DE102016119098A1

DE102016119098A1 - 3D-Scannvorrichtung und 3D-Scanverfahren

Info

Publication number: DE102016119098A1
Application number: DE102016119098.5A
Authority: DE
Inventors: Dong Hoon Lee; Kang Hoon Chung
Original assignee: 3D Systems Korea Inc
Current assignee: 3D Systems Korea Inc
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2017-07-27
Also published as: JP2017134050A; KR20170089079A; CN106996752A; KR101811696B1; US9835443B2; US20170211930A1

Abstract

Beschrieben werden eine 3D-Scanvorrichtung und ein 3D-Scanverfahren. Die 3D-Scannvorrichtung enthält einen Drehtisch, der 360° um eine drehbare Welle drehbar ist, so dass das Zielobjekt gedreht wird, einen 3D-Scanner, der dafür vorgesehen ist, 3D-Scandaten des Zielobjekts durch Scannen des Zielobjekts auf dem Drehtisch zu ermitteln, und eine Steuerung, die dafür ausgelegt ist, einen Drehbetrieb des Drehtisches und einen Scanbetrieb des 3D-Scanners so zu steuern, dass der Drehtisch um 360° gedreht wird, der 3D-Scanner betrieben wird, um das Zielobjekt bei jedem Drehwinkelschritt des Drehtisches zu scannen und zusätzlich den nicht vermessenen Abschnitt zu vermessen, indem ein nicht gemessener Abschnitt des Zielobjekts erkannt wird

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und die Vorteile der koreanischen Patentanmeldung Nr. 2016-0008792 , eingereicht am 25. Januar 2016, deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Hintergrund
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine 3D-Scanvorrichtung, welche die Gestalt eines Zielobjekts mittels eines 3D-Scanners erfasst, während das Zielobjekt gedreht wird.
2. Diskussion von Stand der Technik
Die Arbeit des Ausmessens eines vorhandenen Gegenstands und das Produzieren von 3D-Scandaten werden als 3D-Scannen bezeichnet. Im Allgemeinen wird beim 3D-Scannen ein Zielobjekt auf einen rotierbaren Drehtisch gestellt und dann mit einem 3D-Scanner gescannt, während der Drehtisch um volle 360 Grad gedreht wird. So werden 3D-Scandaten produziert.
In der koreanischen Patentveröffentlichung Nr. 10-2014-0002270 wird ein Montagegestell für einen 3D-Scanner offenbart, das eine Rahmenkomponente für ein Fahrzeug fixiert und es ermöglicht, dass die Rahmenkomponente gescannt wird, während die Rahmenkomponente gedreht wird. Auch das koreanische Patent Nr. 10-1477185 offenbart eine 3D-Scannerplattform und eine 3D-Scanvorrichtung mit derselben, bei welcher ein Zielobjekt auf die Scannerplattform gestellt und dann dreidimensional von dem Scanner gescannt wird, während sich die Scannerplattform dreht.
Bei den 3D-Scanverfahren nach den vorstehend beschriebenen Veröffentlichungen zum Stand der Technik werden Messdaten des Zielobjekts in verschiedenen Richtungen mittels des Scanners erhalten und gesammelt, während das Zielobjekt gedreht wird, um die gesamte Gestalt des Zielobjekts zu vermessen. Um dabei die kompletten Messdaten des Zielobjekts zu erhalten, wenn das Zielobjekt gescannt wird, während es um 360° gedreht wird, sollte ein Drehwinkelschritt des Zielobjekts sehr klein gewählt werden und das Zielobjekt sollte in so vielen Richtungen (unter so vielen Winkeln) gescannt werden. Da in diesem Fall jedoch die Menge der Messdaten erheblich vergrößert wird und die Messzeit auch erhöht wird, ist es praktisch unmöglich die kompletten Messdaten des Zielobjekts zu erhalten.
Wenn das Zielobjekt mittels eines allgemeinen 3D-Scanverfahrens gescannt wird, kann deshalb ein Abschnitt des Zielobjekts auftreten, der nicht vermessen wird. Deshalb sollte ein Anwender ein Messresultat mit bloßem Auge überprüfen, sollte einen Abschnitt, der eine zusätzliche Vermessung notwendig macht, finden und dann eine zusätzliche Messung durchführen.
Kurzfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein 3D-Scanverfahren, bei dem keine zusätzliche Messung eines Zielobjekts durchgeführt werden muss, das die Messzeit reduzieren kann, obwohl das Zielobjekt präzise vermessen wird.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine 3D-Scanvorrichtung mit einem Drehtisch vorgesehen, auf den ein Zielobjekt gestellt wird und der 360° um eine drehbare Welle drehbar ist, so dass das Zielobjekt gedreht wird, ein 3D-Scanner in einer Position installiert, die einen vorgegebenen Abstand von dem Drehtisch hat, und dafür vorgesehen ist, 3D-Scandaten des Zielobjekts durch Scannen des Zielobjekts auf dem Drehtisch zu gewinnen, und eine Steuerung, die dazu dient, eine Drehbewegung des Drehtisches und einen Scanvorgang des 3D-Scanners zu steuern, so dass der Drehtisch um 360 Grad gedreht wird, der 3D-Scanner betrieben wird, damit er das Zielobjekt unter jedem Drehwinkel des Drehtisches scannt, und zusätzlich den nicht gemessenen Abschnitt vermisst, indem ein nicht vermessener Abschnitt des Zielobjekts, der nicht von dem 3D-Scanner vermessen wurde, erkannt wird.
