DE102016205637A1

DE102016205637A1 - Gelenkarm-koordinatenmessgerät mit einer 2d-kamera und verfahren zum erhalten von 3d-darstellungen

Info

Publication number: DE102016205637A1
Application number: DE102016205637.9A
Authority: DE
Inventors: Robert E. Bridges; Paul C. Atwell
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2015-04-06
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2016-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät, das ein kontaktloses 3D-Messgerät umfasst, das einen Projektor aufweist, der manuell durch einen Bediener von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt werden kann. Der Projektor ist dafür konfiguriert, ein erstes Lichtmuster auf ein Objekt zu emittieren. Das kontaktlose 3D-Messgerät umfasst ferner eine Scannerkamera und eine Kantenerfassungskamera. Die Scannerkamera ist derart angeordnet, dass sie das von der Oberfläche des Objekts reflektierte erste Lichtmuster auffängt. Die Kantenerfassungskamera ist derart angeordnet, dass sie das von einem Kantenmerkmal des Objekts reflektierte Licht auffängt. Das Gelenkarm-Koordinatenmessgerät umfasst einen Prozessor, der dafür konfiguriert ist, erste 3D-Koordinaten eines Kantenpunkts des Kantenmerkmals auf Basis elektrischer Signale zu ermitteln, die von der Scannerkamera und der Kantenerfassungskamera empfangen werden.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführung der am 15. September 2014 eingereichten US-Patentanmeldung 14/485876, die eine Teilfortführung der am 7. Juni 2012 eingereichten US-Patentanmeldung 13/491,176 ist, die eine Teilfortführung der am 14. Januar 2011 eingereichten US-Patentanmeldung 13/006,507, jetzt US-Patent 8,533,967 , ist und beansprucht den Vorteil der am 20. Januar 2010 eingereichten vorläufigen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 61/296,555, der am 16. Juni 2010 eingereichten vorläufigen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 61/355,279 und der am 4. Juni 2010 eingereichten vorläufigen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 61/351,347. Die Inhalte aller vorstehend benannten Patentanmeldungen und Patente werden hiermit durch Verweis hierin einbezogen.
Hintergrund
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Koordinatenmessgerät und insbesondere ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät mit einem Verbinder an einem Sondenende des Koordinatenmessgeräts, der es ermöglicht, dass Zusatzvorrichtungen, welche strukturiertes Licht für die kontaktlose dreidimensionale Messung nutzen, entfernbar mit dem Koordinatenmessgerät verbunden werden.
Tragbare Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte (Gelenkarm-KMGs) fanden weit verbreitete Verwendung bei der Fertigung bzw. Herstellung von Teilen, wo ein Bedarf daran besteht, die Abmessungen des Teils während verschiedener Schritte der Fertigung bzw. Herstellung (z.B. der mechanischen Bearbeitung) des Teils schnell und genau nachzuprüfen. Tragbare Gelenkarm-KMGs stellen eine weitgehende Verbesserung gegenüber bekannten unbeweglichen bzw. feststehenden, kostenintensiven und relativ schwer zu bedienenden Messeinrichtungen dar, und zwar insbesondere hinsichtlich des Zeitaufwands, der für die Durchführung von Dimensionsmessungen relativ komplexer Teile anfällt. Normalerweise führt ein Bediener eines tragbaren Gelenkarm-KMG einfach eine Sonde entlang der Oberfläche des zu messenden Teils oder Objekts. Die Messdaten werden dann aufgezeichnet und dem Bediener bereitgestellt. In einigen Fällen werden die Daten dem Bediener in optischer Form bereitgestellt, beispielsweise in dreidimensionaler (3-D) Form auf einem Computerbildschirm. In anderen Fällen werden die Daten dem Bediener in numerischer Form bereitgestellt, beispielsweise wenn bei der Messung des Durchmessers eines Lochs der Text „Durchmesser = 1,0034“ auf einem Computerbildschirm angezeigt wird.
Ein Beispiel eines tragbaren Gelenkarm-KMG des Stands der Technik wird in dem US-Patent Nr. 5,402,582 (’582) des gleichen Inhabers offenbart, das hierin durch Verweis in seiner Gesamtheit einbezogen wird. Das Patent ’582 offenbart ein 3-D-Messsystem, das ein manuell bedientes Gelenkarm-KMG mit einem Tragsockel an einem Ende und einer Messsonde am anderen Ende umfasst. Das US-Patent Nr. 5,611,147 (’147) des gleichen Inhabers, das hierin durch Verweis in seiner Gesamtheit einbezogen wird, offenbart ein ähnliches Gelenkarm-KMG. In dem Patent ’147 umfasst das Gelenkarm-KMG mehrere Merkmale einschließlich einer zusätzlichen Drehachse am Sondenende, wodurch für einen Arm eine Konfiguration mit zwei-zwei-zwei oder zwei-zwei-drei Achsen bereitgestellt wird (wobei Letztere ein Arm mit sieben Achsen ist).
Dreidimensionale Oberflächen können auch mit kontaktlosen Verfahren gemessen werden. Ein Typ eines kontaktlosen Geräts, der manchmal als „Laserliniensonde“ oder „Laserlinienscanner“ bezeichnet wird, emittiert ein Laserlicht entweder auf einen Punkt oder entlang einer Linie. Eine Bildgebungsvorrichtung wie beispielsweise ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD; charge-coupled device) wird angrenzend an den Laser positioniert. Der Laser wird derart angeordnet, dass er eine Lichtlinie emittiert, die von der Oberfläche reflektiert wird. Die Oberfläche des zu messenden Objekts ruft eine diffuse Reflexion hervor, die von der Bildgebungsvorrichtung aufgenommen wird. Das Bild der reflektierten Linie auf dem Sensor ändert sich, während sich der Abstand zwischen dem Sensor und der Oberfläche ändert. Wenn die Beziehung zwischen dem Bildgebungssensor und dem Laser und der Position des Laserbilds auf dem Sensor bekannt ist, kann man Triangulationsverfahren einsetzen, um dreidimensionale Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche zu messen. Ein Problem, das sich mit Laserliniensonden ergibt, besteht darin, dass die Dichte gemessener Punkte je nach der Geschwindigkeit variieren kann, mit welcher die Laserliniensonde über die Objektoberfläche bewegt wird. Je schneller die Laserliniensonde bewegt wird, desto größer ist der Abstand zwischen den Punkten und einer unteren Punktdichte. Bei einem Scanner mit strukturiertem Licht ist der Abstand zwischen Punkten normalerweise in jeder der zwei Dimensionen gleichmäßig, wodurch im Allgemeinen eine gleichmäßige Messung von Punkten auf Werkstückoberflächen bereitgestellt wird. Ein weiteres Problem, das beim Erhalten von 3D-Darstellungen aus Abtastungsdaten entsteht, besteht darin, dass häufig ein unscharfer Bereich rings um Kanten oder Löcher vorhanden ist.
Obwohl bereits existierende KMGs für ihre beabsichtigten Zwecke geeignet sind, besteht Bedarf an einem tragbaren Gelenkarm-KMG, das bestimmte Merkmale von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Messung eines Kantenpunkts mit einem tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) vorgesehen. Das Verfahren umfasst Folgendes: Bereitstellen des Gelenkarm-KMG, wobei das Gelenkarm-KMG Folgendes umfasst: einen Sockel, einen manuell positionierbaren Armabschnitt mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Armabschnitt drehbar an den Sockel gekoppelt ist, wobei der Armabschnitt eine Vielzahl von verbundenen Armsegmenten umfasst, wobei jedes Armsegment mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals umfasst, einen Prozessor, eine elektronische Schaltung, ein an das erste Ende gekoppeltes Sondenende, ein an das Sondenende gekoppeltes kontaktloses 3D-Messgerät, wobei das kontaktlose 3D-Messgerät einen Projektor und eine Scannerkamera aufweist, wobei das Gelenkarm-KMG ferner eine an das Sondenende gekoppelte Kantenerfassungskamera umfasst, wobei die Kantenerfassungskamera eine von der Scannerkamera oder einer von der Scannerkamera verschiedenen zweiten Kamera ist; Bewegen des kontaktlosen 3D-Messgeräts von einer ersten Position zu einer zweiten Position durch einen Bediener, wobei die zweite Position an ein Objekt angrenzt; Empfangen des Positionssignals des mindestens einen Positionsmessgeräts in jedem Armsegment durch die elektronische Schaltung als Reaktion auf das Bewegen des kontaktlosen 3D-Messgeräts durch den Bediener; Senden eines ersten elektrischen Signals von der elektronischen Schaltung an den Prozessor als Reaktion auf das Positionssignal; Einschalten des kontaktlosen 3D-Messgeräts durch einen Bediener; Emittieren eines ersten Lichtmusters aus dem Projektor auf das Objekt als Reaktion auf das Einschalten des kontaktlosen 3D-Messgeräts durch den Bediener; Auffangen des vom Objekt reflektierten ersten Lichtmusters mit der Scannerkamera und Senden eines zweiten elektrischen Signals an den Prozessor als Reaktion; Auffangen eines von einem Kantenmerkmal des Objekts reflektierten zweiten Lichts mit der Kantenerfassungskamera und Senden eines dritten elektrischen Signals an den Prozessor als Reaktion, wobei das Kantenmerkmal einen Kantenpunkt aufweist, wobei der Kantenpunkt ein Punkt auf dem Kantenmerkmal ist; Ermitteln eines ersten Satzes von 3D-Koordinaten erster Punkte auf einer Oberfläche des Objekts mit dem Prozessor, wobei der erste Satz von 3D-Koordinaten zumindest teilweise auf dem ersten Lichtmuster des Projektors, dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal basiert; ferner Ermitteln eines ersten Strahls von der Kantenerfassungskamera zum Objekt mit dem Prozessor, wobei der erste Strahl zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal und dem dritten elektrischen Signal basiert; ferner Ermitteln eines zweiten Satzes von 3D-Koordinaten des Kantenpunkts mit dem Prozessor basierend zumindest teilweise auf einem Schnittpunkt des ersten Strahls mit dem ersten Satz von 3D-Koordinaten der Oberfläche; und Speichern des zweiten Satzes von 3D-Koordinaten des Kantenpunkts.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt sind, die nicht als den gesamten Schutzbereich der Offenbarung einschränkend aufzufassen sind und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind. Es zeigen:
1A und 1B: perspektivische Darstellungen eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts (Gelenkarm-KMG), das Ausgestaltungen verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung darin aufweist;
2: einschließlich 2A–2D zusammengenommen, ein Blockdiagramm der Elektronik, die als Teil des Gelenkarm-KMG von 1A gemäß einer Ausgestaltung verwendet wird;
3: einschließlich 3A und 3B zusammengenommen, ein Blockdiagramm, das detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems von 2 gemäß einer Ausgestaltung beschreibt;
4: eine isometrische Ansicht des Sondenendes des Gelenkarm-KMG von 1A;
5: eine Seitenansicht des Sondenendes von 4 mit dem daran gekoppelten Griff;
6: eine Seitenansicht des Sondenendes von 4 mit befestigtem Griff;
7: eine vergrößerte Teilseitenansicht des Anschlussstellenabschnitts des Sondenendes von 6;
8: eine andere vergrößerte Teilseitenansicht des Anschlussstellenabschnitts des Sondenendes von 5;
9: eine isometrische Ansicht, teilweise im Querschnitt, des Griffs von 4;
10: eine isometrische Ansicht des Sondenendes des Gelenkarm-KMG von 1A mit einem für strukturiertes Licht vorgesehenen Gerät mit einer an ihm befestigten einzigen Kamera;
11: eine isometrische Ansicht, teilweise im Querschnitt, des Geräts von 10;
12: eine isometrische Ansicht des Sondenendes des Gelenkarm-KMG von 1A mit einem anderen für strukturiertes Licht vorgesehenen Gerät mit an ihm befestigten Doppelkameras;
13A und 13B: schematische Darstellungen, die den Betrieb des Geräts von 10 veranschaulichen, wenn es am Sondenende des Gelenkarm-KMG von 1A befestigt ist;
14A–14B, 15, 16 und 17A–17C: aufeinanderfolgende Projektionen mit einem unkodierten binären Muster, das von dem für strukturiertes Licht vorgesehenen Gerät von 10 oder 12 emittiert werden kann, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
18–19: räumlich variierende farbkodierte Muster, die von dem für strukturiertes Licht vorgesehenen Gerät von 10 oder 12 emittiert werden können, gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
20–23: mit Streifenindizes kodierte Muster, die von dem für strukturiertes Licht vorgesehenen Gerät von 10 oder 12 emittiert werden können, gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
24–31: zweidimensionale Gittermuster, die von dem für strukturiertes Licht vorgesehenen Gerät von 10 oder 12 emittiert werden können, gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
32: eine schematische Darstellung eines photometrischen Verfahrens zur Erfassung von Mustern strukturierten Lichts unter einer Vielzahl von Beleuchtungsbedingungen;
33: eine Darstellung eines unabhängig von einem Gelenkarm-KMG betreibbaren Scannergeräts mit strukturiertem Licht gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung;
34: eine isometrische Zeichnung eines Sondenendes, bei dem ein Triangulationsscanner und eine Triangulationskamera zusammen verwendet werden, um konturenscharfe 3D-Darstellungen zu erzeugen;
35: eine schematische Darstellung von durch ein perspektivisches Zentrum der Kamera projizierten Strahlen zur Bildung scharfer Kanten für 3D-Darstellungen;
36: eine Darstellung, die ein Loch mit Kanten zeigt, die einen umgebenden Bereich mit einer „Unschärfe“ aufweisen; und
37: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Tragbare Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte („Gelenkarm-KMGs“) werden bei einer Vielzahl von Anwendungen benutzt, um Messungen von Objekten zu erhalten. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bieten Vorteile, indem sie einem Bediener das leichte und schnelle Koppeln von Zusatzgeräten, die strukturiertes Licht zur Bereitstellung der kontaktlosen Messung eines dreidimensionalen Objekts nutzen, an ein Sondenende des Gelenkarm-KMG ermöglichen. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung stellen weitere Vorteile zur Verfügung, indem sie die Kommunikation von Daten bereitstellen, die eine Punktwolke repräsentieren, die von dem Gerät mit strukturiertem Licht in dem Gelenkarm-KMG gemessen wurde. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung stellen die Vorteile größerer Gleichmäßigkeit bei der Verteilung gemessener Punkte bereit, die für eine verbesserte Genauigkeit sorgen kann. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung schaffen noch weitere Vorteile, indem sie einem entfernbaren Zusatzteil Energie und Datenkommunikation ohne externe Verbindungen oder Verdrahtungen bereitstellen. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung stellen noch weitere Vorteile bei der Schärfung der Kanten von Merkmalen bei 3D-Darstellungen zur Verfügung.
Der hierin verwendete Begriff „strukturiertes Licht“ bezieht sich auf ein zweidimensionales Lichtmuster, das auf einen durchgehenden und umschlossenen Bereich eines Objekts projiziert wird und eine Information übermittelt, die für die Ermittlung von Koordinaten von Punkten auf dem Objekt benutzt werden kann. Ein strukturiertes Lichtmuster enthält mindestens drei nicht kollineare Musterelemente, die in dem durchgehenden und umschlossenen Bereich angeordnet sind. Jedes der drei nicht kollinearen Musterelemente übermittelt Informationen, die zur Ermittlung der Punktkoordinaten verwendet werden können.
Im Allgemeinen gibt es zwei Arten strukturierten Lichts, nämlich ein kodiertes Lichtmuster und ein unkodiertes Lichtmuster. Ein kodiertes Lichtmuster in der hierin verwendeten Bedeutung ist ein Muster, bei dem die dreidimensionalen Koordinaten einer beleuchteten Oberfläche des Objekts durch die Erfassung eines einzigen Bilds festgestellt werden können. In einigen Fällen kann sich die Projektionsvorrichtung relativ zu dem Objekt bewegen. Mit anderen Worten: bei einem kodierten Lichtmuster gibt es keine signifikante zeitliche Beziehung zwischen dem projizierten Muster und dem erfassten Bild. Normalerweise enthält ein kodiertes Lichtmuster einen Satz von Elementen (z. B. geometrischen Formen), die derart angeordnet sind, dass mindestens drei der Elemente nicht kollinear sind. Der Satz von Elementen kann in einigen Fällen zu Sammlungen von Linien angeordnet werden. Dadurch, dass mindestens drei der Elemente nicht kollinear sind, wird gewährleistet, dass das Muster nicht ein einfaches Linienmuster ist, wie es beispielsweise durch einen Laserlinienscanner projiziert würde. Infolgedessen sind die Musterelemente wegen der Anordnung der Elemente erkennbar.
Im Gegensatz dazu ist ein unkodiertes strukturiertes Lichtmuster in der hierin verwendeten Bedeutung ein Muster, das keine Messung durch ein einziges Muster zulässt, wenn sich der Projektor relativ zu dem Objekt bewegt. Ein Beispiel für ein unkodiertes Lichtmuster ist eines, das eine Folge aufeinfolgender Muster und demzufolge die Erfassung einer Folge aufeinanderfolgender Bilder benötigt. Wegen der zeitlichen Besonderheit des Projektionsmusters und der Erfassung des Bilds sollte keine relative Bewegung zwischen dem Projektor und dem Objekt stattfinden.
