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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine dreidimensionale Messapparatur, wobei ein
Objekt mit Lichtschnitt oder Pseudo-Lichtschnitt beleuchtet wird,
die gleichzeitig durch Abtast-Spotlicht
erzeugt werden, so dass ein linearer heller Anteil erzeugt wird,
der durch Bildaufnahmevorrichtungen ermittelt wird, und Information über die
dreidimensionale Position des Objekts aus der Position des hellen
Anteils in dem aufgenommenen Bild erhalten wird. Die erfindungsgemäße dreidimensionale
Messapparatur wird beispielsweise an einem Roboter montiert verwendet.
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2. Beschreibung des verwandten
Standes der Technik
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Vor
kurzem hat man Roboter intelligenter gemacht, wodurch sich in vielen
Fällen
die periphere Ausrüstung
vereinfacht, beispielsweise Werkstückzufuhr- und -positionierungsausrüstung. Eine
dreidimensionale Messapparatur, die die dreidimensionale Position,
Orientierung, Form, Größe usw.
(im folgenden zusammen als "Information über die
dreidimensionale Position" bezeichnet)
eines Werkstücks
erkennt, dient als wichtige Grundvorrichtung für intelligente Roboter. Weil
die dreidimensionale Messapparatur oft an einem Roboter montiert
verwendet wird, muss die Messapparatur nicht nur sehr genau, sondern
auch miniaturisiert sein.
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Siehe 6a:
Bei einer dreidimensionalen Messapparatur wird Lichtschnitt (im
folgenden ist der Begriff "Lichtschnitt" eine generische
Bezeichnung, die "durch
Abtasten mittels Spotlicht erzeugten Pseudo-Lichtschnitt" beinhaltet) unter
Verwendung eines Projektors auf ein Messobjekt gestrahlt, so dass
ein heller Anteil gebildet wird, Licht (gestreutes oder reflektiertes
Licht) von dem hellen Anteil von einem Photodetektor ermittelt wird
und Information über
die dreidimensionale Position des Messobjekts aus der Position des
ermittelten hellen Anteils in dem ermittelten Bild gemessen wird.
Dabei befinden sich der Projektor 10 und der Photodetektor 20 in
einem Abstand nebeneinander. So kann die Messapparatur durch Verkleinern
des Installationsabstandes zwischen dem Projektor 10 und
dem Photodetektor 20 miniaturisiert werden, wie in 6b dargestellt.
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Wird
die Messapparatur mithilfe dieses Ansatzes miniaturisiert, verschlechtert
sich wahrscheinlich die Messgenauigkeit (insbesondere die Messgenauigkeit
in Tiefenrichtung, von der Messapparatur aus gesehen) aufgrund des
Messprinzips. D.h. bei der dreidimensionalen Messapparatur unter
Verwendung von Lichtschnitt-Projektion kommt es in der Regel zu
den einander widersprechende Anforderungen der Miniaturisierung
der Apparatur und der Verbesserung der Messgenauigkeit. Daher und
zur Kompensation von Nachteilen aufgrund der Miniaturisierung wird
eine Technik zur Bereitstellung einer sehr genauen dreidimensionalen
Messapparatur, die Lichtschnitt-Projektion verwendet, dringend benötigt.
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In
dieser Hinsicht wurde zum Beispiel in JP-A-63 132 107 eine "Objekt-Messapparatur auf Basis
eines Lichtschnittverfahrens" vorgeschlagen. Der
Vorschlag betrifft eine Objekt-Messapparatur zum Messen der Position
einer Lichtschnittlinie in einem Bild mit größerer Genauigkeit als die Auflösung eines
Bildaufnahmegeräts
und zum Durchführen
von Hochgeschwindigkeits-Rechenverarbeitung, so dass eine Hochgeschwindigkeitsmessung
erzielt wird. Die in JP-A-63 132 107 offenbarte Apparatur verwendet ein
Verfahren, bei dem man Luminanzvariation in einem Differenzbild
zwischen einem Originalbild und einem Bild, das beobachtet wird,
wenn Lichtschnitt auf eine Schnittlinie gestrahlt wird, in Richtung
jeder Abtastlinie einer Kamera untersucht und die mittlere Position
des Lichtschnitts für
jede Abtastlinie mittels gewichteter Mittelwertverarbeitung auf
Basis einer Verteilung von Luminanz bestimmt, die höher als oder
gleich einer bestimmten Schwelle ist.
