-
Die Positionsveränderung zweier miteinander verbundener, zu belastender und belasteter Gegenstände zueinander berührungslos messende Einrichtung
-
Die Erfindung betrifft die Positionsveränderung zweier miteinander verbundener, zu belastender und belasteter Gegenstände zueinander berührungslos messende Einrichtungen.
-
Die Messung geometrischer Größen mit unterschiedlichen optischen Methoden hat sich bewährt. Dazu gehören unter anderem Okularmikrometer zur Abstandsbestimmung und Messfernrohre zur Winkelmessung. Die Genauigkeit und die Auflösung solcher Systeme können bis in den Submikrometer- oder Winkelsekundenbereich gehen. Einfache Systeme sind aber nicht unbedingt für eine Automatisierung geeignet. Mit dem Beginn des Einsatzes der Videotechnik kamen auch Verfahren zur Anwendung, die die Bestimmung der Form und die Messung der geometrischen Größe über beispielsweise eine Kantendetektion zum Ziel hatten. Dazu werden insbesondere Bilder oder Abbildungen verwendet, die hinsichtlich der gewünschten Bildinformation optimal oder nahezu optimal gestaltet sind. Verbesserungen der Bildqualität zur Form-/Objekterkennung oder auch nur um den optischen Eindruck fehlerhafter Bilder zu verbessern, werden mit zahlreichen Filterverfahren angestrebt und erreicht. Die Ergebnisse dieser Bearbeitungen sind unabhängig vom Originalbild in vielen Fällen Bilder mit binären Pixelinhalten. Bei Messaufgaben, wie zum Beispiel bei Durchmesser- oder Abstandsbestimmungen, werden ebenso vorwiegend kontrastreiche, „scharfe” Bilder genutzt. „Unscharfe” Bilder werden entsprechend bearbeitet, mit dem Ziel, den Kontrast zu erhöhen und das Objekt „genauer” abzubilden. Zum Einsatz kommen solche Operationen, die auf Punkte oder in der Fläche wirken, beispielsweise mittels Schwellwertfunktion, Farbtransformation, Subtraktion, Faltung, Hochpassfilter (Unterdrückung großer Ortsfrequenzen), Mittelwertoperation (zum Beispiel durch eine 3×3 Matrix, wirkt auch als Hochpassfilter), Gradientenbildung, Erosion zur Eliminierung bestimmter Bildpunkte und Dilatation zur flächenhaften Ausweitung bestimmter Flächen.
-
Die sich ergebenden Auflösungsgrenzen korrespondieren mit dem Abbildungsmaßstab und dem Auflösungsvermögen des Fotochips. Sind die zu messenden Abstände relativ klein im Vergleich zur gesamten aufzunehmenden Objektabmessung, müssten die Bilder mit einem Sensor mit sehr großer Pixelanzahl und nahezu ohne Abbildungsfehler aufgenommen werden. Der Aufwand für die Optik ist nicht unerheblich.
-
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eventuelle Positionsveränderung von miteinander verbundenen Gegenständen nach einer Belastung einfach zu ermitteln.
-
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
-
Die die Positionsveränderung zweier miteinander verbundener, zu belastender und belasteter Gegenstände zueinander berührungslos messenden Einrichtungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass auch kleinste Positionsveränderungen einfach messbar sind.
-
Dazu weist die Einrichtung
- – wenigstens eine mit dem ersten Gegenstand verbundene und mindestens eine Kante aufweisende erste Säule,
- – wenigstens eine mit dem zweiten Gegenstand verbundene und mindestens eine Kante aufweisende zweite Säule auf.
-
Darüber hinaus besitzt die die Positionsveränderung zweier miteinander verbundener, zu belastender und belasteter Gegenstände berührungslos messende Einrichtung
- – mindestens eine Einrichtung zur Erfassung einander zugeordneter Kanten, Kantenbereiche oder sowohl Kanten als auch Kantenbereiche der Säulen und
- – eine Einrichtung zur Ermittlung des Abstands einander zugeordneter Kanten oder Kantenbereiche der Säulen vor und nach der Belastung.
