DE102016014384A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts Download PDF

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Abstract

Ein 3D-Sensor (2) für eine Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts umfasst erfindungsgemäß mindestens eine Kamera und mindestens drei Ebenen-Projektoren (13, 14) ().

Description

  • Die Erfindung betrifft einen 3D-Sensor für eine Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts, eine Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts und ein Verfahren zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts.
  • Aus der DE 10 2009 032 262 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts bekannt, bei dem ein 3D-Sensor verwendet wird, der eine Projektionseinrichtung und eine Kamera umfasst. Von der Projektionseinrichtung wird ein Streifenmuster auf das Objekt projiziert. Die Kamera nimmt Bilder des Objekts auf. Daraus können die 3D-Koordinaten der Oberfläche des Objekts bestimmt werden. Das Objekt ist von mehreren Referenzkulissen mit kodierten Referenzmarken umgeben. Von dem Objekt werden mehrere Aufnahmen derart hergestellt, dass darauf jeweils ein Teil des Objekts und ein Teil einer Referenzkulisse enthalten ist. Auf diese Weise ist es möglich, einzelne Aufnahmen des Objekts zusammenzusetzen und in einem übergeordneten Koordinatensystem zu registrieren.
  • Die DE 10 2011 011 360 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts mit einem 3D-Sensor, der eine Projektionseinrichtung und eine Kamera umfasst. Das Objekt ist in einer Messzelle positioniert, an deren Wänden Felder von Referenzmarken vorhanden sind, die von einer Referenzkamera aufgenommen werden. Mit der Vorrichtung kann ein Verfahren zur globalen Registrierung des Objekts durchgeführt werden.
  • Aus der DE 10 2014 012 203 A1 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der 3D-Koordinaten der Oberfläche eines Objekts bekannt, die einen Messtisch mit Referenzmarken, einen 3D-Sensor und ein Tracking-System aufweist.
  • Um eine übergeordnete globale Registrierung der 3D-Koordinaten eines Objekts zu erreichen, müssen die in den einzelnen Aufnahmen bestimmten, lokalen 3D-Koordinaten zusammengefügt werden. Dies kann durch ein „Matching“ mittels Methoden der Fotogrammetrie erfolgen oder durch die Bestimmung der Lage und Orientierung eines 3D-Sensors durch ein Tracking-System. Dementsprechend erfordern die vorbekannten Vorrichtungen zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts, die eine globale Registrierung des Objekts ermöglichen, Referenzmarken und/oder ein Tracking-System, was mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren und eine vereinfachte Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts vorzuschlagen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen 3D-Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der 3D-Sensor für eine Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts umfasst mindestens eine Kamera und mindestens drei Ebenen-Projektoren. Durch die Kamera können die 3D-Koordinaten des Objekts bestimmt werden. Die Ebenen-Projektoren projizieren Lichtebenen in den den 3D-Sensor umgebenden Raum. Aus den Lichtebenen können die Lage und Orientierung des 3D-Sensors bestimmt werden. Dies ermöglicht die globale Registrierung der von dem 3D-Sensor bestimmten 3D-Koordinaten des Objekts.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts, die einen erfindungsgemäßen 3D-Sensor und mehrere, vorzugsweise mindestens drei, Zeilensensoren umfasst, die jeweils in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Zur Durchführung der Erfindung sind mindestens zwei Zeilensensoren erforderlich. Vorzugsweise werden drei Zeilensensoren verwendet. Die Zeilensensoren verlaufen vorzugsweise jeweils rechtwinkelig zueinander. Die Zeilensensoren sind vorrichtungsfest angeordnet, während der 3D-Sensor in Lage und Orientierung beweglich ist. Er kann handgeführt sein. Es ist allerdings auch möglich, dass der 3D-Sensor mit einem Industrieroboter verbunden ist, der ihn in Lage und Orientierung gesteuert bewegen und positionieren kann. Die Zeilensensoren sind geeignet, wegabhängige Signale zu erzeugen, die die Schnittpunkte der Lichtebenen mit den Zeilensensoren anzeigen. Aus diesen Schnittpunkten können die Lage und Orientierung des 3D-Sensors bestimmt werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Der 3D-Sensor kann einen Projektor zum Projizieren eines Musters auf das Objekt aufweisen. Bei dem Muster handelt es sich vorzugsweise um ein Streifenmuster.
  • Stattdessen oder zusätzlich kann der 3D-Sensor einen Scanner aufweisen. Der Scanner ist vorzugsweise als Linienscanner ausgebildet. Vorteilhaft ist es, wenn der Scanner ein Laserscanner oder ein Laser-Linienscanner ist.