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Wenn
aber ein Oberflächenanteil
eines zu messenden Objekts, auf das Lichtschnitt gestrahlt wird,
sich im Grad der Färbung
oder Oberflächenrauheit
von dem Rest unterscheidet, wird nach diesem Stand der Technik ein
ermittelter linearer heller Anteil schmal oder seine mittlere Position
(was die "mittlere Position
angibt, die beobachtet wird, wird der helle Anteil in Breitenrichtung überquert" (im folgenden so verwendet))
verschiebt sich, was manchmal dazu führt, dass die ermittelten Daten
stark gestört
werden. Dann verschlechtert sich die Genauigkeit der Ermittlung.
Die Verschlechterung wird noch ausgeprägter, wenn die obengenannte
Ursache und Miniaturisierung der Messapparatur zusammenkommen und die
Nachweisgenauigkeit verschlechtern. Deshalb ist es schwierig, die
Miniaturisierung durchzuführen, ohne
dass sich die Nachweisgenauigkeit verschlechtert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt eine dreidimensionale Messapparatur bereit, die
die erforderliche Messgenauigkeit bei der Ermittlung eines durch
Beleuchten mit Lichtschnitt erzeugten hellen Anteils sogar dann
gewährleisten
kann, wenn ermittelte Daten durch ungleichmäßige Färbung oder ungleichmäßige Rauheit
einer Messobjektoberfläche
oder dergleichen leicht gestört
werden.
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Die
Erfindung ermöglicht
den Ausschluss von unzuverlässigen
Ermittlungsdaten in der obengenannten dreidimensionalen Messapparatur,
die Lichtschnitt-Projektion ver wendet, so dass Information über die
dreidimensionale Position für
die Messung sogar dann verwendet werden kann, wenn die ermittelten
Daten durch ungleichmäßige Färbung oder
ungleichmäßige Rauheit
einer Messobjektoberfläche
oder dergleichen leicht gestört
werden.
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Eine
erfindungsgemäße dreidimensionale Messapparatur
erhält
Information über
eine dreidimensionale Position eines Objekts auf Basis der Ermittlung
einer Position von einem hellen Anteil, der im Wesentlichen linear
erzeugt wird durch Beleuchten mit Lichtschnitt oder Pseudo-Lichtschnitt,
erzeugt durch Abtasten des Objekts mit Spotlicht, auf einem durch
Bildaufnahmevorrichtungen aufgenommenen Bild des Objekts. Die dreidimensionale
Messapparatur ist mit mindestens den folgenden Einrichtungen (a)-(c)
ausgestattet:
- (a) einer Einrichtung zum Zählen der
Anzahl aufgehellter Pixel, die zum hellen Anteil entlang jeder von
einer Mehrzahl Ermittlungslinien gehören, die den hellen Anteil
in dem aufgenommenen Bild durchqueren;
- (b) einer Einrichtung zum Bestimmen eines zulässigen Bereichs
für die
Anzahl aufgehellter Pixel entlang einer Ermittlungslinie auf Basis
der Anzahl aufgehellter Pixel, die jeweils entlang der Mehrzahl
Ermittlungslinien gezählt
werden; und
- (c) einer Einrichtung zum Aufnehmen von Daten der aufgehellten
Pixel entlang jeder Ermittlungslinie, wobei die Anzahl aufgehellter
Pixel in dem zulässigen
Bereich liegt, als richtige Daten zum Erhalten der Information über die
dreidimensionale Position des Objekts.
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Die
Information über
die dreidimensionale Position des Objekts kann eine Information
aus einer dreidimensionalen Position, einer dreidimensionalen Haltung,
einer dreidimensionalen Gestalt und einer Größe des Objekts beinhalten.
