DE102018208203B4 - Targetkörper, Anordnung mit Targetkörper und Verfahren zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines Targetkörpers - Google Patents

Targetkörper, Anordnung mit Targetkörper und Verfahren zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines Targetkörpers Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Targetkörper (1), aufweisend eine Mehrzahl von Markern, die gemeinsam ein Target für eine optische Erfassung und für eine Ermittlung einer Position und/oder einer Ausrichtung des Targetkörpers (1) aus den erfassten Markern bilden, insbesondere zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines beweglichen Teils eines Koordinatenmessgeräts, eines Roboters, einer Material-Auftragsmaschine oder einer Werkzeugmaschine, wobei• der Targetkörper (1) eine Mehrzahl von Oberflächenbereichen (2, 4) aufweist,• die Oberflächenbereiche (2, 4) in unterschiedliche Richtungen orientiert sind,• in den Oberflächenbereichen (2, 4) jeweils zumindest einer der Marker (7, 8) angeordnet ist.Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung mit einem derartigen Targetkörper und ein Verfahren zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines Targetkörpers.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Targetkörper, der eine Mehrzahl von Markern aufweist. Die Marker bilden gemeinsam ein Target für eine optische Erfassung und für eine Ermittlung einer Position und/oder einer Ausrichtung des Targetkörpers aus den erfassten Markern. Insbesondere ermöglicht die Erfindung die Ermittlung einer Position und/oder einer Ausrichtung eines beweglichen Teils eines Koordinatenmessgeräts, eines Roboters, einer Material-Auftragsmaschine (zum Beispiel eines 3-D-Druckers) oder einer Werkzeugmaschine. Der Targetkörper oder eine Erfassungseinrichtung zum optischen Erfassen der Marker kann mit dem beweglichen Teil verbunden sein/werden oder das bewegliche Teil kann zumindest einen Teilbereich des Targetkörpers bilden, sodass sich aus der Position und Ausrichtung des Targetkörpers die Position und Ausrichtung des beweglichen Teils ergibt oder bestimmen lässt. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung mit dem Targetkörper und mit einer Erfassungseinrichtung zur optischen Erfassung der Marker. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines Targetkörpers, insbesondere zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines beweglichen Teils eines Koordinatenmessgeräts, eines Roboters, einer Material-Auftragsmaschine oder einer Werkzeugmaschine, wobei der Targetkörper eine Mehrzahl von Markern aufweist, die gemeinsam ein Target für eine optische Erfassung bilden. Die Erfindung ist jedoch auch auf die Ermittlung einer Position und/oder einer Ausrichtung eines Targetkörpers bei der Aufnahme von medizinischen Bilddaten und/oder bei der Bewegungsverfolgung medizinischer Behandlungsgeräte, Behandlungswerkzeuge und/oder Behandlungseinrichtungen anwendbar. Z. B. ist der Targetkörper mit dem Patienten verbunden, sodass die Position und Ausrichtung zumindest eines Bereiches des Patienten der Position und Ausrichtung des Targetkörpers entspricht.
  • Die Erfassung der Position und der Ausrichtung eines beweglichen Teils eines Koordinatenmessgeräts auf Basis einer optischen Erfassung von Markern ist z. B. aus DE 10 2015 205 738 A1 bekannt. Wie auch bei einer Ausführungsform der Erfindung kann die Position des beweglichen Teils und/oder dessen Ausrichtung verwendet werden, um die Bewegung des beweglichen Teils zu steuern oder zu regeln.
  • Die Erfindung beinhaltet insbesondere die Verfolgung der Bewegung des Targetkörpers, um eine Anzahl örtlicher Freiheitsgrade der Bewegung zu bestimmen. Die Bewegungsverfolgung beinhaltet insbesondere eine wiederholte Erfassung des Targetkörpers, sodass jeweils aus dem Ergebnis einer Erfassung des Targetkörpers dessen Position, dessen Geschwindigkeit und/oder dessen Ausrichtung ermittelbar ist/sind, optional unter Berücksichtigung für einen früheren Bewegungszustand und/oder späteren Bewegungszustand erhaltenen Erfassungsergebnisse. Die Erfassung kann insbesondere die Aufnahme eines oder mehrerer Bilder des Targetkörpers aufweisen, z.B. durch eine oder mehrere Digitalkameras.
  • Allgemein formuliert kann durch die Auswertung der Erfassungs-Informationen, d.h. der Informationen, die bei einem Erfassungsvorgang erhalten werden/wurden, ein Bewegungszustand des Targetkörpers, insbesondere die momentane Position, momentane Ausrichtung und/oder momentane Geschwindigkeit, bezüglich einer Anzahl von räumlichen Freiheitsgraden der Bewegung eines Werkzeugs bestimmt werden. Das Werkzeug kann z.B. ein taktiler Taster oder Sensor, ein nicht taktiler, insbesondere optischer Sensor zum Bestimmen von Koordinaten eines Werkstücks, ein Bearbeitungswerkzeug (z.B. ein mechanisches, optisches, chemisches oder anders Bearbeitungswerkzeug) zum Bearbeiten eines Werkstücks oder ein Werkzeug zum Hinzufügen von Material zu einem Werkstück sein. Unabhängig von der konkreten Anwendung ist es häufig das Ziel, aus der Erfassung zunächst die Position und/oder Ausrichtung des Targetkörpers und damit insbesondere die Position und/oder Ausrichtung des Werkzeugs zu ermitteln.
  • Die Anzahl der zu erfassenden oder erfassten Freiheitsgrade der Bewegung und somit auch die Koordinatenachsen und/oder Rotationsachsen, bezüglich derer die Position und/oder Ausrichtung zu ermitteln ist oder ermittelt wird, kann unterschiedlich groß sein. Z.B. kann die Position bezüglich einer, zwei oder drei Linearachsen der Bewegung bzw. Koordinatenachsen bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Ausrichtung bezüglich einer, zwei oder drei Rotationsachsen und/oder als Ausrichtungsvektor in einem zwei- oder dreidimensionalen Koordinatensystem ermittelt werden.
  • Im Fall der Erfassung des Targetkörpers durch zumindest ein Bild, insbesondere ein digitales Bild, kann bei der Auswertung der Erfassungs-Informationen auf an sich bekannte Verfahren der Bildverarbeitung zurückgegriffen werden. Allgemein erfordert es die Ermittlung der Position und/oder Ausrichtung des eigentlich zu beobachtenden Gegenstandes (z.B. des Werkzeugs), den Gegenstand oder einen mit ihm verbundenen Gegenstand oder eine Kombination von beiden eindeutig erkennen zu können. Die Erkennung muss somit zuverlässig sein und sollte in den meisten Anwendungen schnell erfolgen. Wenn mehrere Gegenstände gleichzeitig beobachtet und insbesondere deren Bewegung verfolgt werden soll, müssen die Gegenstände auch eindeutig identifizierbar sein oder zumindest voneinander unterscheidbar sein.
  • Es ist daher bekannt, sogenannte Targets zu verwenden, die mit dem eigentlichen zu beobachtenden Gegenstand kombiniert werden und z.B. an diesem befestigt werden. Die Targets können so ausgestaltet werden, dass sie zuverlässig, unterscheidbar und schnell erfassbar sind. Die Unterscheidbarkeit betrifft nicht nur verschiedene bewegbare Gegenstände, sondern auch einen einzigen oder jeden einzelnen bewegbaren Gegenstand, der von seiner Umgebung und seinem Hintergrund unterscheidbar sein soll. Geeignet gestaltete Targets können auch die Erfüllung dieser Unterscheidbarkeit gewährleisten.
  • Insbesondere bei der Steuerung von Bewegungsvorgängen, die auf der genannten Bewegungsverfolgung beruhen, d.h. z.B. die aus den Erfassungs-Informationen ermittelte Position und/oder Ausrichtung als Grundlage der Steuerung verwenden, soll die Erfassung und auch die Auswertung der Erfassungs-Informationen robust sein, d.h. die Fehleranfälligkeit soll gering sein. Fehler können zu fehlerhaften Messergebnissen, fehlerhaft bearbeiteten Werkstücken, fehlerhaft hergestellten Werkstücken und zu Kollisionen führen. In der medizinischen Therapie kann es bei Erfassungsfehlern zu entsprechenden Behandlungsfehlern kommen. Dies gilt z.B. dann, wenn die Behandlung zumindest teilweise von einem Roboter durchgeführt wird.
  • Die vorangegangene und die folgende Beschreibung betreffen insbesondere auch die Erfindung und Ausgestaltungen davon.
  • Targets können wie eingangs erwähnt eine Mehrzahl von Markern aufweisen, die gemeinsam das Target für eine optische Erfassung bilden. Unter optisch wird verstanden, dass elektromagnetische Strahlung erfasst wird, die insbesondere dem Bewegungszustand des Targets entspricht. Flächige Marker, d.h. Marker, die sich entlang einer Fläche, insbesondere einer Oberfläche, erstrecken, sind an sich bereits bekannt. Bei flächigen Markern kommt es für ihre Erfassung nicht auf Markerstrukturen an, die sich quer zur Fläche erstrecken. Derartige flächige Marker können z.B. als zweidimensionale Grauwertverteilungen oder binäre Verteilungen realisiert werden. Binäre Verteilungen weisen insbesondere dunkle und helle, z.B. schwarze und weiße, Bereiche auf. Beispiele sind eindimensionale Barcodes und zweidimensionale Matrix-Codes. Flächige, insbesondere zweidimensionale, Marker können z.B. auf eine Oberfläche aufgedruckt werden (z.B. durch Tintenstrahldruck), in die Oberfläche eingeätzt werden und/oder auf andere Weise durch partielle Materialentfernung in die Oberfläche eingebracht und/oder durch Materialauftrag aufgebracht werden. Mit anderen Worten kann die Oberfläche so strukturiert werden, dass ein flächiger Marker entsteht. Beim Aufbringen kann z. B. eine durchgehende Schicht mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften erzeugt werden und/oder es kann lediglich in Teilbereichen der Oberfläche Material aufgebracht werden.
  • Die Marker können für ihre jeweilige Anwendung optimiert werden. Z.B. können sie eine Codierung enthalten oder mit einer Codierung kombiniert werden, um sie von anderen Markern unterscheidbar zu machen. Auch für die Bestimmung der Position und/oder Ausrichtung des Targets sowie für spezielle Anwendungen wie die Ermittlung der Bewegungsgeschwindigkeit sollten die Marker und damit die Targets optimiert werden.
  • Wenn die Erfassungs-Informationen zweidimensionale Informationen sind, wie es z.B. bei digitalen Kamerabildern der Fall ist, dann kann von einer Blickrichtung, insbesondere der optischen Achse der Kamera, gesprochen werden, die sich senkrecht zur zweidimensionalen Fläche der Erfassungs-Informationen erstreckt. Flächige Marker, deren Ausrichtung nicht gleich der Blickrichtung ist, können als um eine senkrecht zur Blickrichtung verlaufende Rotationsachse gedreht aufgefasst werden. Dabei entsteht das Problem, dass dieselbe Verzerrung bzw. Verformung des Erscheinungsbildes des Markers entsteht, wenn der Marker in die eine oder die entgegengesetzte Drehrichtung aus der Blickrichtung um die genannte Rotationsachse gedreht ist. Ohne zusätzliche Informationen ist nicht ermittelbar, welche von beiden möglichen Ausrichtungen der Marker besitzt. Ein einziges Bild bzw. allgemeiner formuliert örtlich zweidimensionale Erfassungs-Informationen allein reichen dafür nicht aus.
  • DE 10 2015 212 352 A1 beschreibt ein Verfahren zur Lageerfassung eines zu untersuchenden Objekts, an dem ortsfest ein Marker mit einer optisch auslesbaren Struktur angeordnet ist, die zumindest Abmessungen und/oder eine Größe des Markers codiert kennzeichnet. Hierzu erfolgt ein optisches Aufnehmen mindestens eines Einzelbilds des zu untersuchenden Objekts mit einer optischen Aufnahmeeinheit und Übermitteln des mindestens einen Einzelbilds an eine Auswerteeinheit, ein Durchführen einer Markerlokalisation in dem mindestens einen Einzelbild durch die Auswerteeinheit, ein Durchführen einer Markerdetektion durch die Auswerteeinheit, bei der die an dem oder auf dem Marker angeordnete Struktur erfasst wird, und ein Verarbeiten der bei der Markerdetektion erfassten Struktur, wobei zumindest eine Position und bzw. oder eine Orientierung des Markers in Bezug zu der optischen Aufnahmeeinheit aus den durch die Struktur codierten Abmessungen oder der Größe des erfassten Markers und der erfassten Struktur in dem mindestens einen Einzelbild durch die Auswerteeinheit ermittelt werden. Es wird eine Ausführungsform eines Markers in einer perspektivischen Ansicht gezeigt, bei der auf einem Instrument ein als Flächenmarker ausgeführter Marker dreidimensional ausgeprägt ist, um seine Sichtbarkeit aus verschiedenen Richtungen zu gewährleisten. Hierzu ist der Marker aus mehreren gegeneinander verkippten Plättchen aufgebaut, auf denen jeweils die Markerstruktur angeordnet ist. In weiteren Ausführungsbeispielen kann auch auf jedem der Plättchen lediglich ein Teil der Markerstruktur angeordnet sein. Der Marker ist somit um das Instrument gebogen. Dies erlaubt es, eine Genauigkeitssteigerung des beschriebenen Verfahrens zur Lageerfassung zu erreichen, da nun zwei oder mehr Flächen zur Lagebestimmung verwendet werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Targetkörper, eine Anordnung mit einem Targetkörper und eine Erfassungseinrichtung sowie ein Verfahren zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines Targetkörpers anzugeben, die es erleichtern, die Ausrichtung des Targetkörpers aus zweidimensionalen Erfassungs-Informationen zu ermitteln.
  • Bezüglich des Targetkörpers wird vorgeschlagen, dass dieser eine Mehrzahl von Oberflächenbereichen aufweist. In jedem der Oberflächenbereiche ist zumindest ein Marker für eine optische Erfassung des Targetkörpers angeordnet. Die Oberflächenbereiche sind in unterschiedliche Richtungen orientiert. Bei den Markern handelt es sich insbesondere um die oben erwähnten flächigen Marker.
  • Aufgrund der zumindest zwei Oberflächenbereiche, in denen jeweils zumindest einer der Marker angeordnet ist, kann nicht nur die Ausrichtung eines Oberflächenbereichs aus zweidimensionalen Erfassungs-Informationen aus einem Erfassungsvorgang der Erfassung des Targetkörpers ermittelt werden, sondern es kann für zumindest zwei und vorzugsweise für mehr als zwei Oberflächenbereiche des Targetkörpers, die in unterschiedliche Richtungen orientiert sind, d.h. in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind, jeweils eine Ausrichtung ermittelt werden.
