DE102017118717A1

DE102017118717A1 - Vorrichtung zum Bestimmen einer 3D-Position eines Objekts in einem Messvolumen

Info

Publication number: DE102017118717A1
Application number: DE102017118717.0A
Authority: DE
Inventors: Andrzej Grzesiak; Heiko Goller; Nils Haverkamp; Thomas Mayer
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2037-08-17
Also published as: DE102017118717B4

Abstract

Eine Vorrichtung zum Bestimmen der 3D-Position eines Objekts (32) in einem Messvolumen (28) besitzt ein Gestell (12), an dem zumindest eine erste und eine zweite Kamera (24a-24f) befestigt sind. Die Kameras (24a, 24f) besitzen jeweils ein Kamerasichtfeld. Eine Auswerte- und Steuereinheit (38) nimmt unter Verwendung der Kameras zumindest ein Bild von dem Objekt (32) auf und bestimmt unter Verwendung von dem zumindest einen Bild und unter Verwendung von einem Kalibrierdatensatz (42) die 3D-Position des Objekts (32). Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind an den Kameras (24a-24f) und/oder an dem Gestell (12) Sensorelemente (44, 46, 48, 50, 72) angeordnet. Die Auswerte- und Steuereinheit (38) bestimmt unter Verwendung der Sensorelemente eine thermisch induzierte Veränderung der Kamerasichtfelder und adaptiert in Abhängigkeit davon den Kalibrierdatensatz (42)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer 3D-Position eines Objekts in einem Messvolumen, mit einem Gestell, das an einer definierten Position relativ zu dem Messvolumen angeordnet ist, mit einer ersten und einer zweiten Kamera, die jeweils an dem Gestell befestigt sind, wobei die erste Kamera ein erstes Sichtfeld besitzt, wobei die zweite Kamera ein zweites Sichtfeld besitzt, welches das erste Sichtfeld teilweise überlappt, und wobei das erste und das zweite Sichtfeld das Messvolumen definieren, ferner mit einer Auswerte- und Steuereinheit, und mit einem Speicher, in dem ein Kalibrierdatensatz gespeichert ist, der ein gemeinsames Koordinatensystem in Bezug auf die erste und die zweite Kamera repräsentiert, wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, unter Verwendung der ersten und/oder zweiten Kamera zumindest ein Bild von dem Objekt aufzunehmen und die 3D-Position des Objekts relativ zu dem gemeinsamen Koordinatensystem unter Verwendung von dem zumindest einen Bild und dem Kalibrierdatensatz zu bestimmen.
WO 2014/057352 A1 offenbart eine solche Vorrichtung, bei der drei Kameras mit einander überlappenden Sichtfeldern an einem gemeinsamen Gestell angeordnet sind. Die überlappenden Sichtfelder bilden ein Messvolumen, in dem ein zu vermessendes Werkstück, wie beispielsweise ein Motorblock oder ein gebogenes Rohr, platziert werden kann. Ein Bediener führt von Hand einen Messtaster an ausgewählte Messpunkte des Messobjekts. Der Messtaster besitzt optisch sichtbare Markierungen, mit deren Hilfe eine (nicht näher beschriebene) Auswerte- und Steuereinheit die Raumposition und Raumorientierung des Messtasters anhand der Kamerabilder bestimmen kann. Die Orientierung der Kameras relativ zueinander wird zuvor mittels eines Referenzkörpers kalibriert, der ebenfalls optische Markierungen aufweist.
DE 10 16 963 C2 offenbart ein Verfahrens zum Bestimmen der Position eines Werkstücks im 3D-Raum. Zur Erstellung des gemeinsamen Koordinatensystems sollen die Kameras jeweils als Lochkameramodelle behandelt werden. Die Position und Orientierung der Lichteintrittsöffnung einer jeden Kamera soll mit einem separaten Messsystem vermessen werden, um auf diese Weise die Position und Orientierung der Lichteintrittsöffnungen in Bezug auf das Koordinatensystem zu erhalten.
Die beiden Dokumente sind beispielhaft für eine Vielzahl von bekannten Vorrichtungen, mit denen die Position und/oder Orientierung eines Objekts im Raum bestimmt werden soll. Soll die Position und die Orientierung eines Objekts bestimmt werden, spricht man manchmal von der sogenannten Pose des Objekts. Die bekannten Vorrichtungen werden beispielsweise in der industriellen Messtechnik eingesetzt, um dimensionelle und/oder geometrische Eigenschaften von Werkstücken zu messen. Beispielsweise kann mit Hilfe gattungsgemäßer Vorrichtungen der Abstand zwischen zwei charakteristischen Merkmalen an einem Werkstück oder auch die komplexe Raumform gemessen werden. Prinzipiell können solche Vorrichtungen auch bei der Bearbeitung von Werkstücken und auch auf anderen Gebieten, wie etwa der Chirurgie eingesetzt werden.
