具体技术细节
[0003] 本发明的目的是，提供一种方法和一种激光‑光学采集系统，其可以用于自动化工作场地、特别是机器人工作场地，使得在调整运行中也可以继续运行激光‑光学采集系统。
[0004] 本发明的目的通过一种用于操控激光‑光学采集系统的方法来实现，具有以下步骤：
[0005] ‑将预定图案的激光在预定波长范围内以预定辐射强度投影到对象上，‑借助相机光学地采集在对象上反射的、投影到对象上的图案，该相机在预定的曝光参数下通过光学系统拍摄反射图案的图像，
[0006] ‑基于所拍摄的反射图案的图像确定对象的特征，
[0007] ‑根据人员接近或存在于激光的临界空间附近，将激光的最大辐射强度降低到允许值，以及
[0008] ‑根据激光的降低的最大辐射强度匹配相机的曝光参数。
[0009] 因此，本发明的目的还通过一种激光‑光学采集系统来实现，特别是用于执行该方法的激光‑光学采集系统，具有：
[0010] ‑激光投影仪，其被构造为，发出在预定波长范围内具有预定辐射强度的预定图案的激光，以将激光投影到对象上，
[0011] ‑相机，其被构造为光学采集在对象上反射的、由激光投影仪投影到对象上的图案，其中，相机被设计为，通过光学系统在预定的曝光参数下采集反射图案；
[0012] ‑控制装置，其被构造和设计为，操控激光投影仪和相机，以便确定对象的特征，[0013] ‑传感器设备，其被构造为，对人员接近或存在于激光投影仪的临界空间附近进行采集，并且该传感器设备被设计为，将表征人员的接近或存在的信号传递到控制装置，使得控制装置基于表征信号根据人员的接近或存在将激光投影仪的最大辐射强度降低到允许值，其中‑控制装置被设计为，根据由传感器设备获得的、关于人员接近或存在于激光投影仪的临界空间附近的表征信号，根据激光投影仪的降低的最大辐射强度使相机的曝光参数与激光投影仪的瞬时辐射强度相匹配。
[0014] 激光‑光学采集系统可以用于例如机器人工作场地的自动化工作场地。在工件和/或工具的自动化操作的范围内，对象、即工件或工具被抓持、移动或以其它方式操纵。在机器人工作场地处自动化操作对象的典型示例是借助由机器人臂引导的抓持工具从箱中自动抓出工件。如果在箱中存在一个或多个未分拣的工件，则需要采集系统，该采集系统可以自动采集应由机器人臂引导的抓持工具抓持的特定对象的位置和姿态。为此，大多使用电子激光‑光学采集系统。
[0015] 这种激光‑光学采集系统通常包括激光投影仪和相机。激光投影仪发出激光，并且将激光照射到待采集对象上。在这种情况下，激光不是散射地照射到对象上，而是以预先给定的图案照射到对象上。预先给定的图案可以包括多个单个光点和/或一个或多个光线。就此而言，将结构光投影到待测量对象上并且由相机采集其在对象表面上的反射。由相机采集的、由对象反射的光图案的图像接下来可以被图像分析地评估，以便能够识别对象的特征性特征并且能够测量其精确的位置和姿态。基于所评估的对象图像，抓持工具可以通过自动操控机器人臂而被引导到对象上，使得机器人臂或抓持工具可以抓持采集到的对象并从箱中取出。
[0016] 用于采集对象的特征性特征的示例性的常见投影方法是条纹投影(Streifenprojektion)，其也可以被称为条纹光扫描。在这种情况下，可以产生图像序列，即多个在时间上相继拍摄的图像的序列，由该图像序列可以特别是三维地采集或测量对象的表面。由于激光投影仪和相机的相对位置和姿态是已知的，可以将在相机中成像的点(例如沿着条纹)与由投影仪产生的条纹的已知的定向进行比较，并且例如通过三角测量法来计算其三维位置或姿态。在所谓的光切法(Lichtschnittverfahren)中，将平面光束投影到待采集的对象上。该光束在对象上产生可光学采集的线。从投影仪的定向观看，线是直的。
