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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Messsystem, welches zumindest einen optischen Sensor zum Erfassen von Bilddaten sowie eine Ausleseeinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, die erfassten Bilddaten auszuwerten. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein optisches Messverfahren zur Durchführung eines Kalibrier- oder Messvorgangs.
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Gattungsgemäße optische Messsysteme zur Bestimmung einer Geometrie, einer Position oder einer Bewegung eines Objektes in einem Raum sind bekannt und werden beispielweise durch sogenannte Multi-Kamera-Systeme repräsentiert. Optische Messsysteme dieser Art dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung Werkstücke zu überprüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines so genannten „Reverse Engineering“ zu ermitteln. Diese Art von optischen Messsystemen wird auch als Koordinatenmessgerät bezeichnet (KMG).
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Ebenfalls werden solche optischen Messsysteme in der Praxis auch an teil- oder vollautomatisierten Fertigungsstraßen installiert, um Geometrien (Formen), Positionen und/oder Positionsänderungen von z.B. Werkzeugen und/oder Werkstücken zu überwachen.
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Um eine ordnungsgemäße Funktion des optischen Messsystems zu gewährleisten, ist eine Kalibrierung notwendig. Eine Eigenkalibrierung des optischen Sensors wird als intrinsische Kalibrierung bezeichnet. Weist ein optisches Messsystem mehrere optische Sensoren auf, z.B. ein Multi-Kamera-System, ist zudem eine Kalibrierung der einzelnen optischen Sensoren untereinander notwendig. Diese Kalibrierung wird als extrinsische Kalibrierung bezeichnet.
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Für eine solche Kalibrierung (intrinsische und/oder extrinsische Kalibrierung) wird typischerweise eine Kalibriervorrichtung als Referenzobjekt verwendet. In der Praxis werden diese Kalibriervorrichtungen auch als Targets oder Einmessplatten bezeichnet. Ein Erfassen der Kalibriervorrichtung als Referenzobjekt basiert normalerweise auf einer algorithmischen Auswertung der erfassten Bilddaten, wobei der Algorithmus spezifische Merkmale der Kalibriervorrichtung durch einen Abgleich mit Sollmerkmalen erkennt. In der Praxis werden diese spezifischen Merkmale durch die Merkmale von optischen Markern repräsentiert, die auf der Kalibriervorrichtung angeordnet sind. Die Position eines optischen Markers auf der Kalibriervorrichtung ist ein Beispiel für ein solches Merkmal. Beispielhafte Kalibiervorrichtungen sind der
DE 10 2013 211 210 A1 sowie der
DE 10 2013 224 930 A1 zu entnehmen.
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Die optischen Marker können beispielsweise als Vertiefungen oder Bohrungen auf einer Platte ausgestaltet sein. Konventionell werden die optischen Marker in Form von Punktmustern oder Schachbrettmustern (sogenannte Checkerboards) auf der Kalibriervorrichtung angeordnet, wobei die Punktmuster oder Schachbrettmuster gewöhnlich entlang von horizontal und vertikal verlaufenden, äquidistanten Gitterlinien angeordnet sind.
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Bei der intrinsischen Kalibrierung nimmt der optische Sensor einen oder mehrere optische Marker der Kalibriervorrichtung auf. Die Ausleseeinheit wertet die von dem optischen Sensor gelieferten Bilddaten aus und bestimmt daraus eine Position des optischen Markers (Ist-Position). Diese Ist-Position wird anschließend durch die Ausleseeinheit mit der tatsächlichen Position (Soll-Position) des optischen Markers abgeglichen. Während der intrinsischen Kalibrierung werden 3-D-Koordinaten des optischen Markers in eine 2-D-Projektion dieser 3-D- Koordinaten umgewandelt. Wird ein solcher Soll-Ist-Abgleich für eine Vielzahl von optischen Markern wiederholt, erhöht sich die Genauigkeit der intrinsischen Kalibrierung im Vergleich zu einer intrinsischen Kalibrierung, in der der Soll-Ist-Abgleich mit nur einem optischen Marker durchgeführt wird.
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Bei der extrinsischen Kalibrierung wird eine Beziehung des Koordinatensystems eines ersten optischen Sensors im Bezug auf ein raumfestes Koordinatensystem ermittelt, wodurch eine relative Position des ersten optischen Sensors zu einer Position eines zweiten optischen Sensors bestimmbar ist. Diese Art der Kalibrierung wird durchgeführt, wenn das optische Messsystem mehr als einen optischen Sensor aufweist, z.B. bei sogenannten Multi-Kamera-Systemen. Auch bei der extrinsischen Kalibrierung werden vorher bekannte Soll-Positionen der optischen Sensoren durch den Algorithmus der Ausleseeinheit mit den durch die optischen Sensoren erfassten Ist-Positionen verglichen, wobei sich die Genauigkeit der extrinsischen Kalibrierung mit der Anzahl der Soll-Ist-Abgleiche erhöht.
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In der Praxis werden durch den Algorithmus der Ausleseeinheit, neben dem Soll-Ist-Abgleich der Position der optischen Marker eine Vielzahl von weiteren Parametern berücksichtigt, durch die die Genauigkeit der intrinsischen und extrinsischen Kalibrierung und somit die Genauigkeit des Mess- bzw. Kalibriervorgangs erhöht wird. Beispiele für solche zusätzlichen Merkmale können u. A. thermischen Ausdehnung, Steifigkeit, Eigenbiegung, Material, Gewicht und/oder Schwerpunkt der verwendeten Kalibriervorrichtung sein. Auch Merkmale der optischen Marker wie z.B. deren Form, Farbe und Größe können berücksichtigt werden.
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Hierbei beeinflussen einige dieser Merkmale direkt die tatsächliche Position der optischen Marker auf der Kalibriervorrichtung. Zum Beispiel führt eine thermische Ausdehnung oder eine gravitationsbedingte Eigenbiegung der Kalibriervorrichtung zu einer „Verzerrung“ der tatsächlichen Position der optischen Marker auf der Kalibriervorrichtung. Beispielsweise kann durch das Berücksichtigen dieser physikalischen Veränderungen durch den Algorithmus der Ausleseeinheit ein Fehler bei dem Soll-Ist-Abgleich der Soll-Ist-Position der optischen Marker korrigiert werden.
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In der Regel werden die zusätzlichen Parameter bzw. die spezifischen Zustands- und Änderungsgrößen für jede verwendete Kalibriervorrichtung einzeln durch eine Fachkraft manuell in eine Datei eingetragen. Eine solche Datei wird während eines Kalibrier- oder Messvorgangs von der Ausleseeinheit ausgelesen und in die algorithmische Auswertung der Bilddaten miteinbezogen. Da zu jeder Kalibriervorrichtung eine einzelne Datei erzeugt wird und eine eindeutige Zuordnung einer jeden Datei zu der jeweils dazugehörenden Kalibriervorrichtung sichergestellt werden muss, wird jede Datei auf einem separaten Datenträger gespeichert.
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Ein solcher Datenträger ist mit einer lesbaren Nummer oder Kennung versehen, die auch auf der zu dem Datenträger gehörenden Kalibriervorrichtung vorgesehen ist. Die so bereitgestellte Datei wird manuell durch einen Anwender durch ein Eingeben der lesbaren Nummer oder Kennung in ein Eingabefenster für die Ausleseeinheit bereitgestellt. Das Eingabefenster wird beispielsweise durch den Algorithmus erzeugt, wobei die eingegebene Nummer oder Kennung durch den Algorithmus verwendet wird, um die Datei mit den darin enthaltenen spezifischen Zustands- und Änderungsgrößen bei der Auswertung der Bilddaten miteinzubeziehen.
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Unabhängig von dem verwendeten optischen Messsystem oder dem Algorithmus besteht grundsätzlich das Problem, dass das manuelle Erstellen von Dateien, welche die Merkmale bzw. die für die Kalibriervorrichtung spezifischen Zustands- und Änderungsgrößen enthalten, eine große Fehlerquelle birgt. Beispielsweise kann es durch eine fehlende Konzentration oder Arbeitsüberlastung zu menschlichen Fehlern bei der Erstellung einer solchen Datei kommen. Solche Fehler, z.B. fehlerhaft eingetragene Merkmale, führen zu einer fehlerhaften Kalibrierung und somit zu einem fehlerhaften Messvorgang, wodurch z.B. die Ausschlussquote von Werkstücken und somit die Produktionskosten erhöht werden.