Wie leicht nachzuvollziehen ist, hängt die Messgenauigkeit, mit der eine solche Vorrichtung die Position und/oder Orientierung eines Objekts bestimmen kann, von den individuellen Eigenschaften der Vorrichtung ab, insbesondere von der Auflösung und der Größe individueller Abbildungsfehler der Kameras und auch wie genau die Kameras relativ zueinander und relativ zu dem Messobjekt ausgerichtet und positioniert sind. Um die jeweiligen individuellen Eigenschaften der Vorrichtung zu berücksichtigen, ist es bekannt, jede individuelle Vorrichtung vor der Inbetriebnahme und/oder vor der Durchführung einer Messung mit Hilfe geeigneter Kalibrierverfahren zu kalibrieren. Die Kalibrierung führt zu einem Kalibrierdatensatz, der die individuellen Eigenschaften der Vorrichtung repräsentiert und der häufig in der Auswerte- und Steuereinheit zur rechnerischen Korrektur der individuellen Messfehler verwendet wird. Dabei bezeichnet der Begriff „Kalibrierdatensatz“ im Folgenden nicht nur die konkreten Korrekturwerte für eine rechnerische Korrektur, sondern alle Informationen, die für die Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objekts mit Hilfe einer Vorrichtung der eingangs genannten Art in der Auswerte- und Steuereinheit benötigt werden.
Den Fachleuten ist bekannt, dass sich die individuellen Eigenschaften einer solchen Vorrichtung im Laufe der Zeit ändern können, beispielsweise aufgrund von Alterung, Verschleiß und/oder einer Änderung der Umgebungsbedingungen, wie insbesondere der Temperatur. Es ist daher bekannt, eine Kalibrierung von Zeit zu Zeit zu wiederholen. Dies gilt in besonderem Maße bei sehr hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur berührungslosen Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objekts mit Hilfe von Kameras. Ein bekanntes Verfahren beruht auf der Projektion von Streifenmustern auf das Objekt, wobei der Streifenprojektor und die Kamera in einer bekannten, festen Position und Orientierung relativ zueinander stehen. Die Position einzelner Objektpunkte kann dann anhand der trigonometrischen Beziehungen zwischen Kamera, Streifenprojektor und Objekt bestimmt werden. Andere Verfahren beruhen auf der Aufnahme eines Objekts mit Hilfe von zumindest zwei räumlich versetzten Kameras sowie einer stereoskopischen Auswertung der zumindest zwei Kamerabilder. Des Weiteren gibt es Kameras, die die Entfernung zu einem aufgenommenen Objektpunkt mit Hilfe von Laufzeitmessverfahren bestimmen können. Die vorliegende Erfindung kann grundsätzlich mit jeder dieser verschiedenen Messprinzipien verwendet werden.
WO 2016/071227 A1 beschreibt ein weiteres Verfahren, mit dem die Position und/oder Orientierung eines Objekts im Raum mit Hilfe von einer oder mehreren Kameras berührungslos bestimmt werden kann. Dieses Verfahren basiert auf der Verwendung von speziellen optischen Markern mit bekannten Eigenschaften und es ermöglicht sehr hohe Messgenauigkeiten. Wie nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele aufgezeigt ist, erscheint die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft in Kombination mit einer Vorrichtung, die mit solchen optischen Markern arbeitet, wenngleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die auf sehr effiziente Weise eine hohe Messgenauigkeit über lange Zeiträume und/oder bei wechselnden Umgebungsbedingungen ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei an der ersten Kamera und/oder der zweiten Kamera und/oder an dem Gestell Sensorelemente angeordnet sind, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, eine thermisch induzierte Veränderung des ersten und/oder zweiten Sichtfeldes unter Verwendung der Sensorelemente zu bestimmen und in Abhängigkeit davon den Kalibrierdatensatz zu adaptieren.
Die neue Vorrichtung ist aufgrund der Sensorelemente in der Lage, unerwünschte Veränderungen der Kamerasichtfelder zu detektieren und - zumindest in den bevorzugten Ausgestaltungen - zu quantifizieren, um in Abhängigkeit von den detektierten Veränderungen den Kalibrierdatensatz zu ergänzen und/oder zu modifizieren. Der Kalibrierdatensatz wird mit Hilfe der Auswerte- und Steuereinheit vorteilhaft an die unerwünschten Veränderungen der Kamerasichtfelder angepasst wird. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet, den Kalibrierdatensatz unter Verwendung der Sensorelemente in einer geschlossenen Regelschleife (closed loop control) zu adaptieren, ohne dass die Vorrichtung dazu abgeschaltet oder außer Betrieb genommen werden muss. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet, den Kalibrierdatensatz nahezu in Echtzeit an unerwünschte Veränderungen des ersten und/oder zweiten Kamerasichtfeldes zu adaptieren.
Die neue Vorrichtung ist damit in der Lage, eine durch geeignete Kalibrierung erreichte Messgenauigkeit über längere Zeiträume und/oder bei schnell wechselnden Umgebungsbedingungen auf einem gleichbleibend hohen Niveau zu halten. Sie ermöglicht daher eine hohe Messgenauigkeit über längere Zeiträume. Die Anordnung der Sensorelemente an dem Gestell und/oder den Kameras ist eine überraschend einfache und effektive Möglichkeit, eine Veränderung der Kamerasichtfelder zu erkennen und zu quantifizieren. Daher lässt sich die neue Vorrichtung auf effiziente Weise implementieren. Die oben genannte Aufgabe ist vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhalten die Sensorelemente Temperatursensoren und/oder Dehnungssensoren, die an dem Gestell angeordnet sind.
