WO2011036033A1 - Method and device for determining the orientation and position of an object - Google Patents

Method and device for determining the orientation and position of an object Download PDF

Info

Publication number
WO2011036033A1
WO2011036033A1 PCT/EP2010/062636 EP2010062636W WO2011036033A1 WO 2011036033 A1 WO2011036033 A1 WO 2011036033A1 EP 2010062636 W EP2010062636 W EP 2010062636W WO 2011036033 A1 WO2011036033 A1 WO 2011036033A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
determining
data
retroreflector
orientation
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/062636
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Frank Hoeller
Marc Tremont
Oliver Schmidt
Marc Wagener
Christian Koos
Original Assignee
Carl Zeiss Ag
Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Ag, Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh filed Critical Carl Zeiss Ag
Publication of WO2011036033A1 publication Critical patent/WO2011036033A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Definitions

  • the present invention relates to methods and apparatus for determining the orientation and position of an object, such as a point on a multi-axis kinematics, i. a point of a multi-axis kinematics or a point of an object attached to the multi-axis kinematics.
  • a multi-axis kinematics is understood to mean a device in which movements can be realized by a plurality of axes coupled to one another.
  • Examples of such multi-axis kinematics are robot arms, wherein at the ends of such robot arms or at other points of the robot arm encoders, tools and the like may be attached.
  • a particular example of such multi-axis kinematics devices are industrial coordinate measuring machines in which a tactile or optical sensor is mounted on the end of a robotic arm to measure a surface of an object.
  • a tactile or optical sensor is mounted on the end of a robotic arm to measure a surface of an object.
  • it is necessary to know the position and orientation of the sensor which in turn depends on the position and orientation of a point of the robot arm to which the sensor is attached. depends on knowing.
  • a determination of position and orientation based on multi-axis kinematics control data is possible.
  • Laser trackers which allow the determination of the three spatial coordinates of an object, combine a laser path length measuring device with a high-precision, double-cardanically mounted deflection mirror. From the measured distance and the two deflection angles of the deflection mirror, the object position can be determined.
  • laser trackers require precise control of the deflection mirror and accurate knowledge of the respective deflection angle of the deflection mirror.
  • the corresponding Akto k represents a significant cost factor.
  • DE 101 18 392 A1 discloses a system and a method for determining a position of two objects relative to one another.
  • the method uses the coherence properties of laser radiation for distance detection, in which several light beams are coherently superimposed.
  • Laser displacement gauges allow the determination of a distance of an object.
  • K. Minoshima and H. Matsumoto "High-accuracy measurement of 240-meter distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512-5517 (2000 )
  • a distance measurement is used described by frequency combs. Although the measurement can be done with high accuracy, but limited to one dimension.
  • the above-mentioned methods merely provide one position of a multi-axis kinematics point, but provide no information about its orientation.
  • a device is known from DE 10 2004 021 892 A1, in which, to determine a position and an orientation, successively 6 different retro-reflectors are adapted by means of a so-called laser tracker.
  • a so-called laser tracker is relatively expensive metrology.
  • a method comprising:
  • the optical measurement can be in particular an optical length measurement.
  • the source can then differ in particular from an optical length measurement.
  • the object is a multi-axis kinematics section or an object attached to a multi-axis kinematics section.
  • the source may be multi-axis kinematics control
  • the data may be multi-axis kinematics control data.
  • the control data can be, for example, data from a multi-axis kinematics control program or data obtained from multi-axis kinematics.
  • the object may correspond to a multi-axis kinematics point, and at the point a transducer or tool may be mounted.
  • the method may further enable determining an end position of the encoder or tool based on the orientation at the point and the position of the point.
  • light for example laser light
  • the light is directed into a desired spatial area and light reflected from the desired spatial area is measured in order to obtain a distance for determining the position.
  • the light can be directed to fixed retroreflectors and the light backscattered by the retroreflectors can be measured.
  • light from stationary measuring devices may be directed to a retroreflector mounted on a multi-axis kinematics or other object.
  • the one or more movable mirrors may serve as a source, and the data may describe positions of the mirrors from which, in turn, the orientation may be obtained.
  • a deviation of the reflected light beam from a desired value can be used to correct the angular data thus obtained, wherein for determining the deviation, for example, a quadrant diode can be used.
  • the orientation may be obtained based on an image analysis of an image taken by a source camera, such as an image that captures stationary patterns from a moving object, such as a multi-axis kinematics section.
  • a source camera such as an image that captures stationary patterns from a moving object, such as a multi-axis kinematics section.
  • sensors such as gravitational sensors, inertial sensors, and / or magnetic field sensors may be used as the source for determining the orientation.
  • FIG 3 shows an embodiment of a measuring device according to the invention
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a measuring device according to the invention
  • FIG. 6 shows an embodiment of a measuring device according to the invention
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an embodiment of a method according to the invention.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of a measuring device according to the invention.
  • FIGS. 9a and 9b are schematic diagrams for illustrating the mode of operation of the embodiment of FIG. 8.
  • a retroreflector 25 is mounted on a last member 31 of the robot arm 2, the position of which is optically determined.
  • a transducer 29 is attached to the last member 31 of the robot arm, For example, an optical or a tactile encoder, such as a stylus, with which a surface 30 is measured.
  • a device 1 serves to optically determine the position of the retroreflector 25. It should be noted that the illustrated device 1 is to be understood as an example only, and in other embodiments, other devices, such as conventional laser trackers, may be used to determine the position of a point of the robot arm 2, for example the point at which the retractive reflector 25 and the dispenser 29 are mounted, in an optical way.
  • the device 1 comprises a light source 3 which generates a sequence of short light pulses at a repetition rate, a light-deflecting device formed by a plurality of optical elements 4-9, a pair of reference-signal detectors 11, 12 having a first reference-signal detector 1 and a second one Reference signal detector 12, a detector arrangement with a plurality of optical detectors 13, 14 and an evaluation circuit 15.
  • the light-deflecting device receives the sequence of light pulses and directs the sequence of light pulses to the pair of reference signal detectors 1 1, 12 and into an area generally designated 28 in which the position of the reflector 25 attached to the robot arm 2 is to be determined.
  • the light guided by the light-directing device to the reference signal detectors 11, 12 and into the spatial region 28 will hereinafter also be referred to as the sequence of light pulses, it being understood that in each case only a portion of the light pulse intensity generated by the light source 2 the reference signal detectors 1 1, 12 or in the space area 28 is directed.
  • the sequence of light pulses is reflected in the spatial area by the reflector 25 arranged on the robot arm 2.
  • the reflected sequence of light pulses is detected by the detectors 13, 14.
  • the evaluation circuit 15 determines from the signals from the reference signal detectors 1 1, 12, which are received at a reference signal input 16, and from the signals from the detectors 13, 14, a Phaseniage of signal components of the detected light at the detectors 13, 14 in a light Relationship to the duration of the light pulses in the space region 28 and thus the distance of the reflector 25 from different elements of the light-guiding device is. In this way, the position of the reflector 25 can be determined.
  • the determination of the phase position by the evaluation circuit 15 is based in the illustrated embodiment on signal components of the detectors 13, 14. detected light signals that have a frequency which is a multiple of the repetition rate.
  • the detectors 13, 14 and reference signal detectors 1 1, 12 are designed for example as photodetectors and detect the incident light intensity.
  • the sequence of light pulses can be directed from at least one further irradiation position into the spatial region 28, which is not arranged on a straight line passing through the beam passing points at the beam dividers 5 and 7 is defined.
  • the light source 3 generates an optical signal which is modulated with a periodic function and which has a fundamental frequency f0 and distinct portions of harmonics of the fundamental frequency f0, i. has distinct frequency components with frequencies that are multiples of f0.
  • each light pulse can be very small compared to the time interval TO between successive light pulses, for example of the order of 1 -1 Cf 5 .
  • the repetition rate f0 and the duration of each pulse may be suitably dependent on a desired measurement accuracy in the position determination, an initial uncertainty about the position of the object, and the signal component of the light signal detected at the detectors 13, 14, for the one phase position should be determined, or chosen depending on other factors. If the nth harmonic of f0 is used to determine the phase difference, the duration of each light pulse and the time interval are used. stand TO between successive Lichtpuisen chosen so that the output from the light source 3 sequence of light signals still has a sufficient spectral weight at the frequency n fO.
  • the light pulses can form a series of rectangular pulses. Other suitable pulse shapes may also be chosen, for example the square of a hyperbolic secant or a Gaussian function.
  • a corresponding sequence of light pulses can be generated by different lasers, which are set up for the generation of short light pulses.
  • optical frequency synthesizers can be used.
  • an electrically pumped diode laser e.g. a Q-switched laser, a gain-switched laser, an active or passive mode-locked laser or a hybrid mode-locked laser, or a vertical-cavity surface-emitting vertical-cavity emitting laser (VCSEL) may be used as the light source 3
  • an optically pumped laser such as a passive mode-locked external vertical cavity (VECSEL) surface-emitting laser or a photonic-crystal-fiber laser may be used as the light source 3.
  • VECSEL passive mode-locked external vertical cavity
  • Exemplary pulse durations of the light source 3 are in a range of 100 fs and 100 ps.
  • Exemplary repetition rates range from 50 MHz to 50 GHz.
  • Exemplary average powers are in a range of 1 mW to 10 W.
  • Exemplary values for the pulse jitter are between 10 fs and 1 ps effective value (root mean square).
  • the sequence of light pulses output from the light source 3 is directed by the light directing means to the reference signal detectors 11, 12 and into the space portion 28.
  • the light-directing device comprises in the device 1 a plurality of beam splitters 4, 5 and 7, a mirror 6 and beam expander 8, 9, which are associated with the beam splitters 5 and 7, respectively.
  • the beam splitter 4 receives the sequence of light pulses from the light source 3.
  • a sub-beam 20 of the sequence of light pulses is directed by the beam splitter 4 as a reference signal to the reference signal detectors 11, 12.
  • an optical element for beam splitting in particular a beam splitter, can also be arranged downstream of the beam splitter 4 in order to ensure that the sub-beam strikes both the reference signal detector 1 1 and the reference signal detector 12.
  • Another sub-beam of the sequence of light pulses is transmitted by the beam splitter 4 and impinges on the beam splitter 5.
  • the beam 5 directs a partial beam 21 of the sequence of light pulses over the beam 8 into the spatial region 28, wherein the beam expander 8 expands the partial beam 21 into a light cone 22.
  • Another partial beam is transmitted by the beam splitter 5 and directed to the beam splitter 7 via the mirror 6.
  • the beam splitter 7 deflects a partial beam 26 of the sequence of light pulses via the beam expander 9 into the spatial region 28, wherein the beam expander 9 expands the partial beam 26 into a cone of light 27.
  • a portion of the light beam received by the mirror 6, which is transmitted by the beam splitter 7, can be directed in the direction of the spatial region 28 via a further beam splitter (not shown in FIG. 1).
  • the space area 28 in which the position of the object can be determined corresponds to the overlapping area of the different light cones 22, 27. If the sequence of light pulses is directed from more than three positions in the direction of the area in which the object position is to be determined, is the space area in which a determination of the object position is possible, the union of all overlapping areas of at least three different light cones, which are radiated from at least three starting points that are not on a straight line.
  • the sequence of light pulses directed via the beam divider 5 and the light expander 8 in the light cone 22 into the spatial region 28 strikes the retroreflector 25 and is reflected by it back in the direction of the light expander 8.
  • the light reflected back from the retroreflector 25 in the direction of the light expander 8 forms a first light signal 23, which is directed onto the detector 13 via the light expander 8 and the beam splitter 5.
  • the sequence of light pulses directed via the beam splitter 7 and the light expander 9 in the light cone 26 into the spatial region 28 strikes the retroreflector 25 and is reflected by it back in the direction of the light expander 9.
  • the light reflected by the retroreflector 25 back in the direction of the light expander 9 forms a second light signal 24, which is directed onto the detector 14 via the light expander 9 and the beam splitter 7. If the retroreflector 25 is arranged in the light cone of further combinations of beam splitter, light expander and detector, correspondingly further light signals are reflected by the retroreflector 25, which light signals are directed to the corresponding detector via the light expander and beam splitter.
  • the light guiding device which directs the sequence of light pulses into the spatial region 28 and the detectors 13, 14 of the detector arrangement are arranged such that the light signal 23 reflected in the direction of the detector 13 is reflected in a different direction than the light signal 24 reflected in the direction of the detector 14.
  • the retroreflector 25 provided on the robot arm 2 can be designed, for example, as a Corner Cube Reflector (CCR), as a triple prism or as a cat-eye reflector (cat-eye) or as a ball lens (ball lens).
  • CCR Corner Cube Reflector
  • the Eckchiefeireflektor and the triple prism the light is reflected back parallel to the incident beam directions.
  • a divergent beam remains divergent.
  • these retroreflectors can be optimized for a certain distance in such a way that the reflected beam is essentially reflected back into itself, as a result of which a higher signal level is present at the detector.
  • the small element instead of a retrorefiector, it is also possible to use a small scattering element which differs significantly in its scattering behavior from its surroundings in order to scatter light from the relevant object point to the detectors. In order for the detector to have a usable signal that is distinguishable from the noise of the scattering environment, the small element should scatter light strongly.
  • the light signals 23 and 24 are detected by the detectors 13 and 14, respectively.
  • the detectors 13, 14 and reference signal detectors 1 1, 12 are configured as a photoreceiver.
  • the detectors 13 and 14 detect the light power of the incident on them sequence of light pulses, which propagates via the detector 13 and 14 respectively associated beam splitter 5 and 7 to the retroreflector 25 and from this back to the detector 13 and 14 respectively.
  • the different optical path length of a light pulse on the one hand to one of the reference signal detectors 1 1, 12 and on the other hand to reach after a reflection at the retroreflector 25 to one of the detectors 13 and 14, leads to a time shift ⁇ or ⁇ 2 between the Arrival of one and the same light pulse on one of the detectors 3 and 14 and on the reference signal detectors 1 1, 12, which is equal to the difference in optical path length of the light paths divided by the speed of light c. Since typically only a small proportion of the light directed into the space region 28 is reflected by the retroreflector 25, the signal at the detectors 13, 14 is attenuated with respect to the reference signal at the reference signal detectors 11, 12.
  • the path length difference includes on the one hand distances that depend on the geometry of the device, in particular the distances between the beam splitters 5, 7 and the beam splitter 4 and the distances between the beam splitters 4, 5, 7 and the detectors 13, 14 and the reference signal detectors 1 1, 12, each along the beam and, on the other hand, a component which, for the light signal detected at the detector 13, is the optical path length between the beam splitter 5 or the virtual starting point of the light cone 22, and the retroreflector 25 and for the signal detected at the detector 14 Path length between see the beam splitter 7 or the virtual starting point of the light cone 27, and the retroreflector 25 depends.
  • the distance traveled by the light pulse optical path length between the Beam splitter 5 and the retroreflector 25 and thus the distance of the retroreflector 25 from the beam passing point of the beam splitter 5 and from the virtual starting point of the light cone 22 are determined.
  • the detectors 13 and 14 and the reference signal detectors 11, 12 are coupled to the evaluation circuit 15, which determines a phase difference between the light signals 23, 24 and the reference signal 20.
  • the evaluation circuit 15 of the device 1 determines the phase difference between the light signal 23, 24 and the reference signal 20 for a signal component whose frequency is substantially a multiple of the repetition rate.
  • the phase difference is directly related to the above-mentioned time shift, and based on the phase difference, the evaluation circuit 15 can then determine the position of the retroreflector 25.
  • the device 1 determines the position of the retroreflector 25, ie a point of the last member of the robot arm 2, on which the encoder 29 is mounted, in a coordinate system S of the device 1.
  • member 31 is to know the orientation of the last member 31 of the robot arm 2 to which the sensor 29 and also the retroreflector 25 are fastened.
  • the orientation of this member and thus the orientation of the encoder 29 is obtained from control data of the robot arm 2.
  • the evaluation unit 15 receives in the illustrated embodiment, the corresponding control data of the robot arm 2. This control data, for example, from a software-based control of the robot 2 or coupled to the axes of the robot arm 2 angle encoders, ie angle measuring devices originate.
  • the orientation of the last member 31 of the robot arm 2 can be expressed, for example, with three angles ⁇ , ⁇ ,,, where ⁇ the azimuth angle, ie the angle between the positive x-axis of the coordinate system S and the projection of the last member of the robot arm 2 in the x, y-plane of the coordinate system S, while the angle ⁇ may be the so-called polar angle, ie the angle between the positive z-axis of the coordinate system S and the last member of the robot arm, ⁇ has a value in such a system between 0 and ⁇ (0 degrees to 180 degrees), and ⁇ has a value between 0 and 2 ⁇ (0 degrees to 360 degrees), both angles are measured counterclockwise, ⁇ denotes a rotation about the longitudinal axis of the last one 2 of the robot arm 2.
  • the retroreflector 25 is attached to the end of the last link 31, and I is the length of the encoder 29, and is an interaction region of the encoder 29 with the surface 30 symmetrical with respect to a central axis of the last member 31, eg a point lying on the central axis, so that a change of the angle ⁇ does not change the interaction region, coordinates x W w, yww and zww of a center of the interaction region in the result Coordinate S to CpCOS ⁇
  • Xmess, Ymess and z me ss are the coordinates of the retroreflector 25 determined by the apparatus 1, ie the end point of the last member 31.
  • the angle ⁇ must therefore not be used. If another element, for example a tool with an elongated interaction region, is used instead of the transducer 29 with a substantially punctiform interaction region with the surface 30, the position of such an interaction region can be determined with additional use of the angle ⁇ .
  • the encoder 29 is determined with the surface 30, the surface 30 in the coordinate system S of the device 1 can be measured accurately and the data thus obtained, for example, CAD data, or more generally a specification compared.
  • the surface 30 is fixedly clamped in the coordinate system S, for example by means of a tenter.
  • the length I is composed of the length of the encoder itself and the distance to the optical measured distance to the surface 30.
  • the length I is also from a position of a respective measuring pin or other sensor, where Position is determined by the encoder depends.
  • the encoder 29 itself may comprise one or more joints. In this case, angles of these joints as well as dimensions of the encoder are taken into account in the determination of the point of interaction when the retroreflector 25 is mounted on the last link or generally on the multi-axis kinematics as shown in FIG.
  • the retroreflector 25 can be attached to a corresponding end of the encoder, and in addition to the control data of the multi-axis kinematics and angular data of the encoder are then taken into account for determining the interaction position.
  • a tool may be attached to the last member 31 of the robot arm, for example a cutting tool, a drilling tool or a welding tool.
  • the retroreflector 25 in Fig. 1 instead of the last member 31 can be mounted directly on the encoder 29.
  • control data of the robot arm 2 are also used to determine the orientation of the encoder 29. The same applies if a tool is used instead of the encoder.
  • a retroreflector 25 is attached to the last member 31 of the multi-axis kinematics, illuminating the retroreflector from a plurality of fixed locations and measuring the reflected light.
  • the illumination can also be directed by means of movable mirrors into a spatial region in which the retroreflector 25 is located, if the light cones 22 and 27 have an expansion which, without pivoting the light cones, is insufficient to illuminate the entire area of interest.
  • the reverse arrangement may also be used, that is, light may be directed from a last member of a multi-axis kinematics or other object to be measured to a plurality of fixed retroreflectors, and the reflected light may be measured, for example, by the same measurement principles Measure distances as described above to determine the position.
  • a corresponding embodiment will now be explained with reference to Figures 2-5.
  • a robot arm 40 which substantially corresponds to the robot arm 2 of Fig. 1, is shown.
  • the robot arm 40 has several axes in order to che he can be rotated or pivoted, and thus also represents a multi-axis kinematics.
  • a measuring element or a tool can be attached to a last link 41.
  • the position and orientation of the last member 41 are to be determined, that is, the last member 41 represents an object whose position and orientation is to be determined.
  • a measuring device 42 is mounted on the last link 41, which measures by optical measurement distances to retroreflectors 43, 44 and 45 as indicated by dashed lines.
  • the measuring device 42 can transmit light beams to the retroreflectors 43, 44, 45 and then detect light reflected back from the retroreflectors 43, 44 and 45.
  • retroreflectors instead of the retroreflectors, as already explained with reference to FIG. 1, other reflecting or scattering elements may also be provided.
  • the evaluation of the detected light and the determination of the position can be carried out by an evaluation unit 46.
  • the position of the measuring device 42 can be determined on the basis of the optical length measurements to the retroreflectors 43, 44, 45, while the orientation of the measuring device 42 and thus the portion 41 of control data of the robot arm 40 is obtained.
  • the measuring device 42 can measure the retroreflectors 43, 44, 45 in succession, that is to say sequentially.
  • the measuring device 42 comprises, for example, three separate measuring devices, each measuring device measuring one of the retroreflectors. An example of this is shown schematically in FIG. 3.
  • three measuring devices 51, 52, 53 which are symbolized by light cones, are arranged in a triangular shape 50.
  • the measuring devices 51, 52 and 53 can be arranged on a triangular plate, but can also be arranged on any other carrier.
  • the light cones of the measuring devices 51, 52 and 53 can be pivotable about a respective retroreflector, for example one of the retroreflectors 43, 44, 45, to be irradiated.
  • This configuration is characterized in particular by the fact that three lengths can be measured simultaneously. This is particularly advantageous if position and orientation during movement is to be measured. In such a configuration, three lengths, which are the distance of 3 pairs of different measuring devices, for example, the measuring devices 51,
  • retroreflectors 43, 44 and 45 measure the position to be calculated accurately only when the orientation of the coordinate system defined by the IVI devices is known to the coordinate system of the retroreflectors.
  • the measuring devices 51, 52 and 53 are identical to the measuring devices 51, 52 and 53.
  • 53 emitted light beams may be marked in various ways to allow a separation of the reflected light.
  • various modulations for example, different pulse rates, may be used, or different wavelengths may be used in conjunction with corresponding filters.
  • the emitted light beams can be emitted collimated or largely collimated, so that it is ensured that the light beams only illuminate exactly one retroreflector,
  • FIG. 4 An exemplary embodiment of an implementation of a measuring device such as one of the measuring devices 51, 52, 53 is shown schematically in FIG. 4.
  • a light source 60 for example a laser, generates a light beam 61.
  • the light beam 61 is directed to a mirror 63 via a light guide 62, for example a glass fiber.
  • the light source 60 may be disposed away from the mirror 63.
  • the mirror 63 may be disposed in the measuring device 42, while the light source 60 may even be disposed outside the robot arm 40.
  • the light source 60 may be a short pulse laser.
  • separate light sources 60 can be used.
  • a common light source 60 with a light beam generated by the light source 60, for example a laser beam, being split by beam splitters or other means.
  • optical elements can be split to provide light beams for three devices.
  • the mirror 63 is in the embodiment of Fig. 4, a movable mirror, which is movable via a device 64.
  • the mirror 63 may be an electro-electromechanical system, that is, an EMS mirror. In such mirrors, mechanical elements are integrated together with an actuator, for example on a silicon substrate.
  • the mirror 63 may be tiltable, for example, in two mutually perpendicular spatial directions.
  • a reflected beam 65 within the limits shown in FIG. 4 by dashed lines 68 may be adjusted, for example, to irradiate a desired retroreflector.
  • the adjustment range of the reflected beam 65 is typically in the range of plus minus 10 degrees.
  • a wide-angle optical system 66 may be provided, which is shown in FIG. 4 as a simple lens, but may also comprise a plurality of lenses or other optical elements.
  • an adjustment range of the beam 67 which has passed through the optics 66 can be increased, as indicated by dashed lines 69, in order to be able to detect a larger angular range.
  • Parts of the wide-angle optics 66 may also be arranged in front of the MEMS mirror so that the EMS mirror becomes part of the objective.
  • FIG. 4 are to be regarded as schematic and, for example, additional lenses, for example for collimating the laser beam 61 at the exit from the light guide 62, may be provided.
  • three retroreflectors 74, 75, 76 can be irradiated in this manner by three measuring devices 71, 72, 73 arranged in a triangular shape 70, which can be configured in each case as shown in FIG. 4, for example 77, 78, 79 measured by measuring the respective reflected beam.
  • the three lengths 77, 78, 79 for determining the position of the measuring device and thus of the object to which the measuring device is attached, for example the section 41 of FIG. 2 may be determined become.
  • the orientation can also be obtained from the position of the mirrors, for example the mirror 63 from FIG. 4, in such exemplary embodiments.
  • an angular position of the mirrors 63 in the measuring devices 71, 72, 73 in FIG. 5 can be derived, whereby the orientation of the triangle 70 can be obtained. If in each case the position of the respective mirror is detected in two mutually perpendicular axes, an emerging system of equations is even overdetermined, since basically three angles are sufficient to determine the orientation.
  • the mirror angle can either be taken from a mirror control or be measured directly by a coupled to the mirror measuring device, for example by detecting a reflected beam on the mirror.
  • a light beam such as the laser light beam 61 of FIG. 4 is widened to produce a cone of light
  • the center of the light cone need not exactly hit the respective retroreflector to measure, rather, there is a tolerance within the angular range of the light cone.
  • a deviation of the measuring beam from the center of the reflector can also result, for example, from the fact that the mirror is controlled digitally and thus can occupy only a limited number of positions. This can lead to a corresponding inaccuracy of the determination of the orientation based on the angular positions of the mirror.
  • mechanisms may be provided to correct for such a deviation. Such an embodiment will now be explained in more detail with reference to Figures 6 and 7.
  • FIG. 6 schematically shows a measuring device similar to the measuring device of FIG. 4.
  • a light beam 85 for example a laser beam
  • An optical waveguide for example a glass fiber 80
  • the beam collimated by the collimator 81 passes through a beam splitter 82 to a movable mirror 83 which directs the beam to a retroreflector 84.
  • Light reflected by the retroreflector 84 is in turn directed via the mirror 83 to the beam splitter 82 and from there to a detector 86.
  • the detector 86 may in particular be a quadrant detector, for example a quadrant diode.
  • a deviation of the measuring beam from the reflector center of the reflector 84 can then be detected and this deviation can be used to correct the orientation calculation on the basis of the angle of the mirror 83.
  • a wide-angle optical system such as the wide-angle optical system 66 from FIG. 4 may be provided, or in the exemplary embodiment of FIG. 4, a radiation interrupter and a detector such as beam splitter 82 and detector 86 may be provided.
  • a further detector and a further beam splitter can be provided for detecting the beam backscattered by the respective reflector for measuring the distance, as is also shown in FIG. 1 (beam splitter 5 and detector 13, beam splitter 7 and detector 14) ).
  • FIG. 7 shows a flow diagram of a method according to the invention, with which in embodiments such as the exemplary embodiments of FIGS. 4 and 3, light beams for position determination are directed through a movable mirror to a retroreflector or other reflector and the backscattered light is evaluated to determine a distance.
  • step 90 three distances are measured. This can be done in parallel with an arrangement with three measuring devices as shown in FIGS. 3 and 5, but can also proceed sequentially with a single measuring device, which, for example, by changing a mirror position of a movable mirror successively three different reflectors targeted.
  • step 92 the mirror angles in the measurement of the three distances from step 90 are detected.
  • step 93 a deviation of a used measuring beam from a reflector center, for example by means of a quadrant detector such as the detector 86 from FIG. 6, is optionally also detected.
  • step 94 the angle measurement performed in step 92 is corrected based on the deviation detected in step 93.
  • step 95 an orientation of the measuring device used and thus of the object to which the measuring device is attached is then determined on the basis of the corrected angle measurements.
  • a position is determined by trilateration based on the three distances and optionally the orientation from step 95.
  • the position in step 91 can be determined directly from the three distances measured in step 90 without the need for the orientation information.
  • the orientation is also used to determine the position of the measuring device and thus of the object based on the length measurements, as indicated by a dashed arrow is indicated in Fig. 7.
  • step 96 position and orientation are then output. Another possibility for determining an orientation of a measuring device or an object to which the measuring device is attached is shown in FIGS. 8 and 9.
  • FIG. 8 shows a measuring device which has three measuring devices 101, 102, 103, which are arranged in the form of a triangle 100.
  • the measuring devices 101, 102, 103 may be measuring devices as described with reference to FIGS. 3-6, which direct light to respective reflectors 104, 105, 106 by means of mirrors.
  • measuring devices 101, 102, 103 may also be provided without movable mirrors, in which a beam is, for example, expanded in such a way that it detects the respective reflector to be measured in a total desired movement space of the measuring device.
  • a single measuring device may be provided which measures, for example, successively three different retroreflectors ren.
  • a camera 110 is provided in the embodiment of FIG. 8, for example a digital camera with an image sensor such as a CCD sensor or a CMOS sensor.
  • fixed patterns 1 1, 1 2 are provided, which consist in the illustrated example of four luminous points, such as light emitting diodes. However, other patterns with, for example, more or less dots, other geometric shapes and / or non-luminous patterns are possible.
  • the patterns 111, 112 are recorded to determine the orientation of the measuring device with the camera 1 10.
  • An evaluation unit such as the evaluation unit 46 of FIG. 2 performs an image analysis to detect the patterns. For example, it can be deduced from a distortion of the pattern as a function of the viewing angle on the orientation of the measuring device.
  • the patterns 1 1 1, 112 may appear as viewed in a grader manner as shown in FIG. 9a, while they may appear obliquely as shown in FIG. 9b.
  • a camera is another possible source for obtaining data from which the position of the measuring device and thus of the object to which the measuring device is attached can be determined.
  • a measuring device may be equipped with a gravitational sensor and / or inertial sensor to determine the orientation, or a magnetic field sensor such as a SQUID may be provided, which detects the orientation relative to a predetermined, for example homogeneous, magnetic field. Combinations of the different possibilities can also be used.
  • a corresponding measuring device can also be attached to another object, for example a manually movable device such as a measuring device.
  • a robotic arm like FIGS. 1 and 2 can also be moved as a whole in space, for example, by mounting on a movable platform.
  • the length measurements described can be carried out, for example, based on interferometry as described, in particular heterodyne interferometry, based on tunable lasers and / or based on pulsed lasers.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

