DE102004051565A1 - Opto-electronic arrangement, e.g. for controlling robot, has position-sensitive detector illuminated by two light emission devices, for forming two measuring cells with common detector - Google Patents
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Abstract
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION
Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, welche Anordnung mindestens einen positionsempfindlichen Detektor umfasst, wobei jeder positionsempfindliche Detektor von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet wird, um eine Messzelle zu bilden. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraft- und/oder Momentsensor, der sich einer solchen Anordnung bedient. Schließlich betrifft die Erfindung eine PC-Tastatur, die den erfindungsgemäßen Kraft- und/oder Momentsensor aufweist.The The invention relates to an optoelectronic device for Detecting relative movements or relative positions of two objects, which arrangement at least one position-sensitive detector comprising, each position sensitive detector of a light emitting device is illuminated to form a measuring cell. Furthermore, the Invention, a force and / or torque sensor, such a Arrangement operated. After all The invention relates to a PC keyboard which can be used for the power and / or torque sensor.
Für den Computeranwender wird es immer wichtiger dreidimensionale Bewegungen durch ein Peripheriegerät zu steuern. Dabei wird eine dreidimensionale Auslenkung durch das Peripheriegerät erfasst und als Translation (X, Y, Z) und/oder als Rotation (A, B, C) im Raum beschrieben. Die wichtigste Komponente ist der Sensor, der die Auslenkung in bis zu sechs (6) Freiheitsgraden messen kann.For the computer user It is becoming increasingly important to control three-dimensional movements through a peripheral device. In this case, a three-dimensional deflection is detected by the peripheral device and as translation (X, Y, Z) and / or as rotation (A, B, C) in the Space described. The most important component is the sensor, the can measure the deflection in up to six (6) degrees of freedom.
DE-36 11 337 A1 offenbart eine in einer Kunststoffkugel untergebrachte optoelektronische Anordnung, die gleichzeitig sechs Komponenten, nämlich Verschiebungen (Translation) entlang dreier Achsen und Winkeldrehungen um drei Achsen, erfassen kann. Zu diesem Zweck sind sechs lichtemittierende Einrichtungen in im Wesentlichen gleichen Winkelabständen zueinander in einer Ebene angeordnet. Jeder lichtemittierenden Einrichtung ist eine fest angeordnete Schlitzblende vorgeschaltet. Die Relativbewegungen oder Relativpositionen werden durch lichtempfindliche Detektoren aufgenommen, die relativ zu der Anordnung aus lichtemittierenden Einrichtungen und Schlitzblenden beweglich angeordnet sind, und deren Detektorachse senkrecht zur Schlitzrichtung verläuft. Die Anordnung erfordert relativ geringen Konstruktionsaufwand, da die lichtemittierenden Einrichtungen und Blenden, sowie ggf. andere elektronische Einrichtungen zum Ansteuern und Auswerten mit konventioneller Löttechnik auf einer einzigen Platine angeordnet werden können, die fest mit einem ersten Objekt verbunden werden kann. Die positionsempfindlichen Detektoren werden mit dem zweiten Objekt verbunden. Nachteilig ist jedoch, dass die Anordnung eine relativ große Fläche beansprucht. Ursache ist die relativ große räumliche Ausdehnung der Blenden und Detektoren, die ringförmig um die Lichtemissionseinrichtungen angeordnet sind. Hierdurch sind einer Miniaturisierung der Anordnung Grenzen gesetzt.DE-36 11 337 A1 discloses a plastic ball housed Optoelectronic arrangement, which simultaneously has six components, namely Shifts (translation) along three axes and angular rotations around three axes, can capture. For this purpose, six light-emitting Facilities at substantially equal angular intervals to each other arranged in a plane. Each light-emitting device a fixed slit diaphragm is connected upstream. The relative movements or relative positions are detected by photosensitive detectors taken relative to the arrangement of light-emitting devices and slit diaphragms are movably arranged, and their detector axis perpendicular to the slot direction. The arrangement requires relatively low design effort, since the light-emitting devices and diaphragms, and possibly other electronic devices for driving and evaluation with conventional soldering on a single Board can be arranged which can be firmly connected to a first object. The position sensitive Detectors are connected to the second object. The disadvantage is however, that the arrangement requires a relatively large area. Cause is the relatively large one spatial Extension of the aperture and detectors, which are arranged in a ring around the light emitting devices are. As a result, a miniaturization of the arrangement limits set.
Weitere Dokumente ohne Anspruch auf Vollständigkeit, die den technischen Hintergrund für die Erfindung zeigen, sind: DE-27 27 704 C3, DE-36 11 336 C2, DE-32 40 241 A1, US-3,921,445 und US-3,628,394.Further Documents with no claim to completeness that are technical Background for show the invention are: DE-27 27 704 C3, DE-36 11 336 C2, DE-32 40,241 A1, US 3,921,445 and U.S. 3,628,394.
DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDES PROBLEMTHE INVENTION PASSING PROBLEM
Optoelektronische Anordnungen zum Messen von Relativbewegungen oder Relativpositionen, sowie Kraft- und/oder Momentsensoren, die sich solcher Anordnungen bedienen, haben in der Vergangenheit vor allem in industriellen Anwendungen Bedeutung gewonnen. Beispiele sind das Steuern von Robotern und das Messen von Kräften an Kfz-Prüf- und Messständen. Den Anordnungen und Sensoren bieten sich aber prinzipiell auch im Bürobereich sowie in der Unterhaltungselektronik kommerziell höchst interessante Anwendungsmöglichkeiten. Sie haben hierbei die Funktion eines Eingabegerätes, mit dem bis zu sechs Komponenten eingegeben werden können, im Gegensatz zu einem Joystick, einer Maus oder einem Trackball, die im allgemeinen die Eingabe von nur zwei Komponenten erlauben. Eine einfache und bequeme Eingabe von sechs Komponenten, wie es ein Kraft- und/oder Momentsensor mit einer optoelektronischen Anordnung erlaubt, ist zum Beispiel zur Steuerung von 3D-Konstruktionssoftware und anspruchsvollen Computerspielen wünschenswert. Die bisherigen Eingabegeräte sind allerdings aufgrund ihres Flächen-/Volumenbedarfs ausgesprochen unhandlich, was einer weiterreichenden Verbreitung wesentlich entgegenstand. Eine Miniaturisierung würde den Einbau z.B. in Spielkonsolen, PC-Tastaturen oder Notebook-Computern erlauben, und dadurch eine breite Marktdurchdringung ermöglichen.Optoelectronic Arrangements for measuring relative movements or relative positions, and force and / or torque sensors, such arrangements in the past, have been mainly used in industrial Applications gained importance. Examples are the controlling of robots and measuring forces at vehicle test and measuring stands. The In principle, arrangements and sensors are also available in the office sector as well as commercially very interesting in consumer electronics Applications. They have the function of an input device, with up to six components can be entered unlike a joystick, a mouse or a trackball, which generally allow the entry of only two components. A simple and convenient input of six components, like it a force and / or Momentsensor with an optoelectronic arrangement allowed is For example, to control 3D design software and sophisticated Computer games desirable. The previous input devices However, due to their space / volume requirements are very unwieldy, which was substantially opposed to wider dissemination. A miniaturization would the installation, e.g. in game consoles, PC keyboards or notebook computers allow a broad market penetration.
Die typischen 3D Eingabegeräte dienen der Ansichtsmanipulation von dreidimensionalen Objekten in gleichzeitig 6 Freiheitsgraden (6DOF = 3 Translationen und 3 Rotationen). Die Kappe bzw. die Kugel des 3D Eingabegeräts ist federnd gelagert und erlaubt eine beliebige Auslenkung im Raum (6DOF). Diese Gruppe von Eingabegeräte sind auf Kunden mit echten 3D Anwendungen (6DOF) gezielt, wie z.B. Catia oder andere CAD Anwendungen.The typical 3D input devices serve the manipulation of three-dimensional objects in the same time 6 degrees of freedom (6DOF = 3 translations and 3 rotations). The Cap or the ball of the 3D input device is spring-mounted and allows any deflection in space (6DOF). This group of input devices are targeted to customers with true 3D applications (6DOF), such as Catia or other CAD applications.
Neben den echten 6DOF Anwendungen gibt es auch eine große Gruppe von Anwendungen, in denen ein Objekt zu drehen nicht gewünscht ist. Beispiele für solche Anwendungen sind die Office Produkte (Word, Excel, Powerpoint, usw.) und Bildverarbeitungsprogramme (Adobe Photoshop, Acrobat Reader, usw.). Das manipulierte Objekt ist meist eine zweidimensionales Vorlage („beschriftetes und/oder bemaltes Papier"), bei dem eine Verdrehung der Vorlage nicht gewollt ist. Der Wunsch des Kunden die Ansicht zu verändern bleibt, aber er beschränkt sich auf das Verschieben (Pan – 2 DOF) und das Vergrößern/Verkleinern (Zoom -1 DOF) des Objekts.In addition to the real 6DOF applications, there is also a large group of applications in which to rotate an object is not desired. Examples of such applications are the Office products (Word, Excel, Powerpoint, etc.) and image processing programs (Adobe Photoshop, Acrobat Reader, etc.). The manipulated object is usually a two-dimensional template ("labeled and / or painted paper") that does not want to distort the original, but the customer's desire to change the view remains, but it is limited to moving it (Pan-2 DOF) and zooming in and out (zoom -1 DOF) of the object.