In dieser Ausgestaltung ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet, den Kalibrierdatensatz an thermisch induzierte Längen- und/oder Größenänderungen des Gestells sowie an etwaige thermisch induzierte Verformungen des Gestells zu adaptieren. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist in der Auswerte- und Steuereinheit ein temperaturabhängiges Modell des Gestells hinterlegt, das unter Verwendung der jeweiligen Temperaturkoeffizienten der verwendeten Materialien des Gestells die räumlichen Veränderungen des Gestells in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur modelliert. Die Auswerte- und Steuereinheit ist folglich in der Lage, die räumliche Veränderung der Kameraposition und/oder Kameraorientierung der verwendeten Kameras in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zu bestimmen. Dementsprechend dienen die Temperatursensoren dazu, aktuelle Temperaturwerte für die modellbasierte Bestimmung der Veränderung der Kamerasichtfelder bereitzustellen. Es versteht sich, dass die Temperatursensoren mit der Auswerte- und Steuereinheit verbunden sind, damit die Auswerte- und Steuereinheit die aktuellen Umgebungstemperaturen einlesen kann.
In weiteren Ausführungsbeispielen liefern die Dehnungssensoren der Auswerte- und Steuereinheit Eingangsinformationen, die temperaturinduzierte und auch etwaige lastinduzierte Veränderungen des Gestells repräsentieren. Die Auswerte- und Steuereinheit ist in diesen Ausführungsbeispielen dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von den Informationen der Dehnungssensoren eine Veränderung der Kamerasichtfelder zu bestimmen und den Kalibrierdatensatz entsprechend zu adaptieren.
Die Ausgestaltungen ermöglichen eine kostengünstige Implementierung unter Verwendung bewährter Verfahren zur Temperaturkompensation. Die Ausgestaltungen sind besonders vorteilhaft, wenn das Gestell eine recht einfache Struktur mit weitgehend geraden Segmenten aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhalten die Sensorelemente optische Marker, die an der ersten Kamera und/oder der zweiten Kamera und/oder an dem Gestell angeordnet sind.
Diese Ausgestaltung macht sich auf vorteilhafte Weise zunutze, dass die Auswerte- und Steuereinheit mit Hilfe der Kameras in der Lage ist, die Position und/oder Orientierung eines Objekts zu bestimmen. Die Auswerte- und Steuereinheit ist in dieser Ausgestaltung dazu eingerichtet, die Positionen und/oder Orientierungen der ersten Kamera, zweiten Kamera und/oder des Gestells unter Verwendung der optischen Marker zu bestimmen, wobei die Auswerte- und Steuereinheit bevorzugt denselben Auswertealgorithmus verwendet, der auch zum Bestimmen der 3D-Position des eigentlichen Messobjekts verwendet wird. Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr effiziente Implementierung der neuen Vorrichtung, indem bereits vorhandene Fähigkeiten der Auswerte- und Steuereinheit zusätzlich genutzt werden, um eine Veränderung der Kamerasichtfelder zu bestimmen und in Abhängigkeit davon den Kalibrierdatensatz zu adaptieren.
In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Vorrichtung eine dritte Kamera mit einem dritten Sichtfeld, das auf die optischen Marker ausgerichtet ist.
Die dritte Kamera kann in einigen Ausführungsbeispielen eine Kamera sein, die speziell dazu eingerichtet ist, thermisch induzierte Veränderungen des ersten und/oder zweiten Sichtfeldes zu bestimmen. Die dritte Kamera kann folglich auf die erste und/oder zweite Kamera ausgerichtet sein und speziell für die Adaption des Kalibrierdatensatzes verwendet sein. In einigen Ausführungsbeispielen liefert die dritte Kamera keine Bilder von dem Messobjekt. In anderen vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist die dritte Kamera in der Lage, zusätzlich auch Bilder von dem eigentlichen Messobjekt aufzunehmen. Die dritte Kamera kann in diesen Ausführungsbeispielen sowohl als „normale“ Messkamera als auch zum Überwachen der ersten und/oder zweiten Kameras verwendet werden. Dementsprechend ermöglicht diese Ausgestaltung eine besonders effiziente Implementierung der neuen Vorrichtung.
In einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest ein erster optischer Marker im ersten Sichtfeld angeordnet. Vorteilhaft ist ein separater zweiter optischer Marker im zweiten Sichtfeld angeordnet.
In dieser Ausgestaltung ist die erste Kamera in der Lage, der Auswerte- und Steuereinheit Bildinformationen zu liefern, mit deren Hilfe die Auswerte- und Steuereinheit eine Veränderung des ersten und/oder zweiten Kamerasichtfeldes bestimmen kann. Insbesondere ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet, eine Veränderung des ersten Kamerasichtfeldes relativ zu dem ersten Marker zu bestimmen. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann der erste optische Marker an einem (zumindest weitgehend) temperaturinvarianten Gestellteil angeordnet sein, welches als temperaturinvariante Referenz fungiert. Ein temperaturinvariantes Gestellteil im Sinne dieser Ausgestaltung ist ein Gestellteil, das aufgrund seiner Konstruktion und/oder seines Materials keine oder nahezu keine thermisch induzierten räumlichen Veränderungen erfährt. Beispielsweise kann das temperaturinvariante Gestellteil ein Körper aus Zerodur® sein, d.h. aus einer Glaskeramik, deren Temperaturausdehnungskoeffizient nahezu gleich null ist. Auch diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr effiziente Implementierung der neuen Vorrichtung.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Gestell einen temperaturinvarianten Abschnitt auf, auf dem zumindest zwei optische Marker angeordnet sind. Vorteilhaft liegen die zumindest zwei optischen Marker im ersten und/oder zweiten Kamerasichtfeld.
