-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines virtuellen Abstands zwischen einem realen Messpunkt eines realen Objekts und einem virtuellen Messpunkt eines virtuellen Objekts. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Messsystem.
-
Bei der Entwicklung komplexer Produkte, wie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, müssen komplexe Arbeitsräume, die eine hohe Bauteildichte auf einem begrenzten Raum aufweisen, geometrisch abgesichert werden. Bei Kraftfahrzeugen treten solche komplexen Arbeitsräume beispielsweise im Bereich des Motorraums und des Unterbodens, insbesondere des Vorderwagens, auf. Zur geometrischen Absicherung gehören beispielsweise Ein- und Ausbauuntersuchungen, das Aufzeigen von Engstellen, potentiellen Bauteilberührungen, sowie der Vergleich von konstruktiv vorgegebenen Solllagen mit entsprechenden tatsächlichen Ist-Einbaulagen. Abweichungen zwischen Soll- und Istlagen müssen hierbei so präzise wie möglich aufgezeigt werden. Analoge Untersuchungen können auch im Betrieb erforderlich sein, beispielsweise bei der Erprobung, im Dauerlauf oder der schlussendlichen Endkundennutzung.
-
Insbesondere in der Entwicklungsphase ist es denkbar, dass einzelne Bauteile zwar fertig konstruiert wurden, also als präzise CAD-Daten (englisch: „Computer Aided Design“, CAD) vorliegen, jedoch nicht als physisches beziehungsweise reales Bauteil. Dies kann zum einen darin begründet sein, dass die Fertigung beziehungsweise Prototypenfertigung des entsprechenden Bauteils noch nicht abgeschlossen ist. Andererseits können auch verschiedene Varianten oder Designstudien eines Bauteils vorliegen, von denen gegebenenfalls nur eine Variante tatsächlich gefertigt werden soll. In solchen Situationen wäre es wünschenswert, wenn die geometrische Absicherung dennoch unter Berücksichtigung des real noch nicht verfügbaren Bauteils in Bezug zu physisch vorhandenen Teilen möglich wären, um Verzögerungen im Produktentstehungsprozess und auch Kosten durch mehrfache Fertigung von Prototypen oder dergleichen vermeiden zu können.
-
Dokument
EP 2 916 099 A1 beschreibt eine Vorrichtung mit einem Gelenkarm zur Vermessung von geometrischen Merkmalen eines Objekts. An einem beweglichen Ende des Gelenkarms ist eine grafische Anzeigeeinheit angebracht, sodass die von der Anzeigeeinheit bereitgestellten Informationen für einen Bediener während der Messung sichtbar sind. Dabei wird auf der Anzeigeeinheit eine virtuelle Ansicht bereitgestellt, die einen Teil des zu vermessenden Objekts grafisch darstellt, sodass die virtuelle Ansicht der natürlichen Sicht des Bedieners auf das Objekt ähnelt. In der virtuellen Ansicht kann ein bestimmter Punkt oder Bereich des zu vermessenden Objekts grafisch markiert werden. Die virtuelle Ansicht hilft dem Bediener durch Markieren bestimmter Punkte aufzuzeigen, wo gemessen werden soll. Mit anderen Worten stellt das System somit eine Arbeitsanleitung bereit.
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept für ein Messsystem mit einem Messarm anzugeben, das es erlaubt, einen virtuellen Abstand zwischen einem virtuellen Objekt und einem realen Objekt zu messen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, Koordinaten eines realen Messpunkts an einem realen Objekt mittels des Messarms zu bestimmen und den Abstand des realen Messpunkts von einem virtuellen Messpunkt basierend auf den so bestimmten Koordinaten des realen Messpunkts und einer räumlichen Lage des virtuellen Messpunkts zu mehreren Referenzpunkten zu berechnen.
-
Gemäß dem verbesserten Konzept wird ein Verfahren zur Messung eines virtuellen Abstands zwischen einem realen Messpunkt eines realen Objekts und einem virtuellen Messpunkt eines virtuellen Objekts mittels eines Messsystems, das einen Messarm aufweist, angegeben. Dabei wird eine, insbesondere dreidimensionale, räumliche Lage des virtuellen Messpunkts bezüglich dreier oder mehrerer Referenzpunkte des realen Objekts vorgegeben. Für jeden der drei oder mehr Referenzpunkte werden jeweilige dreidimensionale Koordinaten in einem Messkoordinatensystem des Messsystems vorgegeben. Mittels des Messsystems, insbesondere mittels des Messarms und einer Steuerung des Messsystems, werden dreidimensionale Koordinaten des realen Messpunkts in dem Messkoordinatensystem bestimmt, insbesondere direkt oder indirekt gemessen. Der virtuelle Abstand zwischen realem und virtuellem Messpunkt wird mittels der Steuerung des Messsystems basierend auf der räumlichen Lage des virtuellen Messpunkts, den Koordinaten des realen Messpunkts in dem Messkoordinatensystem und den jeweiligen Koordinaten der drei oder mehr Referenzpunkte in dem Messkoordinatensystem berechnet.