-
Damit ist eine durch die Belastung hervorgerufene Veränderung der Positionen der Säulen und damit eine Positionsveränderung der Gegenstände zueinander durch einen Kantendetektion von Kanten oder Kantenbereichen der Säulen ermittelbar. Das grundlegende Messprinzip basiert auf einer Abstandsmessung zweier geometrischer Objekte in Form von Kanten und/oder Kantenbereichen der Säulen. Über die Positionen der Säulen vor und nach der Belastung sind Verschiebungen und Drehungen in allen Raumrichtungen und daraus die Lage in allen Raumrichtungen messbar. Das kann auch während der Belastung erfolgen, so dass ein dynmisches Messen möglich ist.
-
Die Einrichtung eignet sich insbesondere zur Messung von Verschiebungen von Gegenständen technischer und/oder biologischer Art vor und/oder während und/oder nach der Belastung.
-
Dabei können kleinste Positionsänderungen in Grenzflächen zwischen Knochen mit metallischen oder keramischen Gegenständen nach Belastungen einfach ermittelt werden. Dazu werden an verschiedenen Positionen in Bezug zur Grenzfläche Säulen platziert. Damit eignet sich die Einrichtung auch für künstliche Gelenke in Form von Prothesen, wobei die Verankerungsstabilität der Prothese gegenüber dem Knochen einfach ermittelbar ist. Die Prothese und der Knochen als Gewebe stellen dabei die Gegenstände dar. Daraus können leicht Rückschlüsse auf die Eigenschaften verschiedener Verbindungstechnologien gezogen werden. Das erfolgt auch in Abhängigkeit der Gewebeeigenschaften, so dass optimale Verbindungstechnologien entsprechend des Gewebes eingesetzt werden können.
-
Darüber hinaus sind eventuell nach Belastungen auftretende und/oder aufgetretene Verschiebungen miteinander verbundener Gegenstände einfach erfassbar. Das sind insbesondere auch Gegenstände aus belasteten Verbundwerkstoffen, wobei die Gegenstände aus den gleichen oder verschiedenen Materialien bestehen. Materialien sind dabei beispielsweise Kunststoffe, Metalle, Keramiken, organische Stoffe oder Kunststeine auch in mehreren Kombinationen. Kunststeine können dabei aus einem Mineralguss bestehen, die insbesondere auch im Maschinenbau als Tische oder Gestelle mit guten Dämpfungseigenschaften und guter Temperaturstabilität eingesetzt werden. Belastungen können dabei statisch aber auch dynamisch auftreten. Darüber hinaus können die Säulen auch bei der Fertigung von Gegenständen generiert werden. Derartige Anordnungen sind insbesondere miniaturisierte technische Geräte, Baugruppen oder Bauteile, die auch als Mikrosysteme bekannt sind. Die Qualität der Verbindung miteinander verbundener Bestandteile können dabei überprüft und überwacht werden.
-
Dabei werden Kanten und/oder Kantenbereiche der Säulen vor und nach der Belastung erfasst, so dass eine Verschiebung entsprechend der Belastung messbar ist. Das kann auch dynamisch während der Belastung erfolgen. Aus den Positionen einander zugeordneter Kanten oder Kantenbereiche kann sowohl der Abstand als auch der Winkel bestimmt werden. Die Erfassung von Kanten und/oder Kantenbereichen kann auch punktweise erfolgen. Neben dem Abstand kann damit auch der Verlauf von Kanten oder Kantenbereichen berechnet werden.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 angegeben.
-
Die zweite Säule ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ein wenigstens zwei winklig zueinander angeordnete Schenkel aufweisender Körper. Weiterhin befindet sich die erste Säule beabstandet zwischen den Schenkeln des Körpers.