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Die
Einrichtung zur Bestimmung des zulässigen Bereichs kann folgendes
umfassen: eine Einrichtung zum Erhalten der durchschnittlichen Anzahl
aufgehellter Pixel pro Ermittlungslinie auf Basis der Anzahl aufgehellter
Pixel, die jeweils entlang der Mehrzahl Ermittlungslinien gezählt werden;
und eine Einrichtung zum Berechnen des zulässigen Bereichs auf Basis der
erhaltenen durchschnittlichen Anzahl aufgehellter Pixel und minimaler
und maximaler Verhältnisse,
die jeweils mit der ermittelten durchschnittlichen Anzahl aufgehellter
Pixel multipliziert werden.
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Ersatzweise
umfasst die Einrichtung zur Ermittlung des zulässigen Bereichs: eine Einrichtung zum
Erhalten einer durchschnittlichen Anzahl aufgehellter Pixel pro
Ermittlungslinie auf Basis der Anzahl aufgehellter Pixel, die jeweils
entlang der Mehrzahl Ermittlungslinien gezählt werden; und eine Einrichtung
zum Berechnen des zulässigen
Bereichs auf Basis der erhaltenen durchschnittlichen Anzahl aufgehellter
Pixel, einer Subtraktionszahl, die von der erhaltenen durchschnittlichen
Anzahl aufgehellter Pixel subtrahiert wird, und einer Additionszahl,
die zu der erhaltenen durchschnittlichen Anzahl aufgehellter Pixel
addiert wird.
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Das
minimale und das maximale Verhältnis sowie
die Subtraktions- und die Additionszahl können ähnlich wie bei üblichen
Stellparametern veränderlich
gemacht werden. Erfindungsgemäß ist es möglich, unzuverlässige Daten
auszuschließen,
so dass Information über
die dreidimensionale Position erhalten wird, die für die Messung
verwendet werden kann, sogar wenn Lichtschnitt auf einen Oberflächenanteil
eines Messobjekts gestrahlt wird, der sich im Grad der Färbung oder
der Oberflächenrauheit
von dem Rest unterscheidet, wodurch der ermittelte lineare helle
Anteil schmaler wird oder sich seine mittlere Position verschiebt.
Dadurch erhält
man den Vorteil, dass "die
Messung ohne Einfluss durch den Oberflächenzustand des Messobjekts
durchgeführt
werden kann". Dabei
wird gegenüber
dem Stand der Technik der Vorteil erzielt, dass "die Position von Lichtschnitt mit größerer Genauigkeit
als die Auflösung
des Bildaufnahmeelements gemessen werden kann". Unter einem anderen Gesichtspunkt
kann die Erfindung Schwankung in der Messgenauigkeit unterdrücken. Dadurch
kann der Installationsabstand zwischen einem Projektor und einem
Photodetektor leicht schmaler gemacht und die Messapparatur miniaturisiert
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt/zeigen:
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1 den
Gesamtaufbau einer erfindungsgemäßen dreidimensionalen
Messapparatur;
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2 eine
Ansicht, die das Verfahren zur Bestimmung einer dreidimensionalen
Position von einem hellen Anteil auf einem Bild des hellen Anteils, der
durch Lichtschnitt-Projektion
erzeugt wird, erläutert;
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3 eine
Darstellung beispielhafter Luminanz-Daten für Pixel, die jeweils entlang
einer Abtastlinie ermittelt werden, die ein Bild 4 von
einem hellen Anteil überquert;
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4a-4c,
wie der Unterschied zwischen einer ermittelten Position und einer
tatsächlichen
Auftreffposition von Lichtschnitt aufgrund einer Störung auf
einem Bild von einem hellen Anteil zustande kommt; dabei zeigt: 4a schematisch
das gesamte ermittelte Bild; 4b vergrößert eine
Region, in der eine Störung
vorliegt, im Bild des hellen Anteils; und 4c beispielhaft
die Abweichung zwischen der ermittelten Position und der tatsächlichen Auftreffposition
von Lichtschnitt;
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5 ein
Fließschema
der bei einer Ausführungsform
durchgeführten
Verarbeitung; und
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6a und 6b die
Beziehungen zwischen dem Installationsabstand zwischen einem Projektor
und einem Photodetektor und der Miniaturisierung einer Messapparatur;
dabei zeigt 6a eine Anordnung mit breitem
Abstand und 6b eine Anordnung mit schmalem
Abstand zwischen dem Projektor und dem Photodetektor.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG
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Im
folgenden wird eine Ausführungsform
der Erfindung anhand von 1-5 erläutert. Dabei zeigt 1 die
Gesamtanordnung einer dreidimensionalen Messapparatur nach einer
Ausführungsform der
Erfindung. Ein Projektor zum Projizieren von Lichtschnitt (einschließlich durch
Abtasten mit Spotlicht erzeugtem Pseudo-Lichtschnitt, wie oben erwähnt) ist
mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. In einem kleinen Abstand
vom Projektor 10 befindet sich ein Photodetektor 20.