-
Der virtuelle Abstand kann also mit anderen Worten als Abstand des realen Messpunkts von einem Punkt verstanden werden, der dem virtuellen Messpunkt entspricht, wenn ein dem virtuellen Objekt entsprechendes weiteres reales Objekt entsprechend der vorgegebenen räumlichen Lage des virtuellen Messpunkts bezüglich der Referenzpunkte in der Umgebung des realen Objekts angeordnet werden würde.
-
Das virtuelle Objekt kann beispielsweise in Form einer Beschreibung durch einen digital gespeicherten Datensatz, beispielsweise einen CAD-Datensatz, gegeben sein.
-
Der Messarm weist insbesondere einen manuell führbaren oder bewegbaren Messkopf auf, beispielsweise einen optischen Messkopf, vorzugsweise jedoch einen taktilen Messkopf, der über einen Gelenkarm mit einem Stationären Ende verbunden ist. Der Gelenkarm enthält dabei eines oder mehrere starre Armsegmente, die mittels entsprechender Gelenkverbindungen mit dem stationären Ende einerseits und dem Messkopf andererseits verbunden sind. Ein Sensorsystem des Messarms kann dabei die jeweils aktuelle Position, insbesondere Drehposition oder Drehwinkelposition, der beweglichen Teile des Gelenkarms bestimmen, sodass die Position und Orientierung, also die Pose, des Messkopfes bezüglich dem stationären Ende als Bezugspunkt stets nachverfolgt werden kann. Dazu können beispielsweise Drehgeber, auch als Drehwinkelgeber bezeichnet, in entsprechenden Gelenkverbindungen vorgesehen sein.
-
Der Messkopf enthält ein Messelement, im Falle eines optischen Messkopfes einen aktiven optischen Sensor, im Falle eines taktilen Messkopfes beispielsweise einen taktilen Taster. Das bewegliche Ende des Messarms mit dem Messkopf und insbesondere dem Messelement kann dann manuell zu einem zu vermessenden Punkt geführt werden. Die Messung entspricht dann der Bestimmung entsprechender dreidimensionaler Koordinaten des zu vermessenden Punktes in einem Messkoordinatensystem, das durch die fixe Position des stationären Endes definiert ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Messkoordinatensystem also insbesondere um ein starr mit dem stationären Ende des Messarms verbundenes Koordinatensystem. Mittels Registrierung, also Messung der Referenzpunkte wird das Messkoordinatensystem des Messarms mit dem Modellkoordinatensystem synchronisiert. Mit anderen Worten ruht das stationäre Ende in dem Messkoordinatensystem. Dadurch lassen sich die Koordinaten der zu vermessenden Punkte mit einer hohen Genauigkeit bestimmen. Toleranzen können beispielsweise im Bereich von 10 µm bis 100 µm liegen.
-
Die drei oder mehr Referenzpunkte entsprechen insbesondere Punkten auf dem realen Objekt, insbesondere auf einer Oberfläche des realen Objekts, oder in einer Umgebung des Referenzobjekts, wobei in diesem Fall die Lage des entsprechenden Referenzpunkts zu der Oberfläche des realen Objekts bekannt ist. Indem für die drei oder mehr Referenzpunkte die entsprechenden dreidimensionalen Koordinaten in dem Messkoordinatensystem vorgegeben sind, kann für jeden Punkt im realen Raum, dessen räumliche Lage bezüglich der drei oder mehr Referenzpunkte bekannt ist, auch die entsprechende räumliche Lage und damit die dreidimensionalen Koordinaten in dem Messkoordinatensystem angegeben werden. Dementsprechend kann durch die Vorgabe der räumlichen Lage des virtuellen Messpunktes bezüglich der drei oder mehr Referenzpunkte auch die Lage des virtuellen Messpunkts in dem Messkoordinatensystem abgeleitet werden. Beispielsweise kann neben der Lage des virtuellen Messpunkts des virtuellen Objekts auch die räumliche Lage jedes weiteren Punkts auf dem virtuellen Objekt bezüglich den drei oder mehr Referenzpunkten vorgegeben sein. In diesem Fall kann daher die räumliche Lage eines jeden Punkts des virtuellen Objekts in dem Messkoordinatensystem bestimmt werden.