-
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 sind vier in den Ecken eines Vierecks angeordnete erste Säulen mit dem ersten Gegenstand verbunden. Die zweite Säule ist ein Körper, der wenigstens bereichsweise den Querschnitt eines Kreuzes mit vier Schenkeln aufweist. Jeweils ein Schenkel des Körpers befindet sich beabstandet zwischen zwei ersten Säulen. In der Seitenansicht sind damit drei Rechteckflächen gebildet aus einer Säulenfläche, einer Schenkelfläche und einer Säulenfläche beabstandet nebeneinander angeordnet. In der Draufsicht sind die Oberfläche des Kreuzes mit vier in den freien Ecken des Kreuzes angeordneten Oberflächen der ersen Säulen vorhanden. Über die Abstände von Kanten und/oder Kantenbereichen einschließlich deren Verläufe können leicht Verschiebungen der Gegenstände und damit Positionsänderungen der Gegenstände ermittelt werden. Das schließt auch aus Positionsänderungen verursachte Drehungen und Kippungen der ersten Säulen und des Körpers mit ein.
-
Die Säulen sind vor der Belastung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 so mit den Gegenständen verbunden, dass die Enden der Säulen eine Ebene sind. Damit können insbesondere auch Verkippungen der Säulen leicht erfasst werden.
-
Die ersten Säulen und der zwischen den ersten Säulen beabstandet angeordnete kreuzförmige Körper begrenzem nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 im Querschnitt ein Quadrat, ein Kreis, ein Mehreck oder eine Ellipse. Drehungen der Gegenstände können somit leicht detektiert werden.
-
Die ersten Säulen sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 auf einem ringförmigen oder U-förmigen Träger angeordnet. Der kreuzförmig ausgebildete Bereich des Körpers befindet sich über dem Träger. Damit sind die ersten Säulen vorteilhafterweise als ein Bauteil mit dem Gegenstand verbindbar. Gleichzeitig sind feste geometrische Beziehungen der ersten Säulen zueinander gegeben.
-
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 sind wenigstens ein Bereich einander zugeordneter Kanten der Säulen jeweils geradlinig oder bogenförmig ausgebildet. Darüber hinaus können die Kanten bestimmt beliebig geformte Kanten sein.
-
Die Einrichtung zur Erfassung des Abstands einander zugeordneter Kanten und/oder Kantenbereiche der Säulen vor und nach der Belastung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 eine optische Einrichtung, wobei diese entweder eine die Säulen abbildende Optik ist oder eine Quelle elektromagnetischer Strahlung und eine die von den Säulen reflektierte, gestreute und/oder transmittierte elektromagnetische Strahlung abbildende Optik aufweist.
-
In Fortführung ist die abbildende Optik nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 ein Bestandteil einer Digitalkamera, wobei die Digitalkamera Kanten und/oder Kantenbereiche der Säulen aufnimmt und die daraus resultierenden Abbilder gleichzeitig in digitale Daten wandelt. Die Aufnahmeoptik der Digitalkamera und damit diese selbst befindet sich günstigerweise schräg über den Säulen, so dass wenigstens ein Seitenbereich und ein Bereich der Draufsicht abgebildet wird. Darüber hinaus können auch wenigstens zwei Digitalkameras für mindestens eine Seitenansicht und eine Draufsicht angeordnet sein.
