Bewegungssteuerung der Xbox 360 vermeidet Unterlängen bei Rohren

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Durch die gesonderte Einhausung der Kinect haben Umgebungsbedingungen wie Staub und Wärme keinen nennenswerten Einfluss auf die Güte der Messung. Eine aktive Kühlung der Sensorik sorgt zudem für ein zuverlässiges Arbeiten.

Machbarkeitsstudie beweist Industrietauglichkeit der Xbox

Die Machbarkeitsstudie hat erwiesen, dass der Einsatz der Bewegungssteuerung Kinect weit über die Nutzung in der Spieleindustrie gestaltet werden kann. Die Validierung des Konzeptes erfolgte durch eine Vielzahl von Testläufen im Mehrschichtbetrieb. Ergebnis ist, dass die Sensorik und die Auswertung den Qualitätsansprüchen genügen und kein Ausfall aufgrund der Systemkomponenten oder aufgrund des Auswertungsalgorithmus erfolgte.

Das Sensorsystem wurde dabei so positioniert, dass eine Bildbreite von 650 mm erzielt werden konnte und somit eine Auflösung von etwa 1 mm pro Pixel vorherrscht. Die Toleranzvorgabe von 10 mm lässt sich demnach gut abbilden, sodass die Anlage als hinreichend genau betrachtet werden kann. Der zukünftige Einsatz eines Windows-Embedded-Systems soll zusätzlich für Systemstabilität sorgen und die Ausfallsicherheit erhöhen.

Industriereifes Analysetool für manuelle Arbeiten

Darüber hinaus haben die Forscher der Uni Duisburg-Essen im Bereich Fertigungstechnik und Mechanik und Robotik weitere Applikationen entwickelt, die auf der Basis der Bewegungssteuerung von Microsoft Kinect beruhen. So konnte bereits erfolgreich ein industriereifes Analysetool für manuelle Arbeiten erstellt werden, das Prozessabläufe im Fließprozess analysiert und bewertet. Zusätzlich existieren Applikationen zur gestenbasierten Computersteuerung, zur Simulationsanalyse von Automatisierungsaggregaten und zur Steuerung von Robotersystemen.

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Industrietauglichkeit des Sensors ist sichergestellt

Die Industrietauglichkeit des Systems wird durch zwei Faktoren bestimmt. Zum einen ist die Hardware zu nennen, die vornehmlich durch entsprechende Optiksysteme (CMOS-Sensor der Farbkamera, Klasse-1-Laser als Infrarotprojektor, IR-Kamera und Rechnerplatinen) beschrieben werden kann. Diese sind bereits vom Hersteller so verbaut, dass die Funktionsfähigkeit in Produktionsbetrieben nicht beeinträchtigt wird. Das wird auch durch verschiedene Aufbauten im produktiven Umfeld anderer Unternehmen bestätigt, in denen solche Systeme bis heute fehlerfrei arbeiten. Der Einsatz im Rohrwerk der Benteler Steel/Tube GmbH setzt jedoch besondere Anforderungen voraus, weil Umgebungstemperaturen bei einem AD/WD-Verhältnis von 141 mm zu 18 mm bis 45 °C vorherrschen und zudem eine signifikante Staubemission vorzufinden ist. Aus diesem Grund wurde das Kinect-System im Rahmen der Arbeit in ein gesondert konstruiertes Gehäuse verbaut, das über eine zusätzliche Kühlung verfügt.

Zum anderen ist außer der Hardware die Verarbeitung der Software zu sehen, die ebenfalls so auszulegen ist, dass ein störungsfreier Einsatz gewährleistet werden kann. Zu diesem Zweck werden Systeme auf Basis von Windows Embedded verwendet, die übliche Prozesse bei Standardbetriebssystemen unterbinden und die Verarbeitung eines Hauptprogramms gestalten. Da somit keine weiteren Prozesse existieren, der PC demnach nur für jene Aufgabe ausgelegt wird, erhöht sich die Ausfallsicherheit und die Programmlaufzeit steigt signifikant. Dies ermöglicht letztlich die Gestaltung eines echtzeitfähigen Systems.

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X-Box 360: Arbeitsweise nach dem Verfahren der Stereotriangulation

Bei der X-Box 360 wird mit einem Infrarot-Laser-projektor der Klasse 1 (Laser im Wellenlängenbereich von 780 nm und zwei optischen Diffraktionsgittern) ein pseudo-zufälliges Ebenenpunktmuster erzeugt, das zur Projektion verneunfacht wird. Eine um etwa 7,5 cm versetzte IR-Kamera mit einer Auflösung von 1200 × 960 Pixeln erfasst das Punktmuster nach dem Verfahren der Stereotriangulation. Dabei werden Punkte und Punktmuster so zusammengefasst, dass die Auflösung des Tiefenbildes auf 640 × 480 Pixel reduziert wird. Der Sensor verfügt über ein horizontales Sichtfeld von 57°; eine vertikale Erfassung ist bis 43° möglich.

In der Anfang 2012 optimierten Windows Kinect ist zudem die Erfassung des Nahbereiches ab 0,5 m zuverlässig möglich. Zusammen mit einem softwarebasierten Mapping kann eine zuverlässige Synchronisierung des Farb- und Tiefenbildes im Bereich zwischen 0,5 und 3,5 m garantiert werden. Neben den optischen Hardwarekomponenten ist ein Mikrofon-Array verbaut, das aus vier Mikrofonen besteht und einer Abtastrate von 16 kHz zugrunde liegt.

Literatur:

[1] Shpunt, A., 2009: Optical Designs for Zero Order Reducation. Assignee: Prime Sense Ltd., Tel Aviv (Israel). United States Patent Application 20090185274.

[2] Wujanz, D., S. Weisbrich und F. Neitzel, (2011): 3D-Mapping mit dem Microsoft Kinect Sensor – erste Untersuchungsergebnisse. Proceedings of the Oldenburger 3D-Tage.

* Dipl.-Ing. Holger Dander ist Mitarbeiter an der Universität Duisburg-Essen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Lehrstuhl Fertigungstechnik in 47057 Duisburg. Dipl.-Ing. Christian Schlensog ist Leiter Technologie bei der Benteler Steel/Tube GmbH in 46537 Dinslaken. Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd Witt leitet den Lehrstuhl Fertigungstechnik an der Universität Duisburg-Essen in 47057 Duisburg. Prof. Dr.-Ing. Wojciech Kowalczyk leitet den Lehrstuhl Mechanik und Robotik an der Universität Duisburg-Essen in 47057 Duisburg

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