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Eine weitere Fehlerquelle birgt die Zuordnung der Datenträger, auf welchen die Dateien jeweils einzeln abgespeichert sind, zu den jeweils dazugehörenden Kalibriervorrichtungen, da bei dem Abgleich der lesbaren Nummern oder Kennungen ebenfalls durch den Menschen verursachte Fehler entstehen können. Dabei kann es beispielweise zu einer fehlerhaften Zuordnung zwischen einer Datei und einer Kalibriervorrichtung kommen. Eine solche fehlerhafte Zuordnung führt ebenfalls zu einer fehlerhaften Kalibrierung und somit zu einem fehlerhaften Messvorgang.
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Durch das manuelle Erzeugen der Datei und die manuelle Eingabe der Nummer oder Kennung in das Eingabefenster während eines Kalibriervorgangs fehlt zudem die Möglichkeit zu einer Automatisierung eines Kalibrier- oder Messvorgangs. Eine solche Automatisierung wäre beispielsweise besonders bei einem Einsatz von Kalibriervorrichtungen verschiedener Art und Ausgestaltung von großem Vorteil.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Messsystem bereitzustellen, durch welches eine Automatisieren eines Kalibriervorgangs ermöglicht und durch einen Systemanwender hervorgerufene Fehler verringert werden können.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein optisches Messsystem der oben genannten Art gelöst, welches umfasst:
- - eine Kalibriervorrichtung, welche eine Vielzahl von optischen Markern und einen Code aufweist, wobei nicht die optischen Marker selbst, sondern eine vorbestimmte relative Anordnung von zumindest zwei der Vielzahl von optischen Markern zueinander den Code definiert;
- - eine Speichereinheit zur Speicherung eines Metadatensatzes mit Kalibrierparametern, die für die Kalibriervorrichtung spezifische physikalische Zustands- und Änderungsgrößen aufweisen, wobei der Code der Kalibriervorrichtung dazu ausgebildet ist, einen Link zu dem in der Speichereinheit gespeicherten Metadatensatz zu verschlüsseln;
- - einen optischen Sensor, welcher dazu eingerichtet ist, Bilddaten zu erfassen, die die Vielzahl von optischen Markern und den Code beinhalten; und
- - eine Ausleseeinheit, welche dazu eingerichtet ist, die von dem optischen Sensor erfassten Bilddaten auszuwerten, aus den Bilddaten (22) eine Position von zumindest einem der Vielzahl von optischen Markern (18) zu ermitteln, den von dem optischen Sensor erfassten Code zu entschlüsseln, über den Link auf die Speichereinheit zuzugreifen, den darin gespeicherten Metadatensatz auszulesen und die ermittelte Position des zumindest einen der Vielzahl von optischen Markern (18) mithilfe der Kalibrierparameter zu korrigieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Messverfahren vorgeschlagen, welches folgende Schritte aufweist:
- - Bereitstellen einer Kalibriervorrichtung, welche eine Vielzahl von optischen Markern und einen Code aufweist, wobei nicht die optischen Marker selbst, sondern eine vorbestimmte relative Anordnung von zumindest zwei der Vielzahl von optischen Markern zueinander den Code definiert;
- - Bereitstellen eines Metadatensatzes mit Kalibrierparametern, die für die Kalibriervorrichtung spezifische physikalische Zustands- und Änderungsgrößen aufweisen, wobei der Code der Kalibriervorrichtung dazu ausgebildet ist, einen Link zu dem Metadatensatz zu verschlüsseln;
- - Erfassen von Bilddaten, die die Vielzahl von optischen Markern und den Code beinhalten; und
- - Auswerten der erfassten Bilddaten, wobei die Auswertung der Bilddaten folgende Schritte aufweist:
- - Ermitteln einer Position von zumindest einem der Vielzahl von optischen Markern aus den erfassten Bilddaten;
- - Entschlüsseln des Codes
- - Zugreifen auf den Metadatensatz über den Link;
- - Auslesen der in dem Metadatensatz enthaltenen Kalibrierparameter;
- - Korrigieren der ermittelten Position des zumindest einen der Vielzahl von optischen Markern mithilfe der Kalibrierparameter.
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Unter dem Begriff „miteinbeziehen“ bei der erfindungsgemäßen Lösung verstanden, dass der Algorithmus der Ausleseeinheit die Kalibrierparameter, d.h. die spezifischen Zustands- und Änderungsgrößen, bei der Auswertung der Bilddaten analytisch verarbeitet. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung eines Kalibrierparameters als Konstante einer Differenzialgleichung realisiert sein.
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Durch die vorgeschlagene Lösung greift die Ausleseeinheit automatisch auf die zu der Kalibriervorrichtung gehörenden Metadaten zu, wodurch das manuelle Eingeben einer Nummer oder Kennung zum Aufrufen einer Datei durch einen Systemanwender entfällt. Dieser Automatisierungsschritt wird dadurch ermöglicht, dass die Ausleseeinheit von dem optischen Sensor zusätzlich zu den Bilddaten der optischen Marker ebenfalls die in dem Code verschlüsselten Informationen zu dem Link empfängt, durch welchen ein Zugriff auf den Metadatensatz ermöglicht wird. Hierfür wird der in der Ausleseeinheit zum Auswerten der Bilddaten verwendete Algorithmus dahingehend erweitert, dass ein Erkennen und Entschlüsseln des Codes möglich ist. Im Algorithmus der Ausleseeinheit kann beispielsweise ein Referenzbild des Codes (Soll-Code) hinterlegt sein, welches mit dem von dem optischen Sensor erfassten Code (Ist-Code) verglichen wird. Stimmt der Ist-Code mit dem Soll-Code überein, wird der Code entschlüsselt.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Metadatensatz die gleichen Informationen bzw. Kalibrierparameter wie die eingangs bereits genannten Dateien von herkömmlichen optischen Messsystemen aufweisen kann.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass Zuordnungsfehler zwischen Dateien und Kalibriervorrichtungen vermieden werden. Somit können bspw. Systeme automatisiert werden, in welchen eine Vielzahl von verschiedenen Kalibriervorrichtungen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften und somit auch unterschiedlichen Kalibrierparametern verwendet werden. Hierbei kann der in der Ausleseeinheit hinterlegte Algorithmus dahingehend erweitert werden, dass zu der Vielzahl von verschiedenen Kalibriervorrichtungen eine Vielzahl von verschiedenen Codes entschlüsselt werden kann.
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Ein sich ebenfalls aus der erfindungsgemäßen Lösung ergebender Vorteil ist, dass die in dem Metadatensatz gespeicherten Kalibrierparameter durch einen Systemanwender oder auch vollautomatisiert nachträglich veränderbar sind. Beispielsweise, wenn sich Zustands- und/oder Änderungsgrößen nachträglich verändern oder weitere Parameter berücksichtigt werden. Dies vereinfacht die Automatisierung des Kalibriervorgangs, da nicht, wie i.d.R. üblich, ein einzelner spezifischer Datensatz zu einer dazugehörenden Kalibriervorrichtung verändert werden muss, sondern eine solche Veränderung zentralisiert durchführbar ist.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Möglichkeit, neben den spezifischen physikalischen Zustands- und Änderungsgrößen der Kalibriervorrichtung auch Informationen zu der Art der optischen Marker in dem Metadatensatz zu erfassen. Dabei kann beispielsweise die genaue Ausgestaltungsform der optischen Marker, d.h. z.B. deren Farbe, Form und oder Größe, erfasst werden, wodurch der Algorithmus der Ausleseeinheit zumindest teilweise unabhängig von der verwendeten Art der Marker ausgestaltet werden kann. Dies ist vor allem bei optischen Messsystemen von Vorteil, bei welchen verschiedene Kalibriervorrichtungen mit verschiedenen optische Marker verwendet werden, da sich der Algorithmus die jeweils benötige Information aus dem jeweiligen Metadatensatz der jeweiligen Kalibriervorrichtung beziehen kann.
