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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der 3D-Koordinaten eines Objekts.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der
EP 2 489 977 A2 bekannt. Die vorbekannte Vorrichtung umfasst einen Industrieroboter und einen 3D-Sensor, der seinerseits einen Projektor zum Projizieren eines Musters auf das Objekt und eine Kamera zum Aufnehmen des Objekts umfasst. Bei dem Muster handelt es sich insbesondere um ein Streifenmuster.
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Bei dem Verfahren der Streifenprojektion, welches zum Bestimmen der 3D-Koordinaten von Objekten dient, wird das zu vermessende Objekt von dem Projektor zeitlich hintereinander mit mehreren Mustern beleuchtet. Die von dem Objekt reflektierten Muster werden von einer oder mehreren Kameras oder sonstigen Bildaufnahmeeinheiten unter einem oder mehreren Triangulationswinkeln beobachtet. Die Kameras erfassen die auf dem Objekt sichtbaren Projektionsmuster als Bilder in Form von Bilddaten. Die erfassten Bilder bzw. Bilddaten werden zu einer Auswerteeinrichtung, insbesondere einem Rechner übertragen.
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Zur Erreichung einer hohen 3D-Sensorauflösung ist es erforderlich oder wünschenswert, eine Vielzahl von Bildern in jeder Messposition des 3D-Sensors aufzunehmen, also ein sogenanntes Mehrbildverfahren durchzuführen. Bei einem vorbekannten Verfahren wird ein Graycodemuster in Verbindung mit mehreren phasengeschobenen Sinusmustern verwendet. Bei dem vorbekannten Heterodynphasenschiebeverfahren werden mehrere phasengeschobene Sinusmuster unterschiedlicher Streifenfrequenz verwendet. Diese vorbekannten Verfahren sind auch für die Durchführung der Erfindung geeignet.
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Verfahren zur Geometriemessung, die nur ein aufgenommenes Bild benötigen und auswerten, also sogenannte Einbildverfahren, weisen gegenüber den Mehrbildverfahren eine geringere Auflösung, eine geringere Messsicherheit und eine verminderte Datenqualität auf. Die Mehrbildverfahren sind diesbezüglich überlegen, benötigen jedoch eine längere Zeit zur Projektion der mehreren Muster und zur Aufnahme und Erfassung der Bilder sowie zur Übertragung der Bilder an die Auswerteeinrichtung. In der automatisierten, robotergestützten Messtechnik, bei der der 3D-Sensor auf einem Industrieroboter montiert ist und das Messobjekt aus unterschiedlichen Positionen aufnimmt, ist es jedoch aus Effizienzgründen wünschenswert, möglichst kurze Messzeiten zu erreichen.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine effektiver arbeitende Vorrichtung und ein effektiver arbeitendes Verfahren der eingangs angegebenen Art vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung zum Bestimmen der 3D-Koordinaten eines Objekts durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Vorrichtung umfasst einen 3D-Sensor und ein Achssystem zur Positionierung des 3D-Sensors. Der 3D-Sensor umfasst einen Projektor zum Projizieren eines Musters auf das Objekt und mindestens eine Kamera zum Aufnehmen des Objekts. Ferner umfasst der 3D-Sensor einen schnellen Bildspeicher zum Speichern der aufgenommenen Bilder des Objekts und eine Übertragungseinrichtung, insbesondere eine Datenleitung zum Übertragen der in dem schnellen Bildspeicher gespeicherten Bilder zu einer Auswerteeinrichtung. Die Auswerteeinrichtung kann Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein.
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Die Übertragung der Bilder zur Auswerteeinrichtung benötigt eine relativ lange Zeit, da üblicherweise Übertragungsstandards zum Einsatz kommen, die zu einer Zeitverzögerung führen. Zur Übertragung der Bilder sind oftmals lange Kabel zwischen dem 3D-Sensor und der Auswerteeinrichtung erforderlich. Es ist allerdings auch möglich, eine kabellose Bildübertragung zu verwenden. In beiden Fällen soll eine sichere, industrietaugliche und robotertaugliche Übertragung der als Bilddaten vorliegenden Bilder ermöglicht werden. Der Übertragungskanal zum Übertragen der Bilder ist dementsprechend üblicherweise in seiner Bandbreite begrenzt. Ferner ist das Kamerainterface zur Übertragung der Bilder zumeist langsamer als die Geschwindigkeit, in der die Kamera Bilder liefern kann. Gängige, derzeit verwendete Kamerainterface-Standards sind beispielsweise GigaBit Ethernet, CameraLink oder CoaxPress.