Ziel einer Entwicklung für diese Kundengruppe, ist der Bau eines Eingabegeräts, welches speziell für Pan/Zoom-Anwendungen geeignet ist. Damit könnte man sich den kostspieligen Aufwand eines vollwertigen 3D Sensors (6DOF) sparen, bei dem die drei rotatorischen Bewegungen einfach ignoriert werden.aim a development for This customer group is building an input device specifically for Pan / Zoom applications suitable is. That could be you get the costly effort of a full-fledged 3D sensor (6DOF), where the three rotatory movements are easy be ignored.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt somit der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte zu schaffen, die im Vergleich zu den bekannten Anordnungen ein wendigeres Design vorsieht. Zum Beispiel könnte das Design der Anordnung effizienter und/oder flexibler sein oder einen geringeren Flächenbedarf aufweisen. Ferner könnte das Design der Anordnung preiswerter sein und/oder speziell für Pan/Zoom-Anwendungen geeignet sein.outgoing The prior art thus provides the present invention Task, an arrangement for detecting relative movements or to create relative positions of two objects, in comparison to the known arrangements provides a maneuverable design. To the Example could be the design of the arrangement will be more efficient and / or more flexible or a smaller space requirement exhibit. Furthermore, could The design of the arrangement may be cheaper and / or more specific for Pan / Zoom applications be suitable.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraft- und/oder Momentsensor zu schaffen, der ebenfalls ein im Vergleich zu den bekannten Sensoren eleganteres Design erlaubt. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Eingabegerät für den Einsatz im Büro zu schaffen, das eine unkomplizierte Eingabe von bis zu sechs Kraft- bzw. Drehmomentkomponenten erlaubt.Furthermore The invention is based on the object, a force and / or Moments sensor to create, which also compared to the known sensors allows more elegant design. Finally lies The invention is based on the object, an input device for use in the office creating an uncomplicated way to input up to six or torque components allowed.
ERFINDUNGSGEMÄSSE LÖSUNGINVENTION SOLUTION
Zum Erfüllen dieser Aufgabe lehrt die Erfindung eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, die durch die Merkmale des Anspruchs 1, 10, 22, 29 oder 35 definiert ist. Die Erfindung lehrt weiter einen Kraft- und/oder Momentsensor, der durch die Merkmale des Anspruchs 42 definiert ist. Vorzugsweise dient der Kraftsensor als einen Pan/Zoom-Sensor für Bildverarbeitung und anderer gleichartigen Büroanwendungen. Schließlich lehrt sie auch eine Personalcomputer-Tastatur, die durch die Merkmale des Anspruchs 53 definiert ist.To the Fulfill This object teaches the invention an optoelectronic device for detecting relative movements or relative positions of two Objects defined by the features of claim 1, 10, 22, 29 or 35 is defined. The invention further teaches a force and / or A torque sensor defined by the features of claim 42 is. Preferably, the force sensor serves as a pan / zoom sensor for image processing and other similar office applications. After all She also teaches a personal computer keyboard, characterized by the features of the Claim 53 is defined.
AUFBAU UND WEITERBILDUNG DER ERFINDUNGSGEMÄSSEN LÖSUNGCONSTRUCTION AND EDUCATION OF THE INVENTIONS SOLUTION
Eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte gemäß einer Form der Erfindung umfasst mindestens einen positionsempfindlichen Detektor und ist dadurch gekennzeichnet, dass der positionsempfindliche Detektor von mindestens zwei Lichtemissionseinrichtungen beleuchtet wird, um zwei Messzellen mit einem gemeinsamen Detektor zu bilden.A Optoelectronic arrangement for detecting relative movements or Relative positions of two objects according to one form of the invention includes at least one position sensitive detector and is characterized in that the position sensitive detector illuminated by at least two light emitting devices, to form two measuring cells with a common detector.
Vorzugsweise weist jede der zwei von einem gemeinsamen Detektor gebildeten Messzellen eine im Strahlengang der entsprechenden Lichtemissionseinrichtung zwischen der genannten Lichtemissionseinrichtung und der positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende auf. Jeder positionsempfindliche Detektor kann in Zusammenhang mit zwei benachbarten Schlitzblenden stehen.Preferably indicates each of the two measuring cells formed by a common detector one in the beam path of the corresponding light emitting device between said light emitting device and the position sensitive one Detector arranged on slit. Every position sensitive Detector can be used in conjunction with two adjacent slit diaphragms stand.
In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung ist eine Schlitzrichtung zumindest einer der Schlitzblenden schräg in Bezug auf den lichtempfindlichen Teil des Detektors ausgerichtet. In einer weiteren bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung bildet eine Lichtebene, die durch zumindest einer der Schlitzblenden strahlt und auf den Detektor fällt, einen Winkel mit einer Ebene eines lichtempfindlichen Teils des Detektors.In a preferred embodiment the optoelectronic device is a slot direction of at least one the slit aperture obliquely aligned with respect to the photosensitive portion of the detector. In a further preferred embodiment of the optoelectronic Arrangement forms a light plane passing through at least one of Slit aperture radiates and falls on the detector, an angle with one Plane of a photosensitive part of the detector.
Dabei wird bevorzugt, dass jeder Detektor abwechselnd (z.B. periodisch) von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet wird, wobei ein Messwert des Detektors zur gleichen Zeit ausgelesen wird. In anderen Worten wird der Detektor jeder Messzelle zu einer bestimmten Zeit nur von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet, wobei der Messwert des Detektors zur gleichen Zeit ausgelesen wird.there it is preferred that each detector be alternately (e.g., periodically) is illuminated by a light emitting device, wherein a measured value of the detector at the same time. In other words At any given time, the detector of each measuring cell is only illuminated by illuminated a light emitting device, wherein the measured value of the Detector at the same time.
Eine optoelektronische Anordnung gemäß einer weiteren Form der Erfindung umfasst mindestens einen positionsempfindlichen Detektor, wobei der positionsempfindliche Detektor von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet wird, um eine Messzelle zu bilden, und die Messzelle außerdem eine im Strahlengang der Lichtemissionseinrichtung zwischen der Lichtemissionseinrichtung und dem positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende aufweist. Diese optoelektronische Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtebene, die durch die Schlitzblende strahlt und auf den Detektor fällt, mit Bezug auf einen lichtempfindlichen Teil des Detektors winkelig orientiert ist.An optoelectronic device according to a further form of the invention comprises at least one position-sensitive detector, wherein the position-sensitive detector is illuminated by a light-emitting device to form a measuring cell, and the measuring cell also in the beam path of the Light emitting device between the light emitting device and the position sensitive detector arranged slit. This optoelectronic device is characterized in that a plane of light radiating through the slit and incident on the detector is angularly oriented with respect to a photosensitive part of the detector.
In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung bildet die Lichtebene einen Winkel mit einer Ebene des lichtempfindlichen Teils des Detektors. Vorzugsweise verläuft eine Schlitzrichtung der Schlitzblende im Wesentlichen senkrecht zum lichtempfindlichen Teil des Detektors.In a preferred embodiment the optoelectronic arrangement forms the light plane an angle with a plane of the photosensitive part of the detector. Preferably extends a slot direction of the slit is substantially perpendicular to the photosensitive part of the detector.
In einer alternativen Ausführung der optoelektronischen Anordnung ist eine Schlitzrichtung der Schlitzblende schräg in Bezug auf den lichtempfindlichen Teil des Detektors ausgerichtet.In an alternative embodiment the optoelectronic device is a slot direction of the slit aslant aligned with respect to the photosensitive portion of the detector.
In einer bevorzugten Ausführung dieser optoelektronischen Anordnung der Erfindung steht der positionsempfindliche Detektor in Zusammenhang mit zwei benachbarten Schlitzblenden, wobei der positionsempfindliche Detektor als Teil zwei verschiedener Messzellen dient. Bevorzugt wird jede Schlitzblende von ihrer eigenen Lichtemissionseinrichtung beleuchtet, sodass jeder positionsempfindliche Detektor von zwei Lichtemissionseinrichtungen beleuchtet wird, um zwei Messzellen mit einem gemeinsamen Detektor zu bilden.In a preferred embodiment this optoelectronic device of the invention is the position sensitive Detector in conjunction with two adjacent slit diaphragm, wherein the position sensitive detector as part of two different measuring cells serves. Preferably, each slit is emitted from its own light emitting device illuminated so that each position sensitive detector of two Light emitting devices is illuminated to two measuring cells to form with a common detector.
In einer besonders bevorzugten Bauweise wird jede der zwei benachbarten Schlitzblenden von einer jeweils angeordneten Lichtemissionseinrichtung beleuchtet. Die zwei benachbarten Schlitzblenden können zusammen einen Winkel einschließen und können auch vorzugsweise jeweils zueinander senkrecht angeordnete Schlitze aufweisen.In a particularly preferred construction, each of the two adjacent Slit diaphragm of a respective arranged light emitting device illuminated. The two adjacent slit diaphragms can be together include an angle and can also preferably in each case mutually perpendicular slots exhibit.
Eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte gemäß noch einer Form der Erfindung umfasst mindestens einen positionsempfindliche Detektoren, wobei jeder positionsempfindliche Detektor von seiner eigenen Lichtemissionseinrichtung beleuchtet wird, um eine Messzelle zu bilden. Diese optoelektronische Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messzellen gruppenweise angeordnet sind, sodass die Messzellen jeder Gruppe im Wesentlichen parallel oder senkrecht zu einander angeordnet sind.A Optoelectronic arrangement for detecting relative movements or Relative positions of two objects according to yet another form of the invention comprises at least one position-sensitive detectors, wherein each position sensitive detector from its own light emitting device is illuminated to form a measuring cell. This optoelectronic Arrangement is characterized in that the measuring cells in groups are arranged so that the measuring cells of each group substantially are arranged parallel or perpendicular to each other.
In einer bevorzugten Ausführung dieser optoelektronischen Anordnung umfassen die Messzellen außerdem je eine im Strahlengang der Lichtemissionseinrichtung zwischen der Lichtemissionseinrichtung und dem positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende, wobei eine Detektorachse des positionsempfindlichen Detektors im Wesentlichen senkrecht zu einer Schlitzrichtung der Schlitzblende ausgerichtet ist. Die Detektorachsen der positionsempfindlichen Detektoren in jeder Gruppe Messzellen sind vorzugsweise parallel zu einander angeordnet.In a preferred embodiment In addition, these optoelectronic devices each comprise the measuring cells one in the beam path of the light emitting device between the Light-emitting device and the position-sensitive detector arranged slit diaphragm, wherein a detector axis of the position sensitive Detector substantially perpendicular to a slot direction of Slit diaphragm is aligned. The detector axes of the position sensitive Detectors in each group of measuring cells are preferably parallel arranged to each other.
Gemäß einer weiteren Form der Erfindung umfasst eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte mindestens zwei positionsempfindliche Detektoren, wobei jeder positionsempfindliche Detektor von seiner eigenen Lichtemissionseinrichtung beleuchtet wird, um eine Messzelle zu bilden. Diese optoelektronische Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass alle positionsempfindlichen Detektoren und Lichtemissionseinrichtungen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, und dass die Messzellen parallel zu kartesischen Achsen angeordnet sind. Die Messzellen können deshalb im Wesentlichen parallel zueinander und/oder im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sein.According to one Another form of the invention comprises an optoelectronic device for detecting relative movements or relative positions of two Objects at least two position sensitive detectors, where each position sensitive detector from its own light emitting device is illuminated to form a measuring cell. This optoelectronic Arrangement is characterized in that all position sensitive Detectors and light emitting devices in a common Plane are arranged, and that the measuring cells parallel to Cartesian Axes are arranged. The measuring cells can therefore essentially parallel to each other and / or substantially perpendicular to each other be arranged.
In einer bevorzugten Ausführung dieser optoelektronischen Anordnung umfassen die Messzellen außerdem je eine im Strahlengang der Lichtemissionseinrichtung zwischen der Lichtemissionseinrichtung und dem positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende, wobei eine Detektorachse des positionsempfindlichen Detektors im Wesentlichen senkrecht zu einer Schlitzrichtung der Schlitzblende ausgerichtet ist.In a preferred embodiment In addition, these optoelectronic devices each comprise the measuring cells one in the beam path of the light emitting device between the Light-emitting device and the position-sensitive detector arranged slit diaphragm, wherein a detector axis of the position sensitive Detector substantially perpendicular to a slot direction of Slit diaphragm is aligned.
In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung der Erfindung ist ein Element jeder Messzelle bestehend aus Lichtemissionseinrichtung, Schlitzblende und Detektor relativ zu den anderen beiden Elementen bewegbar. Das bewegbare Element ist bevorzugt im Drehzentrum der Messzelle angeordnet, sodass die Messzelle hauptsächlich nur (d.h. ausschließlich) translatorische Bewegungen erfassen kann. Daher kann diese Messzelle grundsätzlich keine rotatorischen Bewegungen erfassen. Rotationen können nur erfasst werden, wenn sich das bewegliche Element mit einem Abstand vom Drehzentrum entfernt befindet. Ist dieser Abstand vom Drehzentrum null bzw. minimal, ist die Messzelle „blind" bzw. „fast blind" für die rotatorische Bewegung.In a preferred embodiment The optoelectronic device of the invention is one element each Measuring cell consisting of light emission device, slit diaphragm and detector movable relative to the other two elements. The movable element is preferably arranged in the center of rotation of the measuring cell, so the measuring cell mainly only (i.e. can capture translational movements. Therefore, this measuring cell in principle do not detect any rotational movements. Rotations can only be detected be when the movable element with a distance from the center of rotation is located away. Is this distance from the center of rotation zero or minimal, the measuring cell is "blind" or "almost blind" for the rotary Move.
Gemäß einer weiteren Form der Erfindung umfasst eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte mindestens einen positionsempfindlichen Detektor, wobei jeder positionsempfindliche Detektor von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet wird, um eine Messzelle zu bilden, und die Messzelle außerdem eine im Strahlengang der Lichtemissionseinrichtung zwischen der Lichtemissionseinrichtung und dem positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende aufweist. Ein Element der Messzelle bestehend aus der Lichtemissionseinrichtung, der Schlitzblende und dem Detektor ist bewegbar relativ zu den anderen beiden Elementen und die Messzelle kann ausschließlich translatorische Bewegungen erfassen. Eventuell ist das bewegliche Element der Messzelle im Drehzentrum der Messzelle angeordnet. Bevorzugt ist das bewegliche Element jeder Messzelle im Drehzentrum der entsprechenden Messzelle angeordnet.According to a further form of the invention, an optoelectronic device for detecting comprises of relative movements or relative positions of two objects, at least one position-sensitive detector, each position-sensitive detector being illuminated by a light-emitting device to form a measuring cell, and the measuring cell also having a slit disposed in the beam path of the light-emitting device between the light-emitting device and the position-sensitive detector. An element of the measuring cell consisting of the light emitting device, the slit and the detector is movable relative to the other two elements and the measuring cell can detect only translational movements. Eventually, the movable element of the measuring cell is arranged in the center of rotation of the measuring cell. Preferably, the movable element of each measuring cell is arranged in the center of rotation of the corresponding measuring cell.
In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung der Erfindung umfasst die Anordnung mindestens drei Messzellen, bevorzugt von drei bis sechs Messzellen oder auch sogar mehr als sechs Messzellen.In a preferred embodiment The optoelectronic device of the invention comprises the device at least three measuring cells, preferably from three to six measuring cells or even more than six measuring cells.
In einer bevorzugten Ausführung der optoelektronischen Anordnung der Erfindung ist zumindest eine aus Lichtemissionseinrichtung, Schlitzblende und Detektor bestehende Messzelle mit einer beweglichen Lichtemissionseinrichtung versehen, wobei diese Messzelle einen größeren Arbeitsbereich bzw. Bewegungsbereich hat.In a preferred embodiment The optoelectronic device of the invention is at least one of Light emission device, slit diaphragm and detector existing Measuring cell provided with a movable light emitting device, this measuring cell has a larger working area or range of motion has.
In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung sind alle Lichtemissionseinrichtungen, bevorzugt Infrarot-Leuchtdioden (ILEDs), und positionsempfindlichen Detektoren, bevorzugt positionsempfindliche Infrarotdetektoren, in einer gemeinsamen (ersten) Ebene angeordnet.In a possible Further development of the invention are all light-emitting devices, prefers infrared light emitting diodes (ILEDs), and position sensitive Detectors, preferably position-sensitive infrared detectors, arranged in a common (first) level.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Kraft- und/oder Momentsensor vorgesehen, die durch eine erfindungsgemäße optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte gekennzeichnet ist. Die zwei Objekte bestehen bevorzugt aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte, wobei die erste Platte und die zweite Platte elastisch miteinander verbunden und relativ zueinander bewegbar sind.According to one Another aspect of the invention is a force and / or torque sensor provided by an optoelectronic device according to the invention for detecting relative movements or relative positions of two Objects is marked. The two objects are preferred from a first plate and a second plate, the first one Plate and the second plate are elastically connected and relative are movable relative to each other.
Die 3D Eingabegeräte gemäß der Erfindung können mit einem Kraft- und/oder Momentsensor gleichgesetzt werden. Die translatorischen Bewegungen (X, Y, Z) entsprechen den Kräften (Fx, Fy, FZ) und die rotatorischen Bewegungen (A, B, C) entsprechen den Momenten (Mx, My, MZ). Ein Pan/Zoom Sensor entspricht einem Kraftsensor (Fx, Fy, FZ), da der Pan/Zoom Sensor nur translatorische Bewegungen (X, Y, Z) erfassen kann.The 3D input devices according to the invention can be equated with a force and / or torque sensor. The translatory movements (X, Y, Z) correspond to the forces (F x, F y, F z), and the rotary movements (A, B, C) correspond to the moments (M x, M y, M Z). A pan / zoom sensor corresponds to a force sensor (F x , F y , F Z ), since the pan / zoom sensor can only detect translational movements (X, Y, Z).