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Zudem ist es möglich Informationen über den zu verwendenden Algorithmus der Ausleseeinheit in dem Metadatensatz zu erfassen. Dies hat im Speziellen den Vorteil, dass eventuelle für die Kalibriervorrichtung spezifische Teilabläufe des Algorithmus ausgelagert werden können, wodurch sich der Grundalgorithmus dahingehen vereinfacht, dass an den jeweiligen Stellen lediglich Aufrufanweisungen hinterlegt werden. Es ist also nicht notwendig den Algorithmus um jede Ausgestaltungform der Kalibriervorrichtung zu erweitern oder zu verändern.
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Das erfindungsgemäße optische Messsystem kann ebenfalls bei einem optischen Messvorgang zum Einsatz kommen. Bei einem solchen Messvorgang wird die aus dem Kalibriervorgang bekannte Position der Kalibriervorrichtung durch den optischen Sensor erfasst und kann beispielsweise von dem optischen Messsystem bei einer Verfolgung einer Relativbewegung eines Werkzeugs relativ zu einem unbewegten Werkzeugtisch verwendet werden. In einem solchen Anwendungsfall werden vorzugsweise zwei Kalibriervorrichtungen verwendet, eine erste, welche an dem Werkzeugtisch angeordnet ist, und eine zweite, welche an dem Werkzeug angeordnet ist. Ein sich bewegendes Objekt kann somit indirekt über die Relativbewegung der beiden Kalibriervorrichtungen zueinander verfolgt werden.
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Erfindungsgemäß ist die Ausleseeinheit dazu eingerichtet, aus den Bilddaten eine Position des zumindest einen optischen Markers zu ermitteln und die ermittelte Position mithilfe der Kalibrierparameter zu korrigieren.
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Hierbei vergleicht die Ausleseeinheit eine Soll-Position des zumindest einen optischen Markers mit dessen Ist-Position, welche durch den optischen Sensor erfasst wird. Bei diesem Vergleich werden die Kalibrierparameter der Kalibriervorrichtung beispielsweise dazu verwendet, bei der Auswertung der Ist-Position verschiedene physikalische Parameter zu berücksichtigen, wodurch die Genauigkeit der Kalibrierung und somit die Genauigkeit des späteren Messvorgangs erhöht werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das optische Messsystem einen Messsensor auf, der dazu eingerichtet ist, Umgebungsparameter zu erfassen, wobei die Ausleseeinheit dazu eingerichtet ist, die Umgebungsparameter für die Korrektur der ermittelten Position zu verwenden.
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Ein solcher Messsensor kann im einfachsten Fall beispielsweise durch einen Temperatursensor realisiert werden, der eine Umgebungstemperatur erfasst und diesen Parameter der Ausleseeinheit für eine Berechnung von temperaturabhängigen Änderungsgrößen, z.B. der thermischen Ausdehnung, zur Verfügung stellt. Durch einen Multisensor kann zusätzlich zu der Umgebungstemperatur auch ein Erfassen eines Umgebungsdrucks und/oder einer Umgebungsfeuchte realisiert werden.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltungsvariante besteht darin, dass die durch den Messsensor erfassten Umgebungsparameter unmittelbar bei der Berechnung der Änderungsgrößen berücksichtigt werden. Somit werden umgebungsbedingte Veränderungen der Ist-Position der optischen Marker direkt bei der Auswertung der Bilddaten berücksichtigt.
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Erfindungsgemäß weist der zumindest eine optische Marker eine Vielzahl von optischen Markern auf.
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Die Kalibriervorrichtung weist in diesem Fall also eine Vielzahl von optischen Markern auf. Dies kann in der Praxis bspw. durch eine Vielzahl von Bohrlöchern in einer Platte realisiert werden, wobei jedes einzelne Bohrloch als ein optischer Marker fungiert.
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Diese Ausgestaltungsvariante hat den Vorteil, dass durch den optischen Sensor während eines Kalibrier- oder Messvorgangs die Vielzahl von optischen Markern erfasst werden kann, wodurch die Genauigkeit des Kalibriervorgangs erhöht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Code als QR-Code, Matrixcode oder Barcode ausgestaltet.
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Dies hat den Vorteil, dass diese verwendeten Codearten aus der Praxis bekannt sind und bereits in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern eingesetzt werden, wodurch eine fehlerfreie Funktionsweise gewährleistet ist.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auch jegliche hier nicht aufgeführte Art von optisch zu erfassender Codierung in dem erfindungsgemäßen optischen Messsystem verwendet werden kann, ohne den Rahmen der hier vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung sind der Code und der zumindest eine optische Marker nebeneinander angeordnet und der Code überlappt den zumindest einen optischen Marker nicht.
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Diese Ausgestaltungsvariante hat den Vorteil, dass der optische Sensor den Code eindeutig von dem zumindest einen optischen Markern abgrenzen kann. Für ein möglichst einfaches Erfassen des Codes durch den optischen Sensor kann der Algorithmus um ein Code-Referenzbild für einen Soll-Ist-Abgleich mit dem Code der Kalibriervorrichtung erweitert werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, bereits bestehende optische Messsysteme in einem Retrofit um einen solchen Code der Kalibriervorrichtung und eine Erweiterung des Algorithmus der Ausleseeinheit zu ergänzen, wodurch eine nachträgliche Automatisierung möglich ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung bildet oder beinhaltet einer der optischen Marker der Vielzahl von optischen Markern den Code.
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Das heißt, dass einer der optischen Marker in seiner Ausgestaltung dahingehend verändert ist, dass diese Veränderung von dem optischen Sensor erfasst und durch die Ausleseeinheit als Code ausgelesen werden kann. D.h., der optische Marker wird von der Ausleseeinheit nicht ausschließlich als optischer Marker, sondern auch als Code oder als Codehinweis ausgewertet. Die Veränderung des optischen Markers kann bspw. durch ein Einfärben dieses Markers realisiert sein. Die Ausleseeinheit kann den optischen Marker anhand bekannter Auswerteverfahren erkennen.
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Es ist zudem möglich, dass der veränderte optische Marker lediglich eine Hinweisfunktion zu einem sich beispielsweise neben dem optischen Marker befindlichen Code aufweist. D.h., der veränderte optische Marker kann der Ausleseeinheit als Hinweis dienen, um eine sich neben dem veränderten optischen Marker befindliche Zahl zu erkennen und diese auszulesen, wobei in diesem Fall diese Zahl den Code darstellt.
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Diese Ausgestaltungsvariante bietet den Vorteil, dass lediglich ein optischer Marker der Kalibriervorrichtung in seiner Ausgestaltung verändert werden muss, was gerade bei einem Retrofit zu einem geringen Arbeitsaufwand führt. Obwohl durch die begrenzte Anzahl an optischen Markern nur eine begrenzte Anzahl an Codes darstellbar ist, kann durch diese Ausgestaltungsvariante ebenfalls die erfindungsgemäße Funktionsweise realisiert werden, bei welcher die Ausleseeinheit über den optischen Sensor den optischen Marker als Code oder Codehinweis ausliest und über diesen auf einen Link zu dem Metadatensatz der Speichereinheit zugreift.
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Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass der Algorithmus der Ausleseeinheit lediglich um eine Abfragebedingung ergänzt werden muss. D.h. mit anderen Worten, dass kein weiterer Detektionsalgorithmus als der ohnehin für die Positionsberechnung der Kalibriervorrichtung verwendete erforderlich ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bildet die Vielzahl von optischen Markern den Code.
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Das heißt, dass die optischen Marker gleichzeitig die Eigenschaften der optischen Marker und die Eigenschaften des Codes aufweisen. Mit anderen Worten weist also jeder optische Marker als Individuum die Eigenschaften eines optischen Markers auf und zudem bildet eine Gruppe der optischen Marker oder die Gesamtheit aller optischen Markern den Code. Es existiert folglich nicht ein zusätzlicher Code, der auf der Kalibriervorrichtung angeordnet ist, sondern die Vielzahl von optischen Markern bilden den Code.
