DE102010039947A1 - Methods and devices for position determination - Google Patents

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Abstract

Es werden Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung einer Position und/oder Orientierung eines Objekts (11) beschrieben. Hierzu werden Werte einer Mehrzahl von Messgrößen zu jeweils verschiedenen Zeitpunkten bestimmt und Werte der Mehrzahl von Messgrößen zu einem gemeinsamen Bestimmungszeitpunkt basierend auf der Bestimmung der Mehrzahl von Messgrößen abgeschätzt. Position und/oder Orientierung des Objekts (11) werden dann basierend auf den abgeschätzten Werten berechnet.Methods and devices for determining a position and / or orientation of an object (11) are described. For this purpose, values of a plurality of measurement variables are determined at different times and values of the plurality of measurement variables are estimated at a common determination time based on the determination of the plurality of measurement variables. The position and / or orientation of the object (11) are then calculated based on the estimated values.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung einer Position und/oder einer Orientierung eines Objektes in einem Raumbereich. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Orientierung und Position eines Abschnitts einer Mehrachskinematik.The present invention relates to methods and apparatus for determining a position and / or an orientation of an object in a spatial area. More particularly, the present invention relates to methods and apparatus for determining orientation and position of a multi-axis kinematics section.

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 und Orientierung des Abschnittes der Mehrachskinematik, an welchem der Messgeber bzw. das Werkzeug angebracht ist, genau zu kennen.For measuring objects with such encoders or for editing objects with such tools, it is necessary depending on the encoder or tool to know the position and orientation of the portion of the multi-axis kinematics, on which the encoder or the tool is mounted to know exactly.

Bei derartigen Systemen ist es wünschenswert, die Position in Räumen von einigen Metern Länge mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich zu bestimmen. Dies stellt eine hohe technische Herausforderung dar, insbesondere, wenn Positionen mit einer hohen Rate und kurzer Signalverarbeitungszeit bestimmt werden sollen, um eine Positionsbestimmung in Echtzeit zu ermöglichen. Eine entsprechend genaue Bestimmung wäre auch für die Orientierung wünschenswert.In such systems, it is desirable to determine the position in spaces of a few meters in length with an accuracy in the micrometer range. This poses a high technical challenge, especially when positions are to be determined at a high rate and short signal processing time in order to enable real-time position determination. A correspondingly accurate determination would also be desirable for orientation.

Zur Ortsbestimmung sind insbesondere Laserweglängenmessgeräte bekannt, bei welchen ein Abstand eines Punktes, dessen Position zu bestimmen ist, von einem oder mehreren festgelegten Referenzpunkten durch Laufzeitmessung von Lichtstrahlen bestimmt.For location determination, in particular laser path length measuring devices are known in which a distance of a point whose position is to be determined from one or more fixed reference points determined by transit time measurement of light beams.

Beispielsweise ist aus der DE 101 18 392 A1 ein System und ein Verfahren zum Bestimmen einer Position zweier Objekte zueinander bekannt. Das Verfahren verwendet die Kohärenzeigenschaften von Laserstrahlen zur Abstandsermittlung, bei der mehrere Lichtstrahlen kohärent überlagert werden.For example, is from the DE 101 18 392 A1 a system and method for determining a position of two objects to each other. The method uses the coherence properties of laser beams for distance detection, in which a plurality of light beams are coherently superimposed.

In K. Minoshima und H. Matsumoto, ”High accuracy measurement of 240 m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser”, Applied Optics, Vol. 39, Nr. 30, Seiten 5512–5517 (2000) wird eine Distanzmessung unter Verwendung von Frequenzkämmen beschrieben.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, pages 5512-5517 (2000) a distance measurement using frequency combs is described.

Aus der DE 10 2004 021892 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher zur Bestimmung einer Position und einer Orientierung nacheinander sechs verschiedene Retroreflektoren mittels eines so genannten Lasertrackers angemessen werden. Ein derartiges System ist jedoch messtechnisch relativ aufwendig. Zudem ist es bei einer derartigen Vorrichtung gegebenenfalls schwierig, Position und Orientierung eines in Bewegung befindlichen Gegenstandes mit einer hinreichenden Rate zu messen.From the DE 10 2004 021892 A1 For example, a device is known in which, to determine a position and an orientation, six different retroreflectors are successively measured by means of a so-called laser tracker. However, such a system is relatively expensive metrology. Moreover, in such a device it may be difficult to measure the position and orientation of an object in motion at a sufficient rate.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit welchen Position und/oder Orientierung eines Objekts auch bei beweglichen Objekten mit hinreichender Rate bestimmt werden können.It is therefore an object of the present invention to provide methods and apparatuses with which the position and / or orientation of an object can be determined at a sufficient rate, even with moving objects.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.This object is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 10. The dependent claims define further embodiments.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Position und/oder Orientierung eines Objekts, wobei von der Position und/oder Orientierung des Objekts eine Mehrzahl von Messgrößen (d. h. mindestens zwei Messgrößen) abhängt, wird die Mehrzahl von Messgrößen jeweils zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten bestimmt und Werte der Mehrzahl von Messgrößen zu einem gemeinsamen Bestimmungszeitpunkt auf Basis der Werte der Messgröße zu den verschiedenen Zeitpunkten abgeschätzt. Eine Position und/oder Orientierung des Objekts wird dann basierend auf den abgeschätzten Werten der Mehrzahl von Messgrößen zu dem gemeinsamen Bestimmungszeitpunkt berechnet.In a method according to the invention for determining a position and / or orientation of an object, wherein a plurality of measured variables (ie at least two measured variables) depends on the position and / or orientation of the object, the plurality of measured variables are respectively determined at a plurality of times and Values of the plurality of measured variables are estimated at a common determination time on the basis of the values of the measured variable at the different times. A position and / or orientation of the object is then calculated based on the estimated values of the plurality of measured quantities at the common determination time.