-
Die Lage eines Punkts des virtuellen Objekts, insbesondere die Lage des virtuellen Messpunkts, kann beispielsweise durch Koordinaten in einem Referenzkoordinatensystem gegeben sein, welches durch die drei oder mehr Referenzpunkte definiert ist. Dabei sei angemerkt, dass durch die Vorgabe von dreidimensionalen Koordinaten von genau drei Referenzpunkten ein dreidimensionales Koordinatensystem eindeutig vorgegeben ist. Eventuelle weitere Referenzpunkte sind also redundant. Bezeichnet man mit P1, P2, P3 jeweils die dreidimensionalen Ortsvektoren der drei Referenzpunkte, beispielsweise in dem Messkoordinatensystem, so spannen die drei Vektoren (P1-P2), (P1-P3) und (P1-P2) × (P1-P3) das entsprechende Referenzkoordinaten-system auf. Die Lage des virtuellen Messpunkts beziehungsweise der weiteren Punkte des virtuellen Objekts können beispielsweise durch dreidimensionale Koordinaten in dem Referenzkoordinatensystem gegeben sein.
-
Dass die Koordinaten des realen Messpunkts in dem Messkoordinatensystem mittels des Messarms bestimmt werden, kann insbesondere derart verstanden werden, dass die Koordinaten des realen Messpunkts mittels des Messarms direkt oder indirekt gemessen werden. Unter einer direkten Messung kann dabei eine Messung verstanden werden, bei der das Messelement direkt zu dem realen Messpunkt geführt wird. Bei einer indirekten Messung kann das Messelement beispielsweise zu einem oder mehreren weiteren Punkten des Objekts, insbesondere des realen Objekts, geführt und deren Koordinaten gemessen werden. Indem die Lage des realen Messpunkts bezüglich der so gemessenen Koordinaten vorgegeben beziehungsweise bekannt ist, kann so auf die Koordinaten des realen Messpunkts geschlossen werden. So kann mittels des Messelements beispielsweise eine Kontur des realen Objekts abgefahren werden, etwa eine innere Oberfläche einer Bohrung oder dergleichen, wenn sich der reale Messpunkt bekanntermaßen auf einer Rotationsachse der Bohrung oder dergleichen befindet. Indem zusätzlich die Oberfläche, in der die Bohrung angeordnet ist, vermessen wird, kann der reale Messpunkt über den Abstand von dieser Oberfläche eindeutig definiert sein.
-
Die Steuerung kann eine oder mehrere Steuereinheiten und/oder Recheneinheiten beinhalten, die beispielsweise auch räumlich voneinander getrennt angeordnet sein können. Beispielsweise kann an dem Messarm oder in einem Gehäuse des Messarms eine Steuereinheit zur Erfassung entsprechender Sensorsignale des Sensorsystems angeordnet sein. Zur Bestimmung des virtuellen Abstands erforderliche Rechenschritte können beispielsweise mittels eines Computersystems, das ebenfalls Teil der Steuerung sein kann und auch als Recheneinheit bezeichnet werden kann, beispielsweise eines leistungsfähigen CAD-Computersystems, durchgeführt werden.
-
Die Koordinaten der drei oder mehr Referenzpunkte werden insbesondere ebenfalls mittels des Messarms bestimmt. Auch diese können dabei direkt mittels des Messarms gemessen werden oder indirekt im oben beschriebenen Sinne.
-
Durch das Verfahren nach dem verbesserten Konzept lässt sich also die exakte Lage des virtuellen Messpunkts bezüglich des realen Messpunkts bestimmen und so der virtuelle Abstand mit hoher Genauigkeit messen.
-
Mit anderen Worten kann der virtuelle Abstand beispielsweise durch Anfahren des realen Messpunktes mit dem Messarm und durch Anfahren es virtuellen Messpunktes in einer CAD-Geometrie bestimmt werden. Die Messung basiert auf der räumlichen Verortung des Messsystems in Modellkoordinaten beziehungsweise Fahrzeugkoordinaten, was durch die Einmessung oder Registrierung der mindestens drei Referenzpunkte am physischen Modell erfolgt. Somit erfolgt eine Synchronisierung des Modellkoordinatensystems mit dem Messkoordinatensystem.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem verbesserten Konzept werden für einen ersten Referenzpunkt der drei oder mehr Referenzpunkte mittels des Messarms jeweilige dreidimensionale Koordinaten einer Vielzahl von Referenzmesspunkten des realen Objekts in dem Messkoordinatensystem gemessen, insbesondere direkt gemessen.
-
Die Koordinaten des ersten Referenzpunktes, die auch als Modellkoordinaten bezeichnet werden können, werden mittels der Steuerung basierend auf den jeweiligen Koordinaten der Vielzahl von Referenzmesspunkten, die auch als Messkoordinaten bezeichnet werden können, berechnet.