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Dies hat den Vorteil, dass ein Anordnen eines zusätzlichen Codes auf der Kalibriervorrichtung nicht notwendig ist, was insbesondere platzsparend im Bezug auf die Anordnung auf der Kalibriervorrichtung ist. Die optischen Marker können somit vergleichsweise größer ausgestaltet werden, wodurch die Genauigkeit der Erfassung durch den optischen Sensor erhöht wird. In der Praxis kann somit ein Soll-Ist-Abgleich des Algorithmus der Ausleseeinheit um die zusätzlichen Eigenschaften des Codes erweitert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der durch die Vielzahl von optischen Markern gebildete Code Eigenschaften eines QR-Codes auf.
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Das bedeutet, dass jeder einzelne der optischen Marker einen Teil eines QR-Code ähnlichen Codes bildet, wobei jeder optische Marker für sich genommen dennoch die Eigenschaften eines optischen Markers repräsentiert.
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Ein daraus resultierender Vorteil ist, dass aus der Praxis bekannte Eigenschaften eines QR-Codes und gängige Analyseverfahren für eine Entschlüsselung des QR-Codes auf den QR-Code ähnlichen Code anwendbar sind, obwohl dieser QR-Code ähnlichen Code durch die Vielzahl von optischen Markern gebildet ist und in diesem Sinne nicht einem „herkömmlichen“ QR Code entspricht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der durch die Vielzahl von optischen Markern gebildete Code zumindest zwei Positionierungsmarkierungen, zumindest eine Orientierungsmarkierung sowie zumindest eine Synchronisationsmarkierung auf.
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Diese Eigenschaften gelten als notwendige Kriterien, auf welchen die Funktionsweise und Entschlüsselung eines QR-Codes basiert. Soll ein QR-Code als Verschlüsselung verwendet werden, muss eine solche Codierung zumindest diese drei Eigenschaften aufweisen. Diese Eigenschaften werden bei der Ausgestaltung des QR-Code ähnlichen Codes, der durch die die Vielzahl von optischen Markern gebildet ist, berücksichtigt.
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In der Praxis weisen QR-Codes eine quadratische Form auf. Zumindest zwei (i.d.R. jedoch drei) von vier Ecken der quadratischen Form weisen ein bestimmtes Erkennungsmerkmal auf, welches als Positionierungsmarkierung bezeichnet wird. Diese Positionierungsmarkierungen dienen zu einer Begrenzung des von einem optischen Sensor erfassten quadratischen Feldes, innerhalb welches sich der QR-Code befindet. Die zumindest eine Ecke ohne eine solche Positionierungsmarkierung weist eine Orientierungsmarkierung auf, durch welche eine Ausleseeinheit über den optischen Sensor die Orientierung des Codes erfassen kann. Mit zunehmender zu verschlüsselnder Datengröße kann der QR-Code auch mehrere solcher Positionierungsmarkierungen aufweisen. Zwischen jeweils zwei Positionierungsmarkierungen verläuft eine gerade Linie, welche als Synchronisationsmarkierung dient. Ein QR-Code mit drei Positionierungsmarkierungen weist also jeweils eine vertikale sowie eine horizontale Synchronisationsmarkierung auf.
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Eine Verschlüsselung von Daten ist in dem QR-Code durch einen Schwarz-Weiß-Pixel-Kontrast realisiert. Dieser Schwarz-Weiß-Pixel-Kontrast repräsentiert hierbei die binären Speichereinheiten 0 und 1, durch welche eine Datenspeicherung in elektromagnetischer Form repräsentiert ist. Die in dem QR-Code verschlüsselten Daten liegen zudem in redundanter Form vor. D.h., dass auch bei einer teilweisen Abdeckung des Codes durch z.B. einen Schatten oder einen Gegenstand ein Erfassen und Entschlüsseln der verschlüsselten Daten sichergestellt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante weist die Vielzahl von optischen Markern Marker erster Art und Marker zweiter Art auf, wobei sich die Marker erster Art von den Markern zweiter Art in Größe, Farbe und/oder Form unterscheiden.
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In dieser Ausgestaltungsvariante kann der Schwarz-Weiß-Pixel-Kontrast des QR-Codes bzw. des QR-Code ähnlichen Codes durch zwei beliebige sich unterscheidende Marker erster Art und Marker zweiter Art ersetzt werden. Die Marker erster Art repräsentieren hierbei z.B. die weißen, die Marker zweiter Art die schwarzen Pixel. D.h. die Bipolarität der Bits (0 und 1) wird abgebildet, wobei die Marker erster Art und die Marker zweiter Art in der hier vorliegenden Ausgestaltungsvariante ebenfalls jeweils zwei Arten von Informationen aufweisen. Diese Information können bspw. durch zwei unterschiedliche Größen der Marker erster Art und der Marker zweiter Art repräsentiert werden. Auch eine Farbwahl z.B. grün und schwarz oder rot und blau der Marker erster Art und der Marker zweiter Art ist möglich. Zudem kann die Form der Marker erster Art in Bezug auf die Form der Marker zweiter Art verändert werden. Das heißt konkret, dass die Marker erster Art bspw. als Kreise und die Marker zweiter Art bspw. als Vierecke ausgestaltet sein können. Es versteht sich, dass auch jegliche andere Art von Ausgestaltung und Variation der Größe, Farbe und/oder Form in der hier vorliegenden Ausgestaltungsvariante die Erfindung realisiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Vielzahl von optischen Markern Marker erster Art und Marker zweiter Art auf, wobei die Marker erster Art entlang eines ersten Gitters und die Marker zweiter Art entlang eines zweiten Gitters angeordnet sind, und wobei das erste Gitter gegenüber dem zweiten Gitter versetzt ist.
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Dieser Versatz erscheint für den Beobachter wie eine Verzerrung in einem äquidistanten Gitter. Bei dieser Ausgestaltung werden zwei äquidistante Gitter jeweils gegenüber einer gemeinsamen Ausgangsposition verschoben, wobei das Verschieben der beiden Gitter in zwei unterschiedliche Richtungen erfolgt. Über die Abweichung der beiden Gitter zu der Ausgangsposition können ebenfalls zwei verschiedene Informationen gespeichert werden. Dabei wird der jeweilige Versatz von dem optischen Sensor erfasst und in der Ausleseeinheit in die jeweils vorliegende Information umgewandelt. Auch hieraus lässt sich mit Hilfe der optischen Marker somit ein QR-Code ähnlicher Code erzeugen. Diese Ausgestaltungsvariante kann auch realisiert werden, wenn nur eines der beiden Gitter gegenüber der Ausgangsposition verschoben ist.
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Diese Ausgestaltungsvariante hat den Vorteil, dass bspw. bei der Fertigung einer Kalibriervorrichtung die optischen Marker als Löcher oder Bohrungen gleicher Größe ausgestaltet werden können. Somit kann die Kalibriervorrichtung durch bspw. eine vollautomatische CNC-Fräse gefertigt werden, ohne dass ein Auswechseln eines Werkzeugs notwendig ist. Dadurch verringert sich der Fertigungsaufwand für die Kalibriervorrichtung im Vergleich zu einer Kalibriervorrichtung bei der z.B. optische Marker mit zwei unterschiedlichen Formen verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die Kalibrierparameter Informationen über Material, Wärmeausdehnung, Eigenbiegung und/oder Rauigkeit der Kalibriervorrichtung auf.
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Wie bereits erwähnt, sind diese Informationen vorteilhaft, um die Position des zumindest einen optischen Markers auf der Kalibriervorrichtung zu erfassen, da sich diese Position bei einer Veränderung der Umgebungsparameter (z.B. Temperaturerhöhung) im Bezug zu der Position unter Standardbedingungen verändert. Daher ist es von Vorteil, ein solches Abweichen durch das Einbeziehen von weiterführenden Informationen zu berücksichtigen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Speichereinheit als Cloud oder Server ausgestaltet und mit der Ausleseeinheit verbunden.
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Diese Art der Speicherung hat den Vorteil, dass eine Gesamtheit von verschlüsselten Metadaten zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Kalibriervorrichtungen auf nur einer physikalischen Speichereinheit gespeichert werden kann, wodurch eine Automatisierung vereinfacht wird. Der Zugriff auf die Speichereinheit erfolgt zudem ortsungebunden von der Kalibriervorrichtung, da ein Zugriff über das Internet oder ein z.B. firmeninternes Intranet möglich ist. Zudem ist der Zugriff auf solche Speichereinheiten aus einer Vielzahl von Anwendungsfeldern bekannt und kann somit über ein standardisiertes Vorgehen in den Algorithmus der Ausleseeinheit integriert werden.