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mitgeteilt.Further Preferred embodiments of the invention are described in the independent claims and communicated in the following description of exemplary embodiments.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSUMMARY THE DRAWINGS
In den nachfolgenden Figuren sind Ausführungsbeispiele dargestellt, wobei einander funktionsgleiche oder funktionsähnliche Bauteile mit denselben Bezugzeichen gekennzeichnet sind. Es zeigt:In The following figures show embodiments, where functionally similar or functionally similar components with the same Reference numerals are marked. It shows:
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELSDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENT
Optischer SensorOptical sensor
Sensoren
zum Erfassen der dreidimensionalen Auslenkung sind durch optische
Elemente aufgebaut worden. Dabei hat sich die Anordnung von einer
LED (Light Emittent Diode, Leuchtdiode), einer Blende und einem
PSD (Position Sensitivity Detector) als Messzelle eines Gesamtsensors
bewährt.
In der
Eine LED sendet einen Lichtkegel aus, der auf eine Schlitzblende trifft und die hinter der Blende verbleibende Lichtebene schneidet sich mit einem eindimensionalen PSD. Der Schnittpunkt der Lichtebene mit dem PSD kann durch einen skalaren Faktor λ beschrieben werden. Er gibt den vorzeichenbehafteten Abstand des Schnittpunkts auf dem PSD von der Ruhelage (Ausgangsposition) an. Später wird der Faktor λ als die ermittelte Spannung des PSD's verstanden. Durch die Anordnung der drei optischen Elemente zu einer Messzelle ergibt sich eine wichtige Eigenschaft. Die Messzelle erfasst bestimmte Bewegungen (X, Y, Z, A, B oder C) und kann gleichzeitig anderer Bewegungen nicht messen. Somit kann jede einzelne Messzelle als Sensor für bestimmte Bewegungen betrachtet werden. Die Summe aller erfassten Bewegungen ergibt den Messraum des gesamten Sensors.An LED emits a cone of light that strikes a slit and the light plane remaining behind the panel intersects with a one-dimensional PSD. The intersection of the light plane with the PSD can be described by a scalar factor λ. He gives the signed distance of the point of intersection on the PSD from the rest position (starting position). Later, the factor λ is understood as the detected voltage of the PSD. The arrangement of the three optical elements to form a measuring cell results in an important property. The measuring cell detects certain movements (X, Y, Z, A, B or C) and at the same time can not measure other movements. Thus, each individual measuring cell can be considered as a sensor for certain movements. The sum of all detected movements gives the measuring space of the entire sensor.
Parameter einer Messzelleparameter a measuring cell
Für die genaue Beschreibung der Messzelle ist die Position der LED, der Blende und des PSD's erforderlich. Als Positionsangabe wird bei der LED die Quelle des erzeugten Lichts verwendet. Bei der Blende und dem PSD wird der Mittelpunkt des optischen Elements benutzt. Dies ist zwar nicht dringend erforderlich, macht jedoch die weitere Rechnung übersichtlicher und bewirkt, dass der skalare Faktor in der Ruhelage den Wert λ=0 hat.For the exact one Description of the measuring cell is the position of the LED, the aperture and the PSD's required. The position indication of the LED is the source of the generated light used. At the aperture and the PSD becomes the center of the optical Elements used. Although this is not urgently required, it does the further bill clearer and causes the scalar factor in the rest position to have the value λ = 0.
Zusätzlich wird
die Richtung des Schlitzes in der Blende benötigt, sowie die Richtung des
positionsempfindlichen Bereichs des PSD's.
Parameter der Messzelleparameter the measuring cell
Bei der Festlegung der Parameter gelten einige Annahmen. Der Lichtkegel der LED wirft sein Licht auf die Blende und die entstandene Lichtebene schneidet sich im gesamten Arbeitsbereich mit dem PSD.at The definition of the parameters is subject to some assumptions. The light cone The LED throws its light on the aperture and the resulting light plane cuts across the workspace with the PSD.
Für die späteren Überlegungen ist es nützlich die Blickrichtung der LED festzulegen. Sie ergibt sich aus der LED Position und der Blendenposition, sowie der LED Position und der PSD Position. Dabei geht man davon aus, dass die drei Punkte (LED, IRISpos und PSDpos) so angeordnet sind, dass sie sich auf einer Geraden befinden.For the later considerations is it useful determine the viewing direction of the LED. It results from the LED Position and aperture position, as well as the LED position and the PSD position. It is assumed that the three points (LED, IRISpos and PSDpos) are arranged so that they are on one Straight lines.
Der Vektor der Blickrichtung LEDdir ist auf die Länge 1 normiert. Die Normierung auf die Länge 1 gilt auch für die Richtung der Schlitzblende und für die Richtung des lichtempfindlichen Bereichs des PSD's.Of the Vector of viewing direction LEDdir is normalized to length 1. The standardization on the length 1 also applies to the direction of the slit and the direction of the photosensitive Area of the PSD.
Die Dicke der Schlitzblende und des positionsempfindlichen Bereichs wird als ideal dünn angesehen. Das Kreuzen der Lichtebene mit dem PSD ergibt idealisiert einen Schnittpunkt und keine Schnittfläche. Die Größe λ gibt den Abstand des Schnittpunkts von der Ruhelange an. Es ergeben sich positive Werte für die Größe λ, wenn der Schnittpunkt sich von der Ruhelage in Richtung PSDdir bewegt und negative Werte für die entgegengesetzte Auslenkung. Natürlich kann die Festlegung der Größe λ nach belieben anders vorgenommen werden und die Ruhelage muss nicht notwendigerweise im Mittelpunkt sein. Eine andere Festlegung hat Einfluss auf die Berechnung/Arbeitsbereich der einzelnen Messzellen, aber nicht auf die grundsätzliche Funktion oder die Anordnung von mehreren Messzellen.The Thickness of slit diaphragm and position sensitive area is considered ideal thin considered. Crossing the light plane with the PSD gives idealized an intersection and no cut surface. The size λ indicates the distance of the point of intersection from the rest period. There are positive values for the size λ, if the Intersection moves from the rest position towards PSDdir and negative values for the opposite deflection. Of course, the determination of the Size λ as desired be made differently and the rest position does not necessarily have be in focus. Another determination has an influence on the Calculation / working range of the individual measuring cells, but not on the fundamental Function or the arrangement of several measuring cells.
In
der
Später wird der Abstand des Kreuzungspunktes von der Ruhelage (Größe λ) durch eine elektrische Spannung U1...6 des zugehörigen PSD's angegeben. Je größer der Betrag der Spannung, um so größer ist der Abstand des Kreuzungspunktes von der Ruhelage. Das Vorzeichen der Spannung gibt an, auf welcher Seite (PSDdir) von der Ruhelage der Kreuzungspunkt liegt.Later, the distance of the crossing point from the rest position (size λ) by an electrical voltage U 1 ... 6 of the associated PSD's is specified. The greater the amount of voltage, the greater the distance of the crossing point from the rest position. The sign of the voltage indicates on which side (PSDdir) from the rest position the crossing point lies.
Berechnung des SchnittpunktsCalculation of the point of intersection
Die Messzelle erfasst die relative Bewegung der drei optischen Elemente zueinander. Dabei wird die Größe λ bestimmt. Es wird davon ausgegangen, dass sich ein optisches Element (LED, Blende oder PSD) bewegt und die anderen beiden Elemente fest positioniert sind. Der Fall, dass sich zwei optische Elemente bewegen, kann auf den Fall mit einem beweglichen optischen Element übergeführt werden, solange sich die beweglichen Elemente gleichartig (starr verkoppelt) bewegen. Es ergeben sich drei verschiedene Szenarien: The Measuring cell detects the relative movement of the three optical elements to each other. The size λ is determined. It is assumed that an optical element (LED, Aperture or PSD) moves and the other two elements firmly positioned are. The case that two optical elements move may open the case be transferred with a movable optical element, as long as the moving elements are similar (rigidly coupled) move. There are three different scenarios:
Erfasste BewegungCaptured movement
1. LED beweglich 1. LED mobile
2. Blende beweglich 2. Aperture mobile
3. PSD beweglich 3. PSD mobile
Der Vektor Translate gibt die Verschiebung des beweglichen optischen Elements an. Mit der Matrix Rotate wird die Verdrehung (Rotation) des beweglichen optischen Elements um den Koordinatenursprung beschrieben (z.B. mit den Winkeln roll, pitch, yaw). In der Ruhelage ist der Vektor Translate 0 und die Matrix Rotate ist gleich der Einheitsmatrix.Of the Vector Translate gives the shift of the moving optical Elements on. With the Rotate Matrix, the rotation becomes of the movable optical element around the origin of coordinates (e.g., with the angles roll, pitch, yaw). In the rest position is the Vector Translate 0 and the matrix rotates is equal to the unit matrix.
