DE102021209427A1 - Method and device for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Messvorrichtung (110) zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung eines Messobjekts (112) vorgeschlagen. Die Messvorrichtung (110) umfasst mindestens ein Targetensemble (114) mit mindestens drei Retroreflektoren (116). Die Retroreflektoren (116) des Targetensembles (114) weisen bekannte Koordinaten in einem Targetensemble-Koordinatensystem (118) auf. Das Messobjekt (112) weist das Targetensemble (114) auf. Die Messvorrichtung (110) umfasst mindestens sechs Lokalisierungseinheiten (120). Jede der Lokalisierungseinheiten (120) ist eingerichtet, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl (122) zu erzeugen und mindestens einen der Retroreflektoren (116) mit dem Beleuchtungslichtstrahl (122) zu beleuchten. Jeder der zur Bestimmung der Position und Orientierung herangezogenen Retroreflektoren (116) ist von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten (120) beleuchtet. Jede der Lokalisierungseinheiten (120) ist eingerichtet, von dem von ihr beleuchteten Retroreflektor (116) mindestens einen reflektierten Lichtstrahl (124) zu empfangen und mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die Messvorrichtung (110) umfasst weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit (126), welche eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten (120) die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts (112) zu bestimmen. Das Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts (112) umfasst die folgenden Schritte:i) Bestimmen mindestens einer Distanz (128) von der jeweiligen Lokalisierungseinheit (120) zu dem mindestens einen von dieser beleuchteten Retroreflektor (116) aus dem Messsignal; undii) Bestimmen einer 6D-Pose des Targetensembles (114) in einem Koordinatensystem (130) der Lokalisierungseinheiten (120) unter Berücksichtigung der bekannten Koordinaten der Retroreflektoren (116) im Targetensemble-Koordinatensystem (118) und der in i) bestimmten Distanzen (128).A measuring device (110) for determining at least one spatial position and orientation of a measurement object (112) is proposed. The measuring device (110) comprises at least one target ensemble (114) with at least three retroreflectors (116). The retroreflectors (116) of the target ensemble (114) have known coordinates in a target ensemble coordinate system (118). The measurement object (112) has the target ensemble (114). The measuring device (110) comprises at least six localization units (120). Each of the localization units (120) is set up to generate at least one illuminating light beam (122) and to illuminate at least one of the retroreflectors (116) with the illuminating light beam (122). Each of the retroreflectors (116) used to determine the position and orientation is illuminated by at least one of the localization units (120). Each of the localization units (120) is set up to receive at least one reflected light beam (124) from the retroreflector (116) it illuminates and to generate at least one measurement signal. The measuring device (110) also includes at least one evaluation unit (126), which is set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object (112) from the measurement signals of the localization units (120). Determining the spatial position and orientation of the measurement object (112) comprises the following steps: i) determining at least one distance (128) from the respective localization unit (120) to the at least one retroreflector (116) illuminated by it from the measurement signal; andii) determining a 6D pose of the target ensemble (114) in a coordinate system (130) of the localization units (120) taking into account the known coordinates of the retroreflectors (116) in the target ensemble coordinate system (118) and the distances (128) determined in i) .
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts, ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik.The invention relates to a device for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object, a coordinate measuring machine and a method for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object. The present invention relates in particular to the field of coordinate measuring technology.
Technischer HintergrundTechnical background
Koordinatenmessgeräte und Werkzeugmaschinen weisen in der Regel einen sehr stabilen Maschinenbau auf, sind jedoch typischerweise ohne rechnergestützte Korrekturen, auch als „computer-assisted corrections“ oder CAA bezeichnet, nicht genau genug, um den Anforderungen zu genügen. Es sind daher Verfahren bekannt, die es erlauben, die systematischen Fehler in allen sechs Freiheitsgraden einer solchen Maschine in Abhängigkeit von deren Position zu erfassen. Diese Fehler können beispielsweise beschrieben werden als ein Positionsfehler, welcher den translatorischen Fehler in Richtung der Bewegungsachse angibt, zwei Translationsfehler, welche die translatorischen Fehler in die beiden Richtungen quer zur Bewegungsachse angeben, einen Rollfehler, welcher den rotatorischen Fehler um die Bewegungsachse angibt sowie einen Gier- und einen Nickfehler, welche die rotatorischen Fehler um die beiden Achsen quer zur Bewegungsachse angeben.Coordinate measuring machines and machine tools usually have a very stable mechanical design, but are typically not accurate enough to meet the requirements without computer-aided corrections, also known as "computer-assisted corrections" or CAA. Methods are therefore known which make it possible to detect the systematic errors in all six degrees of freedom of such a machine as a function of its position. These errors can be described, for example, as a position error, which indicates the translational error in the direction of the movement axis, two translation errors, which indicate the translational error in the two directions transverse to the movement axis, a roll error, which indicates the rotational error around the movement axis, and yaw - and a pitch error, which indicate the rotational error around the two axes transverse to the axis of movement.
Typische Verfahren zur Erfassung der Fehler nutzen dabei beispielsweise Laserinterferometer, insbesondere Mehrstrahl-Laserinterferometer, mit denen beispielsweise der Positionsfehler direkt sowie die zwei Translationsfehler quer zur Bewegungsachse und Gier- und Nickfehler insbesondere mithilfe geeigneter optischer Vorsätze erfasst werden können. Auch die Nutzung von Autokolimationsfernrohren zur Erfassung von Gier- und Nickfehler ist möglich.Typical methods for detecting the errors use, for example, laser interferometers, in particular multi-beam laser interferometers, with which, for example, the position error can be detected directly and the two translation errors perpendicular to the axis of movement and yaw and pitch errors, in particular with the help of suitable optical attachments. Autocollimation telescopes can also be used to record yaw and pitch errors.
Die beschriebenen Verfahren weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, insbesondere, dass zum einen nicht im Volumen, sondern nur Achsweise die Fehler erfasst werden können, da der Erfassungsbereich geradlinig ist, und nicht alle sechs Freiheitsgrade gleichzeitig erfasst werden können. Selbst eine Achsweise Erfassung kann auch nur dann möglich sein, wenn es sich um Translationsachsen handelt. Bei Rotationsachsen, z.B. bei einem Knickarmroboter, kann dieses schon nicht mehr möglich sein. Alternativ kann auch im Raum gemessen werden: allerdings nur entlang einer raum-geraden Fahrt. Das erste Problem kann durch 3D-Multilateration gelöst werden. Dieses umfasst multi-Laser Verfahren, bei welchen die 3D-Position eines Targets im Raum und somit auch die Fehlbewegung der Maschine im Raum, ermittelt werden kann. Derartige Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Das zweite Problem kann durch Erweiterung der 3D-Multilateration, gelöst werden, wie in
Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung eines Messobjekts bereitzustellen, welches die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts mit größerer Flexibilität und eine Vermessung größerer Volumen ermöglicht werden.It is therefore the object of the present invention to provide a device and a method for determining at least one spatial position and orientation of a measurement object, which at least largely avoids the disadvantages of known devices and methods. In particular, it should be possible to determine the spatial position and orientation of the measurement object with greater flexibility and to measure larger volumes.
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral Description of the Invention
Diese Aufgabe wird adressiert durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt. This object is addressed by an apparatus and a method having the features of the independent patent claims. Advantageous developments, which can be implemented individually or in any combination, are presented in the dependent claims.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.In the following, the terms "have", "have", "comprise" or "include" or any grammatical deviations thereof are used in a non-exclusive manner. Accordingly, these terms can refer both to situations in which, in addition to those indicated by these terms guided characteristics, no further characteristics are present, or to situations in which one or more further characteristics are present. For example, the phrase "A has B,""A has B,""A includes B," or "A includes B" can both refer to the situation in which there is no other element in A other than B (ie to a situation in which A consists exclusively of B), as well as to the situation in which, in addition to B, there are one or more other elements in A, e.g. element C, elements C and D or even further elements .
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.Furthermore, it is pointed out that the terms "at least one" and "one or more" as well as grammatical variations of these terms, if they are used in connection with one or more elements or features and are intended to express that the element or feature is provided once or several times can generally only be used once, for example when the feature or element is introduced for the first time. If the feature or element is subsequently mentioned again, the corresponding term “at least one” or “one or more” is usually no longer used, without restricting the possibility that the feature or element can be provided once or more than once.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.Furthermore, the terms “preferably”, “particularly”, “for example” or similar terms are used below in connection with optional features, without alternative embodiments being restricted thereby. Thus, features introduced by these terms are optional features and are not intended to limit the scope of the claims, and in particular the independent claims, by these features. Thus, as will be appreciated by those skilled in the art, the invention may be practiced using other configurations. Similarly, features introduced by "in an embodiment of the invention" or by "in an exemplary embodiment of the invention" are understood as optional features without intending to limit alternative configurations or the scope of the independent claims. Furthermore, through these introductory expressions, all possibilities to combine the features introduced here with other features, be they optional or non-optional features, remain untouched.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Messvorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung eines Messobjekts vorgeschlagen. Die Messvorrichtung umfasst mindestens ein Targetensemble mit mindestens drei Retroreflektoren. Die Retroreflektoren des Targetensembles weisen bekannte Koordinaten in einem Targetensemble-Koordinatensystem auf. Das Messobjekt weist das Targetensemble auf. Die Messvorrichtung umfasst mindestens sechs Lokalisierungseinheiten. Jede der Lokalisierungseinheiten ist eingerichtet, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und mindestens einen der Retroreflektoren mit dem Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten. Jeder der zur Bestimmung der Position und Orientierung herangezogenen Retroreflektoren ist von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten beleuchtet. Jede der Lokalisierungseinheiten ist eingerichtet, von dem von ihr beleuchteten Retroreflektor mindestens einen reflektierten Lichtstrahl zu empfangen und mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die Messvorrichtung umfasst mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Das Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts umfasst dabei die folgenden Schritte:
- i) Bestimmen mindestens einer Distanz von der jeweiligen Lokalisierungseinheit zu dem mindestens einen von dieser beleuchteten Retroreflektor aus dem Messsignal; und
- ii) Bestimmen einer 6D-Pose des Targetensembles in einem Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten unter Berücksichtigung der bekannten Koordinaten der Retroreflektoren im Targetensemble-Koordinatensystem und der in i) bestimmten Distanzen.
- i) determining at least one distance from the respective localization unit to the at least one retroreflector illuminated by it from the measurement signal; and
- ii) determining a 6D pose of the target ensemble in a coordinate system of the localization units, taking into account the known coordinates of the retroreflectors in the target ensemble coordinate system and the distances determined in i).
Unter einem „Messobjekt“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes, zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt ein Messkopf eines Sensors oder ein Werkzeug sein, mit welchem ein Bauteil abgetastet werden kann. Bei dem Messobjekt kann es sich insbesondere um einen Endeffektor eines Koordinatenmessgeräts oder einer Werkzeugmaschine handeln.Within the scope of the present invention, a “measurement object” can be understood as an object to be measured that is of any shape. For example, the measurement object can be a measuring head of a sensor or a tool with which a component can be scanned. The measurement object can in particular be an end effector of a coordinate measuring machine or a machine tool.
Unter einer „Messvorrichtung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, die mindestens eine räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Die Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung kann in einem Koordinatensystem erfolgen, beispielsweise einem kartesischen Koordinatensystem oder einem Kugelkoordinatensystem. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Die Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts kann in einem Koordinatensystem unter Verwendung oder Nutzung mindestens eines weiteren Koordinatensystems erfolgen, wie weiter unten noch näher beschrieben. Dabei können sich die genutzten oder verwendeten Koordinatensysteme beispielsweise in der Lage ihres Ursprungs, auch als Koordinatenursprung oder Nullpunkt bezeichnet, unterscheiden. Die Koordinatensysteme können ineinander überführbar sein, beispielsweise durch mindestens eine Transformation.In the context of the present invention, a “measuring device” can be understood to mean a device which is set up to determine the at least one spatial position and orientation of the measurement object. The spatial position and orientation can be determined in a coordinate system, for example a Cartesian coordinate system or a spherical coordinate system. Other coordinate systems are also conceivable. The determination of the spatial The position and orientation of the measurement object can take place in a coordinate system using at least one further coordinate system, as described in more detail below. The coordinate systems used can differ, for example, in the position of their origin, also referred to as the coordinate origin or zero point. The coordinate systems can be converted into one another, for example by at least one transformation.