  • Ferner kann der 3D-Sensor ein Stereosystem aufweisen, das mindestens zwei Stereokameras umfasst, durch die die 3D-Koordinaten des Objekts bestimmt werden können.
  • Vorteilhaft ist es, wenn der 3D-Sensor drei oder sechs Ebenen-Projektoren aufweist.
  • Es ist ferner vorteilhaft, wenn die von jeweils drei Ebenen-Projektoren projizierten Lichtebenen senkrecht zueinander verlaufen. Dabei ist die Anordnung vorzugsweise derart getroffen, dass jeweils zwei Lichtebenen parallel zueinander und im Abstand voneinander verlaufen. Auf diese Weise können zwei parallel versetzte Koordinatensysteme aufgespannt werden.
  • Der oder die oder alle Ebenen-Projektoren können als Laser-Ebenen-Projektoren ausgebildet sein. Vorzugsweise handelt es sich um rotierende Laser. Die Ebenen-Projektoren können rotierende Spiegel oder Kegelspiegel aufweisen.
  • Vorteilhaft ist es, wenn drei oder sechs Zeilensensoren vorhanden sind.
  • Es ist ferner vorteilhaft, wenn jeweils drei Zeilensensoren rechtwinkelig zueinander verlaufen. Dabei ist die Anordnung vorzugsweise derart getroffen, dass jeweils zwei Zeilensensoren parallel zueinander und im Abstand voneinander verlaufen. Auf diese Weise können zwei parallel versetzte Koordinatensysteme aufgespannt werden.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts gelöst, wobei das Verfahren unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird, das Objekt von der mindestens einen Kamera aufgenommen wird, die Schnittpunkte der Lichtebenen mit den Liniensensoren bestimmt werden und daraus die Lage und Orientierung des 3D-Sensors bestimmt wird.
  • Vorteilhaft ist es, wenn ein Muster, insbesondere ein Streifenmuster, auf das Objekt projiziert wird und/oder wenn das Objekt mit Licht aus einem Scanner bestrahlt wird, vorzugsweise aus einem Linienscanner und/oder Laserscanner und/oder Laser-Linienscanner.
  • Vorteilhaft ist es, wenn bei der Durchführung des Verfahrens der 3D-Sensor von einem Industrieroboter positioniert wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt
    • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts mit einem 3D-Sensor, der an einem Industrieroboter befestigt ist, und sechs Zeilensensoren, von denen jeweils drei rechtwinkelig zueinander angeordnet sind und von denen jeweils zwei parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnet sind, in einer perspektivischen Darstellung,
    • 2 die Vorrichtung nach 1 in einer weiteren perspektivischen Darstellung aus einer höheren Perspektive,
    • 3 den 3D-Sensor in einer perspektivischen Ansicht von schräg hinten oben,
    • 4 den 3D-Sensor gemäß 3 in einer perspektivischen Ansicht von schräg vorne unten,
    • 5 einen Teil von drei Liniensensoren in einer perspektivischen Darstellung und
    • 6 einen Teil eines Liniensensors in einer vergrößerten perspektivischen Darstellung.
  • Die in 1 und 2 gezeigte Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts umfasst einen Industrieroboter 1, der mehrere bewegliche Arme umfasst, einen 3D-Sensor 2, der an dem äußersten Arm des Industrieroboters 1 lösbar befestigt ist, und sechs Zeilensensoren 3, 4, 5, 6, 7, 8, die vorrichtungsfest angeordnet sind. Die Zeilensensoren 3, 4, 5 sind jeweils rechtwinkelig zueinander angeordnet. Der Zeilensensor 3 bildet die x-Achse, der Zeilensensor 4 bildet die y-Achse und der Zeilensensor 5 bildet die z-Achse. Die Zeilensensoren 3 und 4 verlaufen jeweils in horizontaler Richtung, der Zeilensensor 5 verläuft in vertikaler Richtung.
  • Die Zeilensensoren 6, 7, 8 verlaufen ebenfalls jeweils rechtwinkelig zueinander. Der Zeilensensor 6 bildet die x-Achse. Er verläuft parallel zu und im Abstand von dem Zeilensensor 3 in horizontaler Richtung in derselben Höhe wie der Zeilensensor 3.
  • Der Zeilensensor 7 bildet die y-Achse. Er verläuft parallel zu und im Abstand von dem Zeilensensor 4 in horizontaler Richtung in derselben Höhe wie der Zeilensensor 4. Der Zeilensensor 8 bildet die z-Achse. Er verläuft in vertikaler Richtung parallel zu und im Abstand von dem Zeilensensor 5.