Der Projektor 10 und der Photodetektor 20 sind
in einem Ermittlungskopf vereinigt, der beispielsweise an einem
distalen Armende eines Roboters (nicht gezeigt) montiert verwendet
wird. Wird kein Roboter verwendet, werden der Projektor und der
Photodetektor an geeigneten Stellen platziert. Sie können sogar
an geeigneten Stellen platziert und nicht am Roboter montiert werden,
wenn ein Roboter verwendet wird.
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Wie
erwähnt,
kann die Messgenauigkeit (insbesondere die Messgenauigkeit in Tiefenrichtung, vom
Projektor und Photodetektor aus gesehen) umso leichter gewährleistet
werden, je größer der
Installationsabstand zwischen dem Projektor 10 und dem
Photodetektor 20 ist, aber dann ist es auch umso schwerer,
den Miniaturisierungsbedarf zu erfüllen. Bei der Festlegung des
Installationsabstandes wird daher ein Gleichgewicht berücksichtigt.
Erfindungsgemäß kann eine
Schwankung in der Messgenauigkeit vorteilhaft unterdrückt werden.
Daher ist es leichter als im Stand der Technik, den Installationsabstand
zwischen Projektor und Photodetektor zu verringern.
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Der
Projektor 10 projiziert in bekannter Weise Lichtschnitt
auf ein Messobjekt (beispielsweise ein Werkstück) 1, wodurch ein
linearer heller Anteil 2 auf der Oberfläche des Messobjekts 1 erzeugt
wird. Durch dieses von dem Projektor 10 erzeugte Licht entsteht
Streu- oder Reflexionslicht von dem hellen Anteil 2. Das
Licht von dem hellen Anteil 2 wird durch den Photodetektor 20 zusammen
mit Licht (Streulicht oder reflektiertes Licht, das von ursprünglich in
der Arbeitsumgebung vorhandenem Licht stammt) um den hellen Anteil 2 herum
ermittelt. Der Photodetektor 20 besteht zum Beispiel aus
einer CCD-Digitalkamera,
die zusammen mit dem Projektor 10 mit einem Bildverarbeitungsgerät 30 verbunden
ist. Das Bildverarbeitungsgerät 30 ist
für die
An/Aus-Steuerung des Projektors 10, die Bildaufnahme vom
Photodetektor 20, die anschließende Bildabholung usw. ausgelegt.
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Ist
der Ermittlungskopf an einem Roboter montiert, werden die Position
und Orientierung des Roboters zum Messzeitpunkt ermittelt, wobei
die Projektionsrichtung des Projektors 20 (oder die dreidimensionale
Orientierung einer Lichtschnitt-Ebene) ausgewählt werden. Ist der Ermittlungskopf
nicht am Roboter montiert, kann die Projektionsrichtung mit einem
geeigneten Einstellmechanismus eingestellt werden. Siehe 1:
In jedem Fall wird der Projektor 10 angeschaltet und dadurch
ein linearer heller Anteil 2 erzeugt, der durch einen willkürlichen,
zu messenden Anteil des Messobjekts 1 geht. Ein Bild des
hellen Anteils 2 wird vom Photodetektor 20 erfasst.