Unter einer „räumlichen Position“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein dreidimensionaler Punkt (X, Y, Z) in einem Koordinatensystem verstanden werden, insbesondere eine Lage des Messobjekts. Die räumliche Position kann durch die Ortskoordinaten X, Y und Z definiert sein. Unter einer „Orientierung“ kann eine Lage im Raum, insbesondere eine Rotation, des Messobjekts verstanden werden, insbesondere eine Winkelposition. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Neigungswinkel sowie Rollwinkel und Gierwinkel. Die räumliche Position und Orientierung des Messobjektes kann zusammen auch als sechsdimensionale Information oder 6D-Information bezeichnet werden.A “spatial position” can be understood within the scope of the present invention as a three-dimensional point (X, Y, Z) in a coordinate system, in particular a position of the measurement object. The spatial position can be defined by the location coordinates X, Y and Z. An “orientation” can be understood as meaning a position in space, in particular a rotation, of the measurement object, in particular an angular position. The orientation can be specified by at least three angles, for example Euler angles or pitch angles and roll angles and yaw angles. The spatial position and orientation of the measurement object can also be referred to as six-dimensional information or 6D information.
Unter einem „Retroreflektor“, auch als Reflektor bezeichnet, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche einen Lichtstrahl in diejenige Richtung reflektiert aus der der Lichtstrahl eingetroffen ist. Beispielsweise kann der Retroreflektor ein Marker sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge; einem Katzenauge mit Reflektionsschicht; einem Marker beschrieben in
Unter einem „Target“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Retroreflektor verstanden werden, dessen Position bestimmt werden soll. Unter einem „Targetensemble“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Gesamtheit von der auf dem Messobjekt angeordneten Retroreflektoren verstanden werden. Das Targetensemble kann eine Mehrzahl von Retroreflektoren aufweisen, beispielsweise drei, vier, fünf, sechs und mehr Retroreflektoren. Auch Anwendungen sind denkbar, in welchen die Messvorrichtung eine Mehrzahl von Targetensembles aufweisen kann.In the context of the present invention, a “target” can be understood to mean a retroreflector whose position is to be determined. Within the scope of the present invention, a “target ensemble” can be understood to mean an entirety of the retroreflectors arranged on the measurement object. The target ensemble can have a plurality of retroreflectors, for example three, four, five, six or more retroreflectors. Applications are also conceivable in which the measuring device can have a plurality of target ensembles.
Die Retroreflektoren des Targetensembles weisen bekannte Koordinaten in einem Targetensemble-Koordinatensystem auf.The target ensemble retroreflectors have known coordinates in a target ensemble coordinate system.
Unter einem „Koordinatensystem“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein mathematisches System verstanden werden, welches geeignet ist, die Position eines Punktes im Raum mithilfe von Koordinaten eindeutig zu beschreiben. Unterschiedliche Koordinatensysteme sind denkbar. Beispielsweise kann es sich bei dem Koordinatensystem um ein kartesisches Koordinatensystem oder um ein Kugelkoordinatensystem handeln. Unter dem Begriff „Koordinate“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine numerische Angabe verstanden werden, welche eine Position eines Punktes in einem Raum zumindest teilweise, insbesondere bezüglich einer Achse des genutzten Koordinatensystems, beschreibt. Beispielsweise kann die Position in einem kartesischen Koordinatensystem durch die drei Koordinaten X, Y und Z eindeutig beschrieben sein, welche auch als Ortskoordinaten bezeichnet werden können. Unter einem „Targetensemble-Koordinatensystem“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Koordinatensystem verstanden werden, welches mindestens einen räumlichen Bezug, insbesondere mindestens einen vorgegebenen räumlichen Bezug, zur Position mindestens eines der Retroreflektoren des Targetensembles aufweist. Insbesondere kann der Ursprung des Targetensemble-Koordinatensystems in Bezug zur Position mindestens eines der Retroreflektoren des Targetensembles definiert sein. Beispielsweise kann der Ursprung des Targetensemble-Koordinatensystems in der Position eines der Retroreflektoren angeordnet sein. Weitere räumliche Bezüge insbesondere zu den Positionen der weiteren Retroreflektoren sind möglich und werden weiter unten beispielhaft erläutert.In the context of the present invention, a “coordinate system” can be understood to mean a mathematical system which is suitable for clearly describing the position of a point in space using coordinates. Different coordinate systems are conceivable. For example, the coordinate system can be a Cartesian coordinate system or a spherical coordinate system. Within the scope of the present invention, the term “coordinate” can be understood as a numerical specification that at least partially describes a position of a point in a space, in particular with respect to an axis of the coordinate system used. For example, the position in a Cartesian coordinate system can be clearly described by the three coordinates X, Y and Z, which can also be referred to as location coordinates. Within the scope of the present invention, a “target ensemble coordinate system” can be understood to mean a coordinate system which has at least one spatial reference, in particular at least one predetermined spatial reference, to the position of at least one of the retroreflectors of the target ensemble. In particular, the origin of the target ensemble coordinate system can be defined in relation to the position of at least one of the retroreflectors of the target ensemble. For example, the origin of the target ensemble coordinate system can be located at the position of one of the retroreflectors. Further spatial references, in particular to the positions of the further retroreflectors, are possible and are explained further below by way of example.
Die Messvorrichtung umfasst mindestens sechs Lokalisierungseinheiten und mindestens drei Retroreflektoren. Unter einer „Lokalisierungseinheit“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens eine Lokalisierungsinformation zu erzeugen. Die Lokalisierungsinformation kann ausgewählt sein aus mindestens einer Information aus der Gruppe bestehend aus: einem Messsignal in Abhängigkeit vom Ort des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors; einer Information über einen Abstand oder einer Entfernung des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors zu der Lokalisierungseinheit; einer Information über eine relative Lage des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors zu der Lokalisierungseinheit; und einer Information über eine Längenänderung. Die Lokalisierungseinheiten können eingerichtet sein zu einer inkrementelle interferometrischen Abstandsmessung. Die Lokalisierungseinheiten können eingerichtet sein zu einer absoluten Abstandsmessung. Unter „Abstand“, auch als Distanz oder Entfernung bezeichnet, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein relativer Abstand, beispielsweise eine relative Positionsänderung, oder ein Absolutabstand verstanden werden. Bei einem Einsatz inkrementell messender Interferometer, die per Definition nur Abstandsänderungen erfassen könnnen, kann in einem vorgelagertem Schritt die sogenannte „Totstrecke“ ermittelt werden und auf den Absolutabstand schließen zu können. Dieser Freiheitsgrad kann weiterer Bestandteil der Zielfunktion sein.The measuring device comprises at least six localization units and at least three retroreflectors. In the context of the present invention, a “localization unit” can basically be understood to mean any device that is set up to generate at least one item of localization information. The localization information can be selected from at least one piece of information from the group consisting of: a measurement signal depending on the location of the retroreflector illuminated by the localization unit; information about a distance or distance from the retroreflector illuminated by the localization unit to the localization unit; information about a position of the retroreflector illuminated by the localization unit relative to the localization unit; and information about a change in length. The localization units can be set up for an incremental interferometric distance measurement. The localization units can be set up for an absolute distance measurement. Within the scope of the present invention, “distance”, also referred to as distance or distance, can be understood to mean a relative distance, for example a relative change in position, or an absolute distance. When using incrementally measuring interferometers, which by definition can only detect changes in distance, the so-called "dead zone" can be determined in a preceding step and the absolute distance can be deduced. This degree of freedom can also be part of the target function.
Jede der Lokalisierungseinheiten kann eingerichtet sein, mindestens einen der Retroreflektoren mit dem Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten. Jeder der zur Bestimmung der Position und Orientierung herangezogenen Retroreflektoren ist von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten beleuchtet. Ein Retroreflektor kann von einer Mehrzahl von Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Die Beleuchtung der Retroreflektoren durch die Lokalisierungseinheiten kann wie in
Die Messvorrichtung weist mindestens drei Retroreflektoren und mindestens sechs Lokalisierungseinheiten auf. Eine Position der Lokalisierungseinheiten und eine Position der Retroreflektoren kann jeweils linear unabhängig voneinander sein. Eine Zuordnung, auch als „Mapping“, Konfiguration oder Beleuchtungsschema bezeichnet, welche angibt, welcher Retroreflektor von welcher Lokalisierungseinheit beleuchtet ist und/oder welche Lokalisierungseinheit welchen Retroreflektor beleuchtet, kann bekannt sein.The measuring device has at least three retroreflectors and at least six localization units. A position of the localization units and a position of the retroreflectors can each be linearly independent of one another. An association, also referred to as "mapping", configuration or lighting scheme, which indicates which retroreflector is illuminated by which localization unit and/or which localization unit illuminates which retroreflector, can be known.
In einer Ausführungsform kann die Messvorrichtung genau drei Retroreflektoren und sechs Lokalisierungseinheiten aufweisen. Einer, insbesondere ein erster, der Retroreflektoren kann von drei der Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Einer der beiden weiteren Retroreflektoren, insbesondere ein zweiter Retroreflektor kann von zwei der drei weiteren Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Der weitere Retroreflektor, insbesondere ein dritter Retroreflektor, kann von der einen, übrigen der sechs Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Eine solche Konfiguration kann auch als (drei-zwei-eins) abgekürzt oder bezeichnet werden.In one embodiment, the measuring device can have exactly three retroreflectors and six localization units. One, in particular a first, of the retroreflectors can be illuminated by three of the locating units. One of the two further retroreflectors, in particular a second retroreflector, can be illuminated by two of the three further localization units. The further retroreflector, in particular a third retroreflector, can be illuminated by the one remaining one of the six localization units. Such a configuration may also be abbreviated or referred to as (three-two-one).
In einer weiteren Ausführungsform kann die Messvorrichtung drei Retroreflektoren und sieben Lokalisierungseinheiten umfassen. Einer, insbesondere ein erster, der Retroreflektoren kann von drei der Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Einer der beiden weiteren Retroreflektoren, insbesondere ein zweiter Retroreflektor kann von zwei der vier weiteren Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Der weitere Retroreflektor, insbesondere ein dritter Retroreflektor, kann von den zwei übrigen der sieben Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Eine solche Konfiguration, kann auch als (drei-zwei-zwei) abgekürzt oder bezeichnet werden.In a further embodiment, the measuring device can comprise three retroreflectors and seven localization units. One, in particular a first, of the retroreflectors can be illuminated by three of the locating units. One of the two further retroreflectors, in particular a second retroreflector, can be illuminated by two of the four further localization units. The further retroreflector, in particular a third retroreflector, can be illuminated by the two remaining of the seven localization units. Such a configuration may also be abbreviated or referred to as (three-two-two).
In einer weiteren Ausführungsform kann die Messvorrichtung sieben Retroreflektoren und sieben Lokalisierungseinheiten umfassen. In dieser Ausführungsform kann jeder der sieben Retroreflektoren von genau einer der sieben Lokalisierungseinheiten beleuchtet sein. Umgekehrt kann in dieser Ausführungsform jede der sieben Lokalisierungseinheiten genau einen der sieben Retroreflektoren beleuchten. Eine solche Konfiguration, kann auch als (eins-eins-eins-eins-eins-eins-eins) abgekürzt oder bezeichnet werden.In a further embodiment, the measuring device can comprise seven retroreflectors and seven localization units. In this embodiment, each of the seven retroreflectors can be illuminated by exactly one of the seven localization units. Conversely, in this embodiment, each of the seven localization units can illuminate exactly one of the seven retroreflectors. Such a configuration may also be abbreviated or referred to as (one-one-one-one-one-one-one).