In dieser Ausgestaltung bilden die zumindest zwei optischen Marker eine Maßverkörperung, die eine Längeninformation und eine Richtungsinformation bereitstellt. Die Auswerte- und Steuereinheit ist vorteilhaft dazu eingerichtet, thermisch induzierte Veränderungen des ersten und/oder zweiten Kamerasichtfeldes unter Verwendung dieser Maßverkörperung zu bestimmen und in Abhängigkeit davon den Kalibrierdatensatz zu adaptieren. Die Integration einer solchen Maßverkörperung in das Gestell der neuen Vorrichtung ermöglicht auf sehr effiziente Weise eine besonders hohe Messgenauigkeit über einen langen Betriebszeitraum.
In einer weiteren Ausgestaltung liegt die erste Kamera im zweiten Sichtfeld.
In dieser Ausgestaltung kann die Position und/oder Orientierung der ersten Kamera mit Hilfe der zweiten Kamera bestimmt werden, indem die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, Kamerabilder der zweiten Kamera auszuwerten und in Abhängigkeit davon den Kalibrierdatensatz zu adaptieren. Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr kostengünstige Implementierung der neuen Vorrichtung. Sie ist besonders vorteilhaft, wenn die Auswerte- und Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, einen Ring- oder Kreuzvergleich mit Bildinformation durchzuführen, die von der ersten Kamera bereitgestellt werden. In diesem Fall ermöglicht die neue Vorrichtung eine besonders hohe Messgenauigkeit über einen langen Zeitraum hinweg.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die erste Kamera eine Eintrittspupille auf und an der ersten Kamera ist ein weiterer optischer Marker mit einer Markerebene angeordnet, die parallel zu der Eintrittspupille liegt.
Die Eintrittspupille eines optischen Systems ist eine reelle oder virtuelle Öffnung, welche die in das optische System einfallenden Strahlenbündel begrenzt. Sie entspricht dem objektseitigen Bild der Aperturblende des optischen Systems, wenn das optische System objektseitig von der Aperturblende abbildende Elemente besitzt. Anderenfalls ist die Eintrittspupille mit der Aperturblende identisch. In dieser Ausgestaltung ist ein optischer Marker in einer definierten Beziehung zu der Eintrittspupille an der ersten Kamera angeordnet. Die Auswerte- und Steuereinheit ist vorteilhaft dazu eingerichtet, die Position und/oder Orientierung der Eintrittspupille der ersten Kamera anhand dieses optischen Markers zu bestimmen, indem dieser optische Marker mit Hilfe der zweiten und/oder einer dritten Kamera aufgenommen und ausgewertet wird. Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr effiziente Implementierung der neuen Vorrichtung mit einer hohen Messgenauigkeit über lange Betriebszeiträume.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung ein Interferometer auf, wobei die Sensorelemente definierte Referenzflächen zur interferometrischen Erfassung unter Verwendung des Interferometers beinhalten. Vorteilhaft ist das Interferometer mit der Auswerte- und Steuereinheit gekoppelt, so dass die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, thermisch induzierte Veränderungen des ersten und/oder zweiten Sichtfeldes in Abhängigkeit von den Informationen des Interferometers zu bestimmen.
Ein Interferometer ermöglicht eine sehr präzise Bestimmung einer räumlichen Distanz. Diese Ausgestaltung macht sich die vorteilhafte Eigenschaft eines solchen Interferometers zunutze, um thermisch induzierte Veränderungen des ersten und/oder zweiten Kamerasichtfeldes zu bestimmen. Dementsprechend ermöglicht diese Ausgestaltung eine besonders hohe Messgenauigkeit der neuen Vorrichtung über lange Betriebszeiträume.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Gestell eine erste Säule und eine zweite Säule auf, die über eine erste Traverse miteinander verbunden sind, wobei die zweite Säule parallel zu der ersten Traverse beweglich gelagert ist.
In dieser Ausgestaltung kann das Gestell in einer Richtung parallel zu der ersten Traverse „frei atmen“, d.h. die zweite Säule kann sich bei einer Veränderung der Umgebungstemperatur in eine Richtung parallel zu der ersten Traverse bewegen. Eine solche Bewegung mag auf den ersten Blick nachteilig erscheinen, da sie zwangsläufig zu einer Veränderung des ersten und/oder zweiten Kamerasichtfeldes führt. Die Ausgestaltung besitzt jedoch den Vorteil, dass innere Spannungen und/oder Verformungen des Gestells vermieden oder zumindest reduziert werden. Die Ausweichbewegung der zweiten Säule relativ zu der ersten Säule lässt sich in der bevorzugten Ausgestaltungen relativ einfach bestimmen. Daher ermöglicht diese Ausgestaltung eine besonders effiziente Implementierung der neuen Vorrichtung, indem die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Kalibrierdatensatz in Abhängigkeit von den zugelassenen Bewegungen der zweiten Säule relativ zu der ersten Säule zu adaptieren.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Gestell eine dritte Säule auf, die über eine zweite Traverse mit der zweiten Säule verbunden ist, wobei die dritte Säule parallel zu der ersten Traverse und parallel zu der zweiten Traverse beweglich gelagert ist.
