DE10016963C2 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines Werkstücks im 3D-Raum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Werkstücks und der Position von Merkmalen des Werkstücks im 3D-Raum unter Verwendung von mindestens zwei elektronischen Kameras und digita­ ler Bildverarbeitung, bei welchem die Kameras auf ein gemeinsames Weltko­ ordinatensystem kalibriert werden und anschließend das Werkstück in den Raum zwischen den Kameras verbracht wird, gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Die schnelle und berührungslose 3D-Vermessung eines dreidimensionalen Körpers besitzt eine Schlüsselfunktion auf dem Weg zu höhere Automatisie­ rung und zur vollständigen Qualitätsüberwachung in vielen Fertigungspro­ zessen. Nach der erfolgreichen Einführung der 2D-Bilderfassung und -verarbeitung in praktisch allen industriellen und gesellschaftlichen Berei­ chen, steht die 3D-Bilderfassung und -verarbeitung am Beginn einer offen­ sichtlich vergleichbar bedeutenden Entwicklung. Besonders in der industriel­ len Produktion kommt der schnellen und berührungslosen 3D-Positions- und 3D-Formerfassung eine große Bedeutung zu, so z. B. für die Maßhaltigkeits­ kontrolle, die Vollständigkeitsprüfung, Robotervision in der automatischen Montage, Prüfung von Oberflächenstrukturen, Reserve-Engineering, Überwa­ chung von Sicherheitszonen, 3D-Objekterkennung und Navigation im Raum. Die 3D-Formerfassung liefert die absoluten Geometriemaße von Objekten, die unabhängig vom Oberflächenzustand, von der Entfernung, Drehung und Be­ leuchtung sind, d. h. sie sind rotations-, verschiebungs- und beleuchtungsin­ variant. Allerdings ist der Aufwand unvergleichlich höher als bei der 2D- Projektion, bei der die Tiefeninformation der 3D-Szenen verloren geht. Die 3D-Positionserfassung liefert die genaue Kenntnis der Position von Objekten im Raum und deren Lage relativ zueinander. Damit ist sie für eine Vielzahl von technischen Verfahren von elementarer Bedeutung.

Die Kalibrierung von elektronischen Kameras ist ein vielfach untersuchtes Thema. Führend auf diesem Gebiet sind Verfahren, die sich mit der Auswer­ tung von bekannten Mustern im Videobild befassen, wobei alle bekannten Verfahren auf dem Modell der Lochkamera aufsetzen. Die Parameter sind die optimale Brennweite, die Position der Lichteintrittsöffnung im Raum und Linsenverzeichnungsparameter sowie Parameter, die sich mit der Position des CCD-Chips im Bezug zum Lochkoordinatensystem befassen. Alle bekannten Verfahren zur Bestimmung dieser Parameter basieren auf der Auswertung von Videobildern. In diesen Videobildern versucht man, über die Betrachtung von Kalibrierkörpern oder Kalibrierplatten die Parameter der Kameramodelle zu ermitteln.

Speziell die berührungslose Messung von 3D-Koordinaten mittels CCD- Kameras birgt systembedingt das größte Potential an Möglichkeiten, stellt aber gleichzeitig die höchsten Anforderungen an Methodik und Technik. Zur Analyse komplexer 3D-Szenen müssen Methoden und Verfahren der Mu­ stererkennung, der klassische Bildverarbeitung und der Photogrammetrie eingesetzt werden, mit dem Ziel, die Positionen bestimmter Objekte und deren Lage zueinander zu erfassen. Mit der Komplexität der Szene steigt die Menge der zu verarbeitenden Informationen und damit die Notwendigkeit, effiziente Methoden und Verfahren einzusetzen. Andernfalls steigt der Leistungsan­ spruch an die zum Einsatz kommende Rechnerhardware überproportional.