Die Steuerung kann enthalten ein Scandatenintegrationsteil, das die 3D-Scandaten des Zielobjekts, die von dem 3D-Scanner geliefert wurden, integriert, ein nicht-gemessenen Abschnitt Erkennungsteil, das die nicht gemessenen Abschnitte des Zielobjekts basierend auf einem Ergebniswert von dem Scandatenintegrationsteil erkennt, und ein Positionskorrekturteil, das relative Positionsinformation zwischen dem 3D-Scanner und dem Drehtisch sowie Drehwinkelinformation des Drehtisches erfasst und den Drehwinkel des Drehtisches in Bezug auf den 3D-Scanner anpasst, so dass dieser dem nicht gemessenen Abschnitt entspricht, der von dem nicht-gemessenen Abschnitt Erkennungsteil ermittelt wurde.
Das nicht-gemessener Abschnitt Erkennungsteil kann eine Grenzlinie zwischen einem gescannten Abschnitt und einem nicht-gescannten Abschnitt in den Scandaten erkennen und kann als die Grenzlinie eine der drei Seiten eines Dreiecksgitters, die kein angrenzendes Dreieck hat, in den Scandaten bestimmen.
Die Steuerung kann zusätzlich ein Scanrichtungserkennungsteil enthalten, das Normalrichtungen von den Grenzlinien des nicht vermessenen Abschnitts berechnet, eine durchschnittliche Richtung der Normalrichtungen berechnet, die Grenzlinien der nicht vermessenen Abschnitte auf eine virtuelle Scandatenprojektionsflächen in der durchschnittlichen Richtung projiziert, ein Gebiet berechnet, das von den Grenzlinien auf der Scandatenprojektionsfläche definiert ist und dann den berechneten Wert als einen Anfangswert ansetzt, eine Richtung, in der die Grenzlinien der Scandatenprojektionsfläche eine Maximalfläche umgeben, berechnet, während die Scandaten des nicht vermessenen Abschnitts und die drehbare Welle des Drehtisches virtuell gedreht werden, und dann die berechnete Richtung als eine Scanrichtung vorgibt. Das Positionskorrekturteil den Drehtisch in die Scanrichtung drehen, die von dem Scanrichtungsunterscheidungsteil berechnet wurde, und der 3D-Scanner kann zusätzlich das Zielobjekt in der Scanrichtung messen.
Die Steuerung kann zusätzlich ein Operationsvervollständigungserkennungsteil enthalten, das einen vorgegebenen Wert, der von einem Benutzer definiert wurde, mit einem Differenzwert zwischen einem projizierten Gebiet der Grenzlinien, die vor der zusätzlichen Messung berechnet wurden, und einem projizierten Gebiet der Grenzlinien, die nach der zusätzlichen Messung berechnet wurden, vergleicht und erkennt, ob der Scanvorgang abgeschlossen ist.
Zusätzlich kann der 3D-Scanner ein beweglicher Scanner sein, der an einen Roboterarm angeschlossen ist, und das Positionskorrekturteil kann die Position des Roboterarms basierend auf der Scanrichtung korrigieren, die von dem Scanrichtungserfassungsteil berechnet wurde.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein 3D-Scanverfahren bereitgestellt mit a) Gewinnen von 3D-Scandaten durch Scannen des Zielobjekts mittels eines 3D-Scanners, während ein Drehtisch um 360° gedreht wird, nachdem ein Zielobjekt auf dem Drehtisch platziert wurde; b) Integrieren der 3D-Scandaten des Zielobjekts, die von dem 3D-Scanner erhalten wurden; c) Erkennen eines nicht gemessenen Abschnitts des Zielobjekts durch Ermitteln einer Grenzlinie zwischen einem gescannten Abschnitt und einem nicht gescannten Abschnitt in einem Ergebniswert der integrierten Scandaten; d) Anpassen eines Drehwinkels des Drehtisches in Bezug auf den 3D-Scanner, so dass dieser dem nicht gemessenen Abschnitt des Zielobjekts entspricht; und e) Erhalten von zusätzlichen Scandaten durch zusätzliches Scannen des Zielobjekts mittels des 3D-Scanners.
In dem Schritt c) kann die Grenzlinie in den Scandaten als eine von drei Seiten einer dreieckigen Masche definiert sein, die kein angrenzendes Dreieck hat, und basierend auf der Grenzlinie kann ein Abschnitt, in dem das Dreiecksgitter nicht existiert, als nicht gemessener Abschnitt der Scandaten erkannt werden.