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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.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen optischen Messsystems;
- 2 vier beispielhafte Ausführungsformen von Kalibriervorrichtungen, wobei (a) ein einfaches Punktmuster mit einem äquidistanten Gitter zeigt; (b) ein schachbrettartiges Muster zeigt; (c) ein Punktmuster mit zwei zueinander verschobenen Gittern zeigt und (d) eine Kalibriervorrichtung mit einer Grauabstufung zeigt;
- 3 eine beispielhafte Positionierung eines Codes in drei verschiedenen Ausführungsvarianten;
- 4 eine beispielhafte Darstellung von Eigenschaften eines QR-Codes;
- 5 (b) - (d) drei beispielhafte Ausgestaltungsvarianten von Codes mit Eigenschaften eines QR-Codes (a), wobei die Vielzahl der optischen Marker den Code bilden;
- 6 (b) - (c) zwei beispielhafte Ausgestaltungsvarianten von Codes mit Eigenschaften eines QR-Codes (a), wobei die Vielzahl der optischen Marker den Code bilden; und
- 7 einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen optischen Messverfahrens.
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Das optische Messsystem ist in den Figuren in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Eine Komponente des optischen Messsystems 10, welche vorliegend als Kalibriervorrichtung 12 bezeichnet wird, ist in dem in 1 dargestellten Beispiel an einem Arm eines Roboters 14 angeordnet, wobei die Kalibriervorrichtung 12 beispielsweise eine Aluminiumplatte aufweist, In der Praxis kann eine solche Platte aus einer Vielzahl von Materialien gefertigt sein, wobei je nach Anwendungsfall diverse Metalle, Kunststoffe oder Keramiken verwendet werden.
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Die Kalibriervorrichtung 12 ist gemäß 1 auf einen optischen Sensor 16 ausgerichtet, durch welchen die Kalibriervorrichtung 12 optisch erfasst wird. Bei dem optischen Sensor 16 handelt es sich beispielsweise um eine Kamera.
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Beim Erfassen der Kalibriervorrichtung 12 orientiert sich der optische Sensor 16 an zumindest einem optischen Marker 18. Im dargestellten Anwendungsfall (1) ist der zumindest eine optische Marker 18 als Bohrung in der Aluminiumplatte der Kalibriervorrichtung 12 ausgestaltet. Im vorliegend dargestellten Beispiel weist die Kalibriervorrichtung 12 eine Vielzahl dieser optischen Marker 18 auf. Bei der Vielzahl von optischen Markern 18 handelt es sich in 1 beispielhaft um eine Vielzahl von identischen Bohrungen entlang eines äquidistanten Gitters auf der Kalibriervorrichtung 12. Die optischen Marker 18 werden häufig auch als Objektpunkte bezeichnet.
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Die Kalibriervorrichtung 12 weist neben der Vielzahl von optischen Markern 18 einen Code 20 auf. Der Code 20 ist im gezeigten Anwendungsfall oberhalb der optischen Markern 18 auf der Kalibriervorrichtung 12 angeordnet und wird von dem optischen Sensor 16 zusammen mit den optischen Markern 18 erfasst. Beim Erfassen der Kalibriervorrichtung 12 durch den optischen Sensor 16 werden 3D- Positionsdaten, wie sie in der Realität vorliegen, in 2D-Projektionen umgewandelt und in Form von Bilddaten 22 an eine Ausleseeinheit 24 übermittelt. Das Übermitteln bzw. Übertragen der Bilddaten 22 von dem optischen Sensor 16 zu der Ausleseeinheit 24 findet entweder über ein oder mehrere Kabel oder mittels einer kabellosen Verbindung statt.
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Für eine korrekte Funktionsweise des optischen Messsystems 10 ist neben der zwingend notwendigen Kalibrierung auch die Positionierung des optischen Sensors 16 in einem „korrekten“ Abstand zu der Kalibriervorrichtung 12 zu berücksichtigen. Der optische Sensor 16 ist so zu positionieren, dass der Abstand zwischen dem optischen Sensor 16 und der Kalibiervorrichtung 12 innerhalb eines definierten Arbeitsvolumens liegt, welches beispielsweise durch den Fokus des optischen Sensors 16 definiert sein kann, innerhalb dessen der optische Sensor 16 ein fehlerfreies Erfassen und Übertragen der Bilddaten 22 an die Ausleseeinheit 24 ermöglicht. Insbesondere der Abstand des optischen Sensors 16 zu dem zumindest einen optischen Marker 18 sollte dabei beachtet werden, da der zumindest eine optische Marker 18 nicht genau erfasst werden kann, wenn dieser außerhalb des Arbeitsvolumens des optischen Sensors 16 liegt.
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Bei der Ausleseeinheit 24 handelt es sich vorzugsweise um eine Recheneinheit, also beispielsweise um einen Computer oder Teil eines Computers. Beispielhaft können auch Mikrocontroller, Field-Programmable-Gate-Array (FPGA) oder ein System-on-a-Chip (SoC) verwendet werden. Die Ausleseeinheit 24 beinhaltet Hardware, beispielsweise einen halbleiterbasierten Mikrochip, auf der Software installiert ist, welche zu der Auswertung der von dem optischen Sensor 16 gelieferten Bilddaten 22 dient. Die Software ist beispielsweise der Algorithmus der Ausleseeinheit 24.
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Die Ausleseeinheit 24 ist dazu eingerichtet, die von dem optischen Sensor 16 erfassten Bilddaten 22 auszuwerten. Dabei erfolgt die Auswertung der Bilddaten 22, die Informationen über den zumindest einen optischen Marker 18 sowie den Code 20 aufweisen, durch einen in der Ausleseeinheit 24 hinterlegten Algorithmus. Dieser Algorithmus, der in der Praxis auch als Detektionsalgorithmus oder Detektionssoftware bezeichnet wird, ist dazu eingerichtet, die Bilddaten 22 auszuwerten und die darin enthaltenen Informationen des Codes 20 zu entschlüsseln.
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Durch die Entschlüsselung des Codes 20 kann die Ausleseeinheit 24 über einen Link 26 auf eine Speichereinheit 28 zugreifen und aus der Speichereinheit 28 einen Metadatensatz 30 auslesen. Dieser Metadatensatz 30 kann beispielsweise Informationen über die Kalibriervorrichtung 12, über die optischen Marker 18 und/oder über den Algorithmus der Ausleseeinheit 24 beinhalten. In der Praxis kann der Metadatensatz 30 als zu der Kalibiervorrichtung 12 mitgelieferte Datei bzw. File oder als Datenbankeintrag realisiert sein. Die Speichereinheit 28 kann in die Ausleseeinheit 24 integriert oder separat zu dieser ausgestaltet sein.
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Unter der Speichereinheit 28 wird hierbei jegliche Art von physischem Speicher (z.B. Festplatten, der Speicher eines Rechenzentrums, u.Ä.) angesehen, in welchem es möglich ist, Daten bzw. Metadaten in Form von elektrischen bzw. magnetischen Informationen zu speichern. Hierunter fallen auch jegliche Arten von „virtuellen Speichern“ (z.B. Clouds oder Server), für deren Funktionsweise ebenfalls auf einen oder eine Vielzahl von physikalischen Speichern zugegriffen wird.