Durch das Abschätzen der Werte, beispielsweise durch Interpolation, ist es nicht nötig, dass alle oder ein Teil der Messgrößen zu dem Bestimmungszeitpunkt bestimmt, insbesondere gemessen, werden. Dies reduziert die Anforderung an den Messaufbau.By estimating the values, for example by interpolation, it is not necessary for all or part of the measured variables to be determined, in particular measured, at the time of determination. This reduces the requirement for the test setup.

Zudem ergeben sich geringere Anforderungen an die Synchronisierung der Messdatenaufnahme, da die Abtastung verschiedener Messgrößen auch asynchron erfolgen kann und lediglich die Abtastzeitpunkte bekannt sein müssen.In addition, lower requirements for the synchronization of the measurement data recording, since the sampling of different parameters can also be asynchronous and only the sampling must be known.

Die verschiedenen Zeitpunkte können sich zumindest für manche Messgrößen voneinander unterscheiden. Beispielsweise können die Messgrößen in mindestens zwei Gruppen gruppiert werden, und die Zeitpunkte unterscheiden sich von Gruppe zu Gruppe. Beispielsweise sind für eine Bestimmung einer dreidimensionalen Position und einer dreidimensionalen Orientierung mindestens sechs Messgrößen notwendig, welche beispielsweise in zwei Gruppen drei Messgrößen bestimmt werden können. In anderen Worten ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nötig, alle Messgrößen gleichzeitig zu bestimmen. Hierdurch wird eine Messung beispielsweise mit einer reduzierten Anzahl von Messeinrichtungen ermöglicht, da beispielsweise mit einer Messeinrichtung zwei Messgrößen hintereinander bestimmt werden können.The different times may differ from each other, at least for some measures. For example, the measures may be grouped into at least two groups, and the times differ from group to group. For example, at least six measured variables are necessary for a determination of a three-dimensional position and a three-dimensional orientation, which can be determined for example in two groups of three measured variables. In In other words, it is not necessary in the method according to the invention to determine all measured variables simultaneously. As a result, a measurement is made possible, for example, with a reduced number of measuring devices, since, for example, two measured quantities can be determined in succession with one measuring device.

Die Messgrößen können insbesondere Abstände des Objekts zu vorgegebenen Referenzpunkten oder Winkel zwischen dem Objekt und Verbindungslinien zu vorgegebenen Referenzpunkten umfassen und optisch, insbesondere mittels Laserstrahlen, gemessen werden.The measured variables may in particular comprise distances of the object to predetermined reference points or angles between the object and connecting lines to predetermined reference points and be measured optically, in particular by means of laser beams.

Die Messgrößen können eine Bandbreitenbegrenzung, insbesondere eine Tiefpasscharakteristik, aufweisen. Dies ist beispielsweise typischerweise bei Messgrößen der Fall, welche von einer Trajektorie eines von einem Roboter bewegten Objekts abhängen. In diesem Fall können die Messgrößen mit einer Rate größer als der doppelten Bandbreite abgetastet werden, was gemäß dem Abtasttheorem eine vollständige Rekonstruktion der Messgrößen über der Zeit ermöglicht.The measured variables may have a bandwidth limitation, in particular a low-pass characteristic. This is typically the case, for example, for measured variables which depend on a trajectory of an object moved by a robot. In this case, the measured quantities can be sampled at a rate greater than twice the bandwidth, which according to the sampling theorem enables a complete reconstruction of the measured quantities over time.

Entsprechende Messvorrichtungen werden ebenso bereitgestellt.Corresponding measuring devices are also provided.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings with reference to embodiments. Show it:

1 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 a schematic diagram of an embodiment of a device according to the invention,

2 ein Diagramm zur Veranschaulichung mancher Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, 2 3 is a diagram for illustrating some embodiments of the present invention;

3 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und 3 a flowchart of an embodiment of a device according to the invention, and

4 Graphen mit veranschaulichenden Beispielen für Messwerte und Positionswerte bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. 4 Graphs illustrating illustrative examples of measurements and position values in embodiments of the present invention.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Dabei können Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Auf der anderen Seite ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Realisierung der Erfindung notwendig sind. Insbesondere können andere Ausführungsbeispiele nur einen Teil der dargestellten Merkmale aufweisen.In the following, embodiments of the present invention will be explained in more detail. In this case, features of various embodiments can be combined with each other, unless otherwise specified. On the other hand, a description of an embodiment having a plurality of features is not to be construed as requiring all of these features to implement the invention. In particular, other embodiments may have only a portion of the features illustrated.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die dargestellte Vorrichtung umfasst einen Roboterarm 10, welcher ein Beispiel für eine Mehrachskinematik ist. An einem Ende des Roboterarms 10 ist ein Messinstrument oder Werkzeug 11 angebracht, dessen Position und/oder Orientierung zu bestimmen ist. Dabei werden für Bestimmung von Position und Orientierung in einem dreidimensionalen Raum insgesamt sechs unabhängige Messwerte benötigt. Falls nur die Position bestimmt werden soll, werden drei unabhängige Messwerte benötigt.In 1 an embodiment of a device according to the invention is shown. The illustrated device comprises a robot arm 10 , which is an example of multi-axis kinematics. At one end of the robot arm 10 is a meter or tool 11 attached, whose position and / or orientation is to be determined. Here, a total of six independent measured values are needed to determine position and orientation in a three-dimensional space. If only the position is to be determined, three independent measured values are needed.

Zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung ist an dem Ende des Roboterarms 10 eine Messvorrichtung 12 angebracht. Die Messvorrichtung 12 ist ausgestaltet, Entfernungen und/oder Winkel zu festen Bezugspunkten 13, 14, 15 zu messen. Aus den gemessenen Werten wird dann von einer Auswerteeinheit 16 die Position und/oder Orientierung bestimmt.For position and / or orientation determination is at the end of the robot arm 10 a measuring device 12 appropriate. The measuring device 12 is designed, distances and / or angles to fixed reference points 13 . 14 . 15 to eat. The measured values are then used by an evaluation unit 16 determines the position and / or orientation.

Die Messung kann beispielsweise auf optischem Weg erfolgen, insbesondere durch Laserweglängenmessung. Hierzu kann eine Laufzeit eines Laserstrahls von der Messvorrichtung 12 zu den Bezugspunkten 13, 14, 15, welche in diesem Fall beispielsweise Retroreflektoren aufweisen können, gemessen werden. Zu bemerken ist, dass bei einem anderen Ausführungsbeispiel auch mehrere stationäre Messvorrichtungen verwendet werden können, welche die Entfernung zu mindestens einem Punkt an dem Ende des Roboterarms 10, beispielsweise zu mindestens einem an dem Ende des Roboterarms 10 angebrachten Retroreflektor, messen.The measurement can be carried out, for example, by optical means, in particular by laser path length measurement. For this purpose, a running time of a laser beam from the measuring device 12 to the reference points 13 . 14 . 15 , which in this case may for example have retroreflectors, are measured. It should be noted that in another embodiment, a plurality of stationary measuring devices can be used, which is the distance to at least one point at the end of the robot arm 10 For example, at least one at the end of the robot arm 10 attached retroreflector, measure.

Zur Bestimmung der für eine vollständige Positions- und Orientierungsbestimmung nötigen sechs Messgrößen können beispielsweise Entfernungen und Winkel zu den drei Bezugspunkten 13, 14, 15 gemessen werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen können mehr als drei Bezugspunkte vorhanden sein. Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen kann die Messvorrichtung 12 drei separate Messeinrichtungen umfassen, wobei beispielsweise jede Messeinrichtung Entfernungen zu zweien der Bezugspunkte 13, 14, 15 misst.Distances and angles to the three reference points can, for example, be used to determine the six measured variables necessary for a complete position and orientation determination 13 . 14 . 15 be measured. In other embodiments, more than three reference points may be present. In yet other embodiments, the measuring device 12 three separate measuring devices include, for example, each measuring device distances to two of the reference points 13 . 14 . 15 measures.

Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel können beispielsweise immer drei Messgrößen parallel gemessen werden (eine je Messeinrichtung), bevor eine Bestimmung der nächsten drei Messgrößen erfolgt. Eine Rate der Messungen kann dabei derart gewählt sein, dass sie größer als eine doppelte Bandbreite der Messgrößen ist, was nach dem Abtasttheorem eine vollständige Rekonstruktion des zeitlichen Verlaufs der Messgrößen erlaubt. Insbesondere weisen Messgrößen, welche bezüglich Roboterarmen wie dem Roboterarm 10 der 1 gemessen werden, typischerweise eine Tiefpasscharakteristik auf und sind dementsprechend bandbreitenbegrenzt. Die Grenzfrequenzen einer derartigen Tiefpasscharakteristik liegen dabei typischerweise im Bereich einiger Hertz bis Kilohertz. Die so erlangten Messwerte für die Messgrößen können dann interpoliert und/oder extrapoliert werden, um einen vollständigen Satz von sechs Werten der Messgrößen für einen beliebigen Zeitpunkt, an welchem Position und/oder Orientierung bestimmt werden sollen, zu erhalten.In such an exemplary embodiment, for example, always three measured variables can be measured in parallel (one per measuring device) before a determination of the next three measured variables takes place. A rate of the measurements may be chosen such that it is greater than twice the bandwidth of the measured variables, which according to the sampling theorem allows a complete reconstruction of the time profile of the measured variables. In particular, measured variables which relate to robot arms such as the robot arm 10 of the 1 are measured, typically a low pass characteristic and are accordingly limited in bandwidth. The cutoff frequencies of such a low-pass characteristic are typically in the range of a few hertz to kilohertz. The measured values thus obtained for the measured variables can then be interpolated and / or extrapolated in order to obtain a complete set of six values of the measured variables for an arbitrary point in time, at which position and / or orientation.

Es ist zu bemerken, dass die Darstellung des Roboterarms 10 lediglich als Beispiel zu verstehen ist und die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen generell zur Bestimmung von Position und Orientierung verwendet werden können.It should be noted that the representation of the robot arm 10 by way of example only, and the methods and apparatus of the invention may be used generally to determine position and orientation.

In 2 ist ein Diagramm gezeigt, welches das oben angesprochene Ausführungsbeispiel, bei welchem mehrere Messeinrichtungen in der Messvorrichtung 12 vorhanden sind, näher erläutert.In 2 a diagram is shown, which the above-mentioned embodiment, wherein a plurality of measuring devices in the measuring device 12 are present, explained in more detail.

In 2 ist mit 20 eine Messvorrichtung bezeichnet, welche drei Messeinrichtungen T1, T2 und T3 umfasst. Beispielsweise kann jede Messeinrichtung T1, T2 und T3 einen Laser oder eine andere geeignete Lichtquelle sowie einen Detektor zum Detektieren von rückgestreutem Laserlicht umfassen. Dabei können sich die von den einzelnen Messeinrichtungen T1, T2 und T3 abgestrahlten Laserstrahlen unterscheiden, beispielsweise hinsichtlich ihrer Wellenlänge oder einer verwendeten Modulation, um bei der Detektion die Lichtstrahlen trennen zu können.In 2 is with 20 a measuring device, which comprises three measuring devices T 1 , T 2 and T 3 . For example, each measuring device T 1 , T 2 and T 3 may comprise a laser or another suitable light source as well as a detector for detecting backscattered laser light. In this case, the laser beams emitted by the individual measuring devices T 1 , T 2 and T 3 can differ, for example with regard to their wavelength or a modulation used, in order to be able to separate the light beams during the detection.