Es versteht sich, dass strukturiertes Licht von dem Licht verschieden ist, das von einer Laserliniensonde oder einer Laserlinienscanner-artigen Vorrichtung projiziert wird, die eine Lichtlinie erzeugt. Insofern als mit Gelenkarmen benutzte Laserliniensonden gegenwärtig Ungleichmäßigkeiten oder andere Aspekte aufweisen, die man als Merkmale in den erzeugten Linien ansehen kann, sind diese Merkmale in einer kollinearen Anordnung angeordnet. Demnach werden solche Merkmale in einer einzigen erzeugten Linie nicht so betrachtet, dass sie das projizierte Licht zu einem strukturierten Licht machen.
1A und 1B veranschaulichen in der Perspektive ein Gelenkarm-KMG 100 gemäß verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, wobei ein Gelenkarm ein Typ des Koordinatenmessgeräts ist. 1A und 1B zeigen, dass das beispielhafte Gelenkarm-KMG 100 ein Gelenkmessgerät mit sechs oder sieben Achsen mit einem Sondenende 401 umfassen kann, das ein Messsondengehäuse 102 umfasst, das an einem Ende an einen Armabschnitt 104 des Gelenkarm-KMG 100 gekoppelt ist. Der Armabschnitt 104 umfasst ein erstes Armsegment 106, das durch eine erste Gruppierung von Lagereinsätzen 110 (z. B. zwei Lagereinsätze) an ein zweites Armsegment 108 gekoppelt ist. Eine zweite Gruppierung von Lagereinsätzen 112 (z. B. zwei Lagereinsätze) koppelt das zweite Armsegment 108 an das Messsondengehäuse 102. Eine dritte Gruppierung von Lagereinsätzen 114 (z. B. drei Lagereinsätze) koppelt das erste Armsegment 106 an einen Sockel 116, der am anderen Ende des Armabschnitts 104 des Gelenkarm-KMG 100 angeordnet ist. Jede Gruppierung von Lagereinsätzen 110, 112, 114 stellt mehrere Achsen der Gelenkbewegung bereit. Das Sondenende 401 kann auch ein Messsondengehäuse 102 umfassen, das die Welle des Abschnitts der siebten Achse des Gelenkarm-KMG 100 umfasst (z. B. einen Einsatz, der ein Kodierersystem enthält, das die Bewegung des Messgeräts, beispielsweise einer Sonde 118, in der siebten Achse des Gelenkarm-KMG 100 ermittelt). Das Sondenende 401 kann sich bei dieser Ausgestaltung um eine Achse drehen, die sich durch die Mitte des Messsondengehäuses 102 erstreckt. Der Sockel 116 ist bei der Verwendung des Gelenkarm-KMG 100 normalerweise an einer Arbeitsfläche befestigt.
Jeder Lagereinsatz in jeder Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 enthält normalerweise ein Kodierersystem (z. B. ein optisches Winkelkodierersystem). Das Kodierersystem (d. h. ein Positionsmessgerät) stellt eine Angabe der Position der jeweiligen Armsegmente 106, 108 und der entsprechenden Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 bereit, die alle zusammen eine Angabe der Position der Sonde 118 in Bezug auf den Sockel 116 (und somit die Position des durch das Gelenkarm-KMG 100 gemessenen Objekts in einem bestimmten Bezugssystem, beispielsweise einem lokalen oder globalen Bezugssystem) bereitstellen. Die Armsegmente 106, 108 können aus einem in geeigneter Weise starren Material bestehen, also beispielsweise, aber ohne darauf beschränkt zu sein, einem Kohlefaserverbundmaterial. Ein tragbares Gelenkarm-KMG 100 mit sechs oder sieben Achsen der Gelenkbewegung (d. h. Freiheitsgraden) stellt die Vorteile bereit, dass dem Bediener gestattet wird, die Sonde 118 an einer gewünschten Stelle in einem 360°-Bereich rings um den Sockel 116 zu positionieren, wobei ein Armabschnitt 104 bereitgestellt wird, der leicht von dem Bediener gehandhabt werden kann. Es versteht sich jedoch, dass die Darstellung eines Armabschnitts 104 mit zwei Armsegmenten 106, 108 als Beispiel dient und dass die beanspruchte Erfindung nicht dadurch eingeschränkt sein sollte. Ein Gelenkarm-KMG 100 kann eine beliebige Anzahl an Armsegmenten aufweisen, die durch Lagereinsätze (und somit mehr oder weniger als sechs oder sieben Achsen der Gelenkbewegung bzw. Freiheitsgrade) miteinander gekoppelt sind.
Die Sonde 118 ist abnehmbar am Messsondengehäuse 102 angebracht, welches mit der Lagereinsatzgruppierung 112 verbunden ist. Ein Griff 126 ist in Bezug auf das Messsondengehäuse 102 beispielsweise mittels einer Schnellverbinder-Anschlussstelle entfernbar. Wie nachfolgend ausführlicher besprochen wird, kann der Griff 126 durch eine andere Vorrichtung ersetzt werden, die dafür konfiguriert ist, ein strukturiertes Licht zu emittieren, um eine kontaktlose Messung dreidimensionaler Objekte bereitzustellen, wodurch Vorteile zur Verfügung gestellt werden, indem dem Bediener sowohl Kontaktmessungen als auch kontaktlose Messungen mit demselben Gelenkarm-KMG 100 ermöglicht werden. Das Sondengehäuse 102 nimmt bei beispielhaften Ausgestaltungen eine entfernbare Sonde 118 auf, die ein Kontaktmessgerät ist und entfernbare Spitzen 118 aufweisen kann, die das zu messende Objekt physisch berühren und folgende umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein: Sonden vom Typ Kugel, berührungsempfindlich, gebogen und verlängert. Bei anderen Ausgestaltungen wird die Messung beispielsweise durch ein kontaktloses Gerät wie beispielsweise ein Scannergerät mit kodiertem strukturiertem Licht durchgeführt. Der Griff 126 ist bei einer Ausgestaltung durch das Scannergerät mit kodiertem strukturiertem Licht ersetzt, wobei die Schnellverbinder-Anschlussstelle verwendet wird. Andere Typen von Messgeräten können den entfernbaren Griff 126 ersetzen, um eine zusätzliche Funktionalität bereitzustellen. Die Beispiele für solche Messgeräte umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein, z. B. eine oder mehrere Beleuchtungslampen, einen Temperatursensor, einen Thermoscanner, einen Strichcodescanner, einen Projektor, eine Lackierpistole, eine Kamera oder dergleichen.
In 1A und 1B ist ersichtlich, dass das Gelenkarm-KMG 100 den entfernbaren Griff 126 umfasst, der die Vorteile bereitstellt, dass Zusatzteile oder Funktionalitäten ausgetauscht werden können, ohne dass das Messsondengehäuse 102 von der Lagereinsatzgruppierung 112 entfernt wird. Wie anhand von 2D detaillierter besprochen wird, kann der entfernbare Griff 126 auch einen elektrischen Verbinder umfassen, der es gestattet, dass elektrische Energie und Daten mit dem Griff 126 und der im Sondenende 401 angeordneten entsprechenden Elektronik ausgetauscht werden.
Bei verschiedenen Ausgestaltungen ermöglicht jede Gruppierung von Lagereinsätzen 110, 112, 114, dass der Armabschnitt 104 des Gelenkarm-KMG 100 um mehrere Drehachsen bewegt wird. Wie bereits erwähnt, umfasst jede Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 entsprechende Kodierersysteme wie beispielsweise optische Winkelkodierer, die jeweils koaxial zu der entsprechenden Drehachse z. B. der Armsegmente 106, 108 angeordnet sind. Das optische Kodierersystem erfasst eine Drehbewegung (Schwenkbewegung) oder Querbewegung (Gelenkbewegung) beispielsweise von jedem der Armsegmente 106, 108 um die entsprechende Achse und überträgt ein Signal zu einem elektronischen Datenverarbeitungssystem in dem Gelenkarm-KMG 100, wie hierin im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Jede einzelne unverarbeitete Kodiererzählung wird separat als Signal zu dem elektronischen Datenverarbeitungssystem gesendet, wo sie zu Messdaten weiterverarbeitet wird. Es ist kein von dem Gelenkarm-KMG 100 selbst getrennter Positionsberechner (z. B. eine serielle Box) erforderlich, der in dem US-Patent Nr. 5,402,582 (’582) des gleichen Inhabers offenbart wird.
Der Sockel 116 kann eine Befestigungs- bzw. Montagevorrichtung 120 umfassen. Die Montagevorrichtung 120 ermöglicht die entfernbare Montage des Gelenkarm-KMG 100 an einer gewünschten Stelle wie beispielsweise einem Inspektionstisch, einem Bearbeitungszentrum, einer Wand oder dem Boden. Der Sockel 116 umfasst bei einer Ausgestaltung einen Griffabschnitt 122, der eine zweckmäßige Stelle ist, an welcher der Bediener den Sockel 116 hält, während das Gelenkarm-KMG 100 bewegt wird. Bei einer Ausgestaltung umfasst der Sockel 116 ferner einen beweglichen Abdeckungsabschnitt 124, der herunterklappbar ist, um eine Benutzerschnittstelle wie beispielsweise einen Anzeigeschirm freizugeben.
Gemäß einer Ausgestaltung enthält bzw. beherbergt der Sockel 116 des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 eine elektronische Schaltung mit einem elektronischen Datenverarbeitungssystem, das zwei Hauptkomponenten umfasst: ein Basisverarbeitungssystem, das die Daten der verschiedenen Kodierersysteme im Gelenkarm-KMG 100 sowie Daten, die andere Armparameter zur Unterstützung der dreidimensionalen (3-D) Positionsberechnungen repräsentieren, verarbeitet; und ein Benutzerschnittstellen-Verarbeitungssystem, das ein integriertes Betriebssystem, einen berührungssensitiven Bildschirm und eine residente Anwendungssoftware umfasst, welche die Implementierung relativ vollständiger messtechnischer Funktionen innerhalb des Gelenkarm-KMG 100 gestattet, ohne dass dabei eine Verbindung zu einem externen Computer implementiert sein muss.
Das elektronische Datenverarbeitungssystem im Sockel 116 kann mit den Kodierersystemen, Sensoren und anderer peripherer Hardware, die entfernt vom Sockel 116 angeordnet ist (z. B. ein Gerät mit strukturiertem Licht, das am entfernbaren Griff 126 an dem Gelenkarm-KMG 100 montiert werden kann), kommunizieren. Die Elektronik, die diese peripheren Hardwarevorrichtungen oder -merkmale unterstützt, kann in jeder der in dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 angeordneten Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 angeordnet werden.
2 ist ein Blockdiagramm der Elektronik, die gemäß einer Ausgestaltung in einem Gelenkarm-KMG 100 verwendet wird. Die in 2A dargestellte Ausgestaltung umfasst ein elektronisches Datenverarbeitungssystem 210, das eine Basisprozessorkarte 204 zur Implementierung des Basisverarbeitungssystems, eine Benutzerschnittstellenkarte 202, eine Basisenergiekarte 206 zur Bereitstellung von Energie, ein Bluetooth-Modul 232 und eine Basisneigungskarte 208 umfasst. Die Benutzerschnittstellenkarte 202 umfasst einen Computerprozessor zum Ausführen der Anwendungssoftware, um die Benutzerschnittstelle, den Bildschirm und andere hierin beschriebene Funktionen durchzuführen.
In 2A und 2B ist ersichtlich, dass das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 über einen oder mehrere Armbusse 218 mit der vorgenannten Vielzahl von Kodierersystemen kommuniziert. Jedes Kodierersystem erzeugt bei der in 2B und 2C dargestellten Ausgestaltung Kodiererdaten und umfasst: eine Kodierer-Armbus-Schnittstelle 214, einen digitalen Kodierer-Signalprozessor (DSP) 216, eine Kodierer-Lesekopf-Schnittstelle 234 und einen Temperatursensor 212. Andere Geräte wie beispielsweise Dehnungssensoren können an den Armbus 218 angeschlossen werden.
In 2D ist auch die Sondenende-Elektronik 230 dargestellt, die mit dem Armbus 218 kommuniziert. Die Sondenende-Elektronik 230 umfasst einen Sondenende-DSP 228, einen Temperatursensor 212, einen Griff-/Vorrichtungs-Schnittstellenbus 240, der bei einer Ausgestaltung über die Schnellverbinder-Anschlussstelle mit dem Griff 126 oder mit dem Scannergerät 242 mit kodiertem strukturiertem Licht verbindet, und eine Sondenschnittstelle 226. Die Schnellverbinder-Anschlussstelle ermöglicht den Zugriff des Griffs 126 auf den Datenbus, die Steuerleitungen, den von dem Scannergerät 242 mit kodiertem strukturiertem Licht benutzten Energiebus und andere Zusatzteile. Die Sondenende-Elektronik 230 ist bei einer Ausgestaltung in dem Messsondengehäuse 102 an dem Gelenkarm-KMG 100 angeordnet. Der Griff 126 kann bei einer Ausgestaltung von der Schnellverbinder-Anschlussstelle entfernt werden und die Messung kann mit dem Gerät 242 mit strukturiertem Licht, das über den Schnittstellenbus 240 mit der Sondenende-Elektronik 230 des Gelenkarm-KMG 100 kommuniziert, durchgeführt werden. Bei einer Ausgestaltung sind das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 im Sockel 116 des Gelenkarm-KMG 100, die Sondenende-Elektronik 230 im Messsondengehäuse 102 des Gelenkarm-KMG 100 und die Kodierersysteme in den Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 angeordnet. Die Sondenschnittstelle 226 kann durch ein beliebiges geeignetes Kommunikationsprotokoll, das im Handel erhältliche Produkte von Maxim Integrated Products, Inc., die als 1-Wire^®-Kommunikationsprotokoll 236 ausgebildet sind, umfasst, mit dem Sondenende-DSP 228 verbunden werden.
3 ist ein Blockdiagramm, das detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems 210 des Gelenkarm-KMG 100 gemäß einer Ausgestaltung beschreibt. Das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 ist bei einer Ausgestaltung im Sockel 116 des Gelenkarm-KMG 100 angeordnet und umfasst die Basisprozessorkarte 204, die Benutzerschnittstellenkarte 202, eine Basisenergiekarte 206, ein Bluetooth-Modul 232 und ein Basisneigungsmodul 208.
Bei einer in 3A dargestellten Ausgestaltung umfasst die Basisprozessorkarte 204 die verschiedenen hierin dargestellten funktionellen Blöcke. Eine Basisprozessorfunktion 302 wird beispielsweise verwendet, um die Erfassung von Messdaten des Gelenkarm-KMG 100 zu unterstützen, und empfängt über den Armbus 218 und eine Bussteuermodulfunktion 308 unverarbeitete Armdaten (z. B. Daten des Kodierersystems). Die Speicherfunktion 304 speichert Programme und statische Armkonfigurationsdaten. Die Basisprozessorkarte 204 umfasst ferner eine für eine externe Hardwareoption vorgesehene Portfunktion 310, um mit etwaigen externen Hardwaregeräten oder Zusatzteilen wie beispielsweise einem Scannergerät 242 mit kodiertem strukturiertem Licht zu kommunizieren. Eine Echtzeituhr (RTC; real time clock) und ein Protokoll 306, eine Batteriesatzschnittstelle (IF; interface) 316 und ein Diagnoseport 318 sind ebenfalls in der Funktionalität bei einer Ausgestaltung der in 3A abgebildeten Basisprozessorkarte 204 enthalten.
Die Basisprozessorkarte 204 leitet auch die gesamte drahtgebundene und drahtlose Datenkommunikation zu externen (Host-Computer) und internen (Anzeigeprozessor 202) Geräten. Die Basisprozessorkarte 204 ist in der Lage, über eine Ethernet-Funktion 320 mit einem Ethernet-Netzwerk [wobei z. B. eine Taktsynchronisations-Norm wie beispielsweise IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1588 verwendet wird], über eine LAN-Funktion 322 mit einem drahtlosen Local Area Network (WLAN; wireless local area network) und über eine Parallel-Seriell-Kommunikations-Funktion (PSK-Funktion) 314 mit dem Bluetooth-Modul 232 zu kommunizieren. Die Basisprozessorkarte 204 umfasst des Weiteren einen Anschluss an ein Universal-Serial-Bus-Gerät (USB-Gerät) 312.
Die Basisprozessorkarte 204 überträgt und erfasst unverarbeitete Messdaten (z. B. Zählungen des Kodierersystems, Temperaturmesswerte) für die Verarbeitung zu Messdaten, ohne dass dabei irgendeine Vorverarbeitung erforderlich ist, wie sie beispielsweise bei der seriellen Box des vorgenannten Patents ’582 offenbart wird. Der Basisprozessor 204 sendet die verarbeiteten Daten über eine RS485-Schnittstelle (IF) 326 zu dem Anzeigeprozessor 328 auf der Benutzerschnittstellenkarte 202. Bei einer Ausgestaltung sendet der Basisprozessor 204 auch die unverarbeiteten Messdaten an einen externen Computer.