由于立体失真，从相机的侧向错开的光轴中看，线在对象的表面上对应于对象几何形状出现变形。线的直度的偏差，即，相机图像中的线的变形性是对对象形状的度量。为了改善评估，可以通过以下方式扩展该方法：将多个平行的线、即线组或线网格同时投影到待采集的对象上。
[0017] 用于采集对象的特征性特征的另一种示例性投影方法是激光扫描。在这种情况下，逐行或格栅状地利用激光束抹过、即扫掠对象。由激光束发出的光同样在对象上反射并且由相机采集并且评估采集到的图像。
[0018] 根据投影方法，由激光投影仪发出的激光能够以不同的波长或波长范围产生。常见的条纹光投影仪发出在可见范围内、即在约400纳米至700纳米的波长范围内的单色光。然而，激光也可以在近红外范围(约700纳米至2.6微米)和中红外范围(约2.6微米至30微米)以及紫外范围(约180纳米至400纳米)发出非可见范围内的光。
[0019] 对于对人员的可能的健康危害，除了发出的激光的波长和发出的持续时间之外，辐射强度、即发出的激光的功率密度也是重要的。因此，例如关于用于保护员工的安全和健康以防由于物理作用(人工光学辐射)引起的危害的最小规定的欧洲法规2006/25/EG，限定了用于将眼睛暴露于激光束的极限值。
[0020] 在自动化工作场地(例如所提及的机器人工作场地)处进行自动运行期间，由于本来就需要对工作场地的进入限制而可靠地防止了人员接近激光‑光学采集系统，从而经受得住由于发出的激光而对人员的健康危害。
[0021] 然而，在另一种运行方式中，例如在调整运行中，人员可能需要进入自动化工作场地，以便在激光‑光学采集系统的附近或至少在其可能碰上激光的危险区域中执行动作，例如记录(Aufnehmen)或调整用于机器人臂的运动的轨迹点(示教)。迄今为止，在此必须完全关断激光‑光学采集系统或者至少明显降低激光功率，以便能够排除对人的健康危害。在关断状态下，激光‑光学采集系统不可用。在激光‑光学采集系统以明显降低的激光功率运行时，采集对象的功能性通常受限或者甚至不再能够可靠地实现，这是不利的。
[0022] 因此，本发明提出，不仅设置传感器设备，其被构造为，对人员接近或存在于激光投影仪的临界空间附近进行采集，并且该传感器设备被设计为，将表征人员的接近或存在的信号传递到控制装置，使得控制装置基于表征信号将激光投影仪的最大辐射强度根据人员的接近或存在降低到允许值，而且此外控制装置还设计为，根据由传感器设备获得的关于人员接近或存在于激光投影仪的临界空间附近的表征信号，来使相机的曝光参数根据激光投影仪的降低的最大辐射强度而与激光投影仪的瞬时辐射强度相匹配。
[0023] 如果除了降低激光‑光学采集系统的功率并且由此降低激光投影仪的辐射强度之外，相机的曝光参数也与降低的辐射强度相匹配，则激光‑光学采集系统可以在质量上不受限制地被继续使用，尽管采集速度降低。然而，通过激光‑光学采集系统降低对对象的采集速度在例如所提及的调整运行中是不重要的，由于在这种调整运行中机器人臂本来就只能以降低的行驶速度运动，即整个机器人系统的功率降低。为了示例性地提及的针对机器人臂或其工具或抓具的运动而取得或调整机器人轨迹的轨迹点、或为了在非自动运行中测试所取得的机器人程序，通过激光‑光学采集系统对对象的更慢的、即更低效率的采集就足够了，由于机器人臂在非自动运行中的运动也不超过最大允许的行驶速度。
[0024] 为了精确且快速地识别三维对象(诸如工件)，使用了采集系统，该采集系统装备有主动光线，该主动光线例如在激光的情况下对于人眼而言可能是危险的，即是对眼睛不安全的。即，如果人直接看到光线，则这可能导致眼睛损害。例如在汽车工业中铸件卸垛(Depalettierens)的情况下就是这种情况。托盘被部分地装填至1.2米高。然而，同时，在托盘的底部处，由采集系统获得的3D点云的精度也应该好于1.0毫米。关于激光投影仪和相机的空间布置，此外应该可以在固定安装的相机与激光投影仪、例如条纹光投影仪之间布置具有抓具的操作的机器人臂。