In dieser Ausgestaltung besitzt das Gestell zwei zugelassene Freiheitsgrade. In einigen bevorzugten Ausgestaltungen verlaufen die erste und die zweite Traverse quer zueinander, insbesondere orthogonal zueinander. Das Gestell kann in diesen Ausgestaltungen folglich noch freier „atmen“, wobei die daraus resultierenden Veränderungen der Kamerasichtfelder auf relativ einfache Weise in dem Kalibrierdatensatz nachgeführt werden können. Die Ausgestaltung erleichtert eine vollständige 3D-Erfassung eines Objekts und ermöglicht eine besonders effiziente Implementierung.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Gestell einen Materialmix auf, der zumindest ein erstes und ein zweites Material beinhaltet, wobei das erste Material einen positiven Temperaturkoeffizienten und das zweite Material einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt.
Diese Ausgestaltung trägt vorteilhaft dazu bei, thermisch induzierte Veränderungen der ersten und zweiten Kamerasichtfelder zu minimieren, indem die Positionen und/oder Orientierungen der ersten und/oder zweiten Kamera konstant oder zumindest weitgehend konstant gehalten werden. Die positiven und negativen Temperaturkoeffizienten tragen dazu bei, thermisch induzierte Änderungen des Gestells zu minimieren. Infolgedessen trägt diese Ausgestaltung vorteilhaft dazu bei, eine Vorrichtung zu implementieren, die über lange Betriebszeiträume eine gleichbleibend hohe Messgenauigkeit ermöglicht.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
2 die Draufsicht auf eine Kamera, wie sie in der Vorrichtung gemäß 1 vorteilhaft verwendet ist, und
3 eine Seitenansicht der Kamera aus 2 in einer vereinfachten, schematischen Darstellung, wobei hier die Lage der Eintrittspupille angedeutet ist.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 besitzt ein Gestell 12, das hier eine erste Säule 14, eine zweite Säule 16 und eine dritte Säule 18 beinhaltet. Die erste Säule 14 und die zweite Säule 16 sind über eine erste Traverse 20 verbunden. Die zweite Säule 16 und die dritte Säule 18 sind über eine weitere Traverse 22 verbunden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Traversen 20, 22 orthogonal zueinander, so dass das Gestell 12 hier in einer Draufsicht von oben eine L-Form aufweist. Prinzipiell kann das Gestell 12 in anderen Ausführungsbeispielen eine andere Form haben und mehr oder weniger Säulen und Traversen besitzen. Beispielsweise kann das Gestell 12 zwei vertikale Säulen 14, 16 besitzen, die über eine Traverse 20 miteinander verbunden sind und eine Art „Kamerabrücke“ bilden, ohne dass die dritte Säule 18 und die weitere Traverse 22 vorhanden sind. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Gestell 12 vier oder noch mehr Säulen und drei, vier oder noch mehr Traversen besitzen, wobei die Traversen in einer Draufsicht von oben beispielsweise ein Rechteck oder Quadrat aufspannen. Auch ein runder, ovaler, hexagonaler und/oder ein von einer Hallendecke (hier nicht dargestellt) herabhängender Gestellaufbau ohne Säulen ist grundsätzlich möglich.
Das Gestell 12 trägt hier insgesamt sechs Kameras 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f, ohne dass diese Anzahl einschränkend ist. Jede Kamera besitzt ein Sichtfeld, das in 1 anhand von gestrichelten Linien angedeutet ist. Beispielsweise besitzt die Kamera 24a ein Sichtfeld 26a. Die Sichtfelder gehen typischerweise kegelförmig von der jeweiligen Kameraoptik aus. Das Sichtfeld der Kamera 24b ist mit der Bezugsziffer 26b bezeichnet. Die weiteren Kamerasichtfelder sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher bezeichnet. Wie man in 1 erkennen kann, überlappen sich die Kamerasichtfelder 26a, 26b zumindest teilweise, da die Kameras 24a-24f jeweils auf einen von dem Gestell 12 umgespannten Raumbereich ausgerichtet sind. Die überlappenden Kamerasichtfelder 26a, 26b bilden ein Messvolumen 28, welches abhängig von der Anzahl und Ausrichtung der verwendeten Kameras sowie abhängig von der jeweiligen Bildauswertung variieren kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist innerhalb des Messvolumens 28 ein Messobjekt 30 angeordnet.
Mit der Bezugsziffer 32 ist hier ein Messtaster bezeichnet, der an einem freien Ende eine Tastkugel 34 besitzt. Am gegenüberliegenden zweiten Ende ist eine Platte mit einem optischen Marker 36 angeordnet. Der Messtaster 32 dient hier dazu, ausgewählte Messpunkte an dem Messobjekt 30 anzutasten. Der Marker 36 macht es möglich, die Position und Orientierung des Messtasters 32 im Raum mit Hilfe der Kameras 24a-24f zu bestimmen. Anhand der bekannten Eigenschaften des Messtasters 32, wie insbesondere dem Abstand und der räumlichen Lage der Tastkugel 34 relativ zu dem optischen Marker 36, ist es dann möglich, Raumkoordinaten zu dem angetasteten Messpunkt an dem Messobjekt 30 zu bestimmen. Dazu ist in der Vorrichtung ein Bezugskoordinatensystem 37 definiert.