Berechnung einer translatorischen BewegungCalculation of a translatory Move
Die
obigen Gleichungen werden weiter aufgelöst. Der rotatorische Anteil
wird in den translatorischen Anteil übergeführt. Eine rotatorische Bewegung
kann nur deshalb von der Messzelle erfasst werden, weil aufgrund
eines Hebels die Verdrehung auch zu einer Verschiebung führt.
Die Drehung wird in den Translate Vektor „übergeführt" und enthält dann auch die translatorische Bewegung, die durch die Rotation des beweglichen Anteils auftritt. Dieser translatorische Anteil kann nur auftreten, wenn das bewegliche Teil sich nicht im Rotationszentrum befindet. Die eigentliche Rotation des beweglichen Teils wird ignoriert. Die Vereinfachung des Anteils Rotate·Translate ≈ Translate wird angewendet.The Rotation is "translated" into the Translate vector and then contains the translatory Movement that occurs due to the rotation of the moving part. This translational component can only occur if the movable Part is not located in the center of rotation. The actual rotation of the moving part is ignored. The simplification of the share Rotate · Translate ≈ Translate is applied.
Die
relative translatorische Bewegung des beweglichen Teils der Messzelle
wird neu bestimmt und ist somit:
Translate → Rotate· < beweglicher Anteil > – < beweglicher Anteil > + TranslateThe relative translational movement of the movable part of the measuring cell is redetermined and is thus:
Translate → Rotate · <moving part> - <moving part> + Translate
Unter
der Bedingung:
1. LED beweglich: Translate → Translate + (Rotate – E)LED 1. LED mobile: Translate → Translate + (Rotate - E) LED
2. Blende beweglich: Translate → Translate + (Rotate – E)IRISpos 2. Aperture mobile: Translate → Translate + (Rotate - E) IRISpos
3. PSD beweglich: Translate → Translate + (Rotate – E)PSDpos 3. PSD portable: Translate → Translate + (Rotate - E) PSDpos
Änderungen ohne funktionalen Einfluss auf die MesszelleChanges without functional Influence on the measuring cell
Die obigen Gleichungen beschreiben ganz allgemein den Aufbau einer Messzelle. Aufgrund der geometrischen Anordnung wird sichtbar, dass in der Messzelle Parameter verändert werden können, ohne dass sich die Funktionsweise der Messzelle ändert. Bestimmte Änderungen an einem Parameter oder mehreren Parametern der Messzelle sind somit nicht von Bedeutung für die eigentliche Funktion. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher „Spielraum" für die Anordnung der Messzelle, der zwar einen veränderten geometrischen Aufbau verursacht, aber keinen Einfluss auf die Funktion der Messzelle hat.The The above equations generally describe the construction of a measuring cell. Due to the geometric arrangement becomes visible that in the Measuring cell parameters changed can be without the functioning of the measuring cell changing. Certain changes at one or more parameters of the measuring cell are thus not important for the actual function. This results in an additional "margin" for the arrangement the measuring cell, which causes a changed geometric structure, but has no influence on the function of the measuring cell.
In
der
In
der
In
der
Die Lichtebene um den LEDdir Vektor drehenThe light plane around the Turn LEDdir vector
Es
gibt andere Veränderungen
an der Anordnung der Messzelle, die die Funktionalität der Messzelle beeinflussen.
Dabei wird die übliche
senkrechte oder quasi senkrechte Anordnung aufgegeben. Das Drehen der
Blende um den LEDdir Vektor verursacht, dass die Lichtebene nur
noch in einer Richtung senkrecht oder quasi senkrecht auf den PSD
trifft. Die
In
der
Die Lichtebene um den IRISdir Vektor drehenThe light plane around the Rotate irisdir vector
Eine
weitere Veränderung
der Messzelle erreicht man durch das Drehen der Lichtebene um den
IRISdir Vektor. Die
In
der
Regeln für das Design eines optischen 3D SensorsRules for the design an optical 3D sensor
Gruppenbildunggrouping
Aus den einzelnen Messzellen soll ein kompletter 3D Sensor (Pan/Zoom – 3 Freiheitsgrade oder mit 6 Freiheitsgraden) aufgebaut werden. Dabei gilt die grundlegende Regel, dass mit N Messzellen bestenfalls ein N dimensionaler Sensor aufgebaut werden kann. Der Sensor wird dabei immer in einem kartesischen Koordinatensystem gesehen, das der rechten Handregel entspricht. Das Ziel der nachfolgenden Gruppenbildung ist, Regeln zu erstellen mit deren Hilfe Gruppen von Messzellen (eine oder mehrere Messzellen) bestimmte Freiheitsgrade im kartesischen Raum erfassen können.Out The individual measuring cells should have a complete 3D sensor (Pan / Zoom - 3 degrees of freedom or with 6 degrees of freedom). The basic applies here Rule that with N measuring cells at best an N dimensional sensor can be built. The sensor is always in a Cartesian Coordinate system that corresponds to the right hand rule. The goal of subsequent group formation is to create rules with their help groups of measuring cells (one or more measuring cells) can capture certain degrees of freedom in Cartesian space.
1er Gruppe1 group
Mit der 1er Gruppe wird eine einzelne Messzelle so angeordnet, dass näherungsweise nur ein Freiheitsgrad erfasst wird. Die Messzelle kann eigentlich keine Rotationen erfassen, nur wenn die Rotation auch eine Verschiebung (Translation aufgrund einer Rotation, „Karussellfahrt") verursacht, ist diese messbar.With of the 1 group, a single measuring cell is arranged so that approximately only one degree of freedom is detected. The measuring cell can actually no rotations capture only when the rotation is also a shift (Translation due to a rotation, "carousel ride") is caused this measurable.
Umgekehrt
gilt, das die Messzelle nur eine Translation messen kann, wenn das
bewegte optische Element (LED, Blende oder PSD) sich im bzw. in
der Nähe
des Drehzentrum des Sensors befindet. Die
Im nächsten Schritt wird der obige 3D Sensor (Pan/Zoom) weiter verändert. Statt den LED's im Drehzentrum werden jetzt die PSD's dort positioniert. Obwohl es möglich wäre drei PSD's im Drehzentrum zu platzieren, wird hier nur ein einziger PSD verwendet. Der einzige PSD wird aber von allen drei Messzellen benutzt (Mehrfachnutzung). Dies kann natürlich nicht gleichzeitig geschehen, weil der PSD nur einen Kreuzungspunkt einer Lichtebene detektieren kann. Drei Kreuzungspunkte zur selben Zeit resultieren in einem arithmetischen Mittel als Ergebnis, das nicht sinnvoll weiter verarbeitet werden kann. Es ist aber möglich die Messzellen nacheinander abzufragen und die LED's zeitlich versetzt (ohne Überschneidung) einzuschalten und die Kreuzungspunkte auf dem PSD nacheinander zu bestimmen.in the next Step, the above 3D sensor (Pan / Zoom) is further changed. Instead of the LEDs in the turning center Now the PSD's positioned there. Although it is possible would be three PSD's in the turning center to place, only a single PSD is used here. The only PSD but is used by all three measuring cells (multiple use). This can of course not happen at the same time, because the PSD is just a crossroads of one Light level can detect. Three crossing points at the same time result in an arithmetic mean as a result, not that meaningfully can be further processed. But it is possible the Interrogate measuring cells one after the other and offset the LEDs (without overlapping) turn on and the crossover points on the PSD one after the other determine.
Im
ersten Schritt wird eine 1er Gruppe gebildet. Mit ihr wird die Bewegung
entlang einer Hauptachse bestimmt (hier entlang der X Achse).
Bewegungsvektormotion vector
In
der
2er Gruppe2er group
In
einer 2er Gruppe werden zwei Messzellen miteinander kombiniert,
sodass jede Messzeile bis zu zwei Bewegungen entlang der Achsen
(X, Y oder Z) erfassen kann. Durch die Kombination der beiden Messzellen
müssen
die beiden Bewegungen unterscheidbar sein. Dies lässt sich
anhand der jeweiligen Bewegungsvektoren ablesen. Die Bewegungsvektoren
dürfen
nicht gleich sein BEW1 ≠ BEW2,
oder anders ausgedrückt,
das durch die Bewegungsvektoren aufgespannte Tetraeder (Kreuzprodukt)
sollte möglichst
groß im
Volumen sein (hinreichende Bedingung).
Für die 2er
Gruppe wird die erste Messzelle mit einer weiteren Messzelle kombiniert.
Die zweite Messzelle wird seitlich angebracht, sodass die Lichtebene
mit 45° auf
den PSD trifft. Sie ist somit in der Lage neben den Bewegungen entlang
der X Achse auch die Auf- und Ab- Bewegungen
entlang der Y Achse zu erfassen. Beide Messzellen bilden zusammen
eine 2er Gruppe, da jede Messzelle bis zu 2 Freiheitsgrade erfassen
kann und die Kombination der beiden erfassten Bewegungen auf die
einzelnen Freiheitsgrade eindeutig schließen lässt. Dieser Zusammenhang wird
später
in der Eichmatrix des kompletten Sensors (Pan/Zoom) noch einmal sichtbar.