The invention relates to a method and device wherein a position at a segment (31) of a multi-axis kinematic linkage (2) is determined by an optical measurement, and the orientation of the segment (31) is obtained on the basis of control data of the multi-axis kinematic linkage (2). For other embodiment examples, the position and orientation of other objects can be determined and/or other data can be used as control data for determining the orientation.

Description

Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Orientierung und Position eines Objekts  Methods and devices for determining the orientation and position of an object
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Orientierung und Position eines Objekts, beispielsweise eines Punktes an einer Meh- rachskinematik, d.h. eines Punktes einer Mehrachskinematik oder eines Punktes eines an der Mehrachskinematik angebrachten Gegenstandes. The present invention relates to methods and apparatus for determining the orientation and position of an object, such as a point on a multi-axis kinematics, i. a point of a multi-axis kinematics or a point of an object attached to the multi-axis kinematics.
Unter einer Mehrachskinematik wird dabei eine Vorrichtung verstanden, bei welcher Bewegungen durch eine Mehrzahl von miteinander gekoppelten Achsen realisiert werden können. Beispiele für derartige Mehrachskinematiken sind Roboterarme, wobei an den Enden derartiger Roboterarme oder auch an anderen Punkten der Roboterarme Messgeber, Werkzeuge und dergleichen befestigt sein können. A multi-axis kinematics is understood to mean a device in which movements can be realized by a plurality of axes coupled to one another. Examples of such multi-axis kinematics are robot arms, wherein at the ends of such robot arms or at other points of the robot arm encoders, tools and the like may be attached.
Zum Vermessen von Objekten mit derartigen Messgebern bzw. zum Bearbeiten von Objekten mit derartigen Werkzeugen ist es je nach Messgeber bzw. Werkzeug nötig, die Position des Punktes der Mehrachskinematik, an welchem der Messgeber bzw. das Werkzeug angebracht ist, sowie die Orientierung der Mehrachskinematik an diesem Punkt, welche dann die Orientierung des Messgebers bzw. Werkzeugs beein- flusst, genau zu kennen. For measuring objects with such encoders or for processing objects with such tools, it is necessary, depending on the encoder or tool, the position of the point of the multi-axis kinematics on which the encoder or the tool is mounted, and the orientation of the multi-axis kinematics This point, which then influences the orientation of the encoder or tool, to know exactly.
Ein spezielles Beispiel für derartige Vorrichtungen mit Mehrachskinematik sind industrielle Koordinatenmessmaschinen, bei welchen am Ende eines Roboterarms ein taktiler oder optischer Sensor angebracht ist, mit welchem eine Oberfläche eines Objekts vermessen werden kann. Um aus dem Signal des taktilen oder optischen Messgebers auf die Koordinaten des gerade vermessenen Punktes Rückschlüsse ziehen zu können, ist dabei eine Kenntnis von Position und Orientierung des Messgebers, welche wiederum von Position und Orientierung einer Punktes des Roboterarms, an welchem der Messgeber angebracht ist, abhängt, zu kennen. Grundsätzlich ist eine Bestimmung von Position und Orientierung auf Basis von Steuerdaten der Mehrachskinematik möglich. Bei typischen Winkelauflösungen im Bereich von 0,00005 Grad bis 0,0002 Grad ergeben sich bei einer typischen Meh- rachskinematik mit 6 Achsen eine Genauigkeit der Bestimmung von Position von ungefähr +/- 0,025 mm. Dies ist für manche Anwendungen wie beispielsweise für die oben erwähnten Koordinatenmessmaschinen zu ungenau. Daher wurden Verfahren und Vorrichtungen entwickelt, bei denen die Position beispielsweise eines Endpunktes eines Roboterarms mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. A particular example of such multi-axis kinematics devices are industrial coordinate measuring machines in which a tactile or optical sensor is mounted on the end of a robotic arm to measure a surface of an object. In order to be able to draw conclusions about the coordinates of the point being measured from the signal from the tactile or optical sensor, it is necessary to know the position and orientation of the sensor, which in turn depends on the position and orientation of a point of the robot arm to which the sensor is attached. depends on knowing. Basically, a determination of position and orientation based on multi-axis kinematics control data is possible. At typical angular resolutions in the range of 0.00005 degrees to 0.0002 degrees, in a typical multiple 6-axis rachskinematik an accuracy of determination of position of about +/- 0.025 mm. This is too imprecise for some applications, such as the coordinate measuring machines mentioned above. Therefore, methods and devices have been developed in which the position of, for example, an end point of a robot arm can be determined with high accuracy.
Die Realisierung von Vorrichtungen und Verfahren, bei denen Positionen in Räumen von einigen Metern Länge mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich bestimmt wird, stellt dabei eine technische Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere, wenn Positionen mit einer hohen Rate und kurzen Signalverarbeitungszeit bestimmt werden sollen, um eine Positionsbestimmung in Echtzeit zu ermöglichen, und eine Jus- tage von Komponenten der Messvorrichtung möglichst einfach vornehmbar sein soll. The realization of devices and methods in which positions in spaces of a few meters in length is determined with an accuracy in the micrometer range, thereby posing a technical challenge. This is especially true when positions are to be determined at a high rate and short signal processing time to a To enable position determination in real time, and a Jus- days of components of the measuring device should be as simple vornehmbar.
Lasertracker, die die Bestimmung der drei Raumkoordinaten eines Objekts ermöglichen, kombinieren ein Laserweglängenmessgerät mit einem hochpräzisen, doppel- kardanisch aufgehängten Umlenkspiegel. Aus dem gemessenen Abstand und den beiden Ablenkwinkeln des Umlenkspiegels kann die Objektposition bestimmt werden. Derartige Lasertracker erfordern jedoch eine präzise Steuerung der Umlenkspiegel und eine genaue Kenntnis des jeweiligen Ablenkwinkels des Umlenkspiegels. Die entsprechende Akto k stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar. Laser trackers, which allow the determination of the three spatial coordinates of an object, combine a laser path length measuring device with a high-precision, double-cardanically mounted deflection mirror. From the measured distance and the two deflection angles of the deflection mirror, the object position can be determined. However, such laser trackers require precise control of the deflection mirror and accurate knowledge of the respective deflection angle of the deflection mirror. The corresponding Akto k represents a significant cost factor.
Bei geometrisch optischen Verfahren wird beispielsweise eine am Objekt befestigte Lichtquelle mit mindestens zwei Kameras beobachtet und daraus die Objektposition mittels Triangulation bestimmt. Diese Verfahren werden jedoch häufig ungenau, wenn der Abstand von Kamera zu Objekt stark variiert. In geometrically optical methods, for example, a light source fixed to the object is observed with at least two cameras, and from this the object position is determined by means of triangulation. However, these methods often become inaccurate when the distance from camera to object varies greatly.
Aus der DE 101 18 392 A1 ist ein System und ein Verfahren zum Bestimmen einer Position zweier Objekte zueinander bekannt. Das Verfahren verwendet die Kohärenzeigenschaften von Laserstrahlung zur Abstandsermittiung, bei der mehrere Lichtstrahlen kohärent überlagert werden. DE 101 18 392 A1 discloses a system and a method for determining a position of two objects relative to one another. The method uses the coherence properties of laser radiation for distance detection, in which several light beams are coherently superimposed.
Laserwegiängenmessgeräte erlauben die Bestimmung eines Abstands eines Ob- jekts. In K. Minoshima and H. Matsumoto,„High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512-5517 (2000) wird eine Distanzmessung unter Verwendung von Frequenzkämmen beschrieben. Die Messung kann zwar mit hoher Genauigkeit erfolgen, ist aber auf eine Dimension beschränkt. Laser displacement gauges allow the determination of a distance of an object. In K. Minoshima and H. Matsumoto, "High-accuracy measurement of 240-meter distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512-5517 (2000 ), a distance measurement is used described by frequency combs. Although the measurement can be done with high accuracy, but limited to one dimension.
Die oben erwähnten Verfahren liefern dabei lediglich eine Position eines Punktes einer Mehrachskinematik, ergeben jedoch keine Informationen über dessen Orientierung. The above-mentioned methods merely provide one position of a multi-axis kinematics point, but provide no information about its orientation.
Aus der DE 10 2004 021 892 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher zur Bestimmung einer Position und einer Orientierung nacheinander 6 verschiedene Retro- reflektoren mittels eines sogenannten Lasertrackers angemessen werden. Ein derartiges System ist jedoch messtechnisch relativ aufwendig. A device is known from DE 10 2004 021 892 A1, in which, to determine a position and an orientation, successively 6 different retro-reflectors are adapted by means of a so-called laser tracker. However, such a system is relatively expensive metrology.
Es ist daher eine Aufgabe, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, wobei Position und Orientierung eines Punktes einer Mehrachskinematik auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. It is therefore an object to provide methods and apparatuses wherein position and orientation of a multi-axis kinematics point can be easily determined with high accuracy.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 1 1 . Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren und Vorrichtungen. This object is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 11. The dependent claims define further embodiments of methods and devices according to the invention.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bereitgestellt, umfassend: According to the invention, a method is provided, comprising:
Bestimmen einer Position eines Objekts durch eine optische Messung, Determining a position of an object by an optical measurement,
und and
Bestimmen einer Orientierung auf Basis von Daten, welche aus einer Quelle gewon- nen sind, welche sich von der optischen Messung unterscheidet.  Determining an orientation based on data obtained from a source different from the optical measurement.
Durch Kombination einer optischen Messung der Position mit der aus den Daten der Quelle gewonnenen Orientierung kann eine hohe Genauigkeit bei gleichzeitig reduziertem Messaufwand erzielt werden. By combining an optical measurement of the position with the orientation obtained from the data of the source, a high accuracy can be achieved with simultaneously reduced measuring effort.
Die optische Messung kann insbesondere eine optische Längenmessung sein. Die Quelle kann sich dann insbesondere von einer optischen Längenmessung unterscheiden. The optical measurement can be in particular an optical length measurement. The source can then differ in particular from an optical length measurement.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Objekt ein Abschnitt einer Mehrachskinematik oder ein an einem Abschnitt einer Mehrachskinematik angebrachtes Objekt. In die- sem Fall kann die Quelle beispielsweise eine Steuerung der Mehrachskinematik sein, und die Daten können Steuerdaten der Mehrachskinematik sein. In one embodiment, the object is a multi-axis kinematics section or an object attached to a multi-axis kinematics section. In the- In this case, for example, the source may be multi-axis kinematics control, and the data may be multi-axis kinematics control data.
Die Steuerdaten können dabei beispielsweise Daten eines Steuerprogramms der Mehrachskinematik oder von von in der Mehrachskinematik eingebauten Winkelge- bem gewonnene Daten sein. The control data can be, for example, data from a multi-axis kinematics control program or data obtained from multi-axis kinematics.
Das Objekt kann einem Punkt der Mehrachskinematik entsprechen, und an dem Punkt kann ein Messgeber oder ein Werkzeug angebracht sein. In diesem Fall kann das Verfahren zudem ein Bestimmen einer Endposition des Messgebers bzw. des Werkzeugs auf Basis der Orientierung bei dem Punkt und der Position des Punktes ermöglichen. The object may correspond to a multi-axis kinematics point, and at the point a transducer or tool may be mounted. In this case, the method may further enable determining an end position of the encoder or tool based on the orientation at the point and the position of the point.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird bei der optischen Messung über einen oder mehrere bewegliche Spiegel Licht, beispielsweise Laserlicht, in einen gewünschten Raumbereich gelenkt und aus dem gewünschten Raumbereich reflektiertes Licht gemessen, um eine Distanz zur Positionsbestimmung zu gewinnen. Beispielsweise kann das Licht ausgehend von einem Abschnitt einer Mehrachskinematik zu feststehenden Retroreflektoren gelenkt werden und das von den Retroreflektoren zurückgestreute Licht gemessen werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann Licht von ortsfesten Messeinrichtungen zu einem an einer Mehrachskinematik oder einem anderen Objekt angebrachten Retroreflektor gelenkt werden. In another embodiment, in the optical measurement via one or more movable mirrors, light, for example laser light, is directed into a desired spatial area and light reflected from the desired spatial area is measured in order to obtain a distance for determining the position. For example, starting from a section of multi-axis kinematics, the light can be directed to fixed retroreflectors and the light backscattered by the retroreflectors can be measured. In other embodiments, light from stationary measuring devices may be directed to a retroreflector mounted on a multi-axis kinematics or other object.
Bei derartigen Ausführungsbeispielen können die ein oder mehreren beweglichen Spiegel als Quelle dienen, und die Daten können Stellungen der Spiegel beschreiben, aus welchen dann wiederum die Orientierung gewonnen werden kann. In such embodiments, the one or more movable mirrors may serve as a source, and the data may describe positions of the mirrors from which, in turn, the orientation may be obtained.
Dabei kann zur Korrektur der so gewonnenen Winkeldaten eine Abweichung des zurückreflektierten Lichtstrahls von einem Sollwert herangezogen werden, wobei zur Ermittlung der Abweichung beispielsweise eine Quadrantendiode verwendet werden kann. In this case, a deviation of the reflected light beam from a desired value can be used to correct the angular data thus obtained, wherein for determining the deviation, for example, a quadrant diode can be used.
Bei wieder anderen Ausführungsbeispieien kann die Orientierung auf Basis einer Bildanalyse eines von einer als Quelle dienenden Kamera aufgenommenen Bildes gewonnen werden, beispielsweise eines Bildes, welches ortsfeste Muster ausgehend von einem beweglichen Objekt, beispielsweise einem Abschnitt einer Mehrachskinematik, aufnimmt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können zur Bestimmung der Orientierung andere Arten von Sensoren, beispielsweise Gravitationssensoren, Trägheitssensoren und/oder Magnetfeldsensoren als Quelle verwendet werden. In still other embodiments, the orientation may be obtained based on an image analysis of an image taken by a source camera, such as an image that captures stationary patterns from a moving object, such as a multi-axis kinematics section. In other embodiments, other types of sensors, such as gravitational sensors, inertial sensors, and / or magnetic field sensors may be used as the source for determining the orientation.
Weitere, teilweise optionale oder fakultative Merkmale und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Further, partially optional or optional features and properties will become apparent from the following description of exemplary embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. 1 shows an embodiment of a device according to the invention,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäfien Vorrichtung, 2 shows a further embodiment of a device according to the invention,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, 3 shows an embodiment of a measuring device according to the invention,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, 4 shows an embodiment of a measuring device according to the invention,
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, 5 shows a further embodiment of a measuring device according to the invention,
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, 6 shows an embodiment of a measuring device according to the invention,
Fig. 7 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 7 is a flowchart illustrating an embodiment of a method according to the invention,
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, und 8 shows a further embodiment of a measuring device according to the invention, and
Figuren 9a und 9b Schemadiagramme zur Veranschaulichung der Funktions- weise des Ausführungsbeispiels der Fig. 8. FIGS. 9a and 9b are schematic diagrams for illustrating the mode of operation of the embodiment of FIG. 8.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Anwendung ein Roboterarm 2 verwendet, welcher ein Beispiel für eine Mehrachskinematik ist. Wie im Folgenden detaillierter erläutert ist an einem letzten Glied 31 des Roboterarms 2 ein Retroreflektor 25 angebracht, dessen Position auf optische Weise bestimmt wird. Ferner ist an dem letzten Glied 31 des Roboterarms ein Messgeber 29 angebracht, beispielsweise ein optischer oder ein taktiler Messgeber, z.B. ein Taststift, mit welchem eine Oberfläche 30 vermessen wird. In the embodiment shown in Fig. 1 is used as an application robot arm 2, which is an example of a multi-axis kinematics. As explained in more detail below, a retroreflector 25 is mounted on a last member 31 of the robot arm 2, the position of which is optically determined. Furthermore, a transducer 29 is attached to the last member 31 of the robot arm, For example, an optical or a tactile encoder, such as a stylus, with which a surface 30 is measured.