-
Die Abbilder mit den Kanten und/oder Kantenbereichen sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 in Grauwerte gewandelte Abbilder oder farbige Abbilder. Die Einrichtung zur Ermittlung des Abstands einander zugeordneter Kanten oder Kantenbereiche der Säulen vor und nach der Belastung ist ein bekanntes Datenverarbeitungssystem. Weiterhin ist das Datenverarbeitungssystem ein aus den durch die unterschiedlichen Abstände zwischen Aufnahmeoptik der Digitalkamera und Kanten und/oder Kantenbereichen der Säulen verursachten unscharfen Linienabbildungen die jeweilige Kantenmitte ermittelndes Datenverarbeitungssystem, wobei der Helligkeitsgradient vom Außenbereich zur Kantenmitte linear ansteigend/abfallend auf der einen Seite und linear fallend/steigend auf der anderen Seite verläuft, zwei Geraden aus den beiden Gradienten gebildet werden und der Schnittpunkt der beiden Geraden mit der Mitte der Kante oder dem Kantenbereich zusammenfällt. Damit lässt sich die Mitte der Kante in Form beispielsweise eines Punktes oder einer Linie exakt ermitteln, obwohl der Abstand der Kanten zur Aufnahmeoptik unterschiedlich ist. Mit den Mittelpunkten ist eine Berechnung der Differenzen aus den Positionen vor und nach der Belastung einfach möglich.
-
In Fortführung ist die Einrichtung zur Ermittlung des Abstands einander zugeordneter Kanten und/oder Kantenbereiche der Säulen vor und nach der Belastung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 ein Datenverarbeitungssystem, wobei dieses ein sowohl Abstände als auch Winkel zwischen Kanten und/oder Kantenbereichen der Säulen ermittelndes Datenverarbeitungssystem ist.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
-
Es zeigen:
-
1 eine die Positionsveränderung zweier miteinander verbundener, zu belastender und belasteter Gegenstände zueinander berührungslos messende Einrichtung mit Säulen,
-
2a und 2b jeweils mindestens eine Kante aufweisende erste Säule und eine mindestens eine Kante aufweisende zweite Säule und
-
3a bis 3c jeweils erste Säulen beabstandet zu einem bereichsweise einen kreuzförmigen Querschnitt aufweisenden Körper als zweite Säule.
-
Eine die Positionsveränderung zweier miteinander verbundener, zu belastender und belasteter Gegenstände 1, 2 zueinander berührungslos messende Einrichtung besteht im Wesentlichen aus mindestens einer mit einem ersten Gegenstand 1 verbundenen ersten Säule 3, einer mit einem zweiten Gegenstand 2 verbundenen zweiten Säule 4, einer Einrichtung 5 zur Erfassung einander zugeordneter Kanten, Kantenbereiche oder sowohl Kanten als auch Kantenbereiche der Säulen und einer Einrichtung 6 zur Ermittlung des Abstands einander zugeordneter Kanten oder Kantenbereiche der Säulen wenigstens vor und nach der Belastung.
-
Die 1 zeigt eine die Positionsveränderung zweier miteinander verbundener, zu belastender und belasteter Gegenstände 1, 2 zueinander berührungslos messende Einrichtung mit Säulen 3, 4 in einer prinzipiellen Darstellung.
-
Die Säulen 3, 4 sind sind jeweils mit den Gegenständen 1, 2 verbunden.
-
Die 2a und 2b zeigen jeweils mindestens eine Kante aufweisende erste Säule 3 und eine mindestens eine Kante aufweisende zweite Säule 4 in prinzipiellen Darstellungen.
-
Dazu sind in einer ersten Ausführungsform die erste Säule 3 mit dem ersten Gegenstand 1 und die zweite Säule 4 mit dem zweiten Gegenstand 2 verbunden. Die Säulen 3, 4 weisen jeweils mindestens eine Kante auf, wobei wenigstens ein Bereich der Kanten der Säulen 3, 4 jeweils geradlinig ausgebildet sind.
-
Die 3a bis 3c zeigen jeweils erste Säulen 3 beabstandet zu einem bereichsweise einen kreuzförmigen Querschnitt aufweisenden Körper 4 als zweite Säule 4 jeweils in prinzipiellen Darstellungen.