Die Anforderungen für
eine 2er Gruppe macht es nicht erforderlich, dass eine Messzelle
nur eine Bewegungsrichtung erfasst (wie z.B. hier die entlang der
X Achse). Eine 2er Gruppe wäre
auch gegeben, wenn die Messzelle 1 spiegelbildlich zur Messzelle
2 angeordnet wäre.
In der
Die
dritte Messzelle muss jetzt mindestens die Bewegung entlang der
Z Achse erfassen. Dies könnte eine
1 er Gruppe leiste. Sie ist aber hier nicht mehr einsetzbar, da
der bereits positionierte PSD entlang der X Achse positioniert ist.
Eine Bewegung in Z Achse kann nur von einer in der X/Z Ebene verdrehten
Lichtebene auf dem PSD erfasst werden. Dies führt zu einer Anordnung der
dritten Messzelle, bei der die LED versetzt ist (z.B. entlang der
Z Achse) und die Lichtebene durch eine gedrehte Blende wie gewünscht auf
den PSD fällt.
Die Tabelle 11b zeigt die Eichmatrix, die aufgrund der Gruppenbildung sehr leicht interpretiert werden kann. Für die Bestimmung der Bewegung entlang der X Achse ist nur die erste Messzelle verantwortlich. Nur U1 wird für die Bestimmung dieser Bewegung benötigt. Die Spannung U2 (zweite Messzelle) erfasst in gleicher Weise die Bewegung entlang der X Achse, wie die erste Messzelle. Die Differenz der Spannung U2 und U1 eliminiert die X Bewegung und übrig bleibt nur die Y Bewegung, welche nur von der zweiten Messzelle erfasst wird. Die dritte Messzelle stellt eigentlich eine 3er Gruppe dar, weil sie translatorische Bewegungen entlang aller Achsen messen kann. Mit Hilfe der 2er Gruppe, die mit den ersten beiden Messzelle gebildet ist, können die dabei bereits bekannten Bewegungen entlang der X und der Y Achse eliminiert werden. Der Faktor für U1 eliminiert die Bewegung entlang der X Achse für die 2. und die 3. Messzelle. Mit dem Faktor für U2 wird zusätzlich die Bewegung entlang der Y Achse aus der dritten Messzelle rechnerisch entfernt. Übrig bleibt durch die Eichmatrix in der dritten Zeile die Bewegung entlang der Z Achse, die nur von der dritten Messzelle gemessen wird.The Table 11b shows the calibration matrix due to group formation can be interpreted very easily. For the determination of the movement along the X axis, only the first measuring cell is responsible. Only U1 will be for the determination of this movement is needed. The voltage U2 (second Measuring cell) detects the movement along the X in the same way Axis, like the first measuring cell. The difference of the voltage U2 and U1 eliminates the X motion and leaves only the Y motion, which is detected only by the second measuring cell. The third measuring cell actually represents a group of 3 because they are translational Measure movements along all axes. With the help of the group of 2, which is formed with the first two measuring cell, the doing already known movements along the X and the Y axis be eliminated. The factor for U1 eliminates the movement along the X axis for the 2nd and 3rd measuring cell. With the factor for U2 will be added the movement along the Y axis from the third measuring cell by calculation away. Left Through the calibration matrix in the third line the movement remains the Z axis, which is only measured by the third measuring cell.
Zwei
weitere Variationen sind in den
In
der
Die obigen Beispiele zeigen, dass eine Vielzahl von Anordnungen einen Pan/Zoom Sensor ergeben. Es ist für die grundlegende Funktionalität nicht entscheidend, ob die schräg einfallende Lichtebene mit 45° erfolgt oder mit einem anderen Winkel. Der Einfallswinkel hat Einfluss auf die gewonnene Auflösung und den Arbeitsbereich der zu erfassenden Bewegung. Durch das Schrägstellen der Lichtebene (in zwei Freiheitsgraden, Drehung um den LEDdir Vektor und um den IRISdir Vektor) wird die Messzelle auch für „ungünstige" Bewegungen einsetzbar. Bei senkrechten oder quasi senkrechten Lichteinfall sind diese zusätzlichen Möglichkeiten nicht nutzbar.The The above examples show that a variety of arrangements one Pan / Zoom sensor result. It is not for the basic functionality decisive, whether the oblique incident light level with 45 ° or at a different angle. The angle of incidence has an influence the resolution won and the work area of the movement to be detected. By tilting the light plane (in two degrees of freedom, turn around the LEDdir vector and the IRISdir vector), the measuring cell can also be used for "unfavorable" movements. For vertical or quasi-vertical light incidence these are additional options not usable.
Design von 3D Sensoren mit 6 FreiheitsgradenDesign of 3D sensors with 6 degrees of freedom
In ähnlicher
Weise wie beim Pan/Zoom Sensor wird jetzt ein 3D Sensor mit 6 Freiheitsgraden
aufgebaut. Dabei werden zuerst die 1er Gruppen gesetzt. In diesem
Beispiel sollen die Blenden das bewegliche optische Element sein.
Die Blenden werden auf die Hauptachsen positioniert, um die 1er
Gruppen zu bilden. In der
Die
Blende der ersten Messzelle wird auf der X Achse positioniert. Somit
kann diese Messzelle ausschließlich
Bewegungen entlang der X Achse erfassen. Sie bietet sich als Partner
für eine
2er Gruppe an, weil die Bewegung entlang der X Achse aus einer 2er
Gruppe vollständig
herausgerechnet werden kann. In gleicher Weise wird die zweite Messzelle
positioniert. Sie kann nur die Bewegungen entlang der Z Achse messen. Damit
die dritte Messzelle ebenfalls eine 1er Gruppe bildet, wird deren
Blende in den Koordinatenursprung gelegt. Sie kann somit nur noch
die Bewegungen entlang der Y Achse erfassen. Mit diesen drei Messzellen
werden ausschließlich
die translatorischen Bewegungen gemessen. Nachdem jede Messzelle
für genau
eine Hauptachse zuständig
ist, müssen
die verbleibenden drei Messzellen nur noch in solcher Weise angeordnet werden,
dass sie die rotatorischen Freiheitsgrade erfassen können. Die
Die Messzelle 4 erfasst neben der Bewegung entlang der Y Achse auch die Drehung um die Z Achse (C Wert). Für die Messzelle 5 gilt ähnliches, sie erfasst die Bewegung entlang der Y Achse und die Drehung um die X Achse (A Wert). Die verbleibende Drehung um die Y Achse wird durch die Messzelle 6 gemessen. Die auch die Bewegung entlang der X Achse erfassen kann. Somit ergibt sich die folgende Eichmatrix. Tabelle 13b In addition to the movement along the Y axis, the measuring cell 4 also detects the rotation about the Z axis (C value). The same applies to the measuring cell 5, it detects the movement along the Y axis and the rotation about the X axis (A value). The remaining rotation about the Y axis is measured by the measuring cell 6. Which can also detect the movement along the X axis. This results in the following calibration matrix. Table 13b
Die Eichmatrix zeigt sehr deutlich die gewählte Anordnung. Beispielsweise wird die Bewegung entlang der X Achse nur durch die erste Messzelle (Spannung U1) ermittelt, obwohl die Messzelle 6 ebenfalls die Bewegung entlang der X Achse erfassen kann. Die Eichmatrix ist insgesamt sehr dünn besetzt. Die Tabelle 13c zeigt die Eichmatrix, in der sehr kleine Werte entfernt wurden. Tabelle 13c The calibration matrix shows very clearly the chosen arrangement. For example, the movement along the X axis is determined only by the first measuring cell (voltage U1), although the measuring cell 6 can also detect the movement along the X axis. Overall, the calibration matrix is very sparse. Table 13c shows the calibration matrix in which very small values have been removed. Table 13c
Die Fehler der Eichmatrix für die Translation und die Rotation, entstehen aufgrund der dabei angewandten Linearisierung. Aufgrund der gewählten Anordnung kann aber auch sehr einfach das genaue Modell verwendet werden.The Error of the calibration matrix for the translation and the rotation, arise due to the applied Linearization. Due to the chosen Arrangement can also very easily used the exact model become.
2er Gruppe2er group
Für die nächste Anordnung
werden sofort 2er Gruppen gebildet. Die Messzellen in einer 2er
Gruppe wird dabei so angeordnet, dass zwei Freiheitsgrade von einer
2er Gruppe erfasst werden. Dadurch muss das bewegliche optische
Element nicht mehr im Ursprung oder entlang der Hauptachse angeordnet
werden.
Durch die seitliche Versetzung der Messzelle 2 zur Messzelle 1, kann die zweite Messzelle zwar auch Rotationen um die X Achse erfassen (Bewegung A). Aufgrund des kleinen Abstands zur Achse ist dies aber nicht sonderlich stark ausgeprägt.By the lateral displacement of the measuring cell 2 to the measuring cell 1, the Although the second measuring cell also detect rotations about the X axis (movement A). But this is not because of the small distance to the axis especially pronounced.