Eine Vorrichtung 1 dient zum optischen Bestimmen der Position des Retroreflektors 25. Es ist zu bemerken, dass die dargestellte Vorrichtung 1 lediglich als Beispiel zu verstehen ist, und bei anderen Ausführungsbeispielen andere Vorrichtungen, beispielsweise herkömmliche Lasertracker, verwendet werden können, um die Position eines Punktes des Roboterarms 2, beispielsweise des Punktes, an welchem der Ret- roreflektor 25 und der essgeber 29 angebracht ist, auf optische Weise zu bestim- men. A device 1 serves to optically determine the position of the retroreflector 25. It should be noted that the illustrated device 1 is to be understood as an example only, and in other embodiments, other devices, such as conventional laser trackers, may be used to determine the position of a point of the robot arm 2, for example the point at which the retractive reflector 25 and the dispenser 29 are mounted, in an optical way.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtquelle 3, die mit einer Repetitionsrate eine Folge kurzer Lichtpulse erzeugt, eine Lichtlenkeinrichtung, die durch eine Mehrzahl von optischen Elementen 4-9 ausgebildet ist, ein Paar von Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 mit einem ersten Referenzsignaldetektor 1 und einem zweiten Referenzsignaldetektor 12, eine Detektoranordnung mit mehreren optischen Detektoren 13, 14 und eine Auswerteschaltung 15. Die Lichtlenkeinrichtung empfängt die Folge von Lichtpulsen und lenkt die Folge von Lichtpulsen zu dem Paar von Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 und in einen aligemein mit 28 bezeichneten Raumbereich, in dem die Po- sition des an dem Roboterarm 2 angebrachten Reflektors 25 bestimmt werden soll. Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend das von der Lichtlenkeinrichtung zu den Referenzsignaldetektoren 11 , 12 und in den Raumbereich 28 gelenkte Licht e- benfalls als die Folge von Lichtpulsen bezeichnet, wobei ersichtlich ist, dass jeweils nur ein Anteil der von der Lichtquelle 2 erzeugten Lichtpulsintensität zu den Refe- renzsignaldetektoren 1 1 , 12 bzw. in den Raumbereich 28 gelenkt wird. Die Folge von Lichtpulsen wird in dem Raumbereich von dem an dem Roboterarm 2 angeordneten Reflektor 25 reflektiert. Die reflektierte Folge von Lichtpulsen wird von den Detektoren 13, 14 erfasst. Die Auswerteschaltung 15 ermittelt aus den Signalen von den Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12, die an einem Referenzsignaleingang 16 empfangen werden, und aus den Signalen von den Detektoren 13, 14 eine Phaseniage von Signalkomponenten der an den Detektoren 13, 14 erfassten Lichtsignale, die in einer Beziehung zur Laufzeit der Lichtpulse in dem Raumbereich 28 und somit zum Abstand des Reflektors 25 von verschiedenen Elementen der Lichtlenkeinrichtung steht. Auf diese Weise kann die Position des Reflektors 25 ermittelt werden. Die Er- mittlung der Phasenlage durch die Auswerteschaitung 15 beruht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf Signalkomponenten der an den Detektoren 13, 14 er- fassten Lichtsignale, die eine Frequenz aufweisen, die ein Vielfaches der Repetiti- onsrate ist. The device 1 comprises a light source 3 which generates a sequence of short light pulses at a repetition rate, a light-deflecting device formed by a plurality of optical elements 4-9, a pair of reference-signal detectors 11, 12 having a first reference-signal detector 1 and a second one Reference signal detector 12, a detector arrangement with a plurality of optical detectors 13, 14 and an evaluation circuit 15. The light-deflecting device receives the sequence of light pulses and directs the sequence of light pulses to the pair of reference signal detectors 1 1, 12 and into an area generally designated 28 in which the position of the reflector 25 attached to the robot arm 2 is to be determined. For reasons of simplicity, the light guided by the light-directing device to the reference signal detectors 11, 12 and into the spatial region 28 will hereinafter also be referred to as the sequence of light pulses, it being understood that in each case only a portion of the light pulse intensity generated by the light source 2 the reference signal detectors 1 1, 12 or in the space area 28 is directed. The sequence of light pulses is reflected in the spatial area by the reflector 25 arranged on the robot arm 2. The reflected sequence of light pulses is detected by the detectors 13, 14. The evaluation circuit 15 determines from the signals from the reference signal detectors 1 1, 12, which are received at a reference signal input 16, and from the signals from the detectors 13, 14, a Phaseniage of signal components of the detected light at the detectors 13, 14 in a light Relationship to the duration of the light pulses in the space region 28 and thus the distance of the reflector 25 from different elements of the light-guiding device is. In this way, the position of the reflector 25 can be determined. The determination of the phase position by the evaluation circuit 15 is based in the illustrated embodiment on signal components of the detectors 13, 14. detected light signals that have a frequency which is a multiple of the repetition rate.
Die Detektoren 13, 14 und Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 sind beispielsweise als Fotodetektoren ausgestaltet und erfassen die einfallende Lichtintensität. The detectors 13, 14 and reference signal detectors 1 1, 12 are designed for example as photodetectors and detect the incident light intensity.
Während in Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei Strahlteifer 5, 7, von denen aus Licht in den Raumbereich 28 gelenkt wird, und zwei diesen zugeordnete Detektoren 13, 14 dargestellt sind, kann Licht auch von mehr als zwei unterschiedli- chen Positionen aus in den Raumbereich gelenkt werden, in dem die Position des Objekts bestimmt werden soll. Sollen alle drei räumlichen Koordinaten des Retro- reflektors 25 bestimmt werden, kann die Folge von Lichtpulsen von wenigstens einer weiteren Einstrahlposition aus in den Raumbereich 28 gelenkt werden, die nicht auf einer Geraden angeordnet ist, die durch die Strahldurchtrittspunkte an den Strahltei- lern 5 und 7 definiert ist. While in FIG. 1, for the sake of clarity, only two radiation fans 5, 7, from which light is directed into the spatial region 28, and two detectors 13, 14 associated therewith, light can also project from more than two different positions be directed into the space area in which the position of the object is to be determined. If all three spatial coordinates of the retro-reflector 25 are to be determined, the sequence of light pulses can be directed from at least one further irradiation position into the spatial region 28, which is not arranged on a straight line passing through the beam passing points at the beam dividers 5 and 7 is defined.
Die Funktionsweise der verschiedenen Komponenten der Vorrichtung 1 wird nachfolgend näher erläutert. Die Lichtquelle 3 erzeugt ein optisches Signal, das mit einer periodischen Funktion moduliert ist und das eine Grundfrequenz fO sowie ausgeprägte Anteile von Oberwellen der Grundfrequenz fO, d.h. ausgeprägte Frequenzkomponenten mit Frequenzen aufweist, die Vielfache von fO sind. Ein solches Signal wird beispielsweise durch einen Kurzpulslaser erzeugt, der eine Folge von Lichtpulsen in einem wohldefinierten zeitlichen Abstand T0=1/f0, d.h. mit einer Repetitionsrate fO, erzeugt, wobei die Dauer jedes Pulses kurz ist im Vergleich zum zeitlichen Abstand TO zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen. The operation of the various components of the device 1 will be explained in more detail below. The light source 3 generates an optical signal which is modulated with a periodic function and which has a fundamental frequency f0 and distinct portions of harmonics of the fundamental frequency f0, i. has distinct frequency components with frequencies that are multiples of f0. Such a signal is generated, for example, by a short pulse laser which produces a train of light pulses at a well-defined time interval T0 = 1 / f0, i. with a repetition rate f0, wherein the duration of each pulse is short in comparison to the time interval TO between successive pulses.
Die Dauer jedes Lichtpulses kann im Vergleich zu dem Zeitabstand TO zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen sehr klein sein, beispielsweise von der Größenordnung 1 -1 Cf5. Bei der Vorrichtung 3 können die Repetitionsrate fO und die Zeitdauer jedes Pulses geeignet in Abhängigkeit von einer gewünschten Messgenauigkeit bei der Ortsbestimmung, einer anfänglichen Unsicherheit über die Position des Objekts, und der Signalkomponente des an den Detektoren 13, 14 detektierten Lichtsignals, für die eine Phasenlage bestimmt werden soll, oder in Abhängigkeit von weiteren Faktoren gewählt werden. Soli zur Bestimmung der Phasendifferenz die n-te Oberwelle von fO verwendet werden, werden die Dauer jedes Lichtpulses und der Zeitab- stand TO zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpuisen so gewählt, dass die von der Lichtquelle 3 ausgegebene Folge von Lichtsignalen noch ein ausreichendes spektrales Gewicht bei der Frequenz n fO aufweist. Die Lichtpulse können eine Folge von Rechteckspulsen bilden. Es können ebenso andere geeignete Pulsformen gewählt werden, beispielsweise das Quadrat eines hyperbolischen Secans oder eine Gauss- funktion. The duration of each light pulse can be very small compared to the time interval TO between successive light pulses, for example of the order of 1 -1 Cf 5 . In the device 3, the repetition rate f0 and the duration of each pulse may be suitably dependent on a desired measurement accuracy in the position determination, an initial uncertainty about the position of the object, and the signal component of the light signal detected at the detectors 13, 14, for the one phase position should be determined, or chosen depending on other factors. If the nth harmonic of f0 is used to determine the phase difference, the duration of each light pulse and the time interval are used. stand TO between successive Lichtpuisen chosen so that the output from the light source 3 sequence of light signals still has a sufficient spectral weight at the frequency n fO. The light pulses can form a series of rectangular pulses. Other suitable pulse shapes may also be chosen, for example the square of a hyperbolic secant or a Gaussian function.
Eine entsprechende Folge von Lichtpulsen kann von verschiedenen Lasern erzeugt werden, die für die Erzeugung kurzer Lichtpulse eingerichtet sind. Insbesondere können optische Frequenzsynthesizer verwendet werden. Beispielsweise kann ein elektrisch gepumpter Diodenlaser, z.B. ein gütegeschalteter Laser, ein verstärkungs- geschalteter (gain switched) Laser, ein aktiv oder passiv modengekoppelter Laser oder ein Laser mit hybrider Modenkopplung, oder ein modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) als Lichtquelle 3 verwendet werden. Es kann auch ein optisch gepumpter Laser, beispielsweise ein passiv modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit externem vertikalen Resonator (Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers, VECSEL) oder ein auf photonische-Kristallfasern basierender Laser (photonic-crystal-fiber laser) als Lichtquelle 3 verwendet werden. Beispielhafte Puls- dauern der Lichtquelle 3 liegen in einem Bereich von 100 fs und 100 ps. Beispielhafte Repetitionsraten liegen in einem Bereich von 50 MHz bis 50 GHz. Beispielhafte mittlere Leistungen liegen in einem Bereich von 1 mW bis 10 W. Beispielhafte Werte für den Pulsjitter liegen zwischen 10 fs und 1 ps Effektivwert (quadratischer Mittelwert). A corresponding sequence of light pulses can be generated by different lasers, which are set up for the generation of short light pulses. In particular, optical frequency synthesizers can be used. For example, an electrically pumped diode laser, e.g. a Q-switched laser, a gain-switched laser, an active or passive mode-locked laser or a hybrid mode-locked laser, or a vertical-cavity surface-emitting vertical-cavity emitting laser (VCSEL) may be used as the light source 3 , Also, an optically pumped laser, such as a passive mode-locked external vertical cavity (VECSEL) surface-emitting laser or a photonic-crystal-fiber laser may be used as the light source 3. Exemplary pulse durations of the light source 3 are in a range of 100 fs and 100 ps. Exemplary repetition rates range from 50 MHz to 50 GHz. Exemplary average powers are in a range of 1 mW to 10 W. Exemplary values for the pulse jitter are between 10 fs and 1 ps effective value (root mean square).
Wie in Fig. 1 dargestellt, wird die von der Lichtquelle 3 ausgegebene Folge von Lichtpulsen von der Lichtlenkeinrichtung zu den Referenzsignaldetektoren 11 , 12 und in den Raumbereich 28 gelenkt. Die Lichtlenkeinrichtung umfasst bei der Vorrichtung 1 mehrere Strahlteiler 4, 5 und 7, einen Spiegel 6 und Strahlaufweiter 8, 9, die den Strahlteilern 5 bzw. 7 zugeordnet sind. Der Strahlteiler 4 empfängt die Folge von Lichtpulsen von der Lichtquelle 3. Ein Teilstrahl 20 der Folge von Lichtpulsen wird von dem Strahlteiler 4 als Referenzsignal zu den Referenzsignaidetektoren 11 , 12 gelenkt. Falls erforderlich, kann auch dem Strahlteiler 4 ein optisches Element zur Strahlaufteilung, insbesondere ein Strahlteiler, nachgeordnet sein um sicherzustel- len, dass der Teilstrahl 20 sowohl auf den Referenzsignaldetektor 1 1 als auch auf den Referenzsignaldetektor 12 trifft. Ein weiterer Teilstrahl der Folge von Lichtpulsen wird von dem Strahlteiler 4 transmittiert und trifft auf den Strahlteiler 5. Der Strahltei- ler 5 lenkt einen Teilstrahl 21 der Folge von Lichtpulsen über den Strah [aufweiter 8 in den Raumbereich 28, wobei der Strahlaufweiter 8 den Teilstrahl 21 zu einem Lichtkegel 22 aufweitet. Ein weiterer Teilstrahl wird von dem Strahlteiler 5 transmittiert und über den Spiegel 6 auf den Strahlteiler 7 gelenkt. Der Strahiteiler 7 lenkt einen Teilstrahl 26 der Folge von Lichtpulsen über den Strahlaufweiter 9 in den Raumbereich 28, wobei der Strahlaufweiter 9 den Teilstrahl 26 zu einem Lichtkegel 27 aufweitet. Ein von dem Strahlteiler 7 transmittierter Anteil des von dem Spiegel 6 empfangenen Lichtstrahls kann über einen in Fig. 1 nicht dargestellten weiteren Strahlteiler in Richtung des Raumbereichs 28 gelenkt werden. Der Raumbereich 28, in dem die Position des Objekts bestimmt werden kann, entspricht dem Überlappungsbereich der verschiedenen Lichtkegel 22, 27. Falls die Folge von Lichtpulsen von mehr als drei Positionen aus in Richtung des Raumbereichs gelenkt wird, in dem die Objektposition bestimmt werden soll, ist der Raumbereich, in dem eine Bestimmung der Objektposition möglich ist, die Vereinigung aller Überlappungsbereiche von wenigs- tens drei verschiedenen Lichtkegeln, die ausgehend von wenigstens drei Ausgangspunkten eingestrahlt werden, die nicht auf einer Geraden liegen. As shown in FIG. 1, the sequence of light pulses output from the light source 3 is directed by the light directing means to the reference signal detectors 11, 12 and into the space portion 28. The light-directing device comprises in the device 1 a plurality of beam splitters 4, 5 and 7, a mirror 6 and beam expander 8, 9, which are associated with the beam splitters 5 and 7, respectively. The beam splitter 4 receives the sequence of light pulses from the light source 3. A sub-beam 20 of the sequence of light pulses is directed by the beam splitter 4 as a reference signal to the reference signal detectors 11, 12. If necessary, an optical element for beam splitting, in particular a beam splitter, can also be arranged downstream of the beam splitter 4 in order to ensure that the sub-beam strikes both the reference signal detector 1 1 and the reference signal detector 12. Another sub-beam of the sequence of light pulses is transmitted by the beam splitter 4 and impinges on the beam splitter 5. The beam 5 directs a partial beam 21 of the sequence of light pulses over the beam 8 into the spatial region 28, wherein the beam expander 8 expands the partial beam 21 into a light cone 22. Another partial beam is transmitted by the beam splitter 5 and directed to the beam splitter 7 via the mirror 6. The beam splitter 7 deflects a partial beam 26 of the sequence of light pulses via the beam expander 9 into the spatial region 28, wherein the beam expander 9 expands the partial beam 26 into a cone of light 27. A portion of the light beam received by the mirror 6, which is transmitted by the beam splitter 7, can be directed in the direction of the spatial region 28 via a further beam splitter (not shown in FIG. 1). The space area 28 in which the position of the object can be determined corresponds to the overlapping area of the different light cones 22, 27. If the sequence of light pulses is directed from more than three positions in the direction of the area in which the object position is to be determined, is the space area in which a determination of the object position is possible, the union of all overlapping areas of at least three different light cones, which are radiated from at least three starting points that are not on a straight line.
Die über den Strahiteiler 5 und den Lichtaufweiter 8 in dem Lichtkegel 22 in den Raumbereich 28 gelenkte Folge von Lichtpulsen trifft auf den Retroreflektor 25 und wird von diesem zurück in Richtung des Lichtaufweiters 8 reflektiert. Das von dem Retroreflektor 25 zurück in Richtung des Lichtaufweiters 8 reflektierte Licht bildet ein erstes Lichtsignal 23, das über den Lichtaufweiter 8 und den Strahlteiler 5 auf den Detektor 13 gelenkt wird. Die über den Strahlteiler 7 und den Lichtaufweiter 9 in dem Lichtkegel 26 in den Raumbereich 28 gelenkte Folge von Lichtpulsen trifft auf den Retroreflektor 25 und wird von diesem zurück in Richtung des Lichtaufweiters 9 reflektiert. Das von dem Retroreflektor 25 zurück in Richtung des Lichtaufweiters 9 reflektierte Licht bildet ein zweites Lichtsignal 24, das über den Lichtaufweiter 9 und den Strahlteiler 7 auf den Detektor 14 gelenkt wird. Wenn der Retroreflektor 25 im Lichtkegel weiterer Kombinationen von Strahlteiler, Lichtaufweiter und Detektor an- geordnet ist, werden von dem Retroreflektor 25 aus entsprechend weitere Lichtsignale reflektiert, die über den Lichtaufweiter und Strahlteiler auf den entsprechenden Detektor gelenkt werden. The sequence of light pulses directed via the beam divider 5 and the light expander 8 in the light cone 22 into the spatial region 28 strikes the retroreflector 25 and is reflected by it back in the direction of the light expander 8. The light reflected back from the retroreflector 25 in the direction of the light expander 8 forms a first light signal 23, which is directed onto the detector 13 via the light expander 8 and the beam splitter 5. The sequence of light pulses directed via the beam splitter 7 and the light expander 9 in the light cone 26 into the spatial region 28 strikes the retroreflector 25 and is reflected by it back in the direction of the light expander 9. The light reflected by the retroreflector 25 back in the direction of the light expander 9 forms a second light signal 24, which is directed onto the detector 14 via the light expander 9 and the beam splitter 7. If the retroreflector 25 is arranged in the light cone of further combinations of beam splitter, light expander and detector, correspondingly further light signals are reflected by the retroreflector 25, which light signals are directed to the corresponding detector via the light expander and beam splitter.