Der Einsatz von Handhabungsgeräten und Robotern ist in der Regel daran gebunden, daß die Position des zu handhabenden Objektes in engen Grenzen definiert ist. In vielen Produktionsprozessen kann dies entweder nicht sicher­ gestellt werden oder muß durch eine aufwendige, teure und gleichzeitig infle­ xible Positioniereinheit erreicht werden. Letzteres steht dem Wunsch nach flexiblen Produktionsstraßen entgegen.

So werden z. B. Automobilkarossen in bestimmten Abschnitten der Produkti­ on hängend an einem Transportsystem bewegt, das eine Karosse lediglich mit einer Genauigkeit von +/-30 mm positionieren kann. Eine Bearbeitung durch einen Roboter wird damit unmöglich, wenn für den Arbeitsvorgang selbst eine höhere Genauigkeit gefordert wird.

In der Massenfertigung von Stanz- oder Biegeteilen werden diese häufig un­ geordnet in Kisten den weiteren Arbeitsstationen zugeführt. Eine Vereinze­ lung der Teile ist im Allgemeinen einfach möglich. Die genaue Positionierung relativ zu einem Robotersystem muß jedoch oft mit aufwendigen mechani­ schen Anordnungen, die genau auf das Produkt abgestimmt sind, erfolgen.

Durch die EP 0 763 406 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Lage eines Körpers im Raum bekannt geworden, um Manipulationen an diesem durchzu­ führen, mit mehreren mit diesem zusammenwirkenden räumlich getrennten elektronischen Kameras mit Bildverarbeitung. Jede von mindestens drei räumlich getrennten elektronischen Kameras mit Bildverarbeitung nimmt bei deren Einmessung eine ihr zugeordnete Kalibriertafel mit Punktmuster auf, deren Bilder sowie das Punktmuster zur Bestimmung der Lage der einzelnen Kamera im Raum verarbeitet und deren Lage speichert. Eine Vermessung der Kalibriertafeln zueinander erfolgt hiervon getrennt, wobei diese Werte eben­ falls gespeichert werden. Anschließend wird der zu vermessende Körper in den Raum zwischen den elektronischen Kameras verbracht. Je ein charakte­ ristischer Punkt auf dem in den Raum verbrachten Körper wird in je einer diesem zugeordneten elektronischen Kamera abgebildet, so dass dessen Lage in Bild mit seiner konstruktiven vorgegebenen Position des charakteristischen Punktes auf den in den Raum verbrachten Körper zusammen mit den gespei­ cherten Werten verarbeitet wird; alle derart verarbeiteten Werte charakteri­ sieren die Lage des in dem Raum verbrachten Körpers in den sechs räumli­ chen Freiheitsgraden. Nachteilig an diesem Verfahren ist prinzipiell, dass zum Bestimmen der Lage eines Körpers im Raum Kalibriertafeln verwendet werden, welche sorgfältig gehandhabt werden müssen und nicht beschädigt werden dürfen wie sie auch Lagerplatz benötigen. Der wesentliche Nachteil ist, dass die Kalibriertafeln mit einem großen Aufwand mechanisch im Sicht­ feld der Kameras positioniert werden müssen und die Positionierbarkeit äu­ ßerst wiederholgenau sein muß. Diese Reproduzierbarkeit der Positionierung zu gewährleisten ist oft mit erheblichen Kosten verbunden, da die räumlichen Verhältnisse zum Beispiel in der Fördertechnik häufig schwierig sind.

Durch die EP 0473010 A2 ist ein Verfahren zur berührungslosen Koordinaten­ vermessung von Objektoberflächen bekannt geworden, bei dem mit einer Ka­ mera Bilder des Objektes von mehreren unterschiedlichen Positionen aus auf­ genommen werden. Die Kamera ist dazu in den Meßarm eines Koordinaten­ meßgerätes gesetzt, wobei der Meßarm in mindestens zwei verschiedene Stellungen verfahren wird und das zu vermessende Objekt mit Hilfe einer Dreh-Schwenk-Einrichtung angezielt wird. Die in zwei Stellungen aufgenom­ menen Bilder werden abgespeichert und in Bezug auf die Koordinaten cha­ rakteristischer Punkte ausgewertet. Dabei werden die von den Maßstäben des Koordinatenmeßgerätes und den Winkelgebern der Dreh-Schwenk-Einrich­ tung erhaltenen Positionswerte für die Berechnung der Objektkoordinaten aus den Bildkoordinaten der Kamera herangezogen.