Eine
weitere 2er Gruppe erfasst jetzt zwei weitere Freiheitsgrade. Sie
wird ähnlich
wie die erste 2er Gruppe positioniert, aber um 90° verdreht
angebracht. In der
Eine
2er Gruppe, die die fehlenden Bewegungen (Z und A) erfassen kann,
könnte
entlang der Y Achse angeordnet werden. Dies könnte mit der gleichen Anordnung
geschehen wie bei den ersten beiden 2er Gruppen. Nachdem dies den
Aufbau verkomplizieren würde,
werden die beiden verbleibenden Freiheitsgrade getrennt erfasst.
Dabei ergänzt
jede Messzelle die vorher positionierten 2er Gruppen zu einer 3er
Gruppe.
Die Messzelle 5 erfasst die A und die Y Bewegung. Sie ergänzt somit die erste 2er Gruppe (Messzelle 1 und 2 – Y/C) zu einer 3er Gruppe. Äquivalent passiert dies mit der Messzelle 6. Sie erfasst die Bewegung Z und B. Die zweite 2er Gruppe (Messzelle 3 und 4 – X/B) wir zur 3er Gruppe und kann die Bewegungen X, B und Z messen. Tabelle 14b The measuring cell 5 detects the A and the Y movement. It completes the first group of 2 (measuring cell 1 and 2 - Y / C) to a group of 3. Equivalent this happens with the measuring cell 6. It detects the movement Z and B. The second group of 2 (measuring cell 3 and 4 - X / B) we to the 3 group and can measure the movements X, B and Z. Table 14b
3er Gruppe3 group
In
der
Ausgehend von der obigen Anordnung werden jetzt jeweils zwei Messzelle zusammengefasst. Dabei werfen die beiden LED's das Licht auf den selben PSD. Mit anderen Worten, die PSD's der beiden Messzellen befinden sich am selben Ort und haben die selbe Orientierung. Somit wird ein PSD von den zwei PSD's eingespart. Der PSD ist das in der Regel teuerste optische Element der Messzelle.outgoing from the above arrangement, two measuring cells are now combined. The two LEDs throw the light on the same PSD. In other words, the PSD's of the two measuring cells are located in the same place and have the same orientation. Thus, will a PSD from the two PSD's saved. The PSD is usually the most expensive optical element the measuring cell.
Für die Berechnungen
geht man weiterhin von zwei einzelnen PSD's aus. Die Anordnung wird so abgeändert, dass
eine benachbarte LED auf den PSD des Nachbarn scheint. Damit beide
Lichtebenen auf dem PSD einen Schnittpunkt verursacht, werden die
beiden PSD's gedreht.
Die beiden PSD's
haben somit die gleiche Orientierung, die um 45° zu beiden Lichtebenen verdreht
ist. Die Lichtebenen der zwei Messzellen stehen rechtwinkelig zueinander.
Die Blende ist das bewegliche optische Element. Sie ist so angeordnet,
dass die LED der Partner Messzelle nicht durch die falsche Schlitzblende
ihre Lichtebene auf den PSD werfen kann. Die Partner Schlitzblende
(„falsche
Schlitzblende")
wird dabei so angeordnet, dass die Blende in Richtung der Partner
LED angeordnet ist und somit kein Lichteinfall möglich ist. Die Blende nutzt
dabei den Freiheitsgrad (siehe Änderungen
ohne funktionalen Einfluss auf die Messzelle) um einerseits die
korrekte Schlitzblende für
die eigene LED zu sein und andererseits entlang der Richtung der
Partner LED zu stehen und somit das Licht abzuschatten. Die Blende
kann an dem Ende erweitert werden, damit sichergestellt ist, dass
kein fremdes Licht einer LED auf den PSD fällt. Die
Die
Messzellen 1,3,5 und die Messzellen 2,4,6 bilden jeweils eine 3er
Gruppe. Mit den Messzellen 1,3,5 werden die Bewegungen X, Z und
C erfasst. Die Messzellen 2,4,6 sind für die Bewegungen Y, A und B zuständig. Die
Tabelle 17b Table 17b
Einen gleich funktionierenden 3D Sensor kann man erhalten, wenn man alle PSD's um den jeweiligen LEDdir Vektor mit dem gleichen Winkel dreht. Entsprechend müssen die Schlitzblenden gedreht werden, damit die Lichtebenen wieder jeweils um 45° (oder einen ähnlichen Winkel) verdreht auf den PSD's fallen und messbare Schnittpunkte bilden.a the same working 3D sensor can be obtained, if you all PSD's around the respective LEDdir Vector rotates at the same angle. Accordingly, the Slit diaphragm can be rotated so that the light planes again each by 45 ° (or a similar one Angle) twisted on the PSD's fall and form measurable intersections.
Weitere Variationen zur Anordnung von MesszellenOther variations for the arrangement of measuring cells
Koordinatentransformationcoordinate transformation
Die Anordnung der einzelnen Messzellen erfolgt in einem vorgegebenen kartesischen Koordinatensystem. Die Definition eines Koordinatensystems kann aber beliebig erfolgen. Die Relation zwischen zwei Koordinatensystem wird durch eine lineare Koordinatentransformation beschrieben. Die Abbildung stellt dabei sicher, dass die Größenverhältnisse unverändert bleiben und die Relation der Elemente zueinander gleich bleibt. Für einen 3D Sensor mit 6 Freiheitsgraden gilt somit, dass das benutzte Koordinatensystem beliebig im Raum definiert sein darf. Ein 3D Sensor kann somit als äquivalent angesehen werden, wenn mit Hilfe einer linearen Koordinatentransformation das benutzte Koordinatensystem auf ein hier beschriebenes Koordinatensystem übergeführt werden kann.The Arrangement of the individual measuring cells takes place in a predetermined Cartesian coordinate system. The definition of a coordinate system but can be done arbitrarily. The relation between two coordinate system is described by a linear coordinate transformation. The Illustration ensures that the size ratios remain unchanged and the relation of the elements remains the same. For one 3D sensor with 6 degrees of freedom thus applies that the used coordinate system may be defined arbitrarily in space. A 3D sensor can thus be considered equivalent be viewed when using a linear coordinate transformation the used coordinate system are transferred to a coordinate system described here can.
Unterschiedliche bewegliche optische ElementeDifferent moving ones optical elements
Für den Betrieb einer Messzelle wird neben den festen optischen Elementen auch ein bewegliches Element benötigt. In allen bisherigen Anordnungen wird immer davon ausgegangen, dass dies vom selben Typ ist (LED, Blende oder PSD). Natürlich können auch Messzellen mit unterschiedlichen beweglichen Elementen miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können Messzellen mit beweglichen Blenden und beweglichen PSD's angeordnet werden. Dabei behalten die obigen Regeln zur Anordnung von 3D Sensoren ihre Gültigkeit.For the business A measuring cell is also used in addition to the fixed optical elements movable element needed. In all previous orders, it is always assumed that this is of the same type (LED, aperture or PSD). Of course you can too Measuring cells with different moving elements with each other be combined. For example, measuring cells with movable Apertures and movable PSD's arranged become. The above rules keep the arrangement of 3D sensors their validity.
Gemeinsam genutzte SchlitzblendeShared slit diaphragm
Die Bewegung die durch eine Messzelle erfasst werden kann, wird durch den Bewegungsvektor beschrieben. Der Bewegungsvektor berechnet sich aus dem Produkt IRISdir × LEDdir. Daraus wird ersichtlich, dass mit einer Schlitzblende zwei unterschiedliche Bewegungsvektoren gebildet werden können, wenn die Richtungen der beiden LEDs unterschiedlich ist.The movement that can be detected by a measuring cell is described by the motion vector. The motion vector is calculated from the product IRISdir × LEDdir. It can be seen from this that with a slit diaphragm two different motion vectors can be formed if the directions of the two LEDs is different.
Signalführung über die FedernSignal routing over the feathers
Es ist möglich das bewegliche optische Element und die beiden festen optischen Elemente über Drahtfedern zu verbinden. Diese Verbindung kann auch zur elektrischen Verkabelung von beweglichen und festen Teil des Sensors genutzt werden. So kann neben einer Stromversorgung auch verschiedene Steuersignale geführt werden. Sind die LED's die beweglichen optischen Elemente, können diese über die Federn betrieben werden, beispielsweise in einer Matrixanordnung.It is possible the movable optical element and the two fixed optical Elements over Wire springs to connect. This connection can also be used for electrical Wiring used by moving and fixed part of the sensor become. Thus, in addition to a power supply, various control signals guided become. Are the LEDs? the movable optical elements, these can be operated via the springs, for example in a matrix arrangement.
Bewegliche LED's für die Erweiterung des ArbeitsbereichsMovable LED's for the extension of the workspace
Aus den Gleichungen von „Berechnung einer translatorischen Bewegung" wird noch einer interessante Eigenschaft deutlich und die Erfahrung bestätigt dies. Bei einer Messzelle mit beweglicher LED kann der Arbeitsbereich des beweglichen optischen Elements durch die Anordnung der festen optischen Elemente beeinflusst werden.Out the equations of "calculation a translatory movement " another interesting feature and the experience confirms this. In a measuring cell with a movable LED, the working range of the movable optical element by the arrangement of the fixed be influenced by optical elements.