  • Insbesondere kann sich in zumindest einem der Oberflächenbereiche einer der Marker über zumindest einen Teil des Oberflächenbereichs erstrecken und/oder kann in zumindest einem der Oberflächenbereiche eine Anordnung der Marker über zumindest einen Teil des Oberflächenbereichs verteilt angeordnet sein, sodass eine Orientierung des Oberflächenbereichs aus einer optisch erfassten Form des Markers oder der Anordnung der Marker ermittelbar ist. Bezüglich einer Verfahrensausgestaltung kann der zumindest eine Marker und/oder die Anordnung der Marker erfasst werden, wobei durch Verarbeitung der Erfassungs-Informationen eine Ausrichtung des Targetkörpers ermittelt wird.
  • Wenn der Oberflächenbereich ein ebener Oberflächenbereich ist, dann ist die Ausrichtung durch eine der Oberflächennormalen bestimmt. Wenn der Oberflächenbereich gekrümmt ist, kann seine Ausrichtung zum Beispiel durch die Oberflächennormale an einem ausgezeichneten Punkt der Oberfläche bestimmt sein. Insbesondere kann der Oberflächenbereich zum Beispiel die Form einer konkaven oder konvexen Kugeloberfläche haben. Bei dem ausgezeichneten Punkt kann es sich zum Beispiel um einen Mittelpunkt eines Markers oder einer Anordnung von Markern in dem Oberflächenbereich handeln. Statt des Mittelpunktes kann ein Schwerpunkt des Markers oder der Anordnung von Markern bestimmt werden. Falls der Schwerpunkt nicht auf der Oberfläche liegt, kann derjenige Punkt auf der Oberfläche als der ausgezeichnete Punkt bestimmt werden, auf dessen Oberflächennormale der Schwerpunkt liegt.
  • Zurückkommend auf die oben erwähnte Verzerrung bzw. Verformung eines erfassten Markers oder einer Anordnung von Markern, die um eine senkrecht zur Blickrichtung der Erfassung, d.h. der Erfassungsrichtung, verlaufende Rotationsachse gedreht ist, wird es durch die Erfassung zumindest eines zweiten Oberflächenbereichs mit anderer Ausrichtung, bzw. Erfassung des Markers oder der Anordnung der Marker in dem Oberflächenbereich, ermöglicht, aufgrund einer Verzerrung des Markers oder der Marker in diesem Oberflächenbereich zusätzliche Informationen über die Ausrichtung des gesamten Targetkörpers zu gewinnen. Dadurch kann entschieden werden, ob die Marker in den verschiedenen erfassten Oberflächenbereichen in die eine Drehrichtung oder in die entgegengesetzte Drehrichtung um eine Rotationsachse, welche senkrecht zur Erfassungsrichtung verläuft, gedreht sind. Selbstverständlich kann einer der Oberflächenbereiche in Erfassungsrichtung ausgerichtet sein. In diesem Fall liefert die Verzerrung des Markers oder der Anordnung von Markern in dem zumindest einen weiteren erfassten Oberflächenbereich zusätzliche Information über die Ausrichtung des gesamten Targetkörpers. Insbesondere kann diese zusätzliche Information dazu verwendet werden, eine Drehstellung des Targetkörpers bezüglich einer Rotation um die Erfassungsrichtung zu ermitteln.
  • Es soll jedoch betont werden, dass die zweidimensionalen Erfassungs-Informationen nicht explizit so ausgewertet werden müssen, dass für zumindest zwei der erfassten Oberflächenbereiche bzw. der darin angeordneten Marker jeweils eine Ausrichtung bestimmt wird. Vielmehr kann ohne solche Zwischenschritte unmittelbar die Ausrichtung des Targetkörpers ermittelt werden. Ferner soll betont werden, dass die zumindest zwei unterschiedlich orientierten Oberflächenbereiche zwar die Ermittlung der Ausrichtung des Targetkörpers verbessern, die Ausrichtung des Targetkörpers aber nicht in allen Fällen ohne weitere zusätzliche Informationen eindeutig ermittelbar ist. Insbesondere können in vielen Fällen Bewegungszustände des Targetkörpers nicht voneinander unterschieden werden, die durch eine Drehung des Targetkörpers sowohl um eine senkrecht zur Erfassungsrichtung verlaufende Rotationsachse als auch durch eine Drehung um die Erfassungsrichtung ineinander überführt werden können. Dabei kann zusätzlich zu den zwei Drehungen je nach Situation außerdem eine translatorische Bewegung erforderlich sein, um die zwei Bewegungszustände des Targetkörpers ineinander zu überführen. Anzumerken dabei ist, dass die beiden Drehbewegungen und optional die translatorische Bewegung in beliebiger Weise nacheinander und/oder einander überlagert stattfinden können.
  • Dennoch führt die Erfassung eines Targetkörpers mit mindestens zwei unterschiedlich ausgerichteten Oberflächenbereichen, in denen sich jeweils zumindest ein Marker befindet, zu einer Erleichterung und damit Verbesserung bei der Bestimmung der Ausrichtung des Targetkörpers. Wie erwähnt ist eine Drehbewegung um die Erfassungsrichtung erforderlich, um den Targetkörper in einen Bewegungszustand zu bringen, in dem seine Ausrichtung nicht eindeutig von einer konkreten anderen Ausrichtung unterschieden werden kann. Solche Drehbewegungen, die etwa um 180° um die Erfassungsrichtung stattfinden müssten, und zwar zusätzlich zu einer Drehbewegung um eine senkrecht zur Erfassungsrichtung verlaufende Rotationsachse, kommen in der Praxis in vielen Fällen nicht vor oder finden jedenfalls nicht in kurzen Zeitintervallen statt. Wenn daher der Bewegungszustand des Targetkörpers zu einem Zeitpunkt eindeutig bekannt ist und zu einem kurz danach liegenden späteren Zeitpunkt erneut die Ausrichtung des Targetkörpers ermittelt werden soll, dann kann in vielen Fällen ausgeschlossen werden, dass zwischenzeitlich eine Drehbewegung um etwa 180° um die Erfassungsrichtung stattgefunden hat.
  • Allgemeiner ausgedrückt wird insbesondere vorgeschlagen, dass aus den zweidimensionalen Erfassungs-Informationen
    • • eine gegenüber einer Erfassung des Markers oder der Markeranordnung in dem ersten Oberflächenbereich, die in Richtung der Ausrichtung des ersten Oberflächenbereichs stattfinden würde, verzerrte Erscheinung des Markers oder der Markeranordnung und/oder
    • • eine gegenüber einer Erfassung des Markers oder der Markeranordnung in dem zweiten Oberflächenbereich, die in Richtung der Ausrichtung des zweiten Oberflächenbereichs stattfinden würde, verzerrte Erscheinung des Markers oder der Markeranordnung in dem zweiten Oberflächenbereich
    ermittelt wird und bei einer Ermittlung der Ausrichtung des Targetkörpers berücksichtigt wird. Eine Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung der Ausrichtung kann entsprechend ausgestaltet sein.
  • Gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 weist ein Targetkörper eine Mehrzahl von Markern auf. Die Marker bilden gemeinsam ein Target für eine optische Erfassung und für eine Ermittlung einer Position und/oder einer Ausrichtung des Targetkörpers aus den erfassten Markern, wobei
    • • der Targetkörper eine Mehrzahl von Oberflächenbereichen aufweist,
    • • die Oberflächenbereiche in unterschiedliche Richtungen orientiert sind,
    • • in den Oberflächenbereichen jeweils zumindest einer der Marker angeordnet ist.
  • Insbesondere sind zumindest zwei der Marker, die in verschiedenen der Oberflächenbereiche angeordnet sind, von einem Erfassungsort aus gesehen gleichzeitig optisch erfassbar, wobei der Erfassungsort von dem Targetkörper beabstandet ist. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn eine Digitalkamera die Marker in den verschiedenen Oberflächenbereichen gleichzeitig erfasst. Bezüglich des Verfahrens wird daher eine Ausgestaltung vorgeschlagen, bei der zumindest zwei der Marker gleichzeitig optisch erfasst werden, die in einer Mehrzahl der Oberflächenbereiche des Targetkörpers angeordnet sind, wobei zumindest zwei der Mehrzahl der Oberflächenbereiche unterschiedlich ausgerichtet sind.
  • Ferner wird eine Anordnung mit dem Targetkörper vorgeschlagen, die eine Erfassungseinrichtung oder eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen aufweist. Die Erfassungseinrichtung oder die Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen ist/sind derart ausgestaltet und angeordnet, dass von der Erfassungseinrichtung oder von der Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen zumindest zwei der Marker, die in verschiedenen der Oberflächenbereiche angeordnet sind, optisch erfassbar sind, insbesondere ohne Änderung der Position und ohne Änderung der Ausrichtung der Erfassungseinrichtung oder der Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen relativ zu dem Targetkörper.
  • Die Erfassungseinrichtung oder die Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen erzeugt/erzeugen insbesondere örtlich zweidimensionale Erfassungs-Informationen. Eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen erfasst die Marker in den verschiedenen Oberflächenbereichen in diesem Fall daher nicht aus verschiedenen Erfassungsrichtungen, wobei einander parallele Erfassungsrichtungen nicht als verschieden bezeichnet werden.
  • Insbesondere weist die Anordnung ferner eine Ermittlungseinrichtung auf, die mit der Erfassungseinrichtung oder der Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen verbunden ist und die ausgestaltet ist, durch Verarbeitung von Erfassungs-Informationen, die von der Erfassungseinrichtung oder von der Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen durch optische Erfassung der Marker in einer Mehrzahl der Oberflächenbereiche erhalten werden, eine Position und eine Ausrichtung des Targetkörpers zu ermitteln.
  • Außerdem wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines Targetkörpers vorgeschlagen, insbesondere zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines beweglichen Teils eines Koordinatenmessgeräts, eines Roboters, einer Material-Auftragsmaschine oder einer Werkzeugmaschine, wobei der Targetkörper eine Mehrzahl von Markern aufweist, die gemeinsam ein Target für eine optische Erfassung bilden, wobei
    • • zumindest zwei der Marker, die in verschiedenen und unterschiedlich orientierten Oberflächenbereichen des Targetkörpers angeordnet sind, optisch erfasst werden und entsprechende Erfassungs-Informationen erzeugt werden,
    • • durch Verarbeitung von der Erfassungs-Informationen eine Position und eine Ausrichtung des Targetkörpers ermittelt werden.
  • Insbesondere werden dabei zumindest zwei der Marker gleichzeitig optisch erfasst, die in einer Mehrzahl der Oberflächenbereiche des Targetkörpers angeordnet sind, wobei zumindest zwei der Mehrzahl der Oberflächenbereiche unterschiedlich ausgerichtet sind. Wie bereits erwähnt können die Marker in zumindest zwei der unterschiedlich ausgerichteten Oberflächenbereiche jedoch alternativ nacheinander optisch erfasst werden und daraus die Erfassungs-Informationen erzeugt werden.
  • Zumindest einer der Oberflächenbereiche kann eine Kodierung aufweisen, die den Oberflächenbereich, einen Marker in dem Oberflächenbereich oder eine Anordnung von Markern in dem Oberflächenbereich eindeutig identifizierbar macht. Die Erfassung der Kodierung und Verwendung von zusätzlicher Information darüber, welcher der Oberflächenbereiche die Kodierung aufweist und/oder welchem der Marker in dem Oberflächenbereich oder welcher Anordnung von Markern in dem Oberflächenbereich die Kodierung zugeordnet ist, erlaubt eine eindeutige Ermittlung der Ausrichtung des Targetkörpers.
  • Bezüglich des Verfahrens kann daher durch Verarbeitung der zusätzlichen Informationen über die Identität zumindest eines der Oberflächenbereiche oder zumindest eines Markers in dem Oberflächenbereich und durch Auswertung der Erfassungs-Informationen bezüglich der Kodierung in zumindest einem der Oberflächenbereiche die Identität des Oberflächenbereichs, eines Markers in dem Oberflächenbereich oder einer Anordnung von Markern in dem Oberflächenbereich identifiziert werden.
  • Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit unter Verwendung von zusätzlichen Informationen die Ausrichtung des Targetkörpers eindeutig zu ermitteln. Allgemeiner formuliert kann die Ermittlungseinrichtung daher insbesondere ausgestaltet sein, die Position und die Ausrichtung des Targetkörpers auch durch Verarbeitung von (zusätzlich zu den Erfassung-Informationen vorliegender) zusätzlichen Informationen zu ermitteln, wobei die zusätzlichen Informationen aufweisen:
    • • Informationen über eine Identität zumindest eines der Oberflächenbereiche oder zumindest eines der Marker,
    • • Informationen über eine Form und/oder Anordnung der Marker und/oder
    • • Informationen über eine Anordnung der Oberflächenbereiche und/oder über eine Form des Targetkörpers.
  • Bezüglich des Verfahrens kann daher die Position und die Ausrichtung des Targetkörpers auch durch Verarbeitung derartiger zusätzlicher Informationen ermittelt werden. Die Informationen über eine Anordnung der Oberflächenbereiche können insbesondere Informationen über Ausrichtungen der Oberflächenbereiche relativ zueinander, z. B. Winkel zwischen den verschiedenen Ausrichtungen aufweisen.
  • Unter einer Erfassung in Richtung der Ausrichtung des jeweiligen Oberflächenbereichs wird verstanden, dass die Erfassungsrichtung mit der Ausrichtung zusammenfällt oder dazu parallel verläuft. Ein kreisförmiger Marker wird daher bei einer Erfassung in Richtung der Ausrichtung kreisförmig erscheinen. Marker an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks, die eine Markeranordnung in einem der Oberflächenbereiche bilden, erscheinen bei Erfassung in Richtung der Ausrichtung als an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks liegend. Dies sind lediglich ein Beispiel für einen Marker und ein Beispiel für eine Markeranordnung. Die Marker oder die Markeranordnungen können jedoch anders gestaltet sein und es gibt dennoch bei Erfassung in Richtung der Ausrichtung des Oberflächenbereichs eine nicht verzerrte Erscheinung und bei Erfassung in jeder anderen Erfassungsrichtung eine entsprechend dem Winkel zwischen der Erfassungsrichtung und der Ausrichtung des Oberflächenbereichs verzerrte Erscheinung. Je größer dieser Winkel ist, desto stärker ist die Verzerrung, die auch als Verformung bezeichnet werden kann.