In dem Schritt d) können Normalrichtungen von den Grenzlinien des nicht gemessenen Abschnitts berechnet werden, eine durchschnittliche Richtung der Normalrichtungen kann berechnet werden, die Grenzlinien des nicht gemessenen Abschnitts können auf eine virtuelle Scandatenprojektionsfläche in der durchschnittlichen Richtung projiziert werden, eine von den Grenzlinien der Scandatenprojektionsfläche definierte Fläche kann berechnet werden, der berechnete Wert kann als ein Anfangswert gesetzt werden, eine Richtung, in der die Grenzlinien der Scandatenprojektionsfläche eine maximale Fläche haben, kann erhalten werden, während die Scandaten des nicht gemessenen Abschnitts virtuell um die drehbare Welle des Drehtischs rotiert werden, die erhaltene Richtung kann als eine Scanrichtung vorgegeben werden und der Drehtisch in die vorgegebene Scanrichtung gedreht werden.
Das 3D-Scanverfahren kann zusätzlich beinhalten, ein Vergleichen eines vorgegebenen Wertes, der von einem Benutzer definiert wurde, mit einem Differenzwert zwischen einer projizierten Fläche der Grenzlinien, die vor der zusätzlichen Messung des Schritts e) berechnet wurden, und einer projizierten Fläche der Grenzlinien, die nach der zusätzlichen Messung des Schritts e) berechnet wurden. Als ein Vergleichsergebnis kann, wenn der Differenzwert weniger als der vorgegebene Wert ist, bestimmt werden, dass der Scanvorgang abgeschlossen ist, und wenn der Differenzwert gleich wie oder mehr als der vorgegebene Wert ist, kann der Schritt e) zusätzlich durchgeführt werden.
Zudem kann der 3D-Scanner ein beweglicher Scanner sein, der an einen Roboterarm angeschlossen ist, und in dem Schritt d) kann das Positionskorrekturteil die Position des Roboterarms basierend auf der von dem Scanrichtungserkennungsteil berechneten Scanrichtung korrigieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden und anderen Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute besser verständlich, indem Ausführungsbeispiele derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben werden. Es zeigen:
1 eine Ansicht, die exemplarisch eine erfindungsgemäße 3D-Scanvorrichtung veranschaulicht,
2 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen 3D-Scanvorrichtung zeigt,
3 ein Ablaufdiagramm, das schematisch eine Abfolge von Schritten in einem erfindungsgemäßen 3D-Scanverfahren zeigt, und
4a bis 4g schematische Ansichten, um den Ablauf des erfindungsgemäßen 3D-Scanverfahrens zu erläutern.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Ausführungsbeispielen gezeigt und beschrieben wird, ist für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.
Gemäß 1 und 2 weist eine erfindungsgemäße 3D-Scanvorrichtung einen Drehtisch 10 auf, auf dem ein Zielobjekt 20 platziert wird, einen 3D-Scanner 30, der das Zielobjekt 20 auf dem Drehtisch 10 scannt, und eine Steuerung 100, die den Betrieb des Drehtisches 10 und des 3D-Scanners 30 steuert.
Der Drehtisch 10 hat einen flachen Träger, auf dem das Zielobjekt 20 platziert wird. Der Träger ist dafür vorgesehen, um eine drehbare Welle 360° gedreht zu werden. Anstelle des Drehtisches 10 kann auch eine mehrachsige Vorrichtung verwendet werden, um das Zielobjekt 20 zu tragen, beispielsweise eine Schwenkneige.
Der 3D-Scanner 30 ist in einer Position installiert, die von dem Drehtisch 10 einen vorgegebenen Abstand hat, und scannt das Zielobjekt 20, das auf dem von dem Drehtisch 10 bereitgestellten Träger platziert ist, wodurch 3D-Scandaten des Zielobjekts 20 gewonnen werden. Dabei kann der 3D-Scanner 30 ein stationärer Scanner sein, der in einer Position fixiert ist, die einen vorgegebenen Abstand von dem Drehtisch 10 hat. Alternativ kann der 3D-Scanner 30 ein beweglicher Scanner sein, der an einem beweglichen Roboterarm montiert ist, der einen vorgegebenen Abstand von dem Drehtisch 10 hat.
Die Steuerung 100 kann als ein Computergerät ausgebildet sein, das Prozessoren enthält, die eine Reihe von Prozessen zum Scannen des Zielobjekts 20 durchführen. Das Computergerät kann ein Arbeitsplatzrechner, ein Server, ein Laptop, ein Großrechner, ein PDA, ein Cluster, eine virtuelle Vorrichtung oder eine andere Computervorrichtung sein, welche die Prozessoren unterstützen kann.
Die Steuerung 100 steuert dabei den Drehbetrieb des Drehtisches 10 und den Scanbetrieb des 3D-Scanners 30. Wenn der Scanbetrieb beginnt, dreht die Steuerung 100 den Drehtisch 10 um 360°. Zur selben Zeit steuert die Steuerung 100 den Betrieb des 3D-Scanners 30, um das Zielobjekt 20 bei jedem der Drehwinkelschritte des Drehtisches 10 zu scannen. Beispielsweise kann der 3D-Scanner das Zielobjekt 20 immer dann scannen, wenn der Drehtisch 10 um jeweils 10° gedreht wurde und so insgesamt 36 Scandaten erhalten.
