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
In K. Minoshima und
Aus der
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
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:
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
Zur Positions- und/oder Orientierungsbestimmung ist an dem Ende des Roboterarms
Die Messung kann beispielsweise auf optischem Weg erfolgen, insbesondere durch Laserweglängenmessung. Hierzu kann eine Laufzeit eines Laserstrahls von der Messvorrichtung
Zur Bestimmung der für eine vollständige Positions- und Orientierungsbestimmung nötigen sechs Messgrößen können beispielsweise Entfernungen und Winkel zu den drei Bezugspunkten
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
Es ist zu bemerken, dass die Darstellung des Roboterarms
In
In
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
Zur Bestimmung von Orientierung und Position der Messvorrichtung
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
Ein Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Verfahrens, welches beispielsweise in den Vorrichtungen der
In Schritt
Dies ist in beispielhafter Weise in den Diagrammen (a) und (b) der
In Diagramm (a) der
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
Bei dem Beispiel der
In
In den Diagrammen (a) und (b) zeigen dabei Kurven
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
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
Zu beachten ist, dass die Messgrößen und -werte der
Zu bemerken ist, dass während in den
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
Während in dem Beispiel der
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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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102004021892 A1 [0008] DE 102004021892 A1 [0008]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- 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) [0007] 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) [0007]
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