Als weiterer Stand der Technik ist noch R. Gerdes, R. Otterbach, R. Kam­ müller: Kalibrierung eines digitalen Bildverarbeitungssystems mit CCD- Kamera-Teil I und Teil II, in: tm Technisches Messen 60, 1993, 6, S. 255-261 (Teil I) und 60, 1993, 7/8, S. 283-288 (Teil II) zu nennen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Gattung zu schaffen, welches zum Bestimmen der Lage eines Kör­ pers im Raum ohne Kalibriertafeln und hoher Reproduzierbarkeit auskommt.

Die Lösung der Aufgabe ist durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen enthalten.

Zur Vermessung kann die Lichteintrittsöffnung einer jeden Kamera zum Bei­ spiel mit einem optisch anvisierbaren Kreuz versehen werden, durch dessen Kreuzungspunkt die optische Achse verläuft, die ebenfalls durch das licht­ empfindliche Element, beispielsweise CCD-Chip bzw. dessen aktive Fläche, der Kamera verläuft.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt den Vorteil, dass es zum Bestimmen der Lage eines Körpers im Raum keine Kalibriertafeln benötigt und die Ka­ meras insoweit nur als passive Objekte oder passive Träger der Meßkörper dienen. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Ver­ messung der Lichteintrittsöffnung einer jeden Kamera im passiven Zustand die Lichteintrittsöffnung mit einem Meßkörper versehen, der eine feste gege­ bene Beziehung zur Lichteintrittsöffnung einer jeden Kamera und zum licht­ empfindlichen Element, beispielsweise CCD-Chip, der Kamera aufweist und sodann die Position und die Orientierung des Meßkörpers mittels des separa­ ten Meßsystems ermittelt wird. Die passiven Kameras dienen während des Vermessungsvorgangs nur als Träger der Meßkörper.

Das Einmessen der Anlage bzw. der Kameras kann schon dann erfolgen, wenn die Kameras nur montiert sind, ohne dass das eigentliche Bildverarbeitungs­ system, wie PC, Verschaltung, Anschlüsse, in Betrieb genommen bzw. funkti­ onsfähig ist.

Die Positionsbestimmung der Merkmale im Videobild erfolgt mit Algorithmen der Bildverarbeitung, zum Beispiel mittels skalierter Grauwertkorrelation oder Schwerpunktberechnung von Löchern oder Kantenantastung oder deren Kombination.

Vorteilhaft werden CCD-Kameras mit Objektiv-Schraubgewinde verwendet, wobei die Meßkörper ein entsprechendes, auf die Schraubgewinde der Kame­ ras passendes Gewinde aufweisen und auf die CCD-Kameras aufgeschraubt werden. Statt der Schraubgewinde können auch Bajonett- oder Steckver­ schlüsse an den Kameras und den Meßkörpern verwendet werden.

In der Zeichnung ist ein Beispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes gezeigt.