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Durch die Erfindung wird es ermöglicht, dass die von der oder den Kameras erfassten Streifenmuster, also die als Bilddaten vorliegenden Bilder, zunächst in dem schnellen Bildspeicher zwischengespeichert werden und erst während der Verfahrzeit des Achssystems, in der das Achssystem den 3D-Sensor in eine neue Messposition verfährt, an die Auswerteeinrichtung übertragen werden. Die Verfahrzeit des Achssystems zum Erreichen der neuen Messposition beträgt meist mehrere Sekunden und ist im Allgemeinen länger als die Zeit, die für die Bildübertragung vom 3D-Sensor zur Auswerteeinrichtung benötigt wird. Dadurch, dass die Bildübertragung während der Verfahrzeit des Achssystems stattfindet, entsteht damit keine Wartezeit mehr, und es ist möglich, die Aufnahme der Bilder schneller abzuschließen und eine neue Messposition anzufahren.
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Bei der Auswerteeinrichtung handelt es sich insbesondere um einen Rechner, vorzugsweise um einen PC.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann der 3D-Sensor an verschiedenen Aufnahmepositionen positioniert werden. Die dort hergestellten Bilder können in ein gemeinsames, übergeordnetes Koordinatensystem (absolutes Koordinatensystem) überführt werden („globale Registrierung”). Dabei können Bilder hergestellt werden, die sich teilweise überlappen. Die Zusammensetzung der einzelnen Bilder in einem übergeordneten Koordinatensystem kann durch ein Matching-Verfahren erfolgen. Stattdessen oder zusätzlich können die einzelnen Bilder mit Hilfe der Photogrammmetrie in einem übergeordneten Koordinatensystem zusammengesetzt werden. Hierzu können Referenzmarken verwendet werden. Die Referenzmarken können auf und/oder neben dem Objekt und/oder auf einer oder mehreren das Objekt umgebenden Kulissen angebracht werden. Dies kann nach dem Verfahren der
EP 2 273 229 A1 erfolgen. Die Referenzmarken können allerdings auch auf das Objekt projiziert werden.
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Bei dem Muster, das auf das Objekt projiziert wird, handelt es sich vorzugsweise um ein Streifenmuster. Das Muster kann durch ein bildgebendes Element auf das Objekt projiziert werden, insbesondere in einem analogen Verfahren durch ein Dia (Glasdia) oder durch eine digitale Projektionstechnik, insbesondere einen digitalen Mustergenerator (LCOS, DMD oder ähnliches). Ferner ist es möglich, ein Muster durch einen Streifenprojektionssensor interferometrisch mit Hilfe von Laserlichtquellen (Laserliniensensoren, Laserscanner) zu erzeugen. Hierdurch ist es möglich, ein Muster auf das Objekt zu projizieren, das aus einer oder mehreren Laserlinien besteht. Die Laserlinien können parallel zueinander und/oder in einem Winkel zueinander ausgerichtet sein.
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Die Kamera kann eine Optik und eine flächenhaften Sensor umfassen, insbesondere einen CCD-Sensor und/oder einen CMOS-Sensor.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das Achssystem umfasst mindestens eine bewegliche Achse. Es ist vorzugsweise als Industrieroboter ausgebildet. Der Industrieroboter kann insbesondere als 6-achsiger Industrieroboter ausgebildet sein.
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Der schnelle Bildspeicher kann in der Kamera angeordnet sein. Wenn mehrere Kameras verwendet werden kann jede Kamera einen schnellen Bildspeicher aufweisen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst der 3D-Sensor eine Bildvearbeitungseinrichtung zum Verarbeiten der Bilder. Die Bildverarbeitungseinrichtung kann insbesondere Bestandteil der Kamera sein. Wenn mehrere Kameras verwendet werden kann jede Kamera eine Bildverarbeitungseinrichtung aufweisen.
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In der Bildvearbeitungseinrichtung kann insbesondere eine Datenvorverarbeitung stattfinden. Die Bildverarbeitungseinrichtung dient insbesondere zur Bilddatenmittelung. In der Bildverarbeitungseinrichtung können allerdings auch andere Verfahrensschritte zur 3D-Datenberechnung durchgeführt werden. Durch eine Bilddatenmittelung kann das Rauschen des Bildes reduziert werden. In der Bildverarbeitungseinrichtung kann auch eine Plausibilitätsprüfung und/oder Qualitätsprüfung der erfassten Bilder stattfinden. Wenn diese Prüfung einen Fehler der Bilder ergibt, können weitere Aufnahmen hergestellt werden, bevor der 3D-Sensor von dem Achssystem neu positioniert wird. Ferner ist es durch die Bildverarbeitungseinrichtung möglich, die Anzahl der zu übertragenden Bilder zu reduzieren.