Die Messvorrichtung kann eine Steuereinheit aufweisen. Unter einer „Steuereinheit“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens ein Bauteil oder einen Prozess zu steuern oder zu regeln. Beispielsweise kann die Steuereinheit mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Steuereinheit kann insbesondere als zentrale Steuereinheit für die gesamte Messvorrichtung ausgestaltet sein. Alternativ ist jedoch auch eine dezentrale Steuereinheit mit mehreren einzelnen, miteinander kooperierenden Bestandteilen möglich. Die Steuereinheit kann weiterhin mindestens eine Benutzerschnittstelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Tastatur und/oder mindestens ein Display. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Lokalisierungseinheiten relativ zu den Retroreflektoren auszurichten.The measuring device can have a control unit. In the context of the present invention, a “control unit” can basically be understood to mean a device that is set up to control or regulate at least one component or one process. For example, the control unit can have at least one data processing device, for example at least one computer or microcontroller. The control unit can be designed in particular as a central control unit for the entire measuring device. Alternatively, however, a decentralized control unit with a plurality of individual components that cooperate with one another is also possible. The control unit can also have at least one user interface, for example at least one keyboard and/or at least one display. The control unit can be set up to align the localization units relative to the retroreflectors.
Jede der Lokalisierungseinheiten ist eingerichtet, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und mindestens einen der Retroreflektoren mit dem Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten. Unter einem „Beleuchtungslichtstrahl“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Lichtstrahl verstanden werden, welcher emittiert und/oder ausgesandt wird, um den Retroreflektor zu beleuchten. Insbesondere kann es sich bei dem Beleuchtungslichtstrahl um einen von einer der Lokalisierungseinheiten zur Beleuchtung eines der Retroreflektoren erzeugten Lichtstrahlen handeln. Die Lokalisierungseinheiten können jeweils mindestens eine Beleuchtungseinheit aufweisen. Die Beleuchtungseinheit kann eine Lichtquelle aufweisen, insbesondere eine Laserquelle. Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm to 380 nm. Unter einem „Lichtstrahl“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird.Each of the localization units is set up to generate at least one illuminating light beam and to illuminate at least one of the retroreflectors with the illuminating light beam. In the context of the present invention, an “illuminating light beam” can basically be understood to mean any light beam that is emitted and/or sent out in order to illuminate the retroreflector. In particular, the illuminating light beam can be a light beam generated by one of the localization units for illuminating one of the retroreflectors. The localization units can each have at least one lighting unit. The lighting unit can have a light source have, in particular a laser source. In the context of the present invention, “light” can be understood to mean electromagnetic radiation in at least one spectral range selected from the visible spectral range, the ultraviolet spectral range and the infrared spectral range. The term visible spectral range basically covers a range from 380 nm to 780 nm. The term infrared (IR) spectral range basically covers a range from 780 nm to 1000 µm, with the range from 780 nm to 1.4 µm being referred to as near infrared (NIR), and the range from 15 µm to 1000 µm is called far infrared (FIR). The term ultraviolet basically includes a spectral range from 100 nm to 380 nm. Within the scope of the present invention, a “ray of light” can basically be understood to mean a quantity of light which is emitted and/or transmitted in a specific direction.
Jede der Lokalisierungseinheiten kann mindestens ein Element umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, einem FMCW-LIDAR-Sensor.Each of the localization units may comprise at least one element selected from the group consisting of: a laser tracker; a LIDAR sensor, an FMCW LIDAR sensor.
Unter einem „Lasertracer“, auch als „Lasertracker“ bezeichnet, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Tracking-Interferometer verstanden werden. Unter einem „Tracking-Interferometer“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Interferometer verstanden werden, welches eingerichtet ist, eine Position eines Retroreflektors zu verschiedenen Zeitpunkten nachzuverfolgen. Der Lasertracer kann eingerichtet sein, einen sich im Raum bewegenden Retroreflektor mittels eines Laserstrahls zu folgen, insbesondere um räumliche Koordinaten des sich bewegenden Retroreflektors und/oder eines mit dem Retroreflektor verbundenen Messobjekts zu bestimmen.In the context of the present invention, a “laser tracer”, also referred to as “laser tracker”, can in principle be understood to mean any desired tracking interferometer. In the context of the present invention, a “tracking interferometer” can be understood to mean an interferometer that is set up to track a position of a retroreflector at different points in time. The laser tracer can be set up to follow a retroreflector moving in space by means of a laser beam, in particular in order to determine spatial coordinates of the moving retroreflector and/or of a measurement object connected to the retroreflector.
Unter einem „LIDAR-Sensor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche auf dem LIDAR („light detection and ranging“)-Messprinzip, auch LADAR (laser detection and ranging) genannt, basiert. Insbesondere kann der LIDAR-Sensor eingerichtet sein, einen Lichtstrahl, beispielsweise einen Laserstrahl, zu erzeugen und zu empfangen, insbesondere den zuvor von ihr ausgesendeten und zu ihr zurückreflektierte Lichtstrahl, und daraus einen Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und dem Retroreflektor zu bestimmen, beispielsweise unter Ausnutzung von Unterschieden in den Rücklaufzeiten und Wellenlängen. Bevorzugt kann die Lokalisierungseinheit einen FMCW-LIDAR-Sensor aufweisen. Hierbei steht „FMCW“ als Abkürzung für den englischen Ausdruck „Frequency Modulated Continuous Wave“. Der FMCW-LIDAR-Sensor kann eingerichtet sein, den Lichtstrahl zu erzeugen, dessen Frequenz nach dem FMCW-Verfahren kontinuierlich durchgestimmt wird. Beispielsweise kann die Frequenz des Lichtstrahls linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von LIDAR-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chipscale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die LIDAR-Einheit wie in
Jede der Lokalisierungseinheiten ist jeweils eingerichtet, mindestens einen reflektierten Lichtstrahl von dem von ihr beleuchteten Retroreflektor zu empfangen und mindestens ein Messsignal in Antwort auf den reflektierten Lichtstrahl zu erzeugen. Unter einem „Messsignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges, insbesondere ein elektrisches, Signal verstanden werden, beispielsweise eine Spannung oder ein Strom, welches gemäß dem reflektierten, empfangenen Lichtstrahl oder unter Verwendung des reflektierten, empfangenen Lichtstrahls erzeugt wurde.Each of the localization units is set up to receive at least one reflected light beam from the retroreflector it illuminates and to generate at least one measurement signal in response to the reflected light beam. In the context of the present invention, a “measurement signal” can basically be understood to mean any, in particular an electrical, signal, for example a voltage or a current, which was generated according to the reflected, received light beam or using the reflected, received light beam.
Die Messvorrichtung weist weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit auf. Unter einer „Auswerteeinheit“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen oder mehrere Auswerteschritte durchzuführen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Auswerteeinheit kann insbesondere als zentrale Auswerteeinheit für die gesamte Messvorrichtung ausgestaltet sein. Alternativ ist jedoch auch eine dezentrale Auswerteeinheit mit mehreren einzelnen, miteinander kooperierenden Bestandteilen möglich. Die Auswerteeinheit kann Teil der Lokalisierungseinheiten sein oder eine weitere Vorrichtung. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Benutzerschnittstelle aufweisen, beispielsweise mindestens eine Tastatur und/oder mindestens ein Display.The measuring device also has at least one evaluation unit. Within the scope of the present invention, an “evaluation unit” can be understood to mean a device which is set up to carry out one or more evaluation steps. For example, the evaluation unit can have at least one data processing device, for example at least one computer or microcontroller. The evaluation unit can be designed in particular as a central evaluation unit for the entire measuring device. Alternatively, however, a decentralized evaluation unit with a number of individual components that cooperate with one another is also possible. The evaluation unit can be part of the localization units or another device. The evaluation unit can also have at least one user interface, for example at least one keyboard and/or at least one display.
Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die Messsignale der Lokalisierungseinheiten zu verarbeiten. Das Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts durch die Auswerteeinheit umfasst das Bestimmen mindestens einer Distanz, insbesondere eines Abstands, von der jeweiligen Lokalisierungseinheit zu dem mindestens einen von dieser beleuchteten Retroreflektor aus dem Messsignal. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein aus dem Messsignal des LIDAR-Sensors einen Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und dem Retroreflektor zu bestimmen, beispielsweise durch Auswerten von Unterschieden in Rücklaufzeiten und Wellenlängen. Derartige Verfahren zur Bestimmung von einer Distanz oder Distanzänderung aus Messsignalen der Lokalisierungseinheiten sind dem Fachmann bekannt.The evaluation unit is set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units. The evaluation unit can be set up to process the measurement signals from the localization units. Determining the spatial position and orientation of the measurement object by the evaluation unit includes determining at least one distance, in particular a distance, from the respective localization unit to the at least one retroreflector illuminated by it from the measurement signal. For example, the evaluation unit can be set up to determine a distance between the LIDAR sensor and the retroreflector from the measurement signal of the LIDAR sensor, for example by evaluating differences in return times and wavelengths. Methods of this type for determining a distance or a change in distance from measurement signals from the localization units are known to those skilled in the art.
Das Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts umfasst weiter ein Bestimmen einer 6D-Pose des Targetensembles in einem Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten unter Berücksichtigung der bekannten Koordinaten der Retroreflektoren im Targetensemble-Koordinatensystem und der in i) bestimmten Distanzen. Insbesondere kann das Bestimmen einer 6D-Pose des Targetensembles in dem Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten unter Berücksichtigung der bekannten Koordinaten der Retroreflektoren im Targetensemble-Koordinatensystem, der bekannten Koordinaten der Lokalisierungseinheiten im Lokalisierungskoordinatensystem und der in i) bestimmten Distanzen erfolgen. Unter einer „6D-Pose des Targetensembles“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine sechsdimensionale Information verstanden werden, welche die räumliche Position und Orientierung des Targetensembles, definiert. Wie oben ausgeführt weist das Messobjekt das Targetensemble auf, so dass die 6D-Pose des Targetensembles der 6D-Pose des Messobjekts, und insbesondere der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts, entsprechen kann oder die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts aus der 6D-Pose des Targetensembles bestimmbar sein kann.Determining the spatial position and orientation of the measurement object also includes determining a 6D pose of the target ensemble in a coordinate system of the localization units, taking into account the known coordinates of the retroreflectors in the target ensemble coordinate system and the distances determined in i). In particular, a 6D pose of the target ensemble can be determined in the coordinate system of the localization units, taking into account the known coordinates of the retroreflectors in the target ensemble coordinate system, the known coordinates of the localization units in the localization coordinate system and the distances determined in i). Within the scope of the present invention, a “6D pose of the target ensemble” can be understood to mean six-dimensional information which defines the spatial position and orientation of the target ensemble. As stated above, the measurement object has the target ensemble, so that the 6D pose of the target ensemble can correspond to the 6D pose of the measurement object, and in particular to the spatial position and orientation of the measurement object, or the spatial position and orientation of the measurement object from the 6D pose of the target ensemble can be determined.
Zur Ermittlung der 6D-Position des Messobjekts kann das Targetensemble, das vermessen werden soll, in einem eigenen Koordinatensystem beschrieben werden, dem Targetensemble-Koordinatensystem. Die Koordinaten der Retroreflektoren in dem Targetensemble-Koordinatensystem können vorbekannt und/oder vorbestimmt sein. Beispielsweise können die Koordinaten der Retroreflektoren in dem Targetensemble-Koordinatensystem bestimmt werden, beispielsweise in einem vorgelagerten Schritt, und können für die Bestimmung der Pose als unveränderlich und richtig angenommen werden. Beispielsweise können die Koordinaten der Retroreflektoren in dem Targetensemble-Koordinatensystem in einem Datenspeicher der Auswerteeinheit hinterlegt sein, beispielsweise in Form einer Lookup-Tabelle.To determine the 6D position of the measurement object, the target ensemble to be measured can be described in its own coordinate system, the target ensemble coordinate system. The coordinates of the retroreflectors in the target ensemble coordinate system may be previously known and/or predetermined. For example, the coordinates of the retroreflectors in the target ensemble coordinate system can be determined, e.g. in a previous step, and can be assumed to be fixed and correct for the determination of the pose. For example, the coordinates of the retroreflectors in the target ensemble coordinate system can be stored in a data memory of the evaluation unit, for example in the form of a lookup table.