Nun Bezug nehmend auf die Benutzerschnittstellenkarte 202 in 3B, werden die vom Basisprozessor empfangenen Winkel- und Positionsdaten von auf dem Anzeigeprozessor 328 ausgeführten Anwendungen verwendet, um ein autonomes messtechnisches System in dem Gelenkarm-KMG 100 zur Verfügung zu stellen. Die Anwendungen können auf dem Anzeigeprozessor 328 ausgeführt werden, um beispielsweise folgende, aber nicht darauf beschränkte Funktionen zu unterstützen: Messung von Merkmalen, Anleitungs- und Schulungsgrafiken, Ferndiagnostik, Temperaturkorrekturen, Steuerung verschiedener Betriebseigenschaften, Verbindung zu verschiedenen Netzwerken und Anzeige gemessener Objekte. Die Benutzerschnittstellenkarte 202 umfasst zusammen mit dem Anzeigeprozessor 328 und einer Schnittstelle für einen Flüssigkristallbildschirm (LCD-Bildschirm; liquid crystal display) 338 (z.B. ein berührungssensitiver LCD-Bildschirm) mehrere Schnittstellenoptionen, zu denen eine Secure-Digital-Karten-Schnittstelle (SD-Karten-Schnittstelle) 330, ein Speicher 332, eine USB-Host-Schnittstelle 334, ein Diagnoseport 336, ein Kameraport 340, eine Audio-/Video-Schnittstelle 342, ein Wähl-/Funkmodem 344 und ein Port 346 für das globale Positionsbestimmungssystem (GPS; global positioning system) gehören.
Das in 3A abgebildete elektronische Datenverarbeitungssystem 210 umfasst ferner eine Basisenergiekarte 206 mit einem Umgebungsaufzeichnungsgerät 362 zur Aufzeichnung von Umgebungsdaten. Die Basisenergiekarte 206 stellt auch Energie für das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 bereit, wobei ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 358 und eine Batterieladersteuerung 360 verwendet werden. Die Basisenergiekarte 206 kommuniziert über einen seriellen Single-Ended-Bus 354, der eine Inter-Integrated Circuit (I2C) aufweist, sowie über eine serielle Peripherieschnittstelle einschließlich DMA (DSPI) 357 mit der Basisprozessorkarte 204. Die Basisenergiekarte 206 ist über eine Ein-/Ausgabe-Erweiterungsfunktion (I/O-Erweiterungsfunktion) 364, die in der Basisenergiekarte 206 implementiert ist, mit einem Neigungssensor und einem Radiofrequenzidentifikations-Modul (RFID-Modul) 208 verbunden.
Obwohl sie als getrennte Komponenten dargestellt sind, können alle oder eine Untergruppe der Komponenten bei anderen Ausgestaltungen physisch an verschiedenen Stellen angeordnet sein und/oder die Funktionen auf andere Art als bei der in 3A und 3B dargestellten kombiniert sein. Beispielsweise sind die Basisprozessorkarte 204 und die Benutzerschnittstellenkarte 202 bei einer Ausgestaltung in einer physischen Karte kombiniert.
Nun Bezug nehmend auf 4–9, ist dort eine beispielhafte Ausgestaltung eines Sondenendes 401 veranschaulicht, das ein Messsondengehäuse 102 mit einer mechanischen und elektrischen Schnellverbinder-Anschlussstelle aufweist, die das Koppeln einer entfernbaren und austauschbaren Vorrichtung 400 mit dem Gelenkarm-KMG 100 ermöglicht. Die Vorrichtung 400 umfasst bei der beispielhaften Ausgestaltung eine Umschließung 402, die einen Griffabschnitt 404 umfasst, der derart bemessen und geformt ist, dass er in einer Hand des Bedieners gehalten wird, also beispielsweise wie ein Pistolengriff. Die Umschließung 402 ist eine dünnwandige Struktur mit einem Hohlraum 406 (9). Der Hohlraum 406 ist derart bemessen und konfiguriert, dass er eine Steuervorrichtung 408 aufnimmt. Die Steuervorrichtung 408 kann eine digitale Schaltung, die beispielsweise einen Mikroprozessor aufweist, oder eine analoge Schaltung sein. Die Steuervorrichtung 408 steht bei einer Ausgestaltung in asynchroner bidirektionaler Kommunikation mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 (2 und 3). Die Kommunikationsverbindung zwischen der Steuervorrichtung 408 und dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 kann drahtgebunden (z. B. über eine Steuervorrichtung 420), eine direkte oder indirekte drahtlose Verbindung (z. B. Bluetooth oder IEEE 802.11) oder eine Kombination aus drahtgebundenen und drahtlosen Verbindungen sein. Bei der beispielhaften Ausgestaltung ist die Umschließung 402 in zwei Hälften 410, 412 ausgebildet, beispielsweise aus einem spritzgegossenen Kunststoffmaterial. Die Hälften 410, 412 können mit Befestigungsmitteln wie beispielsweise Schrauben 414 aneinander befestigt werden. Die Umschließungshälften 410, 412 können bei anderen Ausgestaltungen beispielsweise durch Klebstoffe oder Ultraschallschweißen aneinander befestigt werden.
Der Griffabschnitt 404 umfasst ferner Knöpfe bzw. Aktoren 416, 418, die der Bediener manuell einschalten kann. Die Aktoren 416, 418 sind an die Steuervorrichtung 408 gekoppelt, die ein Signal zu einer Steuervorrichtung 420 in dem Sondengehäuse 102 überträgt. Die Aktoren 416, 418 führen bei den beispielhaften Ausgestaltungen die Funktionen von Aktoren 422, 424 durch, die auf dem Sondengehäuse 102 gegenüber der Vorrichtung 400 angeordnet sind. Es versteht sich, dass die Vorrichtung 400 zusätzliche Schalter, Knöpfe oder andere Aktoren aufweisen kann, die ebenfalls zur Steuerung der Vorrichtung 400, des Gelenkarm-KMG 100 oder umgekehrt verwendet werden können. Die Vorrichtung 400 kann auch Anzeigevorrichtungen wie beispielsweise Leuchtdioden (LEDs), Schallerzeuger, Messgeräte, Anzeigen oder Prüfvorrichtungen umfassen. Die Vorrichtung 400 kann bei einer Ausgestaltung ein digitales Sprachaufzeichnungsgerät umfassen, das die Synchronisation von Sprachkommentaren mit einem gemessenen Punkt gestattet. Bei noch einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung 400 ein Mikrofon, das dem Bediener die Übertragung von durch Sprache aktivierten Befehlen an das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 gestattet.
Der Griffabschnitt 404 kann bei einer Ausgestaltung für die Benutzung mit einer der beiden Hände des Bedieners oder für eine bestimmte Hand (z. B. die linke Hand oder die rechte Hand) konfiguriert sein. Der Griffabschnitt 404 kann auch dafür konfiguriert sein, Bedienern mit Behinderungen (z. B. Bedienern mit fehlenden Fingern oder Bedienern mit Armprothesen) die Benutzung zu erleichtern. Ferner kann der Griffabschnitt 404 entfernt werden und das Sondengehäuse 102 allein benutzt werden, wenn der freie Raum begrenzt ist. Wie oben besprochen wurde, kann das Sondenende 401 auch die Welle der siebten Achse des Gelenkarm-KMG 100 umfassen. Bei dieser Ausgestaltung kann die Vorrichtung 400 derart angeordnet werden, dass sie sich um die siebte Achse des Gelenkarm-KMG dreht.
Das Sondenende 401 umfasst eine mechanische und elektrische Anschlussstelle 426 mit einem ersten Verbinder 429 (8) auf der Vorrichtung 400, der mit einem zweiten Verbinder 428 auf dem Sondengehäuse 102 zusammenwirkt. Die Verbinder 428, 429 können elektrische und mechanische Merkmale umfassen, die das Koppeln der Vorrichtung 400 an das Sondengehäuse 102 gestatten. Die Anschlussstelle 426 umfasst bei einer Ausgestaltung eine erste Oberfläche 430 mit einem mechanischen Koppler 432 und einem elektrischen Verbinder 434 darauf. Die Umschließung 402 umfasst ferner eine zweite Oberfläche 436, die angrenzend an die erste Oberfläche 430 positioniert und versetzt davon angeordnet ist. Die zweite Oberfläche 436 ist bei der beispielhaften Ausgestaltung eine flächige Oberfläche, die um einen Abstand von ungefähr 12 mm gegenüber der ersten Oberfläche 430 versetzt ist. Diese Versetzung stellt einen freien Raum für die Finger des Bedieners bereit, wenn ein Befestigungsmittel wie beispielsweise ein Bund 438 festgedreht oder gelöst wird. Die Anschlussstelle 426 stellt eine relativ schnelle und sichere elektronische Verbindung zwischen der Vorrichtung 400 und dem Sondengehäuse 102 zur Verfügung, ohne dass Verbinderstifte ausgerichtet werden müssen und ohne dass separate Kabel oder Verbinder erforderlich sind.
Der elektrische Verbinder 434 erstreckt sich von der ersten Oberfläche 430 aus und umfasst einen oder mehrere Verbinderstifte 440, die, beispielsweise über einen oder mehrere Armbusse 218, in asynchroner bidirektionaler Kommunikation elektrisch mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 (2 und 3) gekoppelt sind. Die bidirektionale Kommunikationsverbindung kann drahtgebunden (z. B. über den Armbus 218), drahtlos (z. B. Bluetooth oder IEEE 802.11) oder eine Kombination aus drahtgebundenen und drahtlosen Verbindungen sein. Bei einer Ausgestaltung ist der elektrische Verbinder 434 elektrisch an die Steuervorrichtung 420 gekoppelt. Die Steuervorrichtung 420 kann in asynchroner bidirektionaler Kommunikation mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 stehen, beispielsweise über einen oder mehrere Armbusse 218. Der elektrische Verbinder 434 ist derart positioniert, dass er eine relativ schnelle und sichere elektronische Verbindung mit einem elektrischen Verbinder 442 auf dem Sondengehäuse 102 zur Verfügung stellt. Die elektrischen Verbinder 434, 442 werden miteinander verbunden, wenn die Vorrichtung 400 am Sondengehäuse 102 befestigt wird. Die elektrischen Verbinder 434, 442 können jeweils ein in Metall eingekapseltes Verbindergehäuse umfassen, das eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen bereitstellt, die Verbinderstifte schützt und die Ausrichtung der Stifte während des Vorgangs der Befestigung der Vorrichtung 400 am Sondengehäuse 102 unterstützt.
Der mechanische Koppler 432 stellt eine relativ starre mechanische Kopplung zwischen der Vorrichtung 400 und dem Sondengehäuse 102 bereit, um relativ genaue Anwendungen zu halten, bei denen sich die Position der Vorrichtung 400 am Ende des Armabschnitts 104 des Gelenkarm-KMG 100 vorzugsweise nicht verschiebt bzw. bewegt. Ein etwaige solche Bewegung kann typisch zu einer unerwünschten Verschlechterung bei der Genauigkeit des Messergebnisses führen. Diese erwünschten Ergebnisse werden mit verschiedenen Strukturmerkmalen des mechanischen Befestigungs-Konfigurationsabschnitts der mechanischen und elektronischen Schnellverbinder-Anschlussstelle einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erzielt.
Der mechanische Koppler 432 umfasst bei einer Ausgestaltung einen ersten Vorsprung 444, der auf einem Ende 448 (der Vorderkante bzw. der „Front“ der Vorrichtung 400) angeordnet ist. Der erste Vorsprung 444 kann eine gekehlte, gekerbte oder abgeschrägte Anschlussstelle umfassen, die eine Lippe 446 bildet, die sich von dem ersten Vorsprung 444 aus erstreckt. Die Lippe 446 ist derart bemessen, dass sie in einem Schlitz 450 aufgenommen wird, der durch einen Vorsprung 452 definiert ist, der sich von dem Sondengehäuse 102 aus erstreckt (8). Es versteht sich, dass der erste Vorsprung 444 und der Schlitz 450 zusammen mit dem Bund 438 eine Koppleranordnung derart bilden, dass, wenn die Lippe 446 in dem Schlitz 450 positioniert ist, der Schlitz 450 dazu benutzt werden kann, sowohl die Längs- als auch die Seitenbewegung der Vorrichtung 400 zu beschränken, wenn sie am Sondengehäuse 102 befestigt ist. Wie im Folgenden ausführlicher besprochen wird, kann man die Drehung des Bunds 438 zum Befestigen der Lippe 446 im Schlitz 450 verwenden.
Gegenüber dem ersten Vorsprung 444 kann der mechanische Koppler 432 einen zweiten Vorsprung 454 umfassen. Der zweite Vorsprung 454 kann eine gekehlte, eine gekerbte Lippe aufweisende oder eine abgeschrägte Anschlussstellenoberfläche 456 umfassen (5). Der zweite Vorsprung 454 ist derart angeordnet, dass er ein dem Sondengehäuse 102 zugeordnetes Befestigungsmittel, beispielsweise den Bund 438, in Eingriff nimmt. Wie nachfolgend ausführlicher besprochen wird, umfasst der mechanische Koppler 432 eine über der Oberfläche 430 hervorstehende erhöhte Oberfläche, die an den elektrischen Verbinder 434 angrenzt oder rings um den elektrischen Verbinder 434 angeordnet ist, der einen Schwenkpunkt für die Anschlussstelle 426 bildet (7 und 8). Dieser dient als dritter von drei Punkten des mechanischen Kontakts zwischen der Vorrichtung 400 und dem Sondengehäuse 102, wenn die Vorrichtung 400 daran befestigt ist.
Das Sondengehäuse 102 umfasst einen Bund 438, der koaxial auf einem Ende befestigt ist. Der Bund 438 umfasst einen Gewindeabschnitt, der zwischen einer ersten Position (5) und einer zweiten Position (7) bewegt werden kann. Der Bund 438 kann durch seine Drehung zum Befestigen oder Entfernen der Vorrichtung 400 benutzt werden, ohne dass externe Werkzeuge erforderlich sind. Die Drehung des Bunds 438 bewegt ihn entlang eines Zylinders 474 mit einem relativ groben Flachgewinde. Die Verwendung eines solchen relativ großen Flachgewindes und solcher konturierter Oberflächen ermöglicht eine signifikante Klemmkraft bei minimalem Drehmoment. Die grobe Steigung der Gewinde des Zylinders 474 ermöglicht ferner das Festdrehen oder Lösen des Bunds 438 bei minimaler Drehung.
Zum Koppeln der Vorrichtung 400 an das Sondengehäuse 102 wird die Lippe 446 in den Schlitz 450 eingebracht und die Vorrichtung geschwenkt, um den zweiten Vorsprung 454 zu einer Oberfläche 458 hin zu drehen, wie es durch den Pfeil 464 angezeigt ist (5). Der Bund 438 wird gedreht, was dazu führt, dass er in der durch den Pfeil 462 angezeigten Richtung in Eingriff mit der Oberfläche 456 bewegt bzw. verschoben wird. Die Bewegung des Bunds 438 gegen die gewinkelte Oberfläche 456 führt den mechanischen Koppler 432 gegen die erhöhte Oberfläche 460. Dies hilft dabei, potentielle Probleme beim Verziehen der Anschlussstelle oder im Falle von Fremdobjekten auf der Oberfläche der Anschlussstelle zu überwinden, die den starren Sitz der Vorrichtung 400 am Sondengehäuse 102 beeinträchtigen könnten. Die Ausübung von Kraft durch den Bund 438 auf den zweiten Vorsprung 454 bewirkt, dass der mechanische Koppler 432 nach vorne bewegt wird, wobei er die Lippe 446 in einen Sitz auf dem Sondengehäuse 102 drückt. Während der Bund 438 weiter festgedreht wird, wird der zweite Vorsprung 454 unter Aufbringung von Druck auf einen Schwenkpunkt nach oben zu dem Sondengehäuse 102 hin gedrückt. Dies stellt eine Wippanordnung bereit, die Druck auf den zweiten Vorsprung 454, die Lippe 446 und den mittleren Schwenkpunkt aufbringt, um ein Verschieben oder Schaukeln der Vorrichtung 400 zu verringern oder zu eliminieren. Der Schwenkpunkt drückt direkt gegen die Unterseite des Sondengehäuses 102, während die Lippe 446 eine nach unten gerichtete Kraft auf das Ende des Sondengehäuses 102 ausübt. 5 enthält Pfeile 462, 464, um die Richtung der Bewegung der Vorrichtung 400 und des Bunds 438 anzuzeigen. 7 enthält Pfeile 466, 468, 470, um die Richtung des aufgebrachten Drucks in der Anschlussstelle 426 anzuzeigen, wenn der Bund 438 festgedreht wird. Es versteht sich, dass der Versetzungsabstand der Oberfläche 436 der Vorrichtung 400 einen Zwischenraum 472 zwischen dem Bund 438 und der Oberfläche 436 bildet (6). Der Zwischenraum 472 gestattet dem Bediener, den Bund 438 fester zu greifen, wobei sich zugleich das Risiko verringert, dass seine Finger während der Drehung des Bunds 438 eingeklemmt werden. Das Sondengehäuse 102 besitzt bei einer Ausgestaltung eine ausreichende Steifigkeit, um das Verziehen beim Festdrehen des Bunds 438 zu reduzieren oder zu verhindern.