-
Die Referenzmesspunkte sind dabei im Gegensatz zu dem ersten Referenzpunkt nicht fest vorgegeben. Vielmehr ist lediglich eine Regel vorgegeben, gemäß der die Referenzmesspunkte ausgewählt werden müssen. Insbesondere ist eine geometrische Lage der Referenzmesspunkte bezüglich des ersten Referenzpunktes vorgegeben. Dadurch können durch direkte Messung der Referenzmesspunkte die Koordinaten des ersten Referenzpunktes indirekt gemessen werden.
-
Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn sich der erste Referenzpunkt nicht direkt auf einer Oberfläche des realen Objekts befindet, sondern beispielsweise durch den Mittelpunkt einer Bohrung oder dergleichen gegeben ist. So kann die Lage des ersten Referenzpunkts mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Zur taktilen Einmessung werden bevorzugt Bohrungen oder Langlöcher verwendet.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Koordinaten eines zweiten Referenzpunkts der drei oder mehr Referenzpunkte sowie die Koordinaten eines dritten Referenzpunktes der drei oder mehr Referenzpunkte entsprechend anhand jeweiliger weiterer Referenzmesspunkte bestimmt, wie bezüglich des ersten Referenzpunktes ausgeführt.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Vielzahl von Referenzmesspunkten auf einer Oberfläche des realen Objekts, wobei die Oberfläche eine vorgegebene geometrische Form aufweist und die Koordinaten des ersten Referenzpunktes werden basierend auf einer vorgegebenen Lage des ersten Referenzpunktes bezüglich der Oberfläche berechnet.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform entspricht ein Teil der Oberfläche der Innenseite eines Kreiszylindermantels und der erste Referenzpunkt liegt auf einer Rotationsachse des Kreiszylindermantels.
-
Mit anderen Worten können die Referenzmesspunkte auf der Innenseite einer zylindrischen Bohrung oder einer sonstigen näherungsweise zylindrischen oder kreisrunden Ausnehmung oder Aussparung liegen und der erste Referenzpunkt liegt in der Mitte der Bohrung oder dergleichen. Mit anderen Worten kann der Bohrungsmittelpunkt den Referenzpunkt bilden. Die Referenzmesspunkte können auch auf oder in einem Langloch oder dergleichen liegen.
-
Beispielsweise können zusätzliche Referenzmesspunkte auf einem weiteren Teil der Oberfläche liegen, wobei eine axiale Position der zusätzlichen Referenzmesspunkte bezüglich der Rotationsachse gleich einer axialen Position des ersten Referenzpunkts bezüglich der Rotationsachse ist. In entsprechenden Ausführungsformen kann der erste Referenzpunkt beispielsweise auf einer Oberfläche der Bohrung oder des Langlochs liegen.
-
Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Messsystem zur Messung eines Abstandes zwischen einem realen Messpunkt eines realen Objekts und einem virtuellen Messpunkt eines virtuellen Objekts angegeben. Das Messsystem weist eine Speichereinheit auf, die eine räumliche Lage des virtuellen Messpunkts bezüglich dreier oder mehrerer Referenzpunkte des realen Objekts speichert und für jeden der drei oder mehr Referenzpunkte jeweilige dreidimensionale Koordinaten in einem Messkoordinatensystem des Messsystems speichert. Das Messsystem weist einen Messarm mit einem Messelement auf sowie ein Sensorsystem, das dazu eingerichtet ist, abhängig von einer Pose des Messelements in dem Messkoordinatensystem Sensorsignale zu erzeugen. Das Messsystem weist eine Steuerung auf, die dazu eingerichtet ist, abhängig von den Sensorsignalen dreidimensionale Koordinaten des realen Messpunkts in dem Messkoordinatensystem zu bestimmen und den virtuellen Abstand basierend auf der räumlichen Lage des virtuellen Messpunkts, den Koordinaten des realen Messpunkts und den jeweiligen Koordinaten der drei oder mehr Referenzpunkte zu berechnen.
-
Das Sensorsystem beinhaltet insbesondere zwei oder mehr Sensoren, beispielsweise Drehgeber, wobei jeder Sensor des Sensorsystems ein entsprechendes Sensorsignal erzeugen kann. Die Sensorsignale können dabei beispielsweise als zeitabhängige Signale aufgefasst werden. Je nach Pose des Messelements beziehungsweise des Messkopfes mit dem Messelement ändern sich also gegebenenfalls die Sensorsignale. Zur Bestimmung der dreidimensionalen Koordinaten des realen Messpunkts werden die Sensorsignale also zu einem Zeitpunkt ausgewertet, zu dem sich das Messelement an dem realen Messpunkt befindet beziehungsweise, bei indirekter Messung, an entsprechenden Hilfsmesspunkten.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Messsystems weist dieses eine Kamera auf, die derart an dem Messarm montiert ist, dass sich bei Änderung der Pose des Messelements eine Pose der Kamera entsprechend ändert. Die Steuerung ist dazu eingerichtet, einem Kamerabild der Kamera eine Darstellung des virtuellen Objekts abhängig von den Sensorsignalen zu überlagern.