Das Targetensemble-Koordinatensystem kann ein kartesisches Koordinatensystem sein. Beispielsweise kann in dem Targetensemble-Koordinatensystem einer der Retroreflektoren, insbesondere ein erster Retroreflektor, in einem Ursprung des kartesischen Koordinatensystems angeordnet sein. Einer der weiteren Retroreflektoren, insbesondere ein zweiter Retroreflektor, kann auf einer der Achsen des kartesischen Koordinatensystems angeordnet sein. Beispielsweise kann der zweite Retroreflektor auf der X-Achse liegen. Ein weiterer Retroreflektor, insbesondere ein dritter Retroreflektor, kann in einer Ebene angeordnet sein, welche durch die vorgenannte Achse und eine weitere Achse des kartesischen Koordinatensystems aufgespannt wird, beispielswiese in der XY-Ebene. Das Targetensemble-Koordinatensystem kann alternativ oder zusätzlich auch durch Permutationen definiert werden: beispielsweise kann der zweite Reflektor auf der Y- oder Z-Achse und der dritte Reflektor dann in YZ oder XZ angeordnet sein. Durch eine derartige Ausrichtung des Targetensemble-Koordinatensystems bezüglich drei der mindestens drei Retroreflektoren kann das Targetensemble-Koordinatensystem eindeutig beschrieben und/oder definiert sein. Falls mehr als drei Retroreflektoren vorgesehen sind, können die weiteren Retroreflektoren in dem Targetensemble-Koordinatensystem beschrieben werden. Erfindungsgemäß wird das Targetensemble somit nicht über Abstände der Targets zueinander beschrieben, sondern diese werden in einem eigenen, vorzugsweise kartesischen, Koordinatensystem beschrieben.The target ensemble coordinate system can be a Cartesian coordinate system. For example, one of the retroreflectors, in particular a first retroreflector, can be arranged in an origin of the Cartesian coordinate system in the target ensemble coordinate system. One of the further retroreflectors, in particular a second retroreflector, can be arranged on one of the axes of the Cartesian coordinate system. For example, the second retroreflector can be on the X-axis. A further retroreflector, in particular a third retroreflector, can be arranged in a plane which is spanned by the aforementioned axis and another axis of the Cartesian coordinate system, for example in the XY plane. Alternatively or additionally, the target ensemble coordinate system can also be defined by permutations: for example, the second reflector can be arranged on the Y or Z axis and the third reflector can then be arranged in YZ or XZ. The target ensemble coordinate system can be unambiguously described and/or defined by such an alignment of the target ensemble coordinate system with respect to three of the at least three retroreflectors. If more than three retroreflectors are provided, the additional retroreflectors can be described in the target ensemble coordinate system. According to the invention, the target ensemble is thus not described by the distances between the targets, but these are described in a separate, preferably Cartesian, coordinate system.
Beispielsweise kann das Targetensemble-Koordinatensystems folgendermaßen gewählt werden. Beispielsweise kann der erste Retroreflektor im Ursprung des Targetensemble-Koordinatensystems angeordnet sein. Dementsprechend können die Koordinaten des ersten Retroreflektors in dem Targetensemble-Koordinatensystem R1 = [0|0|0] sein. Der zweite Retroreflektor kann auf der X-Achse des Targetensemble-Koordinatensystems angeordnet sein. Die Koordinaten des zweiten Retroreflektors können in dem Targetensemble-Koordinatensystem R2 = [x2|0|0] sein. Die X-Koordinate x2 kann ungleich 0 sein. Die X-Koordinate kann x2 > 0 oder x2 < 0 sein. Der dritte Retroreflektor kann in der XY-Ebene angeordnet sein. Die Koordinaten des dritten Retroreflektors können in dem Targetensemble-Koordinatensystem R3 = [x3|y3|0] sein. Die X-Koordinate x3 und die Y-Koordinate y3 können ungleich 0 sein. Die Y-Koordinate kann y3 > 0 oder y3 < 0. Die X3-Koordinate kann x3 !=0 sein; dass Vorzeichen von x3 hängt durch Vorzeichen von x2 ab. Koordinaten von weiteren Retroreflektoren, beispielsweise eines vierten bis n-ten Retroreflektors, des Targetensembles können im Targetensemble-Koordinatensystem als R4 = [x4|y4|z4]... Rn = [xn|yn|zn] angegeben werden. Auch eine andere Ausrichtung, Wahl oder Positionierung des Targetensemble-Koordinatensystems ist möglich. Bei einem Einsatz von drei Retroreflektoren ergeben sich 3 Positionsinformationen der Retroreflektoren zueinander, wobei diese in Form von kartesischen Koordinaten vorliegen. Jeder weitere einzusetzende Retroreflektor kann dementsprechend einfach in diesem Koordinatensystem angegeben werden.For example, the target ensemble coordinate system can be chosen as follows. For example, the first retroreflector can be located at the origin of the target ensemble coordinate system. Accordingly, the coordinates of the first retroreflector in the target ensemble coordinate system may be R 1 = [0|0|0]. The second retroreflector may be located on the X-axis of the target ensemble coordinate system. The coordinates of the second retroreflector may be R 2 = [x 2 |0|0] in the target ensemble coordinate system. The X coordinate x 2 cannot be equal to 0. The X coordinate can be x 2 > 0 or x 2 < 0. The third retroreflector can be arranged in the XY plane. The coordinates of the third retroreflector may be R 3 = [x 3 |y 3 |0] in the target ensemble coordinate system. The X coordinate x 3 and the Y coordinate y 3 can be non-zero. The Y coordinate can be y 3 > 0 or y 3 < 0. The X 3 coordinate can be x3 !=0; the sign of x 3 depends on the sign of x 2 . Coordinates of further retroreflectors, for example a fourth to nth retroreflector, of the target ensemble can be defined in the target ensemble coordinate system as R 4 = [x 4 |y 4 |z 4 ]... R n = [x n |y n |z n ] are specified. A different orientation, choice or positioning of the target ensemble coordinate system is also possible. If three retroreflectors are used, 3 items of position information of the retroreflectors result nander, these being in the form of Cartesian coordinates. Each additional retroreflector to be used can be specified accordingly in this coordinate system.
Es wird darauf verwiesen, dass sowohl in diesem als auch in den folgenden Beispielen die Ordnungszahlen der Retroreflektoren oder auch, in nachfolgenden Beispielen, der Lokalisierungseinheiten als Bezeichnungen zur Unterscheidung verwendet werden. Dementsprechend können die Retroreflektoren untereinander austauschbar oder vertauschbar sein. Auch die Lokalisierungseinheiten in nachfolgenden Beispielen können untereinander austauschbar oder vertauschbar sein. Bezogen auf das obige Beispiel kann beispielsweise anstelle des ersten Retroreflektors der zweite Retroreflektor oder der dritte Retroreflektor im Ursprung des Targetensemble-Koordinatensystems angeordnet sein. Weitere Vertauschungen sind möglich.It is pointed out that both in this example and in the following examples, the ordinal numbers of the retroreflectors or also, in the following examples, of the localization units are used as designations for differentiation. Accordingly, the retroreflectors may be interchangeable or interchangeable. The localization units in the following examples can also be interchangeable or interchangeable. Based on the above example, the second retroreflector or the third retroreflector can be arranged at the origin of the target ensemble coordinate system, for example, instead of the first retroreflector. Other swaps are possible.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts nach dem folgendem Multilaterationsverfahren zu bestimmen. Unter einem „Multilaterationsverfahren“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position mindestens eines Punktes verstanden werden, wobei das Verfahren auf der Verwendung von Abständen des Punktes zu einer Mehrzahl von weiteren Punkten beruht. Die Abstände können durch Distanzbestimmung in Schritt i) bestimmt werden. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts ein lineares Gleichungssystem zu lösen. Zielfunktion für die Lösung des linearen Gleichungssystems ist nicht die XYZ-Position der einzelnen Targets, sondern die 6D-Pose des Targetensemble-Koordinatensystems im Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten. Die Unbekannte, welche die 6D-Pose im Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten definiert, kann durch eine Transformationsmatrix „T“ beschrieben werden. Die Transformationsmatrix kann das Targetensemble-Koordinatensystem in das Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten transformieren. Eine solche Transformationsmatrix kann die Informationen über die translatorische und rotatorische Position umfassen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, zum Bestimmen der 6D-Pose des Targetensembles in dem Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten die Transformationsmatrix zu bestimmen.The evaluation unit can be set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object using the following multilateration method. In the context of the present invention, a “multilateration method” can basically be understood as any method for determining the spatial position of at least one point, the method being based on the use of distances between the point and a plurality of other points. The distances can be determined by determining the distance in step i). The evaluation unit can be set up to solve a linear system of equations to determine the spatial position and orientation of the measurement object. The target function for solving the system of linear equations is not the XYZ position of the individual targets, but the 6D pose of the target ensemble coordinate system in the coordinate system of the localization units. The unknown that defines the 6D pose in the coordinate system of the localization units can be described by a transformation matrix "T". The transformation matrix can transform the target ensemble coordinate system into the coordinate system of the localization units. Such a transformation matrix can include the information about the translational and rotational position. The evaluation unit can be set up to determine the transformation matrix for determining the 6D pose of the target ensemble in the coordinate system of the localization units.
Unter einem „Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Koordinatensystem verstanden werden, welches mindestens einen räumlichen Bezug, insbesondere mindestens einen vorgegebenen räumlichen Bezug, zur Position mindestens einer der Lokalisierungseinheiten aufweist. Insbesondere kann der Ursprung des Koordinatensystems der Lokalisierungseinheiten in Bezug zur Position mindestens einer der Lokalisierungseinheiten definiert sein. Beispielsweise kann der Ursprung des Koordinatensystems der Lokalisierungseinheiten in der Position einer der Lokalisierungseinheiten angeordnet sein. Das Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten kann ein kartesisches Koordinatensystem sein. Koordinaten der Lokalisierungseinheiten im Lokalisierungskoordinatensystem können bekannt, insbesondere vorbekannt sein. Beispielsweise kann in dem Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten näher beschreiben die notwendigerweise bekannte Position der Lokalisierungseinheiten eine der Lokalisierungseinheiten, beispielsweise eine erste Lokalisierungseinheit in einem Ursprung des kartesischen Koordinatensystems angeordnet sein. Eine der weiteren Lokalisierungseinheiten, insbesondere eine zweite Lokalisierungseinheit, kann auf einer der Achsen des kartesischen Koordinatensystems angeordnet sein, beispielsweise einer positiven X-Achse des Koordinatensystems der Lokalisierungseinheiten. Eine weitere Lokalisierungseinheit, insbesondere eine dritte Lokalisierungseinheit, kann in einer Ebene angeordnet sein, welche durch die vorgenannte Achse und eine weitere Achse des kartesischen Koordinatensystems aufgespannt wird, beispielswiese in der XY-Ebene. Sämtliche denkbaren Permutationen sind möglich. Sind mehr als drei Lokalisierungseinheiten vorgesehen, so können die weiteren Lokalisierungseinheiten in dem Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten eindeutig beschrieben werden. Die Koordinaten der Lokalisierungseinheiten im Lokalisierungskoordinatensystem können in einem vorgelagerter Einmessvorgang, in welchem die Position der Lokalisierungseinheiten ermittelt werden, bestimmt werden.In the context of the present invention, a “coordinate system of the localization units” can be understood to mean a coordinate system which has at least one spatial reference, in particular at least one predefined spatial reference, to the position of at least one of the localization units. In particular, the origin of the coordinate system of the localization units can be defined in relation to the position of at least one of the localization units. For example, the origin of the coordinate system of the localization units can be arranged in the position of one of the localization units. The coordinate system of the localization units can be a Cartesian coordinate system. Coordinates of the localization units in the localization coordinate system can be known, in particular previously known. For example, the necessarily known position of the localization units can be described in more detail in the coordinate system of the localization units. One of the localization units, for example a first localization unit, can be arranged in an origin of the Cartesian coordinate system. One of the further localization units, in particular a second localization unit, can be arranged on one of the axes of the Cartesian coordinate system, for example a positive X-axis of the coordinate system of the localization units. A further localization unit, in particular a third localization unit, can be arranged in a plane which is spanned by the aforementioned axis and another axis of the Cartesian coordinate system, for example in the XY plane. All conceivable permutations are possible. If more than three localization units are provided, then the further localization units can be clearly described in the coordinate system of the localization units. The coordinates of the localization units in the localization coordinate system can be determined in an upstream calibration process, in which the position of the localization units is determined.