Die Steuerung 100 erkennt einen nicht-vermessenen Abschnitt des Zielobjekts 20, der nicht vermessen worden ist, und kontrolliert dann den Drehbetrieb des Drehtisches 10 und den Scanbetrieb des 3D-Scanners 30, um den nicht gemessenen Abschnitt basierend auf dem erkannten Resultat zusätzlich zu messen oder zu scannen. Somit kann die erfindungsgemäße 3D-Vorrichtung präzise 3D-Scandaten gewinnen, indem die gesamte Gestalt des Zielobjekts 20 vermessen wird, während das Zielobjekt 20 um 360° gedreht wird und dann der nicht vermessene Abschnitt gefunden und die zusätzliche Messung durchgeführt wird.
Im Einzelnen enthält die Steuerung 100 ein Scandatenintegrationsteil 110, ein nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120, ein Positionskorrekturteil 130, ein Scanrichtungserkennungsteil 140 und ein Operationsabschlusserkennungsteil 150.
Das Scandatenintegrationsteil 110 dient dazu, die 3D-Scandaten des Zielobjekts 20 zu integrieren, die von dem 3D-Scanner 30 erhalten wurden, und die Scandaten zu erhalten, die die gesamte Gestalt des Zielobjekts 20 angeben. Das Verfahren des Integrierens der Scandaten kann eines der wohlbekannten Integrationsverfahren sein.
Das nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 erkennt den nicht gemessenen Abschnitt des Zielobjekts 20, d. h. einen Abschnitt desselben, der nicht gescannt wurde, basierend auf einem Ergebniswert, der von dem Scandatenintegrationsteil 110 erhalten wurde, d. h. den Scandaten für die gesamte Gestalt des Zielobjekts 20.
Das nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 erkennt eine Grenzlinie B (siehe 4a) zwischen einem gescannten Abschnitt und einem nicht gescannten Abschnitt in Scandaten, die von dem Scandatenintegrationsteil 110 integriert wurden. Dann werden in den integrierten Scandaten Daten des gescannten Abschnitts durch eine Ansammlung von dreieckigen Maschen M angezeigt und der nicht gescannte Abschnitt ist durch leeren Raum angegeben. Das nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 bestimmt als Grenzlinie B in den Scandaten eine von drei Seiten einer dreieckigen Masche, die kein angrenzendes Dreieck hat.
Deshalb bestimmt das nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 einen Abschnitt, in dem das Dreiecksgitter M vorhanden ist, als den gescannten Abschnitt (O) und bestimmt einen Abschnitt, in dem das Dreiecksgitter M nicht vorhanden ist, als den nicht gescannten Abschnitt (X) basierend auf der Grenzlinie B.
Das Positionskorrekturteil 130 erhält relative Positionsinformation zwischen dem 3D-Scanner 30 und dem Drehtisch 10 sowie Drehwinkelinformation des Drehtisches 10. Die relative Positionsinformation und die Drehwinkelinformation werden verwendet, um die gescannten Daten in einem Koordinatenraum auszurichten. Dabei kann die relative Positionsinformation zwischen dem 3D-Scanner 30 und dem Drehtisch 10 durch ein wohl bekanntes Verfahren, beispielsweise Kalibration, erhalten werden.
Zudem passt das Positionskorrekturteil 130 den Drehwinkel des Drehtisches 10 in Bezug auf den 3D-Scanner 30 an, so dass dieser dem nicht gemessenen Abschnitt entspricht, der von dem nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 ermittelt wurde. Das Positionskorrekturteil 130 stellt somit den Drehwinkel des Drehtisches 10 so ein, dass der 3D-Scanner 30 auf den nicht gemessenen Abschnitt des Zielobjekts 20 ausgerichtet ist.
Das Scanrichtungserkennungsteil 140 berechnet Normalrichtungen N von der Grenzlinie B des nicht gemessenen Abschnitts (X) der Scandaten, die von dem nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 ermittelt wurde. In 4b ist jede der Normalrichtungen N durch einen Pfeil angezeigt und als eine Richtung definiert, die von einer bestimmten Position der Scandaten zu einer Außenseite des Zielobjekts 20 gerichtet ist. Zudem berechnet das Scanrichtungserkennungsteil 140 die durchschnittliche Richtung der Normalrichtungen N.