  • Wie insbesondere aus 3 und 4 ersichtlich weist der 3D-Sensor 2 einen Projektor 9 zum Projizieren eines Musters, nämlich eines Streifenmusters, auf ein zu vermessendes Objekt (in der Zeichnung nicht dargestellt) und eine Kamera 10 zum Aufnehmen des Objekts auf. An dem 3D-Sensor 2 sind ferner sechs Ebenen-Projektoren 12, 13, 14, 15, 16, 17 angebracht. Der Ebenen-Projektor 12 erzeugt die Lichtebene S1, die in der Stellung des 3D-Sensors 2 gemäß 1 und 2 im wesentlichen parallel zur vertikalen y-z-Ebene verläuft. Der Ebenen-Projektor 15 erzeugt eine Lichtebene, die parallel zu und im Abstand von der Lichtebene S1 verläuft. Der Ebenen-Projektor 13 erzeugt die Lichtebene S2, die in der Stellung des 3D-Sensors 2 gemäß 1 und 2 im wesentlichen parallel zur vertikalen x-z-Ebene verläuft. Der Ebenen-Projektor 16 erzeugt eine Lichtebene, die parallel zu und im Abstand von der Lichtebene S2 verläuft. Der Ebenen-Projektor 14 erzeugt eine Lichtebene S3, die in der Stellung des 3D-Sensors 2 gemäß 1 und 2 im wesentlichen parallel zur horizontalen x-y-Ebene verläuft. Der Ebenen-Projektor 17 erzeugt eine Lichtebene, die parallel zu und im Abstand von der Lichtebene S3 verläuft.
  • Die in 5 und 6 vergrößert gezeigten Zeilensensoren 3, 4, 5 umfassen jeweils ein Befestigungselement 18 und längs einer geraden Linie regelmäßig angeordnete lichtempfindliche Sensorelemente 19. Die Sensorelemente 19 können als CCD-Elemente oder CMOS-Elemente ausgebildet sein. Die Befestigungselemente 18 sind als Leisten mit einem U-förmigen Profil ausgebildet. Die Sensorelemente 19 sind an den Innenseiten der Basis der Befestigungselemente 18 angeordnet. Sie sind einzeln auslesbar.
  • Im Betrieb wird der 3D-Sensor 2 von dem Roboter 1 an einer geeigneten Stelle positioniert. Das Objekt wird mit Licht aus der Projektionseinrichtung 9 bestrahlt, nämlich mit einem Streifenmuster. Das Objekt wird von der Kamera 10 aufgenommen. Die Aufnahmen werden von einer geeigneten Auswerte-einrichtung verarbeitet. Bei der Auswerteeinrichtung kann es sich um einen Computer, insbesondere einen PC handeln. Die Auswerteeinrichtung kann eine Speichereinrichtung aufweisen. Sie verarbeitet die von der Kamera 10 aufgenommenen Bilder zu 3D-Koordinaten. Die 3D-Koordinaten können angezeigt und/oder gespeichert und/oder weiterverarbeitet werden.
  • Zur Bestimmung der Lage und Orientierung des 3D-Sensors 2 dienen die Ebenen-Projektoren 12-17 und die Zeilensensoren 3-8. Die von den Ebenen-Projektoren 12, 13, 14 erzeugten Lichtebenen S1, S2, S3 schneiden die Zeilensensoren 3, 4, 5 an bestimmten Punkten, die von den Sensorelementen 19 des jeweiligen Zeilensensors 3, 4, 5 ermittelt werden. Gleichzeitig schneiden die Lichtebenen S1, S2, S3 auch die Zeilensensoren 6, 7, 8 an bestimmten, von den jeweiligen Sensorelementen 19 angezeigten Punkten. Im Idealfall erzeugt jede Lichtebene S1, S2, S3 auf den Zeilensensoren 3, 4, 5 jeweils drei Schnittpunkte, insgesamt also neun Schnittpunkte. In derselben Weise erzeugen die Lichtebenen S1, S2, S3 im Idealfall auf den weiteren Zeilensensoren 5, 7, 8 jeweils drei Schnittpunkte, insgesamt also weitere neun Schnittpunkte. Durch Verschattungen und andere Effekte kann sich die ideale Anzahl der insgesamt achtzehn Schnittpunkte verringern.