Ausgestaltungen der Anschlussstelle 426 ermöglichen die korrekte Ausrichtung des mechanischen Kopplers 432 und des elektrischen Verbinders 434 und schützen außerdem die elektronische Anschlussstelle vor aufgebrachten Belastungen, die sonst wegen der Klemmwirkung des Bunds 438, der Lippe 446 und der Oberfläche 456 entstehen können. Daraus ergeben sich Vorteile bei der Reduzierung oder Eliminierung einer durch Belastung verursachten Beschädigung einer Leiterplatte 476, auf der die elektrischen Verbinder 432, 442 angebracht sind, die eventuell gelötete Anschlüsse aufweisen. Ferner bieten die Ausgestaltungen dahingehend Vorteile gegenüber bekannten Vorgehensweisen, dass ein Benutzer keine Werkzeuge benötigt, um die Vorrichtung 400 mit dem Sondengehäuse 102 zu verbinden oder sie davon zu lösen. Dies gibt dem Bediener die Möglichkeit, relativ leicht die Vorrichtung 400 manuell mit dem Sondengehäuse 102 zu verbinden oder sie davon zu lösen.
Wegen der relativ großen Anzahl abgeschirmter elektrischer Anschlüsse, die mit der Anschlussstelle 426 möglich sind, kann man eine relativ große Anzahl von Funktionen zwischen dem Gelenkarm-KMG 100 und der Vorrichtung 400 aufteilen. Beispielsweise können Schalter, Knöpfe oder andere Aktoren, die auf dem Gelenkarm-KMG 100 angeordnet sind, zur Steuerung der Vorrichtung 400 verwendet werden oder umgekehrt. Ferner können Befehle und Daten von dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 zu der Vorrichtung 400 übertragen werden. Die Vorrichtung 400 ist bei einer Ausgestaltung eine Videokamera, die Daten eines aufgenommenen Bilds überträgt, das in einem Speicher auf dem Basisprozessor 204 zu speichern oder auf der Anzeigevorrichtung 328 anzuzeigen ist. Bei einer anderen Ausgestaltung ist die Vorrichtung 400 ein Bildprojektor, der Daten von dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 empfängt. Zusätzlich dazu können Temperatursensoren, die entweder im Gelenkarm-KMG 100 oder in der Vorrichtung 400 angeordnet sind, untereinander aufgeteilt werden. Es versteht sich, dass Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung Vorteile bei der Bereitstellung einer flexiblen Anschlussstelle bieten, die das schnelle, leichte und zuverlässige Koppeln einer großen Vielfalt von Zusatzvorrichtungen 400 an das Gelenkarm-KMG 100 erlaubt. Ferner kann die Fähigkeit zur Aufteilung von Funktionen zwischen dem Gelenkarm-KMG 100 und der Vorrichtung 400 eine Reduzierung der Größe, des Energieverbrauchs und der Komplexität des Gelenkarm-KMG 100 ermöglichen, indem eine doppelte Bereitstellung verhindert wird.
Die Steuervorrichtung 408 kann bei einer Ausgestaltung den Betrieb oder die Funktionalität des Sondenendes 401 des Gelenkarm-KMG 100 ändern. Die Steuervorrichtung 408 kann beispielsweise Anzeigeleuchten auf dem Sondengehäuse 102 dahingehend ändern, dass sie, wenn die Vorrichtung 400 befestigt ist, entweder ein andersfarbiges Licht oder eine andere Lichtintensität emittieren oder sich zu anderen Zeitpunkten an-/ausschalten als bei alleiniger Benutzung des Sondengehäuses 102. Bei einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung 400 einen Entfernungsmesssensor (nicht dargestellt), der den Abstand zu einem Objekt misst. Die Steuervorrichtung 408 kann bei dieser Ausgestaltung die Anzeigeleuchten auf dem Sondengehäuse 102 ändern, um dem Bediener anzuzeigen, wie weit das Objekt von der Sondenspitze 118 entfernt ist. Bei einer anderen Ausgestaltung kann die Steuervorrichtung 408 die Farbe der Anzeigeleuchten auf Basis der Qualität des Bilds ändern, das von dem Scannergerät mit kodiertem strukturiertem Licht erfasst wurde. Dies bietet Vorteile bei der Vereinfachung der Anforderungen der Steuervorrichtung 420 und ermöglicht durch die Hinzufügung von Zusatzvorrichtungen eine verbesserte oder höhere Funktionalität.
Bezug nehmend auf 10–13, bieten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung Vorteile für die Schnittstellen von Projektor, Kamera, Signalverarbeitung, Steuerung und Anzeige bei einem kontaktlosen dreidimensionalen Messgerät 500. Das Gerät 500 umfasst ein Paar optischer Vorrichtungen wie beispielsweise einen Lichtprojektor 508 und eine Kamera 510, die ein strukturiertes Lichtmuster projizieren und ein zweidimensionales Muster auffangen, das von einem Objekt 501 reflektiert wurde. Bei dem Gerät 500 werden auf der Triangulation beruhende Verfahren auf Basis des bekannten emittierten Musters und des erfassten Bilds eingesetzt, um eine Punktwolke, die die x-, y- und z-Koordinatendaten des Objekts 501 verkörpert, für jedes Pixel des empfangenen Bilds zu ermitteln. Bei einer Ausgestaltung wird das strukturierte Lichtmuster derart kodiert, dass ein einziges Bild für die Ermittlung der dreidimensionalen Koordinaten von Objektpunkten ausreicht. Man kann ein solches kodiertes strukturiertes Lichtmuster auch als Messung dreidimensionaler Koordinaten in einer Einzelaufnahme bezeichnen.
Der Projektor 508 nutzt bei der beispielhaften Ausgestaltung eine Quelle sichtbaren Lichts, die einen Mustererzeuger beleuchtet. Die Quelle sichtbaren Lichts kann ein Laser, eine Superlumineszenzdiode, eine Glühlampe, eine Leuchtdiode (LED; light emitting diode) oder eine andere Leuchtvorrichtung sein. Bei der beispielhaften Ausgestaltung ist der Mustererzeuger eine Chrommaske mit einem auf ihr aufgeätzten strukturierten Lichtmuster. Die Maske kann ein einziges Muster oder mehrere Muster aufweisen, die sich je nach Bedarf in die oder aus der Position bewegen. Die Maske kann manuell oder automatisch in der Betriebsstellung eingebaut werden. Bei anderen Ausgestaltungen kann das Quellmuster ein Licht, das von einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD; digital micro-mirror device) wie beispielsweise einem von der Firma Texas Instruments Incorporation hergestellten digitalen Lichtprojektor (DLP) reflektiert oder durchgelassen wird, eine Flüssigkristallanzeige (LCD; liquid crystal display), eine Flüssigkristall-auf-Silizium-Vorrichtung (LCOS; liquid crystal on silicon) oder eine ähnliche Vorrichtung sein, die im Durchlassmodus statt im Reflexionsmodus betrieben wird. Der Projektor 508 kann ferner ein Linsensystem 515 umfassen, das das austretende Licht derart verändert, dass es die gewünschten Brennweiteneigenschaften aufweist.
Das Gerät 500 umfasst des Weiteren eine Umschließung 502 mit einem Griffabschnitt 504. Das Gerät 500 kann bei einer Ausgestaltung ferner eine Anschlussstelle 426 auf einem Ende umfassen, die das Gerät 500 wie vorstehend beschrieben mechanisch und elektrisch an das Sondengehäuse 102 koppelt. Bei anderen Ausgestaltungen kann das Gerät 500 in das Sondengehäuse 102 integriert sein. Die Anschlussstelle 426 bietet dahingehend Vorteile, dass sie dem Gerät 500 die Möglichkeit verschafft, schnell und problemlos an das Gelenkarm-KMG 100 gekoppelt und davon entfernt zu werden, ohne dass zusätzliche Werkzeuge erforderlich sind.
Die Kamera 510 umfasst einen photosensitiven Sensor, der ein digitales Bild bzw. eine digitale Darstellung des Bereichs innerhalb des Sichtfelds des Sensors erzeugt. Der Sensor kann ein Sensor vom Typ ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD; charge-coupled device) oder ein Sensor vom Typ komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS; complementary metal-oxide semiconductor) sein, der beispielsweise eine Pixelanordnung aufweist. Die Kamera 510 kann ferner andere Komponenten wie beispielsweise eine Linse 503 und andere optische Vorrichtungen umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Der Projektor 508 und die Kamera 510 sind bei der beispielhaften Ausgestaltung derart in einem Winkel angeordnet, dass der Sensor das von der Oberfläche des Objekts 501 reflektierte Licht auffangen kann. Bei einer Ausgestaltung werden der Projektor 508 und die Kamera 510 derart positioniert, dass das Gerät 500 mit der Sondenspitze 118 an ihrem Platz betrieben werden kann. Es versteht sich ferner, dass das Gerät 500 im Wesentlichen fest relativ zu der Sondenspitze 118 ist und dass auf den Griffabschnitt 504 einwirkende Kräfte nicht die Ausrichtung des Geräts 500 relativ zu der Sondenspitze 118 beeinflussen dürfen. Das Gerät 500 kann bei einer Ausgestaltung einen zusätzlichen Aktor (nicht dargestellt) aufweisen, der es dem Bediener ermöglicht, zwischen der Erfassung von Daten von dem Gerät 500 und der Erfassung von Daten von der Sondenspitze 118 umzuschalten.
Der Projektor 508 und die Kamera 510 sind elektrisch an eine Steuervorrichtung 512 gekoppelt, die in der Umschließung 502 angeordnet ist. Die Steuervorrichtung 512 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren, einen Speicher und Signalkonditionierschaltungen umfassen. Die Steuervorrichtung 512 kann wegen der digitalen Signalverarbeitung und des durch das Gerät 500 erzeugten großen Datenvolumens in dem Griffabschnitt 504 angeordnet werden. Die Steuervorrichtung 512 ist über den elektrischen Verbinder 434 elektrisch an die Armbusse 218 gekoppelt. Das Gerät 500 kann des Weiteren Aktoren 514, 516 umfassen, die der Bediener manuell einschalten kann, um den Betrieb und die Datenerfassung durch das Gerät 500 zu starten. Bei einer Ausgestaltung wird die Bildverarbeitung zur Ermittlung der x-, y- und z-Koordinatendaten der das Objekt 501 verkörpernden Punktwolke durch die Steuervorrichtung 512 durchgeführt und werden die Koordinatendaten über den Bus 240 zum elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 übertragen. Bei einer anderen Ausgestaltung werden Bilder zum elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 übertragen und erfolgt die Berechnung der Koordinaten durch das elektronische Datenverarbeitungssystem 210.
Die Steuervorrichtung 512 ist bei einer Ausgestaltung dafür konfiguriert, mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 zu kommunizieren, um Bilder strukturierter Lichtmuster vom elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 zu empfangen. Bei noch einer anderen Ausgestaltung kann das auf das Objekt emittierte Muster vom elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 entweder automatisch oder als Reaktion auf eine Eingabe des Bedieners verändert werden. Dies bietet möglicherweise Vorteile bei Messungen mit höherer Genauigkeit bei weniger Verarbeitungszeit, indem die Verwendung von Mustern ermöglicht wird, die einfacher zu dekodieren sind, wenn es die Bedingungen zulassen, und die Verwendung der komplexeren Muster ermöglicht wird, wenn der gewünschte Genauigkeitsgrad bzw. die gewünschte Auflösung erzielt werden soll.
Bei anderen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung umfasst das Gerät 520 (12) ein Paar Kameras 510. Die Kameras 510 sind in einem Winkel relativ zu dem Projektor 508 angeordnet, um das von dem Objekt 501 reflektierte Licht aufzufangen. Der Einsatz mehrerer Kameras 510 kann sich bei einigen Anwendungen dahingehend vorteilhaft auswirken, dass redundante Bilder bereitgestellt werden, um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen. Bei noch weiteren Ausgestaltungen können die redundanten Bilder schnell von dem Gerät 500 erfassbare Folgemuster ermöglichen, indem die Erfassungsgeschwindigkeit durch den abwechselnden Betrieb der Kameras 510 gesteigert wird.
Nun Bezug nehmend auf 13A und 13B, wird der Betrieb des für strukturiertes Licht vorgesehenen Geräts 500 beschrieben. Das Gerät 500 emittiert zuerst mit dem Projektor 508 ein strukturiertes Lichtmuster 522 auf die Oberfläche 524 des Objekts 501. Das strukturierte Lichtmuster 522 kann die Muster umfassen, die von Jason Geng in dem in den SPIE-Sitzungsprotokollen, Bd. 7932, veröffentlichten Journalartikel „DLP-Based Structured Light 3D Imaging Technologies and Applications“, der durch Verweis hierin einbezogen wird, offenbart werden. Das strukturierte Lichtmuster 522 kann ferner eines der in 14–32 dargestellten Muster umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Das Licht 509 des Projektors 508 wird von der Oberfläche 524 reflektiert und das reflektierte Licht 511 wird von der Kamera 510 aufgefangen. Es versteht sich, dass Abweichungen bei der Oberfläche 524 wie beispielsweise ein Vorsprung 526 Verzerrungen in dem strukturierten Muster erzeugen, wenn das Bild des Musters von der Kamera 510 aufgenommen wird. Da das Muster durch strukturiertes Licht gebildet wird, ist die Steuervorrichtung 512 oder das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 in einigen Fällen in der Lage, eine 1:1-Entsprechung zwischen den Pixeln in dem emittierten Muster, z. B. einem Pixel 513, und den Pixeln in dem bildlich erfassten Muster, z. B. einem Pixel 515, zu ermitteln. Dies bietet die Möglichkeit, Prinzipien der Triangulation einzusetzen, um die Koordinaten jedes Pixels in dem bildlich erfassten Muster zu ermitteln. Die Sammlung dreidimensionaler Koordinaten der Oberfläche 524 wird manchmal als „Punktwolke“ bezeichnet. Durch Bewegen des Geräts 500 über die Oberfläche 524 kann eine Punktwolke des gesamten Objekts 501 erzeugt werden. Es versteht sich, dass das Koppeln des Geräts 500 an das Sondenende bei einigen Ausgestaltungen dahingehend Vorteile bietet, dass die Position und die Orientierung des Geräts 500 dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 derart bekannt sind, dass die Position des Objekts 501 relativ zum Gelenkarm-KMG 100 ebenfalls festgestellt werden kann.
Für die Ermittlung der Koordinaten des Pixels ist bekannt, dass der Winkel jedes projizierten Lichtstrahls 509, der das Objekt 522 in einem Punkt 527 schneidet, einem Projektionswinkel Phi (Φ) entspricht, so dass die Φ-Information in das emittierte Muster hineinkodiert wird. Bei einer Ausgestaltung ist das System derart konfiguriert, dass es die Feststellung des Φ-Werts, der jedem Pixel in dem bildlich erfassten Muster entspricht, ermöglicht. Ferner sind ein Winkel Omega (Ω) für jedes Pixel in der Kamera sowie auch der Basislinienabstand „D“ zwischen dem Projektor 508 der Kamera bekannt. Demzufolge wird der Abstand „Z“ von der Kamera 510 zu derjenigen Stelle, die das Pixel bildlich erfasst hat, mittels folgender Gleichung ermittelt: Z / D = sin(Φ) / sin(Ω + Φ) (1)
Somit können dreidimensionale Koordinaten bei jedem Pixel in dem aufgenommenen Bild berechnet werden.
Im Allgemeinen gibt es zwei Kategorien von strukturiertem Licht, nämlich kodiertes und unkodiertes strukturiertes Licht. Ein übliche Form von unkodiertem Licht wie beispielsweise die in 14–17 sowie 28–30 dargestellte ist auf ein gestreiftes Muster angewiesen, das sich periodisch entlang einer Dimension ändert. Diese Typen von Mustern werden normalerweise in einer Abfolge angewendet, um einen ungefähren Abstand zu dem Objekt zu ermitteln. Einige Ausgestaltungen mit unkodierten Mustern wie beispielsweise den sinusförmigen Mustern können relativ hochgenaue Messungen ergeben. Damit diese Typen von Mustern jedoch nutzbar sind, müssen das Scannergerät und das Objekt in der Regel feststehend relativ zueinander gehalten werden. In den Fällen, in denen das Scannergerät und das Objekt sich bewegen (relativ zueinander), ist dann unter Umständen ein kodiertes Muster wie beispielsweise das in 18–27 dargestellte zu bevorzugen. Ein kodiertes Muster macht es möglich, dass das Bild mit einem einzigen aufgenommenen Bild analysiert wird. Manche kodierte Muster können in einer bestimmten Orientierung auf dem Projektormuster angeordnet werden (beispielsweise senkrecht zu Epipolarlinien auf der Projektorebene), wodurch die Analyse der dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten auf Basis eines einzigen Bilds vereinfacht wird.
Epipolarlinien sind mathematische Linien, die durch die Schnittlinie von Epipolarebenen und der Quellebene 517 oder der Bildebene 521 (der Ebene des Kamerasensors) in 13B gebildet werden. Eine Epipolarebene kann eine beliebige Ebene sein, die durch das perspektivische Zentrum 519 des Projektors und das perspektivische Zentrum der Kamera verläuft. Die Epipolarlinien auf der Quellebene 517 und der Bildebene 521 können in einigen Fällen parallel sein, doch im Allgemeinen sind sie nicht parallel. Ein Aspekt von Epipolarlinien besteht darin, dass eine bestimmte Epipolarlinie auf der Projektorebene 517 eine entsprechende Epipolarlinie auf der Bildebene 521 hat. Demnach kann ein etwaiges bestimmtes Muster, das auf einer Epipolarlinie in der Projektorebene 517 bekannt ist, unmittelbar in der Bildebene 521 beobachtet und ausgewertet werden. Wenn beispielsweise ein kodiertes Muster entlang einer Epipolarlinie in der Projektorebene 517 angeordnet wird, kann der Abstand zwischen den kodierten Elementen in der Bildebene 521 mit den aus den Pixeln des Kamerasensors 510 ausgelesenen Werten ermittelt werden. Diese Information kann dazu benutzt werden, die dreidimensionalen Koordinaten eines Punkts 527 auf dem Objekt 501 zu ermitteln. Es ist des Weiteren möglich, kodierte Muster in einem bezogen auf eine Epipolarlinie bekannten Winkel zu neigen und die Koordinaten der Objektoberfläche effizient zu extrahieren. In den 20–29 sind Beispiele für kodierte Muster dargestellt.