Unter einer „Transformationsmatrix“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Matrix verstanden werden, mittels derer eine Koordinatentransformation durchgeführt werden kann. Die Transformationsmatrix kann Zeilen und Spalten aufweisen. So kann beispielsweise eine Transformationsmatrix m Zeilen, n Spalten und m×n Einträge umfassen. Die Transformationsmatrix T kann beispielsweise eine 4×4-Matrix sein, also eine Matrix mit vier Zeilen und vier Spalten. Beispielsweise können mittels der Transformationsmatrix aus den Koordinaten eines Punktes in dem Targetensemble-Koordinatensystem die Koordinaten desselben Punktes in dem Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten bestimmt oder berechnet werden. Die Transformation kann eine Translation, also eine Verschiebung des Koordinatensystems, und/oder eine Rotation, also eine Verdrehung des Koordinatensystems, umfassen. Die Transformationsmatrix kann beispielsweise folgendermaßen aufgebaut sein:
Hierbei ist D eine Drehmatrix, auch Rotationsmatrix genannt, für die gilt:
Hierbei beschreibt Dz eine Drehung um die Z-Achse um den Winkel γ, Dy beschreibt eine Drehung um die Y-Achse um den Winkel β und Dx beschreibt eine Drehung um die X-Achse um den Winkel α. Ferner beschreibt txyz eine Translation, es gilt:
Die Zielfunktion zum Ermitteln der Parameter der Transformationsmatrix T kann beschrieben werden als „die gemessene Distanz li,m der i-ten Lokalisierungseinheit zu seinem anvisierten Retroreflektor R an der m-ten Messposition entspricht der Distanz der, mit der Transformationsmatrix T multiplizierten, Position des von der i-ten Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors PR,map(i) im Targetensemble-Koordinatensystems zu der Position der i-ten Lokalisierungseinheit PT,i im Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten“:
Das Ermitteln der Parameter der Transformationsmatrix T kann iterativ erfolgen. Dazu kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, ein Optimierungsproblem zu lösen. Das Lösen des Optimierungsproblems kann ein Minimieren einer Fehlerfunktion F umfassen mit
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Werkstücks vorgeschlagen. Das Koordinatenmessgerät umfasst mindestens eine Messvorrichtung gemäß einer der weiter oben beschriebenen oder gemäß einer der weiter unten noch ausgeführten Ausführungsformen. Weiterhin weist das Koordinatenmessgerät mindestens ein Messobjekt auf, welches eingerichtet ist, das Werkstück zu abzutasten.In a further aspect of the present invention, a coordinate measuring machine for measuring at least one workpiece is proposed. The coordinate measuring machine comprises at least one measuring device according to one of the embodiments described above or according to one of the embodiments explained further below. Furthermore, the coordinate measuring machine has at least one measurement object, which is set up to scan the workpiece.
Unter einem „Koordinatenmessgerät“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, zumindest eine Raumkoordinate eines Objekts, beispielsweise eine X-, Y- oder Z-Koordinate eines kartesischen Koordinatensystems oder eine Kugelkoordinate eines Kugelkoordinatensystems, zu erfassen oder zu bestimmen. Unter einer „Vermessung“ eines Objekts kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Bestimmen, das Ableiten und/oder das Registrieren mindestens einer Eigenschaft des Objekts verstanden werden. Insbesondere kann es sich bei der Eigenschaft um einen Abstand des Objekts von dem Messobjekt und/oder um eine Position, eine Lage oder eine Stellung des Objekts im Raum oder relativ zu dem Messobjekt handeln. Weiter kann es sich bei der Eigenschaft auch um eine Beschaffenheit, beispielsweise eine Oberflächenbeschaffenheit handeln. Unter einem „Werkstück“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Objekt verstanden werden, dessen Vermessung beispielsweise im Rahmen eines Arbeitsprozesses, insbesondere zur Ausrichtung des Objekts, erforderlich oder erwünscht ist. Unter einem „Abtasten“ des Werkstücks kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein In-Wechselwirkung-Treten des Messobjekts mit dem Werkstück verstanden werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein taktiles oder ein optisches Abtasten handeln.In the context of the present invention, a “coordinate measuring machine” can basically be understood to mean any device that is set up to record at least one spatial coordinate of an object, for example an X, Y or Z coordinate of a Cartesian coordinate system or a spherical coordinate of a spherical coordinate system or to determine. Within the scope of the present invention, a “measurement” of an object can be understood to mean the determination, the derivation and/or the registration of at least one property of the object. In particular, the property can be a distance of the object from the measurement object and/or a position, location or position of the object in space or relative to the measurement object. The property can also be a texture, for example a surface texture. In the context of the present invention, a “workpiece” can in principle be understood as any object whose measurement is required or desired, for example, as part of a work process, in particular for aligning the object. Within the scope of the present invention, “scanning” of the workpiece can in principle be understood to mean that the measurement object interacts with the workpiece. This can be, for example, a tactile or an optical scanning.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts mit einer Messvorrichtung gemäß einer der weiter oben beschriebenen oder gemäß einer der weiter unten noch ausgeführten Ausführungsformen vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts, wobei das Messobjekt das Targetensemble aufweist, wobei das Targetensemble die Retroreflektoren aufweist, wobei die Retroreflektoren des Targetensembles bekannte Koordinaten in einem Targetensemble-Koordinatensystem aufweisen;
- b) Erzeugen des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls mit jeder der Lokalisierungseinheiten und Beleuchten der Retroreflektoren mit den Beleuchtungslichtstrahlen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen der Retroreflektoren beleuchtet, wobei jeder der zur Bestimmung der Position und Orientierung herangezogenen Retroreflektoren von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten beleuchtet wird;
- c) Empfangen jeweils mindestens eines der von den Retroreflektoren reflektierten Lichtstrahlen und Erzeugen mindestens eines Messsignals mit jeder der Lokalisierungseinheiten, wobei jede der Lokalisierungseinheiten den reflektierten Lichtstrahl des von ihr beleuchteten Retroreflektors empfängt;
- d) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten mit der mindestens einen Auswerteeinheit, wobei das Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts die folgenden Schritte umfasst:
- A) Bestimmen der Distanz von der jeweiligen Lokalisierungseinheit zu dem mindestens einen von dieser beleuchteten Retroreflektor aus dem Messsignal; und
- B) Bestimmen der 6D-Pose des Targetensembles in dem Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten unter Berücksichtigung der bekannten Koordinaten der Retroreflektoren in dem Targetensemble-Koordinatensystem, insbesondere der bekannten Koordinaten der Lokalisierungseinheiten im Lokalisierungskoordinatensystem, und der in A) bestimmten Distanzen.
- a) providing the at least one measurement object, the measurement object having the target ensemble, the target ensemble having the retroreflectors, the retroreflectors of the target ensemble having known coordinates in a target ensemble coordinate system;
- b) generating the at least one illumination light beam with each of the localization units and illuminating the retroreflectors with the illumination light beams, each of the localization units illuminating at least one of the retroreflectors, each of the retroreflectors used to determine the position and orientation being illuminated by at least one of the localization units;
- c) receiving in each case at least one of the light beams reflected by the retroreflectors and generating at least one measurement signal with each of the localization units, each of the localization units receiving the reflected light beam of the retroreflector illuminated by it;
- d) Determining the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units with the at least one evaluation unit, the determination of the spatial position and orientation of the measurement object comprising the following steps:
- A) determining the distance from the respective localization unit to the at least one retroreflector illuminated by it from the measurement signal; and
- B) Determining the 6D pose of the target ensemble in the coordinate system of the localization units considering the known coordinates of the retroreflectors in the target ensemble coordinate system, in particular the known coordinates of the localization units in the localization coordinate system, and the distances determined in A).
Hinsichtlich Ausführungsformen und Definitionen kann auf obige Beschreibung der Messvorrichtung und des Koordinatenmessgeräts verwiesen werden. Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie hier erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.With regard to embodiments and definitions, reference can be made to the above description of the measuring device and the coordinate measuring machine. The method steps can be carried out in the order given, with one or more of the steps being able to be carried out at least partially simultaneously and with one or more of the steps being able to be repeated several times. In addition, other steps, whether or not mentioned here, can additionally be performed.
Beispielsweise kann dem Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts in Schritt d) ein Bestimmen der Koordinaten der Retroreflektoren in dem Targetensemble-Koordinatensystem vorausgehen.For example, the determination of the spatial position and orientation of the measurement object in step d) can be preceded by a determination of the coordinates of the retroreflectors in the target ensemble coordinate system.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk zumindest Schritt d) des Verfahrens zur Vermessung des Messobjekts in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.Furthermore, within the scope of the present invention, a computer program is proposed which, when run on a computer or computer network, executes at least step d) of the method for measuring the measurement object in one of its configurations.
Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um mindestens Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein.Furthermore, within the scope of the present invention, a computer program with program code means is proposed in order to carry out at least step d) of the method according to the invention in one of its configurations when the program is run on a computer or computer network. In particular, the program code means can be stored on a computer-readable data carrier.
Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger und/oder einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.In particular, the program code means can be stored on a computer-readable data carrier and/or a computer-readable storage medium.
Der Begriffe „computerlesbarer Datenträger“ und „computerlesbares Speichermedium“, wie sie hier verwendet werden, können sich insbesondere auf nicht-transitorische Datenspeicher beziehen, beispielsweise ein Hardware-Datenspeichermedium, auf welchem computer-ausführbare Instruktionen gespeichert sind. Der computerlesbare Datenträger oder das computerlesbare Speichermedium können insbesondere ein Speichermedium wie ein Random-Access Memory (RAM) und/oder ein Read-Only Memory (ROM) sein oder umfassen.As used herein, the terms "computer-readable data carrier" and "computer-readable storage medium" may refer in particular to non-transitory data storage, for example a hardware data storage medium on which computer-executable instructions are stored. The computer-readable data carrier or the computer-readable storage medium can in particular be or include a storage medium such as a random access memory (RAM) and/or a read-only memory (ROM).
Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.In addition, within the scope of the present invention, a data carrier is proposed on which a data structure is stored which, after loading into a working and/or main memory of a computer ters or computer network can execute the method according to the invention in one of its configurations.
Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.A computer program product with program code means stored on a machine-readable carrier is also proposed within the scope of the present invention in order to carry out the method according to the invention in one of its configurations when the program is executed on a computer or computer network.
Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.A computer program product is understood as the program as a tradable product. In principle, it can be in any form, for example on paper or on a computer-readable data medium, and can be distributed in particular via a data transmission network.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.Finally, within the scope of the present invention, a modulated data signal is proposed, which contains instructions that can be executed by a computer system or computer network for executing a method according to one of the described embodiments.