-
Insbesondere ist die Kamera also starr mit dem Messkopf verbunden. Ein Sichtfeld der Kamera liegt also beispielsweise innerhalb eines Sichtfelds eines Benutzers des Messsystems, wenn dieser das Messelement bestimmungsgemäß führt. Die Darstellung des virtuellen Objekts kann dadurch dem Kamerabild lagerichtig und aufgrund der mechanischen Registrierung und des mechanischen Trackings mit hoher Genauigkeit überlagert werden.
-
Indem die Überlagerung der Darstellung des virtuellen Objekts mit dem Kamerabild abhängig von den Sensorsignalen erfolgt, kann eine Positionierung und Orientierung der Darstellung des virtuellen Objekts bezüglich der Abbildung des realen Objekts erreicht werden. Demzufolge ist ein hochpräzises Erweiterte-Realität-System (englisch: „Augmented Reality System“, AR-System) oder Gemischte-Realität-System (englisch: „Mixed Reality-System“, MR-System) gegeben.
-
Dadurch wird erreicht, dass bereits durch visuelle Inaugenscheinnahme des Überlagerungsbildes durch den Benutzer eine entsprechende Orientierung und Einschätzung der geometrischen Abstände möglich ist. Die Vermessung der Abstände zwischen dem virtuellen Objekt und dem realen Objekt, also insbesondere des virtuellen Abstands zwischen dem realen Messpunkt und dem virtuellen Messpunkt, kann daher besonders effizient erfolgen.
-
Basierend auf den Sensorsignalen kann die Steuerung insbesondere die Pose des Messelements und dementsprechend über die starre Verbindung der Kamera die Pose der Kamera beziehungsweise die Pose des Sichtfelds der Kameras exakt bestimmen.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Messarm als taktiler Messarm ausgestaltet und weist einen taktilen Messkopf auf, der das Messelement beinhaltet. Das Messelement kann beispielsweise eine Tastkugel oder eine Tastspitze beinhalten.
-
Taktile Messarme haben insbesondere den Vorteil, dass sie bei hoher Messgenauigkeit eine relativ geringe Größe haben, beispielsweise im Vergleich zu laserbasierten optischen Messköpfen. Dementsprechend ist es mit taktilen Messarmen möglich, besonders in komplexen und engen Arbeitsräumen schwer zugängliche reale Messpunkte des realen Objekts zu erreichen.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Messarm wenigstens ein starres Armsegment auf, welches den Messkopf mittels wenigstens zweier Gelenkverbindungen mit einem Bezugspunkt des Messsystems verbindet.
-
Der Bezugspunkt ist dabei insbesondere an dem stationären Ende, beispielsweise einem Gehäuse oder dergleichen, angeordnet. Der Bezugspunkt kann beispielsweise den Koordinatenursprung des Messkoordinatensystems festlegen.
-
Beispielsweise kann der Messarm zwei starre Armsegmente aufweisen sowie eine am stationären Ende angeordnete beziehungsweise dem stationären Ende entsprechende stationäre Basiskomponente. Die Basiskomponente ist über wenigstens eine erste Gelenkverbindung mit einem ersten der Armsegmente verbunden und das erste Armsegment ist mittels wenigstens zweiten Gelenkverbindung mit dem zweiten Armsegment verbunden. Das zweite Armsegment ist mittels wenigstens einer dritten Gelenkverbindung mit dem Messkopf verbunden.
-
Vorzugsweise sind die Basiskomponente und das erste Armsegment über zwei erste Gelenkverbindungen verbunden, das erste Armsegment und das zweite Armsegment sind über zwei zweite Gelenkverbindungen verbunden und das zweite Armsegment und der Messkopf sind über zwei dritte Gelenkverbindungen verbunden. Die zwei ersten Gelenkverbindungen erlauben dabei Bewegungen, insbesondere Rotationsbewegungen, des ersten Armsegments bezüglich der Basiskomponente entsprechend verschiedener Richtungen. Entsprechendes gilt analog für die zwei zweiten Gelenkverbindungen und die zwei dritten Gelenkverbindungen.
-
In solchen Ausführungsformen weist der Messarm also wenigstens sechs Gelenkverbindungen auf, um damit die Bewegung des Messkopfes entsprechend sechs Freiheitsgraden im Raum bewegen zu können. Insbesondere kann das Messelement zu einem beliebigen Punkt im dreidimensionalen Raum gebracht werden, sofern sich dieser in einer entsprechenden Reichweite des Messarms befindet, und entsprechend drei Raumwinkeln gedreht werden.