Bei Ausgestaltungen mit einem periodischen Muster wie beispielsweise einem sich sinusförmig wiederholenden Muster repräsentiert die Sinusperiode eine Vielzahl von Musterelementen. Da eine Multiplizität von periodischen Mustern in zwei Dimensionen vorliegt, sind die Musterelemente nicht kollinear. In einigen Fällen kann ein gestreiftes Muster mit Streifen unterschiedlicher Breite ein kodiertes Muster verkörpern.
Nun Bezug nehmend auf 14–17, sind dort Ausgestaltungen von unkodierten strukturierten Lichtmustern dargestellt. Einige der Muster haben ein einfaches Muster vom Typ An/Aus (oder 1, 0) und werden als „binäre Muster“ bezeichnet. Das binäre Muster hat in manchen Fällen bekannterweise eine bestimmte Abfolge, die als „Gray-Code-Sequenz“ bezeichnet wird. Der im Gebiet der dreidimensionalen Messtechnik gebrauchte Begriff „Gray-Code“, der auf strukturiertem Licht basiert, unterscheidet sich etwas von dem im Gebiet der Elektrotechnik benutzten Begriff, wo der Begriff „Gray-Code“ gewöhnlich die sequentielle Änderung eines Einzelbits zu einem Zeitpunkt bedeutet. Die vorliegende Anmeldung folgt dem Gebrauch des Begriffs „Gray-Code“, wie er in dem Gebiet der dreidimensionalen Messtechnik üblich ist, wo der Gray-Code normalerweise eine Abfolge von binären schwarzen und weißen Werten repräsentiert. 14A zeigt ein Beispiel für ein binäres Muster, das eine Vielzahl aufeinanderfolgender Bilder 530, 532, 534 umfasst, die jeweils ein unterschiedlich gestreiftes Muster auf sich aufweisen. In der Regel wechseln die Streifen zwischen hellen (beleuchteten) und dunklen (unbeleuchteten) gestreiften Bereichen ab. Manchmal werden die Begriffe „weiß“ und „schwarz“ derart gebraucht, dass sie beleuchtet bzw. unbeleuchtet bedeuten. Wenn also die Bilder 530, 532, 534 nacheinander wie in 14B auf die Oberfläche 524 projiziert werden, entsteht ein zusammengesetztes Bild 536. Es ist anzumerken, dass die unteren zwei Muster 535, 537 von 14B der Übersichtlichkeit halber in 14A nicht dargestellt sind. Für jeden Punkt auf dem Objekt 501 (der durch ein Kamerapixel in dem Bild verkörpert ist) hat das zusammengesetzte Muster 536 einen eindeutigen binären Wert, der durch die aufeinanderfolgende Projektion der Muster 530, 532, 534, 535, 537 erhalten wird, die einem relativ kleinen Bereich möglicher Projektionswinkel Φ entsprechen. Durch die Anwendung dieser Projektionswinkel zusammen mit dem bekannten Pixelwinkel Ω für ein bestimmtes Pixel sowie dem bekannten Basislinienabstand D gemäß Gleichung (1) kann der Abstand Z von der Kamera zu dem Objektpunkt ermittelt werden. Bei jedem Kamerapixel ist ein zweidimensionaler Winkel bekannt. Der zweidimensionale Winkel entspricht generell dem eindimensionalen Winkel Omega, der bei der Berechnung des Abstands Z gemäß Gleichung (1) verwendet wird. Eine Linie, die von jedem Kamerapixel durch das perspektivische Zentrum der Kamera gezogen wird und das Objekt in einem Punkt schneidet, definiert jedoch einen zweidimensionalen Winkel im Raum. Wenn sie mit dem berechneten Wert Z kombiniert werden, stellen die zwei Pixelwinkel dreidimensionale Koordinaten zur Verfügung, die einem Punkt auf der Objektoberfläche entsprechen.
In ähnlicher Weise kann statt eines binären Musters eine aufeinanderfolgende Serie von Graumustern verwendet werden, die Streifen mit variierenden Grauwerten aufweisen. Wenn er in diesem Kontext gebraucht wird, bezieht sich der Begriff „Grauwert“ gewöhnlich auf einen Beleuchtungsanteil an einem Punkt auf dem Objekt von weiß (maximales Licht) über verschiedene Grautöne (weniger Licht) bis schwarz (minimales Licht). Dieselbe Nomenklatur wird sogar dann gebraucht, wenn das projizierte Licht eine Farbe wie beispielsweise Rot aufweist und die Grauwerte Stufen der roten Beleuchtung entsprechen. Bei einer Ausgestaltung hat das Muster (15) eine Vielzahl von Bildern 538, 540, 542 mit Streifen, die unterschiedliche Lichtenergieanteile wie beispielsweise schwarz, grau und weiß aufweisen und zur Erzeugung eines emittierten Musters auf dem Objekt 501 dienen. Die Grauwerte können zur Ermittlung der möglichen Projektionswinkel Φ bis innerhalb eines relativ kleinen Bereichs möglicher Werte benutzt werden. Wie vorstehend besprochen wurde, kann die Gleichung (1) anschließend zur Ermittlung des Abstands Z verwendet werden.
Bei einer anderen Ausgestaltung kann man den Abstand Z zu einem Objektpunkt ermitteln, indem man eine bei einer Vielzahl von Bildern beobachtete Phasenverschiebung misst. Beispielsweise variieren die Grauwertintensitäten 546, 548, 550 eines Projektormusters 552 bei einer in 16 dargestellten Ausgestaltung in sinusförmiger Weise, wobei die Phase aber zwischen projizierten Mustern verschoben ist. Bei dem ersten Projektormuster kann die sinusförmige Grauwertintensität 546 (die die optische Energie pro Flächeneinheit repräsentiert) eine Phase von 0 Grad an einem bestimmten Punkt aufweisen. Bei dem zweiten Projektormuster hat die sinusförmige Intensität 548 eine Phase von 120 Grad am selben Punkt. Bei dem dritten Projektormuster kann die sinusförmige Intensität 550 eine Phase von 240 Grad am selben Punkt aufweisen. Es ist das Gleiche, wenn man diesbezüglich sagt, dass das sinusförmige Muster in jedem Schritt um ein Drittel einer Periode nach links (oder rechts) verschoben ist. Es wird ein Phasenverschiebungsverfahren eingesetzt, um eine Phase des projizierten Lichts an jedem Kamerapixel zu ermitteln, wodurch die Notwendigkeit entfällt, die Information von benachbarten Pixeln wie in dem Fall mit der Einzelaufnahme mit kodiertem Muster berücksichtigen zu müssen. Für die Ermittlung der Phase eines Kamerapixels können zahlreiche Verfahren eingesetzt werden. Ein Verfahren betrifft die Durchführung eines Multiplikations- und Aufsummierverfahrens und dann die Verwendung eines Arcustangens eines Quotienten. Dieses Verfahren ist dem durchschnittlichen Fachmann weithin bekannt und wird nicht weiter besprochen. Ferner entfällt mit dem Phasenverschiebungsverfahren das Hintergrundlicht bei der Berechnung der Phase. Aus diesen Gründen ist der für ein bestimmtes Pixel berechnete Z-Wert gewöhnlich genauer als derjenige Z-Wert, der mit dem Verfahren der Einzelaufnahme mit kodiertem Muster berechnet wird. Allerdings variieren bei einer einzigen Sammlung sinusförmiger Muster wie den in 16 dargestellten alle berechneten Phasen von 0 bis 360 Grad. Für ein bestimmtes Triangulationssystem mit strukturiertem Licht können diese berechneten Phasen angemessen sein, wenn die „Dicke“ des Prüfobjekts nicht zu stark variiert, weil der Winkel bei jedem projizierten Streifen vorzeitig bekannt ist. Falls das Objekt aber zu dick ist, kann eine Mehrdeutigkeit bei der für ein bestimmtes Pixel berechneten Phase entstehen, weil dieses Pixel möglicherweise aus einem ersten projizierten Lichtstrahl, der an einer ersten Position auf dem Objekt auftraf, oder einem zweiten projizierten Lichtstrahl, der an einer zweiten Position auf dem Objekt auftraf, erhalten wurde. Mit anderen Worten: wenn eine Möglichkeit besteht, dass die Phase bei einem beliebigen Pixel in der Kameraanordnung um mehr als 2π Radianten variieren kann, dann werden die Phasen eventuell nicht richtig dekodiert und wird die gewünschte 1:1-Entsprechung nicht erzielt.
17A zeigt eine Sequenz 1–4 von projizierten Gray-Code-Intensitäten 554 gemäß einem Verfahren, durch welches die Mehrdeutigkeit bei dem Abstand Z auf Basis einer berechneten Phase eliminiert werden kann. Eine Sammlung von Gray-Code-Mustern wird nacheinander auf das Objekt projiziert. Es gibt in dem dargestellten Beispiel vier Sequenzmuster, die an der linken Seite von 554 in 17A durch 1, 2, 3, 4 gekennzeichnet sind. Das Sequenzmuster 1 ist in seiner linken Hälfte (Elemente 0–15) dunkel (schwarz) und in seiner rechten Hälfte hell (weiß) (Elemente 16–31). Das Sequenzmuster 2 hat eine dunkle Bande zur Mitte hin (Elemente 8–23) und helle Banden zu den Rändern hin (Elemente 2–7, 24–31). Das Sequenzmuster 3 hat zwei voneinander getrennte helle Banden nahe der Mitte (Elemente 4–11, 20–27) und drei helle Banden (Elemente 0–3, 12–19, 28–31). Das Sequenzmuster 4 hat vier voneinander getrennte dunkle Banden (Elemente 2–5, 10–13, 18–21, 26–29) und fünf voneinander getrennte helle Banden (Elemente 0–1, 6–9, 14–17, 22–25, 30–31). Für jedwedes bestimmte Pixel in der Kamera ermöglicht diese Sequenz von Mustern die Verbesserung des „Objektdickenbereichs“ des Objekts um den Faktor 16 im Vergleich zu einem anfänglichen Dickenbereich, der allen Elementen 0 bis 31 entspricht.
Bei einem in 17C dargestellten anderen Verfahren 556 wird ein Phasenverschiebungsverfahren durchgeführt, das dem Verfahren von 16 ähnlich ist. Bei der in 17C dargestellten Ausgestaltung werden vier Sinusperioden eines Musters 556A auf ein Projekt projiziert. Aus den vorstehend besprochenen Gründen kann eine Mehrdeutigkeit bei dem Abstand Z zu einem Objekt bestehen, wenn das Muster von 17C benutzt wird. Eine Möglichkeit, diese Mehrdeutigkeit zu reduzieren oder zu eliminieren, besteht darin, ein oder mehrere zusätzliche sinusförmige Muster 556B, 556C zu projizieren, wobei jedes Muster eine unterschiedliche Streifenperiode (Teilung) aufweist. So wird beispielsweise in 17B ein zweites sinusförmiges Muster 555 mit drei statt vier Streifenperioden auf ein Objekt projiziert. Bei einer Ausgestaltung kann der Unterschied bei den Phasen für die zwei Muster 555, 556 dazu benutzt werden, eine Mehrdeutigkeit bei dem Abstand Z zum Ziel hilfreich zu eliminieren.
Ein anderes Verfahren zur Eliminierung der Mehrdeutigkeit besteht darin, einen anderen Verfahrenstyp wie beispielsweise das Gray-Code-Verfahren von 17A einzusetzen, um die Mehrdeutigkeit bei den Abständen Z zu eliminieren, die mit dem Verfahren der Verschiebung sinusförmiger Phasen berechnet wurden.
Bei Anwendungen, wo sich das Objekt und das Gerät 500 in relativer Bewegung zueinander befinden, ist es unter Umständen erstrebenswert, ein einziges Muster zu benutzen, das der Kamera 510 die Möglichkeit bietet, ein Bild aufzunehmen, das eine ausreichende Information für die Messung der dreidimensionalen Eigenschaften des Objekts 501 zur Verfügung stellt, ohne dabei aufeinanderfolgende Bilder projizieren zu müssen. Nun Bezug nehmend auf 18 und 19, haben die Muster 558, 566 eine Verteilung von Farben, die in einigen Fällen die Messung des Objekts auf Basis eines einzigen (kodierten) Bilds gestattet. Bei der Ausgestaltung von 18 werden bei dem Muster 558 Linien mit einer kontinuierlich räumlich variierenden Lichtwellenlänge benutzt, um ein Muster zu erzeugen, bei dem sich beispielsweise die Farbe kontinuierlich von blau zu grün zu gelb zu rot zu magenta ändert. Für jede bestimmte Spektralwellenlänge kann somit eine 1:1-Entsprechung zwischen dem emittierten Bild und dem abgebildeten Muster erfolgen. Mit der ermittelten Entsprechung kann man die dreidimensionalen Koordinaten des Objekts 501 aus einem einzigen bildlich erfassten Muster ermitteln. Die Streifen des Musters 558 sind bei einer Ausgestaltung senkrecht zu den Epipolarlinien auf der Projektorebene orientiert. Da die Epipolarlinien auf der Projektorebene als Epipolarlinien auf der Bildebene der Kamera abgebildet werden, kann eine Zuordnung zwischen Projektorpunkten und Kamerapunkten erzielt werden, indem eine Bewegung entlang der Richtung der Epipolarlinien in der Bildebene der Kamera erfolgt und die Farbe der Linie in jedem Fall registriert wird. Es versteht sich, dass jedes Pixel in der Bildebene der Kamera einem zweidimensionalen Winkel entspricht. Die Farbe ermöglicht die Ermittlung der 1:1-Entsprechung zwischen bestimmten Projektionswinkeln und bestimmten Kamerawinkeln. Diese Information über die Entsprechung reicht in Kombination mit dem Abstand zwischen der Kamera und dem Projektor (dem Basislinienabstand D) und den Winkeln von Kamera und Projektor relativ zu der Basislinie aus, um die Ermittlung des Abstands Z von der Kamera zum Objekt zu ermöglichen.
In 19 ist eine weitere Ausgestaltung mit Farbmustern dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung ist eine Vielzahl von farbigen Mustern mit unterschiedlichen Intensitäten 560, 562, 564 kombiniert, um ein Farbmuster 566 zu erzeugen. Die Vielzahl von Intensitäten 560, 562, 564 farbiger Muster besteht bei einer Ausgestaltung derart aus Primärfarben, dass das Muster 560 die Intensität der Farbe Rot, das Muster 562 die Intensität der Farbe Grün und das Muster 564 die Intensität der Farbe Blau verändern. Da die Verhältnisse der Farben bekannt sind, hat das daraus resultierende emittierte Bild ein bekanntes Verhältnis, das in dem bildlich erfassten Muster dekodiert werden kann. Wie bei der Ausgestaltung von 18 können die dreidimensionalen Koordinaten des Objekts 501 ermittelt werden, sobald die Entsprechung festgestellt ist. Anders als bei dem Muster von 18, bei dem ein einziger Zyklus eindeutiger Farben projiziert wird, projiziert das Muster von 19 drei komplette Zyklen von nahezu identischen Farben. Bei dem Muster von 18 besteht kaum eine Möglichkeit der Mehrdeutigkeit bei dem gemessenen Abstand Z (zumindest in dem Fall, in dem die projizierten Linien senkrecht zu den Epipolarlinien angeordnet sind), weil jedes Kamerapixel eine bestimmte Farbe erkennt, die einzig einer bestimmten Projektionsrichtung entspricht. Da der Kamerawinkel und die Projektionswinkel bekannt sind, kann man die Triangulation einsetzen, um die dreidimensionalen Koordinaten des Objekts an jeder Pixelposition unter Verwendung eines einzigen Kamerabilds zu ermitteln. Deshalb kann man das Verfahren von 18 als Verfahren mit kodierter Einzelaufnahme betrachten. Im Gegensatz dazu besteht in 19 eine Möglichkeit der Mehrdeutigkeit bei dem Abstand Z zu einem Objektpunkt. Wenn die Kamera beispielsweise eine Farbe Purpur sieht, hat der Projektor möglicherweise irgendeinen von drei verschiedenen Winkeln projiziert. Bezogen auf die Triangulationsgeometrie sind drei verschiedene Abstände Z möglich. Falls vorzeitig bekannt ist, dass die Dicke des Objekts innerhalb eines relativ kleinen Bereichs von Werten liegt, können dann zwei der Werte eliminiert werden, wodurch dreidimensionale Koordinaten in einer Einzelaufnahme erhalten werden. Im allgemeinen Fall wäre allerdings die Verwendung zusätzlicher projizierter Muster erforderlich, um die Mehrdeutigkeit zu eliminieren. Beispielsweise kann die räumliche Periode des farbigen Musters verändert und anschließend dazu benutzt werden, das Objekt ein zweites Mal zu beleuchten. In diesem Fall gilt dieses Verfahren des projizierten strukturierten Lichts als sequentielles Verfahren und nicht als Verfahren mit kodierter Einzelaufnahme.