-
Vier erste Säulen 3 für den ersten Gegenstand 1 mit jeweils einem quadratischen Querschnitt sind in einer weiteren Ausführungsform in den Ecken eines Vierecks insbesondere eines Quadrats angeordnet. Die zweite Säule 4 als Körper 4 für den zweiten Gegenstand 2 besitzt wenigstens bereichsweise im Querschnitt die Form eines Kreuzes 4. Der Körper 4 befindet sich beabstandet zu den ersten Säulen 3 zwischen diesen. Das Kreuz 4 besitzt vier Schenkel, wobei sich jeweils ein Schenkel zwischen ersten Säulen 3 befindet.
-
Die 3a zeigt vier erste Säulen 3 mit einem Körper 4 in einer prinzipiellen Darstellung.
-
Die ersten Säulen 3 sind auf einem ringförmigen oder U-förmigen Träger 7 angeordnet, der mit dem ersten Gegenstand 1 verbunden ist. Dazu ist der Träger 7 günstigerweise auf einem Ring angeordnet, der leicht in einer Bohrung im ersten Gegenstand fixierbar ist. Der kreuzförmig ausgebildete Bereich des Körpers 4 als zweite Säule 4 befindet sich über dem Träger 7. Der restliche Bereich durchdringt den Träger 7 und ist im zweiten Gegenstand 2 fixiert.
-
Die Gegenstände 1, 2 können beispielsweise ein metallischer Gegenstand 2 in Form eines Implantats 2 als zweiter Gegenstand 2 und ein biologischer Gegenstand 1 in Form eines Knochengewebes 1 als erster Gegenstand 1 sein. Um das Knochengewebe 1 und eine eventuelle Verbindungsschicht nicht zu beeinflussen, wird in das Implantat 2 vor dessen Verbindung mit dem Knochengewebe 1 eine Bohrung eingebracht. Nach der Verbindung des Implantats 2 mit dem Knochengewebe 1 wird in das Knochengewebe 1 eine Bohrung eingebracht, wobei die Bohrung des Implantats 2 verlängert wird. Durch eine zweite Bohrung wird das Loch im Knochengewebe 1 im Durchmesser vergrößert. Mit der zweiten Bohrung im Knochengewebe 1 als erster Gegenstand 1 wird der Träger 7 mit den ersten Säulen 3 und mit der ersten Bohrung im zweiten Gegenstand 2 als Implantat 2 wird der Körper 4 als zweite Säule 4 fixiert. Die ersten Säulen 3 und der Körper 4 sind dabei vor der Belastung so mit den Gegenständen 1, 2 verbunden, dass die Enden der ersten Säulen 3 und des Körpers 4 eine Ebene sind. Die ersten Säulen 3 und der zwischen den ersten Säulen 3 beabstandet angeordnete kreuzförmige Körper 4 begrenzen im Querschnitt ein Quadrat. Dabei sind die Endflächen der Schenkel und Außenflächen der ersten Säulen 3 in einer Ebene angeordnet. Der Körper 4 ist gegenüber den ersten Säulen 3 frei beweglich. Im Belastungsfall wird damit eine etwaige Relativbewegung zwischen Implantat 2 und Knochengewebe 1 und damit die daraus resultierende Relativbewegung zwischen Körper 4 und ersten Säulen 3 messbar.
-
Anstelle dieser Gegenstände 1, 2 können das beliebig miteinander verbundene Gegenstände 1, 2 sein, deren eventuelle Positionsänderung bei einer Belastung ermittelt wird.
-
Die Einrichtung 5 zur Erfassung einander zugeordneter Kanten, Kantenbereiche oder sowohl Kanten als auch Kantenbereiche der Säulen 3, 4 ist günstigerweise eine Digitalkamera 5. Die Kanten, Kantenbereiche oder sowohl Kanten als auch Kantenbereiche der Säulen 3, 4 können dabei auch korrespondierend zueinander angeordnet sein. Die Aufnahmeoptik der Digitalkamera 5 befindet sich dabei schräg über den Säulen 3, 4, so dass wenigstens eine Seitenansicht und eine Draufsicht abgebildet wird. Natürlich können auch zwei Digitalkameras 5 für eine Seitenansicht und eine Draufsicht angeordnet sein. Darüber hinaus kann auch eine verfahrbare Digitalkamera 5 in Verbindung mit wenigstens einem Spiegel zur Anwendung kommen. Vorteilhafterweise werden bei Verwendung der Digitalkamera 5 die Abbilder der Kanten und/oder Kantenbereiche der Säulen 3, 4 gleichzeitig in digitale Daten gewandelt.