Im Hinblick auf die computer-implementierten Aspekte der Erfindung können einer, mehrere oder sogar alle Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß einer oder mehreren der hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Somit können, allgemein, jegliche der Verfahrensschritte, einschließlich der Bereitstellung und/oder Manipulation von Daten mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Allgemein können diese Schritte jegliche der Verfahrensschritte umfassen, ausgenommen der Schritte, welche manuelle Arbeit erfordern, beispielsweise das Bereitstellen des Messobjekts und/oder bestimmte Aspekte der Durchführung tatsächlicher Messungen.With regard to the computer-implemented aspects of the invention, one, several or even all method steps of the method according to one or more of the configurations proposed here can be carried out by means of a computer or computer network. Thus, in general, any of the method steps including the provision and/or manipulation of data can be performed using a computer or computer network. In general, these steps may include any of the method steps excluding steps that require manual labor, such as providing the measurement object and/or certain aspects of performing actual measurements.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, insbesondere die Messvorrichtung und das Koordinatenmessgerät, und das erfindungsgemäße Verfahren weisen zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren auf. So kann eine erhöhte Flexibilität hinsichtlich möglicher Anwendungen und eine Vermessung größerer Volumen möglich sein. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, insbesondere die Messvorrichtung und das Koordinatenmessgerät, und das erfindungsgemäße Verfahren können Targetensembles mit unterschiedlichen Anzahlen von mindestens drei Retroreflektoren einsetzen.The devices according to the invention, in particular the measuring device and the coordinate measuring machine, and the method according to the invention have numerous advantages over known devices and methods. In this way, increased flexibility with regard to possible applications and the measurement of larger volumes can be possible. The devices according to the invention, in particular the measuring device and the coordinate measuring machine, and the method according to the invention can use target ensembles with different numbers of at least three retroreflectors.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungs-formen besonders bevorzugt:
- Ausführungsform 1: Messvorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung eines Messobjekts, wobei die Messvorrichtung umfasst
- - mindestens ein Targetensemble mit mindestens drei Retroreflektoren, wobei die Retroreflektoren des Targetensembles bekannte Koordinaten in einem Targetensemble-Koordinatensystem aufweisen, wobei das Messobjekt das Targetensemble aufweist,
- - mindestens sechs Lokalisierungseinheiten wobei jede der Lokalisierungseinheiten eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und mindestens einen der Retroreflektoren mit dem Beleuchtungslichtstrahl zu beleuchten, wobei jeder der zur Bestimmung der Position und Orientierung herangezogenen Retroreflektoren von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten beleuchtet ist, wobei jede der Lokalisierungseinheiten eingerichtet ist, von dem von ihr beleuchteten Retroreflektor mindestens einen reflektierten Lichtstrahl zu empfangen und mindestens ein Messsignal zu erzeugen,
- - mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen, wobei das Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts die folgenden Schritte umfasst:
- i. Bestimmen mindestens einer Distanz von der jeweiligen Lokalisierungseinheit zu dem mindestens einen von dieser beleuchteten Retroreflektor aus dem Messsignal,
- ii. Bestimmen einer 6D-Pose des Targetensembles in einem Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten unter Berücksichtigung der bekannten Koordinaten der Retroreflektoren im Targetensemble-Koordinatensystem und der in i) bestimmten Distanzen.
- Embodiment 1 Measuring device for determining at least one spatial position and orientation of a measurement object, the measuring device comprising
- - at least one target ensemble with at least three retroreflectors, the retroreflectors of the target ensemble having known coordinates in a target ensemble coordinate system, the measurement object having the target ensemble,
- - at least six localization units, each of the localization units being set up to generate at least one illumination light beam and to illuminate at least one of the retroreflectors with the illumination light beam, each of the retroreflectors used to determine the position and orientation being illuminated by at least one of the localization units, each of the localization units is set up to receive at least one reflected light beam from the retroreflector it illuminates and to generate at least one measurement signal,
- - at least one evaluation unit, which is set up to determine the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units, the determination of the spatial position and orientation of the measurement object comprising the following steps:
- i. Determining at least one distance from the respective localization unit to the at least one retroreflector illuminated by it from the measurement signal,
- ii. Determining a 6D pose of the target ensemble in a coordinate system of the localization units, taking into account the known coordinates of the retroreflectors in the target ensemble coordinate system and the distances determined in i).
Ausführungsform 2: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, zum Bestimmen der 6D-Pose des Targetensembles in dem Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten eine Transformationsmatrix zu bestimmen.
Ausführungsform 3: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Transformationsmatrix eingerichtet ist, das Targetensemble-Koordinatensystem in das Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten zu transformieren.Embodiment 3 Measuring device according to the previous embodiment, wherein the transformation matrix is set up to transform the target ensemble coordinate system into the coordinate system of the localization units.
Ausführungsform 4: Messvorrichtung nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, zum Bestimmen von Komponenten der Transformationsmatrix ein Optimierungsproblem zu lösen, wobei das Lösen des Optimierungs-problems ein Minimieren einer Fehlerfunktion F umfasst mit
- - wobei PT,i die Position der i-ten Lokalisierungseinheit im Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten ist,
- - wobei T die Transformationsmatrix ist,
- - wobei PR, map(i) die Position des von der i-ten Lokalisierungseinheit beleuchteten, m-ten Retroreflektors im Targetensemble-Koordinatensystem ist, und
- - wobei 1i,m die von der Auswerteeinheit bestimmte Distanz der i-ten Lokalisierungs-einheit zu dem von dieser beleuchteten, m-ten Retroreflektor ist.
- - where P T,i is the position of the i-th localization unit in the localization unit coordinate system,
- - where T is the transformation matrix,
- - where P R , map(i) is the position of the m th retroreflector illuminated by the i th localization unit in the target ensemble coordinate system, and
- - where 1 i,m is the distance, determined by the evaluation unit, between the i-th localization unit and the m-th retroreflector illuminated by it.
Ausführungsform 5: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Targetensemble-Koordinatensystem ein kartesisches Koordinatensystem ist, wobei einer der Retroreflektoren in einem Ursprung des kartesischen Koordinatensystems angeordnet ist, wobei einer der weiteren Retroreflektoren auf einer der Achsen des kartesischen Koordinatensystems angeordnet ist, wobei einer des mindestens einen weiteren Retroreflektors in einer Ebene angeordnet ist, welche die vorgenannte Achse und eine weitere Achse des kartesischen Koordinatensystems umfasst.Embodiment 5: Measuring device according to one of the preceding embodiments, wherein the target ensemble coordinate system is a Cartesian coordinate system, wherein one of the retroreflectors is arranged in an origin of the Cartesian coordinate system, wherein one of the further retroreflectors is arranged on one of the axes of the Cartesian coordinate system, wherein one of the at least one further retroreflector is arranged in a plane which includes the aforementioned axis and a further axis of the Cartesian coordinate system.
Ausführungsform 6: Messvorrichtung nach einer der beiden vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten ein kartesisches Koordinatensystem ist.
Ausführungsform 7: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens ein Element umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, einem FMCW-LIDAR-Sensor.Embodiment 7: Measuring device according to one of the preceding embodiments, wherein each of the localization units comprises at least one element selected from the group consisting of: a laser tracker; a LIDAR sensor, an FMCW LIDAR sensor.
Ausführungsform 8: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens ein Element umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Laser; einer LIDAR-Einheit, bevorzugt einer FMCW-LIDAR-Einheit.Embodiment 8: Measuring device according to one of the preceding embodiments, wherein each of the localization units comprises at least one element selected from the group consisting of: a laser; a LIDAR unit, preferably an FMCW LIDAR unit.
Ausführungsform 9: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung sechs Lokalisierungseinheiten und drei Retroreflektoren umfasst.Embodiment 9: Measuring device according to one of the preceding embodiments, wherein the measuring device comprises six localization units and three retroreflectors.
Ausführungsform 10: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung sieben Lokalisierungseinheiten und drei Retroreflektoren umfasst.Embodiment 10: Measuring device according to one of the preceding embodiments, wherein the measuring device comprises seven localization units and three retroreflectors.
Ausführungsform 11: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung sieben Lokalisierungseinheiten und sieben Retroreflektoren umfasst.Embodiment 11: Measuring device according to one of the preceding embodiments, wherein the measuring device comprises seven localization units and seven retroreflectors.
Ausführungsform 12: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung weiterhin eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Lokalisierungseinheiten relativ zu den Retroreflektoren auszurichten.
Ausführungsform 13: Koordinatenmessgerät zur Vermessung mindestens eines Werkstücks, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden, eine Messvorrichtung betreffenden Ausführungsformen umfasst, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens ein Messobjekt aufweist, welches eingerichtet ist, das Werkstück abzutasten.Embodiment 13 Coordinate measuring machine for measuring at least one workpiece, the coordinate measuring machine comprising at least one measuring device according to one of the preceding embodiments relating to a measuring device, the coordinate measuring machine having at least one measurement object which is set up to scan the workpiece.
Ausführungsform 14: Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts mit einer Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden, eine Messvorrichtung betreffenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen des mindestens einen Messobjekts, wobei das Messobjekt das Targetensemble aufweist, wobei das Targetensemble die Retroreflektoren aufweist, wobei die Retroreflektoren des Targetensembles bekannte Koordinaten in einem Targetensemble-Koordinatensystem aufweisen;
- b) Erzeugen des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls mit jeder der Lokalisierungseinheiten und Beleuchten der Retroreflektoren mit den Beleuchtungslichtstrahlen, wobei jede der Lokalisierungseinheiten mindestens einen der Retroreflektoren beleuchtet, wobei jeder der zur Bestimmung der Position und Orientierung herangezogenen Retroreflektoren von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten beleuchtet wird;
- c) Empfangen jeweils mindestens eines der von den Retroreflektoren reflektierten Lichtstrahlen und Erzeugen mindestens eines Messsignals mit jeder der Lokalisierungseinheiten, wobei jede der Lokalisierungseinheiten den reflektierten Lichtstrahl des von ihr beleuchteten Retroreflektors empfängt;
- d) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten mit der mindestens einen Auswerteeinheit, wobei das Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts die folgenden Schritte umfasst:
- A) Bestimmen der Distanz von der jeweiligen Lokalisierungseinheit zu dem mindestens einen von dieser beleuchteten Retroreflektor aus dem Messsignal; und
- B) Bestimmen der 6D-Pose des Targetensembles in dem Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten unter Berücksichtigung der bekannten Koordinaten der Retroreflektoren in dem Targetensemble-Koordinatensystem und der in A) bestimmten Distanzen.
- a) providing the at least one measurement object, the measurement object having the target ensemble, the target ensemble having the retroreflectors, the retroreflectors of the target ensemble having known coordinates in a target ensemble coordinate system;
- b) generating the at least one illumination light beam with each of the localization units and illuminating the retroreflectors with the illumination light beams, each of the localization units illuminating at least one of the retroreflectors, each of the retroreflectors used to determine the position and orientation being illuminated by at least one of the localization units;
- c) receiving in each case at least one of the light beams reflected by the retroreflectors and generating at least one measurement signal with each of the localization units, each of the localization units receiving the reflected light beam of the retroreflector illuminated by it;
- d) Determining the spatial position and orientation of the measurement object from the measurement signals of the localization units with the at least one evaluation unit, the determination of the spatial position and orientation of the measurement object comprising the following steps:
- A) determining the distance from the respective localization unit to the at least one retroreflector illuminated by it from the measurement signal; and
- B) determining the 6D pose of the target ensemble in the coordinate system of the localization units considering the known coordinates of the retroreflectors in the target ensemble coordinate system and the distances determined in A).
Ausführungsform 15: Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei dem Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts in Schritt d) ein Bestimmen der Koordinaten der Retroreflektoren in dem Targetensemble-Koordinatensystem vorausgeht.
Figurenlistecharacter list
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.Further details and features emerge from the following description of exemplary embodiments, in particular in connection with the dependent claims. The respective features can be implemented individually or in combination with one another. The invention is not limited to the exemplary embodiments. The exemplary embodiments are shown schematically in the figures. The same reference numerals in the individual figures designate elements that are the same or have the same function or that correspond to one another in terms of their functions.
Im Einzelnen zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Messvorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung eines Messobjekts; -
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Messvorrichtung; -
3 eine schematische Darstellung eines Targetensembles in einem Targetensemble-Koordinatensystem; -
4 eine schematische Darstellung einer Transformation eines Targetensemble-Koordinatensystems in ein Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten; und -
5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Vermessung mindestens eines Messobjekts.