Nun Bezug nehmend auf 20–23, sind dort kodierte strukturierte Lichtmuster für eine Einzelbilderfassung auf Basis eines Streifenindizierungsverfahrens dargestellt. Bei den Ausgestaltungen von 20 und 21 werden Muster mit Farbstreifen 568, 570 von dem Projektor 508 emittiert. Bei diesem Verfahren wird ein Merkmal von Bildsensoren verwendet, wobei der Sensor drei unabhängige Farbkanäle wie beispielsweise rot, grün und blau oder cyan, gelb und magenta aufweist. Die Kombination der durch diese Sensorkanäle erzeugten Werte kann eine große Anzahl farbiger Muster hervorbringen. Wie bei der Ausgestaltung von 19 ist das Verhältnis der Farbverteilung bekannt, so dass man das Verhältnis zwischen dem emittierten Muster und dem bildlich erfassten Muster ermitteln und die dreidimensionalen Koordinaten berechnen kann. Es können noch weitere Arten farbiger Muster wie beispielsweise ein auf der De-Bruijn-Folge basierendes Muster verwendet werden. Das Streifenindizierungsverfahren und die De-Bruijn-Folge sind dem durchschnittlichen Fachmann weithin bekannt und werden daher nicht weiter besprochen.
Bei den Ausgestaltungen von 22 und 23 wird ein Streifenindizierungsverfahren ohne Farben benutzt. Das Muster 572 stellt bei der Ausgestaltung von 22 Gruppen von Streifen mit mehreren Intensitätsniveaus (Grauwertniveaus) und verschiedenen Breiten bereit. Demzufolge hat eine bestimmte Streifengruppe im gesamten Bild ein eindeutiges Grauwertmuster. Bedingt durch die Eindeutigkeit der Gruppen kann eine 1:1-Entsprechung zwischen dem emittierten Muster und dem bildlich erfassten Muster für die Berechnung der Koordinaten des Objekts 501 ermittelt werden. Bei der Ausgestaltung von 23 stellt das Muster 574 eine Serie von Streifen mit einem segmentierten Muster zur Verfügung. Da jede Linie eine eindeutige Segmentauslegung aufweist, lässt sich die Entsprechung zwischen dem emittierten Muster und dem bildlich erfassten Muster für die Berechnung der Koordinaten des Objekts 501 ermitteln. In 20–23 können zusätzliche Vorteile erzielt werden, indem man die projizierten Linien 572, 574 senkrecht zu den Epipolarlinien in der Kameraebene orientiert, weil dies die Ermittlung einer zweiten Dimension beim Auffinden der 1:1-Entsprechung zwischen Kamera- und Projektormuster vereinfacht.
Nun Bezug nehmend auf 24–27, sind dort kodierte strukturierte Lichtmuster dargestellt, bei denen ein Verfahren mit einem zweidimensionalen räumlichen Gittermuster eingesetzt wird. Diese Arten von Mustern werden derart angeordnet, dass ein Unterfenster wie beispielsweise ein Fenster 576 in dem Muster 578 relativ zu anderen Unterfenstern innerhalb des Musters eindeutig ist. Bei der Ausgestaltung von 24 wird ein Muster 578 mit pseudozufälliger binärer Anordnung verwendet. Bei dem Muster 578 wird ein Gitter mit Elementen wie beispielsweise Kreisen 579 benutzt, die das kodierte Muster bilden. Es versteht sich, dass auch Elemente mit anderen geometrischen Formen wie beispielsweise Quadraten, Rechtecken und Dreiecken verwendet werden können, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Bei der Ausgestaltung von 25 ist ein Muster 580 mit einer mehrwertigen pseudozufälligen Anordnung dargestellt, wobei jeder der numerischen Werte eine zugeordnete Form 582 aufweist. Diese Formen 582 bilden ein eindeutiges Unterfenster 584, das die Entsprechung zwischen dem emittierten Muster und dem bildlich erfassten Muster für die Berechnung der Koordinaten des Objekts 501 ermöglicht. Bei der Ausgestaltung von 26 ist das Gitter 586 farbkodiert mit Streifen, die senkrecht zu der Projektorebene angeordnet sind. Das Muster von 26 stellt nicht zwangsläufig ein Muster zur Verfügung, das in einer Einzelaufnahme dekodiert werden kann, doch die Farbinformation kann dabei helfen, die Analyse zu vereinfachen. Bei der Ausgestaltung von 27 wird eine Anordnung 558 von farbigen Formen wie beispielsweise Quadraten oder Kreisen zur Bildung des Musters benutzt.
Nun Bezug nehmend auf die 28A–28B, ist dort ein beispielhaftes sinusförmiges Muster 720 dargestellt. Die Linien 734 sind bei einer Ausgestaltung senkrecht zu den Epipolarlinien auf der Projektorebene angeordnet. Das sinusförmige Muster 720 besteht aus bis zu 30 Linien 722, die einmal wiederholt werden, wobei sich eine Gesamtanzahl der Linien 722 von 60 ergibt. Jede Linie 722 hat ein Sinusmerkmal 723, das um ungefähr 180 Grad phasenverschoben zu der Linie darüber und der Linie darunter ist. Dies bietet den Linien 722 die Möglichkeit, so nahe wie möglich beieinander zu sein, und gestattet ferner eine größere Schärfentiefe, weil die Linien eventuell auf der projizierten Oberfläche oder dem erfassten Bild unscharf sind und dennoch erkannt werden. Jede einzelne Linie 722 kann eindeutig dekodiert werden, indem lediglich die Phase dieser Linie verwendet wird, wobei die Linienlänge mindestens eine Wellenlänge der Sinuskurve ausmachen muss.
Da das Muster 720 wiederholt wird, würde es normalerweise Mehrdeutigkeiten bei der Identifizierung der Linien hervorrufen. Dieses Problem wird in diesem System jedoch durch die Geometrie des Sichtfelds der Kamera und die Schärfentiefe gelöst. Bei einer Einzelaufnahme der Kamera – d. h. einer Reihe von Pixeln – innerhalb der Schärfentiefe, in welcher die Linien optisch aufgelöst werden können, können keine zwei Linien mit der gleichen Phase abgebildet werden. Beispielsweise kann die erste Pixelreihe in der Kamera nur reflektiertes Licht von den Linien 1–30 des Musters auffangen, wohingegen weiter unten im Kamerasensor eine andere Reihe nur reflektiertes Licht von den Linien 2–31 des Musters auffängt usw. In 28B ist ein vergrößerter Abschnitt des Musters 720 mit drei Linien dargestellt, wobei die Phase zwischen aufeinanderfolgenden Linien 722 ungefähr 180 Grad beträgt. Es ist auch dargestellt, wie die Phase jeder einzelnen Linie ausreicht, um die Linien eindeutig zu dekodieren.
Nun Bezug nehmend auf 29A–29B, ist dort ein anderes Muster 730 dargestellt, das Quadratmusterelemente aufweist. Die Linien 732 sind bei einer Ausgestaltung senkrecht zu den Epipolarlinien auf der Projektorebene angeordnet. Das Quadratmuster 730 enthält 27 Linien 732, bevor es wiederholt wird, und hat eine Gesamtlinienanzahl von 59. Die Code-Elemente 734 des Musters 730 unterscheiden sich durch die Phase der Rechteckwelle von links nach rechts in 29B. Das Muster 730 ist derart kodiert, dass eine Gruppe aufeinanderfolgender Linien 732 durch die relativen Phasen ihrer Elemente unterschieden wird. Die aufeinanderfolgenden Linien werden in dem Bild durch vertikales Abtasten der Linien gefunden. Bei einer Ausgestaltung bedeutet „vertikales Abtasten“ das Abtasten entlang den Epipolarlinien in der Bildebene der Kamera. Aufeinanderfolgende Linien in einer vertikalen Pixelspalte der Kamera werden zu einem Paar zusammengefügt und ihre relativen Phasen werden ermittelt. Es sind vier aufeinanderfolgende gepaarte Linien erforderlich, um die Liniengruppe zu dekodieren und sie in dem Muster 730 zu lokalisieren. Wegen der Wiederholung besteht auch eine Mehrdeutigkeit in diesem Muster 730, doch dies wird in der gleichen Weise gelöst, wie es vorstehend in Bezug auf das sinusförmige Muster 720 besprochen wurde. 29B zeigt eine vergrößerte Darstellung von vier Linien 732 des Quadratmusters. Diese Ausgestaltung zeigt, dass die Phase einer einzelnen Linie 732 allein nicht in der Lage ist, eine Linie eindeutig zu dekodieren, weil die erste und die dritte Linie die gleiche absolute Phase aufweisen.
Dieser Ansatz, die relativen Phasen gegenüber den absoluten Phasen zu kodieren, bringt dahingehend Vorteile, dass eine höhere Toleranz für die Positionen der Phasen vorliegt. Geringfügige Fehler bei der Konstruktion des Projektors, welche dazu führen können, dass die Phasen der Linien über die gesamte Schärfentiefe der Kamera verschoben werden, sowie Fehler, die durch Projektor- und Kameralinsen bedingt sind, erschweren die Ermittlung einer absoluten Phase beträchtlich. Dies lässt sich in dem Verfahren mit der absoluten Phase beheben, indem die Periode derart vergrößert wird, dass sie für die Behebung des Fehlers bei der Ermittlung der Phase groß genug ist.
Es versteht sich, dass bei dem Fall eines zweidimensionalen Musters, das ein kodiertes Lichtmuster projiziert, die drei nicht kollinearen Musterelemente wegen ihrer Codes erkennbar sind, und da sie in zwei Dimensionen projiziert werden, sind die mindestens drei Musterelemente nicht kollinear. In dem Fall des periodischen Musters wie beispielsweise bei dem sinusförmig wiederholten Muster repräsentiert jede Sinusperiode eine Vielzahl von Musterelementen. Da eine Multiplizität periodischer Muster in zwei Dimensionen vorhanden ist, sind die Musterelemente nicht kollinear. Im Gegensatz dazu liegen bei dem Fall des Laserlinienscanners, der eine Lichtlinie emittiert, alle Musterelemente auf einer geraden Linie. Obwohl die Linie eine Breite aufweist und das Ende des Linienquerschnitts eventuell weniger optische Energie aufweist als der Höchstwert des Signals, werden diese Aspekte der Linie bei der Ermittlung der Oberflächenkoordinaten eines Objekts nicht separat ausgewertet, so dass sie keine separaten Musterelemente repräsentieren. Obwohl die Linie mehrere Musterelemente enthalten kann, sind diese Musterelemente kollinear.
Ferner können die verschiedenen Verfahren mit Mustern gemäß der Darstellung in 30–31 kombiniert werden, um entweder ein binäres (30) unkodiertes Schachbrettmuster 590 oder ein farbiges (31) unkodiertes Schachbrettmuster 592 zu bilden. Bei noch einer weiteren Ausgestaltung, die in 32 dargestellt ist, kann ein photometrisches Stereoverfahren eingesetzt werden, wobei eine Vielzahl von Bildern 594 auf dem Objekt 501 aufgenommen wird und wobei die Lichtquelle 596 zu einer Vielzahl von Positionen bewegt wird.
Nun Bezug nehmend auf 33, ist dort eine andere Ausgestaltung eines Systems 700 zur Erfassung dreidimensionaler Koordinaten eines Objekts 702 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung kann das Gerät 704 unabhängig betrieben werden, wenn es von dem Gelenkarm-KMG 100 abgenommen ist. Das Gerät 704 umfasst eine Steuervorrichtung 706 und eine optionale Anzeige 708. Die Anzeige 708 kann in das Gehäuse des Geräts 704 integriert oder eine separate Komponente sein, die an das Gerät 704 gekoppelt wird, wenn es unabhängig vom Gelenkarm-KMG 100 benutzt wird. Bei Ausgestaltungen, wo die Anzeige 708 vom Gerät 704 trennbar ist, kann die Anzeige 708 eine Steuervorrichtung (nicht dargestellt) umfassen, die eine zusätzliche Funktionalität zur Verfügung stellt, um den unabhängigen Betrieb des Geräts 704 zu erleichtern. Die Steuervorrichtung 706 ist bei einer Ausgestaltung in der trennbaren Anzeige angeordnet.
Die Steuervorrichtung 706 umfasst eine Kommunikationsschaltung, die dafür konfiguriert ist, Daten wie beispielsweise Bilder oder Koordinatendaten drahtlos über eine Kommunikationsverbindung 712 an das Gelenkarm-KMG 100, an ein separates Rechengerät 710 oder eine Kombination beider zu übertragen. Das Rechengerät 710 kann, aber ohne darauf beschränkt zu sein, beispielsweise ein Computer, ein Laptop, ein Tablet-Computer, ein Personal Digital Assistant (PDA) oder ein Mobiltelefon sein. Die Anzeige 708 kann es dem Bediener ermöglichen, die erfassten Bilder oder die Punktwolke der erfassten Koordinaten des Objekts 702 anzusehen. Bei einer Ausgestaltung dekodiert die Steuervorrichtung 706 die Muster in dem erfassten Bild, um die dreidimensionalen Koordinaten des Objekts zu ermitteln. Bei einer anderen Ausgestaltung werden die Bilder von dem Gerät 704 erfasst und entweder zu dem Gelenkarm-KMG 100, dem Rechengerät 710 oder einer Kombination beider übertragen.
Das Gerät 704 kann ferner eine Positionsvorrichtungsbaugruppe 714 umfassen. Die Positionsvorrichtungsbaugruppe kann einen oder mehrere Navigations-Inertialsensoren umfassen, beispielsweise einen Sensor für das globale Positionsbestimmungssystem (GPS; Global Positioning System), einen Kreiselsensor, einen Beschleunigungssensor. Derartige Sensoren können elektrisch an die Steuervorrichtung 706 gekoppelt werden. Kreisel- und Beschleunigungssensoren können einachsige oder mehrachsige Vorrichtungen sein. Die Positionsvorrichtungsbaugruppe 714 ist dafür konfiguriert, der Steuervorrichtung 706 die Messung bzw. Beibehaltung der Orientierung des Geräts 704 zu ermöglichen, wenn letzteres von dem Gelenkarm-KMG 100 abgenommen ist. Ein Kreisel in der Positionsvorrichtungsbaugruppe 714 kann ein Kreiselgerät mit mikroelektromechanischem System (MEMS), ein Halbleiter-Ringlasergerät, ein faseroptisches Kreiselgerät oder ein anderer Typ sein.
Wenn das Gerät 704 von dem Gelenkarm-KMG 100 abgenommen ist, wird ein Verfahren zum Kombinieren von Bildern eingesetzt, die durch Mehrfachabtastungen erhalten wurden. Bei einer Ausgestaltung werden die Bilder jeweils durch den Einsatz kodierter Muster derart erhalten, dass nur ein einziges Bild für den Erhalt von dreidimensionalen Koordinaten notwendig ist, die einer bestimmten Position und Orientierung des Geräts 704 zugeordnet sind. Eine Methode zum Kombinieren mehrerer von dem Gerät 704 erfasster Bilder besteht darin, zumindest eine gewisse Überlappung zwischen benachbarten Bildern derart bereitzustellen, dass Punktwolkenmerkmale abgeglichen werden können. Diese Abgleichfunktion kann durch die oben beschriebenen Navigations-Inertialvorrichtungen unterstützt werden.
Ein weiteres Verfahren, das zur Unterstützung der genauen Registrierung der vom Gerät 704 erfassten Bilder eingesetzt werden kann, ist die Verwendung von Referenzmarkierungen. Bei einer Ausgestaltung sind die Referenzmarkierungen kleine Markierungen mit einer haftenden bzw. klebenden Rückschicht, also beispielsweise kreisförmige Markierungen, die auf einem oder mehreren zu messenden Objekten angeordnet werden. Selbst eine kleine Anzahl solcher Markierungen kann bei der Registrierung mehrerer Bilder von Nutzen sein, und zwar insbesondere dann, wenn das gemessene Objekt eine relativ kleine Anzahl von für die Registrierung nutzbaren Merkmalen aufweist. Bei einer Ausgestaltung können die Referenzmarkierungen als Lichtpunkte auf das bzw. die Prüfobjekte projiziert werden. Beispielsweise kann man einen kleinen tragbaren Projektor, der eine Vielzahl kleiner Punkte emittieren kann, vor dem bzw. den zu messenden Objekten anordnen. Ein Vorteil der projizierten Punkte gegenüber angeklebten Punkten besteht darin, dass die Punkte nicht befestigt und später entfernt werden müssen.
Das Gerät projiziert bei einer Ausgestaltung das strukturierte Licht über einen durchgehenden und umschlossenen Bereich 716 und kann ein Bild des Bereichs 716 in einer Entfernung von 100 mm bis 300 mm mit einer Genauigkeit von 35 µm erfassen. Bei einer Ausgestaltung macht der rechtwinklige Bereich 716 der Projektion ungefähr 150 bis 200 mm² aus. Die Kamera bzw. die Kameras 510 können eine Digitalkamera mit einem CMOS- oder CCD-Sensor mit 1,2–5,0 Megapixeln sein.