[0025] 一种解决方案在于，设置激光投影仪的高的激光功率。高激光功率的优点是可以在相机上使用较短的曝光时间，这导致更快的节奏(Takt)。在条纹光投影中，可以投影许多不同的图案。对于每一个图案拍摄一个图像，使得单个曝光时间相加可以快速直至超过一秒。同时，在这种情况下，需要相对小的光圈开口以便获得更大的景深，从而在托盘的整个深度上确保高的清晰度，这又要求更多的光。
[0026] 因此，在开工时或者当在单元(Zelle)中存在问题时，必须安全地关断采集系统或其激光投影仪。如果操作者例如想要移动托盘上的一部分并且拍摄新的图像，则这是非常麻烦的。
[0027] 对于操作者来说更有利的是，当操作者接近时，不必完全关断激光投影仪，而是与机器人技术类似地减速，并且在这种情况下，也降低投影仪的功率，使得操作者可以在机器人工作场地中在没有眼睛损害的风险的情况下移动。
[0028] 可以通过已知的安全技术来识别操作者进入该单元。这可以是门式围栏，但也可以是安全激光扫描器或安全相机、踏板(Trittfeld)等。
[0029] 当需要安全的运行并且识别出人员接近时，应该降低激光投影仪的功率。此外，为了实现3D数据采集的相同的图像质量或精度，根据本发明延长了每一个图案的传感器的曝光时间，特别是以相同的比例 在这种情况下，功率的降低应特别恰好大到保护操作者。在智能相机的情况下，可以在相机本身中实现相应的操控。为此，相机可以处理安全的进入，该进入直接以安全技术降低激光功率。相机的控制软件也可以自动地延长每一个投影图案的曝光时间(特别是也在非安全技术中)，使得图像的质量至少近似保持不变。
[0030] 在一种扩展方案中，功率的切换或匹配可以实时进行并且当前投影的图案在此可以直接在降低功率的情况下更长地示出。这虽然引起曝光时间的延长，但是其通常不能在拍摄期间被匹配。
[0031] 可替代地，识别功率切换并且在必要时重复单个投影就足够了，如果该投影与功率降低在时间上重叠。在最简单的情况下，当在拍摄期间降低激光投影仪的功率时，能够以所有图案重复整个拍摄。
[0032] 激光投影仪被构造为，发出在预定波长范围内具有预定辐射强度的预定图案的激光，以将其投影到对象上。
[0033] 预定图案可以根据激光投影仪的类型和/或根据采集的应用情况、即根据待采集对象的类型，而是例如多个点、一条线或多条线、或2维网格或栅格。通过选择激光投影仪的构造类型来预定，或者在控制技术上通过在激光投影仪上的所配属的参数来设定、即配置分别在个别情况下发出的图案。
[0034] 也可以由构造类型决定地通过激光投影仪的类型预定，或者通过在激光投影仪上的配置手动或自动地设定，预定的波长或特别是在非单色光激光投影仪的情况下预定的波长范围。
[0035] 激光投影仪的辐射强度必须是可设定的，即可改变的，从而根据本发明可以自动降低最大辐射强度。最大辐射强度的降低基于传感器设备提供的信号自动地进行，该信号表征人员的接近或存在。
[0036] 相机被构造为光学地采集由激光投影仪投影到对象上的在对象上反射的图案，其中，相机被设计为在预定的曝光参数下通过光学系统采集反射图案。
[0037] 光学系统可以具有一个或多个光学透镜。光学系统例如可以是物镜。在这种情况下，光学系统或物镜是相机的一部分。光学系统或物镜例如可以被构造为，将由对象反射的、采集到的激光成像到电子传感器阵列上，从而可以获得相应的图像作为数字数据记录(Datensatz)并且能够电子地进一步处理。光学系统或物镜可以具有可设定的光圈开口，其开口宽度是可自动调节的、即可设定的。电子传感器阵列可以在其光灵敏度方面是可自动调节的、即可设定的。因此，例如可以规定，从多个可能的曝光指标中自动地选择特定的曝光指标。
[0038] 控制装置被构造和设计为，操控激光投影仪和相机，以便确定对象的特征。