-
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Sensorsystem für jede Gelenkverbindung der wenigstens zwei Gelenkverbindungen einen entsprechenden Drehgeber auf, der derart angeordnet und eingerichtet ist, dass er ein zugehöriges Sensorsignal der Sensorsignale abhängig von einer Drehposition der jeweiligen Gelenkverbindung erzeugen kann.
-
Weitere Ausführungsformen des Messsystems nach dem verbesserten Konzept folgen direkt aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen des Verfahrens nach dem verbesserten Konzept und umgekehrt. Insbesondere ist ein Messsystem nach dem verbesserten Konzept dazu eingerichtet, ein Verfahren nach dem verbesserten Konzept durchzuführen. Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
-
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- Fig. eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Messsystems nach dem verbesserten Konzept.
-
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
-
In Fig. ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Messsystems 1 zur Messung eines virtuellen Abstands zwischen einem realen Messpunkt P eines realen Objekts 2 und einem virtuellen Messpunkt P' eines virtuellen Objekts 3 dargestellt.
-
Bei dem realen Objekt 2 kann es sich beispielsweise um eine Komponente eines Vorderwagens eines Kraftfahrzeugs handeln. Das virtuelle Objekt 3 liegt physisch nicht vor. Vielmehr ist eine CAD-Darstellung oder eine sonstige digitale Darstellung des virtuellen Objekts 3 auf einer Speichereinheit 4 des Messsystems 1 gespeichert. Beispielsweise kann das virtuelle Objekt einem Wischwasserbehälter oder einem sonstigen beliebigen Objekt entsprechen, das in der Umgebung des realen Objekts 2 verbaut werden soll.
-
Mittels des Messsystems 1 kann ein Verfahren zum Messen eines virtuellen Abstandes zwischen dem realen Messpunkt P und dem virtuellen Messpunkt P' durchgeführt werden, ohne dass das virtuelle Objekt 3 dazu physisch vorliegen muss. Auf diese Weise kann eine geometrische Absicherung des Einbaus des virtuellen Objekts 3 bezüglich des realen Objekts 2 bereits zu einem frühen Zeitpunkt in der Entwicklungsphase des Produkts, insbesondere des Kraftfahrzeugs, durchgeführt werden.
-
Das Messsystem 1 weist eine Recheneinheit 10 auf, die mit der Speichereinheit 4 verbunden ist oder diese enthält. Das Messsystem 1 weist außerdem einen taktilen Messarm 5 auf, der in einer Umgebung des realen Objekts 2 angeordnet ist. Insbesondere weist der taktile Messarm 5 eine Basiskomponente 9 auf, beispielsweise ein Gehäuse, einen Sockel oder einen Standfuß, die ortsfest im Raum angeordnet ist, also insbesondere eine feste Position und Orientierung bezüglich des realen Objekts 2 aufweist. Position und Orientierung der Basiskomponente 9 legen also beispielsweise ein Messkoordinatensystem für das Messsystem 1, insbesondere für den Messarm 5, fest. Der Messarm 5 weist einen Messkopf 14, insbesondere einen taktilen Messkopf, mit einem Messelement 6 auf, der beweglich mit der Basiskomponente 9 verbunden ist, sodass die Pose des Messelements 6 in dem Messkoordinatensystem stets bestimmbar ist. Das Messelement kann beispielsweise als Messspitze oder Messkugel ausgestaltet sein.
-
Der Messarm 5 weist beispielsweise zwei starre Armsegmente 14a, 14b auf, die den Messkopf 14 und damit das Messelement 6 mit der Basiskomponente 9 verbinden. Der Messarm 5 weist beispielsweise zwei erste Gelenkverbindungen 7a auf, die das erste Armsegment 14a mit der Basiskomponente 9 verbinden, zwei zweite Gelenkverbindungen 7b, die das erste Armsegment 14a mit dem zweiten Armsegment 14b verbinden, sowie zwei dritte Gelenkverbindungen 7c, die das zweite Armsegment 14b mit dem Messkopf 14 verbinden. Der Messarm weist also sechs Gelenkverbindungen 7a, 7b, 7c auf, die derart angeordnet sind, dass der Messkopf 14 entsprechend der sechs räumlichen Freiheitsgrade bewegt beziehungsweise rotiert werden kann. Für jede der Gelenkverbindungen 7a, 7b, 7c enthält der Messarm 5 eine entsprechende Sensoreinheit 8a, 8b, 8c. Die Sensoreinheiten 8a, 8b, 8c beinhalten beispielsweise für jede der Gelenkverbindungen 7a, 7b, 7c einen Drehgeber, um die entsprechende Rotationsposition anhand eines Sensorsignals des jeweiligen Drehgebers an die Recheneinheit 10 ausgeben zu können. Anhand der Sensorsignale kann also die Recheneinheit 10 die gegenwärtige Pose des Messelements 6 in dem Messkoordinatensystem jederzeit und an jedem Ort bestimmen.