Gemäß 4c projiziert das Scanrichtungserkennungsteil 140 die Grenzlinien B des nicht vermessenen Abschnitts (X) in der durchschnittlichen Richtung der Normalrichtungen N auf eine virtuelle Scandatenprojektionsfläche P, berechnet eine Fläche (eine Fläche des nicht vermessenen Abschnitts), die von den Grenzlinien B auf der virtuellen Scandatenprojektionsfläche P definiert ist, und setzt dann den berechneten Wert als Anfangswert an. Unter der Annahme, dass die durchschnittliche Richtung der Normalrichtungen N von einem gescannten Abschnitt basierend auf Information (Grenzlinieninformation) des nicht vermessenen Abschnitts (X), der von dem nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 erkannt wird, eine Richtung ist, in welche der 3D-Scanner gebracht werden kann, setzt also das Scanrichtungserkennungsteil 140 die virtuelle Scandatenprojektionsfläche P zwischen den virtuellen 3D-Scanner 30 und das Zielobjekt 20 und berechnet dann die Fläche, die von den Grenzlinien der Scandaten definiert wird, die auf die Scandatenprojektionsfläche P projiziert wurden. In 4c ist das mit dem Bezugszeichen 20 versehene Zielobjekt kein echter Gegenstand, sondern ein Objekt, das durch die gescannten Daten schematisiert ist. 4d zeigt einen Zustand, in dem die Scandaten auf die virtuelle Scandatenprojektionsfläche projiziert werden. Die von der Grenzlinie B definierte Fläche ist ein Sollwert.
Zudem berechnet das Scanrichtungserkennungsteil 140 eine Richtung, in der die Grenzlinien B auf der Scandatenprojektionsfläche P eine maximale Fläche begrenzen, während die Scandaten des nicht vermessenen Abschnitts (X) virtuell um die drehbare Welle des Drehtisches 10 rotiert werden, und setzt dann die berechnete Richtung als eine Scanrichtung SD fest. Wenn die Scanrichtung SD vorgegeben ist, dreht das Positionskorrekturteil 130 den Drehtisch 10 in die Scanrichtung SD, die von dem Scanrichtungserkennungsteil 140 (siehe 4e) festgelegt wurde, und der 3D-Scanner 30 vermisst zusätzlich das Zielobjekt 20 in der Scanrichtung.
Wenn der 3D-Scanner 30 der an den Roboterarm angeschlossene bewegliche Scanner ist, korrigiert zudem das Positionskorrekturteil 130 zusätzlich die Position des Roboterarms basierend auf der Scanrichtung SD, die von dem Scanrichtungserkennungsteil 140 berechnet wurde. In diesem Zustand kann der 3D-Scanner 30 dann das Zielobjekt zusätzlich vermessen.
Das Operationsvervollständigungsteil 150 vergleicht einen vorgegebenen Wert, der von einem Benutzer zuvor definiert wurde, mit einem Differenzwert zwischen der projizierten Fläche der Grenzlinien des nicht vermessenen Abschnitts, die vor der zusätzlichen Messung des 3D-Scanners 30 berechnet wurden, und der projizierten Fläche der Grenzlinien des nicht gemessenen Abschnitts, die nach der zusätzlichen Messung des 3D-Scanners 30 berechnet wurden, und erkennt, ob eine Scanoperation vollständig ist. Dabei bestimmt das Operationsvervollständigungserkennungsteil 150, wenn der Differenzwert weniger als der vorgegebene Wert beträgt, dass der Scanvorgang beendet ist, und, wenn der Differenzwert gleich oder mehr als der vorgegebene Wert beträgt, ermöglicht die Durchführung des zusätzlichen Scanvorgangs.
Wie vorstehend beschrieben kann die erfindungsgemäße 3D-Scanvorrichtung den nicht vermessenen Abschnitt des Zielobjekts finden, eine Reihe von Vorgängen zum zusätzlichen Vermessen des nicht vermessenen Abschnitts durchführen und somit in kurzer Zeit eine präzise Messung durchführen.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes 3D-Scanverfahren unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Wenn das Zielobjekt 20 auf den Drehtisch 10 platziert ist und der Scanvorgang beginnt, scannt die Steuerung 100 zunächst das Zielobjekt 20 mittels des 3D-Scanners 30, während der Drehtisch 10 um 360° gedreht wird, und erhält die 3D-Scandaten des Zielobjekts (S100). Der Scanbetrieb des 3D-Scanners 30 und der Drehbetrieb des Drehtisches 10 werden dabei von der Steuerung 100 gesteuert und der 3D-Scanner 30 scannt das Zielobjekt 20 bei jedem der Drehwinkelschritte des Drehtisches 10 und erhält mehrere 3D-Scandaten.
Das Scandatenintegrationsteil 110 der Steuerung 100 integriert dann die 3D-Scandaten des Zielobjekts 20, die von dem 3D-Scanner 30 ermittelt wurden, und ermittelt die Scandaten für die gesamte Gestalt des Zielobjekts 20 (S200).
Das nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 der Steuerung 100 ermittelt dann die Grenzlinie B zwischen dem gescannten Abschnitt (O) und dem nicht gescannten Abschnitt (X) in dem Ergebniswert, der von dem Scandatenintegrationsteil 110 ermittelt wurde, und erkennt den nicht vermessenen Abschnitt des Zielobjekt 20 (S300). Das heißt, dass das nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 den nicht vermessenen Abschnitt (X) des Zielobjekts 20 erkennt, mit anderen Worten, den Abschnitt, der nicht gescannt wurde, basierend auf den Scandaten für die gesamte Gestalt des Zielobjekts 20.