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Es ist ferner möglich, dass in der Bildverarbeitungseinrichtung die Absolut-Phasenbildberechnung stattfindet. Eine Absolut-Phasenbildberechnung kann wünschenswert oder erforderlich sein, um bei einem 3D-Sensor, insbesondere einem Streifenprojektionssenor die Tiefenkoordinate (also den Abstand) für jedes Kamerapixel zu berechnen. Eine Phasenbildberechnung ist insbesondere bei Mehrbildverfahren wünschenswert oder erforderlich, insbesondere bei dem eingangs erwähnten Graycode-Phasenshift-Verfahren oder dem Heterodynphasenschiebeverfahren. Durch die Absolut-Phasenbildberechnung kann die zu übertragende Datenmenge weiter reduziert werden.
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Bei einem Verfahren zum Bestimmen der 3D-Koordinaten eines Objekts wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst. Gemäß dem Verfahren werden Bilder von einem Objekt von einem 3D-Sensor aufgenommen, der an einem Achssystem, insbesondere an einem Industrieroboter befestigt ist. Der 3D-Sensor umfasst einen Projektor zum Projizieren eines Musters, insbesondere eines Streifenmusters, auf das Objekt und mindestens eine Kamera zum Aufnehmen des Objekts. Die von der oder den Kameras aufgenommenen Bilder werden in einem schnellen Bildspeicher des 3D-Sensors oder der Kamera gespeichert. Die in dem schnellen Bildspeicher gespeicherten Bilder werden zu einer Auswerteeinrichtung übertragen. Wenn mehrere Kameras verwendet werden, werden vorzugsweise die von jeder Kamera aufgenommenen Bilder in einem schnellen Bildspeicher des 3D-Sensors oder der jeweiligen Kamera gespeichert.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
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Vorteilhaft ist es, wenn in einem ersten Schritt mehrere Bilder aufgenommen werden, wenn sich der 3D-Sensor in einer ersten Position befindet, wenn in einem zweiten Schritt das Achssystem, insbesondere der Industrieroboter den 3D-Sensor in eine weitere Position bewegt, in der weitere Bilder aufgenommen werden, und wenn die gespeicherten Bilder an die Auswerteeinrichtung übertragen werden, während das Achssystem, insbesondere der Industrieroboter den 3D-Sensor in die weitere Position bewegt. Auf diese Weise kann das Verfahren effektiver durchgeführt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die gespeicherten Bilder an die Auswerteeinrichtung übertragen, während weitere Bilder aufgenommen werden. Es ist also möglich, aus dem schnellen Bildspeicher die ersten Bilder bereits dann auszulesen und zu übertragen, während noch weitere Bilder aufgenommen werden, während also die Messsequenz noch läuft. Dies ermöglicht einen weiteren Zeitgewinn.
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Die Bilder können in einer Bildverarbeitungseinrichtung des 3D-Sensors, insbesondere der Kamera, verarbeitet werden. Wenn mehrere Kameras verwendet werden können die Bilder in einer Bildverarbeitungseinrichtung in jeder Kamera verarbeitet werden. Im Rahmen der Bildverarbeitung können weitere Verfahrensschrittte zur 3D-Datenberechnung, insbesondere eine Bilddatenmittelung, insbesondere zur Reduzierung des Rauschens, und/oder die oben bereits erläuterten Verfahrensschritte durchgeführt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 eine Vorrichtung zum Bestimmen der 3D-Koordinaten eines Objekts mit einem Industrieroboter und einem 3D-Sensor,
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2 einen Teil der Vorrichtung gemäß 1 in einer schematischen Darstellung,
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3 eine abgewandte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 2 in einer schematischen Darstellung und
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4 ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Durchführung der Erfindung.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Bestimmen der 3D-Koordinaten eines Objekts 2, die einen Industrieroboter 3 und einen 3D-Sensor 4 umfasst. Der 3D-Sensor 4 umfasst seinerseits einen Projektor 5 zum Projizieren eines Musters auf das Objekt 2, eine erste Kamera 6 zum Aufnehmen des Objekts 2 und eine zweite Kamera 7 zum Aufnehmen des Objekts 2.