-
1 a schematic representation of a first exemplary embodiment of a measuring device for determining at least one spatial position and orientation of a measurement object; -
2 a schematic representation of a further exemplary embodiment of the measuring device; -
3 a schematic representation of a target ensemble in a target ensemble coordinate system; -
4 a schematic representation of a transformation of a target ensemble coordinate system into a coordinate system of the localization units; and -
5 a schematic representation of a method for measuring at least one measurement object.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
Jede der Lokalisierungseinheiten 120 ist eingerichtet, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl 122 zu erzeugen und mindestens einen der Retroreflektoren 116 mit dem Beleuchtungslichtstrahl 122 zu beleuchten. Jeder der zur Bestimmung der Position und Orientierung herangezogenen Retroreflektoren 116 ist von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten 120 beleuchtet. Jede der Lokalisierungseinheiten 120 ist eingerichtet, von dem von ihr beleuchteten Retroreflektor 116 mindestens einen reflektierten Lichtstrahl 124 zu empfangen und mindestens ein Messsignal zu erzeugen. In
Die Messvorrichtung 110 weist mindestens eine Auswerteeinheit 126 auf. Die Auswerteeinheit 126 ist eingerichtet, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 120 die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts 112 zu bestimmen, wobei das Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts 112 die folgenden Schritte umfasst:
- i) Bestimmen mindestens einer
Distanz 128 von der jeweiligen Lokalisierungseinheit 120 zu dem mindestens einen von dieser beleuchteten Retroreflektor 116 aus dem Messsignal; und - ii) Bestimmen einer 6D-Pose des Targetensembles 114 in einem Koordinatensystem 130 (siehe
4 ) der Lokalisierungseinheiten 120 unter Berücksichtigung der bekannten Koordinaten der Retroreflektoren 116 im Targetensemble-Koordinatensystem 118 und der in i)bestimmten Distanzen 128.
- i) determining at least one
distance 128 from the respective localization unit 120 to the at least one retroreflector 116 illuminated by it from the measurement signal; and - ii) determining a 6D pose of the
target ensemble 114 in a coordinate system 130 (see4 ) of the localization units 120, taking into account the known coordinates of the retroreflectors 116 in the target ensemble coordinatesystem 118 and thedistances 128 determined in i).
Wie in
Die Retroreflektoren 116 können beispielsweise als Marker ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor 116 ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge; einem Katzenauge mit Reflektionsschicht; einem Marker beschrieben in
Die Lokalisierungseinheiten 120 können jeweils mindestens eine Beleuchtungseinheit 132 aufweisen. Die Beleuchtungseinheit 132 kann eine Lichtquelle 134 aufweisen, insbesondere eine Laserquelle. Insbesondere kann jede der Lokalisierungseinheiten 120 mindestens ein Element umfassen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Lasertracker; einem LIDAR-Sensor, einem FMCW-LIDAR-Sensor. Die Lokalisierungseinheiten 120 können eingerichtet sein, mindestens eine Lokalisierungsinformation zu erzeugen. Die Lokalisierungsinformation kann ausgewählt sein aus mindestens einer Information aus der Gruppe bestehend aus: einem Messsignal in Abhängigkeit vom Ort des von der Lokalisierungseinheit 120 beleuchteten Retroreflektors 116; einer Information über einen Abstand oder einer Entfernung des von der Lokalisierungseinheit 120 beleuchteten Retroreflektors 116 zu der Lokalisierungseinheit 120; einer Information über eine relative Lage des von der Lokalisierungseinheit 120 beleuchteten Retroreflektors 116 zu der Lokalisierungseinheit 120; und einer Information über eine Längenänderung. Insbesondere kann der LIDAR-Sensor eingerichtet sein, einen Lichtstrahl, beispielsweise einen Laserstrahl, zu erzeugen und zu empfangen, insbesondere den zuvor von ihr ausgesendeten und zu ihr zurückreflektierte Lichtstrahl, und daraus einen Abstand zwischen dem LIDAR-Sensor und dem Retroreflektor zu bestimmen, beispielsweise unter Ausnutzung von Unterschieden in den Rücklaufzeiten und Wellenlängen.The localization units 120 can each have at least one lighting unit 132 . The lighting unit 132 can have a light source 134, in particular a laser source. In particular, each of the localization units 120 can comprise at least one element selected from the group consisting of: a laser tracker; a LIDAR sensor, an FMCW LIDAR sensor. The localization units 120 can be set up to generate at least one item of localization information. The localization information can be selected from at least one piece of information from the group consisting of: a measurement signal depending on the location of the retroreflector 116 illuminated by the localization unit 120; information about a distance or distance from the retroreflector 116 illuminated by the localization unit 120 to the localization unit 120; information about a position of the retroreflector 116 illuminated by the localization unit 120 relative to the localization unit 120; and information about a change in length. In particular, the LIDAR sensor can be set up to generate and receive a light beam, for example a laser beam, in particular the light beam previously emitted by it and reflected back to it, and from this to determine a distance between the LIDAR sensor and the retroreflector, for example exploiting differences in return times and wavelengths.
Eine Zuordnung, auch als „Mapping“, Konfiguration oder Beleuchtungsschema bezeichnet, welche angibt, welcher Retroreflektor 116 von welcher Lokalisierungseinheit 120 beleuchtet ist und/oder welche Lokalisierungseinheit 120 welchen Retroreflektor 116 beleuchtet, kann bekannt sein. Insbesondere kann ein Retroreflektor 116 von einer Mehrzahl von Lokalisierungseinheiten 120 beleuchtet sein. Beispielsweise kann einer der Retroreflektoren 116 von drei der Lokalisierungseinheiten 120 beleuchtet sein. Einer der beiden weiteren Retroreflektoren 116 kann von zwei der drei weiteren Lokalisierungseinheiten 120 beleuchtet sein. Der weitere Retroreflektor 116, insbesondere ein dritter Retroreflektor 116, kann von der einen, übrigen der sechs Lokalisierungseinheiten 120 beleuchtet sein. Eine solche Konfiguration kann auch als (drei-zwei-eins) abgekürzt oder bezeichnet werden und ist in dem Ausführungsbeispiel in
Die drei Retroreflektoren 116 können als erster Retroreflektor 136, zweiter Retroreflektor 138 und dritter Retroreflektor 140 bezeichnet werden. Die sechs Lokalisierungseinheiten 116 können als erste Lokalisierungseinheit 142, zweite Lokalisierungseinheit 144, dritte Lokalisierungseinheit 146, vierte Lokalisierungseinheit 148, fünfte Lokalisierungseinheit 150 und sechste Lokalisierungseinheit 152 bezeichnet werden. In dieser Ausgestaltung kann beispielsweise der erste Retroreflektor 136 von der ersten Lokalisierungseinheit 142, der zweiten Lokalisierungseinheit 144 und der dritten Lokalisierungseinheit 146 beleuchtet sein. Der zweite Retroreflektor 138 kann von der vierten Lokalisierungseinheit 148 und der fünften Lokalisierungseinheit 150 beleuchtet sein. Der dritte Retroreflektor 140 kann von der sechsten Lokalisierungseinheit 116 beleuchtet sein. Dies entspricht der Konfiguration (drei-zwei-eins) und ist in
Die Lokalisierungseinheiten 120 können im Raum, beispielsweise in einem das Messobjekt 112 umgebenden oder umfassenden Raum, angeordnet sein, wie in
Auch weitere, in den Figuren nicht gezeigt Konfigurationen oder Beleuchtungsschemata sind möglich, beispielsweise die Konfiguration (drei-zwei-zwei). In dieser Konfiguration kann die Messvorrichtung 110 drei Retroreflektoren 116 und sieben Lokalisierungseinheiten 120 umfassen. Einer der Retroreflektoren 116 kann von drei der Lokalisierungseinheiten 120 beleuchtet sein. Einer der beiden weiteren Retroreflektoren 116 kann von zwei der vier weiteren Lokalisierungseinheiten 120 beleuchtet sein. Der weitere Retroreflektor 116 kann von den zwei übrigen der sieben Lokalisierungseinheiten 120 beleuchtet sein.Other configurations or lighting schemes not shown in the figures are also possible, for example the configuration (three-two-two). In this configuration, the measuring
Die Messvorrichtung 110 weist die Auswerteeinheit 126 auf, welche eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 120 die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts 112 zu bestimmen. Das Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts 112 umfasst im Rahmen von Schritt ii) das Bestimmen der 6D-Pose des Targetensembles 114 in dem Koordinatensystem 130 der Lokalisierungseinheiten 120. Wie bereits ausgeführt weist das Messobjekt 112 das Targetensemble 114 auf, so dass die 6D-Pose des Targetensembles 114 der 6D-Pose des Messobjekts 112, und insbesondere der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts 112, entsprechen kann oder die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts 112 aus der 6D-Pose des Targetensembles 114 bestimmbar sein kann. Zur Ermittlung der 6D-Position des Messobjekts 112 kann das Targetensemble 114, das vermessen werden soll, in einem eigenen Koordinatensystem beschrieben werden, dem Targetensemble-Koordinatensystem 118.The measuring
Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel können die Koordinaten des ersten Retroreflektors 136 in dem Targetensemble-Koordinatensystem 118 R1 = [0|0|0] sein. Die Koordinaten des zweiten Retroreflektors 138 können in dem Targetensemble-Koordinatensystem 118 R2 = [x2|0|0] sein. Die X-Koordinate x2 kann ungleich 0 sein. Die X-Koordinate kann x2 > 0 oder x2 < 0 sein. Die Koordinaten des dritten Retroreflektors können in dem Targetensemble-Koordinatensystem 118 R3 = [x3|y3|0] sein. Die X-Koordinate x3 und die Y-Koordinate y3 können ungleich 0 sein. Die Y-Koordinate kann y3 > 0 oder y3 < 0. Die X3-Koordinate kann x3 !=0 sein; dass Vorzeichen von x3 hängt durch Vorzeichen von x2 ab. Koordinaten von weiteren Retroreflektoren 116, beispielsweise eines vierten bis n-ten Retroreflektors 116, des Targetensembles 114 können im Targetensemble-Koordinatensystem 118 als R4 = [x4|y4|z4]... Rn = [xn|yn|zn] angegeben werden. Auch eine andere Ausrichtung, Wahl oder Positionierung des Targetensemble-Koordinatensystems 118 ist möglich.According to this embodiment, the coordinates of the first retroreflector 136 in the target ensemble coordinate
Bei einem Einsatz von drei Retroreflektoren 116 ergeben sich drei Positionsinformationen der Retroreflektoren 116, wobei diese in Form von kartesischen Koordinaten vorliegen. Das Targetensemble 114 kann mehr als drei Retroreflektoren 116 aufweisen, beispielsweise eine Mehrzahl von vier, fünf, sechs und mehr Retroreflektoren 116. Falls mehr als drei Retroreflektoren 116 vorgesehen sind, können die weiteren Retroreflektoren 116 in dem Targetensemble-Koordinatensystem 118 angegeben werden. Erfindungsgemäß wird das Targetensemble 116 somit nicht über Abstände der Targets zueinander beschrieben, sondern diese werden in einem eigenen, vorzugsweise kartesischen, Koordinatensystem beschrieben.If three retroreflectors 116 are used, three items of position information of the retroreflectors 116 result, these being in the form of Cartesian coordinates. The
Die Koordinaten der Retroreflektoren 116 in dem Targetensemble-Koordinatensystem 118 können vorbekannt und/oder vorbestimmt sein. Beispielsweise können die Koordinaten der Retroreflektoren 116 in dem Targetensemble-Koordinatensystem 118 bestimmt werden, beispielsweise in einem vorgelagerten Schritt, und können für die Bestimmung der Pose als unveränderlich und richtig angenommen werden. Beispielsweise können die Koordinaten der Retroreflektoren 116 in dem Targetensemble-Koordinatensystem 118 in einem Datenspeicher der Auswerteeinheit 126 hinterlegt sein, beispielsweise in Form einer Lookup-Tabelle.The coordinates of the retroreflectors 116 in the target ensemble coordinate