Bezug nehmend auf 28 und 29, wird das Verfahren der Dekodierung eines kodierten Musters beschrieben. Der erste Schritt bei der Dekodierung eines Bilds des Musters besteht darin, die Schwerpunkte (cog; centers of gravity) 724 (28C) der Merkmale des projizierten Musters 720 in der y-Richtung zu extrahieren. Dies wird durchgeführt, indem ein gleitender Durchschnitt der Pixel-Grauwerte berechnet wird und eine Abwärtsbewegung in y-Richtung erfolgt, wobei jeweils eine einzige Spalte verarbeitet wird. Wenn ein Pixelwert in einem Bild über dem gleitenden Durchschnitt liegt, ist dann ein Anfangspunkt für ein Merkmal gefunden. Nachdem der Anfangspunkt gefunden ist, wird die Breite des Merkmals immer größer, bis ein Pixelwert unter dem gleitenden Durchschnitt liegt. Anschließend wird mit den Pixelwerten und deren y-Positionen zwischen Anfangs- und Endpunkt ein gewichteter Durchschnitt errechnet, wobei sich der Schwerpunkt 724 des Mustermerkmals 723 in dem Bild ergibt. Die Abstände zwischen Anfangs- und Endpunkt werden ebenfalls für die spätere Verwendung aufgezeichnet.
Die daraus resultierenden Schwerpunkte 724 werden als Nächstes dazu benutzt, die Musterlinien 722 zu ermitteln. Dies wird durchgeführt, indem die Bewegung in der Richtung von links nach rechts erfolgt (in der in den Figuren dargestellten Richtung), wobei mit der ersten Spalte des Bilds begonnen wird. Für jeden Schwerpunkt 724 in dieser Spalte wird die unmittelbar rechts gelegene benachbarte Spalte nach einem Schwerpunkt 724 durchsucht, der in einem bestimmten Abstand liegt. Wenn zwei passende Schwerpunkte 724 gefunden sind, wurde dann eine potentielle Linie ermittelt. Während sich das Verfahren über das Bild bewegt, werden weitere neue Linien ermittelt und andere zuvor ermittelte Linien verlängert, während zusätzliche Schwerpunkte 724 innerhalb der Toleranz ermittelt werden. Sobald das gesamte Bild verarbeitet wurde, wird ein Filter an den extrahierten Linien angewandt, um zu gewährleisten, dass nur Linien mit einer gewünschten Länge, welche die Wellenlänge des Musters ist, in den übrigen Schritten benutzt werden. 28C zeigt auch die erfassten Linien, wobei sie alle länger als eine einzige Wellenlänge des Musters sind. Bei einer Ausgestaltung ist kein oder ein kleines Delta zwischen Schwerpunkten benachbarter Spalten vorhanden.
Der nächste Schritt in dem Dekodierungsverfahren besteht darin, die projizierten Mustermerkmale entlang den Linien in der x-Richtung in Form von Blockmitten zu extrahieren. Jedes Muster enthält sowohl breite als auch schmale Blöcke. In dem sinusförmigen Muster 720 bezieht sich dies auf die Gipfel und Täler der Welle und in dem Quadratmuster 730 auf die breiten und schmalen Quadrate bzw. Rechtecke. Dieses Verfahren geht in ähnlicher Weise wie das Extrahieren der Merkmale in der y-Richtung weiter; allerdings wird auch der gleitende Durchschnitt berechnet, wobei die im ersten Schritt ermittelten Breiten verwendet werden und die Richtung der Bewegung entlang der Linie verläuft. Wie oben beschrieben, werden die Merkmale in dem Bereich extrahiert, wo die Breiten über dem gleitenden Durchschnitt liegen, wobei jedoch in diesem Verfahren auch Merkmale in denjenigen Bereichen extrahiert werden, wo die Breiten unter dem gleitenden Durchschnitt liegen. Die Breiten und die x-Positionen dienen dazu, einen gewichteten Durchschnitt für die Ermittlung der Mitte des Blocks 726 in der x-Richtung zu berechnen. Die y-Positionen der Schwerpunkte 724 zwischen Überkreuzungen gleitender Durchschnitte werden ebenfalls verwendet, um eine Mitte des Blocks 726 in der y-Richtung zu berechnen. Dies wird durchgeführt, indem man den Durchschnitt der y-Koordinaten der Schwerpunkte bildet. Die Anfangs- und Endpunkte jeder Linie werden außerdem auf Basis der in diesem Schritt extrahierten Merkmale modifiziert, um zu gewährleisten, dass beide Punkte dort liegen, wo die Überkreuzung des gleitenden Durchschnitts auftritt. Bei einer Ausgestaltung werden lediglich komplette Blöcke in den späteren Verarbeitungsschritten verwendet.
Die Linien und Blöcke werden anschließend weiterverarbeitet, um zu gewährleisten, dass der Abstand zwischen den Blockmitten 726 auf jeder Linie innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegt. Dies wird ausgeführt, indem man das Delta zwischen den x-Mittenpositionen zwischen zwei benachbarten Blöcken auf einer Linie bildet und überprüft, ob das Delta unter der Toleranz liegt. Falls das Delta über der Toleranz liegt, wird die Linie dann in zwei kleinere Linien aufgetrennt. Falls die Auftrennung zwischen den letzten zwei Blöcken auf einer Linie erforderlich ist, wird dann der letzte Block entfernt und keine weitere Linie erzeugt. Falls die Auftrennung zwischen dem ersten und zweiten oder dem zweiten und dritten Block auf einer Linie notwendig ist, werden dann die Blöcke links von der Auftrennung ebenfalls verworfen und wird keine weitere Linie erzeugt. Bei Situationen, wo die Auftrennung an einer beliebigen anderen Stelle entlang der Linie erfolgt, wird die Linie in zwei Linien aufgetrennt, wird eine neue Linie erzeugt und werden die geeigneten Blöcke zu dieser übertragen. Nach diesem Verarbeitungsschritt benötigen die zwei Muster verschiedene Schritte zur Beendigung der Dekodierung.
Das sinusförmige Muster 720 kann nun mit einem weiteren Verarbeitungsschritt mittels der Blockmitten auf den Linien dekodiert werden. Der Modul jeder x-Blockmitte und die Wellenlänge des Musters 720 auf einer Linie 722 werden berechnet und der Durchschnitt dieser Werte ergibt die Phase der Linie 722. Die Phase der Linie 722 kann dann für die Dekodierung der Linie in dem Muster 720 verwendet werden, was wiederum die Ermittlung einer x-, y-, z-Koordinatenposition aller Schwerpunkte 724 auf dieser Linie 722 ermöglicht.
Vor der Dekodierung des Quadratmusters 730 werden die ersten Linien 732 vertikal verbunden, bevor irgendeine Dekodierung erfolgen kann. Dies macht es möglich, dass eine Gruppe von Linien identifiziert werden kann und nicht nur eine einzige Linie wie bei dem sinusförmigen Muster. Die Verbindungen 736 werden zwischen den Linien 732 ermittelt, indem man die Blöcke 734 und die in dem Block enthaltenen Schwerpunkte benutzt, die in dem ersten Verarbeitungsschritt berechnet wurden. Es wird der erste Schwerpunkt in jedem Block auf einer Linie 732 geprüft, um zu erkennen, ob ein anderer Schwerpunkt direkt darunter in derselben Spalte vorhanden ist. Falls es keinen Schwerpunkt darunter gibt, besteht dann keine Verbindung mit einer anderen Linie an diesem Punkt, so dass die Verarbeitung weitergeht. Falls ein Schwerpunkt darunter vorhanden ist, wird dann der y-Abstand zwischen den zwei Schwerpunkten ermittelt und mit dem Soll-Maximalabstand zwischen Linien verglichen. Falls der Abstand kleiner als dieser Wert ist, werden die zwei Linien als an diesem Punkt verbunden betrachtet, wird die Verbindung 736 gespeichert und geht die Verarbeitung am nächsten Block weiter. Bei einer Ausgestaltung ist eine Linienverbindung 736 derart eindeutig, dass keine zwei Linien mehr als eine Verbindung 736 zwischen sich aufweisen.
Der nächste Verarbeitungsschritt bei dem Quadratmuster 730 ist die Phasenberechnung zwischen verbundenen Linien. Jedes Paar Linien 732 wird zuerst verarbeitet, um die Länge der Überlappung zwischen ihnen zu ermitteln. Bei einer Ausgestaltung ist mindestens eine Wellenlänge der Überlappung zwischen dem Linienpaar vorhanden, um die Berechnung der relativen Phase zu gestatten. Wenn die Linien die gewünschte Überlappung aufweisen, wird dann der Schwerpunkt in der Mitte des Überlappungsbereichs ermittelt. Die Blöcke 738, die den Mittenschwerpunkt und den direkt darunter liegenden Schwerpunkt enthalten, werden ermittelt und die relative Phase zwischen den x-Blockmitten wird für diese Linienverbindung berechnet. Dieses Verfahren wird bei allen Verbindungen zwischen Linien wiederholt. Bei einer Ausgestaltung wird das Verfahren nur in Abwärtsrichtung bei der y-Achse wiederholt. Dies ist dadurch begründet, dass der Code auf Verbindungen unter Linien basiert und nicht anders herum oder nicht auf beiden. 29C zeigt die Blöcke 738, die für die Berechnung der relativen Phase bei diesem Satz von Linien verwendet werden könnte. Die relativen Phasen bei der Ausgestaltung von 29C sind 3, 1 und 2 und diese Phasen würden im letzten Schritt benutzt, um die oberste Linie zu dekodieren.
Der nächste Schritt bei der Dekodierung des Quadratmusters 730 ist die Durchführung einer Suche mit den im vorangehenden Schritt berechneten relativen Phasen. Jede Linie 732 wird verarbeitet, indem die Linienverbindungen 736 verfolgt werden, bis eine Verbindungstiefe von vier erreicht ist. Diese Tiefe wird verwendet, weil dies die Anzahl der Phasen für die Dekodierung der Linie ist. An jeder Ebene der Verbindung wird mittels der relativen Phase zwischen den Linien 732 ein Doppelkreuz bestimmt. Sobald die erforderliche Verbindungstiefe erreicht ist, wird das Doppelkreuz für die Suche des Liniencodes benutzt. Wenn das Doppelkreuz einen gültigen Code bestätigt, wird dies aufgezeichnet und in einem Wahlsystem gespeichert. Jede Linie 732 wird auf diese Weise verarbeitet und alle Verbindungen, die die gewünschte Tiefe aufweisen, werden zur Erzeugung einer Wahlstimme verwendet, wenn sie eine gültige Phasenkombination sind. Der letzte Schritt besteht dann darin, herauszufinden, welcher Code die meisten Wahlstimmen auf jeder Linie 732 erhielt, und den Code der Linie 732 diesem Wert zuzuordnen. Falls kein eindeutiger Code vorliegt, der die meisten Wahlstimmen erhielt, wird der Linie dann kein Code zugeordnet. Die Linien 732 sind identifiziert, sobald ein Code zugeordnet wurde, und die x-, y-, z-Koordinatenposition aller Schwerpunkte auf dieser Linie 732 kann jetzt ermittelt werden.
Es ist anzumerken, dass, obwohl in den oben angegebenen Beschreibungen basierend darauf, ob drei oder mehr Musterelemente kollinear sind, zwischen Linienscannern und Flächenscannern (Scannern mit strukturiertem Licht) unterschieden wird, die Absicht dieses Kriteriums darin besteht, Muster zu unterscheiden, die als Flächen und als Linien projiziert werden. Demzufolge sind Muster, die linear mit einer Information nur entlang eines einzigen Wegs projiziert werden, immer noch Linienmuster, obwohl das eindimensionale Muster gekrümmt sein kann.
Eine Schwierigkeit, die manchmal bei der Durchführung von Messungen mit einem Triangulationsscanner auftritt, der am Ende eines Gelenkarm-KMG befestigt ist, besteht darin, dass Kanten nicht sehr scharf sind. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Kante einen Radius oder eine Abschrägung aufweisen kann. Solche Kanten können Kanten von Bauteilen, Löcher in Bauteilen oder konturenscharfe Aspekte anderer Merkmale sein. Bei Linien- oder Flächenscannern sind möglicherweise Probleme mit unscharfen oder ungenau lokalisierten Kanten festzustellen. Obwohl die im zweidimensionalen (2D) Bild eines Triangulationsscanners betrachteten Kanten scharf sein können, ist der genaue Abstand zur Kante eventuell weniger gewiss. Ein Einzelpixel kann nahe einer Kante einen Abstand haben, der nicht eindeutig definiert ist. Bei einem Teil des in das Pixel reflektierten Lichts kann das Licht von einer flachen Oberfläche stammen. Bei einem anderen Teil des Pixels kann der Abstand der Abstand benachbarter Pixel an der Seite oder Unterseite eines Lochs sein oder im Falle einer Kante eines Bauteils ein ferner Abstand sein. In den meisten Fällen kann wegen einer Brennweitenabweichung der Linse, Linsenfehlern und einer begrenzten Modulationsübertragungsfunktion (MÜF) eine Vielzahl von Pixeln (statt eines Einzelpixels) einem Merkmal wie beispielsweise der Kante eines Lochs entsprechen. In diesem Fall kann der scheinbare Abstand zum Pixel nicht auf einen einzigen Abstand zu einem Punkt auf dem Objekt bestimmt werden, wenn sich der betreffende Punkt nahe einer Kante befindet. Der Begriff „Mischpixel“ wird manchmal dazu gebraucht, den Fall zu bezeichnen, in welchem der Abstand, der einem Einzelpixel auf dem Endbild zugeschrieben ist, durch eine Vielzahl von Abständen auf dem Objekt ermittelt wird. In einem solchen Fall kann der durch den Triangulationsscanner für das betreffende Pixel ermittelte Abstand ein einfacher Mittelwert der Abstände über den Bereich des Pixels sein. In anderen Fällen kann der durch den Triangulationsscanner ermittelte Abstand ein ganz verschiedener Wert sein wie beispielsweise dann, wenn während eines Phasenverschiebungsverfahrens ein „Mehrdeutigkeitsbereich“ überschritten wird. Der Abstand kann in diesem Fall um einen Betrag fehlerhaft sein, der schwer vorherzusagen ist.
Gemäß einer Ausgestaltung werden bei einer Lösung dieses Problems die scharfen Kanten verwendet, die in einem oder mehreren 2D-Bildern des gemessenen Merkmals auftreten. In vielen Fällen können solche Kantenmerkmale in 2D-Bildern eindeutig identifiziert werden, beispielsweise auf Basis von Texturschattierungen. Diese scharfen Kanten können koordiniert mit denjenigen Oberflächenkoordinaten ermittelt werden, die unter Einsatz der Triangulationsverfahren genau ermittelt werden. Die 3D-Koordinaten der Kantenmerkmale können genau ermittelt werden, indem man die projizierten Strahlen, die durch das perspektivische Zentrum der Linse im Triangulationsscanner durchgehen, mit den 3D-Koordinaten des Abschnitts der Oberfläche schneidet, der mit relativ hoher Genauigkeit durch Triangulationsverfahren ermittelt wurde.
Es versteht sich ferner, dass Kanten, die in einem Bild zu sehen sind, niemals vollkommen scharf sind, so dass eine unvollkommene Kantendiskontinuität (zum Beispiel eine Rundung) relativ breit sein muss, damit sie von einer Kamera eindeutig erkannt wird. Eine Position einer unvollkommenen Kante kann dennoch berechnet werden, wenn man die hierin besprochenen Verfahren (beispielsweise die Bestimmung eines Flächenschwerpunkts) einsetzt, um einen Kantenwert bis zur Subpixelauflösung zu erhalten. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass, obwohl eine Kamera auf Subpixelebene auf die Breite einer Kante reagiert, die hier angegebenen Verfahren noch gültig sind, weil es eine generell geringere Ungewissheit bei der Position einer Kante aus einem 2D-Bild gibt als aus einem 3D-Bild, das im Vergleich zu 2D-Bildern ein relativ größeres Ausmaß an Datenrauschen aufweist. In einigen Fällen treffen sich die Oberflächen, wobei sie einen im Wesentlichen 90 Grad großen Winkel bilden. In anderen Fällen können sich die Oberflächen mit einer Zwischenoberfläche treffen, die um weniger als 90 Grad (z. B. 45 Grad) gewinkelt ist, also beispielsweise einer Abschrägung bzw. Fase. In weiteren Fällen kann eine gekrümmte Zwischenoberfläche wie beispielsweise eine Rundung vorhanden sein. In noch weiteren Fällen kann die Kante „unterbrochen“ sein, beispielsweise dort, wo die Schnittlinie der Oberflächen z. B. mit einer Feile oder Raspel bearbeitet ist. Die hierin offenbarten Verfahren sind für Kanten mit diesen Merkmalen gültig. Bei einigen Ausgestaltungen können empirische Daten erfasst werden, um zu verstehen, wie sich der Kantenkontrast im aufgenommenen Bild unter den vorgeschriebenen Beleuchtungsbedingungen ändert.