Die Messeinrichtungen T1, T2, T3 können weiterhin bewegliche Spiegel, beispielsweise mikromechanische Spiegel, umfassen, um die Lichtstrahlen in eine gewünschte Richtung zu lenken, insbesondere auf Retroreflektoren R1, R2 und R3, welche ortsfeste Bezugspunkte bilden und allgemein mit 21 bezeichnet sind.The measuring devices T 1 , T 2 , T 3 can furthermore comprise movable mirrors, for example micromechanical mirrors, in order to direct the light beams in a desired direction, in particular to retroreflectors R 1 , R 2 and R 3 , which form stationary reference points and generally with 21 are designated.

Zur Bestimmung von Orientierung und Position der Messvorrichtung 20 bzw. eines damit verbundenen Objekts werden bei dem Ausführungsbeispiel der 3 Entfernungen zwischen den Messeinrichtungen T1, T2, T3 und den Retroreflektoren R1, R2, R3, gemessen. Beispielsweise können wie durch Linien zwischen der Messvorrichtung 20 und den Retroreflektoren 21 angedeutet die Entfernungen zwischen der Messeinrichtung T1 und den Retroreflektoren R2 und R3, die Entfernungen zwischen der Messeinrichtung T2 und den Retroreflektoren R1 und R3 sowie die Entfernungen von der Messeinrichtung T3 zu den Retroreflektoren R1 und R2 gemessen werden, um insgesamt sechs Messwerte zu erhalten, aus welchen dann die Position und/oder Orientierung bestimmt werden kann. Es sind jedoch auch andere Kombinationen von Messeinrichtungen und Retroreflektoren möglich. Zudem ist es auch möglich, mehr als sechs Messwerte zu bestimmen, um so ein überbestimmtes Gleichungssystem zu erhalten und Messungenauigkeiten verringern zu können.For determining the orientation and position of the measuring device 20 or an associated object are in the embodiment of the 3 Distances between the measuring devices T 1 , T 2 , T 3 and the retroreflectors R 1 , R 2 , R 3 , measured. For example, as by lines between the measuring device 20 and the retroreflectors 21 indicated the distances between the measuring device T 1 and the retroreflectors R 2 and R 3 , the distances between the measuring device T 2 and the retroreflectors R 1 and R 3 and the distances from the measuring device T 3 to the retroreflectors R 1 and R 2 are measured to obtain a total of six measured values from which the position and / or orientation can then be determined. However, other combinations of measuring devices and retroreflectors are possible. In addition, it is also possible to determine more than six measured values in order to be able to obtain an overdetermined system of equations and to be able to reduce measurement inaccuracies.

Um die einzelnen Retroreflektoren anzupeilen, können die Messeinrichtungen T1–T3 wie erwähnt beispielsweise bewegliche Spiegel wie mikromechanische Spiegel aufweisen. Ein verwendeter Laserstrahl kann dabei aufgeweitet werden, um einen Lichtkegel zu bilden, so dass die Position der Retroreflektoren nur ungefähr (abhängig von einem Winkel, welcher ausgeleuchtet wird) bekannt sein muss.To target the individual retroreflectors, the measuring devices T 1 -T 3 as mentioned, for example, have movable mirrors such as micromechanical mirror. A used laser beam can be widened to form a cone of light, so that the position of the retroreflectors only about (depending on an angle which is illuminated) must be known.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird also von jeder der Messeinrichtungen T1, T2, T3 die Entfernung zu zwei verschiedenen Retroreflektoren gemessen. Dies kann sequentiell alternierend erfolgen. Beispielsweise können zu einem ersten Zeitpunkt die Entfernungen von T1 nach R3, von T2 nach R1 und von T3 nach R2 gemessen werden, und zu einem darauf folgenden Zeitpunkt die Entfernungen von T1 zu R2, von T2 zu R3 und von T3 zu R1 usw. Um die Position und Orientierung dann zu einem gewünschten Bestimmungszeitraum zu bestimmen, kann eine Interpolation oder Extrapolation angewendet werden, um geschätzte Werte für alle sechs Messgrößen, das heißt alle sechs Entfernungen im Fall der 2, zu dem Bestimmungszeitpunkt zu erhalten. Der Bestimmungszeitpunkt kann dabei mit einem der Messzeitpunkte übereinstimmen, dies muss aber nicht der Fall sein. Der Bestimmungszeitpunkt kann beispielsweise durch ein Triggersignal bestimmt werden. Am Ende des Roboterarms kann z. B. ein taktiler schaltender Taster angebracht sein, welcher bei Berührung eines Objekts ein Triggersignal sendet. Auf diese Weise entspricht die geschätzte Koordinate zum Bestimmungszeitpunkt exakt der Koordinate auf dem Objekt. Alternativ kann ein optischer Sensor, (z. B. ein Laser-Linien-Scanner) Triggersignale, welche mehrere Bestimmungszeitpunkte während einer Bewegung definieren, aussenden. Typische Laser-Linien-Scanner nehmen z. B. 30 Messwerte pro Sekunde auf. Bei jeder Aufnahme wird bei einem Ausführungsbeispiel ein Triggersignal gesendet, so dass jede Messung des optischen Sensors mit einer von der Messeinrichtung bestimmten Position und/oder Orientierung, und damit z. B. einer Koordinate an einem Werkstück verknüpft werden kann. Wenn der zeitliche Verlauf der zu messenden Signale – wie dies typischerweise der Fall ist – bandbreitenbegrenzt sind, kann insbesondere die Rate der jeweiligen Messungen größer als die doppelte Bandbreite sein (d. h. der Abstand zweier Messungen der gleichen Messgröße ist kleiner als 1/(2 × fmax), wobei fmax die Bandbreite der Messgröße ist). Hierdurch ist gemäß dem Abtasttheorem die Abschätzung durch Interpolation im Wesentlichen exakt.In the illustrated embodiment, therefore, the distance to two different retroreflectors is measured by each of the measuring devices T 1 , T 2 , T 3 . This can be done sequentially alternating. For example, at a first time the distances from T 1 to R 3 , from T 2 to R 1 and from T 3 to R 2 can be measured, and at a subsequent time the distances from T 1 to R 2 , from T 2 to R 3 and from T 3 to R 1 , etc. In order to then determine the position and orientation at a desired determination period, interpolation or extrapolation may be applied to estimate values for all six measurands, that is, every six distances in the case of 2 to receive at the time of determination. The determination time can coincide with one of the measurement times, but this need not be the case. The determination time can be determined, for example, by a trigger signal. At the end of the robot arm z. B. a tactile switching button be mounted, which sends a trigger signal when touching an object. In this way, the estimated coordinate at the time of determination corresponds exactly to the coordinate on the object. Alternatively, an optical sensor (eg, a laser line scanner) may emit trigger signals defining multiple determination times during a motion. Typical laser line scanners take z. B. 30 readings per second. In each recording, a trigger signal is sent in one embodiment, so that each measurement of the optical sensor with a position determined by the measuring device and / or orientation, and thus z. B. a coordinate can be linked to a workpiece. If the time profile of the signals to be measured-as is typically the case-is bandwidth-limited, in particular the rate of the respective measurements can be greater than twice the bandwidth (ie the distance of two measurements of the same measured variable is less than 1 / (2 × f max ), where f max is the bandwidth of the measured variable). As a result, according to the sampling theorem, the estimation by interpolation is substantially accurate.

