation of the workpiece. In simple 2D systems (degrees of freedom x, y, alpha) a change and displacement of a rigid template suffice. For 3D systems with 6 In the case of degrees of freedom, the template preferably consists of a plurality of individual features (eg corners, holes), which can be individually moved manually on the screen and possibly rotated. In special cases, in the case of 3D systems (eg with degrees of freedom x, y, z, alpha), a displaceable, rotatable template which can be resized is sufficient.

1 zeigt eine solche Szene, in der ein Bildauswertesystem als Sensorsystem eingesetzt wird, mit einem Werkstück 1, einer Kamera 2, einem Roboter 3, einem Bildschirm 4, und dem Bildauswertesystem 5, das mit Kamera 2 und Bildschirm 4 verbunden ist und ein Mittel zur Übertragung von Posedaten an den Roboter besitzt. 1 shows such a scene in which an image evaluation system is used as a sensor system, with a workpiece 1 , a camera 2 a robot 3 , a screen 4 , and the image evaluation system 5 that with camera 2 and screen 4 is connected and has a means for transmitting Posedaten to the robot.

Die Kamera kann fest montiert sein oder beweglich, z.B. am Roboter selbst.The Camera may be fixed or movable, e.g. on the robot itself.

Die 2 und 3 zeigen eine einfache 2D-Aufgabe (Freiheitsgrade x, y, alpha).The 2 and 3 show a simple 2D task (degrees of freedom x, y, alpha).

2 zeigt eine Bildschirmszene mit der 11 des Werkstückes 1, mit einer Schablone 12, bestehend aus einzelnen Merkmalen, im speziellen Kanten 13 und Ecken 14, optional mit verbindenden (punktierten) Linien 15. 2 shows a screen scene with the 11 of the workpiece 1 , with a template 12 , consisting of individual features, in particular edges 13 and corners 14 , optionally with connecting (dotted) lines 15 ,

3 zeigt die gleiche Werkstückaufnahme, jedoch mit der Schablone per Handeingabe zurechtgeschoben und zurechtgedreht. 3 shows the same workpiece holder, but with the template manually adjusted and adjusted by hand.

Die Veränderung kann allgemein realisiert werden mit bekannten verfahren wie Betätigen von realen Knöpfen oder Joysticks, oder in den Bildschirm eingeblendeten Bedienelementen oder durch Drag-and-Drop-Technik oder durch Anclicken signifikanter Punkte als Merkmale. (Beispiel: Löcher und Ecken). Die verbindenden Linien 15 zwischen den Merkmalen müssen nicht notwendigerweise realen Kanten entprechen und werden zur besseren Verständlichkeit für den Benutzer eingeblendet.The change can generally be realized by known methods such as pressing real buttons or joysticks, or controls displayed in the screen or by drag-and-drop technique or by clicking on significant points as features. (Example: holes and corners). The connecting lines 15 between the features do not necessarily correspond to real edges and are displayed for ease of understanding for the user.

In besonderer Ausgestaltung handelt es sich um einen Touch Screen Monitor, auf dem die Schablone bzw. die Merkmale direkt verschoben und verdreht werden können, wie dies bei CAD-Systemen üblich ist.In special embodiment is a touch screen monitor, on which the template or the characteristics are moved and twisted directly can be as usual with CAD systems is.

Die Schablone kann verschiedenste Ausführungsformen besitzten. Prinzipiell genügen bei 2D-Systemen (Freiheitsgrade x, y, alpha) beispielsweise zwei gerade Kanten, oder zwei Punkte oder ein Punkt und eine Kante, die grafisch als Overlay in das Bild eingeblendet werden. In der Praxis wird man jedoch eine mehr bildhafte Darstellung des Werkstücks wählen, um der Bedienperson die Assoziation zu der Erscheinungsweise des Werkstücks zu erleichtern. Vorteilhaft ist es dabei, signifikante Punkte besonders herausgehoben darzustellen.The Template can have a variety of embodiments. in principle suffice in 2D systems (degrees of freedom x, y, alpha), for example, two straight edges, or two points or a point and an edge that graphically as an overlay in the image. In practice However, you will choose a more pictorial representation of the workpiece to to facilitate the operator's association with the appearance of the workpiece. It is advantageous, significant points outweighed display.

In Sonderfällen genügt es, eine Visualisierung der im Normalfall verwendeten Bildverarbeitungsmerkmale des Bildverarbeitungssystems (Beispiele: Konturen, Löcher, Testpunkte, Templates) als Schablone für die Handeingabe zu verwenden.In special cases enough It is a visualization of the normally used image processing features of the image processing system (examples: contours, holes, test points, Templates) as a template for the Manual input to use.