-
Das reale Objekt 2 weist beispielsweise drei Messstellen 12a, 12b, 12c auf, die beispielsweise durch Bohrungen oder Langlöcher in einer Oberfläche des realen Objekts 2 gegeben sein können. Die Mittelpunkte der Bohrungen, beispielsweise auf der Höhe der Oberfläche in welche die Bohrungen gesetzt sind, können als Referenzpunkte definiert sein. Die Speichereinheit 4 speichert für das virtuelle Objekt 3 eine räumliche Lage, also insbesondere eine Position und Orientierung des virtuellen Objekts 3, bezüglich jedes der drei Referenzpunkte. Mit anderen Worten speichert die Speichereinheit eine Soll-Einbaulage des virtuellen Objekts 3. Dadurch ist insbesondere auch die räumliche Lage des virtuellen Messpunkts P' bezüglich der drei Referenzpunkte vorgegeben.
-
Über die drei Referenzpunkte kann der Messarm 5 taktil in die Modellkoordinaten eingemessen werden. Dazu kann ein Benutzer das Messelement 6 beispielsweise direkt an die Positionen der Referenzpunkte führen und die Recheneinheit 10 kann entsprechende dreidimensionale Koordinaten der Referenzpunkte in dem Messkoordinatensystem direkt aus der Messung bestimmen. Alternativ kann der Messkopf 14, insbesondere das Messelement 6, mit einem präzise gefertigten Adapter ausgestattet sein, sodass das Messelement 6 in die entsprechenden Messstellen 12a, 12b, 12c, also beispielsweise Bohrungen, eingeführt werden kann und so eine definierte Position des Messelements 6 bezüglich der Referenzpunkte sichergestellt werden kann.
-
In alternativen Ausführungsformen erfolgt die Einmessung indirekt durch Abtastung der Messstellen 12a, 12b, 12c, sodass die Recheneinheit 10 über die Koordinaten entsprechender Referenzmesspunkte an den Messstellen 12a, 12b, 12c die jeweiligen Koordinaten der Referenzpunkte selbst berechnen kann. Dazu kann der Benutzer beispielsweise an drei Punkten des Innenradius der Bohrungen eine entsprechende Koordinatenmessung durchführen, beispielsweise an drei Punkten auf der Oberfläche des realen Objekts 2. Indem beispielsweise eine geometrische Form der Oberfläche und der Messstellen 12a, 12b, 12c, also insbesondere ein Innenradius der Bohrungen, vorgegeben wird, kann dadurch eindeutig auf die Position des Gesamtmodells geschlossen werden, wenn die dreidimensionalen Koordinaten der Referenzpunkte in dem System hinterlegt werden.
-
Nachdem die dreidimensionalen Koordinaten der Referenzpunkte in dem Messkoordinatensystem bestimmt wurden, kann der Messarm 5 also effektiv dazu verwendet werden, Messungen in einem durch die Referenzpunkte definierten Referenzkoordinatensystem durchzuführen. Anders ausgedrückt kann durch Messung von Koordinaten des realen Objekts 2 in dem Messkoordinatensystem ein exakter Bezug zu dem virtuellen Objekt 3 hergestellt werden. Nun kann der Benutzer also das Messelement 6 an den realen Messpunkt P führen und die Recheneinheit 10 kann dementsprechend die Koordinaten des realen Messpunkts P in dem Messkoordinatensystem bestimmen. Da die räumliche Lage des virtuellen Messpunkts P' bezüglich der Referenzpunkte ebenfalls bekannt ist, kann die Recheneinheit den Abstand des virtuellen Messpunkts P' von dem realen Messpunkt P basierend auf den durch Messung bestimmten Koordinaten des realen Messpunkts P berechnen.
-
In verschiedenen Ausgestaltungsformen weist das Messsystem 1 eine Kamera 13 auf, beispielsweise eine Industriekamera. Die Kamera 13 ist an dem Messkopf 14 montiert, insbesondere starr mit dem Messkopf 14 verbunden, sodass ein Sichtfeld der Kamera 13 näherungsweise dem Sichtfeld eines den Messkopf 14 führenden Benutzers entspricht. Darüber hinaus weist das Messsystem 1 eine Anzeigeeinheit 11 auf, insbesondere einen Monitor oder ein Display, auf dem ein Überlagerungsbild angezeigt werden kann. Das Überlagerungsbild entspricht dabei einer Überlagerung einer Darstellung des virtuellen Objekts 3 mit einem durch die Kamera 13 erzeugten Kamerabild, welches eine des realen Objekts 2 zeigt. So kann also das virtuelle Objekt 3 in dem Überlagerungsbild lagerichtig bezüglich der des realen Objekts 2 angezeigt werden.