  • Bei einer Weiterbildung des Targetkörpers weist dieser zumindest drei Oberflächenbereiche auf, wobei in jedem der drei Oberflächenbereiche jeweils zumindest einer der Marker angeordnet ist. Dabei ist die Gesamt-Anordnung der Marker in den drei Oberflächenbereichen derart ausgestaltet, dass die Marker in den drei Oberflächenbereichen aus keiner möglichen Erfassungsrichtung bei gleichzeitiger Erfassung der Marker als in einer geraden Linie hintereinander liegend erfasst würden. Dieser Sachverhalt kann anders dadurch ausgedrückt werden, dass die Marker in den drei Oberflächenbereichen in jeder der Erfassungsrichtungen, die eine gleichzeitige Erfassung der Marker in allen drei Oberflächenbereichen erlauben, eine abgewinkelte Anordnung bilden. Dies bedeutet, dass die Gebiete in jeweils zwei der drei Oberflächenbereiche, in denen sich der Marker oder die Marker befinden, durch eine gerade Linie miteinander verbunden werden können, nicht aber die Gebiete in allen drei Oberflächenbereichen, in denen sich der Marker oder die Marker befinden, durch eine gerade Linie miteinander verbunden werden können, welche sich jeweils durch die Mitte des Gebiets erstreckt.
  • In einer konkreten Ausgestaltung grenzt ein erster der drei Oberflächenbereiche sowohl an einen zweiten und einen dritten der drei Oberflächenbereiche an, wohingegen der zweite und der dritte Oberflächenbereich nicht aneinander angrenzen. Dabei grenzt der zweite Oberflächenbereich an einer Seite des ersten Oberflächenbereichs an diesen an, die nicht der Seite des ersten Oberflächenbereichs gegenüberliegt, an der der dritte Oberflächenbereich an den ersten Oberflächenbereich angrenzt. Dabei sind die aneinander angrenzenden Oberflächenbereiche, also der erste und der zweite Oberflächenbereich sowie der erste und der dritte Oberflächenbereich, in unterschiedliche Richtungen orientiert, d.h. haben unterschiedliche Ausrichtungen.
  • Eine solche Ausgestaltung des Targetkörpers erlaubt auch bei gleicher Ausgestaltung der Oberflächenbereiche und der darin angeordneten Marker keine Überführung der Oberflächenbereiche ineinander durch translatorische und/oder rotatorische Bewegungen. Durch Ermittlung der verzerrten Erscheinung oder der verzerrten Erscheinungen des Markers oder der Markeranordnung in dem Oberflächenbereich oder den Oberflächenbereichen der drei Oberflächenbereiche und durch Berücksichtigung der verzerrten Erscheinung oder verzerrten Erscheinungen kann daher die Ausrichtung des Targetkörpers eindeutig ermittelt werden. Je nach Erfassungsrichtung gibt es zumindest einen der drei Oberflächenbereiche, in dem der Marker oder die Markeranordnung verzerrt erscheint.
  • Insbesondere wird der Targetkörper bei/zu der Ermittlung einer Position und/oder einer Ausrichtung eines beweglichen Teils eines Koordinatenmessgeräts, eines Roboters, einer Material-Auftragsmaschine oder einer Werkzeugmaschine verwendet. Dabei kann der Targetkörper oder eine Erfassungseinrichtung zum optischen Erfassen der Marker mit dem beweglichen Teil verbunden sein/werden oder das bewegliche Teil kann zumindest einen Teilbereich des Targetkörpers bilden. In all diesen Fällen erlaubt die Bestimmung der Position und Ausrichtung des Targetkörpers, insbesondere einer Position und Ausrichtung relativ zu einer Erfassungseinrichtung, die Bestimmung der Position und Ausrichtung des beweglichen Teils. Das bewegliche Teil kann insbesondere ein Teil eines Roboters, eines Koordinatenmessgeräts, einer Material-Auftragsmaschine oder einer Werkzeugmaschine sein, an dem ein Werkzeug anordenbar oder angeordnet ist (z. B. auswechselbar über eine Wechselschnittstelle). Auf diese Weise lässt sich die Position und Ausrichtung des Werkzeugs insbesondere in einem Koordinatensystem des Roboters, des Koordinatenmessgeräts, der Material-Auftragsmaschine oder der Werkzeugmaschine bestimmen. Bei dem Werkzeug kann es sich im Fall des Koordinatenmessgeräts z. B. um einen Mess-Sensor (z. B. einen taktilen oder optischen Sensor) zum Vermessen eines Werkstücks, im Fall der Werkzeugmaschine um ein Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten eines Werkstücks, im Fall der Material-Auftragsmaschine um ein Material-Auftragswerkzeug und im Fall eines Roboters um einen solchen Mess-Sensor oder um ein solches Bearbeitungswerkzeug handeln. In einem anderen Fall ist das Werkzeug ausgestaltet, zu einem Werkstück Material hinzuzufügen, wie es bei einem so genannten 3D-Drucker der Fall ist.
  • Die Erfassungseinrichtung kann Marker des Targetkörpers von einem Erfassungsort oder mehreren Erfassungsorten aus erfassen. Zur Erfassung von mehreren Erfassungsorten ist eine Änderung ihrer Position erforderlich. Wenn in einer gegebenen Position des Targetkörpers der Targetkörper, oder derselbe Teil davon, aus einem anderen Blickwinkel (d. h. bei einer anderen Erfassungsrichtung) erfasst werden soll, dann sind eine Änderung der Position und eine Änderung der Ausrichtung der Erfassungseinrichtung erforderlich. Es können jedoch auch mehrere Erfassungseinrichtungen die Marker des Targetkörpers optisch erfassen. Die Erfassungseinrichtungen können sich dann an unterschiedlichen Erfassungsorten befinden und haben dann vorzugsweise unterschiedliche Erfassungsrichtungen, in denen sie auf den Targetkörper ausgerichtet sind. Die Erfindung erleichtert jedoch in Bezug auf jede der Erfassungsrichtungen und die in dieser Richtung gewonnenen Erfassungs-Informationen die Ermittlung der Ausrichtung des Targetkörpers.
  • Die zumindest eine Erfassungseinrichtung kann insbesondere ausgestaltet sein, zumindest ein Bild (insbesondere ein zweidimensionales Bild) von zumindest einem Teil des Targetkörpers zu erzeugen. Durch das Bild werden die Ergebnisse der optischen Erfassung Marker in zumindest zwei der in unterschiedliche Richtungen orientierten Oberflächenbereichen festgehalten. Das Bild kann z. B. von einer als Kamera ausgestalteten Erfassungseinrichtung aufgenommen werden. In diesem Fall kann die Mehrzahl der Marker durch Aufnahme eines einzigen Kamerabildes erfasst werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Erfassungseinrichtung sich relativ zu dem Targetkörper bewegt und die Erfassung während der Bewegung oder aus verschiedenen Positionen auf dem Bewegungspfad stattfindet.
  • Gemäß den Patentansprüchen weist der Targetkörper eine Aussparung oder eine Öffnung auf, wobei von einem Erfassungsort aus gesehen zumindest einer der Marker durch die Aussparung oder durch die Öffnung hindurch erfassbar ist.
  • Eine Öffnung oder Aussparung in dem Targetkörper, durch die hindurch zumindest einer der Marker in einem der Oberflächenbereiche erfassbar ist, hat den Vorteil, dass die Erfassungsrichtung auch unter Verwendung der Information über die Aussparung und/oder Öffnung ermittelbar ist. Daher wird mit der Erfassung des Targetkörpers bzw. eines Teils davon insbesondere auch ein Rand oder ein Teil eines Randes der Aussparung oder der Öffnung erfasst, z.B. in demselben Kamerabild wie der zumindest eine Marker in dem Oberflächenbereich.
  • Ferner ermöglicht es die Erfassung durch eine Aussparung oder Öffnung hindurch insbesondere auch zumindest einen Oberflächenbereich mit zumindest einem Marker des Targetkörpers zu erfassen, der neben dem Rand der Aussparung oder Öffnung liegt und z.B. den Rand oder einen Teil des Randes der Aussparung oder der Öffnung bildet. Allgemeiner formuliert können bei derselben Erfassung des Targetkörpers zumindest ein erster Oberflächenbereich durch die Aussparung oder Öffnung hindurch und ein zweiter Oberflächenbereich nicht durch die Aussparung oder durch die Öffnung hindurch erfasst werden. Insbesondere liegt der erste, durch die Aussparung oder Öffnung hindurch erfasste Oberflächenbereich in Erfassungsrichtung in einem Abstand hinter der Aussparung oder Öffnung. Somit wird eine in Erfassungsrichtung oder entlang der Erfassungsrichtung ausgedehnte Anordnung von Oberflächenbereichen erfasst, wodurch die Ermittlung der Ausrichtung des Targetkörpers erleichtert und/oder verbessert wird. Wenn z.B. die Ausrichtung des ersten Oberflächenbereichs hinter der Aussparung oder Öffnung ermittelt wird und die Ausrichtung des zweiten Oberflächenbereiches, der nicht durch die Aussparung oder Öffnung erfasst wird, ermittelt wird, dann kann unter Verwendung von zusätzlicher Information über die Anordnung der Oberflächenbereiche im dreidimensionalen Raum die Ausrichtung des Targetkörpers insbesondere relativ zu der Erfassungseinrichtung oder den Erfassungseinrichtungen auf einfache Weise eindeutig und genau ermittelt werden.
  • Insbesondere kann zumindest ein erster der Oberflächenbereiche von einem ersten Teilbereich des Targetkörpers gebildet sein, wobei der erste Teilbereich einen zweiten der Oberflächenbereiche bildet und wobei der erste Oberflächenbereich und der zweite Oberflächenbereich einander gegenüberliegende Oberflächenbereiche des ersten Teilbereichs sind. Bezüglich einer Ausgestaltung des Verfahrens kann zumindest einer der Marker in dem ersten der Oberflächenbereiche erfasst werden und kann zumindest ein weiterer der Marker in dem zweiten der Oberflächenbereiche erfasst werden.
  • Vereinfacht ausgedrückt werden in zumindest einem Teilbereich des Targetkörpers eine Vorderseite und eine Rückseite erfasst. Hierzu wird vorzugsweise eine Mehrzahl der Erfassungseinrichtungen verwendet, z.B. jeweils zumindest eine Digitalkamera zur Erfassung des ersten Oberflächenbereichs auf der Vorderseite und des zweiten Oberflächenbereichs auf der Rückseite des Teilbereichs. Dabei können der erste Oberflächenbereich und der zweite Oberflächenbereich bei umgekehrter Orientierung gleich ausgerichtet sein, d.h. die jeweiligen Oberflächennormalen verlaufen auf derselben Geraden oder parallel zueinander. Es ist jedoch auch möglich, dass die Ausrichtungen des ersten Oberflächenbereichs und des zweiten Oberflächenbereichs unterschiedlich sind. Die Erfassung sowohl der Vorderseite als auch der Rückseite des Teilbereichs verbessert zumindest die Genauigkeit der Erfassung (insbesondere wenn die Ausrichtungen gleich sind, da redundante Informationen gewonnen werden). Im Fall der unterschiedlichen Ausrichtungen werden insgesamt gegenüber der Erfassung eines einzigen Oberflächenbereichs zusätzliche Erfassungs-Informationen gewonnen, die die Bestimmung der Ausrichtung des Targetkörpers verbessern und/oder erleichtern. In diesem Fall handelt es sich bei dem ersten Oberflächenbereich und dem zweiten Oberflächenbereich um einen Spezialfall der Erfassung von zwei Oberflächenbereichen, für den die oben beschriebenen Vorteile der Erfassung von zwei Oberflächenbereichen desselben Targetkörpers gelten. Dieser Fall zeigt, dass die Oberflächenbereiche nicht zwangsläufig von demselben Erfassungsort aus erfasst werden müssen.
  • Es wurde bereits erwähnt, dass der Targetkörper flächige Marker aufweisen kann. Insbesondere können alle Marker des Targetkörpers flächig sein. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Oberflächenbereich des Targetkörpers von einem plattenförmigen Teilbereich des Targetkörpers gebildet werden, d.h. der plattenförmige Teilbereich hat die Oberfläche, zu der der Oberflächenbereich gehört.
  • Bei einer konkreten Ausgestaltung kann eine Mehrzahl von plattenförmigen Teilbereichen des Targetkörpers vorhanden sein, wobei die plattenförmigen Teilbereiche jeweils zumindest einen der Oberflächenbereiche bilden und z.B. auf ihrer Vorderseite und auf ihrer Rückseite jeweils einen der Oberflächenbereiche bilden. Der oder die Oberflächenbereiche sind im Fall des plattenförmigen Teilbereichs der bzw. die Oberflächenbereiche, welche nicht die Schmalseiten enthalten. Unter plattenförmig wird verstanden, dass der Teilbereich zwei parallele großflächige Außenoberflächen aufweist und optional zusätzliche kleinere Außenoberflächen an den Schmalseiten und/oder Grenzflächen zu einem benachbarten Teilbereich des Targetkörpers.
  • Insbesondere sind jeweils zwei unmittelbar benachbarte plattenförmige Teilbereiche gegeneinander abgewinkelt, sodass die Oberflächenbereiche der benachbarten Teilbereiche in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind. Auf diese Weise kann der Targetkörper z.B. eine Anzahl größer als zwei und z.B. fünf von in einer Reihe hintereinander angeordneten plattenförmigen Teilbereichen aufweisen, wobei jeweils zwei aneinander angrenzende und somit unmittelbar benachbarte Teilbereiche gegeneinander abgewinkelt sind. Bei Erfassung von mehr als zwei dieser Teilbereiche bzw. der Marker in deren Oberflächenbereichen wird die Menge der Erfassungs-Informationen erhöht und kann die Ausrichtung des Targetkörpers daher gegenüber der Erfassung von lediglich zwei Oberflächenbereichen verbessert werden und insbesondere hinsichtlich der Genauigkeit verbessert werden. Da die Oberflächenbereiche in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind, wird auch der Bereich von möglichen Erfassungsorten vergrößert, von denen zumindest zwei der Oberflächenbereiche gleichzeitig erfasst werden können.
  • Plattenförmige Teilbereiche können z.B. aus einem blechartigen Material und insbesondere aus einem Metallblech gefertigt werden. Dabei ist es insbesondere möglich, das Blech jeweils an den Grenzen zwischen zwei benachbarten plattenförmigen Teilbereichen abzuwinkeln (z.B. durch Biegen) und so die Oberflächenbereiche zu schaffen. Die Marker können vor oder nach dem Abwinkeln in die Oberflächenbereiche eingebracht werden.