In der Gleichung 1 (LED beweglich) steht der Abstandsvektor PSD – Blende im Verhältnis zum Abstandsvektor LED – Blende. Ist die Blende näher am PSD positioniert als an der LED, vergrößert dies den Bewegungsbereich der LED. Im umgekehrten Fall wird der Bewegungsbereich der LED eingeschränkt. Der kleinere Bewegungsbereich wird aber dann feiner aufgelöst.In Equation 1 (movable LED) represents the distance vector PSD aperture in relation to to the distance vector LED - aperture. Is the aperture closer? positioned on the PSD than on the LED, this increases the range of motion the LED. In the opposite case, the range of movement of the LED is restricted. Of the smaller range of motion is then resolved finer.
In der Gleichung 2 (Blende beweglich) steht der Abstandsvektor LED – PSD im Verhältnis LED – Blende. Nachdem die Blende immer vor dem PSD stehen muss ist der Abstand LED – PSD immer größer als der Abstand LED – Blende. Bei einer beweglichen Blende kann es deshalb nur zu einer Einschränkung des Bewegungsbereichs kommen.In of equation 2 (aperture movable) is the distance vector LED - PSD im relationship LED panel. After the aperture must always be in front of the PSD is the distance LED - PSD always bigger than the distance LED - aperture. In the case of a movable panel, therefore, it can only be a limitation of the Movement range come.
In der Gleichung 3 (PSD beweglich) steht im Zähler wie auch im Nenner der Abstandsvektor LED – Blende. Der Bewegungsbereich des PSD's ist somit immer gleich und entspricht der maximalen Ausdehnung des lichtempfindlichen Teils des PSD'sIn the equation 3 (PSD mobile) is in the numerator as well as in the denominator of Distance vector LED - Aperture. The range of motion of the PSD is therefore always the same and corresponds to the maximum extent of the photosensitive part of the PSD
3D Sensor mit mehr als 6 Messzellen3D sensor with more than 6 measuring cells
Für den Aufbau eines 3D Sensors mit 6 Freiheitsgraden sind mindestens 6 Messzellen notwendig. Natürlich können weitere Messzellen benutzt werden, als eigentlich erforderlich wäre. Diese Redundanz des 3D Sensors kann für die Erhöhung der Genauigkeit des Sensors eingesetzt werden oder den Sensor in Betrieb halten, auch wenn eine oder mehrere Messzellen ausfallen. Äquivalent gilt dies auch für einen Pan/Zoom Sensor.For the construction of a 3D sensor with 6 degrees of freedom are at least 6 measuring cells necessary. Naturally can additional measuring cells are used, as would actually be required. These Redundancy of the 3D sensor can for the increase the accuracy of the sensor can be used or the sensor in Keep operation, even if one or more measuring cells fail. equivalent to this also applies to a pan / zoom sensor.
Anhang AAppendix A
Beispielrechnungexample calculation
1. LED beweglich Figur 19 1. LED movable figure 19
2. Blende beweglich Figur 20 2. Aperture movable Figure 20
3. PSD beweglich Figur 21 3. PSD mobile figure 21
Anhang BAppendix B
Alternative
Anordnung gemäß der
In
dieser in
Der Sensoraufbau ist deshalb nur für Pan/Zoom Anwendungen geeignet und nicht für Anwendungen mit 6 Freiheitsgraden (6DOF). Das Designziel für einen Pan/Zoom Sensors ist deshalb das bewegliche Element in das Drehzentrum zu verlagern.Of the Sensor construction is therefore only for Pan / Zoom applications suitable and not for 6 degrees of freedom applications (6DOF). The design goal for a Pan / Zoom sensor is therefore the moving element in the Shift center of rotation.
Wenn es in dieser Beschreibung davon gesprochen wird, dass eine Messzelle "hauptsächlich nur" oder "ausschließlich" translatorische Bewegungen erfassen kann, ist gemeint damit, dass die Messzelle oder der Sensor zumindest in erster Näherung ausschließlich translatorische Bewegungen messen kann. Rotatorische Bewegungen können ebenfalls einen kleinen Einfluß auf die Messung haben. Dieser Teil ist zwar klein und deshalb vernachlässigbar, aber trotzdem vorhanden. Die Verschiebung und Verdrehung des Sensors verursacht, dass bei dem Sensor die einzelnen Messzelle ihre ideale Position etwas verlassen (z.B. das bewegliche Element ist nicht mehr exakt im Drehzentrum), sodass kleine Fehler entstehen.If It is spoken in this description that a measuring cell "mainly only" or "exclusively" translational Grasping movements is meant to mean that the measuring cell or the sensor at least in the first approximation exclusively translational Measure movements. Rotatory movements can also a little influence on have the measurement. Although this part is small and therefore negligible, but still available. The displacement and rotation of the sensor causes the single cell to be ideal for the sensor Leave position slightly (for example, the moving element is not more exactly in the turning center), so that small mistakes arise.
Diese
Situation wird mit der folgenden Methodik behandelt:
Methodik
zum Ermitteln von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier
Objekte in einer erfindungsgemäßen Anordnung,
die translatorische und rotatorische Bewegungen oder die hauptsächlich nur
translatorische Bewegungen erfassen kann, mit den Schritten:
man
gibt die exakten Gleichungen für
die erfassten Bewegungen der Messzellen an; (siehe Seite 13 ab Zeile
1)
man gibt eine erste Annäherung
an, die die verkoppelten Bewegungen zwischen Rotation und/oder Translation vernachlässigt; (siehe
Seite 14 ab Zeile 17) oder
man gibt für jede Messzelle die Eichmatrix
der Linearisierung und den maximalen Fehler an.This situation is treated with the following methodology:
Method for determining relative movements or relative positions of two objects in an arrangement according to the invention, which can detect translational and rotational movements or the mainly only translational movements, with the steps:
one gives the exact equations for the detected movements of the measuring cells; (see page 13 from line 1)
one gives a first approximation, which neglects the coupled movements between rotation and / or translation; (see page 14 from line 17) or
For each measuring cell, the calibration matrix of the linearization and the maximum error are indicated.
- 101101
- LEDLED
- 102102
- Lichtkegellight cone
- 103103
- Blendecover
- 104104
- Lichtebenelight plane
- 105105
- PSDPSD
- 301301
- Lichtebenelight plane
- 302302
- PSDPSD
- 303303
- Schnittflächesection
- 304304
- Schnittpunktintersection
- 401401
- PSDPSD
- 402402
- Blendecover
- 403403
- Blendenabstandaperture spacing
- 404404
- Verschiebung Xshift X
- 405405
- Verschiebung Yshift Y
- 406406
- LEDLED
- 10011001
- Messzelle 1cell 1
- 10021002
- Messzelle 2cell 2
- 10031003
- Messzelle 3cell 3
- 11001100
- Messzelle 1cell 1
- 11011101
- Bewegungsvektor 1motion vector 1
- 11021102
- Messzelle 2cell 2
- 11031103
- Bewegungsvektor 2motion vector 2
- 11041104
- Messzelle 3cell 3
- 11051105
- Bewegungsvektor 3motion vector 3
- 13001300
- Messzelle 1cell 1
- 13011301
- Messzelle 2cell 2
- 13021302
- Messzelle 3cell 3
- 13031303
- Messzelle 4cell 4
- 13041304
- Messzelle 5cell 5
- 13051305
- Messzelle 6cell 6
- 14001400
- Messzelle 1cell 1
- 14011401
- Messzelle 2cell 2
- 14021402
- Messzelle 3cell 3
- 14031403
- Messzelle 4cell 4
- 14041404
- Messzelle 4cell 4
- 14051405
- Messzelle 5cell 5
- 15001500
- Messzelle 1cell 1
- 15011501
- Messzelle 2cell 2
- 15021502
- Messzelle 3cell 3
- 15031503
- Messzelle 4cell 4
- 15041504
- Messzelle 5cell 5
- 15051505
- Messzelle 6cell 6
- 17001700
- Messzelle 1cell 1
- 17011701
- Messzelle 2cell 2
- 17021702
- Messzelle 3cell 3
- 17031703
- Messzelle 4cell 4
- 17041704
- Messzelle 5cell 5
- 17051705
- Messzelle 6cell 6
- 17101710
- Keine LED aktivNone LED active
- 17111711
- LED 1 aktivLED 1 active
- 17121712
- LED 2 aktivLED 2 active
- 17131713
- LED 3 aktivLED 3 active
- 17141714
- LED 4 aktivLED 4 active
- 17151715
- LED 5 aktivLED 5 active
- 17161716
- LED 6 aktivLED 6 active
- 1800 1900 20001800 1900 2000
-
2100 LED2100 LED - 1801 1901 20011801 1901 2001
-
2101 Blende2101 cover - 1802 1902 20021802 1902 2002
-
2102 PSD2102 PSD - 22002200
- Messzelle 1cell 1
- 22012201
- Messzelle 2cell 2
- 22022202
- Messzelle 3cell 3
Claims (54)
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