Die die Folge von Lichtpulsen in den Raumbereich 28 lenkende Lichtlenkeinrichtung und die Detektoren 13, 14 der Detektoranordnung sind so angeordnet, dass das in Richtung des Detektors 13 reflektierte Lichtsignal 23 in eine andere Richtung reflektiert wird als das in Richtung des Detektors 14 reflektierte Lichtsignal 24. Der an dem Roboterarm 2 vorgesehene Retroreflektor 25 kann beispielsweise als Eckwürfelreflektor (Corner Cube Reflector, CCR), als Tripelprisma oder als Katzenaugenreflektor (Cat-Eye) bzw. als Kugellinse (Ball Lens) ausgestaltet sein. Beim Eckwürfeireflektor und dem Tripelprisma wird das Licht parallel zu den einfallenden Strahlrichtungen zurückreflektiert. Ein divergentes Strahlenbündel bleibt divergent. Beim Katzenaugenreflektor bzw. bei der Kugeliinse können diese Retroreflektoren für eine bestimmte Distanz so optimiert werden, dass das reflektierte Strahlenbündel im Wesentlichen in sich selbst zurückreflektiert wird, wodurch am Detektor ein höherer Signalpegel vorliegt. The light guiding device which directs the sequence of light pulses into the spatial region 28 and the detectors 13, 14 of the detector arrangement are arranged such that the light signal 23 reflected in the direction of the detector 13 is reflected in a different direction than the light signal 24 reflected in the direction of the detector 14. The retroreflector 25 provided on the robot arm 2 can be designed, for example, as a Corner Cube Reflector (CCR), as a triple prism or as a cat-eye reflector (cat-eye) or as a ball lens (ball lens). The Eckwürfeireflektor and the triple prism, the light is reflected back parallel to the incident beam directions. A divergent beam remains divergent. In the cat-eye reflector or in the ball lens, these retroreflectors can be optimized for a certain distance in such a way that the reflected beam is essentially reflected back into itself, as a result of which a higher signal level is present at the detector.
Anstelle eines Retrorefiektors kann auch ein kleines streuendes Element verwendet werden, das sich in seinem Streuverhalten deutlich von seiner Umgebung unterscheidet, um Licht von dem relevanten Objektpunkt zu den Detektoren hin zu streu- en. Damit am Detektor ein nutzbares Signal vorliegt, das vom Rauschen der streuenden Umgebung unterscheidbar ist, sollte das kleine Element Licht stark streuen. Instead of a retrorefiector, it is also possible to use a small scattering element which differs significantly in its scattering behavior from its surroundings in order to scatter light from the relevant object point to the detectors. In order for the detector to have a usable signal that is distinguishable from the noise of the scattering environment, the small element should scatter light strongly.
Die Lichtsignale 23 und 24 werden von den Detektoren 13 bzw. 14 erfasst. Die Detektoren 13, 14 und Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 sind als Photoempfänger aus- gestaltet. Die Detektoren 13 und 14 erfassen dabei die Lichtleistung der auf sie einfallenden Folge von Lichtpulsen, die über den dem Detektor 13 bzw. 14 jeweils zugeordneten Strahlteiler 5 bzw. 7 zu dem Retroreflektor 25 und von diesem zurück zu dem Detektor 13 bzw. 14 propagiert. Die unterschiedliche optische Weglänge eines Lichtpulses, um einerseits zu einem der Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 und ande- rerseits nach einer Reflexion an dem Retroreflektor 25 zu einem der Detektoren 13 bzw. 14 zu gelangen, führt zu einer Zeitverschiebung τι bzw. τ2 zwischen der Ankunft ein- und desselben Lichtpulses an einem der Detektoren 3 bzw. 14 und an den Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12, die gleich dem Unterschied in optischer Weglänge der Lichtpfade geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit c ist. Da typischerweise nur ein ge- ringer Anteil des in den Raumbereich 28 gelenkten Lichts von dem Retroreflektor 25 reflektiert wird, ist das Signal an den Detektoren 13, 14 gegenüber dem Referenzsignal an den Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 abgeschwächt. The light signals 23 and 24 are detected by the detectors 13 and 14, respectively. The detectors 13, 14 and reference signal detectors 1 1, 12 are configured as a photoreceiver. The detectors 13 and 14 detect the light power of the incident on them sequence of light pulses, which propagates via the detector 13 and 14 respectively associated beam splitter 5 and 7 to the retroreflector 25 and from this back to the detector 13 and 14 respectively. The different optical path length of a light pulse, on the one hand to one of the reference signal detectors 1 1, 12 and on the other hand to reach after a reflection at the retroreflector 25 to one of the detectors 13 and 14, leads to a time shift τι or τ 2 between the Arrival of one and the same light pulse on one of the detectors 3 and 14 and on the reference signal detectors 1 1, 12, which is equal to the difference in optical path length of the light paths divided by the speed of light c. Since typically only a small proportion of the light directed into the space region 28 is reflected by the retroreflector 25, the signal at the detectors 13, 14 is attenuated with respect to the reference signal at the reference signal detectors 11, 12.
Die Weglängendifferenz beinhaltet einerseits Strecken, die von der Geometrie der Vorrichtung, insbesondere den Abständen zwischen den Strahlteilern 5, 7 und dem Strahlteiler 4 sowie den Abständen zwischen den Strahlteilern 4, 5, 7 und den Detektoren 13, 14 bzw. den Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12, jeweils entlang des Strah- iengangs, abhängen, und andererseits eine Komponente, die für das an dem Detektor 13 erfasste Lichtsignal von der optischen Weglänge zwischen dem Strahlteiler 5 oder dem virtuellen Ausgangspunkt des Lichtkegels 22, und dem Retrorefiektor 25 und für das an dem Detektor 14 erfasste Signal von der optischen Weglänge zwi- sehen dem Strahlteiler 7 oder dem virtuellen Ausgangspunkt des Lichtkegels 27, und dem Retrorefiektor 25 abhängt. Da bei bekannter Geometrie der Vorrichtung 1 der von der Vorrichtungsgeometrie abhängige Anteil der Weglängendifferenz bekannt ist, kann durch Messung der Zeitverschiebung τι zwischen dem Lichtsignal 23 am Detektor 13 und dem Referenzsignal 20 an den Referenzsignaldetektoren 11 , 12 die von dem Lichtpuls zurückgelegte optischen Weglänge zwischen dem Strahlteiler 5 und dem Retrorefiektor 25 und somit der Abstand des Retroreflektors 25 von dem Strahldurchtrittspunkt des Strahlteilers 5 bzw. von dem virtuellen Ausgangspunkt des Lichtkegels 22 bestimmt werden. Ähnlich kann durch Messung der Zeitverschiebung τ2 zwischen dem Lichtsignai 24 am Detektor 14 und dem Referenzsignal 20 an den Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 die von dem Lichtpuls zurückgelegte optischen Wegiänge zwischen dem Strahlteiler 7 und dem Retrorefiektor 25 und somit der Abstand des Retroreflektors 25 von dem Strahldurchtrittspunkt des Strahlteilers 7 bzw. von dem virtuellen Ausgangspunkt des Lichtkegels 27 bestimmt werden. Die Detektoren 13 und 14 sowie die Referenzsignaldetektoren 11 , 12 sind mit der Auswerteschaltung 15 gekoppelt, die eine Phasendifferenz zwischen den Lichtsignalen 23, 24 und dem Referenzsignal 20 ermittelt. Bei einem Ausführungsbeispiel ermittelt die Auswerteschaltung 15 der Vorrichtung 1 die Phasendifferenz zwischen dem Lichtsignal 23, 24 und dem Referenzsignal 20 für eine Signalkomponente, de- ren Frequenz im Wesentlichen ein Vielfaches der Repetitionsrate ist. The path length difference includes on the one hand distances that depend on the geometry of the device, in particular the distances between the beam splitters 5, 7 and the beam splitter 4 and the distances between the beam splitters 4, 5, 7 and the detectors 13, 14 and the reference signal detectors 1 1, 12, each along the beam and, on the other hand, a component which, for the light signal detected at the detector 13, is the optical path length between the beam splitter 5 or the virtual starting point of the light cone 22, and the retroreflector 25 and for the signal detected at the detector 14 Path length between see the beam splitter 7 or the virtual starting point of the light cone 27, and the retroreflector 25 depends. Since with known geometry of the device 1 of the device geometry dependent proportion of the path length difference is known, by measuring the time shift τι between the light signal 23 at the detector 13 and the reference signal 20 to the reference signal detectors 11, 12, the distance traveled by the light pulse optical path length between the Beam splitter 5 and the retroreflector 25 and thus the distance of the retroreflector 25 from the beam passing point of the beam splitter 5 and from the virtual starting point of the light cone 22 are determined. Similarly, by measuring the time shift τ 2 between the light signal 24 at the detector 14 and the reference signal 20 at the reference signal detectors 1 1, 12 the distance traveled by the light optical Wegiänge between the beam splitter 7 and the retroreflector 25 and thus the distance of the retroreflector 25 of the Beam penetration point of the beam splitter 7 and be determined by the virtual starting point of the light cone 27. The detectors 13 and 14 and the reference signal detectors 11, 12 are coupled to the evaluation circuit 15, which determines a phase difference between the light signals 23, 24 and the reference signal 20. In one embodiment, the evaluation circuit 15 of the device 1 determines the phase difference between the light signal 23, 24 and the reference signal 20 for a signal component whose frequency is substantially a multiple of the repetition rate.
Die Phasendifferenz hängt dabei unmittelbar mit der oben erwähnten Zeitverschiebung zusammen, und auf Basis der Phasendifferenz kann die Auswerteschaltung 15 dann die Position des Retroreflektors 25 bestimmen. The phase difference is directly related to the above-mentioned time shift, and based on the phase difference, the evaluation circuit 15 can then determine the position of the retroreflector 25.
Die Vorrichtung 1 bestimmt so die Position des Retroreflektors 25, d.h. eines Punktes des letzten Gliedes des Roboterarms 2, an welchem der Messgeber 29 angebracht wird, in einem Koordinatensystem S der Vorrichtung 1. Um einen Endpunkt des Elements 29, d.h. des Messgebers oder Werkzeugs zu erhalten, oder in anderen Worten um einen Wechselwirkungspunkt des Messgebers 29 mit der Oberfläche 30 zu bestimmen, ist es notwendig, neben der Position des letz- ten Gliedes 31 zudem die Orientierung des letzten Gliedes 31 des Roboterarms 2, an welchem der Messgeber 29 und auch der Retroreflektor 25 befestigt sind, zu kennen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Orientierung dieses Gliedes und somit die Orientierung des Messgebers 29 aus Steuerdaten des Roboterarms 2 gewonnen. Hierzu empfängt die Auswerteeinheit 15 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die entsprechenden Steuerdaten des Roboterarms 2. Diese Steuerdaten können beispielsweise aus einer softwaremäßigen Steuerung des Roboters 2 oder auch von mit den Achsen des Roboterarms 2 gekoppelten Winkelgebern, d.h. Winkelmesseinrichtungen, stammen. The device 1 thus determines the position of the retroreflector 25, ie a point of the last member of the robot arm 2, on which the encoder 29 is mounted, in a coordinate system S of the device 1. To an end point of the element 29, ie the encoder or tool to receive, or in other words, to determine an interaction point of the encoder 29 with the surface 30, it is necessary, in addition to the position of the last In addition, member 31 is to know the orientation of the last member 31 of the robot arm 2 to which the sensor 29 and also the retroreflector 25 are fastened. In one embodiment, the orientation of this member and thus the orientation of the encoder 29 is obtained from control data of the robot arm 2. For this purpose, the evaluation unit 15 receives in the illustrated embodiment, the corresponding control data of the robot arm 2. This control data, for example, from a software-based control of the robot 2 or coupled to the axes of the robot arm 2 angle encoders, ie angle measuring devices originate.
Die Orientierung des letzten Gliedes 31 des Roboterarms 2 kann beispielsweise mit drei Winkeln φ, θ, ψ ausgedrückt werden, wobei Θ der Azimutwinkel, d.h. der Winkel zwischen der positiven x-Achse des Koordinatensystems S und der Projektion des letzten Gliedes des Roboterarms 2 in die x-, y-Ebene des Koordinatensystems S sein kann, während der Winkel φ der sogenannte Polarwinkel, d.h. der Winkel zwischen der positiven z-Achse des Koordinatensystems S und dem letzten Glied des Roboterarms, sein kann, φ weist bei einem derartigen System einen Wert zwischen 0 und π (0 Grad bis 180 Grad) auf, und Θ weist einen Wert zwischen 0 und 2π (0 Grad bis 360 Grad) auf, beide Winkel werden gegen den Uhrzeigersinn gemessen, ψ be- zeichnet eine Verdrehung um die Längsachse des letzten Gliedes des Roboterarms 2. Ist wie in Fig. 1 dargestellt der Retroreflektor 25 am Ende des letzten Gliedes 31 angebracht und ist I die Länge des Messgebers 29, und ist ein Wechselwirkungsbereich des Messgebers 29 mit der Oberfläche 30 symmetrisch bezüglich einer Mittelachse des letzten Gliedes 31 , z.B. ein auf der Mittelachse liegender Punkt, so dass eine Änderung des Winkels ψ keine Änderung des Wechselwirkungsbereiches bedingt, ergeben sich Koordinaten xWw, yww und zww eines Mittelpunktes des Wechselwirkungsbereiches in dem Koordinatensystem S zu
Figure imgf000014_0001
CpCOS Θ
The orientation of the last member 31 of the robot arm 2 can be expressed, for example, with three angles φ, θ,,, where Θ the azimuth angle, ie the angle between the positive x-axis of the coordinate system S and the projection of the last member of the robot arm 2 in the x, y-plane of the coordinate system S, while the angle φ may be the so-called polar angle, ie the angle between the positive z-axis of the coordinate system S and the last member of the robot arm, φ has a value in such a system between 0 and π (0 degrees to 180 degrees), and Θ has a value between 0 and 2π (0 degrees to 360 degrees), both angles are measured counterclockwise, ψ denotes a rotation about the longitudinal axis of the last one 2 of the robot arm 2. As shown in FIG. 1, the retroreflector 25 is attached to the end of the last link 31, and I is the length of the encoder 29, and is an interaction region of the encoder 29 with the surface 30 symmetrical with respect to a central axis of the last member 31, eg a point lying on the central axis, so that a change of the angle ψ does not change the interaction region, coordinates x W w, yww and zww of a center of the interaction region in the result Coordinate S to
Figure imgf000014_0001
CpCOS Θ
yww=ymess+l-sin cpsin Θyww = y mess + l-sin cpsin Θ
Figure imgf000014_0002
wobei Xmess, Ymess und zmess die mittels der Vorrichtung 1 bestimmten Koordinaten des Retroreflektors 25, d.h. des Endpunkts des letzten Gliedes 31 , sind.
Figure imgf000014_0002
wherein Xmess, Ymess and z me ss are the coordinates of the retroreflector 25 determined by the apparatus 1, ie the end point of the last member 31.
In derartigen Fällen, in welchen der Wechselwirkungspunkt symmetrisch zur Achse des letzten Gliedes 31 ist, muss der Winkel φ also nicht herangezogen werden. Wenn statt dem Messgeber 29 mit einem im Wesentlichen punktförmigen Wechselwirkungsbereich mit der Oberfläche 30 ein anderes Element, beispielsweise ein Werkzeug mit einem langgestreckten Wechselwirkungsbereich, verwendet wird, kann die Lage eines derartigen Wechselwirkungsbereichs unter zusätzlicher Ver- wendung des Winkels ψ bestimmt werden. In such cases, in which the interaction point is symmetrical to the axis of the last member 31, the angle φ must therefore not be used. If another element, for example a tool with an elongated interaction region, is used instead of the transducer 29 with a substantially punctiform interaction region with the surface 30, the position of such an interaction region can be determined with additional use of the angle ψ.
Bei einem typischen Robotersystem und einer typischen Vorrichtung 1 sind mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Fig. 1 bei einer Länge I des Messgebers 29 von 50 mm Positionsbestimmungen des Wechselwirkungsbereiches mit einer Genauig- keit in der Größenordnung von 2-5 μηη, d.h. etwa eine Größenordnung besser als die Genauigkeit nur auf Basis von Steuerdaten des Roboterarms, wie sie in der Einleitung beschrieben wurde. Diese Werte sind jedoch nur als Beispiel zu verstehen, und hängen von dem konkret verwendeten Roboterarm 2 und der konkret verwendeten Vorrichtung 1 ab. In a typical robotic system and apparatus 1, with the apparatus of the invention of FIG. 1, with a length I of the encoder 29 of 50 mm, positional determinations of the interaction range with an accuracy on the order of 2-5 μm, i. about an order of magnitude better than the accuracy based only on control data of the robot arm, as described in the introduction. However, these values are to be understood only as an example, and depend on the robot arm 2 used in actual use and the device 1 actually used.
Indem der Wechselwirkungsbereich, z.B. Wechselwirkungspunkt, des Messgebers 29 mit der Oberfläche 30 bestimmt wird, kann die Oberfläche 30 in dem Koordinatensystem S der Vorrichtung 1 genau vermessen werden und die so gewonnenen Daten beispielsweise mit CAD-Daten, oder allgemein einer Spezifikation, verglichen werden. Für eine derartige Messung wird die Oberfläche 30 in dem Koordinatensystem S ortsfest eingespannt, beispielsweise mittels eines Spannrahmens. By making the interaction region, e.g. Interaction point, the encoder 29 is determined with the surface 30, the surface 30 in the coordinate system S of the device 1 can be measured accurately and the data thus obtained, for example, CAD data, or more generally a specification compared. For such a measurement, the surface 30 is fixedly clamped in the coordinate system S, for example by means of a tenter.
Zu bemerken ist, dass sich bei optischen Messgebern die Länge I zusammensetzt aus der Länge des Messgebers selbst und der dem optische gemessenen Abstand zu der Oberfläche 30. Bei taktüen Messgebern ist die Länge I ebenso von einer Position eines jeweiligen Messstiftes oder anderen Messfühlers, wobei diese Position von dem Messgeber bestimmt wird, abhängig. It should be noted that in optical encoders, the length I is composed of the length of the encoder itself and the distance to the optical measured distance to the surface 30. In tactual encoders, the length I is also from a position of a respective measuring pin or other sensor, where Position is determined by the encoder depends.