Zur Bestimmung der Position von Kameras c im gemeinsames Weltkoordina­ tensystems werden die Kameras c, von denen wenigstens zwei Stück zum Einsatz gelangen, einzeln als Lochkameramodelle behandelt, wobei die direk­ te Vermessung der Position der Lichteintrittsöffnung einer jeden Kamera c erfolgt. Hierzu wird die Position der Lichteintrittsöffnung einer jeden Kamera c in ihrem passiven Zustand mit einem separaten Meßsystem a vermessen, welches zur direkten Antastung der Lichteintrittsöffnung imstande ist, wobei das Meßsystem a beispielsweise ein 3D-Lasermeßsystem oder ein Theodolit ist. Das separate Meßsystem a ermittelt die Position und die Orientierung der Lichteintrittsöffnung der passiven Kameras c. Anschließend wird ein Werk­ stück d in den Raum zwischen den Kameras c verbracht und durch die nun­ mehr aktiven Kameras c optisch abgebildet. Anschließend werden die Video­ bilder der Kameras c mit einem Rechner zum Auffinden von Merkmalen e des Werkstücks d ausgewertet. Aus der Kenntnis der Position der Kameras bzw. des Kamerakoordinatensystems 2 bezüglich des Meßsystems a bzw. des Koor­ dinatensystems 5 des Meßsystems a, der Videobilder 9 und der Koordinaten 4 des Werkstücks d bzw. der Koordinaten 8 von Merkmalen e des Werkstücks d errechnet der Rechner nach der Methode des Bündelausgleichs die Position 11 des Werkstücks d in Weltkoordinaten 1 und damit auch die Position der Merkmale e des Werkstücks d in Weltkoordinaten 1.

Der Ablauf einer Messung erfolgt durch die Betrachtung von Merkmalen e des Werkstücks d mit mindestens zwei Kameras c, wobei in jedem Kamerabild andere Merkmale e abgebildet werden. Die Kamerabilder werden digitalisiert und in einem Rechner verarbeitet. Der Rechner kennt die Position 2 der Ka­ meras im Raum 10, also im Weltkoordinatensystem 1 ebenso wie er die Koor­ dinaten 8 der Merkmale e im Koordinatensystem 4 des Werkstücks d kennt. Der Rechner bestimmt aus diesen Informationen die Lage 11 des Werkstücks d in dem festen Weltkoordinatensystem 1.

Die berührungslose Positionsbestimmung von Werkstücken kann somit im Wesentlichen in drei Schritte aufgeteilt werden.

• 1. Die Kalibrierung der verwendeten Kameras oder Kamerasysteme auf ein gemeinsames Weltkoordinatensystem 1.
• 2. Die Auswertung von Videobildern der Kameras mit einem Rechner zur Auffindung von Merkmalen e eines Werkstücks d.
• 3. Die Berechnung von Werkstückposition 11 aus der Kenntnis der Kamera­ position 10, der Videobilder 9 und der Koordinaten 8 des Werkstücks.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die direkte Messung der Position der Lichteintrittsöffnung der Kamera und aller weiteren geometrischen Pa­ rameter eines Lochkameramodells durch direkte Antasfung der Lichtein­ trittsöffnung mit einem separaten Meßsystem a, zum Beispiel 3D-Lasermeß­ system oder Theodolit, ohne daß die Kameras c dabei aktiv sind. Dazu werden die Kameras c mit einem Meßkörper b versehen. Dieser Meßkörper hat eine feste Beziehung 7 zur Lichteintrittsöffnung des Kameramodells und zum CCD-Chip. Die Position und die Orientierung 6 des Meßkörpers wird über ein separates 3D-Meßsystem a ermittelt. Es ist keine weitere Kalibrierung an Hand von Videobildern unter Verwendung von Kalibrierplatten oder Ähnli­ ches notwendig.

Die Erfassung der Merkmale e des, vorzugsweise dreidimensionalen, Werk­ stücks d erfolgt mittels elektronischen Kameras c. Die Positionsbestimmung 9 der Merkmale im Videobild erfolgt zum Beispiel mittels skalierter Grauwert­ korrelation oder Schwerpunktsberechnung von Löchern oder Kantenanta­ stung oder deren Kombinationen.

Aus den so gewonnenen Daten wird zusammen mit den Koordinaten 8 des Werkstücks d die Position 11 des Körpers d in Weltkoordinaten 1 mit der Me­ thode des Bündelausgleichs berechnet.