Das nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 erkennt dabei die Grenzlinie B zwischen dem gescannten Abschnitt und dem nicht gescannten Abschnitt in den Scandaten, die von dem Scandatenintegrationsteil 110 integriert wurden. Dann werden in den integrierten Scandaten Daten des gescannten Abschnitts (0) durch eine Ansammlung von dreieckigen Maschen M angedeutet und der nicht vermessene Abschnitt (X) durch einen leeren Raum angedeutet. Das nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 ermittelt dabei als Grenzlinie B in den Scandaten eine von drei Seiten einer dreieckigen Masche, die kein angrenzendes Dreieck hat. Deshalb bestimmt das nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 den Abschnitt, in dem das Dreiecksgitter M vorhanden ist, als den gescannten Abschnitt (O) und ermittelt den Abschnitt, in dem das Dreiecksgitter M nicht vorhanden ist, als den nicht gescannten Abschnitt (X) basierend auf der Grenzlinie B.
Wenn der nicht vermessene Abschnitt (X) des Zielobjekts 20 von dem nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 erkannt worden ist, stellt das Positionskorrekturteil 130 der Steuerung 100 den Drehwinkel des Drehtisches 10 in Bezug auf den 3D-Scanner 30 so ein, dass dieser dem nicht vermessenen Abschnitt (X) des Zielobjekts 20 (S400) entspricht. Das bedeutet, dass das Positionskorrekturteil 130 den Drehwinkel des Drehtisches 10 so einstellt, dass der 3D-Scanner 30 auf den nicht vermessenen Abschnitt (X) des Zielobjekts 20 ausgerichtet ist.
Das Scanrichtungserkennungsteil 140 projiziert dann die Grenzlinien B des nicht vermessenen Abschnitts (X) auf eine virtuelle Scandatenprojektionsfläche P in der durchschnittlichen Richtung der Normalrichtungen N, berechnet eine Fläche (eine Fläche des nicht vermessenen Abschnitts), die von den Grenzlinien B auf der Scandatenprojektionsfläche P begrenzt ist, und setzt dann den berechneten Wert als einen Anfangswert an. Unter der Annahme, dass die durchschnittliche Richtung der Normalrichtungen N von einem gescannten Abschnitt basierend auf Informationen (Grenzlinieninformationen) des nicht vermessenen Abschnitts (X), der von dem nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 erkannt wurde, die Richtung ist, in welcher der 3D-Scanner angeordnet sein kann, setzt dann das Scanrichtungserkennungsteil 140 die virtuelle Scandatenprojektionsfläche P zwischen den virtuellen 3D-Scanner 30 und das Zielobjekt 20 und berechnet eine Fläche, die von den Grenzlinien der Scandaten begrenzt ist, die auf die Scandatenprojektionsfläche P projiziert wurden.
Zudem berechnet das Scanrichtungserkennungsteil 140 die Richtung, in der die Grenzlinien B auf der Scandatenprojektionsfläche P maximale Fläche haben, während die Scandaten des nicht vermessenen Abschnitts (X) virtuell um die drehbare Welle des Drehtisches 10 rotiert werden, und gibt dann die berechnete Richtung als eine Scanrichtung SD vor. Wenn die Scanrichtung SD vorgegeben ist, dreht das Positionskorrekturteil 130 den Drehtisch 10 in die Scanrichtung SD, die von dem Scanrichtungserkennungsteil 140 vorgegeben wurde.
Die Steuerung 100 scannt dann zusätzlich das Zielobjekt 30 unter Verwendung des 3D-Scanners 30 und erhält die zusätzlichen Scandaten (S500). Der 3D-Scanner 30 misst dann zusätzlich das Zielobjekt 20 in der Scanrichtung SD, die von dem Scanrichtungserkennungsteil 140 vorgegeben wurde.
Wenn CAD-Daten für das Zielobjekt, das gescannt werden soll, vorhanden sind, kann der nicht vermessene Abschnitt der Scandaten derweil während des Scanvorgangs unter Verwendung der entsprechenden CAD-Daten erkannt werden. 4f zeigt die CAD-Daten und 4g zeigt einen Zustand, in dem die ermittelten Scandaten mit den CAD-Daten zur Deckung gebracht werden. In 4g entspricht ein Gebiet, das mit dem Bezugszeichen X versehen ist, dem nicht vermessenen Abschnitt, für den keine Scandaten vorliegen. Ein Anfangswert der Scanrichtung wird mit einem Durchschnittswert der Normalrichtungen des CAD-Datenabschnitts berechnet, der dem nicht vermessenen Abschnitt (X) entspricht, und eine Richtung, in die ein Gebiet, das auf die Scandatenprojektionsfläche projiziert wird, maximal wird, wird daraus ermittelt und dann die Scanrichtung eingestellt. Wenn der Durchschnittswert der Normalrichtungen des CAD-Datenabschnitts berechnet wird, wobei eine Fläche eines Elements eines entsprechenden Abschnitts betrachtet wird, darf das Element, das eine große Fläche hat, einen größeren Einfluss auf den Durchschnittswert der Normalrichtungen haben und folglich die Scanrichtung des ermittelten nicht vermessenen Abschnitts liefern.