In besonderer Ausgestaltung wird für 3D-Systeme eine Kamera mit kurzberennweitigem Objektiv eingesetzt und eine Schablone mit mindestens drei punktuellen, im Bild weit auseinder liegenden Merkmalen. In besonderer Ausgestaltung werden für 3D-Systeme mindestens zwei Kameras eingesetzt mit mindestens einer Schablone pro Kamera. Über die Handeingabe ist es auch in diesen Fällen möglich, die Werktückpose automatisch zu berechnen. Dazu werden die bekannten Methoden verwendet, wie sie aus der automatischen 3D-Bildanalyse bekannt sind. Damit können zum Beispiel aufgrund einfacher Handeingabe schwierige, nicht automatisch voll beherrschbare Einzelfälle beim sog. Griff in die Kiste oder durcheinander und übereinander auf einem Förderband liegender Teile gehandhabt werden. Ein spezieller Fall ist dabei der Einsatz von vorzugsweise drei Kameras, die aus verschiedenen Richtungen auf das Werkstück bzw. auf die Werkstücke orientiert sind, wobei bei der Handbedienung pro Kamera je mindestens ein punktuelles Merkmal (z.B. ein Loch, für jede Kamera ein anderes Merkmal) angeclickt wird. Aus den so manuell gewonnenen Daten kann bei kalibrierten Kameras mit verfahren, die aus der Bildauswertung bekannt sind, die 3D-Werkstückpose berechnet werden.In special embodiment is for 3D systems a camera with kurzberennweitigem lens used and a template with at least three punctiform, in the picture far outlying features. In a special embodiment for 3D systems at least two cameras used with at least one template per camera. About the Manual input, it is also possible in these cases, the work piece pose automatically to calculate. For this purpose, the known methods are used, such as they are known from automatic 3D image analysis. This can be used for Example due to easy manual entry difficult, not automatic fully controllable individual cases in the so-called. Handle in the box or on each other and on top of each other a conveyor belt lying parts are handled. A special case is included the use of preferably three cameras, made up of different Directions on the workpiece or on the workpieces are oriented, with the hand control per camera ever at least a punctiform feature (for example, a hole, a different feature for each camera) is clicked. From the so manually obtained data can be calibrated Cameras with methods known from image analysis, the 3D workpiece pose be calculated.

Notwendige Anzahl der Kameras sowie Art und Anzahl der Schablonenmerkmale ergeben sich generell aus geometrischen Überlegungen, wie aus der automatischen Bildanalyse bekannt (Schablonenmerkmale sind explizit oder implizit Bestandteil der Schablone, z.B. besitzt eine Rechteckschablone 2 Geraden, aus denen sich eine 2D-Pose ergibt, die restlichen Geraden sind redundant).Necessary number of cameras as well as type and number of template features generally result from geometric considerations, as known from automatic image analysis (template features are explicitly or implicitly part of the template, eg has a rectangular template 2 Straight lines that result in a 2D pose, the remaining lines are redundant).

Beispiele:

Figure 00050001
Examples:
Figure 00050001

Natürlich genügt beim Einsatz von mehreren Kameras ein einzelner Bildschirm, auf dem die Werkstückbilder gleichzeitig (nebeneinander) oder zeitlich hintereinander dargestellt werden.Of course, that's enough Use of multiple cameras a single screen on which the Workpiece Images simultaneously (next to each other) or in chronological order become.

Die vorliegende Erfindung besitzt eine besondere Bedeutung für sogenannte Assistenzsysteme, wie sie derzeit intensiv erforscht bzw. entwickelt werden; bei Ihnen befindet sich in der Nähe des Roboters immer eine Bedienperson, die bei Problemen sofort für die Handeingabe zur Verfügung steht.The The present invention has special significance for so-called Assistance systems, as currently being intensively researched or developed become; you always have one near the robot Operator who is immediately available for manual input in case of problems.

Claims (5)

Verfahren zur Handeingabe von Werkstückposen, mit einer Kamera, die ein Werkstück erfasst, mit einem Bildschirm, auf dem das mit der Kamera gewonnene Bild des Werkstücks dargestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Handbedienung auf dem Bildschirmeine Schablone so verändert wird, daß die Darstellung der Schablone auf dem Bildschirm mit der Darstellung des Werkstücks korrespondiert. Method for manual input of workpiece poses, with a camera, which detects a workpiece, with a screen, on which the image of the workpiece obtained with the camera is represented, characterized in that a template is changed by means of manual operation on the screen so that the representation of the template on the screen with the Representation of the workpiece corresponds. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Schablone diese am Bildschirm verschoben und/oder verdreht wird. A method according to claim 1, characterized in that the change the template is moved and / or rotated on the screen. Verfahren nach Anspruch 1, für die Handeingabe einer dreidimensionalen Werkstückpose, dadurch gekennzeichnet, eine Kamera mit kurzbrennweitigem Objektiv eingesetzt wird und daß die Schablone aus mindestens drei Merkmalen besteht, die am Bildschirm manuell verändert werden.The method of claim 1, for the manual input of a three-dimensional workpiece pose, characterized a camera with a short focal length lens is used and that the template consists of at least three features that are on the screen manually changed become. Verfahren nach Anspruch 1, für die Handeingabe einer dreidimensionalen Werkstückpose, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kameras eingesetzt werden und dass für jede Kamera eine Schablone verändert wird, daß jede Schablone mindestens ein Merkmal besitzt und daß insgesamt mindestens drei Merkmale verwendet werden, die am Bildschirm manuell verändert werden. The method of claim 1, for the manual input of a three-dimensional workpiece pose, characterized that at least two cameras are used and that for each camera changed a template will that every Template has at least one feature and that in total at least three Characteristics that are manually changed on the screen. Verfahren nach Anspruch 1, für die Handeingabe einer dreidimensionalen werkstückpose, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Kameras eingesetzt werden, dass für jede Kamera eine Schablone verändert wird und dass jede Schablone mindestens ein Merkmal besitzt, das am Bildschirm manuell verändert wird.The method of claim 1, for the manual input of a three-dimensional workpiece pose, characterized that at least three cameras are used, that for each camera changed a template and that each template has at least one feature that manually changed on the screen.
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