Die Kameras c können mit der beschriebenen Methode an einem festen Ort eingemessen werden. Genauso kann eine oder mehrere der Kameras c an ei­ ner numerisch gesteuerten Maschine oder einem Roboter angebracht werden.

Bezugszeichenliste

a separates Meßsystem
b Meßkörper
c Kamera
d Körper
e Körpermerkmale

1

Weltkoordinatensystem

2

Kamerakoordinatensystem

3

Meßkörperkoordinatensystem

4

Körperkoordinatensystem

5

Koordinatensystem separates Meßsystem

6

Lage des (

3

) in (

5

)

7

Lage (

3

) in (

2

)

8

Lage (e) in (

4

)

9

Lage (e) in Bildkoordinaten von (c)

10

Lage (

2

) in (

1

)

11

Lage (

4

) in (

1

)
3D-Vektor (x, y, z, A, B, C)
3D-Koordinate (x, y, z)
2D-Koordinate (x, y)

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Werkstücks (d) und der Posi­ tion von Merkmalen des Werkstücks im 3D-Raum unter Verwendung von mindestens zwei elektronischen Kameras (c) und digitaler Bildverarbeitung, bei welchem die Kameras (c) auf ein gemeinsames Weltkoordinatensystem (1) kalibriert werden und anschließend das Werkstück (d) in den Raum zwischen den Kameras (c) verbracht wird, dadurch gekennzeichnet dass
zur Erstellung des gemeinsames Weltkoordinatensystems die Kameras (c) einzeln als Lochkameramodelle behandelt werden,
eine direkte Vermessung der Position und der Orientierung der Lichtein­ trittsöffnung einer jeden Kamera (c) erfolgt, indem die Position und die Orien­ tierung der Lichteintrittsöffnung einer jeden Kamera (c) in ihrem passiven Zustand mit einem separaten Meßsystem (a) vermessen wird, welches zur di­ rekten Antastung der Lichteintrittsöffnung imstande ist und welches die Posi­ tion und die Orientierung der Lichteintrittsöffnung im Weltkoordinatensy­ stem (1) liefert,
das in den Raum zwischen den Kameras verbrachte Werkstück durch die nunmehr aktiven Kameras (c) optisch abgebildet und die Videobilder mit ei­ nem Rechner zum Auffinden von Merkmalen (e) des Werkstücks (d) ausge­ wertet werden,
aus der Kenntnis der Position der Kameras (10) bezüglich des Weltkoordina­ tensystems (1), der Videobilder (9) und der Koordinaten (8) der Merkmale des Werkstücks (d) in einem Koordinatensystem des Werkstücks durch einen Rechner nach der Methode des Bündelausgleichs die Position (11) des Werk­ stücks (d) in Weltkoordinaten sowie die Position der Merkmale (e) des Werk­ stücks (d) in Weltkoordinaten (1) errechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermessung der Lichteintrittsöffnung einer jeden Kamera (c) im pas­ siven Zustand die Lichteintrittsöffnung der Kamera (c) mit einem Meßkörper (b) versehen wird, der eine feste, gegebene Beziehung (7) zur Lichteintrittsöff­ nung einer jeden Kamera (c) und zum lichtempfindlichen Element, beispiels­ weise CCD-Chip, der Kamera (c) aufweist und die Position und die Orientierung (6) des Meßkörpers (b) mittels des separaten Meßsystems (a) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung (9) der Merkmale im Videobild mit Algorith­ men der Bildverarbeitung, zum Beispiel mittels skalierter Grauwertkorrelati­ on oder Schwerpunktberechnung von Löchern oder Kantenantastung oder de­ ren Kombination, erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass CCD-Kameras (c) mit Objektiv-Schraubgewinde verwendet werden und die Meßkörper (b) ein entsprechendes Schraubgewinde aufweisen und auf die CCD-Kameras aufgeschraubt werden.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Meßsystem (a) ein 3D-Lasermeßsystem oder ein Theodolit ist und zur direkten Antastung der Lichteintrittsöffnung imstande ist.