In diesem Fall werden Bilddaten, einschließlich des hellen Anteils 2 (zumindest
eines Teils davon) in die Bildverarbeitungsvorrichtung 30 übertragen
und als ermitteltes Bild auf dem Schirm einer Monitoranzeige 40 angezeigt,
die mit der Bildverarbeitungsvorrichtung 30 verbunden ist.
Mit Ausnahme der im folgenden genannten Software (siehe die Erläuterungen bei
dieser Ausführungsform)
hat die Bildverarbeitungsvorrichtung 30 eine üblicherweise
bekannte Konstruktion sowie Funktionen. Daher entfällt eine eingehende
Beschreibung.
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In 1 enthält das ermittelte
Bild ein Bild von dem Messobjekt 1, das mit der Bezugszahl 3 bezeichnet
ist, und ein mit der Bezugszahl 4 bezeichnetes Bild von
dem hellen Abschnitt 2. Der helle Abschnitt 2 oder
sein Bild 4 haben in der Regel eine lineare oder bandförmige Gestalt
mit einer bestimmten Breite. Sie können aber auch einen gestörten oder
abgeschnittenen Teil enthalten, wie im folgenden erläutert wird.
Hier wird der helle Anteil als "linearer
heller Anteil" oder "Bild des linearen
hellen Anteils" bezeichnet,
auch wenn eine derartige Störung vorliegt.
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Bekanntlich
wird Information über
die Position des Messobjekts 1 im dreidimensionalen Raum aus
der Position des Bildes von dem hellen Anteil 4 in dem
ermittelten Bild bestimmt. D.h. die dreidimensionale Position von
einem oder mehreren Punkten im Raum, entsprechend einem oder mehreren
Punkten in dem Bild 4 des hellen Anteils, wird als ermittelte Daten
bestimmt. Auf Basis der ermittelten Daten wird beispielsweise Folgendes
gemessen: die dreidimensionale Position des Messobjekts 1 (zum
Beispiel die Position eines charakteristischen Punktes, der für das Messobjekt 1 repräsentativ
ist); die dreidimensionale Orientierung (zum Beispiel die Orientierung
einer Oberfläche
und die Erstreckungsrichtung einer Kantenlinie, die die Orientierung
des Messobjekts 1 wiedergeben); die dreidimensionale Gestalt
(zum Beispiel die Rundheit eines kreisförmigen Profils); die Größe (zum
Beispiel der Durchmesser eines kreisförmigen Lochs) und der glei chen.
Ein Verfahren zur Berechnung dieser Parameter aus den ermittelten
Daten, die dem Bild 4 des hellen Anteils entsprechen, ist bekannt
und betrifft nicht direkt die Erfindung, so dass eingehende Erläuterungen
entfallen.
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Die
Erfindung ist gekennzeichnet durch eine "Weise der Auswahl der ermittelten Daten,
die dem Bild 4 des hellen Anteils entsprechen" und die zur Berechnung
der Information über
die dreidimensionale Position verwendet werden. Im folgenden werden hauptsächlich Besonderheiten
im Hinblick auf dieses Merkmal erklärt. 2 erläutert ein
Verfahren zur Berechnung der dreidimensionalen Position des hellen Anteils 2 aus
dem ermittelten Bild von dem hellen Anteil 2 (Bild 4 des
hellen Anteils), das durch Projektion von Lichtschnitt hergestellt
wird, unter Verwendung der in 1 gezeigten
Messapparatur. Weil das Verfahren bekannt ist, wird es nur in Umrissen
beschrieben.
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Siehe 2:
Wird die Lichtquelle eines Projektors 10 angeschaltet,
wird Lichtschnitt aus einer Projektionsöffnung (nicht gezeigt) des
Projektors 10 ausgesendet, wodurch eine Lichtschnitt-Ebene 5 gebildet
wird, die sich trichterförmig
erweitert. Der helle Anteil 2 wird an einer Position gebildet,
an der die Lichtschnitt-Ebene 5 eine Oberfläche des
Messobjekts 1 durchquert. Er wird als Bild 4 des
hellen Anteils in dem ermittelten Bild beobachtet, das mittels Bildaufnahme
mit dem Photodetektor 20 erhalten wird. Hier wird ein willkürlicher,
zu messender Punkt auf dem hellen Anteil 2, anders gesagt,
sowohl auf der Oberfläche
des Messobjekts 1 als auch auf der Lichtschnitt-Ebene 5,
mit P bezeichnet. Die dreidimensionale Position des Punktes P im
realen Raum (dreidimensionalen Raum) wird mit (x,y,z) wiedergegeben.