Zu bemerken ist außerdem, dass grundsätzlich der Messgeber 29 selbst ein oder mehrere Gelenke umfassen kann. In diesem Fall werden Winkel dieser Gelenke sowie Abmessungen des Messgebers bei der Bestimmung des Wechselwirkungspunktes berücksichtigt, wenn der Retroreflektor 25 wie in Fig. 1 dargestellt am letzten Glied oder allgemein an der Mehrachskinematik angebracht ist. Auf der anderen Seite kann in einem derartigen Fall auch der Retroreflektor 25 an einem entsprechenden Ende des Messgebers angebracht werden, und neben den Steuerdaten der Mehrachskinematik werden dann auch Winkeldaten des Messgebers zur Bestimmung der Wechselwirkungsposition berücksichtigt. Wie bereits erwähnt kann bei anderen Ausführungsbeispielen statt des Messgebers 29 ein Werkzeug an dem letzten Glied 31 des Roboterarms angebracht sein, beispielsweise ein Schneidwerkzeug, ein Bohrwerkzeug oder ein Schweißwerkzeug. Durch die Bestimmung von Position und Orientierung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Wechselwirkungspunkt oder auch das Wechselwirkungsgebiet eines derartigen Werkzeugs mit einer zu bearbeitenden Oberfläche in dem Koordinatensystem S präzise angefahren werden und somit die entsprechende Bearbeitung der Oberfläche S beispielsweise gemäß einem Sollwert, wie er z.B. mit einem CAD- System festgelegt wurde, bearbeitet werden. It should also be noted that in principle the encoder 29 itself may comprise one or more joints. In this case, angles of these joints as well as dimensions of the encoder are taken into account in the determination of the point of interaction when the retroreflector 25 is mounted on the last link or generally on the multi-axis kinematics as shown in FIG. On the other hand, in such a case, the retroreflector 25 can be attached to a corresponding end of the encoder, and in addition to the control data of the multi-axis kinematics and angular data of the encoder are then taken into account for determining the interaction position. As already mentioned, in other embodiments instead of the encoder 29 a tool may be attached to the last member 31 of the robot arm, for example a cutting tool, a drilling tool or a welding tool. By determining position and orientation according to the present invention, the interaction point or the interaction region of such a tool with a surface to be machined in the coordinate system S can be approached precisely and thus the corresponding processing of the surface S, for example, according to a desired value, as with a CAD system has been defined.
Zu bemerken ist, dass der Retroreflektor 25 in Fig. 1 statt am letzten Glied 31 auch direkt am Messgeber 29 angebracht werden kann. In diesem Fall werden ebenso Steuerdaten des Roboterarms 2 benutzt, um die Orientierung des Messgebers 29 zu bestimmen. Gleiches gilt auch, wenn statt dem Messgeber ein Werkzeug verwendet wird. It should be noted that the retroreflector 25 in Fig. 1 instead of the last member 31 can be mounted directly on the encoder 29. In this case, control data of the robot arm 2 are also used to determine the orientation of the encoder 29. The same applies if a tool is used instead of the encoder.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist wie beschrieben ein Retroreflektor 25 an dem letzten Glied 31 der Mehrachskinematik angebracht, wobei der Retroreflektor ausgehend von mehreren feststehenden Orten beleuchtet wird und das reflektierte Licht gemessen wird. Die Beleuchtung kann dabei auch mittels beweglicher Spiegel in einen Raumbereich, in welchem sich der Retroreflektor 25 befindet, gelenkt werden, falls die Lichtkegel 22 und 27 eine Aufweitung aufweisen, welche ohne Verschwenken der Lichtkegel nicht ausreicht, den gesamten interessierenden Raumbe- reich auszuleuchten. In the embodiment of Fig. 1, as described, a retroreflector 25 is attached to the last member 31 of the multi-axis kinematics, illuminating the retroreflector from a plurality of fixed locations and measuring the reflected light. The illumination can also be directed by means of movable mirrors into a spatial region in which the retroreflector 25 is located, if the light cones 22 and 27 have an expansion which, without pivoting the light cones, is insufficient to illuminate the entire area of interest.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch die umgekehrte Anordnung verwendet werden, das heißt Licht kann von einem letzten Glied einer Mehrachskinematik oder einem anderen zu vermessenen Objekt auf mehrere feststehende Retrorefiekto- ren gelenkt werden und das reflektierte Licht kann gemessen werden, um so beispielsweise mit den gleichen Messprinzipien wie oben beschrieben Entfernungen zu messen und so die Position zu bestimmen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren 2-5 erläutert. in Fig. 2 ist ein Roboterarm 40, welcher im Wesentlichen dem Roboterarm 2 aus Fig. 1 entspricht, dargestellt. Der Roboterarm 40 weist mehrere Achsen auf, um wel- che er gedreht bzw. geschwenkt werden kann, und stellt somit ebenfalls eine Mehrachskinematik dar. In other embodiments, the reverse arrangement may also be used, that is, light may be directed from a last member of a multi-axis kinematics or other object to be measured to a plurality of fixed retroreflectors, and the reflected light may be measured, for example, by the same measurement principles Measure distances as described above to determine the position. A corresponding embodiment will now be explained with reference to Figures 2-5. In Fig. 2, a robot arm 40, which substantially corresponds to the robot arm 2 of Fig. 1, is shown. The robot arm 40 has several axes in order to che he can be rotated or pivoted, and thus also represents a multi-axis kinematics.
An einem letzten Glied 41 kann wiederum ein Messgeber oder ein Werkzeug ange- bracht sein. Die Position und Orientierung des letzten Gliedes 41 sind zu bestimmen, das heißt das letzte Glied 41 stellt ein Objekt dar, dessen Position und Orientierung zu bestimmen ist. In turn, a measuring element or a tool can be attached to a last link 41. The position and orientation of the last member 41 are to be determined, that is, the last member 41 represents an object whose position and orientation is to be determined.
Zur Bestimmung der Position ist an dem letzten Glied 41 eine Messvorrichtung 42 angebracht, welche durch optische Messung Entfernungen zu Retroreflektoren 43, 44 und 45 wie durch gestrichelte Linien angedeutet misst. Insbesondere kann die Messvornchtung 42 Lichtstrahlen zu den Retroreflektoren 43, 44, 45 senden und von den Retroreflektoren 43, 44 und 45 dann zurückreflektiertes Licht detektieren. Statt der Retroreflektoren können wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert auch andere reflektierende oder streuende Elemente vorgesehen sein. Durch die Bestimmung einer Entfernung zu den drei Retroreflektoren 43, 44, 45 ist dabei eine Bestimmung der Position in drei Raumrichtungen möglich. To determine the position, a measuring device 42 is mounted on the last link 41, which measures by optical measurement distances to retroreflectors 43, 44 and 45 as indicated by dashed lines. In particular, the measuring device 42 can transmit light beams to the retroreflectors 43, 44, 45 and then detect light reflected back from the retroreflectors 43, 44 and 45. Instead of the retroreflectors, as already explained with reference to FIG. 1, other reflecting or scattering elements may also be provided. By determining a distance to the three retroreflectors 43, 44, 45, a determination of the position in three spatial directions is possible.
Die Auswertung des detektierten Lichts und die Bestimmung der Position kann dabei durch eine Auswerteeinheit 46 erfolgen. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 kann dabei die Position der Messvornchtung 42 auf Basis der optischen Längenmessungen zu den Retroreflektoren 43, 44, 45 bestimmt werden, während die Orientierung der Messeinrichtung 42 und somit des Abschnitts 41 aus Steuerdaten des Roboterarms 40 gewonnen wird. The evaluation of the detected light and the determination of the position can be carried out by an evaluation unit 46. In the embodiment of FIG. 2, the position of the measuring device 42 can be determined on the basis of the optical length measurements to the retroreflectors 43, 44, 45, while the orientation of the measuring device 42 and thus the portion 41 of control data of the robot arm 40 is obtained.
Die Messvorrichtung 42 kann die Retroreflektoren 43, 44, 45 nacheinander, das heißt sequentiell, anmessen. Bei anderen Ausführungsbeispielen umfasst die Messvorrichtung 42 beispielsweise drei separate Messeinrichtungen, wobei jede Messeinrichtung einen der Retroreflektoren anmisst. Ein Beispiel hierfür ist schematisch in Fig. 3 dar- gestellt. The measuring device 42 can measure the retroreflectors 43, 44, 45 in succession, that is to say sequentially. In other embodiments, the measuring device 42 comprises, for example, three separate measuring devices, each measuring device measuring one of the retroreflectors. An example of this is shown schematically in FIG. 3.
Bei dem Beispiel von Fig. 3 sind drei Messeinrichtungen 51 , 52, 53, welche durch Lichtkegel symbolisiert sind, in einer Dreiecksform 50 angeordnet. Es ist zu beachten, dass hierzu die Messeinrichtungen 51 , 52 und 53 auf einer dreieckförmigen Plat- te angeordnet sein können, jedoch auch auf jedem anderen Träger angeordnet sein können. Die Lichtkegel der Messeinrichtungen 51 , 52 und 53 können verschwenkbar sein, um einen jeweiligen Retroreflektor, beispielsweise einen der Retroreflektoren 43, 44, 45, zu bestrahlen. Diese Konfiguration zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass drei Längen gleichzeitig gemessen werden können. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn Position und Orientierung während der Bewegung gemessen werden soil. In einer solchen Konfiguration kann aus drei Längen, welche die Entfernung von 3 paarweise verschiedenen Messeinrichtungen z.B. den Messeinrichtungen 51 ,In the example of FIG. 3, three measuring devices 51, 52, 53, which are symbolized by light cones, are arranged in a triangular shape 50. It should be noted that, for this purpose, the measuring devices 51, 52 and 53 can be arranged on a triangular plate, but can also be arranged on any other carrier. The light cones of the measuring devices 51, 52 and 53 can be pivotable about a respective retroreflector, for example one of the retroreflectors 43, 44, 45, to be irradiated. This configuration is characterized in particular by the fact that three lengths can be measured simultaneously. This is particularly advantageous if position and orientation during movement is to be measured. In such a configuration, three lengths, which are the distance of 3 pairs of different measuring devices, for example, the measuring devices 51,
52 und 53, zu 3 paarweise verschiedenen Retroreflektoren z.B. den Retroreflektoren 43, 44 und 45 messen nur dann die Position genau berechnet werden, wenn die Orientierung des Koordinatensystems welches durch die IVIesseinrichtungen definiert wird zu dem Koordinatensystem der Retroreflektoren bekannt ist. 52 and 53, to 3 pairs of different retroreflectors e.g. the retroreflectors 43, 44 and 45 measure the position to be calculated accurately only when the orientation of the coordinate system defined by the IVI devices is known to the coordinate system of the retroreflectors.
Bei einem Ausführungsbeispiel können die von den Messeinrichtungen 51 , 52 undIn one embodiment, the measuring devices 51, 52 and
53 ausgesendeten Lichtstrahlen auf verschiedene Weise gekennzeichnet sein, um eine Trennung des reflektierten Lichtes zu ermöglichen. Beispielsweise können verschiedene Modulationen, zum Beispiel verschiedene Pulsraten, verwendet werden, oder es können verschiedene Wellenlängen in Verbindung mit entsprechenden Filtern verwendet werden. 53 emitted light beams may be marked in various ways to allow a separation of the reflected light. For example, various modulations, for example, different pulse rates, may be used, or different wavelengths may be used in conjunction with corresponding filters.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die ausgesendeten Lichtstrahlen kollimiert oder weitestgehend kollimiert ausgesendet werden, so dass sichergestellt ist, dass die Lichtstrahlen jeweils nur genau einen Retroreflektor ausleuchten, In a further embodiment, the emitted light beams can be emitted collimated or largely collimated, so that it is ensured that the light beams only illuminate exactly one retroreflector,
Ein Ausführungsbeispiel einer Implementierung einer Messeinrichtung wie einer der Messeinrichtungen 51 , 52, 53 ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 erzeugt eine Lichtquelle 60, beispielsweise ein Laser, einen Lichtstrahl 61. Der Lichtstrahl 61 wird über einen Lichtleiter 62, beispielsweise eine Glasfaser, zu einem Spiegel 63 gelenkt. Durch die Verwendung des Lichtleiters 62 kann die Lichtquelle 60 entfernt von dem Spiegel 63 angeordnet sein. Beispielsweise kann in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 der Spiegel 63 in der Messvorrichtung 42 angeordnet sein, während die Lichtquelle 60 sogar außerhalb des Roboterarms 40 angeordnet sein kann. Insbesondere kann die Lichtquelle 60 ein Kurzpulslaser sein. An exemplary embodiment of an implementation of a measuring device such as one of the measuring devices 51, 52, 53 is shown schematically in FIG. 4. In the embodiment of FIG. 4, a light source 60, for example a laser, generates a light beam 61. The light beam 61 is directed to a mirror 63 via a light guide 62, for example a glass fiber. By using the light guide 62, the light source 60 may be disposed away from the mirror 63. For example, in the embodiment of FIG. 2, the mirror 63 may be disposed in the measuring device 42, while the light source 60 may even be disposed outside the robot arm 40. In particular, the light source 60 may be a short pulse laser.
Sind mehrere Messeinrichtungen wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 oder Fig. 5 vorhanden, können separate Lichtquellen 60 benutzt werden. Es kann jedoch auch eine gemeinsame Lichtquelle 60 benutzt werden, wobei ein von der Lichtquelle 60 erzeugter Lichtstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl, durch Strahlteiler oder ande- re optische Elemente aufgespalten werden kann, um Lichtstrahlen für drei essein- richtungen bereitzustellen. If several measuring devices are present, as in the exemplary embodiment of FIG. 3 or FIG. 5, separate light sources 60 can be used. However, it is also possible to use a common light source 60, with a light beam generated by the light source 60, for example a laser beam, being split by beam splitters or other means. optical elements can be split to provide light beams for three devices.
Der Spiegel 63 ist bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ein beweglicher Spiegel, welcher über eine Einrichtung 64 bewegbar ist. Beispielsweise kann der Spiegel 63 ein ikroelektromechanisches System sein, das heißt ein EMS-Spiegel. Bei derartigen Spiegeln werden mechanische Elemente zusammen mit einem Aktuator beispielsweise auf einem Siliziumsubstrat integriert. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 kann der Spiegel 63 beispielsweise in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen verkippbar sein. Somit kann ein reflektierter Strahl 65 innerhalb der Grenzen, welche in Fig. 4 durch gestrichelte Linien 68 dargestellt sind, verstellt werden, beispielsweise um einen gewünschten Retroreflek- tor zu bestrahlen. The mirror 63 is in the embodiment of Fig. 4, a movable mirror, which is movable via a device 64. For example, the mirror 63 may be an electro-electromechanical system, that is, an EMS mirror. In such mirrors, mechanical elements are integrated together with an actuator, for example on a silicon substrate. In the embodiment of FIG. 4, the mirror 63 may be tiltable, for example, in two mutually perpendicular spatial directions. Thus, a reflected beam 65 within the limits shown in FIG. 4 by dashed lines 68 may be adjusted, for example, to irradiate a desired retroreflector.
Bei E S-Spiegeln ist der Verstellbereich des reflektierten Strahls 65 dabei typischerweise im Bereich von plus minus 10 Grad. In the case of E S mirrors, the adjustment range of the reflected beam 65 is typically in the range of plus minus 10 degrees.
Zur Vergrößerung dieses Verstellbereichs kann eine Weitwinkeloptik 66 vorgesehen sein, welche in Fig. 4 als einfache Linse dargestellt ist, jedoch auch mehrere Linsen oder andere optische Elemente umfassen kann. Hierdurch kann ein Verstellbereich des durch die Optik 66 hindurchgegangenen Strahls 67 vergrößert werden, wie durch gestrichelte Linien 69 angedeutet, um einen größeren Winkelbereich erfassen zu können. Teile der Weitwinkeloptik 66 können auch vor dem MEMS-Spiegel angeord- net sein, so dass der EMS Spiegel ein Teil des Objektivs wird. To enlarge this adjustment range, a wide-angle optical system 66 may be provided, which is shown in FIG. 4 as a simple lens, but may also comprise a plurality of lenses or other optical elements. As a result, an adjustment range of the beam 67 which has passed through the optics 66 can be increased, as indicated by dashed lines 69, in order to be able to detect a larger angular range. Parts of the wide-angle optics 66 may also be arranged in front of the MEMS mirror so that the EMS mirror becomes part of the objective.
Es ist zu bemerken, dass die Darstellungen der Fig. 4 als schematisch zu betrachten sind und beispielsweise weitere Linsen, beispielsweise zur Kollimierung des Laserstrahls 61 am Austritt aus dem Lichtleiter 62, vorgesehen sein können. It should be noted that the representations of FIG. 4 are to be regarded as schematic and, for example, additional lenses, for example for collimating the laser beam 61 at the exit from the light guide 62, may be provided.