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Die in dem Metadatensatz 30 enthaltenen Informationen, z.B. Kalibrierparameter der Kalibriervorrichtung, werden von dem Algorithmus der Ausleseeinheit 24 bei der Auswertung bzw. Analyse der Bilddaten 22 verwendet bzw. in diese miteinbezogen. Dabei werden beispielsweise spezifische physikalische Zustands- und Änderungsgrößen der Kalibriervorrichtung 12 berücksichtigt. Die Kalibrierparameter weisen vorzugsweise Informationen über Material, Temperaturzuordnung, Wärmeausdehnung bzw. Ausdehnung, Eigenbiegung bzw. Durchbiegung, Gewicht, Schwerpunkt sowie allgemeine Struktureigenschaften der Kalibriervorrichtung 12 auf. Da diese Informationen zumindest teilweise von Umgebungsbedingungen abhängen können, welche u. U. einer Veränderung im Bezug auf Standardbedingungen (z.B. Normbedingungen nach DIN 1343) unterliegen, kann der optische Sensor 16 in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einen Messsensor 32 aufweisen (siehe 1), welcher dazu eingerichtet ist, Umgebungsparameter 33 (z.B. Druck, Temperatur und/oder Feuchte) aufzuzeichnen und diese über den optischen Sensor 16 an die Ausleseeinheit 24 zu übertragen.
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Der Messsensor 32 ist dabei entweder in den optischen Sensor 16 integriert oder über ein oder mehrere Kabel oder mittels einer kabellosen Verbindung mit diesem verbunden. In der Praxis kann der Messsensor 32 beispielsweise durch ein PT-100 Temperaturelement oder durch einen Multisensor repräsentiert sein.
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Zudem ist das Erfassen von weiteren Eigenschaften der Kalibrierung bzw. des Kalibiervorgangs möglich, die gesamthaft in dem Metadatensatz 30 hinterlegt sein können. Dabei kann z.B. die Markerpolarität als weiterer Parameter hinterlegt sein. Unter der Markerpolarität wird hier vorliegend verstanden, ob die optischen Marker 18 z.B. schwarz sind und sich auf einem z.B. weißen Hintergrund befinden oder weiß sind und sich auf einem schwarzen Hintergrund befinden. Ebenfalls sind Angaben der verwendeten Art der Marker 18 möglich, wobei hierunter u. A. die Ausgestaltung als Kreis oder Schachbrettmuster (Checkerboard) verstanden wird. Auch die zu wählenden Markersuchkriterien können in dem Metadatensatz 30 hinterlegt sein. Bei zeitabhängigen Kalibrierprozessen kann ebenfalls ein Kalibrierzeitpunkt hinterlegt werden. Durch diese Vielzahl von Zusatzinformationen kann der Algorithmus der Ausleseeinheit 24 in einer allgemeineren Form programmiert werden und auf alle für eine spezifischen Kalibriervorgang notwendige Zusatzinformationen durch Verwendung des Metadatensatzes 30 zugreifen.
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Zusammenfassend führt das optische Messsystem 10 während des Kalibiervorgang folgende Verfahrensschritte (siehe 7) eines optischen Messverfahrens S100 aus: Bereitstellen einer Kalibriervorrichtung S101, gefolgt von einem Bereitstellen eines Metadatensatzes S102, gefolgt von einem Erfassen von Bilddaten S103 und einem Auswerten der erfassten Bilddaten S104.Somit können die durch die Kalibriervorrichtung 12 bereitgestellten Informationen über die optischen Marker18 und den Code 20 in Form der Bilddaten 22 erfasst werden. Es folgt eine Entschlüsselung des Codes 20, in welchem der Link 26 zu dem bereitgestellten Metadatensatz 30 verschlüsselt ist. Dabei wird über den Link 26 auf den Metadatensatz 30 zugegriffen und dieser ausgelesen, wobei der Metadatensatz 30 für die Kalibiervorrichtung 12 spezifische Kalibrierparameter aufweist. Bei der Auswertung der Bilddaten 22 werden die ausgelesenen Kalibrierparameter miteinbezogen.
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2 zeigt beispielhaft vier aus der Praxis bekannte Kalibriervorrichtungen 12 in einer Draufsicht, wobei die in 2a und 2c dargestellten Kalibriervorrichtungen 12 auch als Einmessplatten oder Targets bezeichnet werden. 2b zeigt eine Kalibriervorrichtung 12, die gewöhnlich als Schachbrett (Checkerboard) bezeichnet wird. In 2d ist die Kalibriervorrichtung 12 als „komplexer“ Körper dargestellt, wobei hier unter einem „komplexen“ Körper ein Körper verstanden wird, der von den gängigen Formen wie z.B. einem Würfel, einem Quader oder einer Kugel abweicht.
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Die in 2a-d dargestellten Kalibriervorrichtungen 12 weisen jeweils eine Vielzahl von optischen Markern 18 in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen auf. In den 2a und 2c sind die optischen Marker 18 schwarze Kreise auf einem weisen Hintergrund. In der Praxis können diese Kreise entweder durch eine punktuelle schwarze Einfärbung oder durch Bohrungen in z.B. eine Aluminiumplatte realisiert sein. Ebenfalls könne die optischen Marker 18 beispielsweise auch als schwarze Quadrate auf weisem Hintergrund in schachbrettartiger Anordnung realisiert sein (siehe 2b). Neben diesen „einfachen“ Formen (z.B. Kreise und Quadrate) sind auch jegliche andere Formen und Ausgestaltungsmöglichkeiten denkbar, durch deren Merkmale sich die optischen Marker 18 klar von dem Hintergrund der Kalibriervorrichtung 12 abgrenzen. Hierunter fallen z.B. auch komplexere Darstellungen der optischen Markern 18, wie bspw. die weißen Kreissegmente auf schwarzem Hintergrund (siehe 2d).
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Eine der bereits oben beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen des Codes 20 auf der Kalibriervorrichtung 12, erfolgt durch das Anordnen des Code 20 zwischen oder neben den optischen Markern 18, wie es beispielhaft in 1 sowie für drei weitere Ausführungsbeispiele der Kalibriervorrichtung 12 in 3a-c dargestellt ist. In 3a-c ist der Code 20 jeweils zwischen vier optischen Markern 18 angeordnet, wobei der Code 20 die von den vier optischen Markern 18 beanspruchte Fläche auf der Kalibriervorrichtung 12 in keinem Punkt überlappt bzw. überdeckt. Dadurch können die optischen Marker 18 von dem optischen Sensor 16 weiterhin als optische Marker 18 erfasst werden, ohne dass dieses Erfassen durch den Code 20 gestört oder gar verhindert ist. In den beispielhaften Darstellungen aus 3a-c ist der Code 20 ein aus der Praxis bekannter QR-Code. Es ist jedoch auch jegliche andere Art von Codierung, beispielsweise Barcodes, Matrixcodes oder im einfachsten Fall eine Seriennummer oder andere Kennnummer einsetzbar, die von dem optischen Sensor 16 erfasst und durch die Ausleseeinheit 24 entschlüsselt werden kann und somit den Link 26 zu der Speichereinheit 28 freigibt.
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Eine weitere Möglichkeit zur Anordnung des Codes 20 auf der Kalibriervorrichtung 12 ist erfindungsgemäß dadurch gegeben, dass der zumindest eine optische Marker 18 durch eine Vielzahl von optischen Markern 18 repräsentiert wird, die in ihrer Gesamtheit den Code 20 bilden. Vorzugsweise ist der durch die Vielzahl von optischen Markern 18 gebildete Code 20 ein QR-Code ähnlicher Code 20. D. h., dass der Code 20 die für die Funktionsweise eines QR-Codes notwendigen Eigenschaften aufweist, welche für die fehlerfreie Entschlüsselung der Informationen notwendig sind. Hierbei sind besonders drei Eigenschaften notwendig, die in 4 anhand eines aus der Praxis bekannten QR-Codes gezeigt sind. Der QR-Code ähnlicher Code 20 sollte zumindest zwei Positionierungsmarkierungen 34, zumindest eine Orientierungsmarkierung 36 sowie zumindest eine Synchronisationsmarkierung 38 aufweisen.