Ein Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Verfahrens, welches beispielsweise in den Vorrichtungen der 1 oder 2, aber auch in anderen Messvorrichtungen implementiert werden kann, ist in 3 dargestellt. Zur Erläuterung einzelner Verfahrensschritte wird zudem auf 4 Bezug genommen, welche vereinfachte Beispiele für Messwerte von Messgrößen zur Veranschaulichung zeigt.An embodiment of a corresponding method, which, for example, in the devices of the 1 or 2 , but also in Other measuring devices can be implemented in 3 shown. To explain individual process steps is also on 4 Reference is made, which shows simplified examples of measured values of measured variables for illustration.

In Schritt 30 werden Messgrößen zu verschiedenen Zeitpunkten bestimmt. Dabei können verschiedene Messgrößen zumindest teilweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt werden.In step 30 Measured variables are determined at different times. In this case, different measured variables can be determined at least partially at different times.

Dies ist in beispielhafter Weise in den Diagrammen (a) und (b) der 4 dargestellt. Dabei werden sechs Messgrößen bestimmt, welche mit m1–m6 bezeichnet sind.This is exemplified in diagrams (a) and (b) of FIG 4 shown. In this case, six measured variables are determined, which are designated m1-m6.

In Diagramm (a) der 4 sind dabei die Messwerte für die Messgrößen m1, m2 und m3 über der Zeit t angetragen, während in dem Diagramm (b) Messwerte für die Messgrößen m4, m5 und m6 über der Zeit t aufgetragen sind.In diagram (a) of 4 In this case, the measured values for the measured quantities m1, m2 and m3 are plotted over the time t, while in the graph (b) measured values for the measured quantities m4, m5 and m6 are plotted over the time t.

Die Messgrößen m1, m2 und m3 werden dabei zu Zeitpunkten t1, t3, t5, t7 ... bestimmt, während die Messgrößen m4, m5 und m6 zu Zeitpunkten t2, t4, t6, t8 ... bestimmt werden. Die Messgrößen m1–m6 können dabei beispielsweise sechs Entfernungen von drei Messeinrichtungen zu drei Retroreflektoren wie unter Bezugnahme auf 2 erläutert sein, wobei zwischen den Zeitpunkten z. B. Spiegel in den Messeinrichtungen geschaltet werden können, um einen anderen Reflektor anzumessen.The measured quantities m1, m2 and m3 are determined at times t1, t3, t5, t7... While the measured variables m4, m5 and m6 are determined at times t2, t4, t6, t8. The measured variables m1-m6 can, for example, six distances from three measuring devices to three retroreflectors as with reference to 2 be explained, wherein between the times z. B. mirror can be switched in the measuring devices to measure another reflector.

Bei dem Beispiel der 4 werden also immer drei Messgrößen simultan bestimmt, wobei zwei Dreiergruppen von Messgrößen alternierend bestimmt werden. Es ist jedoch auch eine andere Aufteilung mit anderen Gruppengrößen möglich, wobei die Gruppengröße beispielsweise einer Anzahl von verfügbaren Messeinrichtungen entspricht. Beispielsweise kann auch nur eine einzige Messeinrichtung vorgesehen sein, welche – beispielsweise mittels eines beweglichen Spiegels – alternierend verschiedene Reflektoren anmisst.In the example of 4 Thus, three measured quantities are always determined simultaneously, whereby two groups of three of measured variables are determined alternately. However, it is also possible a different division with other group sizes, the group size, for example, corresponds to a number of available measuring devices. For example, only a single measuring device can be provided, which - for example, by means of a movable mirror - alternately anmisst different reflectors.