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Bei der Ausführungsform nach 2 umfassen die Kameras 6, 7 jeweils einen Bildsensor 8 und eine Optik 9. Ferner umfassen die Kameras 6, 7 jeweils einen schnellen Bildspeicher 10 zum Speichern der Bilder des Objekts 2. Die Bilder des Objekts 2 werden von den Bildsensoren 8 aufgenommen. Sie liegen in Form von Bilddaten vor, die den schnellen Bildspeichern 10 zugeführt und dort gespeichert werden. Die Kameras 6, 7 umfassen ferner eine Übertragungseinrichtung, die von Datenleitungen 11 gebildet wird, zum Übertragen der in den schnellen Bildspeichern 10 gespeicherten Bilder zu einer Auswerteeinrichtung 12, nämlich einen PC.
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Bei der abgewandelten Ausführungsform nach 3 umfassen die Kameras 6, 7 jeweils eine Bildverarbeitungseinrichtung 13 zum Verarbeiten der Bilder. In der Bildverarbeitungseinrichtung findet eine Vorverarbeitung der Bilddaten statt. Diese Vorverarbeitung umfasst eine Bilddatenmittelung zur Reduzierung des Rauschens der Bilder und/oder eine Phasenbildberechnung.
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Zur Durchführung des Verfahrens mit der Vorrichtung nach 2 wird der 3D-Sensor 4 von dem Industrieroboter 3 in eine vorgegebene Position bewegt, in der er in einer vorgegebenen Richtung ausgerichtet ist. In dieser Stellung werden vom Projektor 5 Muster auf das Objekt 2 projiziert, die von den Kameras 6, 7 aufgenommen werden. Die von den Kameras 6, 7 aufgenommenen Bilder werden in dem schnellen Bildspeicher 10 gespeichert.
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Wenn aller erforderlichen Aufnahmen in dieser Position hergestellt worden sind, verfährt der Industrieroboter 3 den 3D-Sensor 4 in eine andere Position. Während dieser Zeit werden die Bilder von dem schnellen Bildspeicher 10 durch die Datenleitungen 11 an die Auswerteeinrichtung 12 übertragen. Dieses Verfahren kann mehrmals hintereinander durchgeführt werden.
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Bei der Ausführungsform nach 3 wird zusätzlich in den Bildverarbeitungseinrichtungen 13 eine Datenvorverarbeitung durchgeführt.
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4 zeigt einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 21 erfolgt die Bilddatenaufnahme in einer Messposition. Die aufgenommenen Bilddaten werden im Schritt 22 gespeichert. Im optionalen Schritt 23 findet eine Bilddatenvorverarbeitung statt, beispielsweise eine Bilddatenmittelung und/oder eine Absolut-Phasenbildberechnung. Die Verfahrensschritte 21, 22, 23 finden in der Kamera 6, 7 statt.
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Die gespeicherten und gegebenenfalls vorverarbeiteten Bilddaten werden im Schritt 24 an die Auswerteeinrichtung 12, die von einem Auswerterechner gebildet wird, übertragen. In der Auswerteeinrichtung 12 findet im Schritt 25 die 3D-Datenberechnung statt. Wenn der 3D-Sensor 4 in eine neue Messposition verfahren worden ist, beginnt ein neuer Zyklus der Verfahrensschritte 21–25. Die Verfahrensschritte 21–23 werden durchgeführt, während sich der 3D-Sensor 4 in einer bestimmten Messposition befindet. Der Verfahrensschritt 24 kann teilweise oder vollständig durchgeführt werden, während der 3D-Sensor 4 von einer in die nächste Messposition bewegt wird.
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Die Vorrichtung ermöglicht ein zeitversetztes Auslesen der Kameras 6, 7, während der 3D-Sensor 4 von dem Industrieroboter 3 für die nächste Messung neu positioniert wird. Dabei können in den Kameras 6, 7 die Bilder vorverarbeitet werden. Insbesondere kann eine Bilddatenmittelung stattfinden. Durch die Vorverarbeitung kann die Anzahl der zu übertragenden Bilder zur Auswerteeinrichtung 11 reduziert werden.
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Durch die Verwendung eines schnellen Bildspeichers wird eine höhere Bildrate der Kamera ermöglicht. Bei gleichbleibender Anzahl von projizierten und akquirierten Bildern führt dies, verglichen mit dem bisherigen Verfahren, zu einer kürzeren Messzeit. Die schnellere Messung ist generell weniger anfällig auf negative Faktoren, wie beispielsweise Variationen der Umgebungsbedingungen (Licht, Vibrationen) und somit industrietauglicher. Abhängig von der gewählten Auflösung ist auch eine Erfassung dynamischer Prozesse oder bedingt dynamischer Prozesse denkbar, insbesondere in Kombination mit einem schnellen Mustergenerator, beispielsweise einem Mikrospiegelarray oder statischen Dia.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2489977 A2 [0002]
- EP 2273229 A1 [0011]