Wie in Fig. 5 zusammenfassend dargestellt können auf diese Weise durch drei in einer Dreiecksform 70 angeordnete Messeinrichtung 71 , 72, 73, welche beispielsweise jeweils wie in Fig. 4 dargestellt ausgestaltet sein können, drei Retroreflektoren 74, 75, 76 bestrahlt werden, um Entfernungen 77, 78, 79 durch Messung des jeweils reflektierten Strahls zu messen. Bei einem Ausführungsbeispiel wie unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 erläutert können die drei Längen 77, 78, 79 zur Bestimmung der Position der Messvorrichtung und somit des Objekts, an welchem die Messvorrichtung angebracht ist, beispielsweise des Abschnitts 41 aus Fig. 2, bestimmt werden. Anstelle der Bestimmung der Orientierung aus Steuerdaten kann bei derartigen Ausführungsbeispielen die Orientierung auch aus der Stellung der Spiegel, beispielsweise der Spiegel 63 aus Fig. 4, gewonnen werden. Durch die Winkelstellung der Spiegel 63 in den Messeinrichtungen 71 , 72, 73 in Fig. 5 lässt sich beispielsweise eine Winkelstellung des Dreiecks 70 relativ zu dem jeweiligen Reflektor 74, 75 bzw. 76 ableiten, wodurch insgesamt die Orientierung des Dreiecks 70 gewonnen werden kann. Wird jeweils die Stellung des jeweiligen Spiegels in zwei zueinander senkrecht stehenden Achsen erfasst, ist ein entstehendes Gleichungssystem sogar überbestimmt, da grundsätzlich drei Winkel ausreichen, um die Orientierung zu bestimmen. Der Spiegelwinkel kann dabei entweder aus einer Spiegelsteuerung entnommen werden oder durch eine mit dem Spiegel gekoppelte Messvorrichtung direkt gemessen werden, beispielsweise durch Detektion eines an dem Spiegel reflektierten Strahls. As summarized in FIG. 5, three retroreflectors 74, 75, 76 can be irradiated in this manner by three measuring devices 71, 72, 73 arranged in a triangular shape 70, which can be configured in each case as shown in FIG. 4, for example 77, 78, 79 measured by measuring the respective reflected beam. In an embodiment as explained with reference to FIGS. 4 and 5, the three lengths 77, 78, 79 for determining the position of the measuring device and thus of the object to which the measuring device is attached, for example the section 41 of FIG. 2, may be determined become. Instead of determining the orientation from control data, the orientation can also be obtained from the position of the mirrors, for example the mirror 63 from FIG. 4, in such exemplary embodiments. By the angular position of the mirrors 63 in the measuring devices 71, 72, 73 in FIG. 5, for example, an angular position of the triangle 70 relative to the respective reflector 74, 75 and 76 can be derived, whereby the orientation of the triangle 70 can be obtained. If in each case the position of the respective mirror is detected in two mutually perpendicular axes, an emerging system of equations is even overdetermined, since basically three angles are sufficient to determine the orientation. The mirror angle can either be taken from a mirror control or be measured directly by a coupled to the mirror measuring device, for example by detecting a reflected beam on the mirror.
Bei Ausführungsbeispieien, bei welchen ein Lichtstrahl wie beispielsweise der Laserlichtstrahl 61 der Fig. 4 aufgeweitet wird, so dass ein Lichtkegel erzeugt wird, muss die Mitte des Lichtkegels den jeweiligen Retroref!ektor nicht exakt treffen, um messen zu können, vielmehr besteht eine Toleranz innerhalb des Winkelbereichs des Lichtkegels. Eine Abweichung des Messstrahls vom Zentrum des Reflektors kann sich beispielsweise auch dadurch ergeben, dass der Spiegel digital angesteuert wird und somit nur eine begrenzte Anzahl von Positionen einnehmen kann. Dies kann zu einer entsprechenden Ungenauigkeit der Bestimmung der Orientierung auf Basis der Winkelstellungen der Spiegel führen. Bei manchen Ausführungsbeispielen können Mechanismen vorgesehen sein, um eine derartige Abweichung zu korrigieren. Ein derartiges Ausführungsbeispiel wird nunmehr unter Bezugnahme auf Figuren 6 und 7 näher erläutert. In embodiments where a light beam such as the laser light beam 61 of FIG. 4 is widened to produce a cone of light, the center of the light cone need not exactly hit the respective retroreflector to measure, rather, there is a tolerance within the angular range of the light cone. A deviation of the measuring beam from the center of the reflector can also result, for example, from the fact that the mirror is controlled digitally and thus can occupy only a limited number of positions. This can lead to a corresponding inaccuracy of the determination of the orientation based on the angular positions of the mirror. In some embodiments, mechanisms may be provided to correct for such a deviation. Such an embodiment will now be explained in more detail with reference to Figures 6 and 7.
In Fig. 6 ist schematisch eine Messeinrichtung ähnlich der Messeinrichtung von Fig. 4 dargestellt. Ein Lichtstrahl 85, beispielsweise ein Laserstrahl, wird über einen Lichtleiter, beispielsweise eine Glasfaser 80, zu einem Kollimator 81 am Ausgang der Glasfaser 80 geleitet. Der durch den Kollimator 81 kollimierte Strahl geht durch einen Strahlteiler 82 hindurch zu einem beweglichen Spiegel 83, welcher den Strahl zu einem Retroreflektor 84 lenkt. Von dem Retrorefiektor 84 reflektiertes Licht wird wiederum über den Spiegel 83 zu dem Strahlteiler 82 und von dort zu einem Detektor 86 gelenkt. Der Detektor 86 kann insbesondere ein Quadrantendetektor, beispielsweise eine Quadrantendiode, sein. Durch eine Messung der Abweichung des Auftreffpunkts des Lichtstrahls auf den Detektor 86 von einem Mittelpunkt kann dann eine Abweichung des Messstrahls vom Reflektorzentrum des Reflektors 84 erfasst werden und diese Abweichung zur Korrektur der Orientierungsberechnung auf Basis des Winkels des Spiegeis 83 verwendet werden. Es ist zu beachten, dass die Ausführungsbeispiele der Figuren 4 und 6 kombiniert werden können. So kann auch in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 eine Weitwinkeloptik wie die Weitwinkeloptik 66 aus Fig. 4 vorgesehen sein, oder auch in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 kann ein Strahlteüer und ein Detektor wie Strahlteiler 82 und Detektor 86 vorgesehen sein. FIG. 6 schematically shows a measuring device similar to the measuring device of FIG. 4. A light beam 85, for example a laser beam, is conducted via an optical waveguide, for example a glass fiber 80, to a collimator 81 at the exit of the optical fiber 80. The beam collimated by the collimator 81 passes through a beam splitter 82 to a movable mirror 83 which directs the beam to a retroreflector 84. Light reflected by the retroreflector 84 is in turn directed via the mirror 83 to the beam splitter 82 and from there to a detector 86. The detector 86 may in particular be a quadrant detector, for example a quadrant diode. By measuring the deviation of the point of incidence of the light beam on the detector 86 from a center point, a deviation of the measuring beam from the reflector center of the reflector 84 can then be detected and this deviation can be used to correct the orientation calculation on the basis of the angle of the mirror 83. It should be noted that the embodiments of Figures 4 and 6 can be combined. Thus, in the exemplary embodiment of FIG. 6, a wide-angle optical system such as the wide-angle optical system 66 from FIG. 4 may be provided, or in the exemplary embodiment of FIG. 4, a radiation interrupter and a detector such as beam splitter 82 and detector 86 may be provided.
Des Weiteren ist zu bemerken, dass zur Detektion des von dem jeweiligen Reflektor rückgestreuten Strahls zur Entfernungsmessung ein weiterer Detektor und ein weiterer Strahlteiler vorgesehen sein können, wie dies auch in Fig. 1 dargestellt ist (Strahlteiler 5 und Detektor 13; Strahlteiler 7 und Detektor 14). Furthermore, it should be noted that a further detector and a further beam splitter can be provided for detecting the beam backscattered by the respective reflector for measuring the distance, as is also shown in FIG. 1 (beam splitter 5 and detector 13, beam splitter 7 and detector 14) ).
In Fig. 7 ist ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, mit welchem bei Ausführungsbeispielen wie den Ausführungsbeispielen der Figuren 4 und 3 Lichtstrahlen zur Positionsbestimmung mitteis eines beweglichen Spiegels zu einem Retrorefiektor oder anderem Reflektor gelenkt werden und das rückgestreute Licht zur Bestimmung einer Distanz ausgewertet wird. In Schritt 90 werden drei Distanzen gemessen. Dies kann parallel mit einer Anordnung mit drei Messeinrichtungen wie in den Figuren 3 und 5 dargestellt geschehen, kann aber auch sequentiell mit einer einzigen Messeinrichtung, welche beispielsweise durch Veränderung einer Spiegelstellung eines beweglichen Spiegels hintereinander drei verschiedene Reflek- toren anpeilt, vonstattengehen. FIG. 7 shows a flow diagram of a method according to the invention, with which in embodiments such as the exemplary embodiments of FIGS. 4 and 3, light beams for position determination are directed through a movable mirror to a retroreflector or other reflector and the backscattered light is evaluated to determine a distance. In step 90, three distances are measured. This can be done in parallel with an arrangement with three measuring devices as shown in FIGS. 3 and 5, but can also proceed sequentially with a single measuring device, which, for example, by changing a mirror position of a movable mirror successively three different reflectors targeted.
Parallel hierzu werden in Schritt 92 die Spiegelwinkel bei der Messung der drei Distanzen von Schritt 90 erfasst. In Schritt 93 wird optional zudem eine Abweichung eines verwendeten Messstrahls von einem Reflektorzentrum, beispielsweise mittels eines Quadrantendetektors wie dem Detektor 86 aus Fig. 6, erfasst. In Schritt 94 wird die in Schritt 92 durchgeführte Winkelmessung auf Basis der in Schritt 93 erfassten Abweichung korrigiert. In Schritt 95 wird dann auf Basis der korrigierten Winkelmessungen eine Orientierung der verwendeten Messvorrichtung und somit des Objekts, an welche die Messvorrichtung angebracht ist, bestimmt. In parallel, in step 92, the mirror angles in the measurement of the three distances from step 90 are detected. In step 93, a deviation of a used measuring beam from a reflector center, for example by means of a quadrant detector such as the detector 86 from FIG. 6, is optionally also detected. In step 94, the angle measurement performed in step 92 is corrected based on the deviation detected in step 93. In step 95, an orientation of the measuring device used and thus of the object to which the measuring device is attached is then determined on the basis of the corrected angle measurements.
In Schritt 91 wird auf Basis der drei Distanzen und gegebenenfalls der Orientierung aus Schritt 95 eine Position durch Trilateration bestimmt. In einer Konfiguration, bei der mit einer einzigen Messeinrichtung an dem Objekt die Distanz zu drei Retro- reflektoren gemessen wird oder von z.B. drei feststehenden Messeinrichtungen die Distanz zu einem Reflektor am Objekt gemessen wird, kann die Position in Schritt 91 direkt aus den drei in Schritt 90 gemessenen Distanzen bestimmt werden ohne dass dafür die Orientierungsinformation benötigt wird. Bei einer Konfiguration mit drei Messeinrichtungen wie in Fig. 3, welche gleichzeitig die Entfernung zu drei Retro- reflektoren messen, wird die Orientierung zudem herangezogen um die Position der Messvorrichtung und somit des Objekts basierend auf den Längenmessungen zu bestimmen, wie dies durch einen gestrichelten Pfeil in Fig. 7 angedeutet ist. In step 91, a position is determined by trilateration based on the three distances and optionally the orientation from step 95. In a configuration in which the distance to three retro-reflectors is measured with a single measuring device on the object or from e.g. If the distance to a reflector on the object is measured by three fixed measuring devices, the position in step 91 can be determined directly from the three distances measured in step 90 without the need for the orientation information. In a configuration with three measuring devices as in FIG. 3, which simultaneously measure the distance to three retro-reflectors, the orientation is also used to determine the position of the measuring device and thus of the object based on the length measurements, as indicated by a dashed arrow is indicated in Fig. 7.
In Schritt 96 werden dann Position und Orientierung ausgegeben. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung einer Orientierung einer Messvorrichtung bzw. eines Objekts, an welche die Messvorrichtung angebracht ist, ist in Figuren 8 und 9 dargestellt. In step 96 position and orientation are then output. Another possibility for determining an orientation of a measuring device or an object to which the measuring device is attached is shown in FIGS. 8 and 9.
In Fig. 8 ist eine Messvorrichtung dargestellt, welche drei Messeinrichtungen 101 , 102, 103 aufweist, welche in Form eines Dreiecks 100 angeordnet sind. Die Messvorrichtungen 101 , 102, 103 können Messvorrichtungen wie unter Bezugnahme auf Figuren 3-6 beschrieben sein, welche mittels Spiegel Licht zu jeweiligen Reflektoren 104, 105, 106 leiten. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch Messeinrichtungen 101 , 102, 103 ohne bewegliche Spiegel vorgesehen sein, bei welchem ein Strahl beispielsweise derart aufgeweitet ist, dass er in einem gesamten gewünschten Bewegungsraum der Messvorrichtung den jeweils anzumessenden Reflektor erfasst. Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen kann eine einzige Messeinrichtung vorgesehen sein, welche beispielsweise nacheinander drei verschiedene Retroreflekto- ren anmisst. Auf diese Weise werden drei Längen 107, 108 und 109 bestimmt, aus weichen wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die Position bestimmt werden kann. Zur Bestimmung der Orientierung ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 eine Kamera 110 vorgesehen, beispielsweise eine Digitalkamera mit einem Bildsensor wie beispielsweise einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor. Zudem sind zusätzlich zu den ortsfesten Reflektoren 104, 105, 106 ortsfeste Muster 1 1 , 1 2 vorgesehen, welche bei dem dargestellten Beispiel aus jeweils vier Leuchtpunkten, beispielsweise Leuchtdioden, bestehen. Es sind jedoch auch andere Muster mit beispielsweise mehr oder weniger Punkten, anderen geometrischen Formen und/oder nicht leuchtende Muster möglich. FIG. 8 shows a measuring device which has three measuring devices 101, 102, 103, which are arranged in the form of a triangle 100. The measuring devices 101, 102, 103 may be measuring devices as described with reference to FIGS. 3-6, which direct light to respective reflectors 104, 105, 106 by means of mirrors. In other embodiments, measuring devices 101, 102, 103 may also be provided without movable mirrors, in which a beam is, for example, expanded in such a way that it detects the respective reflector to be measured in a total desired movement space of the measuring device. In still other embodiments, a single measuring device may be provided which measures, for example, successively three different retroreflectors ren. In this way, three lengths 107, 108 and 109 are determined, from which the position can be determined, as in the preceding embodiments. In order to determine the orientation, a camera 110 is provided in the embodiment of FIG. 8, for example a digital camera with an image sensor such as a CCD sensor or a CMOS sensor. In addition, in addition to the fixed reflectors 104, 105, 106 fixed patterns 1 1, 1 2 are provided, which consist in the illustrated example of four luminous points, such as light emitting diodes. However, other patterns with, for example, more or less dots, other geometric shapes and / or non-luminous patterns are possible.
Die Muster 111 , 1 12 werden zur Bestimmung der Orientierung der Messvorrichtung mit der Kamera 1 10 aufgenommen. Eine Auswerteeinheit wie die Auswerteeinheit 46 aus Fig. 2 führt eine Bildanalyse aus, um die Muster zu detektieren. Zum Beispiel kann aus einer Verzerrung der Muster in Abhängigkeit von dem Betrachtungswinkel auf die Orientierung der Messvorrichtung rückgeschlossen werden. Beispielsweise können die Muster 1 1 1 , 112 bei grader Betrachtung wie in Fig. 9a dargestellt erscheinen, während sie bei schräger Betrachtung wie in Fig. 9b dargestellt erscheinen können. Somit stellt eine derartige Kamera eine weitere mögliche Quelle dar, um Daten zu gewinnen, aus welchen die Position der Messvorrichtung und somit des Objekts, an welchem die Messvorrichtung angebracht ist, bestimmt werden kann. The patterns 111, 112 are recorded to determine the orientation of the measuring device with the camera 1 10. An evaluation unit such as the evaluation unit 46 of FIG. 2 performs an image analysis to detect the patterns. For example, it can be deduced from a distortion of the pattern as a function of the viewing angle on the orientation of the measuring device. For example, the patterns 1 1 1, 112 may appear as viewed in a grader manner as shown in FIG. 9a, while they may appear obliquely as shown in FIG. 9b. Thus, such a camera is another possible source for obtaining data from which the position of the measuring device and thus of the object to which the measuring device is attached can be determined.
Die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele sind nicht als den Bereich der Erfindung einschränkend auszulegen. Insbesondere sind auch andere Quellen zur Bestimmung der Orientierung möglich. Beispielsweise kann eine Messvorrichtung mit einem Gravitationssensor und/oder Trägheitssensor ausgestattet sein, um die Orientierung zu bestimmen, oder es kann ein Magnetfeldsensor wie ein SQUID vorgesehen sein, welcher die Orientierung relativ zu einem vorgegebenen, beispielsweise homogenen, magnetischen Feld detektiert. Es können auch Kombinationen der verschiedenen Möglichkeiten verwendet werden. The above embodiments are not to be construed as limiting the scope of the invention. In particular, other sources for determining the orientation are possible. For example, a measuring device may be equipped with a gravitational sensor and / or inertial sensor to determine the orientation, or a magnetic field sensor such as a SQUID may be provided, which detects the orientation relative to a predetermined, for example homogeneous, magnetic field. Combinations of the different possibilities can also be used.
Während bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Messvorrichtung an einem Roboterarm angebracht war, kann eine entsprechende Messvorrichtung auch an ei- nem anderen Objekt, beispielsweise einer manuell bewegbaren Vorrichtung wie einer Messvorrichtung, angebracht sein. Ein Roboterarm wie den Figuren 1 und 2 dar- gestellt kann auch als Ganzes im Raum beweglich sein, beispielsweise durch Montage auf einer beweglichen Plattform. While in the illustrated embodiment a measuring device was attached to a robot arm, a corresponding measuring device can also be attached to another object, for example a manually movable device such as a measuring device. A robotic arm like FIGS. 1 and 2 can also be moved as a whole in space, for example, by mounting on a movable platform.
Die beschriebenen Längenmessungen können beispielsweise basierend auf Interfe- rometrie wie beschrieben, insbesondere Heterodyninterierometrie, basierend auf durchstimmbaren Lasern und/oder basierend auf gepulsten Lasern durchgeführt werden. The length measurements described can be carried out, for example, based on interferometry as described, in particular heterodyne interferometry, based on tunable lasers and / or based on pulsed lasers.
Wie aus den obigen Ausführungen erkennbar sind eine Vielzahl von Variationen und Abwandlungen möglich. Dementsprechend ist die Erfindung nicht auf die oben erläuterten Ausführungsbeispiele begrenzt. As can be seen from the above, a variety of variations and modifications are possible. Accordingly, the invention is not limited to the above-described embodiments.