In 3 werden dann in Schritt 31 Werte der Messgrößen an einem gemeinsamen Bestimmungszeitpunkt geschätzt, beispielsweise durch Interpolation. Dies ist ebenfalls in 4 schematisch dargestellt.In 3 then be in step 31 Values of the measured quantities are estimated at a common determination time, for example by interpolation. This is also in 4 shown schematically.

In den Diagrammen (a) und (b) zeigen dabei Kurven 4045 eine Interpolation bzw. Extrapolation (im jeweils gestrichelten Bereich) basierend auf den gemessenen Werten für die Messgrößen m1–m6, wobei Kurve 40 der Messgröße m1, Kurve 41 der Messgröße m2, Kurve 42 der Messgröße m3, Kurve 43 der Messgröße m4, Kurve 44 der Messgröße m5 und Kurve 45 der Messgröße m6 zugeordnet ist.In the diagrams (a) and (b) show curves 40 - 45 an interpolation or extrapolation (in the respective dashed area) based on the measured values for the measured variables m1-m6, wherein curve 40 the measured variable m1, curve 41 the measured variable m2, curve 42 the measurand m3, curve 43 the measurand m4, curve 44 the measured variable m5 and curve 45 is associated with the measured variable m6.

In Diagramm (c) sind zwei Bestimmungszeitpunkte te1 und te2 dargestellt. Zur Abschätzung der Messgrößen zum Zeitpunkt te1 werden dabei die interpolierten Werte der Messgrößen m1–m6 gemäß der Kurven 4045 wie durch eine gestrichelte Linie angedeutet verwendet, und für den Bestimmungszeitpunkt te2, welcher außerhalb der Zeiten t1–t10, zu denen bei dem dargestellten vereinfachten Beispiel gemessen wurde, liegt, werden entsprechende extrapolierte Werte herangezogen. Die Interpolation/Extrapolation kann dabei beispielsweise mittels Splines oder polynomialer Interpolation erfolgen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann anstelle einer Interpolation oder Extrapolation von Messwerten auch eine Mittelung über mehrere Messwerte erfolgen. Beispielsweise kann in der Umgebung des Bestimmungszeitpunktes eine Modellfunktion an eine Vielzahl von Messwerten angepasst und dadurch der Messwert zum Bestimmungszeitpunkt geschätzt werden. Durch die Mittelung kann die Unsicherheit der geschätzten Messgröße wesentlich kleiner als die der Einzelmessung sein. Bei dem Beispiel der 4 unterscheiden sich dabei die Bestimmungszeitpunkte te1, te2 von den Messzeitpunkten t1–t10. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Bestimmungszeitpunkte auch mit einem der Messzeitpunkte zusammenfallen. In diesem Fall ist eine Interpolation/Extrapolation nur für diejenigen Messgrößen nötig, welche nicht an dem Bestimmungszeitpunkt gemessen werden. Wäre beispielsweise te1 gleich t3, könnten für die Messgrößen m1–m3 direkt die gemessenen Werte verwendet werden, während für die Messgrößen m4–m6 entsprechend interpolierte Werte verwendet werden.In diagram (c) two determination times te1 and te2 are shown. In order to estimate the measured quantities at the time te1, the interpolated values of the measured quantities m1-m6 are determined according to the curves 40 - 45 As indicated by a dashed line, and for the determination time te2, which is outside the times t1-t10, to which was measured in the illustrated simplified example, corresponding extrapolated values are used. The interpolation / extrapolation can be done for example by means of splines or polynomial interpolation. In another embodiment, instead of an interpolation or extrapolation of measured values, an averaging over a plurality of measured values can also take place. For example, in the environment of the determination time, a model function can be adapted to a plurality of measured values and thereby the measured value can be estimated at the time of determination. Due to the averaging, the uncertainty of the estimated measured variable can be substantially smaller than that of the individual measurement. In the example of 4 The determination times te1, te2 differ from the measurement times t1-t10. In other embodiments, the determination times may also coincide with one of the measurement times. In this case, interpolation / extrapolation is only necessary for those measured quantities which are not measured at the time of determination. If, for example, te1 were equal to t3, the measured values m1-m3 could be used directly, while interpolated values are used correspondingly for the measured variables m4-m6.

Zu bemerken ist außerdem, dass eine derartige Interpolation auch verwendet werden kann, um Messgrößen zu einem Bestimmungszeitpunkt abzuschätzen, wenn alle Messgrößen gleichzeitig gemessen werden, die Bestimmung aber zu einer Zeit ungleich einem Messzeitpunkt erfolgen soll.It should also be noted that such an interpolation can also be used to estimate measured quantities at a time of determination if all measured variables are to be measured simultaneously, but the determination is to take place at a time not equal to a measuring instant.

In 3 wird anschließend in Schritt 32 die Position und/oder Orientierung eines Objekts an dem Bestimmungszeitpunkt auf Basis der in Schritt 31 geschätzten Messgrößen bestimmt. Dies ist ebenfalls beispielhaft in 4, in diesem Fall in Diagramm (c) dargestellt. In dem dargestellten Beispiel werden zwei Positionsgrößen, beispielsweise zwei Koordinaten t1 und t2 an den Zeitpunkten te1 und te2 bestimmt. Bei Ausführungsbeispielen, bei welchen eine komplette Position und Orientierung im dreidimensionalen Raum benötigt werden, würden entsprechend mehr Positionsgrößen, beispielsweise drei Koordinaten für die Position und drei Winkel für die Orientierung, bestimmt. Wie durch Linien 46 und 47 angedeutet kann auf Basis der bestimmten Positionsgrößen dann ein Verlauf der jeweiligen Positionsgröße – beispielsweise wiederum durch Interpolation – bestimmt werden.In 3 will then be in step 32 the position and / or orientation of an object at the time of determination based on the in step 31 estimated measured variables. This is also exemplary in 4 , shown in diagram (c) in this case. In the example shown, two position variables, for example two coordinates t1 and t2, are determined at the times te1 and te2. In embodiments in which a complete position and orientation in three-dimensional space are required, correspondingly more position variables, for example three coordinates for the position and three angles for the orientation, would be determined. As by lines 46 and 47 indicated on the basis of the determined position variables then a course of the respective position size - for example, again by interpolation - be determined.