Das erfindungsgemäße 3D-Scanverfahren enthält zudem einen Schritt des Bestimmens, ob der Scanvorgang abgeschlossen ist (S600). Im Einzelnen vergleicht bei diesem Schritt das Operationsvervollständigungserkennungsteil 150 der Steuerung 100 einen vorgegeben Wert, der zuvor von dem Benutzer definiert wurde, mit dem Differenzwert zwischen der projizierten Fläche der Grenzlinien, die vor der zusätzlichen Messung des Schritts S500 berechnet wurden, und der projizierten Fläche der Grenzlinien, die nach der zusätzlichen Messung des Schritts S500 berechnet wurden. Wenn der Differenzwert weniger als der vorgegebene Wert beträgt, erkennt das Operationsvervollständigungserkennungsteil 150, dass die Scanoperation vollständig ist, und, wenn der Differenzwert gleich viel wie oder weniger als der vorgegebene Wert ist, steuert den Betrieb des Drehtisches 10 und des 3D-Scanners 30, damit der Schritt S500 zusätzlich durchgeführt werden kann.
Wenn der 3D-Scanner 30 zusätzlich ein beweglicher Scanner ist, der an den Roboterarm angeschlossen ist, korrigiert in dem Schritt S400 das Positionskorrekturteil 130 die Position des Roboterarms basierend auf der Scanrichtung SD, die von dem Scanrichtungserkennungsteil 140 berechnet wurde. In diesem Zustand kann der 3D-Scanner 30 das Zielobjekt zusätzlich vermessen.
Erfindungsgemäß kann eine Abfolge von Prozessen zum Finden des nicht gescannten Abschnitts des Zielobjekts und des zusätzlichen Vermessens des nicht vermessenen Abschnitts automatisiert durchgeführt werden und folglich kann das Zielobjekt in kurzer Zeit akkurat gescannt werden.
Für Fachleute ist offensichtlich, dass verschiedene Abwandlungen von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne von Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Es ist demnach beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung auch alle solche Modifikationen umfasst, sofern diese den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 2016-0008792 [0001]
KR 10-2004-0002270 [0004]
KR 10-1477185 [0004]

Claims

3D-Scanvorrichtung mit: einem Drehtisch, auf dem ein Zielobjekt platziert wird und der 360° um eine drehbare Welle drehbar ist, so dass das Zielobjekt gedreht wird, einem 3D-Scanner, der in einer Position installiert ist, die einen vorgegebenen Abstand von dem Drehtisch hat und dafür vorgesehen ist, 3D-Scandaten des Zielobjekts durch Scannen des Zielobjekts auf dem Drehtisch zu ermitteln, und einer Steuerung, die dafür ausgelegt ist, einen Drehbetrieb des Drehtisches und einen Scanbetrieb des 3D-Scanners so zu steuern, dass der Drehtisch um 360° gedreht wird, der 3D-Scanner betrieben wird, um das Zielobjekt bei jedem Drehwinkelschritt des Drehtisches zu scannen und zusätzlich den nicht vermessenen Abschnitt zu vermessen, indem ein nicht gemessener Abschnitt des Zielobjekts, der von dem 3D-Scanner nicht vermessen wurde, erkannt wird.
3D-Scanvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerung aufweist: ein Scandatenintegrationsteil, das die 3D-Scandaten des Zielobjekts, die von dem 3D-Scanner ermittelt wurden, integriert, ein nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil, das den nicht vermessenen Abschnitt des Zielobjekts basierend auf einem Ergebniswert des Scandatenintegrationsteil erkennt, und ein Positionskorrekturteil, das relative Positionsinformation zwischen dem 3D-Scanner und dem Drehtisch sowie eine Drehwinkelinformation des Drehtisches erhält und den Drehwinkel des Drehtisches in Bezug auf den 3D-Scanner so einstellt, dass dieser dem nicht vermessenen Abschnitt, der von dem nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil gewonnen wurde, entspricht.
3D-Scanvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das nicht-gemessenen-Abschnitt-Erkennungsteil 120 eine Grenzlinie zwischen einem gescannten Bereich und einem nicht gescannten Bereich in den Scandaten erkennt und als die Grenzlinie in den Scandaten eine der drei Seiten einer dreieckigen Masche, die kein angrenzendes Dreieck hat, bestimmt.
