CN100398979C - 用于确定物体在空间中的位置和相对移动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定物体(1)在空间中的位置和相对移动(9)的方法，其中，通过在空间坐标系(5)中校准的光学摄取装置(3)在一个摄取图像中同时摄取物体(1)的至少三个测量特征(4)，并且借助于这些测量特征(4)在图像处理装置中确定物体(1)在空间坐标系(5)中的位置，其特征在于，使用可动的摄取装置(3)，获得物体(1)在不同位置中的至少三个测量特征(4)并对其进行分析，其中，将摄取装置(3)的位置确定为，通过使由不同的测量特征(4)发出并落入摄取装置(3)的视线之间分别存在大于10°的大的中间角，而使得适于确定物体(1)的位置的测量特征(4)最佳地覆盖摄取装置(3)的感光区域；以及同时分析不多于五个测量特征(4)。

Description

用于确定物体在空间中的位置和相对移动的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定物体在空间中的位置的方法，其中通过在空间坐标系中校准的光学摄取装置摄取物体的测量特征，并且借助于这些测量特征在图像处理装置中确定物体在空间坐标系中的位置。这种方法例如用于自动生产线中的生产或装配过程，其中要通过操纵装置在未知位置的加工物体上执行一个加工过程。

背景技术

在EP 0 911 603 B1中描述了，为了光学地确定刚性物体在空间坐标系中的位置，使存在于刚性物体上的至少三个直线或棱边中的每一个直线或棱边在平面坐标系中成像，这些直线或棱边的坐标在物体本身的坐标系中是已知的，其中在平面坐标的位置与空间坐标系之间建立一种关系，并且无需分配标记点。所述棱边或直线通常通过多个照相机获得，也可以使用一个在空间坐标系中可受控地移动的照相机并且接连摄取多个直线或棱边的图像。

但是，这种方法存在下列缺陷，即或者必须使用且分别校准多个照相机，或者确定物体在空间中的位置耗时很长，因为必须从不同的位置摄取多个图像。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种确定物体在空间中的位置的方法，它能够以较少的照相机或照相机位置可靠地求得物体在空间中的位置。

对于上述类型的方法，这一目的主要通过一种用于确定物体在空间中的位置和相对移动的方法得以实现，其中，通过在空间坐标系中校准的光学摄取装置在一个摄取图像中同时摄取物体的至少三个测量特征，并且借助于这些测量特征在图像处理装置中确定物体在空间坐标系中的位置，其特征在于，使用可动的摄取装置，获得物体在不同位置中的至少三个测量特征并对其进行分析，其中，将摄取装置的位置确定为，通过使由不同的测量特征发出并落入摄取装置的视线之间分别存在大于10°的大的中间角，而使得适于确定物体的位置的测量特征最佳地覆盖摄取装置的感光区域；以及同时分析不多于五个测量特征。

根据本发明，在摄取装置中同时获得物体的至少两个测量特征并将所述至少两个测量特征用于确定物体的位置。为此，使测量特征在摄取装置的二维坐标系中成像，这些测量特征的坐标在其自身的坐标系尤其是物体坐标系中是已知的或者可通过图像处理装置获得。由于摄取装置在空间坐标系中通过位置和方位所限定的定位及其成像特性是已知的，所述图像处理装置可以通过本身已知的分析方法在于摄取装置的二维坐标系中成像的测量特征和空间坐标系之间建立一种关系。然后，从物体坐标系中不同的测量特征相互间的已知关系可以推断出所摄取的测量特征在空间中的位置。这使得能够确定物体在空间中的位置。根据本发明，也可以将测量特征合并成多个组并在不同的分测量中获得，其中已知测量特征在一个组中相互间的相对坐标，而不必知道相对于其它组的测量特征的坐标。通过合并不同的分测量可以以更高的精度确定整个物体的坐标。