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Der in 4 dargestellte QR-Code weist drei Positionierungsmarkierungen 34 auf, welche in drei der vier Ecken des QR-Codes angeordnet sind, wobei jeweils zwei der Positionierungsmarkierungen 34 über eine Synchronisationsmarkierung 38 verbunden sind. Die beiden Synchronisationsmarkierungen 38 sind im gezeigten Fall als sich streng abwechselnde Folge von schwarzen und weißen Pixeln entlang einer geraden Linie dargestellt, wobei eine der beiden Synchronisationsmarkierungen 38 horizontal, die Andere vertikal verläuft. Die Orientierungsmarkierung 36 ist in dem nicht durch die drei Positionierungsmarkierungen 34 beanspruchten vierten Eck des QR-Codes angeordnet. Durch die Positionierungsmarkierungen 34 wird ein Detektionsfeld, innerhalb welches sich die codierten Informationen befinden, festgelegt. Durch die Orientierungsmarkierung 36 kann der optische Sensor 16 die Orientierung bzw. Ausrichtung des Codes feststellen, z.B. in welcher Richtung die Informationen auszulesen sind. Die Synchronisationsmarkierungen 38 dienen der Synchronisation zwischen dem QR-Code und dem optischen Sensor 16
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Um einen QR-Code ähnlichen Code 20 durch die Vielzahl von optischen Markern 18 abzubilden, kann die Polarität des QR-Codes, d.h. die gewöhnliche Darstellung der binären Codeinformationen durch schwarze und weiße Pixel, durch zwei davon abweichende unterscheidbare Merkmale, die von dem optischen Sensor 16 fehlerfrei zu erfassen sind, ersetzt werden. Dies führt dazu, das die Kalibriervorrichtung 12 Marker erster Art 18' und Marker zweiter Art 18" aufweist, wobei die Marker erster Art 18' zusammen mit den Markern zweiter Art 18" die Vielzahl von Markern 18 repräsentieren, die den Code 20 bilden. Fünf beispielhafte Ausführungsvarianten sind in 5b-d sowie in 6b-c dargestellt. Zum besseren Vergleich der unterschiedlichen Ausgestaltungsformen ist zudem jeweils in 5a und 6a ein aus der Praxis allgemein bekannter Referenz-QR-Code 40 dargestellt.
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In 5b und 5c weisen die Marker erster Art 18' und die Marker zweiter Art 18" verschiedene Größen auf. Das heißt mit anderen Worten, dass die Informationen des Codes 20 im Radius der optischen Marker 18 verklausuliert sind. Dabei entspricht ein Radius des Markers erster Art 18' beispielsweise einem schwarzen Feld im Referenz-QR-Code 40, ein Radius des Markers zweiter Art 18" einem weißen Feld (vgl. 5a und 5b). Im 5c ist die Informationsvergaben der Schwarz-Weiß-Informationen jeweils umgekehrt.
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Ebenfalls ist es möglich, die zu verschlüsselnden Informationen durch Variation der Position der Marker erster Art 18' und/oder der Marker zweiter Art 18" im Bezug auf eine Ausgangsposition zu verändern. Wie in 5d beispielhaft dargestellt, sind die Marker erster Art 18', welche entlang eines äquidistanten ersten Gitters 42 angeordnet sind, im Bezug zu einer Position eines Referenzgitters 44 in eine erste Richtung 46 verschoben. Die Marker zweiter Art 18", welche entlang eines äquidistanten zweiten Gitters 48 angeordnet sind, sind im Bezug zu der Position des Referenzgitters 44 in eine zweite Richtung 50 verschoben. In diesen beiden definierten Verschiebungen sind somit ebenfalls die ursprünglichen Schwarz-Weiß-Informationen verklausuliert. Es kann aber auch nur die Lage bzw. Position der Marker erster Art 18' oder die der Marker zweiter Art 18" im Bezug auf eine Referenzposition bzw. das Referenzgitter 44 verändert werden. Zum Beispiel kann die Lage der optischen Marker erster Art 18' für die Repräsentation der schwarzen Felder unverändert bleiben, wobei die Lage des zweiten Gitters 48 der optischen Marker zweiter Art 18" für die Repräsentation der weißen Felder um z.B. 10 Längeneinheiten in die zweiten Richtung 50 verschoben ist. Hierbei sei erwähnt, dass die Richtung für die Verschiebung bzw. eine Endposition nach der Verschiebung keiner festgelegten Richtung bzw. Distanz unterliegt und somit frei wählbar ist. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass eine Relativverschiebung zwischen den Markern erster Art 18' und den Markern zweiter Art 18" durch den optischen Sensor 16 erfassbar ist.
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Des Weiteren ist es möglich, die Informationen durch Variation der Form der optischen Marker 18 darzustellen, wobei 6b-c hierzu zwei mögliche Ausführungsbeispiele zeigt. Hierbei sind in 6b die Marker erster Art 18' als Kreise, die Marker zweiter Art 18" als Quadrate ausgebildet. Möglich wären auch zwei elliptische Formen als Marker erster Art 18' und Marker zweiter Art 18", bei welchen abhängig von der Schwarz-Weiß-Information das Verhältnis der Ellipsenhalbachsen variiert (siehe 6c).
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In einer weiteren Ausgestaltung kann beispielsweise einer der in 2d gezeigten optischen Marker 18 den Code 20 bilden oder diesen beinhalten. In dieser Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist einer der optische Marker 18 in seiner Ausgestaltung dahingehend verändert, dass diese Veränderung von dem optischen Sensor 16 erfasst und durch die Ausleseeinheit 24 ausgelesen werden kann. D.h., der als Code 20 fungierende optische Marker 18 wird von der Ausleseeinheit 24 nicht ausschließlich als optischer Marker 18, sondern auch als Code 20 oder als Codehinweis ausgewertet. Die Veränderung des optischen Markers 18 kann bspw. durch ein Einfärben dieses Markers 18 realisiert sein. Die Ausleseeinheit 24 kann den als Code 20 fungierenden optischen Marker 18 anhand bekannter Auswerteverfahren bzw. mit der Detektionssoftware erkennen. Zu einer zusätzlichen Kennzeichnung kann der als Code 20 fungierende optische Marker 18 durch eine Zahl oder ID-Nummer ergänzt werden, die beispielsweise unterhalb des Markers 18 angeordnet ist und von der Detektionssoftware nicht ausgelesen wird. Die Information zu dem Link 26 des optischen Markers 18 kann beispielsweise in den Kreissegmenten codiert sein, da diese Kreissegmente „schneller“ und „stabiler“ als Zahlen durch den Algorithmus der Ausleseeinheit detektiert werden können. Alternativ kann die Identifizierungsinformation, d.h. der Link 26, auch über Grauwertinterpolation oder über ein in der Speichereinheit 28 abgelegtes Referenzbild und über bekannte Korrelationsverfahren entschlüsselt werden. Die über den Link 26 zugänglich gemachten Metadaten 30 werden sowohl bei einer intrinsischen und extrinsischen Kalibrierung, als auch bei einer Messung bzw. bei einem Messvorgang ständig ausgewertet.
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Bei dieser Ausgestaltung ist es zum Beispiel auch möglich, dass einem bestimmten Marker 18 eine bestimmte Information, z.B. durch das Anbringen einer Marker-ID unterhalb des optischen Markers 18, zugeordnet wird. Eine solche Zuordnung der bestimmten Information zu dem optischen Marker 18 kann grundsätzlich auch bei mehreren optischen Markern 18 für mehrere Informationen erfolgen, wobei die Anzahl aufgrund endlich vieler optischer Marker 18, d.h. endlich vieler zu vergebender Marker-IDs, auf < 1000 begrenzt ist. Zum Beispiel kann ein optischer Marker 18 mit der bestimmten Marker ID so definiert werden, dass der Algorithmus diese Marker-ID ausschließlich und eindeutig auf eine Kalibiervorrichtung 12, der eine bestimmte Funktion innerhalb eines Messverfahrens (z.B. Messen der Werkstückläge) zugeordnet ist, bezieht. Um diese Ausgestaltung für den Anwender transparent zu machen, können derartige optische Marker zusätzlich gekennzeichnet werden, was z.B. durch das Anbringen eines roten Punkts außerhalb des für den Algorithmus verwendeten Bereichs erfolgen kann.
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Zusätzlich oder anstelle einer solchen eindeutigen Zuordnung der optischen Marker 18 durch bspw. eine Marker-ID kann auch eine bestimmte relative Anordnung von zwei oder mehreren optischen Markern 18 zueinander genutzt werden, wobei diese definierte Anordnung der zwei oder mehreren Marker 18 zueinander als Code 20 fungiert und die zu verschlüsselnde Information den Link 26 oder aber auch z.B. eine Seriennummer enthält, über welche der Metadatensatz 30 (aber auch z.B. ein File oder Datenbankeintrag) geladen werden kann, in welchem alle zusätzlichen Informationen zum Kalibrier- und/oder Messvorgang enthalten sind.