Dementsprechend besitzt die Vorrichtung 10 eine Auswerte- und Steuereinheit 38, die dazu eingerichtet ist, mit Hilfe der Kameras 24a-24f ein oder mehrere Bilder von dem Messtaster 32 in dem Messvolumen 28 aufzunehmen und anhand der Kamerabilder die Raumkoordinaten für die ausgewählte Messpunkte an dem Messobjekt 30 zu bestimmen. In diesem Fall ist der Messtaster 32 ein Objekt, dessen 3D-Position und/oder 3D-Orientierung innerhalb des Messvolumens 28 bestimmt werden soll.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen arbeitet die Auswerte- und Steuereinheit 38 basierend auf einem Algorithmus, wie er in der eingangs genannten WO 2016/071227 A1 beschrieben ist, die hier durch Bezugnahme vollständig aufgenommen ist. Der Messtaster 32 kann mehrere Marker 36 aufweisen, wie dies in WO 2016/071227 A1 offenbart ist. Prinzipiell kann die Auswerte- und Steuereinheit 38 jedoch auch mit einem anderen Algorithmus arbeiten, um die Position und/oder Orientierung eines Objekts im Messvolumen 28 zu bestimmen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 10 einen oder mehrere Projektoren (hier nicht dargestellt) aufweisen, die ein oder mehrere definierte Muster auf einen zu messenden Gegenstand projizieren. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Auswerte- und Steuereinrichtung 38 dazu eingerichtet sein, die Position und/oder Orientierung eines Objekts im Messvolumen 28 anhand stereoskopischer Bildauswertung von mehreren Kamerabildern der Kameras 24a-24f zu bestimmen. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Kameras 24a-24f Laufzeitkameras beinhalten, mit deren Hilfe die Entfernung zu einem Objekt anhand einer Lichtlaufzeitmessung bestimmt werden kann.
Die Auswerte- und Steuereinheit 38 ist mit einem Speicher 40 verbunden oder beinhaltet einen Speicher 40, in dem ein Kalibrierdatensatz 42 gespeichert ist. Die Auswerte- und Steuereinheit 38 verwendet den Kalibrierdatensatz 42 für die Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objekts, wie hier des Messtasters 32. Prinzipiell könnte die Auswerte- und Steuereinheit 38 in weiteren Ausführungsbeispielen dazu eingerichtet sein, die Position und/oder Orientierung und/oder die komplexe Raumform des Messobjekts 30 anhand der Kamerabilder zu bestimmen, ohne dass der Messtaster 32 dazu benötigt wird, etwa unter Verwendung bekannter Algorithmen, die auf Streifenprojektion basieren. In diesen Fällen ist das Messobjekt 30 ein „Objekt“ im Sinne der Erfindung.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zumindest ein Temperatursensor 44 an oder in dem Gestell 12 angeordnet. Der Temperatursensor 44 ist dazu eingerichtet, eine Umgebungstemperatur im Bereich des Gestells 12 zu messen und der Auswerte- und Steuereinheit 38 als Messwert zur Verfügung zu stellen. In einigen Ausführungsbeispielen ist in der Auswerte- und Steuereinheit ein Temperaturmodell des Gestells 12 hinterlegt, so dass die Auswerte- und Steuereinheit 38 dazu eingerichtet ist, thermisch induzierte räumliche Veränderungen des Gestells 12, insbesondere thermisch induzierte Längenänderungen der Säulen 14, 16, 18 und der Traversen 20, 22, zu bestimmen. Dabei verwendet die Auswerte- und Steuereinheit 38 in an sich bekannter Weise die materialspezifischen Temperaturkoeffizienten der für das Gestell 12 verwendeten Materialien. Basierend darauf ist die Auswerte- und Steuereinheit 38 ferner dazu eingerichtet, eine Veränderung der Kamerasichtfelder 26a, 26b ... zu bestimmen, die sich aus den thermisch induzierten Längenänderungen des Gestells 12 ergeben.
Alternativ oder ergänzend kann das Gestell 12 einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen 46, 48 aufweisen, um thermisch induzierte und/oder belastungsinduzierte Längenänderungen des Gestells 12 und daraus folgende Änderungen der Kamerasichtfelder 26a, 26b ... zu bestimmen. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen befindet sich zumindest ein Dehnungsmessstreifen in einer oder mehreren Säulen 14, 16, 18 und in einer oder mehreren Traversen 20, 22. Vorteilhaft sind die Dehnungsmessstreifen 46, 48 in der Lage, Längenänderungen nicht nur entlang einer Achse zu erfassen, sondern entlang von zumindest zwei Achsen (Zum Beispiel x und z oder y und z). Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eine Vielzahl von Dehnungsmessstreifen 46, 48 aufweisen, um individuelle Längenänderungen der Säulen und Traversen in mehreren Bewegungsrichtungen zu erfassen.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind an dem Gestell 12 und/oder an den Kameras 24 optische Marker 50 angeordnet und die Auswerte- und Steuereinheit 38 ist dazu eingerichtet, mit Hilfe der optischen Marker 50 in den aufgenommenen Kamerabildern räumliche Veränderungen des Gestells 12 und/oder der Kameras 24 sowie daraus resultierende Veränderungen der Kamerasichtfelder 26 zu bestimmen. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen verwendet die Auswerte- und Steuereinheit 38 dazu einen Algorithmus, wie er in WO 2016/071227 A1 beschrieben ist und/oder wie er auch zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Messtasters 32 oder eines anderen Objekts im Messvolumen 28 verwendet wird.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind jeweils mehrere optische Marker 50a, 50b, 50c, 50d an den einzelnen Kameras 24 der Vorrichtung 10 angeordnet. Mit Bezugnahme auf die 2 und 3 können mehrere optische Marker 50a, 50b, 50c, 50d an der Frontseite der Kamera 24 im Bereich der Kameraoptik 52 angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend können solche Marker an den seitlichen Gehäusewänden der Kameras angeordnet sein. Die Marker können aufgeklebt oder aufgedruckt sein. Besonders bevorzugt ist es in einigen Ausführungsbeispielen, wenn die Marker 50 eine Markerebene 54 besitzen, die parallel und - besonders bevorzugt - koplanar zu der Eintrittspupille 56 der jeweiligen Kamera 24 liegt. Die Auswerte- und Steuereinheit 38 ist in den bevorzugten Ausführungsbeispielen dazu eingerichtet, die Pose der Eintrittspupille 56 der Kamera 24b zu bestimmen, beispielsweise relativ zu dem Bezugskoordinatensystem 37, indem die Auswerte- und Steuereinheit 38 anhand eines Kamerabildes von einer der anderen Kameras (beispielsweise Kamera 24a) die Position und/oder Orientierung der optischen Marker 50a, 50b, 50c, 50d bestimmt.