迄今为止已经接受的(观点)是，为了得到分析方法在数学上稳定的答案，利用其摄取不同的测量特征以确定位置的测量装置的光轴必须在空间中不同地取向。这需要从另一照相机位置摄取用于确定物体在空间中位置的每个测量特征。这或者通过许多安装在不同位置且分别校准的照相机实现，并且导致相应较高的设备费用。可选地，可将照相机以受控方式接连移动到不同的摄取位置。但是，这导致位置确定相对较慢，因为必须顺序分析所有图像。通过本发明现在已经发现，能够通过一个照相机同时获得多个测量特征并用于确定在空间中的位置。由此明显地加快了确定物体在空间中位置的速度。在一个照相机中获得的物体上的不同测量特征具有尤其尽可能大的明确的间距是特别有利的。可得到的精度尤其取决于物体上测量特征的间距。因此，根据所期望的精度可以给定一个间距作为两个测量特征之间的最小间距。但是，如果对精度的要求不是很严格，也可以利用相互间紧密相邻的测量特征来执行本发明的方法。

为了能够精确地求得物体在空间中的定位——即其位置和取向，必须确定物体的所有六个自由度。根据本发明，这一点可以通过分析来自至少一个所摄取图像的至少三个特征实现。因此，通过分析三个测量特征即可确定物体的位置和取向，所述测量特征可以在一个或多个图像中识别。通过一个单独的图像获得用于分析所需的所有测量特征是特别有利的。但是，根据本发明，也可以通过第二摄取装置或摄取装置的第二摄取位置获得三个必需的测量特征中的一个测量特征。通过在一个摄取装置中合并至少两个特征已经明显改善了在设备方面的费用和/或分析速度。

但是，只通过三个测量特征不能确定剩余误差。如果使用四个或更多个测量特征，则可以通过误差修正计算来确定剩余误差。该剩余误差表征为模拟的几何形状与实际(形状)之间的误差，并由此是所达到精度的标准。但是，根据本发明，通过一个摄取装置同时获得不多于五个测量特征是有利的。尽管剩余误差随着测量特征的数量而减小，但是已经证实，使用已知的分析方法在一个图像中分析多于五个测量特征不会导致显著的误差改善。因此，为了避免不必要的分析工作，可以不在摄取装置的一个图像中分析更多数量的测量特征。

根据应用场合能够或者足以通过少于六个自由度实现物体位置的确定。这时可使用任意子集。对于二维或一维测量结果，由于自由度减少，所需的测量特征数量可以分别减少至两个或一个。原则上能够在六个至一个自由度中确定物体的位置。通过至少三个测量特征可以确定五个和六个自由度，通过至少两个测量特征可以确定三个和四个自由度，通过至少一个测量特征可以确定一个和两个自由度。通过设置用于执行本发明方法的根据本发明的摄取和分析系统也可以在一个摄取装置中只获得一个测量特征。

根据本发明方法的一个特征，所述测量特征尤其是标记点，即本身在空间中没有取向的点状特征。与现有技术中已知的许多方法不同，测量特征在空间中的这种取向对于本发明的方法的使用不是必需的，并且例如与棱边相比其优点在于，标记点在空间中的位置总是明确的。相反地，对于某些其它几何轮廓的棱边而言，最初并不知道准确获得棱边的哪个点。利用体现为棱边(数学意义上的曲线或直线)或其它可描述的几何形状的测量特征同样能够很好地使用根据本发明的方法，在这些情况下分析费用将增加。对于棱边，棱边在空间中的角度可以作为附加边界条件，以便提高数学求解模型的耐用度和稳定性。根据本发明，所述方法也可以使用任意多的点进行轮廓分析。

尽管只通过一个单独的摄取装置就可以很好地执行本方法，但是根据本发明也可以使用多个摄取装置。可以根据待测量物体的尺寸和几何形状以及所需的测量结果的精度来决定参与测量的摄取装置的数量以及布置。

根据一个有利的特征，一个测量特征也可以在多个摄取装置中成像。由此通过该测量特征的贡献一般可以提高整个结果的精度，因为由此实现了不一定需要的重复测定并用于提高精度。