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Ebenfalls kann der Code 20 in einer Ausgestaltungsvariante, in welcher einer der Marker 18 den Code 20 bildet oder auf diesen hinweist, auch über die Verwendung einer sog. schwarz/weiß Invertierung realisiert sein, wobei unter der schwarz/weiß Invertierung vorliegend verstanden wird, dass z.B. eine Seriennummer oder der mit Zusatzinformationen kodierte Marker 18 immer in weiß vor schwarzem Hintergrund ausgestaltet sind, wobei die optischen Marker 18 ohne Zusatzinformationen immer in schwarz vor weißem Hintergrund ausgestaltet sind.
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Ist das optische Messsystem 10 kalibriert, d.h. die Position der Kalibriervorrichtung 12 erfasst, kann diese von dem optischen Messsystem 10 z.B. bei der Verfolgung einer Relativbewegung eines Werkzeugs relativ zu einem unbewegten Werkzeugtisch verfolgt und/oder gemessen werden. In einem solchen Fall ist sowohl an dem Werkzeugtisch als auch an dem Werkzeug jeweils eine Kalibiervorrichtung 12 angebracht. Somit können in der Praxis bewegte Objekte bei einem Arbeitsvorgang verfolgt werden. Ein weiteres Beispiel ist z.B. eine Positionierung der Kalibriervorrichtung 12 an einem Tool-Center-Point, einem Sensor oder einem Roboterarm, wobei letzteres bereits in 1 gezeigt wurde. Zusätzlich zu diesen beispielhaften Anwendungszwecken, ist eine Vielzahl anderer Anwendungen des optischen Messsystems 10 möglich, deren Funktionen bzw. Funktionsweise z.B. über in dem Metadatensatz 30 hinterlegte Zusatzinformationen durch den Algorithmus der Ausleseeinheit 24 aktiviert werden können.
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Hierbei können in dem Metadatensatz 30 beispielsweise folgende Zusatzinformationen, die z.B. als Aufrufbefehle durch den Algorithmus geladen werden und mit der Kalibriervorrichtung 12 durchführbare Funktionen beinhalten, aufgerufen werden:
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Funktionsaufruf für diverse Korrekturfunktionen: Mit den Zusatzinformationen (Ausdehnung, Temperatur, Messsensorzuordnung, Abmessungen) stehen Informationen zur Temperaturkorrektur bereit. Stehen optische Marker bzw. Referenz-Objektpunkt zur Verfügung, so können diese damit korrigiert werden. Mit der Information über Schwerpunkte und Gewicht kann eine elastische Verformungskorrektur durchgeführt werden, falls ein Kalibrierzeitpunkt enthalten ist oder auf diesen verwiesen wird.
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Funktionsaufruf für die Funktionszuordnung: Die Zusatzinformationen werden ergänzt um eine Funktionszuordnung. Es wird unterschieden nach z.B. Verwendbarkeit von intrinsischer bzw. extrinsischer Kalibrierung, Verfolgen oder Ermittlung einer Werkstücklänge, Verfolgen eines Werkzeugs (im oder am Tool-Center-Point (TCP)), Festlegung eines Inertialsystems. Wenn die funktionale Zuordnung über den Code bekannt ist, so kann eine Software über eine Schnittstelle, z.B. PC oder ein GUI, dem Anwender mögliche Aktionen anbieten. Die Funktionen können prinzipiell ständig automatisch erkannt werden. Das ist aber nicht immer sinnvoll. Bevorzugt gibt es einen Modus, in dem der optische Sensor versucht, die Funktion von Kalibriervorrichtungen zu erkennen. In diesem werden die Daten geladen und verarbeitet. Dieser Modus wird verlassen, wenn ein oder mehrere Kalibriervorrichtungen erkannt wurden und danach eine Aktion automatisch oder nach Benutzerinteraktion ausgeführt wurde - z.B. bei einem CNC-gesteuerten Messablauf. Wird während der späteren Aktion der Sichtkontakt zu einem erforderlichen Kalibriervorrichtung verloren, kann dieser Modus wieder aktiviert werden, bis das entsprechende Kalibriervorrichtung wieder auftaucht. Der Anwender kann währenddessen gewarnt werden.
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Funktionsaufruf nach Art der Kalibrierung: Wird eine Kalibriervorrichtung erkannt, die für eine intrinsische oder extrinsische Kalibrierung geeignet ist, so kann der Algorithmus der Ausleseeinheit dem Anwender eine Auswahl der möglichen Kalibrierfunktionen anbieten. Dies kann auch vollständig automatisch d.h. ohne Benutzerinteraktion erfolgen. Wenn die Kalibriervorrichtung z.B. an einem notorisch bewegbaren Gerät befestigt ist, so kann z.B. nach einer Benutzerauswahl oder auch vollständig automatisch eine für die Funktion vorgegebene Bewegungssequenz ausgeführt werden.
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Funktionsaufruf Werkstücklänge: Wird eine Kalibriervorrichtung erkannt, die einem Werkstück zugeordnet ist, so kann dessen Länge ermittelt und genutzt werden. Zusätzlich kann ein Bewegungsablauf oder allgemeiner ein Programm gestartet werden, das einem Werkstück zugeordnet ist. Die Codierung kann dabei spezifisch auf ein ganz bestimmtes Werkstück (Serie, Individuum oder auch allgemein auf beschriebene mögliche Werkstücke) hinweisen. Im letzten Fall kann das ohnehin vorhandene optische Messsystem (Kamerasystem) zusätzlich auch dazu verwendet werden, den Werkstücktyp zu erkennen. Ist der Werkstücktyp erkannt, so kann ein passendes Programm (z.B. ein CNC-Messablauf) gesucht und angeboten oder gleich gestartet werden.
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Funktionsaufruf Inertialsystem: Wird eine Kalibriervorrichtung für die Funktion Inertialsystem erkannt, so können automatisch alle anderen vorhandenen Lagen der Kalibriervorrichtung in dieses System transferiert werden. Eine ungewollte Verschiebung des optischen Messsystems relativ zu dem Inertialsystem (z.B. Temperaturdrift) wird damit automatisch korrigiert. Es kann auch alternativ dazu genutzt werden, um diese ungewollte Verschiebung zu erfassen und durch Transformation in den entsprechenden Koordinatensystemen des Werkstücks und/oder TCP zu korrigieren. Wird mehr als eine solche Kalibriervorrichtung mit Funktionszuordnung Inertialsystem gleichzeitig erkannt, so kann dem Anwender eine Fehlermeldung oder eine Auswahl angezeigt werden. Im letzten Fall wird die Berechnung mit dem ausgewählten Target fortgeführt.
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Funktionsaufruf Tool-Center-Point: Wird eine Kalibriervorrichtung für die Funktion TCP erkannt, so kann die Lage des TCP wahlweise in das Inertialsystem oder in das Werkstücksystem transferiert werden. Das kann bei Bewegung automatisch kontinuierlich erfolgen. Diese Information kann zum Nachregeln (Werkzeug am TCP) oder Messen (Transformation von Sensordaten in Werkstückkoordinaten) verwendet werden. Enthalten die Informationen auf den Codes auch eine individuelle Zuordnung (z.B. Sensorseriennummer etc.) so können bei Erkennen der Kalibriervorrichtung automatisch oder über Benutzerdialog Kalibrier- oder Korrekturdaten geladen werden. Das betrifft insbesondere die Lage eines individuellen optischen Sensors oder Werkzeugs relativ zu der Kalibriervorrichtung. Diese Daten können auch direkt in dem Code enthalten sein und vollständig automatisch geladen werden.
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Funktionsaufruf Mehrfachfunktion: Eine Kalibriervorrichtung kann für mehrere Funktionen, z.B. TCP und extrinsische Kalibrierung, geeignet sein. In diesem Fall kann dem Anwender eine Auswahl angeboten werden. Es kann auch für die automatische Erkennung eine Präferenz angeboten werden. Z.B. wird im Automatikmodus immer TCP angenommen, eine Auswahl wird nur in einem interaktiven Modus eingeblendet.