In Abhängigkeit von der individuellen Position und/oder Orientierung der Eintrittspupille adaptiert die Auswerte- und Steuereinheit 38 dann den Kalibrierdatensatz 42, indem sie die Veränderung gegenüber einer Referenzposition und/oder Referenzorientierung in dem Kalibrierdatensatz 42 ergänzt oder die in dem Kalibrierdatensatz 42 hinterlegten Werte für die Position und/oder Ausrichtung der Eintrittspupille56 anpasst. Anschließend bestimmt die Auswerte- und Steuereinheit 38 die Position und/oder Orientierung des Messtasters 32 oder eines anderen interessierenden Messobjekts in dem Messvolumen 28 unter Verwendung des adaptierten Kalibrierdatensatzes 42.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind am Gestell 12 mehrere optische Marker 50e, 50f angeordnet, die in einer definierten und bekannten Position und Richtung zueinander stehen, wie dies in 1 beispielhaft im Bereich der Säule 14 angedeutet ist. Die Marker 50e, 50f können eine Maßverkörperung mit einem definierten, bekannten Referenzlängenmaß bilden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind Marker 50e, 50f, die eine Maßverkörperung bilden, an einem zumindest weitgehend temperaturinvarianten Gestellteil 60 angeordnet. Beispielsweise kann die Säule 14 einen Abschnitt beinhalten, dessen Temperaturkoeffizient nahezu bei null liegt. Beispielsweise kann der genannte Abschnitt aus Zerodur ® oder einem anderen Material mit einem Temperaturkoeffizienten von ungefähr null beinhalten.
In einigen Ausführungsbeispielen weist das Gestell 12 einen Materialmix auf, der zumindest ein erstes Material (hier für das Gestellteil 60) und ein zweites Material 62 beinhaltet. Das erste Material besitzt einen ersten Temperaturkoeffizienten und das zweite Material 62 besitzt einen zweiten Temperaturkoeffizienten, die unterschiedlich gewählt sind. Der erste Temperaturkoeffizient kann positiv sein, so dass sich das entsprechende Material mit zunehmender Temperatur ausdehnt, während der zweite Temperaturkoeffizient negativ ist, so dass sich das zweite Material mit zunehmender Temperatur zusammenzieht. Durch die geeignete Kombination der Materialien kann das Gestell 12 insgesamt ein neutrales oder zumindest annähernd neutrales Verhalten in Bezug auf temperaturinduzierte Längenänderungen aufweisen.
Des Weiteren kann das Gestell 12 in einigen Ausführungsbeispielen mit einer definierten Beweglichkeit implementiert sein. Beispielsweise kann die Säule 14 ortsfest gelagert sein, während die Säule 16 auf einem Linearlager gelagert ist, das eine definierte Bewegung in Richtung des Pfeils 64 und somit parallel zu der Traverse 20 ermöglicht. In den zwei weiteren Raumrichtungen orthogonal zu dem Pfeil 64 ist die Säule 16 hingegen ortsfest. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die weitere Säule 18 in Richtung der Pfeile 66, 68 beweglich gelagert, so dass sich das Gestell 12 insgesamt in Richtung der Pfeile 64/66 und 68, d.h. in zwei orthogonalen Raumrichtungen ausdehnen kann. Die damit verbundenen Veränderungen der Kamerasichtfelder 26 werden von der Auswerte- und Steuereinheit 38 anhand der Sensorelemente 44, 46, 48, 50 detektiert. Vorteilhaft adaptiert die Auswerte- und Steuereinheit 38 dann den Kalibrierdatensatz 42, so dass die Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Messtasters 32 von den veränderten Kamerasichtfeldern (weitgehend) unbeeinflusst bleibt.
Bei der Bezugsziffer 70 ist schließlich ein Interferometer angedeutet, das in einigen Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung verwendet werden kann, um räumliche Veränderungen des Gestells 12 und/oder der Kameras 24 zu erfassen. Beispielhaft ist in 1 dargestellt, dass das Interferometer 70 die Entfernung zu einer Referenzfläche 72 misst, die an der Säule 18 des Gestells 12 angeordnet ist. Die Auswerte- und Steuereinheit 38 kann in diesen Ausführungsbeispielen dazu eingerichtet sein, eine Veränderung der Kamerasichtfelder 26 in Abhängigkeit von den Messinformationen des Interferometers 70 zu bestimmen und den Kalibrierdatensatz 42 zu adaptieren.