[0039] 因此，控制装置不仅可以操控激光投影仪而且可以操控相机。本发明意义上的控制装置可以包含在一个共同的控制单元中。可替代地，控制装置可以具有多个子部件，它们在控制技术上相互连接或可以彼此通信，但是在必要时在空间上彼此分开地布置。因此，控制装置的一个子部件例如可以在空间上集成到激光投影仪中，并且控制装置的另一个子部件例如在空间上集成到相机中。
[0040] 控制装置可以特别被构造和设计为，自动地设定或改变激光投影仪应该发出的预定图案。控制装置可以特别被构造和设计为，设定激光投影仪的最大辐射强度，特别是将其限制到最大值。此外，控制装置可以被构造和设计为，自动地设定或改变相机的曝光参数。
[0041] 传感器设备被构造为，对人员接近或存在于激光投影仪的临界空间附近进行采集。
[0042] 例如，当人员低于与激光投影仪的光出射的特定的最小距离和/或进入激光投影仪周围的特定的临界区段中时，传感器设备可以采集。在这种情况下，激光投影仪的最大辐射强度可以直接被限制到允许值。
[0043] 可替代地，可以采集、特别是测量人员逐渐接近激光投影仪的光出射和/或逐渐接近激光投影仪周围的临界区段，并且根据人员的瞬时距离将激光投影仪的最大辐射强度连续地降低到允许值，并且更确切地说根据人员与激光投影仪的光出射和/或激光投影仪周围的临界区段的剩余距离来进行检测、特别是测量。
[0044] 在这种情况下，传感器设备被设计为，将表征人员的接近或存在的信号传递到控制装置，使得控制装置基于表征信号根据人员的接近或存在将激光投影仪的最大辐射强度降低到允许值。
[0045] 表征信号可以包括关于人员与激光投影仪的光出射和/或与激光投影仪周围的临界区段的距离的信息。表征信号可以包含关于人是否进入被定义为临界空间保护区域的信息。在此，其可以是数字信息，特别是简单的“0”信号或“低”信号或“1”信号或“高”信号，或者反之亦然。
[0046] 根据本发明，控制装置被设计为，根据由传感器设备获得的关于人员接近或存在于激光投影仪的临界空间附近的表征信号，根据激光投影仪的降低的最大辐射强度使相机的曝光参数与激光投影仪的瞬时辐射强度相匹配。
[0047] 激光投影仪的临界空间附近可以由以下导出：对于接近或存在于确定的保护区域中的人员是否存在以下危险：人员可能以身体部分到达激光投影仪的光路中，或者存在以下危险：发出的激光束或反射的激光束可能入射到人员的眼睛。根据自动化工作场地的具体配置，该临界空间附近可以是非常广泛的，也就是非常早地达到，或者只有在紧邻激光投影仪和/或相机才能达到。因此，在自动化工作场地的特定的配置中可能需要的是，当人员进入自动化工作场地时，例如通过打开在围住自动化工作场地的保护围栏中的门来降低激光投影仪的最大辐射强度。在自动化工作场地的其它配置中，例如当已经存在的人员伸手进入开头所述的托盘或箱或者以头部探入托盘或箱时，激光投影仪的最大辐射强度才被降低，可能已经足够。
[0048] 相机的曝光参数可以这样匹配，使得尽管激光投影仪的辐射强度降低但可以识别对象的所需特征。这可能导致，相应的单个采集或单个测量需要比在激光投影仪的较高的辐射强度的情况下所需的单个采集或单个测量更长的测量持续时间。然而，这在非自动运行的情况下、特别在调整运行中是不关键的，由于例如机器人臂或自动化工作场地的另一个机器或机床也仅允许以降低的速度运动。就此而言，激光‑光学采集系统的出现的较长的测量持续时间甚至更好地匹配于机器、机床或机器人的降低的速度。
[0049] 如果为自动运行中的具有机器人的计划工作速度的计划工作过程来计划激光投影仪的特定辐射强度，则激光投影仪的辐射强度在非自动运行中、特别在调整运行中与机器人的降低的运动速度相比在非自动运行中、特别在调整运行中降低到这样的程度，即激光投影仪的足以采集对象特征的最小辐射强度还能够实现通过相机的足够采集。在这种情况下，可以相应地匹配相机的曝光参数。