Zu beachten ist, dass die Messgrößen und -werte der 4 lediglich als veranschaulichendes Beispiel dienen und nicht als tatsächliche Messwerte anzusehen sind. It should be noted that the measured quantities and values of the 4 merely serve as an illustrative example and are not to be regarded as actual readings.

Zu bemerken ist, dass während in den 2 und 4 jeweils drei Messgrößen parallel bestimmt werden, die Bestimmung der Messgrößen für verschiedene Messeinrichtungen auch asynchron erfolgen kann, so dass beispielsweise die Messgrößen jeweils untereinander zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen werden.It should be noted that while in the 2 and 4 in each case three measured variables are determined in parallel, the determination of the measured variables for different measuring devices can also be asynchronous, so that, for example, the measured variables are each measured at different times.

Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die beschriebene Interpolation und/oder Extrapolation verbessert werden, indem zusätzliche Informationen, welche eine relative Änderung der Messgrößen beschreiben, herangezogen werden. Beispielsweise können in einer Vorrichtung wie der Vorrichtung aus 1 zusätzlich ein oder mehrere Initialsensoren vorgesehen sein, aus welchen eine Beschleunigung und somit eine relative Veränderung des Koordinaten ableitbar ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen können beispielsweise Sollwerte einer Steuerung der Vorrichtung wie des Roboterarms der 1 herangezogen werden.In some embodiments, the described interpolation and / or extrapolation can be improved by using additional information describing a relative change of the measured quantities. For example, in a device such as the device 1 additionally one or more initial sensors may be provided, from which an acceleration and thus a relative change of the coordinates can be derived. For example, in other embodiments, setpoints of control of the device such as the robotic arm of the 1 be used.

Während in dem Beispiel der 2 sechs Längen bestimmt werden, können bei anderen Ausführungsbeispielen auch andere Messgrößen, z. B. Winkel, bestimmt werden. Beispielsweise können auch drei Längen und drei Winkel, eine Länge und fünf Winkel oder andere Kombinationen aus Längen und Winkeln bestimmt werden. Insbesondere ist auch eine Überbestimmung möglich, d. h. es werden mehr unabhängige Messgrößen erfasst, als zur Bestimmung von Lage und Position notwendig sind. In diesem Fall kann die Genauigkeit der extrahierten Lage- und Positionsinformation durch Ausgleichsrechnung verbessert werden. Falls nur eine Position bestimmt wird, kann es auch ausreichend sein, mit einer Messeinrichtung drei unabhängige Längenmessungen vorzunehmen.While in the example of the 2 six lengths are determined, in other embodiments, other measures, eg. B. angle determined. For example, three lengths and three angles, a length and five angles or other combinations of lengths and angles can also be determined. In particular, overdetermination is also possible, ie more independent measured variables are detected than are necessary for determining position and position. In this case, the accuracy of the extracted position and position information can be improved by compensation calculation. If only one position is determined, it may also be sufficient to perform three independent length measurements with a measuring device.

Wie sich aus den obigen Beschreibungen von Varianten und Abwandlungen ergibt, ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt.As is apparent from the above descriptions of variants and modifications, the invention is not limited to the illustrated embodiments.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (17)