为了获得高度灵活性，根据本发明可以使用一个或多个静止的和/或可动的摄取装置，所述可动的摄取装置尤其可以通过操纵装置移动。相互间固定地连接的多个照相机也可以位于一个操纵装置上。通过使用操纵装置，也可以将一个摄取装置接连放置于不同的测量位置上并在那里摄取图像。对于这些移动的操纵系统，所述操纵装置必须重复地到达相同的进行摄取的空间位置，或者必须能够确定其自身空间位置的校准坐标并将该坐标传递到图像处理装置。

这一点例如可以通过摄取装置在操纵装置上的三维校准实现，由此根据操纵装置的受控运动可以知道在每个可实现的运动状态中摄取装置在操纵装置上的位置。也可以通过测量具有已知坐标的特征和/或通过使用外部测量机构自动地确定摄取装置的位置。尤其可以设想在实际的测量空间——要在该空间内确定物体的位置——以外校准移动的摄取装置，所述校准通过将一个校准介质放置在这个测量空间外部来进行。为此，可以通过操纵装置这样移动要被校准的摄取装置，即使得校准介质通过摄取装置成像。然后由校准介质的已知位置能够求得摄取装置的位置并执行其校准。这样做的优点在于，在校准前不需要拆卸待测量的物体。通过上述特别有利的校准方法，对于一个可动的摄取装置，在操纵装置移动以后能够确定该摄取装置在空间坐标系中的位置。但是，根据本发明的方法与校准方法无关，并可与任意的校准(方法)结合使用。

根据本发明的一个有利变型，所述摄取装置定位为，使得在落入摄取装置的视线之间分别存在大的中间角，所述视线由不同的测量特征发出并用于确定物体的位置。当由不同的测量特征发出的视线不是平行地延伸或者不是基本平行地延伸时，则存在一个根据本发明的大的中间角。优选地，所述摄取装置定位为，使得各个中间角——或者尽可能多的中间角——大于约10°。这一点没有清晰的界线，因为中间角的大小决定结果的精度。如果精度要求适当地较低，则甚至例如5°至6°的较小的中间角也足够。当只有几个中间角——例如一个或两个中间角——小于所述优选的大于8°至10°的中间角时，尤其是如此。在中间角接近180°时适用相应的角度限制。即使在这种情况下也能够实现足够的精度。根据本发明已经证实，当尤其由多个测量特征所发出的各个视线之间的角度足够大时，通过一个照相机就能够获得所述多个测量特征并且以足够的精度分析它们。在这种情况下，不同的视线不是平行地延伸或者不是基本平行地延伸。视线之间的中间角越大，位置确定所达到的精度就越高。

根据本发明，这也适用于这种情况，其中在一个摄取装置中只获得一个测量特征，然后总共使用多个摄取位置(多个摄取装置或者一个摄取装置的接连多个位置)。在这种情况下，摄取装置的光轴在摄取位置上的取向也不是决定性的，只要用于分析的不同测量特征的视线具有足够大的中间角。本发明的一个独立方面由此涉及提出一种用于确定物体在空间中的位置的方法，其中通过至少一个在空间坐标系中校准的光学摄取装置摄取物体的测量特征，并且借助于这些测量特征在图像处理装置中确定物体在空间坐标系中的位置。所述摄取装置定位为，使得在落入所述一个或多个摄取装置中的视线之间分别存在大的中间角，所述视线由不同的测量特征发出并且用于确定物体的位置。

在实践中，当视线之间的中间角尤其位于约10°至170°的范围内时，位置确定通常能够达到足够的精度。但是，根据应用场合更大或更小的角度范围也是适当的。

如果根据特定的应用场合将所述摄取装置定位和/或布置成使得分别存在尽可能大的中间角，则可达到最佳的精度。这例如可以通过改变摄取装置的物镜的摄取距离和焦距来实现。为了在视线之间实现尽可能大的角度，需要使用广角的短焦距物镜。利用摄取装置中的这种广角物镜，与物体位置和取向有关的物体成像的比例改变和投影轮廓有很大的变化(范围)，由此改善测量精度，所述摄取装置例如由具有CCD传感器的照相机构成。该摄取装置优选地靠近物体放置，使得用于位置确定的测量特征正好由摄取装置获得。这使得最佳地利用由摄取装置提供的感光区域，例如CCD芯片。