Die Auswerteeinheit 126 kann eingerichtet sein die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts 112 nach einem Multilaterationsverfahren zu bestimmen. Hierbei können zur Bestimmung der räumlichen Position der Retroreflektoren 116 des Targetensembles 114 die in Schritt i) gemessenen Distanzen der Retroreflektoren 116 zu den Lokalisierungseinheiten 120 verwendet werden. Die Auswerteeinheit 126 kann eingerichtet sein, zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts 112 ein lineares Gleichungssystem zu lösen. Zielfunktion für die Lösung des linearen Gleichungssystems ist nicht die XYZ-Position der einzelnen Targets, sondern die 6D-Pose des Targetensemble-Koordinatensystems 118 im Koordinatensystem 130 der Lokalisierungseinheiten 120. Die Unbekannte, welche die 6D-Pose im Koordinatensystem 130 der Lokalisierungseinheiten 120 definiert, kann durch eine Transformationsmatrix „T“ beschrieben werden. Die Transformationsmatrix kann das Targetensemble-Koordinatensystem 118 in das Koordinatensystem 130 der Lokalisierungseinheiten 120 transformieren. Eine solche Transformationsmatrix kann die Informationen über die translatorische und rotatorische Position umfassen. Die Auswerteeinheit 126 kann eingerichtet sein, zum Bestimmen der 6D-Pose des Targetensembles 118 in dem Koordinatensystem 130 der Lokalisierungseinheiten 120 die Transformationsmatrix zu bestimmen.The evaluation unit 126 can be set up to determine the spatial position and orientation of the
Hierbei ist D eine Drehmatrix, auch Rotationsmatrix genannt, für die gilt:
Hierbei beschreibt Dz eine Drehung um die Z-Achse um den Winkel γ, Dy beschreibt eine Drehung um die y-Achse um den Winkel β und Dx beschreibt eine Drehung um die x-Achse um den Winkel α. Ferner beschreibt txyz eine Translation, es gilt:
Die Zielfunktion zum Ermitteln der Parameter der Transformationsmatrix T kann beschrieben werden als „die gemessene Distanz li,m der i-ten Lokalisierungseinheit zu seinem anvisierten Retroreflektor R an der m-ten Messposition entspricht der Distanz der, mit der Transformationsmatrix T multiplizierten, Position des von der i-ten Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors PR,map(i) im Targetensemble-Koordinatensystems zu der Position der i-ten Lokalisierungseinheit PT,i im Koordinatensystem der Lokalisierungseinheiten“:
Das Ermitteln der Parameter der Transformationsmatrix T kann iterativ erfolgen. Dazu kann die Auswerteeinheit 126 eingerichtet sein, ein Optimierungsproblem zu lösen. Das Lösen des Optimierungsproblems kann ein Minimieren einer Fehlerfunktion F umfassen mit
- a) (Bezugszeichen 178) Bereitstellen des
Messobjekts 112,wobei das Messobjekt 112das Targetensemble 114 aufweist,wobei das Targetensemble 114 die Retroreflektoren 116 aufweist, wobei die Retroreflektoren 116 desTargetensembles 114 bekannte Koordinaten in einem Targetensemble-Koordinatensystem 118 aufweisen; - b) (Bezugszeichen 180) Erzeugen des mindestens einen Beleuchtungslichtstrahls 122 mit jeder der Lokalisierungseinheiten 120 und Beleuchten der Retroreflektoren 116 mit den Beleuchtungslichtstrahlen 122, wobei jede der Lokalisierungseinheiten 120 mindestens einen der Retroreflektoren 116 beleuchtet, wobei jeder der zur Bestimmung der Position und Orientierung herangezogenen Retroreflektoren 116 von mindestens einer der Lokalisierungseinheiten 120 beleuchtet wird;
- c) (Bezugszeichen 182) Empfangen jeweils mindestens eines der von den Retroreflektoren 116 reflektierten Lichtstrahlen 124 und Erzeugen mindestens eines Messsignals mit jeder der Lokalisierungseinheiten 120, wobei jede der Lokalisierungseinheiten 120 den reflektierten Lichtstrahl 124 des von ihr beleuchteten Retroreflektors 116 empfängt;
- d) (Bezugszeichen 184) Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts 112 aus den Messsignalen der Lokalisierungseinheiten 120 mit der mindestens einen Auswerteeinheit 126, wobei das Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts 112 die folgenden Schritte umfasst:
- A) (Bezugszeichen 186)
Bestimmen der Distanz 128 von der jeweiligen Lokalisierungseinheit 120 zu dem mindestens einen von dieser beleuchteten Retroreflektor 116 aus dem Messsignal; und - B) (Bezugszeichen 188) Bestimmen der 6D-Pose des Targetensembles 114 in
dem Koordinatensystem 130 der Lokalisierungseinheiten 120 unter Berücksichtigung der bekannten Koordinaten der Retroreflektoren 116 in dem Targetensemble-Koordinatensystem 118 und der in A)bestimmten Distanzen 128.
- A) (Bezugszeichen 186)
- a) (reference numeral 178) providing the
measurement object 112, themeasurement object 112 having thetarget ensemble 114, thetarget ensemble 114 having the retroreflectors 116, the retroreflectors 116 of thetarget ensemble 114 having known coordinates in a target ensemble coordinatesystem 118; - b) (reference number 180) generating the at least one illumination light beam 122 with each of the localization units 120 and illuminating the retroreflectors 116 with the illumination light beams 122, each of the localization units 120 illuminating at least one of the retroreflectors 116, each of the retroreflectors used to determine the position and orientation 116 is illuminated by at least one of the localization units 120;
- c) (reference numeral 182) receiving at least one of the light beams 124 reflected by the retroreflectors 116 and generating at least one measurement signal with each of the localization units 120, each of the localization units 120 receiving the reflected light beam 124 of the retroreflector 116 illuminated by it;
- d) (reference number 184) determining the spatial position and orientation of the
measurement object 112 from the measurement signals of the localization units 120 with the at least one evaluation unit 126, wherein the determination of the spatial position and orientation of themeasurement object 112 comprises the following steps:- A) (reference number 186) determining the
distance 128 from the respective localization unit 120 to the at least one retroreflector 116 illuminated by it from the measurement signal; and - B) (reference numeral 188) determining the 6D pose of the
target ensemble 114 in the coordinatesystem 130 of the localization units 120, taking into account the known coordinates of the retroreflectors 116 in the target ensemble coordinatesystem 118 and thedistances 128 determined in A).
- A) (reference number 186) determining the
Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. The method steps can be carried out in the order given, with one or more of the steps being able to be carried out at least partially simultaneously and with one or more of the steps being able to be repeated several times.
Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden. Insbesondere kann dem Bestimmen der räumlichen Position und Orientierung des Messobjekts 112 in Schritt d) 184 ein Bestimmen der Koordinaten der Retroreflektoren 116 in dem Targetensemble-Koordinatensystem 118 vorausgehen.In addition, other steps, whether or not mentioned in the present application, can additionally be carried out. In particular, the determination of the spatial position and orientation of the
BezugszeichenlisteReference List
- 110110
- Messvorrichtungmeasuring device
- 112112
- Messobjektmeasurement object
- 114114
- Targetensembletarget ensemble
- 116116
- Retroreflektorretroreflector
- 118118
- Targetensemble-KoordinatensystemTarget ensemble coordinate system
- 120120
- Lokalisierungseinheitlocalization unit
- 122122
- Beleuchtungslichtstrahlillumination light beam
- 124124
- reflektierten Lichtstrahlreflected light beam
- 126126
- Auswerteeinheitevaluation unit
- 128128
- Distanzdistance
- 130130
- Koordinatensystem der LokalisierungseinheitenCoordinate system of localization units
- 131131
- KabelCable
- 132132
- Beleuchtungseinheitlighting unit
- 133133
- Halterungbracket
- 134134
- Lichtquellelight source
- 136136
- erster Retroreflektorfirst retroreflector
- 138138
- zweiter Retroreflektorsecond retroreflector
- 140140
- dritter Retroreflektorthird retroreflector
- 142142
- erste Lokalisierungseinheitfirst localization unit
- 144144
- zweite Lokalisierungseinheitsecond localization unit
- 146146
- dritte Lokalisierungseinheitthird localization unit
- 148148
- vierte Lokalisierungseinheitfourth localization unit
- 150150
- fünfte Lokalisierungseinheitfifth localization unit
- 152152
- sechste Lokalisierungseinheitsixth localization unit
- 154154
- Steuereinheitcontrol unit
- 156156
- vierter Retroreflektorfourth retroreflector
- 158158
- fünfter Retroreflektorfifth retroreflector
- 160160
- sechster Retroreflektorsixth retroreflector
- 162162
- siebter Retroreflektorseventh retroreflector
- 164164
- siebte Lokalisierungseinheitseventh localization unit
- 166166
- Ursprung des KoordinatensystemsOrigin of the coordinate system
- 168168
- X-AchseX axis
- 170170
- Z-AchseZ axis
- 172172
- Y-AchseY axis
- 174174
- XY-EbeneXY plane
- 176176
- Transformationtransformation
- 178178
- Verfahrensschritt a)process step a)
- 180180
- Verfahrensschritt b)process step b)
- 182182
- Verfahrensschritt c)process step c)
- 184184
- Verfahrensschritt d)process step d)
- 186186
- Teilschritt A)sub-step A)
- 188188
- Teilschritt B)sub-step B)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2020104666 [0004, 0019]WO 2020104666 [0004, 0019]
- US 20110007326 A1 [0014, 0080]US20110007326 A1 [0014, 0080]
- US 20130050410 A1 [0014, 0080]US 20130050410 A1 [0014, 0080]
- US 20170258531 A1 [0014, 0080]US20170258531 A1 [0014, 0080]
- US 9559486 B2 [0028]US 9559486 B2 [0028]
- US 8913636 B2 [0028]US 8913636 B2 [0028]
- US 2016123718 A1 [0028]US2016123718A1 [0028]
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Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110007326A1 (en) | 2009-07-08 | 2011-01-13 | Steinbichler Optotechnik Gmbh | Method for the determination of the 3d coordinates of an object |
US20130050410A1 (en) | 2011-02-16 | 2013-02-28 | Steinbichler Optotechnik Gmbh | Apparatus and method for determining the 3d coordinates of an object and for calibrating an industrial robot |
US8913636B2 (en) | 2009-04-29 | 2014-12-16 | Montana State University | Precise broadband frequency modulated laser |
US20160123718A1 (en) | 2014-10-29 | 2016-05-05 | Bridger Photonics, Inc. | Accurate chirped synthetic wavelength interferometer |
US20170258531A1 (en) | 2014-11-03 | 2017-09-14 | Optinav Sp. Z O.O. | Optical tracking method and system based on passive markers |
WO2020104666A1 (en) | 2018-11-22 | 2020-05-28 | Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh | Method and apparatus for determining at least one spatial position and orientation of at least one measured object |
-
2021
- 2021-08-27 DE DE102021209427.9A patent/DE102021209427A1/en active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8913636B2 (en) | 2009-04-29 | 2014-12-16 | Montana State University | Precise broadband frequency modulated laser |
US9559486B2 (en) | 2009-04-29 | 2017-01-31 | Montana State University | Precise broadband frequency modulated laser |
US20110007326A1 (en) | 2009-07-08 | 2011-01-13 | Steinbichler Optotechnik Gmbh | Method for the determination of the 3d coordinates of an object |
US20130050410A1 (en) | 2011-02-16 | 2013-02-28 | Steinbichler Optotechnik Gmbh | Apparatus and method for determining the 3d coordinates of an object and for calibrating an industrial robot |
US20160123718A1 (en) | 2014-10-29 | 2016-05-05 | Bridger Photonics, Inc. | Accurate chirped synthetic wavelength interferometer |
US20170258531A1 (en) | 2014-11-03 | 2017-09-14 | Optinav Sp. Z O.O. | Optical tracking method and system based on passive markers |
WO2020104666A1 (en) | 2018-11-22 | 2020-05-28 | Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh | Method and apparatus for determining at least one spatial position and orientation of at least one measured object |
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