  • Außer den bereits genannten Verfahren zum Erzeugen von flächigen Markern besteht alternativ oder zusätzlich auch die Möglichkeit, Durchgangsöffnungen durch die z.B. plattenförmigen Teilbereiche zu schaffen. Möglich ist dies entsprechend aber auch z.B., wenn der Targetkörper ein Hohlkörper mit dünner Schichtdicke der Hohlkörperwand ist, insbesondere eine Hohlkugel. Jede der Durchgangsöffnungen, die sich durch das plattenförmige Material oder allgemein formuliert durch die dünne Materialschicht des plattenförmigen Materials oder anders geformten Materials wie z.B. Kugelwand hindurcherstreckt, kann einen Marker oder einen Teil eines Markers bilden. Ferner kann eine Durchgangsöffnung Teil einer Kodierung sein oder eine Kodierung bilden, um einen Marker oder eine Anordnung von Markern eindeutig identifizierbar zu machen. Durchgangsöffnungen können z.B. durch Bohren, Fräsen oder Ätzen erzeugt werden. Eine weitere Möglichkeit des Abtragens von Material besteht in der Durchführung einer Funkenerosion (üblicherweise abgekürzt durch EDM). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Durchgangsöffnungen mittels Laserstrahlung in das Material des Targetkörpers einzubringen. Insbesondere ist es möglich, dass eine Vielzahl von wenige Mikrometer im Durchmesser betragenden und im Querschnitt kreisförmigen Durchgangs-Löchern in das Material eingebracht wird. Die Anordnung der Löcher bildet in der Art eines aus Bildpunkten eines digitalen Bildes eine Lochanordnung als Marker oder Teil eines Markers.
  • Im Fall von Durchgangsöffnungen kann vom jeweiligen Erfassungsort aus gesehen elektromagnetische Strahlung und insbesondere sichtbare elektromagnetische Strahlung von der Rückseite durch die Durchgangsöffnungen hindurch gestrahlt werden, so dass die jeweilige Erfassungseinrichtung am Erfassungsort von den Oberflächenbereichen die hindurchgestrahlte Strahlung empfängt und so die Durchgangsöffnungen erfasst. Z.B. kann eine entsprechende Lichtquelle vom Erfassungsort ausgesehen hinter dem Targetkörper (auf dessen Rückseite) angeordnet sein. Als Lichtquelle eignen sich flächig ausgedehnte Lichtquellen oder Strahlungsumlenkungseinrichtungen, die aus einer Lichtquelle eingestrahlte Strahlung z.B. diffus reflektieren oder umlenken.
  • Vorzugsweise ist die Strahlung bei der erwähnten aktiven Beleuchtung der zu erfassenden Oberflächenbereiche von der Rückseite diffus, d.h. ist vorzugsweise bei konstanter Intensität pro Raumwinkel in einen wesentlichen Teil des Halbraumes gerichtet. Dies ermöglicht die Erfassung des Targetkörpers aus dem Teil des Halbraumes. Ein wesentlicher Teil des Halbraumes beträgt z.B. zumindest ein Zehntel des Halbraumes und vorzugsweise zumindest ein Viertel des Halbraumes. Alternativ oder zusätzlich ist die von der Rückseite auf den Targetkörper eingestrahlte Strahlung in den gesamten Raumwinkelbereich gerichtet, in dem sich mögliche Erfassungsorte für die optische Erfassung des Targetkörpers befinden oder befinden können.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einer Beleuchtung von der Rückseite kann der Targetkörper von der Vorderseite beleuchtet werden. In diesem Fall wird es bevorzugt, dass die zu erfassenden Oberflächenbereiche zumindest teilweise Strahlung diffus reflektieren. Unter „zumindest teilweise“ ist zu verstehen, dass z.B. der oder die Marker diffus reflektieren und/oder alle Teile des jeweiligen Oberflächenbereichs abgesehen von den Markern oder von dem Marker diffus reflektieren. Z.B. können alle Teilbereiche abgesehen von den Markern oder von dem Marker in dem jeweiligen Oberflächenbereich diffus Strahlung reflektieren, nicht aber der oder die Marker, welcher/welche z.B. Strahlung absorbieren oder als Durchgangsöffnung ausgestaltet ist/sind. Oder es absorbieren alle Oberflächenbereiche abgesehen von den Markern oder von dem Marker in den Oberflächenbereichen Strahlung mit einem hohen Absorptionsgrad, d.h. sie sind oder erscheinen als schwarz sind. In diesem Fall reflektiert/reflektieren der Marker oder die Marker in dem jeweiligen Oberflächenbereich die von der Vorderseite eingestrahlte Strahlung, z.B. möglichst diffus mit hohem Reflexionsgrad von z.B. mindestens 50 % und vorzugsweise mindestens 80 %.
  • Eine Möglichkeit der Realisierung eines Targetkörpers, insbesondere zumindest eines Teilbereichs davon, ist die Verwendung von Aluminiumblech, dessen Oberfläche eloxiert wird. Wie bekannt können beim Eloxieren die erzeugten Oxidschichten gefärbt werden. Nicht nur Aluminiumblech, sondern auch Strahlblech kann für die Herstellung von zumindest einem Teilbereich eines Targetkörpers verwendet werden. Z.B. kann die Oberfläche von Stahlblech gefärbt werden, z.B. durch Brünieren oder Schwarzfärben. Alternativ ist es auch möglich, nicht nur auf einem Metallblech, sondern auf beliebigen geeigneten Materialien Oberflächenschichten aufzudampfen, aufzusputtern oder galvanisch abzuscheiden. Auf diese Weise können insbesondere die außerhalb des Markers oder der Marker liegenden Teile des jeweiligen Oberflächenbereichs mit den gewünschten optischen Eigenschaften versehen werden.
  • Noch eine Möglichkeit besteht darin, als Material des Targetkörpers für Strahlung transparentes Material zu verwenden. In diesem Fall wird es bevorzugt, zumindest die zu erfassenden Oberflächenbereiche von ihrer Rückseite zu beleuchten. Z.B. kann der Marker oder können die Marker in diesem Fall Strahlung zu einem wesentlich höheren Grad absorbieren oder zur Rückseite zurückreflektieren als das Trägermaterial, welches den jeweiligen Oberflächenbereich bildet. Z.B. ist der Transmissionsgrad des Markers oder der Marker um mehr als 0,2 und vorzugsweise mehr als 0,5 kleiner als der Transmissionsgrad des Trägermaterials, welches die Oberfläche des Oberflächenbereichs bildet.
  • In hohem Maße diffuse Strahlung auf der Rückseite der zu erfassenden Oberflächenbereiche kann z.B. erzeugt werden, wenn der Targetkörper eine Ulbricht-Kugel aufweist. Im Innern oder am Rand der diffus reflektierenden Hohlkugel befindet sich eine Strahlungsquelle und/oder Strahlung wird auf andere Weise (z.B. über Lichtwellenleiter) in das Innere der Hohlkugel eingebracht. Die Innenseite der Kugelwand ist für die Strahlung diffus reflektierend. Ähnlich wie bereits beschrieben können die Marker in Form von Durchtrittsöffnungen der Kugelwand (d. h. sich durch die Kugelwand hindurch erstreckende Öffnungen) realisiert werden. Optional kann die Kugelwand zumindest eine große Durchgangsöffnung, d.h. Aussparung, aufweisen, die nicht Teil eines Markers ist, sondern die Erfassung eines Oberflächenbereichs mit zumindest einem Marker auf der Innenseite der Kugelwand durch die Öffnung hindurch ermöglicht.
  • Generell ist es möglich, dass alle Oberflächenbereiche, in denen sich zumindest ein Marker für die Erfassung befindet, gleich geformt und/oder gleich groß sind. Es ist jedoch auch möglich, die Oberflächenbereiche desselben Targetkörpers unterschiedlich groß zu auszugestalten. Eine größere Oberfläche eines Oberflächenbereichs ist z.B. dann von Vorteil, wenn dieser Oberflächenbereich aus einer stärker zur Oberflächennormale geneigten Erfassungsrichtung erfasst wird als andere Oberflächenbereiche. Die größere Fläche ermöglicht dann bei der Erfassung eine bessere örtliche Auflösung des Markers oder der Marker in dem Oberflächenbereich.
  • Unabhängig von der Form des Targetkörpers kann zumindest das Material in einem Teilbereich, welcher eine mit zumindest einem Marker versehene zu erfassende Oberfläche bildet, selbst leuchtend ausgestaltet sein. Z.B. kann in das Material eine Beleuchtungsquelle integriert sein, z.B. mit zumindest einer Leuchtdiode. Alternativ oder zusätzlich kann das Material durch Energieeintrag von außen zu einer Strahlung angeregt werden. Z.B. kann Strahlung einer ersten Wellenlänge oder in einem ersten Wellenlängenbereich auf das Material eingestrahlt werden (insbesondere von der Rückseite) und kann das Material zu der Emission einer Strahlung einer anderen Wellenlänge oder in einem anderen Wellenlängenbereich angeregt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Material des Markers zum Beispiel seitlich eintretende Beleuchtungsstrahlung zu einem höheren Grad in Richtung der Erfassungseinrichtung umlenken als das umgebende Material.
  • Von Vorteil ist es insbesondere, wenn sowohl der Marker oder die Marker in dem jeweiligen Oberflächenbereich erste optische Eigenschaften hat/haben und der restliche Teil des Oberflächenbereiches zweite, von den ersten optischen Eigenschaften verschiedene optische Eigenschaften hat. Insbesondere bezieht sich dies auf den Absorptionsgrad und/oder Reflexionsgrad. Bevorzugt wird, dass die ersten und die zweiten optischen Eigenschaften jeweils einen diffusen Reflexionsgrad bzw.
  • Absorptionsgrad aufweisen, d.h. der Reflexionsgrad und/oder der Absorptionsgrad bezüglich eines großen Raumwinkelbereichs konstant oder im Wesentlichen konstant ist/sind. Z.B. können die einen der beiden optischen Eigenschaften einen diffusen Reflexionsgrad mit hoher Reflexion von mindestens 50 % und vorzugsweise mehr als 90 % aufweisen, während die anderen der beiden optischen Eigenschaften in demselben Raumwinkelbereich einen niedrigen diffusen Reflexionsgrad (und somit einen entsprechend hohen Absorptionsgrad und/oder Transmissionsgrad) von weniger als 10 % und insbesondere weniger als 2 % aufweisen. Folglich erscheint eine der Oberflächenarten als schwarz und die andere als weiß. Z.B. kann die Markeroberfläche weiß sein und der restliche Teil des Oberflächenbereichs schwarz sein oder umgekehrt.
  • Insbesondere kann es sich bei dem zumindest einen Marker und/oder bei dem Material des Oberflächenbereichs außerhalb des zumindest einen Markers um einen Lambertschen Strahler handeln, d. h. um einen Strahler, der elektromagnetische Strahlung gemäß dem Lambertschen Gesetz abstrahlt. Dabei kann es sich um reflektierte Strahlung und/oder emitierte Strahlung handeln. Insbesondere kann ein solcher Lambertscher Strahler als weiß oder schwarz erscheinen. Als weiß erscheint eine reflektierende Oberfläche eines Materials, wenn es Strahlung über einen Wellenlängenbereich hinweg (der nicht zwangsläufig mit dem sichtbaren Bereich übereinstimmen muss) mit einem hohen Reflexionsgrad reflektiert, der z. B. mehr als 50 % und insbesondere mehr als 90 % beträgt. Als schwarz erscheint eine reflektierende Oberfläche eines Materials, wenn es Strahlung über einen Wellenlängenbereich hinweg (der nicht zwangsläufig mit dem sichtbaren Bereich übereinstimmen muss) mit einem niedrigen Reflexionsgrad reflektiert, der z. B. weniger als 10 % und insbesondere weniger als 2 % beträgt.
  • Insbesondere wenn der Targetkörper ein Hohlkörper ist, wie die bereits erwähnte Hohlkugel, und wenn der Hohlkörper zumindest einen in das Innere des Hohlkörpers ausgerichteten Oberflächenbereich aufweist, der durch eine Aussparung oder Öffnung des Hohlkörpers hindurch erfassbar ist, wird bevorzugt, dass es sich bei dem zumindest einen Marker und/oder bei dem Material des Oberflächenbereichs um einen Lambertschen Strahler handelt.
  • Wenn zum Beispiel der zumindest eine Marker einen hohen Reflexionsgrad aufweist, wird es bevorzugt, dass zumindest das Material des Oberflächenbereichs außerhalb des zumindest einen Markers ein schwarz erscheinender Lambertscher Strahler ist. Vorzugsweise sind auch andere in das Innere des Hohlkörpers ausgerichtete Oberflächenbereiche in diesem Fall schwarz erscheinende Lambertsche Strahler, gegebenenfalls mit Ausnahme der Marker in diesen Oberflächenbereichen, die wiederum als weiß erscheinende Lambertsche Strahler bevorzugt sind.
  • Wenn dagegen zum Beispiel der zumindest eine Marker einen niedrigen Reflexionsgrad aufweist, wird es bevorzugt, dass zumindest das Material des Oberflächenbereichs außerhalb des zumindest einen Markers ein weiß erscheinender Lambertscher Strahler ist. Vorzugsweise sind auch andere in das Innere des Hohlkörpers ausgerichtete Oberflächenbereiche in diesem Fall weiß erscheinende Lambertsche Strahler, gegebenenfalls mit Ausnahme der Marker in diesen Oberflächenbereichen, die wiederum als schwarz erscheinende Lambertsche Strahler bevorzugt sind. Zum Beispiel können in diesem Fall der oder die Marker in Form von Löchern (zum Beispiel Durchgangsöffnungen durch die Wand) des Hohlkörpers realisiert sein.
  • Bei den genannten Kombinationen von weißen und schwarzen Materialien bzw. Löchern ist der Kontrast hoch und erlaubt eine zuverlässige und genaue Erfassung und Auswertung der Erfassung-Informationen. Im Fall eines Hohlkörpers mit zumindest einem nach innen weisenden Oberflächenbereich trägt auch die Gestaltung der weiteren Oberflächenbereiche, die nicht zwangsläufig ebenfalls Marker aufweisen müssen, des Hohlkörpers zu dem hohen Kontrast bei.
  • Im Fall des Hohlkörpers, insbesondere in einer der zuvor geschilderten Ausführungsformen, kann es sich insbesondere um einen selbst leuchtenden oder transparenten Hohlkörper mit einer Lichtquelle und/oder Lichtaustrittsöffnung im Inneren des Hohlkörpers handeln. Insbesondere kann daher zumindest ein Marker an einem Oberflächenbereich, der nach außen orientiert ist, weiß erscheinen, wobei sein Oberflächenbereich außerhalb des Markers schwarz erscheinen kann, zum Beispiel weil er nicht transparent ist und Licht aus dem Inneren des Hohlkörpers nicht durchlässt oder zu einem hohen Grad absorbiert. Auf einen Hohlkörper mit transparentem, insbesondere Strahlung streuendem Material wird im Folgenden eingegangen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann insbesondere die Oberfläche des Teils des Oberflächenbereichs außerhalb des Markers oder der Marker rau sein, sodass bereits aufgrund der Rauheit auftreffende Strahlung diffus reflektiert, d.h. gestreut wird.
  • Eine weitere mögliche Ausführungsform des oder der Marker weist transparentes, jedoch Strahlung streuendes Material auf. Der Marker oder zumindest ein Teilbereich des Markers kann daher insbesondere dadurch realisiert werden, dass ein solches transparentes, streuendes Material in ein nicht oder weniger Strahlung streuendes Material des Targetkörpers integriert ist. Sofern sich das transparente, streuende Material von einer Oberfläche zu einer gegenüberliegenden Oberfläche erstreckt oder an einer Rückseite mit einer Strahlungsquelle oder Strahlungsumlenkungseinrichtung kombiniert ist, kann durch das transparente, streuende Material Strahlung hindurchtreten und dabei gestreut werden, sodass der Marker oder Teil des Markers von einer Erfassungseinrichtung erfassbar ist, in dem die Strahlungserfassungseinrichtung die durch das Material hindurchtretende und gestreute Strahlung empfängt.
  • Generell kommen insbesondere im Fall der genannten plattenförmigen Materialien für den Targetkörper z.B. Metalle, Gläser, Kunststoffe, Keramik und kristalline Materialien infrage, wobei der jeweilige Targetkörper auch eine Kombination von zumindest zwei dieser Materialien aufweisen kann, z.B. in zumindest einem der Teilbereiche, der einen Oberflächenbereich bildet, kombiniert. Alternativ können verschiedene Teile, die jeweils einen der Oberflächenbereiche bilden, aus unterschiedlichen Materialien oder Materialkombinationen bestehen. Je nach Art des Einbringens bzw. Aufbringens der Marker kann z.B. zusätzliches Material für den oder die Marker verwendet werden.
  • Insbesondere können wie erwähnt zusätzliche Informationen über eine Form und/oder Anordnung der Marker und auch zusätzliche Informationen über die Anordnung der Oberflächenbereiche und/oder die Form des Targetkörpers bei der Bestimmung der Position und/oder Ausrichtung des Targetkörpers verwendet werden. Insbesondere kann insbesondere rechnerisch eine Projektion eines dreidimensionalen Modells des Targetkörpers, das auch die Marker enthält, auf jeweils eine zweidimensionale Erfassungsfläche durchgeführt werden. Die zweidimensionale Erfassungsfläche ist die Fläche, in der die jeweilige Erfassungseinrichtung den Targetkörper erfasst. Im Fall einer Digitalkamera ist die Erfassungsfläche die Fläche der strahlungsempfindlichen Fotozellen.
  • Diese Projektion simuliert bzw. entspricht der Erfassung durch die Erfassungseinrichtung, soweit sie für die jeweilige Position und Ausrichtung des Targetkörpers relativ zu der Erfassungsfläche ausgeführt wird. Die Projektion muss jedoch nicht für eine konkrete Position und Ausrichtung des Targetkörpers relativ zu der Erfassungsfläche ausgeführt werden, sondern kann mathematisch in Abhängigkeit von Parametern beschrieben werden, die von der konkreten Position und Ausrichtung abhängen. Von Parametern, d.h. charakteristischen Konstanten, kann dennoch gesprochen werden, da für eine konkrete Position und Ausrichtung der jeweilige Parameterwert ein fester, konstanter Wert ist.
  • Nun können die Erfassungs-Informationen einer einzigen Erfassungseinrichtung oder einer Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen mit dem Ergebnis der Projektion des Modells des Targetkörpers bzw. der mathematischen Beschreibung der Projektion abgeglichen werden. Dabei wird eine Anpassung des Modells an die Erfassungs-Informationen vorgenommen, so dass die Ausrichtung und/oder Position des Targetkörpers relativ zu zumindest einer Erfassungsfläche ermittelt wird. Insbesondere werden dabei die genannten Parameter ermittelt. Im Ergebnis wird diejenige Ausrichtung und/oder Position des Targetkörpers ermittelt, bei welcher die Abweichungen zwischen der Projektion des Modells des Targetkörpers einerseits und den Erfassungs-Informationen andererseits am geringsten ist. Dabei kann eine euklidische Transformation (englisch: rigid transformation), d.h. eine abstands- und damit auch winkelerhaltende Transformation durchgeführt werden bzw. können deren Parameter bestimmt werden. Wenn mehrere Erfassungseinrichtungen, d.h. eine Mehrzahl von zweidimensionalen Erfassungsflächen vorhanden ist, dann kann der Abgleich einzeln oder in einem Verfahrensvorgang gemeinsam für die verschiedenen Erfassungsflächen durchgeführt werden. Die gemeinsame Durchführung, d.h. Minimierung der Unterschiede der verschiedenen Projektionen des Targetkörper-Modells auf die Erfassungsflächen, hat den Vorteil, dass die insgesamt beste Anpassung in einem Vorgang der Anpassung ermittelbar ist.
  • Insbesondere kann eine Mehrzahl von Targetkörpern erfasst werden oder zumindest eine Mehrzahl von Kombinationen von zumindest zwei Oberflächenbereichen mit jeweils zumindest einem Marker, wobei die Kombination jeweils zumindest zwei in unterschiedliche Richtungen ausgerichtete Oberflächenbereiche aufweist. Diese Kombinationen von jeweils zumindest zwei Oberflächenbereichen können ganz oder teilweise von demselben Targetkörper gebildet werden/sein. Z.B. können vier Kombinationen relativ zueinander gesehen an den Ecken eines Tetraeders angeordnet sein, sodass bei geeigneter Erfassungsrichtung von jedem Erfassungsort innerhalb des Tetraeders eine Erfassungseinrichtung zumindest drei der Kombinationen gleichzeitig erfassen kann. Dies erlaubt eine eindeutige Ermittlung der Ausrichtung und Position. Die Anordnung der Kombinationen kann dabei optional dadurch realisiert werden, dass zumindest eine der Kombinationen durch eine Aussparung oder Öffnung in dem Targetkörper oder in einem der Targetkörper erfassbar ist. Auch wenn die Kombinationen nicht an den Ecken eines Tetraeders angeordnet sind und die Anzahl der Kombinationen anders als vier ist, wird bevorzugt, dass eine Mehrzahl der Kombinationen zur Bestimmung der Ausrichtung und/oder Position (z.B. eines mit den Targetkörpern verbundenen beweglichen Teils) verwendet wird. Zumindest einer der Targetkörper und vorzugsweise eine Mehrzahl der Targetkörper können eine Öffnung oder Aussparung aufweisen, durch die hindurch ein Oberflächenbereich mit zumindest einem Marker des Targetkörpers erfassbar ist.
  • Der Targetkörper und das Verfahren können insbesondere im Rahmen einer Navigation bzw. als Teil eines optischen Navigationssystems verwendet werden und z.B. zur Kalibrierung eines optischen Navigationssystems verwendet werden. Eine Kalibrierung ist insbesondere bezüglich der Abbildungseigenschaften einer einzelnen Erfassungseinrichtung, z.B. einer Digitalkamera, aber alternativ oder zusätzlich auch bezüglich der geometrischen Anordnung mehrerer Erfassungseinrichtungen relativ zueinander und/oder relativ zu einem anderen Koordinatensystem möglich. Es ist daher von Vorteil, wenn der zumindest eine Targetkörper keine erhebliche Veränderung bezüglich seiner Form und optischen Eigenschaften erfährt, und zwar bei einer Änderung der Temperatur, im Laufe der Zeit und bei äußeren Einflüssen (wie z.B. äußeren Kräften und Schwingungen). Solche äußeren Kräfte können z.B. auf den Targetkörper einwirken, wenn er beschleunigt bewegt wird und/oder seine Ausrichtung im Gravitationsfeld ändert. Insbesondere ist es auch möglich, Bewegungen des Targetkörpers relativ zu zumindest einer Erfassungseinrichtung und/oder in einem Laborkoordinatensystem bzw. globalen Koordinatensystem zu kalibrieren, z.B. durch Vergleich mit einem zusätzlichen Navigationssystem. Umgekehrt kann eine so kalibrierte Navigationsanordnung mit zumindest einer Erfassungseinrichtung und zumindest einem Targetkörper dazu verwendet werden, ein anderes Navigationssystem zu kalibrieren.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren zeigen:
    • 1 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Targetkörpers mit zwei plattenförmigen Teilbereichen, die gegeneinander abgewinkelt sind, wobei der Targetkörper nicht Anspruch 1 entspricht, da er keine Aussparung oder Öffnung aufweist,
    • 2 den Targetkörper aus 1 in einer Draufsicht mit einer Blickrichtung, die in 1 durch zwei Pfeile mit ununterbrochenen Linien dargestellt ist,
    • 3 eine Draufsicht auf den in 1 dargestellten Targetkörper aus derselben Blickrichtung wie in 2, wobei jedoch die beiden nach unten bzw. unten rechts orientierten Oberflächenbereiche des Targetkörpers in 1 eine Anordnung von Markern aufweist,
    • 4 eine Draufsicht entsprechend 2 auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines nicht Anspruch 1 entsprechenden Targetkörpers, der drei Teilbereiche mit jeweils einem Oberflächenbereich hat, in dem sich jeweils zumindest ein Marker befindet,
    • 5 schematisch eine Anordnung mit einem Targetkörper und einer Erfassungseinrichtung, die mit einer Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Position und/oder Ausrichtung eines Targetkörpers verbunden ist,
    • 6 eine Seitenansicht - ähnlich der in 1 gezeigten Seitenansicht - eines nicht Anspruch 1 entsprechenden Targetkörpers, wobei jedoch der Targetkörper in 6 aus fünf Teilbereichen besteht, die jeweils einen Oberflächenbereich haben, welcher in der Darstellung der Figur nach unten oder schräg nach unten ausgerichtet ist,
    • 7 eine Draufsicht ähnlich der in 2 dargestellten Draufsicht, jedoch auf den in 6 dargestellten Targetkörper, wobei die Blickrichtung in Richtung der Pfeile in 6 verläuft, welche ununterbrochene Linien haben,
    • 8 eine Draufsicht von rechts unten auf den in 6 dargestellten Targetkörper, d.h. mit einer Blickrichtung in Richtung der Pfeile in 6, die mit unterbrochenen Linien dargestellt sind,
    • 9 den in 1 dargestellten Targetkörper in einer ersten Drehposition um eine in Erfassungsrichtung verlaufende Drehachse, wobei außerdem eine um die Drehachse gedrehte Drehposition angedeutet ist,
    • 10 den in 9 dargestellten Targetkörper in einer Drehstellung, die der durch 9 veranschaulichten Drehbewegung entspricht, wobei außerdem eine weitere Drehstellung um eine senkrecht zur Erfassungsrichtung und somit auch senkrecht zur Figurenebene verlaufende Drehachse angedeutet ist,
    • 11 eine Ansicht eines Targetkörpers gemäß Anspruch 1, der die Form einer Hohlkugel mit an drei Stellen ausgeschnittenen Wänden aufweist,
    • 12 eine Draufsicht auf die in 11 dargestellte durchbrochene Hohlkugel von oben, wobei durch Pfeile die Erfassungsrichtungen von drei verschiedenen Erfassungseinrichtungen angedeutet sind, und
    • 13 einen Targetkörper gemäß Anspruch 1 mit einer Mehrzahl von Oberflächenbereichen, in denen jeweils eine Anordnung von Markern vorhanden ist, wobei der Targetkörper Aussparungen aufweist, durch die hindurch an nach innen, in den Innenraum des Targetkörpers orientierten Oberflächen angeordnete Marker erfassbar sind.
  • 1 zeigt einen Targetkörper 1, der einen ersten plattenförmigen Teilbereich 3 und einen zweiten plattenförmigen Teilbereich 5 aufweist. Die plattenförmigen Teilbereiche 3, 5 sind gegeneinander abgewinkelt angeordnet. Z.B. beträgt der Winkel, um den der Oberflächenverlauf von dem ersten Teilbereich 3 zu dem zweiten Teilbereich 5 abknickt, 45°. Targetkörper können jedoch auch anders als um 45° abgewinkelte Oberflächenbereiche haben.
  • Der erste plattenförmige Teilbereich 3 weist einen ersten Oberflächenbereich 2 auf und der zweite plattenförmige Teilbereich 5 weist einen zweiten Oberflächenbereich 4 auf. Die Oberflächenbereiche 2, 4 erstrecken sich jeweils über die gesamte Oberfläche des jeweiligen Teilbereichs 3, 5, die in der Darstellung der 1 nach unten bzw. rechts nach unten orientiert ist. Jeder der Oberflächenbereiche 2, 4 weist einen oder mehrere Marker auf, die in der Darstellung der 1 nicht erkennbar sind, da es sich um eine Seitenansicht handelt.
  • In 2 ist eine Draufsicht mit einer möglichen Ausgestaltung von Markern erkennbar. In dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um kreisförmige Marker 7, 8, wobei ein erster kreisförmiger Marker 7 im Ausführungsbeispiel zentral in dem ersten Oberflächenbereich 2 angeordnet ist und ein zweiter kreisförmiger Marker zentral in dem zweiten Oberflächenbereich 4 angeordnet ist. Aufgrund der Blickrichtung, die der in 2 gezeigten Draufsicht zugrunde liegt, ist der erste Marker 7 als Kreis erkennbar, wohingegen der zweite Marker 8 als Ellipse erkennbar ist. Je größer der Winkel ist, den die Oberflächenbereiche 2, 4 miteinander bilden, desto schmaler wird die Ellipse 8 in der Blickrichtung von unten in 1. Der dargestellte Fall entspricht einem Winkel von 45°.