-
Die Überlagerung der Darstellung des virtuellen Objekts 3 mit dem Kamerabild kann die Recheneinheit 10 ebenfalls basierend auf den Sensorsignalen, also basierend auf der aktuellen Pose des Messkopfes 14 und damit der Kamera 13, durchführen. Durch den anhand der Einmessung mittels der Referenzpunkte bestimmten festen Bezug kann so eine sehr exakte Einblendung des virtuellen Objekts 3 in dem Überlagerungsbild realisiert werden.
-
Gemäß dem verbesserten Konzept wird also, wie insbesondere anhand der Figur erläutert, eine Möglichkeit angegeben, einen virtuellen Abstand zwischen dem virtuellen Messpunkt eines virtuellen Objekts und einem realen Messpunkt eines realen Objekts mit hoher Genauigkeit zu messen.
-
Dazu werden in entsprechenden Ausführungsformen Koordinaten eines realen Messpunkts an einem realen Objekt mittels des Messarms bestimmt, sodass der Messarm gewissermaßen in die Modellkoordinaten beziehungsweise Fahrzeugkoordinaten eingemessen wird. Nun können Abstände zwischen einem realen Messpunkt des realen Objekts oder Modells zu einem virtuellen Messpunkt bestimmt werden. Die Abstände basieren auf den gemessenen Koordinaten der realen Messpunkte oder Referenzpunkte des realen Objekts und der räumlichen Lage des virtuellen Messpunkts der virtuellen CAD-Geometrie, die Bestandteil des Gesamtmodells ist. Die Einmessung beziehungsweise Registrierung erfolgt über mindestens drei Referenzpunkte des Gesamtmodells und bildet somit die Grundlage zur Abstandsberechnung zwischen physischen und virtuellen Bauteilen.
-
In verschiedenen Ausgestaltungsformen wird hierfür ein hochpräzises Visualisierungssystem, beispielsweise ein Augmented-Reality-System oder auch Mixed-Reality-System, als Messsystem angegeben, das einerseits präzise CAD-Daten, also das virtuelle Bauteil, in den komplexen realen Bauraum hineinprojizieren kann, und andererseits die Abstände der eingeblendeten Bauteile zu ihren physischen Umgebungen gemessen werden kann. Das Visualisierungssystem kann als Mess-, Visualisierungs- und Arbeitsmittel aufgefasst werden. So können insbesondere Entscheidungsprozesse vereinfacht und beschleunigt werden.
-
Durch die Verwendung eines Messarms, insbesondere eines taktilen Messarms, und das damit einhergehende hochpräzise mechanische Tracking kann eine hohe Genauigkeit der Messung erreicht werden. Beispielsweise kann das Messsystem beziehungsweise der Messarm taktil über Referenzpunkte eingemessen werden, sodass hochpräzise CAD-Bauteilkoordinaten in das physische Modell hineinprojiziert werden können und die Abstände entsprechend bestimmt werden können.
-
In entsprechenden Ausführungsformen kann ein Überlagerungsbild, also ein um die digitalen Informationen erweitertes Kamerabild, im Sinne einer Großgruppentauglichkeit auf einen großen Monitor oder Anzeigeschirm übertragen werden. Somit können mehrere Leute gleichzeitig am Modell arbeiten. Alternativ kann das Überlagerungsbild auf mehrere AR/VR-Brillen gestreamt werden, wodurch ebenfalls eine Gruppentauglichkeit erreicht wird.
-
Mit anderen Worten wird in verschiedenen Ausgestaltungsformen also ein Messmittel, nämlich der Messarm, mit entsprechender Kameratechnik kombiniert. Beispielsweise kann ein taktiler Messarm mit einer Industriekamera kombiniert werden. Der taktile Messarm verfügt über eine sehr hohe Präzision und entsprechend geringe Toleranzen. Die Industriekamera eignet sich ebenfalls durch ihre Robustheit und zahlreiche Einstellungsmöglichkeiten besonders gut für den Einsatz in einem Augmented-Reality-System.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Messsystem
- 2
- reales Objekt
- 2'
- Abbildung
- 3
- virtuelles Objekt
- 4
- Speichereinheit
- 5
- Messarm
- 6
- Messelement
- 7a, 7b, 7c
- Gelenkverbindungen
- 8a, 8b, 8c
- Sensoreinheiten
- 9
- Basiskomponente
- 10
- Recheneinheit
- 11
- Anzeigeeinheit
- 12a, 12b, 12c
- Messstellen
- 13
- Kamera
- 14
- Messkopf
- 14a, 14b
- Armsegmente
- P
- realer Messpunkt
- P'
- virtueller Messpunkt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