Insgesamt ist die Auswerte- und Steuereinheit 38 der Vorrichtung 10 dazu eingerichtet, temperaturinduzierte Veränderungen der Kamerasichtfelder bei der Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objekts zu berücksichtigen. Die Adaption des Kalibrierdatensatzes kann modellbasiert und/oder anhand von experimentell erfassten Korrekturwerten erfolgen. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen erfolgt die Bestimmung der Veränderungen der Kamerasichtfelder und die Adaption des Kalibrierdatensatzes dynamisch im Betrieb der Vorrichtung 10. Bevorzugt ist das Gestell 12, an dem die Kameras 24 befestigt sind, weitgehend temperaturinvariant aufgebaut. In einigen Ausführungsbeispielen besitzt das Gestell 12 definierte „strukturell eingebaute“ Freiheitsgrade, wie insbesondere die in 1 bei den Pfeilen 64, 66, 68 dargestellten Freiheitsgrade, um ein möglichst determiniertes temperaturinduziertes Ausdehnungsverhalten zu erreichen. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen weist das Gestell 12 einen Materialmix unter Verwendung von Faserverbundwerkstoffen und/oder Keramik und/oder Metallen auf. Des Weiteren ist es in einigen Ausführungsbeispielen bevorzugt, wenn die Kameras zeitlich invariante Pin-Hole-Optiken aufweisen, so dass die Eintrittspupille der jeweiligen Kamera einfach identifiziert werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, das Gestell 12 und/oder die Kameras 24 mit optischen Markern 50 zu versehen, die mit demselben oder einem ähnlichen Algorithmus ausgewertet werden können, wie er zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Objekts verwendet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/057352 A1 [0002]
DE 1016963 C2 [0003]
WO 2016/071227 A1 [0008, 0043, 0047]

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen einer 3D-Position eines Objekts (32) in einem Messvolumen (28), mit einem Gestell (12), das an einer definierten Position relativ zu dem Messvolumen (28) angeordnet ist, mit einer ersten und einer zweiten Kamera (24a-24f), die jeweils an dem Gestell (12) befestigt sind, wobei die erste Kamera (24a) ein erstes Sichtfeld (26a) besitzt, wobei die zweite Kamera (24b) ein zweites Sichtfeld (26b) besitzt, welches das erste Sichtfeld (26a) teilweise überlappt, und wobei das erste und das zweite Sichtfeld das Messvolumen (28) definieren, ferner mit einer Auswerte- und Steuereinheit (38), und mit einem Speicher (40), in dem ein Kalibrierdatensatz (42) gespeichert ist, der ein gemeinsames Koordinatensystem (37) in Bezug auf die erste und die zweite Kamera (24a-24f) repräsentiert, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (38) dazu eingerichtet ist, zumindest ein Bild von dem Objekt (32) unter Verwendung der ersten und/oder zweiten Kamera (24a-24f) aufzunehmen und die 3D-Position des Objekts (32) relativ zu dem gemeinsamen Koordinatensystem (37) unter Verwendung von dem zumindest einen Bild und dem Kalibrierdatensatz (42) zu bestimmen, gekennzeichnet durch Sensorelemente (44, 46, 48, 50, 72), die an der ersten Kamera und/oder der zweiten Kamera und/oder an dem Gestell (12) angeordnet sind, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (38) dazu eingerichtet ist, eine thermisch induzierte Veränderung des ersten und/oder zweiten Sichtfeldes (26a, 26b) unter Verwendung der Sensorelemente (44, 46, 48, 50, 72) zu bestimmen und in Abhängigkeit davon den Kalibrierdatensatz (42) zu adaptieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente Temperatursensoren (44) und/oder Dehnungssensoren (46, 48) beinhalten, die an dem Gestell (12) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente optische Marker (50) beinhalten, die an der ersten Kamera und/oder der zweiten Kamera und/oder an dem Gestell (12) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine dritte Kamera (24f) mit einem dritten Sichtfeld, das auf die optischen Marker (50) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster optischer Marker im ersten Sichtfeld angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (12) einen temperaturinvarianten Abschnitt aufweist, auf dem zumindest zwei optische Marker (50e, 50f) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kamera (24a) im zweiten Sichtfeld liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kamera (24a) eine Eintrittspupille (56) aufweist und dass an der ersten Kamera (24a) ein weiterer optischer Marker (50a-50d) mit einer Markerebene (54) angeordnet ist, die parallel zu der Eintrittspupille (56) liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Interferometer (70), wobei die Sensorelemente definierte Referenzflächen (72) zur interferometrischen Erfassung unter Verwendung des Interferometers (70) beinhalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (12) eine erste Säule (14) und eine zweite Säule (16) aufweist, die über eine erste Traverse (20) miteinander verbunden sind, wobei die zweite Säule (16) parallel zu der ersten Traverse (20) beweglich gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (12) eine dritte Säule (18) aufweist, die über eine zweite Traverse (22) mit der zweiten Säule (16) verbunden ist, wobei die dritte Säule (18) parallel zu der ersten Traverse (20) und parallel zu der zweiten Traverse (22) beweglich gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Traverse (20, 22) quer, insbesondere orthogonal zueinander verlaufen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (12) einen Materialmix aufweist, der zumindest ein erstes und ein zweites Material (60, 62) beinhaltet, wobei das erste Material (60) einen positiven Temperaturkoeffizienten und das zweite Material (62) einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzen.