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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme und Rekonstruktion zumindest eines Bilddatensatzes mittels robotergestützter Computertomographie sowie ein Computerprogrammprodukt.
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Bei der Computertomographie handelt es sich um ein bildgebendes Verfahren, bei welchem ein Computer verwendet wird, um aus den Absorptionswerten von durch ein Objekt tretenden Röntgensignalen errechnete Schnittbilder zu erzeugen. Bekannt ist die Verwendung insbesondere im Bereich der Humanmedizin. Daneben wird diese Technik aber auch zunehmend im industriellen Bereich verwendet, beispielsweise in den Materialwissenschaften, wie auch in der Entwicklung oder auch vermehrt bei der Fertigung von Prototypen. Die
DE 10 2016 213 403 A1 beschreibt ein Verfahren zur Berechnung einer Aufnahmetrajektorie eines Computertomographie-Systems, wobei hierbei auf Basis von Mess- und/oder Simulationsdaten bezüglich des aufzunehmenden Objekts, ausgehend von bekannten Freiheitsgraden des CT-Systems sowie von den Mess- und/oder Simulationsdaten und ausgehend von einer Prüfaufgabe aus einer Gruppe, umfassend eine Mehrzahl von Prüfaufgaben, eine Aufnahmetrajektorie bestimmt wird. Ziel dabei ist es, mit möglichst wenigen Messungen eine bestimmte Prüfaufgabe zu erfüllen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Aufnahme und Rekonstruktion zumindest eines Bilddatensatzes mittels robotergestützter Computertomographie sowie ein Computerprogrammprodukt anzugeben, welche es ermöglichen, die notwendigen Untersuchungs- und/oder Messzeiten weiter zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Aufnahme und Rekonstruktion zumindest eines Bilddatensatzes mittels robotergestützter Computertomographie, wobei zumindest eine Durchleuchtungseinheit und/oder ein zu untersuchendes Objekt entlang einer Aufnahmetrajektorie mittels eines Manipulators bewegt werden, und wobei der Manipulator zum Abfahren der Aufnahmetrajektorie eine Vielzahl von Bewegungen durchführt, die Schritte:
- - Planen der Aufnahmetrajektorie;
- - Optimieren eines Bewegungsablaufs des Manipulators auf Basis der sich aus der Aufnahmetrajektorie ergebenden möglichen Positionen des Manipulators, insbesondere eines Endeffektors des Manipulators, welcher die Durchleuchtungseinheit oder das zu untersuchende Objekt trägt.
Zweckmäßigerweise wird im Vorfeld bei der Messplanung eine Punktewolke von allen nötigen Roboterpositionen für den Messablauf erstellt. Anhand dieser Punkte wird eine optimierte Roboterbahn bzw. eine Aufnahmetrajektorie geplant. Mit Vorteil ist ein Rekonstruktionsalgorithmus vorgesehen, welcher sich aus den erstellten Messungen die relevanten Ansichten heraussucht. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Durchleuchtungseinheit um eine Röntgeneinheit. Zweckmäßigerweise wirkt diese mit einer korrespondierenden Detektoreinheit zusammen. Mit Vorteil kann sich der Rekonstruktionsalgorithmus aus den erstellten Röntgenprojektionen die relevanten Projektionen automatisch heraussuchen. Zweckmäßigerweise ist der Bewegungsablauf des Manipulators nicht von einer konkreten, einzelnen Messaufgabe abhängig, sondern kann in seiner Gesamtheit optimiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Planen der Aufnahmetrajektorie, bzw. der Aufnahmetrajektorie und der Messungen, derart, dass eine vollständige Rekonstruktion des Objekts möglich ist.
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Eine konkrete Abfolge von Positionen und/oder Orientierungen der Durchleuchtungs- oder Detektoreinheit bzw. des Objekts wird als (Aufnahme-)Trajektorie bezeichnet. Zweckmäßigerweise wird die vorgenannte Punktewolke derart festgelegt, dass diese für sämtliche gewünschte Projektionen ausreicht. Es muss also mit Vorteil kein Punkt zweimal angefahren werden. Auch sind keine wiederholten oder unnötigen Rüstzeiten nötig, da ein Objekt, einmal vermessen, wieder einer anderen Aufgabe zugeführt oder in den Herstellungsprozess integriert werden kann etc.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Bewegen der Durchleuchtungseinheit mit dem Manipulator.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Manipulator ein (Industrie-)Roboter oder Roboterarm. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Roboter um ein Gerät, das mindestens über drei frei bewegliche Achsen verfügt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Manipulator ein Industrieroboter mit sechs oder zumindest sechs Freiheitsgraden verwendet. Dieser weist zweckmäßigerweise als Endeffektor die Durchleuchtungseinheit auf bzw. weist einen Endeffektor auf, welcher die Durchleuchtungseinheit aufweist. Alternativ kann der Manipulator auch, wie bereits angedeutet, das Objekt bewegen. Bewegt der Manipulator die Durchleuchtungseinheit, wird zweckmäßigerweise ein zweiter Manipulator vorgehalten, welcher korrespondierend dazu die Detektoreinheit trägt bzw. bewegt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird entsprechend die Durchleuchtungseinheit von einem ersten Manipulator geführt und eine zugehörige Detektoreinheit von einem zweiten Manipulator, wobei das Verfahren den Schritt umfasst:
- - Optimieren der Bewegungsabläufe der Manipulatoren.
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Alternativ kann auch ein Manipulator vorgesehen werden, welcher als Endeffektor einen C-Bogen aufweist, wobei dieser die Durchleuchtungseinheit und die Detektoreinheit aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Optimieren des Bewegungsablaufs bzw. der Bewegungsabläufe hinsichtlich der Verfahrzeit.
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Der Fokus liegt entsprechend darauf, die notwendigen Messzeiten auf ein Minimum zu reduzieren.
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Gemäß einer Ausführungsform werden hierbei auch die auftretenden Beschleunigungen mitberücksichtigt. So kann es, insbesondere hinsichtlich des Energiebedarfs des oder der Manipulatoren sinnvoll sein, diese z.B. auf einen Maximalwert zu begrenzen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Optimieren des Bewegungsablaufs (bzw. der Bewegungsabläufe) hinsichtlich des Energiebedarfs.
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Jeder Freiheitsgrad bzw. jede Achse des Manipulators, insbesondere des Industrieroboterarms, weist zumindest einen Elektromotor oder eine andere elektrische und/oder pneumatische und/oder hydraulische Antriebseinheit auf, welche Energie, wie beispielsweise Elektrizität/Strom benötigt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Reduzieren der Anzahl der bewegten Achsen beim Bewegen bzw. Verfahren des oder der Manipulatoren.
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Auch damit kann erreicht werden, dass der Energiebedarf, aber auch die (Verfahre-)Zeit minimiert werden. So kann beispielsweise die Stellung eines Roboterarms, um eine Durchleuchtungseinheit in einer gewissen Position und mit einer bestimmten Ausrichtung/Orientierung zu halten, unterschiedlich sein, wobei die notwendigen Roboterpositionen zweckmäßigerweise durch die Optimierung möglichst schnell und aufwandsarm angefahren werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Berücksichtigen mechanischer Größen des Manipulators bzw. der Manipulatoren, insbesondere einer möglichen Positionsgenauigkeit, entlang der Aufnahmetrajektorie.
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Dies kommt zweckmäßigerweise der Genauigkeit der Messung bzw. der Messungen zugute. So ist es bei der Erstellung der Projektionen bzw. Bilder wichtig, dass der Roboter möglichst exakt eine vorbestimmte Projektion, insbesondere entlang der Aufnahmetrajektorie, anfährt. Hierbei ist aber nur eine begrenzte Genauigkeit gegeben, welche auch nicht bei jeder beliebigen Position oder Stellung des Roboterarms die gleiche ist. Zweckmäßigerweise wird dies bei der Optimierung des Bewegungsablaufs mit berücksichtigt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Objekt eine Einzelkomponente, wie beispielsweise ein Motorbauteil, wie ein Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors, ein Bauteil, umfassend eine Vielzahl von Einzelkomponenten, wie beispielsweise eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs, oder ein komplexes Produkt, umfassend eine Vielzahl von Bauteilen, wie beispielsweise ein gesamtes Fahrzeug, wie beispielsweise ein Kraftrad oder ein Kraftwagen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Speicher einer programmierbaren Recheneinheit ladbar ist, mit Programmcodemitteln, um ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt in dem Rechner ausgeführt wird. Das Computerprogrammprodukt kann ein Computerprogramm sein oder ein Computerprogramm umfassen. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren schnell, identisch wiederholbar und robust ausgeführt werden. Das Computerprogrammprodukt ist vorzugsweise so konfiguriert, dass es mittels der Recheneinheit die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführen kann. Das Computerprogrammprodukt ist beispielsweise auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder in einem Computernetzwerk oder auf einem Server hinterlegt, von wo es in den Prozessor der Recheneinheit geladen werden kann. Weiterhin können Steuerinformationen des Computerprogrammprodukts auf einem elektronisch lesbaren Datenträger gespeichert sein. Die Steuerinformationen des elektronisch lesbaren Datenträgers können derart ausgestaltet sein, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in der Recheneinheit ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführen. So kann das Computerprogrammprodukt auch den elektronisch lesbaren Datenträger darstellen. Beispiele für elektronisch lesbare Datenträger sind eine DVD, ein Magnetband, eine Festplatte oder ein USB-Stick, auf welchem elektronisch lesbare Steuerinformationen, welche insbesondere Programmcodemitteln entsprechen, gespeichert sind. Wenn diese Steuerinformationen von dem Datenträger gelesen und in der Recheneinheit gespeichert werden, können alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen der vorab beschriebenen Verfahren durchgeführt werden. So kann die Erfindung auch von dem besagten computerlesbaren Medium und/oder dem besagten elektronisch lesbaren Datenträger ausgehen.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht eines Manipulators, welcher entlang einer Aufnahmetrajektorie bewegt wird;
- 2 und 3: zwei weitere Ansichten des aus der 1 bekannten Manipulators in unterschiedlichen Stellungen.
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1 zeigt einen Manipulator 30, welcher als Roboterarm mit mehreren Freiheitsgraden skizziert ist. Dieser weist als Endeffektor eine Durchleuchtungseinheit 10 auf, welche mit einer entsprechenden bzw. korrespondierenden Detektoreinheit 20 zusammenwirkt. Diese wird zweckmäßigerweise ebenfalls von einem Manipulator bewegt, welcher hier aus Gründen der Übersichtlichkeit allerdings nicht dargestellt ist. Die Bewegung der Durchleuchtungseinheit 10 soll entlang einer Aufnahmetrajektorie A erfolgen, wobei die Richtung durch den Pfeil, versehen mit dem Bezugszeichen B, angedeutet ist. Mit Vorteil wurde im Vorfeld bei der Messplanung eine Punktewolke von allen nötigen Roboterpositionen für den Messablauf erstellt. Diese liegen sozusagen entlang der Aufnahmetrajektorie A. Anhand dieser Punkte wurde eine optimierte Roboterbahn, insbesondere eine hinsichtlich der Verfahrzeit optimierte Roboterbahn, geplant. Ein geeigneter Rekonstruktionsalgorithmus kann sich aus den erstellten Röntgenprojektionen seine relevanten Projektionen automatisch heraussuchen. Der große Vorteil besteht vorliegend insbesondere darin, dass losgelöst von einer einzelnen Messaufgabe explizit der Bewegungsablauf des Manipulators 30 optimiert wurde, wobei das Ergebnis vereinfacht in den 2 und 3 angedeutet ist.
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2 zeigt den aus der 1 bekannten Manipulator 30 in einer zweiten Stellung oder Position. Gestrichelt angedeutet ist eine Stellung bzw. Position P1, welche der Stellung des Manipulators 30 in der 1 entspricht. Die Durchleuchtungseinheit 10 wurde an eine neue Position verfahren. Mit Bezug auf die 3 soll veranschaulicht werden, dass, obwohl die Durchleuchtungseinheit 10 dort an der gleichen Position ist, wie in der 2, die Stellung P3 des Manipulators 30 eine gänzlich andere ist. Mit anderen Worten hat sich der Manipulator 30 durch eine Optimierung seines Bewegungsablaufs gegenüber der 1 nur wenig bewegt. Mit einem derart optimierten Bewegungsablauf des Manipulators 30 können effektiv Zeit und Kosten gespart werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Durchleuchtungseinheit
- 20
- Detektoreinheit
- 30
- Manipulator
- A
- Aufnahmetrajektorie
- B
- Bewegungsrichtung
- P1, P2
- Stellungen Manipulator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016213403 A1 [0002]