Bezug nehmend auf 34–36, wird ein Beispiel für das vorstehend beschriebene Verfahren für die Ausgestaltung ausführlicher erläutert, die ein Objekt mit einem Loch aufweist. Die Kamera 508 des Triangulationsscanners 3400 nimmt das Bild des Lichts auf, das durch den Projektor 510 auf die Oberfläche eines Objekts projiziert und von der Objektoberfläche reflektiert wird. Die reflektierten Lichtstrahlen gehen durch das perspektivische Zentrum 3414 der Kameralinse 3412 auf eine photosensitive Anordnung 3416 in der Kamera durch. Die photosensitive Anordnung sendet ein elektrisches Signal an eine elektrische Leiterplatte 3420, die einen Prozessor für die Verarbeitung digitaler Bilddaten umfasst. Der Prozessor ermittelt unter Einsatz der vorstehend beschriebenen Triangulationsverfahren die 3D-Koordinaten jedes Punkts auf der Objektoberfläche. Es versteht sich, dass das projizierte Licht einen Bereich in einem einzigen projizierten Bild oder einen begrenzteren Bereich wie beispielsweise einen Streifen oder einen Bildpunkt abdecken kann. Die hierin gegebenen Anmerkungen gelten für jeden dieser Fälle.
Das Verfahren zum Kombinieren des 2D-Bilds, das von einer Kamera, die bei einigen Ausgestaltungen die Kamera 508, in anderen Fällen aber eine separate Kamera 3410 sein kann, aufgenommen wurde, besteht darin, die den Kanten des Lochs 3432A, 3432B entsprechenden Lichtstrahlen 3440, 3442, die von der photosensitiven Anordnung 3416 anhand der entsprechenden Punkte auf der photosensitiven Anordnung 3416 erfasst wurden, derart zu projizieren, dass diese Strahlen die Kanten der Oberfläche 3430A, 3430B schneiden. Dieser Schnittpunkt legt die 3D-Kantenkoordinaten fest.
Dieses Verfahren ist klarer verständlich, wenn man das Beispiel eines Objekts 3600 betrachtet, das einen flachen Bereich 3610 aufweist, in den ein Loch 3620 gebohrt ist. Ein Bereich erstreckt sich von der Kante des Lochs 3620 zu einer Umfangsgrenze 3622, bei der wegen der vorstehend besprochenen Mischpixeleffekte ein relatives hohes Niveau der Ungewissheit besteht. Es wird auf Basis einer grundsätzlichen Kenntnis des untersuchten Bauteils angenommen, dass die Kante (in diesem Fall eines Lochs) scharf ist und die Oberfläche generell flach ist. Die 3D-Koordinaten der scharfen Kanten des Lochs können demzufolge mit relativ hoher Genauigkeit ermittelt werden, indem das 2D-Bild des Lochs durch das perspektivische Zentrum der Linse auf den flachen Bereich, bei dem die Koordinaten mittels Triangulation ermittelt wurden, projiziert wird. In ähnlicher Weise lassen sich die 3D-Koordinaten beliebiger Arten scharfer Kanten ermitteln.
Bei einer Ausgestaltung wird ein den Ungewissheitsabstand 3424 betreffendes Merkmal des Triangulationssystems zur Verfügung gestellt. Der Ungewissheitsabstand basiert in einigen Fällen zumindest teilweise auf dem Ausmaß des in einem Bereich beobachteten Rauschens oder einem Maß der „Glattheit“ von Kanten. In Bereichen mit hohem Rauschen oder geringer Glattheit kann der Ungewissheitsabstand erhöht sein. Es können auch andere Faktoren wie beispielsweise der Lichtpegel, der ein Pegel des Umgebungslichts oder ein Pegel der durch die Vorrichtung 401 bereitgestellten Beleuchtung sein könnte, bei der Ermittlung eines geeigneten Ungewissheitsabstands 3424 berücksichtigt werden.
Es wird nun anhand von 37 ein Verfahren 3700 zur Ermittlung von 3D-Koordinaten eines auf einem Kantenmerkmal befindlichen Kantenpunkts mittels eines kontaktlosen 3D-Messgeräts, das eine Kombination aus einem Projektor, einer Scannerkamera und einer Kantenerfassungskamera umfasst, beschrieben. In einem Schritt 3705 wird ein Gelenkarm-KMG bereitgestellt, das einen Projektor, eine Scannerkamera, einen Kantenerfassungsscanner und einen Prozessor umfasst. Das Gelenkarm-KMG umfasst ferner mechanische Elemente wie beispielsweise einen Armabschnitt, der drehbar an einen Sockel gekoppelt ist. Jedes Armsegment umfasst mindestens ein Positionsmessgerät, das in den meisten Fällen ein Winkelkodierer ist. Das Positionsmessgerät erzeugt ein Positionssignal, das normalerweise ein Winkelmesswert ist. Das Positionssignal kann als Reaktion auf das Bewegen des Armabschnitts durch einen Bediener erzeugt werden. Ein Ende des Armabschnitts ist am Sockel befestigt und das andere Ende ist an einem Sondenende befestigt. Das kontaktlose 3D-Messgerät (einschließlich Projektor, Scannerkamera und Kantenerfassungsscanner) ist an ein Sondenende gekoppelt. Es versteht sich, dass die Kantenerfassungskamera dieselbe Kamera wie die Scannerkamera oder eine von der Scannerkamera verschiedene Kamera sein kann. Die Projektorkamera hat ein perspektivisches Zentrum des Projektors, durch welches Strahlen eines ersten Lichtmusters bei der Bewegung zu einem Objekt durchgehen. Das erste Lichtmuster kann ein strukturiertes Licht des vorstehend beschriebenen Typs sein, wobei das erste Muster möglicherweise ein kodiertes Muster oder Folgemuster ist. Alternativ dazu kann das erste Muster als Lichtlinie oder als Lichtpunkt projiziert werden. Die Lichtstrahlen können aus einem Lichtmuster entstehen, das von einer MEMS-Anordnung reflektiert oder durch eine einzelne Lichtquelle, die das Licht durch geeignete optische Elemente sendet, erzeugt wird.
Eine elektronische Schaltung im Gelenkarm-KMG empfängt in einem Schritt 3710 ein Positionssignal der Positionsmessgeräte in den Armsegmenten und sendet ein erstes elektrisches Signal an den Prozessor. Das Positionssignal kann als Reaktion darauf erzeugt werden, dass der Bediener das kontaktlose 3D-Messgerät von einer ersten Position zu einer zweiten Position, die an das zu messende Objekt angrenzt, bewegt. Die hierin verwendete zweite Position ist derart angeordnet, dass das Objekt innerhalb des Betriebsbereichs des Sichtfelds und der Brennweite des kontaktlosen 3D-Messgeräts liegt. In einem Schritt 3715 schaltet der Bediener das kontaktlose 3D-Messgerät ein, indem er beispielsweise einen Aktor drückt, und emittiert der Projektor ein erstes Lichtmuster auf das Objekt. Die Scannerkamera fängt in einem Schritt 3720 das vom Objekt reflektierte erste Lichtmuster auf. Die Scannerkamera sendet als Reaktion auf das Auffangen des reflektierten Lichts ein zweites elektrisches Signal an den Prozessor.
Die Kantenerfassungskamera fängt in einem Schritt 3725 ein vom Objekt reflektiertes zweites Licht auf und sendet als Reaktion ein drittes elektrisches Signal an den Prozessor. Ein Teil des zweiten Lichts wird von einem Kantenmerkmal des Objekts reflektiert, wobei der Kantenpunkt ein Punkt auf dem Kantenmerkmal ist. Das zweite Licht kann aus verschiedenen Quellen stammen. Es kann ein Umgebungslicht sein, das von Hintergrundlichtquellen in der Umgebung kommt. Das zweite Licht kann zweckbestimmt von einem an das Sondenende gekoppelten Lichtquellenelement emittiert werden. Die Lichtquelle kann eine gleichmäßige Beleuchtung über die Oberfläche bereitstellen. Das zweite Licht kann zu einem anderen Zeitpunkt als das erste Lichtmuster gesendet werden.
In einem Schritt 3730 ermittelt der Prozessor erste 3D-Koordinaten erster Punkte auf einer Oberfläche des Objekts. Diese ersten 3D-Punkte basieren zumindest teilweise auf dem ersten Lichtmuster des Projektors und dem zweiten elektrischen Signal, das aus dem von der Scannerkamera aufgenommenen Bild entsteht. Die 3D-Koordinaten der ersten Punkte auf der Oberfläche werden mittels Triangulationsverfahren im lokalen Bezugssystem des Projektors und der Scannerkamera ermittelt. Die Position der Objektoberfläche in einem Bezugssystem des Gelenkarm-KMG kann ermittelt werden, indem man außerdem die ersten elektrischen Signale einbezieht.
In einem Schritt 3735 ermittelt der Prozessor ferner einen ersten Strahl, wobei der erste Strahl von dem Objekt zu dem Objekt geht. Der erste Strahl ist derjenige Strahl, der vom Kantenpunkt durch das perspektivische Zentrum der Kantenerfassungskamera durchgeht. Der Prozessor ermittelt den ersten Strahl basierend zumindest teilweise auf dem dritten elektrischen Signal, das die Kante in dem Bild einer photosensitiven Anordnung in der Kantenerfassungskamera erfasst. Zusätzlich dazu basiert der erste Strahl auf dem ersten elektrischen Signal, das für die Ermittlung des ersten Strahls im Bezugsystem des Gelenkarm-KMG benötigt wird. Der erste Strahl kann als Vektor im Bezugssystem des Gelenkarm-KMG dargestellt werden.
Der Prozessor ermittelt in einem Schritt 3740 ferner 3D-Koordinaten des Kantenpunkts basierend zumindest teilweise auf einem Schnittpunkt des ersten Strahls mit den ersten 3D-Koordinaten der ersten Oberfläche. Dies kann durchgeführt werden, indem ein charakteristischer Abstand, über welchen 3D-Daten als weniger genau als erwünscht angesehen werden, ermittelt wird. Der charakteristische Abstand kann auf einer einem bestimmten System zugeordneten Regel oder auf der Bildqualität – beispielsweise zackenförmigen Kanten oder Rauschen in 3D-Punkten nahe der Kante – beruhen. Die generelle Methode besteht darin, mathematisch eine glatte Oberfläche (durch 3D-Punkte gekennzeichnet) entlang eines durchgehenden Wegs über den charakteristischen Abstand zu projizieren, bis die glatte Oberfläche den ersten Strahl schneidet. Eine große Anzahl erster Strahlen entlang einer Kante zeigt in den meisten Fällen auf ein Kantenmerkmal und wird derart projiziert, dass sie eine Projektion einer glatten Oberfläche schneidet, wodurch eine genauere Ermittlung von 3D-Punkten auf und nahe dem Kantenmerkmal ermöglicht wird. In einem Schritt 3745 werden die 3D-Koordinaten des Kantenpunkts gespeichert.
Es versteht sich, dass das Koppeln eines kontaktlosen 3D-Messgeräts an ein Gelenkarm-KMG, das manuell von einem Bediener bewegt wird, Vorteile gegenüber anderen Systemen wie denjenigen, die Robotersysteme nutzen, haben kann. Im Allgemeinen ist ein Gelenkarm-KMG in der Lage, die Position des kontaktlosen 3D-Messgeräts im Raum (relativ zum lokalen Gelenkarm-KMG-Koordinatensystem) weitaus genauer als ein Robotersystem zu ermitteln. Außerdem kann ein Bediener die Gelenkarmsegmente des Gelenkarm-KMG zu diesem Zweck bewegen, um das kontaktlose 3D-Messgerät in einer Position für die Messung einer gewünschten Oberfläche eines beliebigen Objekts im Betriebsbereich des Gelenkarm-KMG anzuordnen. Ein Robotersystem würde andererseits eine komplexe Programmierung erforderlich machen, um die Bewegung des Roboters zu definieren, was den Zeitraum und die Kosten für die Durchführung einer gleichwertigen Abtastung des Objekts erhöht.
Obwohl die Erfindung anhand von Beispielausgestaltungen beschrieben wurde, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente an Stelle von Merkmalen davon eingesetzt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Ferner können zahlreiche Modifikationen erfolgen, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzbereich abzuweichen. Es ist demzufolge beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmte Ausgestaltung beschränkt ist, die als die zur Durchführung dieser Erfindung beste Ausführungsform erachtete offenbart wurde, sondern dass die Erfindung alle Ausgestaltungen umfasst, die im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen. Ferner bedeutet die Verwendung der Begriffe „erster“, „zweiter“ usw. nicht irgendeine Reihenfolge oder Bedeutsamkeit, sondern werden die Begriffe „erster“, „zweiter“ usw. vielmehr zur Unterscheidung eines Merkmals von einem anderen verwendet. Darüber hinaus bedeutet die Verwendung der Begriffe „ein“, „eine“ usw. nicht eine Beschränkung der Menge, sondern vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem des Gegenstands, auf den Bezug genommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8533967 [0001]
US 5402582 [0004, 0041, 0051]
US 5611147 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE 802.11 [0055]
IEEE 802.11 [0059]

Claims

Verfahren zur Messung eines Kantenpunkts mit einem tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen des Gelenkarm-KMG, wobei das Gelenkarm-KMG Folgendes umfasst: einen Sockel, einen manuell positionierbaren Armabschnitt mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Armabschnitt drehbar an den Sockel gekoppelt ist, wobei der Armabschnitt eine Vielzahl von verbundenen Armsegmenten umfasst, wobei jedes Armsegment mindestens ein Positionsmessgerät zur Erzeugung eines Positionssignals umfasst, einen Prozessor, eine elektronische Schaltung, ein an das erste Ende gekoppeltes Sondenende, ein an das Sondenende gekoppeltes kontaktloses 3D-Messgerät, wobei das kontaktlose 3D-Messgerät einen Projektor und eine Scannerkamera aufweist, wobei das Gelenkarm-KMG ferner eine an das Sondenende gekoppelte Kantenerfassungskamera umfasst, wobei die Kantenerfassungskamera eine von der Scannerkamera oder einer von der Scannerkamera verschiedenen zweiten Kamera ist; Bewegen des kontaktlosen 3D-Messgeräts von einer ersten Position zu einer zweiten Position durch einen Bediener, wobei die zweite Position an ein Objekt angrenzt; Empfangen des Positionssignals des mindestens einen Positionsmessgeräts in jedem Armsegment durch die elektronische Schaltung als Reaktion auf das Bewegen des kontaktlosen 3D-Messgeräts durch den Bediener; Senden eines ersten elektrischen Signals von der elektronischen Schaltung an den Prozessor als Reaktion auf das Positionssignal; Einschalten des kontaktlosen 3D-Messgeräts durch einen Bediener; Emittieren eines ersten Lichtmusters aus dem Projektor auf das Objekt als Reaktion auf das Einschalten des kontaktlosen 3D-Messgeräts durch den Bediener; Auffangen des vom Objekt reflektierten ersten Lichtmusters mit der Scannerkamera und Senden eines zweiten elektrischen Signals an den Prozessor als Reaktion; Auffangen eines von einem Kantenmerkmal des Objekts reflektierten zweiten Lichts mit der Kantenerfassungskamera und Senden eines dritten elektrischen Signals an den Prozessor als Reaktion, wobei das Kantenmerkmal einen Kantenpunkt aufweist, wobei der Kantenpunkt ein Punkt auf dem Kantenmerkmal ist; Ermitteln eines ersten Satzes von 3D-Koordinaten erster Punkte auf einer Oberfläche des Objekts mit dem Prozessor, wobei der erste Satz von 3D-Koordinaten zumindest teilweise auf dem ersten Lichtmuster des Projektors, dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal basiert; ferner Ermitteln eines ersten Strahls von der Kantenerfassungskamera zum Objekt mit dem Prozessor, wobei der erste Strahl zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal und dem dritten elektrischen Signal basiert; ferner Ermitteln eines zweiten Satzes von 3D-Koordinaten des Kantenpunkts mit dem Prozessor basierend zumindest teilweise auf einem Schnittpunkt des ersten Strahls mit dem ersten Satz von 3D-Koordinaten der Oberfläche; und Speichern des zweiten Satzes von 3D-Koordinaten des Kantenpunkts.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Emittieren des ersten Lichtmusters das Erzeugen des ersten Lichtmusters in Form einer Lichtlinie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Emittieren des ersten Lichtmusters das Erzeugen des ersten Lichtmusters in Form eines kodierten strukturierten Lichtmusters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Auffangen des vom Objekt reflektierten zweiten Lichts das Auffangen des zweiten Lichts als Reaktion auf ein auf das Objekt fallendes Umgebungslicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Emittieren eines dritten Lichts von einer an das Sondenende gekoppelten Lichtquelle auf das Objekt; und wobei das vom Objekt reflektierte zweite Licht zumindest ein Teil des dritten Lichts ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt zum Emittieren des dritten Lichts das Emittieren eines im Wesentlichen gleichmäßigen Lichts über eine Oberfläche des Objekts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Projektor ein perspektivisches Zentrum des Projektors aufweist und die Scannerkamera ein perspektivisches Zentrum der Scannerkamera aufweist, wobei Lichtstrahlen des Projektors durch das perspektivische Zentrum des Projektors durchgehen, wobei Strahlen eines vom Objekt reflektierten zweiten Lichtmusters durch das perspektivische Zentrum der Scannerkamera durchgehen, wobei ein Basislinienabstand ein Abstand vom perspektivischen Zentrum des Projektors zum perspektivischen Zentrum der Scannerkamera ist, wobei der Schritt zum Ermitteln der ersten 3D-Koordinaten das Ermitteln der ersten 3D-Koordinaten basierend zumindest teilweise auf dem Basislinienabstand umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Bewegen des kontaktlosen 3D-Messgeräts von der zweiten Position zu einer dritten Position durch einen Bediener vor dem Ermitteln des zweiten Satzes von 3D-Koordinaten.