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E PAT EN TA NSPR O CHE
1 . Verfahren, umfassend: 1 . Method, comprising:
Bestimmen einer Position eines Objekts basierend auf einer optischen Messung, und  Determining a position of an object based on an optical measurement, and
Bestimmen einer Orientierung des Objekts basierend auf Daten, welche aus einer Quelle gewonnen sind, welche sich von der optischen Messung unterschei- det.  Determining an orientation of the object based on data obtained from a source different from the optical measurement.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Objekt ein Abschnitt (31 , 41 ) einer Mehrachskinematik (2; 40) ist. 2. The method of claim 1, wherein the object is a section (31, 41) of a multi-axis kinematics (2; 40).
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Daten Steuerdaten der Mehrachskinematik (2) umfassen und die Quelle eine Steuerung der Mehrachskinematik (2) um- fasst. 3. The method of claim 2, wherein the data comprises multi-axis kinematics control data (2) and the source comprises multi-axis kinematics control (2).
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Bestimmen der Orientierung aus Steuerdaten ein Auswerten von Daten von Winkelgebern der MehrachskinematikThe method of claim 2 or 3, wherein determining the orientation from control data comprises evaluating data from multi-axis kinematics encoders
(2) umfasst. (2).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, wobei der Abschnitt ein Endabschnitt (31 ) ist, und wobei das Bestimmen einer Position an einem Endabschnitt (31 ) der Mehrachskinematik (2) ein Bestimmen einer Position eines Endes des Endabschnitts (31 ) umfasst. A method according to any one of claims 2-4, wherein the portion is an end portion (31), and wherein determining a position at an end portion (31) of the multi-axis kinematics (2) comprises determining a position of an end of the end portion (31) ,
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, wobei das Bestimmen der Position ein Bestimmen der Position eines Punktes eines an dem Endabschnitt (31 ) ange- brachten Elementes (29) umfasst. 6. The method of claim 2, wherein determining the position comprises determining the position of a point of an element (29) attached to the end portion (31).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-6, weiter umfassend: The method of any of claims 2-6, further comprising:
Bestimmen eines Wechselwirkungsbereichs eines an dem Endabschnitt (31 ) angebrachten Elements (29) mit einer Oberfläche (30) eines Werkstücks.  Determining an interaction region of an element (29) attached to the end section (31) with a surface (30) of a workpiece.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Wechselwirkungsbereich im Wesentlichen punktförmig ist. 8. The method of claim 7, wherein the interaction region is substantially punctiform.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8, wobei das Element ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Messgeber (29) und einem Werkzeug. 9. The method according to any one of claims 6-8, wherein the element is selected from the group consisting of a transducer (29) and a tool.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Element einen Messgeber (29) umfasst, wobei das Verfahren weiter umfasst: The method of claim 7 or 8, wherein the element comprises a transducer (29), the method further comprising:
Vergleichen des bestimmten Wechselwirkungsbereichs mit einem Sollwechselwirkungsbereich.  Comparing the determined interaction region with a desired interaction region.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Element ein Werkzeug umfasst, weiter umfassend: 1 1. The method of claim 7 or 8, wherein the element comprises a tool, further comprising:
Bewegen der Mehrachskinematik (2) derart, dass der Wechselwirkungsbereich einem vorgegebenen Wechselwirkungsbereich entspricht, und  Moving the multi-axis kinematics (2) such that the interaction region corresponds to a predetermined interaction region, and
Bearbeiten der Oberfläche mit dem Werkzeug.  Edit the surface with the tool.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -1 1 , wobei das Bestimmen der Position ein Beleuchten eines Retroreflektors (25) mit mindestens einem Lichtstrahl (22, 27) und ein Detektieren des von dem Retroreflektor (25) reflektierten mindestens einen Lichtstrahls umfasst. 12. The method of claim 1, wherein determining the position comprises illuminating a retroreflector with at least one light beam, and detecting the at least one light beam reflected by the retroreflector.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Retroreflektor ein ortsfester Retroreflektor ist, und der Lichtstrahl ausgehend von dem Objekt zu dem Retroreflektor gelenkt wird. 13. The method of claim 12, wherein the retroreflector is a stationary retroreflector, and the light beam is directed from the object to the retroreflector.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der mindestens eine Lichtstrahl drei Lichtstrahlen umfasst, welche zu drei verschiedenen Retroreflektoren gelenkt werden. 14. The method of claim 13, wherein the at least one light beam comprises three light beams which are directed to three different retroreflectors.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Lenken des mindestens einen Lichtstrahls ein Verstellen eines beweglichen Spiegels umfasst, 15. The method of claim 13, wherein steering the at least one light beam comprises adjusting a movable mirror,
wobei die Quelle den beweglichen Spiegel umfasst und die Daten eine Winkelstellung des beweglichen Spiegels umfassen.  wherein the source comprises the movable mirror and the data comprises an angular position of the movable mirror.
16. Verfahren nach Anspruch 15, weiter umfassend Bestimmen einer Abweichung des Lichtstrahls von einem Zentrum des Retroreflektors, und 16. The method of claim 15, further comprising determining a deviation of the light beam from a center of the retroreflector, and
Korrigieren der Daten auf Basis der Abweichung. Correct the data based on the deviation.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Bestimmen der Abweichung mittels eines Quadrantendetektors vorgenommen wird. 17. The method of claim 16, wherein determining the deviation is performed by a quadrant detector.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -17, wobei die Quelle eine Kamera um- fasst, wobei die Daten Bilddaten der Kamera umfassen. 18. The method of claim 1, wherein the source comprises a camera, the data comprising image data of the camera.
19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Kamera an dem Objekt angebracht ist, wobei die Bilddaten Aufnahmen von ortsfesten Mustern umfassen. The method of claim 18, wherein the camera is mounted on the object, wherein the image data includes fixed pattern photographs.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -19, wobei die Quelle einen Gravitationssensor umfasst. 20. The method of claim 1, wherein the source comprises a gravitational sensor.
21 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -20, wobei die Quelle einen Trägheitssensor umfasst. 21. The method of any one of claims 1 to 20, wherein the source comprises an inertial sensor.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -21 , wobei die Quelle einen Magnetfeldsensor umfasst. 22. The method of claim 1, wherein the source comprises a magnetic field sensor.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -22, wobei das Bestimmen der Position basierend auf der optischen Messung und der Orientierung erfolgt. 23. The method of claim 1, wherein determining the position is based on the optical measurement and the orientation.
24. Vorrichtung, umfassend: 24. Apparatus comprising:
eine optische Messvorrichtung (1 ) zur Durchführung mindestens einer optischen Längenmessung,  an optical measuring device (1) for carrying out at least one optical length measurement,
eine Auswerteeinheit (15; 46), welche ausgestaltet ist, eine Position eines Objekts (31 ; 41 ) basierend auf der mindestens einen optischen Längenmessung und eine Orientierung des Objekts (31 ; 41 ) basierend auf Daten einer Quelle (2; 40; 83; 63; 1 10), wobei die Daten keine Daten einer optischen Längenmessung sind, zu bestimmen.  an evaluation unit (15; 46) which is configured, a position of an object (31; 41) based on the at least one optical length measurement and an orientation of the object (31; 41) based on data from a source (2; 40; 83; 63, 1 10), where the data is not optical length measurement data.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, weiter umfassend eine Mehrachskinematik (2; 25. The apparatus of claim 24, further comprising a multi-axis kinematics (2;
40), wobei das Objekt ein Abschnitt (31 ; 41 ) der Mehrachskinematik ist.  40), the object being a multi-axis kinematics section (31; 41).
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, weiter umfassend ein an dem Abschnitt (31 ) an- gebrachtes Element (29), wobei die Steuereinheit (15) weiter ausgestaltet ist, einen Wechselwirkungspunkt des Elements (29) mit einer Oberfläche (30) zu bestimmen. 26. The apparatus of claim 25, further comprising an element (29) attached to the portion (31), the controller (15) further configured to determine an interaction point of the element (29) with a surface (30).
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei das Element ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend einen Messgeber (29) und ein Werkzeug. 27. The apparatus of claim 26, wherein the element is selected from the group comprising a transducer (29) and a tool.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25-27, wobei die Quelle eine Steuerung der Mehrachskinematik (2) umfasst und die Daten Steuerdaten der Mehrachskinematik umfassen. The apparatus of any one of claims 25-27, wherein the source comprises multi-axis kinematics control (2) and the data comprises multi-axis kinematics control data.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24-28, wobei die Messvorrichtung zur Positionsbestimmung ( ) einen Kurzpulslaser (3) umfasst. 29. Device according to one of claims 24-28, wherein the measuring device for position determination () comprises a short pulse laser (3).
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24-29, wobei die optische Messvorrichtung einen beweglichen Spiegel zum Lenken eines Lichtstrahls auf einen Reflektor umfasst, wobei die Quelle den beweglichen Spiegel umfasst, wobei die Daten eine Winkelstellung des beweglichen Spiegels umfassen. 30. The device of claim 24, wherein the optical measuring device comprises a movable mirror for directing a light beam to a reflector, the source comprising the movable mirror, the data comprising an angular position of the movable mirror.
31 . Vorrichtung nach Anspruch 30, weiter umfassend eine Detektoreinrichtung (82, 86) zum Bestimmen einer Abweichung des Lichtstrahls von einem Zentrum des Reflektors. 31. An apparatus according to claim 30, further comprising detecting means (82, 86) for determining a deviation of the light beam from a center of the reflector.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24-31 , wobei die Quelle eine Kamera und die Daten Bilddaten der Kamera umfassen. The apparatus of any of claims 24-31, wherein the source comprises a camera and the data comprises image data of the camera.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24-32, wobei die Quelle einen oder meh- rere Sensoren aus der Gruppe umfassend einen Trägheitssensor, einen Gravitationssensor und einen Magnetfeldsensor umfasst. 33. The device of claim 24, wherein the source comprises one or more sensors from the group comprising an inertial sensor, a gravitational sensor and a magnetic field sensor.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24-33, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-23 ausgestaltet ist. 34. Device according to one of claims 24-33, wherein the device for carrying out the method according to one of claims 1-23 is configured.
PCT/EP2010/062636 2009-09-23 2010-08-30 Method and device for determining the orientation and position of an object WO2011036033A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009042702A DE102009042702A1 (en) 2009-09-23 2009-09-23 Method and device for determining the orientation and position of a multi-axis kinematics point
DE102009042702.3 2009-09-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011036033A1 true WO2011036033A1 (en) 2011-03-31