-
Mittels der Einrichtung 6 zur Ermittlung des Abstands einander zugeordneter Kanten und/oder Kantenbereiche der Säulen 3, 4 vor und nach der Belastung in Form eines Datenverarbeitungssystems 6 werden sowohl Abstände als auch Winkel zwischen Kanten und/oder Kantenbereichen der Säulen 3, 4 ermittelt.
-
Bei einer Optik mit bekannter Brennweite und Apertur kann aus der Lage der Säulen 3, 4 die Position der dazugehörigen Bilder bestimmt werden. Bei einer Aufnahme von Säulen 3, 4 in einer gleichzeitigen Draufsicht und Seitenansicht sind Kanten oder Kantenbereiche näher an der Digitalkamera 5 als der Punkt der schärfsten Abbildung und werden deshalb erst hinter der CCD-Matrix „abgebildet”. Andere Kanten oder Kantenbereiche sind dagegen weiter von der Digitalkamera 5 entfernt und deren scharfes Bild entsteht vor der CCD-Matrix. In beiden Fällen wird aus einem Objektpunkt ein Zersteuungskreis und aus einer Hell-Dunkel-Kante eine breite „graue” Linie. Die Kante kann als Linie definiert werden, so dass aus dem Helligkeitsverlauf der unscharfen Kantenbilder die Lage der Kantenmittelpunkte bestimmt werden kann.
-
Für eine genaue Messung ist es günstig, wenn der Bereich außerhalb der Kante maximale Dunkelheit/Helligkeit hat und beim Linienbild ein Teil, der Bereich der Kantenmitte, vollkommen hell/dunkel ist. Der Helligkeitsgradient vom Außenbereich zur Kantenmitte verläuft linear ansteigend/abfallend auf der einen Seite oder linear fallend/steigend auf der anderen. Über diese beiden Gradienten können zwei Geraden definiert werden, deren Schnittpunkt mit der Mitte der Kante zusammenfällt. Da diese Prozedur nicht nur für eine einzige Zeile/Spalte bei einer senkrechten oder waagerechten Kante, sondern in mehreren Zeilen/Spalten auf dem gesamten Bild für diese Kante ausgeführt wird, ergibt sich die Möglichkeit, aus allen Schnittpunkten eine Gerade und damit eine Kante oder einen Kantenbereich zu bilden. Durch die Einbeziehung vieler Bildpunkte reduzieren sich die Einflüsse der einzelnen Bildfehler. Die mathematische Beschreibung der Kanten und der daraus ermittelte Schnittpunkt auf dem Bild werden durch die mehrfache Mittelung stabil. Das wird für alle Kanten und für alle Belastungsfälle angewendet. Die Änderung des Abstandes der Schnittpunkte mit und ohne Belastung enthält die gesuchte Information. Eine Verdrehung der zweiten Säule 4 als Körper 4 zu den ersten Säulen 3 wird ebenfalls über den Abstand und den Verlauf benachbarter Kanten oder Kantenbereiche ermittelt.
-
Die 3b und c zeigen jeweils erste Säulen 3 beabstandet zu einem bereichsweise einen kreuzförmigen Querschnitt aufweisenden Körper 4 als zweite Säule 4 in prinzipiellen Darstellungen.
-
Die ersten Säulen 3 besitzen in diesen Ausführungsformen keinen viereckigen Querschnitt, sondern jeweils zwei winklig zueinander angeordnete Kanten, die korrespondierend und beabstandet zu den Schenkeln des kreuförmigen Körpers 4 angeordnet sind.