对于本发明方法的使用重要的是，测量特征在与待测量物体相关联的坐标系中——即在物体坐标系中——的坐标是已知的以用于图像分析并且/或者可以通过图像分析求得。根据本发明这可由此实现，即通过图像处理装置的测量特征的坐标例如以结构数据的形式给定物体数据。在本发明的另一实施例中，还可以学会测量特征在物体上的坐标。为此，在多个已知的位置上通过摄取装置摄取物体。然后相应地分析所摄取的图像，并将坐标分配给不同的测量特征。图像处理装置可以获得例如所有可能的在物体上可供使用的测量特征，由此为了确定物体在空间中的位置，有许多不同的测量特征可供使用。

根据本发明方法的另一改进方案，自动地确定将由摄取装置所获得测量特征的选取、摄取装置的位置和/或摄取装置的焦距。这尤其适用于移动的摄取装置，因为移动的摄取装置可以选择物体的将要被摄取的图像区，使得重要的、尤其是适于确定物体位置的测量特征最佳地覆盖摄取装置的感光区域。为此，摄取装置可例如完成物体的一个测试图像。图像处理装置在这个测试图像中识别可获得的测量特征。通过测试不同的摄取位置和/或用于分析的不同的测量特征，可以自动地求得最佳的摄取位置。可选地，如果摄取装置的焦距可以自动地调节，则可以额外地改变摄取装置的物镜的焦距。

附图说明

从下面对示例性实施例和附图的描述中可以明显地看到本发明的其它优点、特征和可能的应用。所有说明的和/或图示的特征构成本发明的内容，而与其在权利要求中如何概括和/或权利要求的引用关系无关。在附图中：

图1示意性地示出通过静止的摄取装置确定物体在空间坐标系中的位置，

图2示意性地示出通过移动的照相机确定物体在空间坐标系中的位置，

图3示意性地示出相对于物体的起始位置确定物体在空间坐标系中的位置。

具体实施方式

在图1中示出一个根据本发明的系统，通过该系统可以执行根据本发明的用于确定物体1在空间中的位置的方法。(图中)示出将要确定其在空间中的位置的物体1。在自动生产线中的生产和装配过程中经常需要确定物体在空间中的位置，在所述自动生产线中物体1例如通过输送带或类似设备在空间中定位。因此物体1的位置是未知的。确定位置的目的通常是为了能够在位置未知的加工物体1上进行安装、抓取或机加工过程。安装通常必须总是在物体1上的相同基准点进行。为了实现这一点，如果物体1的位置是未知的，则必须测量该物体，并且要将待装配部件安装到物体1上的操纵装置2根据测量结果跟随该物体。要在物体1上执行的任务包括从附装部件——例如将门装进车身，或者有针对性地将涂覆材料例如粘接剂或密封材料涂覆到物体1上——到在物体上执行装配运动，例如拧紧连接件、焊接机械地预定位的分部件或类似运动。此外可以抓取物体以便移动物体。但是，根据本发明的方法不局限于这些应用场合，而是可以广泛地用于确定任意物体在空间中的位置。

为了确定物体1在空间中的位置，通过一摄取装置3——例如一具有CCD传感器的光学照相机——摄取该物体1。在该过程中，物体1通过测量特征4成像，该测量特征用于分析物体1在空间中的位置。这些测量特征4可以是标记点，即在空间中没有取向的点状特征。此外可以使用可在由摄取装置3摄取的图像中明确地识别的几何形状，例如圆、线条、特殊标记过的区域的重心、物体的拐角或棱边、或者其它特征。如果物体1在空间中的位置在六个自由度即在位置和取向上都是未知的，则至少三个在物体上相互隔开的测量特征4被用于分析并且在所述一个摄取装置3中获得。但是，原则上也可以设置多个摄取装置3。