3D-Scanvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuerung zudem ein Scanrichtungserkennungsteil enthält, das Normalrichtungen von den Grenzlinien des nicht vermessenen Abschnitts berechnet, eine durchschnittliche Richtung der Normalrichtungen berechnet, die Grenzlinien des nicht vermessenen Abschnitts auf eine virtuelle Scandatenprojektionsfläche in der durchschnittlichen Richtung projiziert, eine von Grenzlinien definierte Fläche auf der Scandatenprojektionsfläche berechnet und dann den berechneten Wert als Anfangswert ansetzt, eine Richtung berechnet, in der die Grenzlinien auf der Scandatenprojektionsfläche ein maximales Gebiet haben, während die Scandaten des nicht vermessenen Abschnitts virtuell um die Drehbare Welle des Drehtisches rotiert werden, und dann die berechnete Richtung als eine Scanrichtung festlegt, und das Positionskorrekturteil den Drehtisch in die Scanrichtung dreht, die von dem Scanrichtungserkennungsteil berechnet wurde, und der 3D-Scanner das Zielobjekt zusätzlich in der Scanrichtung vermisst.
3D-Scanvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuerung zusätzlich ein Operationsvervollständigungserkennungsteil aufweist, das einen vorgegebenen Wert, den ein Benutzer definiert hat, mit einem Differenzwert zwischen einer projizierten Fläche der Grenzlinien, die vor der zusätzlichen Messung berechnet wurden, und einer projizierten Fläche der Grenzlinien, die nach der zusätzlichen Messung berechnet wurden, vergleicht und entscheidet, ob der Scanvorgang vollständig ist.
3D-Scanvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der 3D-Scanner ein beweglicher Scanner ist, der an einen Roboterarm angeschlossen ist, und das Positionskorrekturteil die Position des Roboterarms basierend auf der Scanrichtung korrigiert, die von dem Scanrichtungserkennungsteil berechnet wurde.
3D-Scanverfahren mit: a) Ermitteln von 3D-Scandaten durch Scannen des Zielobjekts mittels eines 3D-Scanners, während ein Drehtisch um 360° gedreht wird, nachdem ein Zielobjekt auf dem Drehtisch platziert wurde, b) Integrieren der 3D-Scandaten des Zielobjekts, die von dem 3D-Scanner ermittelt wurden, c) Erkennen eines nicht vermessenen Abschnitts des Zielobjekts durch Ermitteln einer Grenzlinie zwischen einem gescannten Abschnitt und einem nicht gescannten Abschnitt in einem Ergebniswert der integrierten Scandaten, d) Einstellen eines Drehwinkels des Drehtisches in Bezug auf den 3D-Scanner, so dass dieser dem nicht vermessenen Abschnitt des Zielobjekts entspricht, und e) Ermitteln zusätzlicher Scandaten durch zusätzliches Scannen des Zielobjekts mittels des 3D-Scanners.
3D-Scanverfahren nach Anspruch 7, wobei in dem Schritt c die Grenzlinie in den Scandaten als eine der drei Seiten einer dreieckigen Masche, die kein angrenzendes Dreieck hat, definiert wird, und basierend auf der Grenzlinie ein Abschnitt, bei dem das Dreiecksgitter nicht existiert, als der nicht gemessene Abschnitt der Scandaten erkannt wird.
3D-Scanverfahren nach Anspruch 8, wobei in dem Schritt d Normalrichtungen von den Grenzlinien des nicht vermessenen Abschnitts berechnet werden, eine durchschnittliche Richtung der Normalrichtungen berechnet wird, die Grenzlinien des nicht vermessenen Abschnitts auf eine virtuelle Scandatenprojektionsfläche in der durchschnittlichen Richtung projiziert werden, eine von den Grenzlinien auf der Scandatenprojektionsfläche definierte Fläche berechnet wird, der berechnete Wert als Anfangswert angesetzt wird, eine Richtung in der die Grenzlinien auf der Scandatenprojektionsfläche eine maximale Fläche haben, ermittelt wird, während die Scandaten des nicht vermessenen Abschnitts virtuell um die drehbare Welle des Drehtisches rotiert werden, die erhaltene Richtung als Scanrichtung festgesetzt wird, und der Drehtisch in die festgesetzte Scanrichtung gedreht wird.
3D-Scanverfahren nach Anspruch 9, zusätzlich mit dem Vergleichen eines vorgegebenen Werts, der von einem Benutzer definiert wurde, mit einem Differenzwert zwischen einer projizierten Fläche der Grenzlinien, die vor der zusätzlichen Messung des Schritts e berechnet wurden, und einer projizierten Fläche der Grenzlinien, die nach der zusätzlichen Messung des Schritts e berechnet wurden, wobei als Vergleichsergebnis ermittelt wird, dass der Scanvorgang vollständig ist, wenn der Differenzwert weniger als der vorgegebene Wert ist, und der Schritt e zusätzlich durchgeführt wird, wenn der Differenzwert gleich groß wie oder größer als der vorgegebene Wert ist.
3D-Scanverfahren nach Anspruch 9, wobei der 3D-Scanner ein beweglicher Scanner ist, der an einen Roboterarm angeschlossen ist, und in Schritt d das Positionskorrekturteil die Position des Roboterarms basierend auf der Scanrichtung korrigiert, die von dem Scanrichtungserfassungsteil berechnet wurde.