Verfahren zur Bestimmung einer Position und/oder Orientierung eines Objekts, wobei von der Position und/oder Orientierung des Objekts (11) eine Mehrzahl von Messgrößen (m1–m6) abhängt, umfassend: Bestimmen von Werten der Mehrzahl von Messgrößen (m1–m6) zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten (t1–t10), Abschätzen von Werten der Mehrzahl von Messgrößen (m1–m6) zu mindestens einem gemeinsamen Bestimmungszeitpunkt (te1, te2) auf Basis der bestimmten Werte, und Berechnen von Position und/oder Orientierung des Objekts in Abhängigkeit von den abgeschätzten Werten der Mehrzahl von Messgrößen (m1–m6) zu dem gemeinsamen Bestimmungszeitpunkt (te1, te2).Method for determining a position and / or orientation of an object, wherein the position and / or orientation of the object ( 11 ) a plurality of measured quantities (m1-m6), comprising: determining values of the plurality of measured quantities (m1-m6) at a plurality of times (t1-t10), estimating values of the plurality of measured quantities (m1-m6) at least one common determination time (te1, te2) on the basis of the determined values, and calculating the position and / or orientation of the object in dependence on the estimated values of the plurality of measured variables (m1-m6) at the common determination time (te1, te2). Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die Mehrzahl von Zeitpunkten (t1–t10) zumindest für einen Teil der Messgrößen von Messgröße zu Messgröße unterscheidet.The method of claim 1, wherein the plurality of times (t1-t10) for at least a part of the measured variables differs from measured variable to measured variable. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Messgrößen in mindestens zwei Gruppen unterteilt sind, wobei sich die Mehrzahl von Zeitpunkten (t1–t10) von Gruppe zu Gruppe unterscheidet.The method of claim 2, wherein the measures are divided into at least two groups, wherein the plurality of times (t1-t10) differs from group to group. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Abschätzen eine Interpolation oder eine Extrapolation umfasst.The method of any of claims 1-3, wherein the estimating comprises interpolation or extrapolation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das Abschätzen eine Parameteranpassung einer Modellfunktion an in der Umgebung der Bestimmungszeitpunkte bestimmte Werte der Messgrößen umfasst.Method according to one of claims 1-4, wherein the estimation comprises a parameter adaptation of a model function to values of the measured variables determined in the environment of the determination times. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Messgrößen Winkel zwischen dem Objekt und festen Referenzpunkten und/oder Abstände zwischen dem Objekt und festen Referenzpunkten umfassen.Method according to one of claims 1-5, wherein the measured variables include angles between the object and fixed reference points and / or distances between the object and fixed reference points. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei eine Rate der Bestimmung der Werte der Mehrzahl von Messgrößen entsprechend dem Inversen des Abstandes benachbarter der verschiedenen Zeitpunkte größer ist als eine doppelte Bandbreite der jeweiligen Messgröße.The method of claim 1, wherein a rate of determining the values of the plurality of measurands corresponding to the inverse of the distance of adjacent ones of the different times is greater than a double bandwidth of the respective measurand. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das Abschätzen unter Berücksichtigung von Zusatzinformationen über die Mehrzahl von Messgrößen geschieht.Method according to one of claims 1-7, wherein the estimation takes place taking into account additional information about the plurality of measured variables. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Zusatzinformationen Informationen über eine relative Veränderung der Messgrößen umfassen.The method of claim 8, wherein the additional information includes information about a relative change of the measured quantities. Verfahren nach Anspruch 1–9, wobei der Bestimmungszeitpunkt durch ein Triggersignal eines Sensors definiert wird.The method of claim 1-9, wherein the determination time is defined by a trigger signal of a sensor. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die berechnete Position und/oder Orientierung mit dem Messwert des Sensors zu einer Koordinate an einem Werkstück verknüpft wird.The method of claim 10, wherein the calculated position and / or orientation is linked to the measured value of the sensor to a coordinate on a workpiece. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Sensor einen taktilen Taster und/oder einen optischen Sensor umfasst.The method of claim 10 or 11, wherein the sensor comprises a tactile feeler and / or an optical sensor. Messvorrichtung (1216; 20, 21) zur Bestimmung einer Position und/oder Orientierung eines Objekts (11), wobei von der Position und/oder Orientierung des Objekts (11) eine Mehrzahl von Messgrößen (m1–m6) abhängt, wobei die Messvorrichtung (1216; 20, 21) ausgestaltet ist, Werte der Mehrzahl von Messgrößen (m1–m6) jeweils zu verschiedenen Zeitpunkten zu bestimmen, wobei die Messvorrichtung (1215; 20, 21) eine Auswerteeinheit (16) umfasst, welche ausgestaltet ist, Werte der Mehrzahl von Messgrößen (m1–m6) zu mindestens einem gemeinsamen Bestimmungszeitpunkt (te1, te2) basierend auf den bestimmten Werten der Mehrzahl von Messgrößen zu den jeweils verschiedenen Zeitpunkten abzuschätzen und Position und/oder Orientierung des Objekts (11) basierend auf den abgeschätzten Werten zu bestimmen.Measuring device ( 12 - 16 ; 20 . 21 ) for determining a position and / or orientation of an object ( 11 ), wherein the position and / or orientation of the object ( 11 ) a plurality of measured quantities (m1-m6), the measuring device ( 12 - 16 ; 20 . 21 ) is configured to determine values of the plurality of measured variables (m1-m6) in each case at different times, wherein the measuring device ( 12 - 15 ; 20 . 21 ) an evaluation unit ( 16 ) which is configured to estimate values of the plurality of measured quantities (m1-m6) at least one common determination time (te1, te2) based on the determined values of the plurality of measured variables at the respective different times and position and / or orientation of the object ( 11 ) based on the estimated values. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Messvorrichtung eine Mehrzahl von an dem Objekt (11) anzubringenden Messeinrichtungen (T1–T3), wobei die Messeinrichtungen eingerichtet sind, einen Lichtstrahl auszusenden und eine Reflexion des Lichtstrahls zu detektieren, und eine Mehrzahl von stationär anzuordnenden Reflektoren (R1–R3) umfasst.Apparatus according to claim 13, wherein the measuring device comprises a plurality of objects ( 11 ) to be attached measuring devices (T 1 -T 3 ), wherein the measuring means are adapted to emit a light beam and to detect a reflection of the light beam, and a plurality of stationary to be arranged reflectors (R 1 -R 3 ). Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Messeinrichtungen Lenkmittel umfassen, um den Lichtstrahl wahlweise in Richtung eines der Reflektoren (R1–R3) zu lenken, um eine Entfernung zu dem jeweils ausgewählten Reflektor zu messen.Apparatus according to claim 14, wherein the measuring means comprise steering means for selectively directing the light beam towards one of the reflectors (R 1 -R 3 ) to measure a distance to the respective selected reflector. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Messvorrichtung eine Mehrzahl von stationär anzubringenden Messeinrichtungen, wobei die Messeinrichtungen jeweils eingerichtet sind, einen Lichtstrahl auszusenden und eine Reflexion des Lichtstrahls zu detektieren, und ein oder mehrere an dem Objekt anzubringende Reflektoren umfasst.The apparatus of claim 13, wherein the measuring device comprises a plurality of stationary to be mounted measuring devices, wherein the measuring means are each adapted to emit a light beam and to detect a reflection of the light beam, and one or more to be mounted on the object reflectors. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13–16, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–12 eingerichtet ist.Device according to one of claims 13-16, wherein the device is arranged for carrying out the method according to one of claims 1-12.
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