  • 3 zeigt eine Draufsicht wie in 2, wobei jedoch der Targetkörper 1 in dem ersten Oberflächenbereich 2 und in dem zweiten Oberflächenbereich 4 jeweils eine Anordnung 9, 10 von Markern aufweist. In dem konkreten Ausführungsbeispiel bilden jeweils drei kreisförmige Marker, die an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks positioniert sind, die Anordnung 9, 10. Für die in dem ersten Oberflächenbereich 2 dargestellte Anordnung 9 sind zur Verdeutlichung der Positionierung der Marker 9a, 9b, 9c gestrichelte Linien dargestellt, die die Kanten des gleichseitigen Dreiecks bilden. Vorzugsweise sind solche Linien jedoch nicht in dem jeweiligen Oberflächenbereich erkennbar. Für den zweiten Oberflächenbereich 4 sind daher lediglich die drei einzelnen Marker der Anordnung 10 dargestellt. Die Marker sind in dem Ausführungsbeispiel jeweils gegenüber den Markern in 2 sehr viel kleinere kreisförmige Marker. Die Erfindung ist jedoch nicht auf kreisförmige Marker beschränkt, die gemeinsam innerhalb eines Oberflächenbereichs eine Markeranordnung bilden. Zum Beispiel kann es sich bei dem Marker oder der Markeranordnung alternativ um ein Muster handeln, zum Beispiel ein Muster aus Linien oder rechteckigen Flächen.
  • Wenn sich eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Oberflächenbereiche und somit der Marker in den Oberflächenbereichen bezogen auf die Darstellung in 1 unterhalb des Targetkörpers 1 befindet und die Oberflächenbereiche 2, 4 in der durch Pfeile mit durchgezogenen Linien in 1 dargestellten Blickrichtung erfasst, dann entsteht insbesondere ein Bild entsprechend der Draufsicht in 2 oder 3. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Erfassungseinrichtung, z.B. eine Digitalkamera, sich in einem im Vergleich zu der Breite der Oberflächenbereiche 2, 4 großen Entfernung von dem Targetkörper 1 befindet. Andernfalls sind die Blickrichtungen auf die nebeneinander liegenden und aneinander angrenzenden Oberflächenbereiche 2, 4 nicht parallel. Vielmehr divergieren die Blickrichtungen in diesem Fall. Es ist jedoch möglich, insbesondere bei Kenntnis des Abstandes der Erfassungseinrichtung von den Oberflächenbereichen 2, 4 den Effekt der divergierenden Blickrichtungen zu korrigieren und die Ausrichtung des Targetkörpers durch Auswertung der entsprechend korrigierten Erfassungs-Informationen zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich kann aus den korrigierten Erfassungs-Informationen die Position des Targetkörpers 1 jedenfalls bezüglich mindestens eines Freiheitsgrades der Bewegung relativ zu der Erfassungseinrichtung ermittelt werden. Der Freiheitsgrad der Bewegung ist bezogen auf die 1., insbesondere der Freiheitsgrad der horizontal in 1 verlaufenden Bewegungsrichtung.
  • Ohne zusätzliche Informationen ist die Ausrichtung des Targetkörpers 1 aus den Bildern entsprechend den Draufsichten in 2 und 3 zwar ermittelbar, jedoch nicht eindeutig ermittelbar. Dasselbe Bild wie in 2 dargestellt ergibt sich auch, wenn der Targetkörper 1 in Blickrichtung der beiden Pfeile in 1 mit gestrichelten Linien erfasst wird und das Bild dann um 180° um seine Normale gedreht wird. Die Erfassungseinrichtung könnte den Targetkörper 1 daher statt in der einen der Blickrichtungen in der anderen Blickrichtung betrachten und um 180° um ihre optische Achse gedreht sein und würde dasselbe Bild erzeugen.
  • Es gibt mehrere Möglichkeiten für zusätzliche Informationen, die die eindeutige Ermittlung der Ausrichtung des Targetkörpers 1 relativ zu der Erfassungseinrichtung erlauben. Dabei ist es nicht ausgeschlossen, dass mehrere der verschiedenen Arten von zusätzlichen Informationen vorliegen und somit redundante zusätzliche Informationen vorliegen. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Auswertung.
  • Eine Kategorie von zusätzlichen Informationen liegt vor, wenn die Erfassungs-Informationen aus der Erfassung zumindest eines der erfassten Oberflächenbereiche einem der Oberflächenbereiche des Targetkörpers 1 zuordenbar sind. Z.B. kann der in der Draufsicht der 2 kreisförmig erscheinende Marker 7 nur der Marker in dem ersten Oberflächenbereich 2 sein, wenn eine solche Zuordnung bekannt ist oder ermittelbar ist.
  • Eine solche Zuordnung kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass zumindest eine und vorzugsweise alle der erfassbaren Oberflächenbereiche ein Merkmal aufweisen, welches den Oberflächenbereich oder einen der Marker in dem Oberflächenbereich eindeutig erkennbar macht und welches von der Erfassungseinrichtung erfassbar ist. Das Merkmal kann z.B. ein Merkmal des Markers selbst sein oder ein zusätzliches Merkmal wie z.B. ein Code (z.B. ein Strichcode oder eine Zahl oder Struktur), der für den Oberflächenbereich in Bezug auf den gesamten Targetkörper einzigartig ist. Es ist auch möglich, dass eine Mehrzahl der Oberflächenbereiche dasselbe Unterscheidungsmerkmal hat, das die Oberflächenbereiche zumindest von einem weiteren Oberflächenbereich unterscheidbar macht. Zusammen mit weiterer zusätzlicher Information, wie z.B. Information über die Geometrie des gesamten Targetkörpers oder eines Teils des Targetkörpers mit mehreren Oberflächenbereichen, ermöglicht auch dies die Ausrichtung des Targetkörpers relativ zu der Erfassungseinrichtung eindeutig zu bestimmen.
  • Wenn in dieser Beschreibung der Nutzung von zusätzlichen Informationen zur eindeutigen Bestimmung der Ausrichtung von einer Erfassungseinrichtung die Rede ist, schließt dies entsprechend auch die Verwendung einer Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen, z.B. einer Mehrzahl von Kameras, zur Erfassung von Oberflächenbereichen und damit von Markern des Targetkörpers mit ein. Die Erfassungs-Informationen, die z.B. der in 2 dargestellten Draufsicht entsprechen, sind gleichwertig unabhängig davon, ob die Erfassungsinformationen von einer einzigen Erfassungseinrichtung oder einer Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen erfasst wurden.
  • Bei einer Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen ist es z.B. von Vorteil, wenn diese eine bezüglich ihrer Anordnungsgeometrie bekannte und zeitlich konstante Anordnung bilden, d.h. z.B. die Blickrichtungen und Relativpositionen der einzelnen Erfassungseinrichtungen bekannt sind.
  • Eine weitere Kategorie von zusätzlichen Informationen, die die eindeutige Ermittlung der Ausrichtung des Targetkörpers relativ zu der Erfassungseinrichtung ermöglichen, ist die bereits erwähnte Kategorie von geometrischen Informationen über den Targetkörper. Insbesondere können die unterschiedlichen Ausrichtungen verschiedener Oberflächenbereiche dazugehören. Dies erlaubt insbesondere dann eine eindeutige Ermittlung der Ausrichtung, wenn der Targetkörper mehr als die z.B. in 1 gezeigten zwei Teilbereiche mit jeweils einem Oberflächenbereich aufweist. Befindet sich z.B. in der Bildebene der 1 hinter dem Teilbereich 3 ein weiterer Teilbereich, dessen Oberflächenbereich mit zumindest einem darin angeordneten Marker ebenfalls erfasst wird, dann können die bereits erwähnten Bilder aus den verschiedenen Blickrichtungen auch trotz einer möglichen Drehung um 180° um die optische Achse der Erfassung eindeutig voneinander unterschieden werden.
  • 4 zeigt eine Ansicht eines solchen Targetkörpers 11, der die Teilbereiche 3, 5 des Targetkörpers 1 aus 1 und zusätzlich einen dritten Teilbereich 13 aufweist. Der dritte Teilbereich 13 grenzt an den ersten Teilbereich 3 an und hat einen dritten Oberflächenbereich 12 mit einem in der dargestellten Draufsicht entsprechend 2 elliptisch erscheinenden kreisförmigen Marker 17.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung mit einer Seitenansicht eines Targetkörpers 1, z.B. des Targetkörpers 1 aus 1. Statt dieses Targetkörpers 1 kann jedoch ein anderer in dieser Beschreibung beschriebener oder unter die vorliegende Erfindung fallender Targetkörper Teil der Anordnung sein. Der in 5 dargestellte Targetkörper 1 weist zwei Teilbereiche 3, 5 auf, die jeweils einen Oberflächenbereich 2, 4 mit zumindest jeweils einem Marker aufweisen. Eine Erfassungseinrichtung 21, z.B. eine Digitalkamera, ist derart angeordnet, dass sie die beiden Oberflächenbereiche 2, 4 gleichzeitig erfassen kann und z.B. ein Kamerabild der Anordnung der Oberflächenbereiche 2, 4 aufnehmen kann. Die Erfassungseinrichtung 21 ist mit einer Ermittlungseinrichtung 23 zur Ermittlung einer Ausrichtung und/oder Position des Targetkörpers 1 relativ zur Erfassungseinrichtung 21 verbunden. Außerdem ist die Ermittlungseinrichtung mit einem Datenspeicher 25 verbunden.
  • Während des Betriebes der Anordnung erfasst die Erfassungseinrichtung 21 die Oberflächenbereiche 2, 4 oder im Fall eines anderen Targetkörpers zumindest zwei der Oberflächenbereiche des anderen Targetkörpers. Die Erfassungseinrichtung erfasst die Oberflächenbereiche optisch und insbesondere erfasst sie die Oberflächenbereiche ohne Änderung der Position und ohne Änderung der Ausrichtung der Erfassungseinrichtung relativ zu dem Targetkörper.
  • Wie erwähnt kann es sich bei der Erfassungseinrichtung um eine Digitalkamera handeln. Alternativ kann es sich um einen optischen Scanner handeln, z.B. um einen Laserscanner. Auch kann statt einer einzigen Erfassungseinrichtung 21 eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen Teil der Anordnung sein, die Oberflächenbereiche des Targetkörpers erfassen.
  • Als Ergebnis der Erfassung des Targetkörpers liegen Erfassungs-Informationen vor, die insbesondere einer einzigen Ausrichtung und/oder einer einzigen Position des Targetkörpers relativ zu der Erfassungseinrichtung oder Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen entsprechen. Die Erfassungs-Informationen werden der Ermittlungseinrichtung 23 übermittelt, welche die Position und/oder Ausrichtung des Targetkörpers relativ zu der Erfassungseinrichtung oder der Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen ermittelt. Hierzu nutzt die Ermittlungseinrichtung 23 vorzugsweise auch zusätzliche Informationen, die in dem Datenspeicher 25 gespeichert sind. Insbesondere werden die zusätzlichen Informationen dazu genutzt, die Ausrichtung des Targetkörpers relativ zu der zumindest einen Erfassungseinrichtung eindeutig zu ermitteln.
  • Wenn z.B. die Erfassungs-Informationen der in 2 dargestellten Draufsicht entsprechen und daher der erste Marker 7 als kreisförmig erscheinender Marker erfasst wurde, wird daraus unmittelbar geschlossen, dass der Oberflächenbereich, in dem sich der Marker 7 befindet, in Richtung der Erfassungseinrichtung ausgerichtet ist. Wenn z.B. die Marker erfasst werden, nicht jedoch die Umrisse der zugehörigen Oberflächenbereiche, dann kann aus der Orientierung eines einzelnen Oberflächenbereichs bzw. des darin angeordneten Markers noch nicht auf die Ausrichtung des gesamten Targetkörpers geschlossen werden. Insbesondere kann nicht auf die Ausrichtung des gesamten Targetkörpers im dreidimensionalen Raum geschlossen werden. Die Erfassungs-Informationen weisen aber auch Informationen über die Erscheinung des zweiten Markers 8 in dem zweiten Oberflächenbereich 4 auf. Der zweite Marker 8 erscheint als Ellipse. Hieraus kann z.B. durch Bestimmung des Verlaufes der Hauptachse und der Nebenachse und/oder durch Bestimmung der Exzentrizität auf die Ausrichtung des zweiten Oberflächenbereichs bzw. des zweiten Markers 8 im dreidimensionalen Raum geschlossen werden. Hierzu wird, wie auch in Bezug auf die Ermittlung der Ausrichtung des ersten Oberflächenbereichs 2 bzw. des ersten Markers 7, insbesondere lediglich die Information benötigt, dass es sich um kreisförmige Marker 7, 8 handelt. Aus der ermittelten Ausrichtung des zweiten Oberflächenbereichs 4 bzw. des zweiten Markers 8 kann nun auf die Ausrichtung des ersten Oberflächenbereichs 2 bzw. des ersten Markers 7 im dreidimensionalen Raum geschlossen werden.
  • Die Ausrichtung kann z.B. in Bezug auf ein Koordinatensystem ermittelt werden, in welchem der Targetkörper bewegbar ist. Z.B. handelt es sich um das Koordinatensystem der Erfassungseinrichtung oder ein Labor- oder Maschinenkoordinatensystem. Ist z.B. für einen anfänglichen Bewegungszustand des Targetkörpers bekannt, dass sich der Mittelpunkt des ersten kreisförmigen Markers 7 an einem bestimmten Raumpunkt befindet und sich der Mittelpunkt des zweiten kreisförmigen Markers 8 an einem anderen bestimmten Raumpunkt befindet, dann kann nach einer Bewegung des Targetkörpers die Ausrichtung des Targetkörpers relativ zu dem anfänglichen Bewegungszustand ermittelt werden.
  • Dabei können trotz einer erfolgten Ermittlung der Ausrichtung des Targetkörpers mehrere Ausrichtungen als den Erfassungs-Informationen entsprechend infrage kommen. Darauf wurde bereits eingegangen. Durch Nutzung geeigneter zusätzlicher Informationen kann die Ausrichtung eindeutig bestimmt werden.
  • Wenn z.B. wie in der Draufsicht von 3 dargestellt in einem oder mehreren Oberflächenbereichen eine Anordnung von Markern vorhanden ist, kann aus den Erfassungs-Informationen die relative Position und Ausrichtung der einzelnen Marker der jeweiligen Anordnung von Markern ermittelt werden. Erscheint wie in 3 gezeigt eine Anordnung von Markern an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks unverzerrt, d.h. auch in Blickrichtung der Erfassungseinrichtung erscheinen die Marker an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks, kann darauf geschlossen werden, dass der zugeordnete erste Oberflächenbereich 2 in Blickrichtung ausgerichtet ist. Aus der verzerrten Erscheinung der Markeranordnung in dem zweiten Oberflächenbereich 4 kann z.B. aus dem Verhältnis der Seitenlängen des Dreiecks, an dessen Ecken sich die Marker befinden, oder aus anderen geometrischen Größen dieses Dreiecks, wie z.B. den Winkeln zwischen den Seiten an den Ecken des Dreiecks, auf die Ausrichtung des zweiten Oberflächenbereichs 4 bzw. der zugehörigen Markeranordnung geschlossen werden. Dies ermöglicht es wieder, analog wie bereits für kreisförmige Marker beschrieben, die Ausrichtung des Targetkörpers im dreidimensionalen Raum zu ermitteln.
  • Die Bestimmung der Position des Targetkörpers aus den Erfassungs-Informationen kann z.B. unter Verwendung der aus den Erfassungs-Informationen ermittelten Mittelpunkte der kreisförmigen Marker 7, 8, z.B. bezogen auf die Draufsicht der 2, oder der Mittelpunkte oder Schwerpunkte der Dreiecke z.B. im Fall der Draufsicht der 3 ermittelt werden. Dabei ist es möglich, da es sich bei der Erfassungs-Information um örtlich zweidimensionale Information wie z.B. ein zweidimensionales Kamerabild handeln kann, dass die Entfernung des Targetkörpers von der Erfassungseinrichtung nicht oder nur ungenau aus den Erfassungs-Informationen ermittelbar ist. Die Bestimmung der Position des Targetkörpers relativ zur Erfassungseinrichtung kann daher z.B. lediglich in Bezug auf ein zweidimensionales Koordinatensystem durchgeführt werden, obwohl die Ausrichtung des Targetkörpers relativ zu Erfassungseinrichtung in genauer Weise bezüglich eines dreidimensionalen Koordinatensystems durchgeführt werden kann.
  • Optional jedoch kann auch eine durch die Erfassungs-Informationen erfasste Größe zumindest eines Markers oder zumindest einer Anordnung von Markern in zumindest einem Oberflächenbereich ermittelt werden. Wenn es sich bei den Erfassungs-Informationen z.B. um ein digitales zweidimensionales Kamerabild handelt, kann der Radius oder Durchmesser eines kreisförmig erscheinenden Markers und/oder die Länge der Hauptachse und die Länge der Nebenachse eines elliptisch erscheinenden kreisförmigen Markers ermittelt werden. Insbesondere wenn der Abbildungsmaßstab der Abbildung zumindest eines der kreisförmigen Marker bei der Erfassung bekannt ist, kann daraus auf die Entfernung des Targetkörpers zur Erfassungseinrichtung und somit auf die Position des Targetkörpers in einem dreidimensionalen Koordinatensystem geschlossen werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das Größenverhältnis der Marker und/oder Markeranordnungen in verschiedenen erfassten Oberflächenbereichen aus den Erfassungs-Informationen ermittelt werden. Aus dem Größenverhältnis kann ermittelt werden, welcher erfasste Oberflächenbereich weiter von der Erfassungseinrichtung entfernt angeordnet ist. Dies stellt eine zusätzliche Information für die Ermittlung der Ausrichtung des Targetkörpers dar. Z.B. kann ein Targetkörper drei Teilbereiche mit jeweils einem Oberflächenbereich aufweisen, in dem sich jeweils zumindest ein Marker oder eine Markeranordnung befindet. Wenn diese drei Oberflächenbereiche z.B. wie die Oberflächenbereiche 34a, 34b, 34c des Targetkörpers 31 in 6 angeordnet sind, kann aus dem Bild dieser drei Oberflächenbereiche das Größenverhältnis der Bilder der kreisförmigen Marker 37a und 37c (siehe 7 für eine Draufsicht aus einem bestimmten Blickwinkel) ermittelt werden. Der in den Erfassungs-Informationen größere Kreis muss zu dem näher an der Erfassungseinrichtung liegenden Oberflächenbereich 34c gehören. Es sind daher keine weiteren zusätzlichen Informationen erforderlich, um die Ausrichtung des Targetkörpers im dreidimensionalen Raum eindeutig zu bestimmen. Das genannte Beispiel mit den drei Oberflächenbereichen geht davon aus, dass die fünf Oberflächenbereiche des in 6 dargestellten Targetkörpers 31 nicht alle erfasst werden oder dass es sich um einen anderen Targetkörper handelt, der lediglich die genannten drei Oberflächenbereiche mit jeweils zumindest einem Marker hat.
  • Zurückkommend auf 6 hat der darin dargestellte Targetkörper 31 fünf Teilbereiche 33a bis 33e, die jeweils einen Oberflächenbereich 34a bis 34e aufweisen. In jedem der Oberflächenbereiche befindet sich zumindest ein Marker oder eine Anordnung von Markern.
  • In der Draufsicht des Targetkörpers 31, die in 7 dargestellt ist, sind Bilder von kreisförmigen Markern 37a bis 37e zu sehen, d.h. in diesem Ausführungsbeispiel befindet sich in jedem der Oberflächenbereiche 34a bis 34e ein kreisförmiger Marker. Die Blickrichtung der Draufsicht in 7 entspricht den zwei Pfeilen in 6 mit ununterbrochenen Linien, die in der Figurenebene der 6 von unten nach oben weisen. Daher werden die kreisförmigen Marker 37a, 37c und 37e in dem ersten Oberflächenbereich 34a, in dem dritten Oberflächenbereich 34c und in dem fünften Oberflächenbereich 34e als kreisförmig erfasst. Dagegen werden die kreisförmigen Marker 37b und 37d in dem zweiten Oberflächenbereich 34b und dem vierten Oberflächenbereich 34d als Ellipse erfasst. Die Ellipsen entsprechen der Neigung der Ausrichtung des zweiten und vierten Oberflächenbereichs 34b, 34d gegen die Blickrichtung. Die beiden Ellipsen erscheinen bei gleichem Verhältnis von Hauptachse zu Nebenachse und bei gleicher Größe. Die Ausrichtung ist daher nicht eindeutig ermittelbar.
  • Unter Verwendung von zusätzlichen Informationen kann die Ausrichtung jedoch eindeutig ermittelt werden. Z.B. kann der Targetkörper 31 auch von einem anderen Erfassungsort aus erfasst werden. Aus den Gesamt-Erfassungsbild Strich Informationen kann dann die Ausrichtung eindeutig ermittelt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann sich insbesondere zumindest in einem der Oberflächenbereiche 34a, 34b, 34d, 34e eine Kodierung befinden, die bei der Erfassung miterfasst wird. Durch Abgleich der erfassten Kodierung mit der zusätzlichen Information, dass die Kodierung zu einem bestimmten Oberflächenbereich bzw. zu dem darin angeordneten Marker gehört, kann die Ausrichtung eindeutig ermittelt werden.
  • Die Draufsicht in 8 zeigt den in 6 dargestellten Targetkörper 31 von rechts unten in 6 gesehen, entsprechend den Pfeilen mit unterbrochenen Linien. In dieser Draufsicht ist der zweite Oberflächenbereich 34b nicht erkennbar, da der Blickwinkel seine Erfassung nicht ermöglicht. Es erscheinen daher lediglich Bilder von vier kreisförmigen Markern 37a, 37c, 37d und 37e. Dies verdeutlicht, dass im Allgemeinen nicht alle Oberflächenbereiche aus einer bestimmten Blickrichtung erfasst werden können. Dies folgt aus dem Merkmal des Targetkörpers, dass die verschiedenen Oberflächenbereiche in unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet sind.
  • Anhand der 9 und 10 wird nun beschrieben, wie trotz der zumindest zwei in unterschiedliche Richtungen ausgerichteten Oberflächenbereiche eines Targetkörpers nicht eindeutige Ergebnisse bezüglich der Ermittlung der Ausrichtung des Targetkörpers entstehen können.
  • Wenn der in 9 dargestellte Targetkörper 1 mit zwei Oberflächenbereichen 2, 4 bezogen auf die Figurenebene der 9 von unten erfasst wird und entsprechende zweidimensionalen Erfassungs-Informationen erzeugt werden, dann kann daraus ohne zusätzliche Informationen nicht eindeutig ermittelt werden, in welche Richtung der Targetkörper 1 ausgerichtet ist. Zur Veranschaulichung werden anhand von 9 und 10 zwei Drehbewegungen beschrieben, durch deren Ausführung die zwei dargestellten Oberflächenbereiche 2, 4 des Targetkörpers ineinander überführt werden können, sofern die Oberflächenbereiche gleich geformt sind. Wenn daher in den Oberflächenbereichen 2, 4 gleich gestaltete Marker oder Markeranordnungen an gleichen Positionen bezüglich der Ränder der Oberflächenbereiche vorhanden sind, wird durch die Erfassung des Targetkörpers 1 in der Ausgangsstellung und nach Ausführung der zwei Drehbewegungen dieselbe Erfassungsinformation gewonnen.
  • In der Ausgangsstellung des Targetkörpers 1, die in 9 durch ununterbrochene Linien dargestellt ist, ist der erste Oberflächenbereich 2 in Erfassungsrichtung ausgerichtet. In Erfassungsrichtung verläuft eine Rotationsachse 40a, bei der es sich um eine gedachte Rotationsachse handelt, da weder eine entsprechende Welle vorhanden ist noch die Überführungsbewegung isoliert um diese Rotationsachse 40a ausgeführt werden muss. Der zweite Oberflächenbereich 4 ist nach rechts unten ausgerichtet. Durch Drehung des Targetkörpers 1 um 180° um die Rotationsachse 40a wird der erste Oberflächenbereich 2 in sich selbst überführt und wird der zweite Oberflächenbereich 4 auf den links in 9 durch gestrichelte Linien dargestellten nach links unten ausgerichteten Oberflächenbereich überführt. Dies ist die Ausgangsstellung in 10, die darin mit ununterbrochenen Linien dargestellt ist.
  • Durch eine Drehung des Targetkörpers 1 um eine weitere Rotationsachse 40b, die senkrecht zur Figurenebene der 10 und somit auch senkrecht zur Erfassungsrichtung (siehe Richtung der Rotationsachse 40a in 9) verläuft, wird der erste Oberflächenbereich 2 so gedreht, dass er nun nach rechts unten ausgerichtet ist, und wird der zweite Oberflächenbereich 4 so gedreht, dass er nach unten in Erfassungsrichtung ausgerichtet ist. Wenn z.B. beide Oberflächenbereiche 2, 4 quadratisch sind und in ihrer Mitte einen gleich geformten kreisförmigen Marker aufweisen, kann ein Bild der Marker in der Ausgangsstellung von 9 und in der Endstellung von 10 nicht voneinander unterschieden werden. Wie bereits erwähnt, können die verschiedenen Bewegungszustände bei Vorhandensein zusätzlicher Informationen voneinander unterschieden werden. Z.B. ist dies dann der Fall, wenn der erste Oberflächenbereich eine Kodierung aufweist, durch die er eindeutig identifiziert werden kann oder zumindest eindeutig von dem zweiten Oberflächenbereich 4 unterschieden werden kann.
  • Zwar wurde eine Überführung der Oberflächenbereiche 2, 4 anhand von 9 und 10 in sich selbst beschrieben, diese Überführung ist jedoch nicht unbeachtlich, da der Targetkörper in der Praxis mit anderen Teilen gekoppelt ist und daher auch die anderen Teile bei Drehung des Targetkörpers gedreht werden.
  • 11 zeigt einen Targetkörper 41, dessen Außenoberfläche sich auf einer Kugeloberfläche erstreckt. Die nach außen gerichteten Oberflächenbereiche des Targetkörpers 41 bilden jedoch nicht eine geschlossene Kugeloberfläche. Vielmehr befinden sich zwischen den drei dargestellten Material-Teilbereichen 42a, 42b, 42c des Targetkörpers 41, die die Außenoberflächen bilden, Aussparungen 43a, 43b, 43c. Der Äquator 44 der Kugel ist durch eine Kreislinie angedeutet. In der Praxis kann optional auf Höhe des Äquators 44 eine Kreisscheibe 45 angeordnet sein, um die Stabilität des Targetkörpers 41 zu erhöhen. Wie aus 11 erkennbar, wird der Blick auf Teilbereiche der Oberflächenbereiche durch die Kreisscheibe 45 aber behindert, d.h. Gebiete der Material-Teilbereiche 42b, 42c unterhalb des Äquators 44 werden verdeckt.
  • In dem konkreten Ausführungsbeispiel erstrecken sich drei Material-Teilbereiche 42a, 42b, 42c von dem einen Pol (oben in 11) zu dem anderen Pol (unten in 11) der Kugel. Diese Material-Teilbereiche 42 weisen nicht nur die bereits erwähnte Außenoberfläche auf, sondern jeweils auch eine nach innen, zum Kugelmittelpunkt ausgerichtete Innenoberfläche. Es entstehen somit sechs Oberflächenbereiche, von denen in der Darstellung der 11 lediglich ein nach außen gerichteter Oberflächenbereich 46, gebildet durch den Teilbereich 42a, und zwei nach innen gerichtete Oberflächenbereiche 47, gebildet durch den zweiten Teilbereich 42b und den dritten Teilbereich 42c, erkennbar sind. Dagegen sind in der Draufsicht der 12 die oberen Teil-Oberflächenbereiche aller nach außen gerichteten Oberflächenbereiche 46 erkennbar. Die Ränder der Teilbereiche 42 verlaufen von Pol zu Pol auf jeweils einer Kreislinie. Wie in dem Ausführungsbeispiel dargestellt, erstrecken sich die Aussparungen 43 jeweils über einen größeren Bereich der Kugelfläche als die Material-Teilbereiche 42. Dadurch kann aus einem verhältnismäßig großen Raumwinkelbereich außerhalb der Kugel jeweils durch eine Aussparung 43 hindurch der Oberflächenbereich an der Innenseite eines der Material-Teilbereiche 42 erfasst werden.
  • In den Oberflächenbereichen 46, 47 sind schematisch Anordnungen von Markern dargestellt, wobei jeder Marker die Form eines kleinen Kreises hat. Grundsätzlich kommen alle bereits beschriebenen Arten der Erzeugung dieser Marker infrage. Z.B. können die Marker aber durch Bohrungen durch den jeweiligen Material-Teilbereich 42 realisiert werden.