[0050] 例如，如果机器人在非自动运行中、特别是在调整运行中降低的运动速度小于机器人在自动运行中的计划工作速度的一半时，则在非自动运行中、特别是在调整运行中的曝光持续时间可以加倍。
[0051] 激光投影仪的辐射强度可以是变化的。特别地，激光投影仪的辐射强度可以根据过程变化，例如可以根据所需的和所选择的照射图案来改变对于该过程或该图案有意义的辐射强度。就此而言，在人员不接近的情况下也能够或者甚至需要改变激光投影仪的辐射强度。因此，在人员接近时仅需降低激光投影仪的最大辐射强度，其中，在该相应的最大辐射强度以下，实际的瞬时辐射强度在必要时也可以从非常低的值出发而提高，但是不超过最大辐射强度。
[0052] 激光投影仪的辐射强度与到对象上的辐射强度相关并且因此也与由对象反射的激光在相机的图像传感器上的辐射强度相关。
[0053] 在方法的一种扩展方案中，相机的曝光参数可以是曝光持续时间，并且曝光持续时间可以根据激光投影仪的降低的最大辐射强度而与激光投影仪的瞬时辐射强度相匹配地相应延长。
[0054] 就此而言，激光‑光学采集系统可以被构造和设置为，根据激光投影仪的降低的最大辐射强度匹配于激光投影仪的瞬时辐射强度地相应延长曝光持续时间。
[0055] 在方法的另一种扩展方案中，相机的曝光参数可以是孔径光圈，并且可以根据激光投影仪的降低的最大辐射强度匹配于激光投影仪的瞬时辐射强度地相应打开孔径光圈。
[0056] 就此而言，激光‑光学采集系统可以被构造和设置为，根据激光投影仪的降低的最大辐射强度匹配于激光投影仪的瞬时辐射强度地相应打开相机的孔径光圈。
[0057] 在方法的一种特殊的扩展方案中，激光投影仪的瞬时辐射强度可以由控制装置调节到最大辐射强度的90％与99％之间的值。
[0058] 就此而言，激光‑光学采集系统可以被构造和设置为，将激光投影仪的瞬时辐射强度由控制装置调节到最大辐射强度的90％与99％之间的值。
[0059] 控制装置和相机可以组合在一个共同的相机设备中。
[0060] 相机设备可以具有安全的入口，通过该入口以安全技术将表征人员的接近或存在的信号从传感器设备供给到相机设备中。
[0061] 相机设备可以具有将控制装置与相机连接的接口，通过该接口将基于人员接近或存在于激光投影仪的临界空间附近所需的、待设定的曝光参数传输到相机。
[0062] 在持续采集对象的特征期间，相机的曝光参数可以根据激光投影仪的降低的最大辐射强度同时匹配于激光投影仪的瞬时辐射强度。
[0063] 传感器设备可以是灵敏的保护设备，特别是来自光帘、激光扫描器、监测相机、门开关和接近开关的组的无接触地起作用的保护设备，或者特别是来自开关垫、开关板(Schaltleisten)或开关缓冲器的组的压力灵敏的保护设备。
[0064] 本发明的目的还通过一种机器人工作场地来实现，其具有：至少一个机器人；配属于该机器人的工作空间，在该工作空间中至少一个对象由机器人操作或处理；以及根据所述实施方式中的一个或实施方式的组合的激光‑光学采集系统，用于采集所述至少一个对象的特征，其中，基于采集到的特征来操控机器人。
法律保护范围
涉及权利要求数量11：其中独权3项，从权-3项
1.一种用于操控激光‑光学采集系统(1)的方法，具有以下步骤：
‑将具有预定图案的激光在预定波长范围内以预定辐射强度(EV)投影到对象上(2)，‑借助相机(3)光学地采集在所述对象(2)上反射的、投影到所述对象(2)上的图案，所述相机在预定的曝光参数(P)下通过光学系统(5)拍摄反射的图案的图像(4)，‑基于所拍摄的所述反射的图案的图像(4)确定所述对象(2)的特征，
‑根据人员(9)接近或存在于所述激光的临界空间附近，将所述激光的最大辐射强度(EV)降低到允许值，以及