  • Die weiteren Ebenen-Projektoren 15, 16, 17 erzeugen weitere Schnittpunkte mit den Zeilensensoren 3, 4, 5 und 6, 7, 8. Hierdurch ergeben sich im Idealfall weitere achtzehn Schnittpunkte. Die tatsächliche Anzahl der Schnittpunkte kann sich durch Abschattungen und sonstige Effekte vermindern.
  • Insgesamt werden im Idealfall sechsunddreißig Schnittpunkte erzeugt. Es bleiben allerdings in jedem Fall so viele tatsächliche Schnittpunkte, dass daraus die drei Lagekoordinaten und die drei Orientierungskoordinaten des 3D-Sensors 2 berechnet und ermittelt werden können. Auf diese Weise ist eine absolute Registrierung der 3D-Koordinaten des Objekts möglich.
  • Durch die Erfindung wird ein übergeordnetes System zur globalen Registrierung der 3D-Koordinaten eines Objekts geschaffen, welches die Position und Orientierung eines 3D-Sensors mit der erforderlichen Genauigkeit im gesamten Messbereich schnell und sicher ermitteln kann. Der Messbereich wird durch die Anordnung der Zeilensensoren bestimmt. Das System ist in einer industriellen Umgebung einsetzbar. Es ist in der Lage, die globale Registrierung der 3D-Koordinaten mit der erforderlichen Genauigkeit zu bewirken. Insbesondere kann eine Genauigkeit von +/- 15 µm bei einem Arbeitsabstand von 500 mm bis 900 mm erreicht werden.
  • Um die Position und Richtung bzw. Orientierung eines 3D-Sensors im Raum eindeutig zu beschreiben ist die Kenntnis der Position des 3D-Sensors im Raum in Relation zu einem Koordinatensystem erforderlich. Bei dem Koordinatensystem handelt es sich vorzugsweise um ein kartesisches Koordinatensystem. Vorteilhaft ist es, wenn zur Redundanz zwei parallel versetzte Koordinatensysteme aufgespannt werden. Ferner ist die Kenntnis des Winkelversatzes der Koordinatenachsen des 3D-Sensors in Bezug zu den entsprechenden Achsen des Koordinatensystems erforderlich. Durch die Bestimmung der Lage von drei Ebenen, welche mit dem Sensor verbunden sind und welche von den Ebenen-Projektoren aufgespannt werden, kann die Lage und Orientierung des 3D-Sensors ermittelt werden. Vorzugsweise werden mehr als drei Ebenen verwendet, so dass durch Ausnutzung der Redundanz eine höhere Genauigkeit der Positions- und Lageermittlung erreicht werden können. Ferner kann dadurch der Abschattungsproblematik durch die Handhabungsachsen entgegengewirkt werden.
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009032262 A1 [0002]
    • DE 102011011360 A1 [0003]
    • DE 102014012203 A1 [0004]

Claims (12)

  1. 3D-Sensor (2) für eine Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts, umfassend mindestens eine Kamera (10, 11) und mindestens drei Ebenen-Projektoren (12, 13, 14, 15, 16, 17).
  2. 3D-Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Projektor (9) zum Projizieren eines Musters auf das Objekt.
  3. 3D-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Scanner.
  4. 3D-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Sensor (2) drei oder sechs Ebenen-Projektoren (12, 13, 14, 15, 16, 17) aufweist.
  5. 3D-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von jeweils drei Ebenen-Projektoren (12, 13, 14, 15, 16, 17) projizierten Lichtebenen (S1, S2, S3) senkrecht zueinander verlaufen.
  6. 3D-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere oder alle Ebenen-Projektoren (12, 13, 14, 15, 16, 17) als Laser-Ebenen-Projektoren ausgebildet sind.
  7. Vorrichtung zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts, umfassend einen 3D-Sensor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und mehrere Zeilensensoren (3, 4, 5, 6, 7, 8), die jeweils in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch drei oder sechs Zeilensensoren (3, 4, 5, 6, 7, 8).
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils drei Zeilensensoren (3, 4, 5, 6, 7, 8) rechtwinkelig zueinander verlaufen.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch einen Industrieroboter (1) zum Positionieren des 3D-Sensors (2).
  11. Verfahren zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem das Objekt von der mindestens einen Kamera (10, 11) aufgenommen wird, die Schnittpunkte der Licht-Ebenen (S1, S2, S3) mit den Zeilensensoren (3, 4, 5, 6, 7, 8) bestimmt werden und daraus die Lage und Orientierung des 3D-Sensors (2) bestimmt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Sensor (2) von dem Industrieroboter (1) positioniert wird.
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