在摄取装置3中摄取物体1的测量特征4产生了一个具有测量特征4的物体1的二维图像。在一个未单独示出而是连接到摄取装置3上的图像处理装置中处理所摄取的图像。根据摄取装置3在空间坐标系5中的三维校准——尤其使用全球定位系统(GPS)——和已知的摄取装置3的成像特性，可以对物体1的测量特征4赋予确定的空间点。因为同时已知测量特征4相互间在物体坐标系6中的相对坐标，因此能够在位置和取向上准确地求得物体1在空间中的定位。

可以使用该信息控制操纵装置2，以便例如将物体1移动到预定的空间位置，或者将位于操纵装置2上的待安装部件附装到物体1的准确位置上。

如果所分析的测量特征4在物体1上相互间隔得足够远，则即使分析一个摄取装置3中的多个测量特征4也能够实现高精度。在这种情况下，各个测量特征4落入摄取装置中的视线7之间的中间角也足够地大，由此数学分析方法提供稳定的位置结果。摄取装置3的位置优选地选择为，使得用于分析的测量特征4的尽可能多的视线7(之间)具有尽可能大的中间角。如果尽可能多的测量特征的视线7之间的中间角分别大于约10°则是有利的。

图2示出一个用于执行根据本发明的方法的类似系统，其中摄取装置3本身附装在操纵装置8上。在这种情况下，在由实线表示的摄取装置3的第一摄取位置上获得一部分用于分析的测量特征4。然后将摄取装置3移动到由虚线表示的第二摄取位置。在该第二摄取位置摄取其它的测量特征4，并用于分析物体1在空间中的位置。

如图3所示，根据本发明的方法也可以用于获得物体1在空间中的相对移动9。所使用的原理与上述方法变型是相同的。通过摄取装置3获得物体1在不同空间位置中的不同测量特征4，并且通过一个未单独示出的图像处理装置分析。通过比较物体1不同时刻在空间中的不同位置，可以求得物体相对于起始位置的定位。

根据本发明的方法的优点尤其在于，在一个摄取装置中可以同时获得并分析多个测量特征4——优选地可达五个测量特征4。这一点与先前已知的方法相比明显地简化并加快了确定物体在空间中定位的速度。

附图标记列表

1物体

2操纵装置

3摄取装置

4测量特征

5空间坐标系

6物体坐标系

7视线

8操纵装置

9相对移动

Claims (9)

1.一种用于确定物体(1)在空间中的位置和相对移动(9)的方法，其中，通过在空间坐标系(5)中校准的光学摄取装置(3)在一个摄取图像中同时摄取物体(1)的至少三个测量特征(4)，并且借助于这些测量特征(4)在图像处理装置中确定物体(1)在空间坐标系(5)中的位置，其特征在于，使用可动的摄取装置(3)，获得物体(1)在不同位置中的至少三个测量特征(4)并对其进行分析，其中，将摄取装置(3)的位置确定为，通过使由不同的测量特征(4)发出并落入摄取装置(3)的视线之间分别存在大于10°的大的中间角，而使得适于确定物体(1)的位置的测量特征(4)最佳地覆盖摄取装置(3)的感光区域；以及同时分析不多于五个测量特征(4)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量特征(4)是标记点。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用多个摄取装置(3)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，一个测量特征(4)在多个摄取装置(3)中成像。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于可动的摄取装置(3)，在移动后确定该摄取装置(3)在空间坐标系(5)中的位置。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中间角在约10°至约170°之间。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述摄取装置(3)定位和/或布置成使得分别存在尽可能大的中间角。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在使用所述方法之前，通过在多个已知的位置上用摄取装置(3)摄取物体(1)来学会测量特征(4)在物体坐标系(6)中的坐标。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，自动地确定将由摄取装置(3)获得的测量特征的选取、摄取装置(3)的位置和/或摄取装置(3)的焦距。

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