‑根据所述激光的降低的最大辐射强度(EV)匹配所述相机(3)的所述曝光参数(P)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相机(3)的所述曝光参数是曝光持续时间(t)，并且所述曝光持续时间(t)根据所述激光的降低的最大辐射强度(EV)相匹配地相应延长。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述相机(3)的所述曝光参数是孔径光圈(D)，并且所述孔径光圈(D)根据所述激光的降低的最大辐射强度(EV)相匹配地相应打开。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光的瞬时辐射强度(EV)被调节到所述最大辐射强度(EV)的90％与99％之间的值。
5.一种激光‑光学采集系统，特别是用于执行根据权利要求1至4中任一项所述的方法，具有：
‑激光投影仪(7)，其被构造为，发出在预定波长范围内具有预定辐射强度(EV)的预定图案的激光，以将所述激光投影到对象(2)上，
‑相机(3)，其被构造为光学采集在所述对象(2)上反射的、由所述激光投影仪(7)投影到所述对象(2)上的图案，其中，所述相机(3)被设计为，通过光学系统(5)在预定的曝光参数(P)下采集反射的图案；
‑控制装置(8)，其被构造和设计为，操控所述激光投影仪(7)和所述相机(2)，以便确定所述对象(2)的特征，
‑传感器设备(10)，其被构造为，对人员(9)接近或存在于所述激光投影仪(7)的临界空间附近进行采集，并且所述传感器设备被设计为，将表征所述人员(9)的接近或存在的信号传递到所述控制装置(8)，使得所述控制装置(8)基于表征信号根据所述人员(9)的接近或存在将所述激光投影仪(7)的最大辐射强度(EV)降低到允许值，其特征在于，‑所述控制装置(8)被设计为，根据由所述传感器设备(10)获得的、关于所述人员(9)接近或存在于所述激光投影仪(7)的临界空间附近的表征信号，根据所述激光投影仪(7)的降低的最大辐射强度(EV)使所述相机(3)的所述曝光参数(P)与所述激光投影仪(7)的瞬时辐射强度(EV)相匹配。
6.根据权利要求5所述的激光‑光学采集系统，其特征在于，所述控制装置(8)和所述相机(3)组合在一个共同的相机设备(3a)中。
7.根据权利要求6所述的激光‑光学采集系统，其特征在于，所述相机设备(3a)具有安全的入口(16)，通过所述入口将表征所述人员(9)的接近或存在的信号从所述传感器设备(10)以安全技术供给到所述相机设备(3a)中。
8.根据权利要求6或7所述的激光‑光学采集系统，其特征在于，所述相机设备(3a)具有将所述控制装置(8)与所述相机(3)连接的接口(17)，通过所述接口将基于所述人员(9)接近或存在于所述激光投影仪(7)的临界空间附近所需的、待设定的曝光参数(P)传输到所述相机(3)。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的激光‑光学采集系统，其特征在于，在持续采集所述对象(2)的特征(14)期间，所述相机(3)的所述曝光参数(P)根据所述激光投影仪(7)的降低的最大辐射强度(EV)同时匹配于所述激光投影仪(7)的瞬时辐射强度(EV)。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的激光‑光学采集系统，其特征在于，所述传感器设备(10)是灵敏的保护设备，特别是来自光帘、激光扫描器、监测相机、门开关和接近开关的组的无接触地起作用的保护设备，或者特别是来自开关垫、开关板或开关缓冲器的组的压力灵敏的保护设备。
11.一种机器人工作场地，具有：至少一个机器人(12)；配属于所述机器人(12)的工作空间(A1，A2)，在所述工作空间中至少一个对象(2)由所述机器人(12)操作或处理；以及根据权利要求5至10中任一项所述的激光‑光学采集系统(1)，用于采集所述至少一个对象(2)的特征(14)，其中，基于采集到的特征(14)来操控所述机器人(12)。