  • Wie in 11 schematisch dargestellt, können z.B. drei Erfassungseinrichtungen in den durch die Pfeile angedeuteten drei Erfassungsrichtungen Oberflächenbereiche des Targetkörpers 41 erfassen. Insbesondere wenn auch die Ränder der Aussparungen bzw. Material-Teilbereiche mit bei der Auswertung der Erfassungs-Informationen berücksichtigt werden, kann die Ausrichtung und Position des Targetkörpers 41 eindeutig und mit großer Zuverlässigkeit erfasst werden. Aber auch wenn die Ränder der Aussparungen nicht bei der Auswertung berücksichtigt werden, ist eine solche zuverlässige Auswertung möglich, da alle drei Erfassungseinrichtungen einen großen Anteil der Material-Teilbereiche 42 und somit jeweils eine große Anzahl von Markern erfassen können. Die Erfassung des Targetkörpers 41 ist jedoch nicht auf die Nutzung einer Anordnung von drei Erfassungseinrichtungen wie in 12 gezeigt beschränkt. Es kann z.B. auch lediglich eine Erfassungseinrichtung verwendet werden.
  • Wie bereits erwähnt, sind große Aussparungen von Vorteil. Es wird bevorzugt, dass die m markertragenden Teilbereiche jeweils die Hälfte oder weniger als die Hälfte des Erfassungsbereichs einnehmen, den eine Erfassungseinrichtung erfassen kann.
  • Ferner wird es bei einem kugelartigen Targetkörper wie dem Targetkörper 41 in 11 und 12 bevorzugt, dass die Aussparungen und Material-Teilbereiche gleichmäßig über den Umfang am Äquator verteilt sind und dass ferner eine ungerade Anzahl von Material-Teilbereichen und Ausschnitten vorhanden ist, damit einem Material-Teilbereich in einer ungefähr äquatorseitigen Draufsicht wie in 11 jeweils eine Aussparung gegenüberliegt und die Erfassung der Innenoberflächen durch die Aussparung hindurch ermöglicht wird.
  • Insbesondere wenn ein Hohlkörper, wie der in 11 und 12 dargestellte kugelförmige Hohlkörper 41, Durchgangsöffnungen als Marker aufweist, kann der Innenraum des Hohlkörpers beleuchtet werden/sein. Z.B. bei einem kugelförmigen Target-Hohlkörper kann im Zentrum der Kugel eine Beleuchtungsquelle angeordnet sein. Vorzugsweise wird jedoch die Abstrahlung von Beleuchtungsstrahlung in Richtung von Aussparungen verhindert, z.B. durch entsprechend geformte Abschirmungen blockiert. Auf der jeweiligen Abschirmung kann optional ein Marker oder eine Anordnung von Markern vorhanden sein, sodass auch die Außenoberfläche der Abschirmung einen erfassbaren Oberflächenbereich des Targetkörpers bildet.
  • 13 zeigt einen Targetkörper 51 mit einer Mehrzahl von plattenförmigen MaterialBereichen 52, die jeweils etwa die Form eines Rechtecks haben, wobei jedoch einzelne Ecken des jeweiligen Rechtecks abgerundet sein können. Im Vordergrund sind zwei Material-Teilbereiche 52a, 52b mit nach außen weisenden Oberflächenbereichen 56a bzw. 56b erkennbar. Darüber befindet sich jeweils ein Material-Teilbereich 52c, 52d, der abgewinkelt gegenüber dem weiter unten liegenden Teilbereich 52a, 52b verläuft. Dabei verlaufen die oberen Teilbereiche 52c, 52d aufeinander zu, sodass sie sich jeweils an einer Ecke berühren. Nicht in 13 erkennbar ist ein vorhandener dachförmiger Oberflächenbereich 52e. Teilweise verdeckt in der Ansicht der 13 sind weitere Materialbereiche. Zwischen den Materialbereichen 52a, 52b befindet sich jedoch eine Aussparung 53, durch die hindurch Innenoberflächen des Targetkörpers 51 erkennbar und somit auch erfassbar sind.
  • In den Oberflächenbereichen des Targetkörpers 51, die nach innen und nach außen ausgerichtet sind, d.h. insbesondere auch in den Oberflächenbereichen 52a bis 52d, sind Marker angeordnet. Dabei besteht in dem Ausführungsbeispiel jeder Marker 57 aus einem hellen kreisförmigen Bereich, der von Kreisringsegmenten umgeben ist. Jede Anordnung von Kreisringsegmenten kommt nur einmal in dieser Kombination von Form und Anzahl von Kreisringsegmenten an dem Targetkörper 51 vor, sodass jeder Marker eindeutig identifizierbar ist. Es kann daher bereits die Ausrichtung eines einzigen der Oberflächenbereiche, wie z.B. des Oberflächenbereichs 56b, aus zweidimensionalen Erfassungs-Informationen ermittelt werden, die die von der Erfassungseinrichtung erfasste Erscheinung von den vier Markern auf dem Oberflächenbereich 56b enthalten. Dies setzt selbstverständlich die Kenntnis voraus, welcher eindeutig erkennbare Marker sich an welcher Stelle der Oberfläche des Targetkörpers 51 befindet.
  • Durch die Aussparung 53 hindurch sind an einer nach innen weisenden Oberfläche des Targetkörpers 51 zwei weitere Marker erkennbar und somit erfassbar. Insgesamt kann bei der Erfassung des Targetkörpers 51 daher redundante Information gewonnen werden, die eine zuverlässige und eindeutige Ermittlung der Position und Ausrichtung des Targetkörpers ermöglicht.

Claims (21)

  1. Targetkörper (41; 51), aufweisend eine Mehrzahl von Markern (57), die gemeinsam ein Target für eine optische Erfassung und für eine Ermittlung einer Position und einer Ausrichtung des Targetkörpers (41; 51) aus den erfassten Markern (57) bilden, insbesondere zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines beweglichen Teils eines Koordinatenmessgeräts, eines Roboters, einer Material-Auftragsmaschine oder einer Werkzeugmaschine, wobei • der Targetkörper (41; 51) eine Mehrzahl von Oberflächenbereichen (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) aufweist, • die Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) in unterschiedliche Richtungen orientiert sind, • in den Oberflächenbereichen (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) jeweils zumindest einer der Marker (57) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Targetkörper (41; 51) eine Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder eine Öffnung aufweist und dass von einem Erfassungsort aus gesehen zumindest einer der Marker (57) durch die Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder durch die Öffnung hindurch erfassbar ist.
  2. Targetkörper nach Anspruch 1, wobei zumindest zwei der Marker (57), die in verschiedenen der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) angeordnet sind, von einem Erfassungsort aus gesehen gleichzeitig optisch erfassbar sind, wobei der Erfassungsort von dem Targetkörper (41; 51) beabstandet ist.
  3. Targetkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest einer der Oberflächenbereiche (56a, 56b, 56c, 56d) eine Kodierung aufweist, die den Oberflächenbereich, einen Marker (57) in dem Oberflächenbereich (56a, 56b, 56c, 56d) oder eine Anordnung von Markern (57) in dem Oberflächenbereich (56a, 56b, 56c, 56d) eindeutig identifizierbar macht.
  4. Targetkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in zumindest einem der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) sich einer der Marker (57) über zumindest einen Teil des Oberflächenbereichs (46, 47; 56) erstreckt und/oder in zumindest einem der Oberflächenbereiche (46, 47; 56) eine Anordnung der Marker (57) über zumindest einen Teil des Oberflächenbereichs (46, 47; 56) verteilt angeordnet ist, sodass eine Orientierung des Oberflächenbereichs (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) aus einer optisch erfassten Form des Markers oder der Anordnung der Marker (57) ermittelbar ist.
  5. Targetkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest ein erster (46) der Oberflächenbereiche von einem ersten Teilbereich (42a, 42b, 42c) des Targetkörpers (41) gebildet ist, wobei der erste Teilbereich (42a, 42b, 42c) einen zweiten (47) der Oberflächenbereiche bildet und wobei der erste Oberflächenbereich (46) und der zweite Oberflächenbereich (47) einander gegenüberliegende Oberflächenbereiche (46, 47) des ersten Teilbereichs (42a, 42b, 42c) sind.
  6. Targetkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest ein Teil der Oberflächenbereiche (56a, 56b, 56c, 56d) jeweils in einer Oberflächenebene verläuft und wobei sich entlang der Oberflächenebene jeweils zumindest einer der Marker oder jeweils zumindest eine Anordnung der Marker (57) erstreckt.
  7. Targetkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Targetkörper (41; 51) derart ausgestaltet ist, dass ein erster Oberflächenbereich (47) durch die Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder Öffnung hindurch und ein zweiter Oberflächenbereich (46) nicht durch die Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder durch die Öffnung hindurch erfassbar sind.
  8. Targetkörper nach Anspruch 7, wobei zumindest einer (46) der Oberflächenbereiche neben dem Rand der Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder Öffnung liegt, sodass von dem Erfassungsort aus gesehen auch zumindest einer der Marker (57) in dem Oberflächenbereich oder einem der Oberflächenbereiche (46) neben dem Rand der Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder Öffnung erfassbar ist.
  9. Targetkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Targetkörper (41) eine Mehrzahl der Aussparungen (43a, 43b, 43c) aufweist, durch die hindurch jeweils von einem Erfassungsort aus gesehen zumindest einer der Marker erfassbar ist.
  10. Anordnung mit dem Targetkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und mit einer Erfassungseinrichtung (21) oder einer Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen, wobei die Erfassungseinrichtung (21) oder die Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen derart ausgestaltet und angeordnet ist/sind, dass von der Erfassungseinrichtung (21) oder von der Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen zumindest zwei der Marker (57), die in verschiedenen der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) angeordnet sind, optisch erfassbar sind, insbesondere ohne Änderung der Position und ohne Änderung der Ausrichtung der Erfassungseinrichtung (21) oder der Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen relativ zu dem Targetkörper (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Targetkörper (41; 51) eine Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder eine Öffnung aufweist und dass von der Erfassungseinrichtung (21) oder einer der Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen zumindest einer der Marker (57) durch die Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder durch die Öffnung hindurch erfassbar ist.
  11. Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Anordnung ferner eine Ermittlungseinrichtung (23) aufweist, die mit der Erfassungseinrichtung (21) oder der Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen verbunden ist und die ausgestaltet ist, durch Verarbeitung von Erfassungs-Informationen, die von der Erfassungseinrichtung (21) oder von der Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen durch optische Erfassung der Marker (57) in einer Mehrzahl der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) erhalten werden, eine Position und eine Ausrichtung des Targetkörpers (1) zu ermitteln.
  12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei die Ermittlungseinrichtung (23) ausgestaltet ist, die Position und die Ausrichtung des Targetkörpers (41; 51) auch durch Verarbeitung zusätzlicher Informationen zu ermitteln, wobei die zusätzlichen Informationen aufweisen: • Informationen über eine Identität zumindest eines der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) oder zumindest eines der Marker (57), • Informationen über eine Form und/oder Anordnung der Marker (57) und/oder • Informationen über eine Anordnung der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) und/oder über eine Form des Targetkörpers (1).
  13. Verfahren zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines Targetkörpers (1), insbesondere zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung eines beweglichen Teils eines Koordinatenmessgeräts, eines Roboters, einer Material-Auftragsmaschine oder einer Werkzeugmaschine, wobei der Targetkörper (41; 51) eine Mehrzahl von Markern (57) aufweist, die gemeinsam ein Target für eine optische Erfassung bilden, wobei • zumindest zwei der Marker (57), die in verschiedenen und unterschiedlich orientierten Oberflächenbereichen (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) des Targetkörpers (41; 51) angeordnet sind, optisch erfasst werden und entsprechende Erfassungs-Informationen erzeugt werden, • durch Verarbeitung von der Erfassungs-Informationen eine Position und eine Ausrichtung des Targetkörpers (41; 51) ermittelt werden. dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Marker (57) in einem der Oberflächenbereiche (47) durch eine Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder durch eine Öffnung des Targetkörpers (41; 51) hindurch erfasst wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Position und die Ausrichtung des Targetkörpers (41; 51) auch durch Verarbeitung zusätzlicher Informationen ermittelt werden, wobei die zusätzlichen Informationen aufweisen: • Informationen über eine Identität zumindest eines der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) oder zumindest eines Markers (57), • Informationen über eine Form und/oder Anordnung der Marker (57) und/oder • Informationen über eine Anordnung der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) und/oder über eine Form des Targetkörpers (41; 51).
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei durch Verarbeitung der zusätzlichen Informationen über die Identität zumindest eines der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) oder zumindest eines Markers (57) in dem Oberflächenbereich und durch Auswertung der Erfassungs-Informationen bezüglich einer Kodierung in zumindest einer der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) die Identität des Oberflächenbereichs, eines Markers (57) in dem Oberflächenbereich oder einer Anordnung von Markern (57) in dem Oberflächenbereich identifiziert wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei zumindest zwei der Marker (57), die in einer Mehrzahl der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) des Targetkörpers (41; 51) angeordnet sind, wobei zumindest zwei der Mehrzahl der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) unterschiedlich ausgerichtet sind, gleichzeitig optisch erfasst werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei in zumindest einem der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) zumindest einer der Marker, der sich über zumindest einen Teil des Oberflächenbereichs (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) erstreckt, und/oder in zumindest einem der Oberflächenbereiche (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) eine Anordnung der Marker (57), die über zumindest einen Teil des Oberflächenbereichs (46, 47; 56a, 56b, 56c, 56d) verteilt angeordnet ist, erfasst wird und wobei durch Verarbeitung der Erfassungs-Informationen eine Ausrichtung des Targetkörpers (41; 51) ermittelt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei zumindest einer der Marker in einem ersten (46) der Oberflächenbereiche erfasst wird, wobei der erste Oberflächenbereich (46) von einem ersten Teilbereich (42a, 42b, 42c) des Targetkörpers (41) gebildet ist, wobei zumindest ein weiterer der Marker in einem zweiten (47) der Oberflächenbereiche erfasst, wobei der erste Teilbereich (42a, 42b, 42c) des Targetkörpers (41) auch den zweiten Oberflächenbereich (47) bildet und wobei der erste Oberflächenbereich (46) und der zweite Oberflächenbereich (47) einander gegenüberliegende Oberflächenbereiche (46, 47) des ersten Teilbereichs (42a, 42b, 42c) sind.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei ein erster Oberflächenbereich (47) durch die Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder Öffnung hindurch und ein zweiter Oberflächenbereich (46) nicht durch die Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder durch die Öffnung hindurch erfasst wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei zumindest einer (46) der Oberflächenbereiche neben dem Rand der Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder Öffnung liegt und zumindest einer der Marker (57) in dem Oberflächenbereich oder einem der Oberflächenbereiche (46) neben dem Rand der Aussparung (43a, 43b, 43c; 53) oder Öffnung erfasst wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei der Targetkörper (41) eine Mehrzahl der Aussparungen (43a, 43b, 43c) aufweist, durch die hindurch einer der Marker erfasst wird.
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