Family

ID=43034260

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2010/062636 WO2011036033A1 (en) 2009-09-23 2010-08-30 Method and device for determining the orientation and position of an object

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102009042702A1 (en)
WO (1) WO2011036033A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114952861A (en) * 2022-06-27 2022-08-30 西南交通大学 Robot kinematic parameter error accurate identification method based on pose measurement data

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202012101121U1 (en) 2012-03-29 2013-07-16 Kuka Systems Gmbh separator
DE102018124595B4 (en) 2018-10-05 2022-02-17 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Device for detecting a position and attitude of an end effector of a robot

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000039576A1 (en) * 1998-12-23 2000-07-06 Image Guided Technologies, Inc. A hybrid 3-d probe tracked by multiple sensors
US6166809A (en) * 1995-10-12 2000-12-26 Metronor Asa System for point-by-point measuring of spatial coordinates
EP1251328A2 (en) * 2001-04-13 2002-10-23 Carl Zeiss System and method for determining the position or/and the orientation of two objects relative to each other, as well as beam guidance device, interferometer system and device for modifying the optical pathlength for use in such a system and method
US6667798B1 (en) * 1999-07-28 2003-12-23 Leica Geosystems Ag Method and device for determining spatial positions and orientations
EP1447644A1 (en) * 2003-02-14 2004-08-18 Metronor ASA Measurement of spatial coordinates
DE102004021892A1 (en) 2004-05-04 2005-12-01 Daimlerchrysler Ag Robot-guided optical measuring arrangement and method and auxiliary device for measuring this measuring arrangement

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10048097A1 (en) * 2000-09-28 2002-04-18 Zeiss Carl The coordinate
DE10246781A1 (en) * 2002-10-08 2004-04-22 Stotz-Feinmesstechnik Gmbh Three-dimensional measurement of objects involves determining measurement element positions by location method in relation to fixed reference system specified by associated location system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6166809A (en) * 1995-10-12 2000-12-26 Metronor Asa System for point-by-point measuring of spatial coordinates
WO2000039576A1 (en) * 1998-12-23 2000-07-06 Image Guided Technologies, Inc. A hybrid 3-d probe tracked by multiple sensors
US6667798B1 (en) * 1999-07-28 2003-12-23 Leica Geosystems Ag Method and device for determining spatial positions and orientations
EP1251328A2 (en) * 2001-04-13 2002-10-23 Carl Zeiss System and method for determining the position or/and the orientation of two objects relative to each other, as well as beam guidance device, interferometer system and device for modifying the optical pathlength for use in such a system and method
DE10118392A1 (en) 2001-04-13 2002-11-07 Zeiss Carl System and method for determining a position and / or orientation of two objects relative to one another as well as beam guidance arrangement, interferometer arrangement and device for changing an optical path length for use in such a system and method
EP1447644A1 (en) * 2003-02-14 2004-08-18 Metronor ASA Measurement of spatial coordinates
DE102004021892A1 (en) 2004-05-04 2005-12-01 Daimlerchrysler Ag Robot-guided optical measuring arrangement and method and auxiliary device for measuring this measuring arrangement

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
K. MINOSHIMA; H. MATSUMOTO: "High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", APPLIED OPTICS, vol. 39, no. 30, 2000, pages 5512 - 5517

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114952861A (en) * 2022-06-27 2022-08-30 西南交通大学 Robot kinematic parameter error accurate identification method based on pose measurement data
CN114952861B (en) * 2022-06-27 2024-05-03 西南交通大学 Robot kinematics parameter error accurate identification method based on pose measurement data

Also Published As

Publication number Publication date
DE102009042702A1 (en) 2011-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3220163B1 (en) Laser tracker with two measuring function alities
EP2475953B1 (en) Devices and methods for determining positions and measuring surfaces
EP2185890B1 (en) Method and measuring device for measuring surfaces
DE102008045386B4 (en) Device and method for determining an object position
DE102008045387B4 (en) Apparatus and method for measuring a surface
DE102013008269C5 (en) Processing head for a laser processing device
DE102004037137B4 (en) Method and device for distance measurement
DE102018105877B3 (en) Device for determining an alignment of an optical device of a coherence tomograph, coherence tomograph and laser processing system
WO2014095521A1 (en) Method and device for determining the position coordinates of a target object
WO2014096231A1 (en) Self-calibrating laser tracker and self-calibration method
EP2446299A1 (en) Coordinate measuring device
DE102010039948B4 (en) Measuring unit, measuring system and method for determining a relative position and relative orientation
DE102009028068B4 (en) position measuring device
WO2021110698A1 (en) Method for measuring a distance by means of oct in order to control a focal point for laser processing materials, and corresponding computer program product
DE102019120398B3 (en) Laser processing system and method for a central alignment of a laser beam in a processing head of a laser processing system
DE112006002170T5 (en) Laser rangefinder
WO2011095145A1 (en) Measuring device for measuring at least one position change and/or at least one angle change and a method for dynamically measuring at least one position change and/or angle change
EP3608625B1 (en) Oct measuring system
WO2011036033A1 (en) Method and device for determining the orientation and position of an object
DE3605107A1 (en) DEVICE FOR MEASURING AND POSITIONING
EP3374732B1 (en) Method and device for determining the spatial position of an object by means of interferometric length measurement
DE102009010159B4 (en) Device and method for distance measurement
DE102011001475A1 (en) Method for determining e.g. position of robotic apparatus for controlling machines in aerospace industry, involves determining position of location relative to another location based on comparison of detected and simulated light patterns
DE102019134939A1 (en) Device for detecting a position of a body

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10747461

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10747461

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1