Zudem wird die Position eines Punktes p im ermittelten Bild, der
dem Punkt P (x,y,z) entspricht, mit (u,v) bezeichnet. (u,v) ist
ein Koordinatenwert auf den (horizontalen bzw. vertikalen) Achsen
Hz und Vt eines zweidimensionalen rechtwinkligen Koordinatensystems,
das auf der Bildebene erstellt wird.
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Zudem
ist die Abtastrichtung bei der Bildaufnahme, die von einem Bildempfangsgerät vorgenommen
wird, parallel zur Achse Hz.
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Hier
wird eine Gerade, die durch den Punkt p und die Linsenmitte des
Photodetektors 20 geht, als Sichtlinie 6 bezeichnet.
Die Position der Sichtlinie 6 im realen Raum (eine Gleichung,
die die Gerade für die
Sichtlinie 6 beschreibt, oder Parameterwerte, die zur Festlegung
dieser Gleichung notwendig und ausreichend sind) kann unter Verwendung
von Kalibrierungsdaten bestimmt werden, die zuvor im Bildverarbeitungsgerät 30 gespeichert
wurden. Somit wird die Position (x,y,z) des zu messenden Punktes
P im dreidimensionalen Raum als Position des Schnittpunktes zwischen
der Lichtschnitt-Ebene 5 und der Sichtlinie 6 bestimmt.
Die Position der Lichtschnitt-Ebene 5 (eine Gleichung oder
Parameterwerte, die zur Festlegung dieser Gleichung notwendig und
ausreichend sind) kann aus Kalibrierungsdaten für den Projektor 10 bestimmt
werden. Ist der Projektor 10 an einem Roboter befestigt,
kann die Position der Lichtschnitt-Ebene 5 aus Kalibrierungsdaten
für den
Projektor 10 und Daten über
die gegenwärtige
Roboterposition bestimmt werden.
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Vorstehend
ist das Verfahren beschrieben, bei dem die dreidimensionale Position
des hellen Anteils 2 mit der Messapparatur von 1 aus
dem ermittelten Bild des hellen Anteils 2 (Bild 4 des
hellen Anteils), das mittels Lichtschnitt-Projektion erzeugt wird,
berechnet wird. Bei diesem Verfahren sind die im Stand der Technik
bekannte Weise der Erkennung der Position (u,v) des Punktes p im
ermittelten Bild sowie die Zuverlässigkeit der erhaltenen Daten
signifikante Faktoren, die die Messgenauigkeit stark verändern können. Wie
bereits erwähnt,
wird das tatsächlich
erhaltene Bild 4 des hellen Anteils gewöhnlich als lineare helle Region
mit einer Breite erzeugt. Daher ist es durch Sammeln von Daten einer
ermittelten Lichtintensität
(Luminanz) für
jedes einzelne Pixel entlang einer Abtastlinie des Photodetektors 20 (Abtastlinie
zum Zeitpunkt der Bildaufnahme) und durch Entnehmen der Pixel, deren
Luminanzen eine bestimmte Schwelle übersteigen, möglich, aus
den Daten für
die entnommenen Pixel die ermittelte Position des Bildes 4 von
dem hellen Anteil entsprechend jeder Abtastlinie zu bestimmen, weil
die entnommenen Pixel sich auf der Abtastlinie befinden und Teil des
Bildes 4 von dem hellen Anteil sind.
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3 zeigt
beispielhaft in einem Säulendiagramm
die Luminanzdaten von Pixeln entlang einer Abtastlinie, die über das
Bild 4 von dem hellen Anteil geht. Jede Säulenbreite
im Säulendiagramm
entspricht einem Pixel. Zur Bestimmung der ermittelten Position
des Bildes 4 von dem hellen Anteil, die dieser Abtastlinie
entspricht, aus der Luminanzverteilung wird zunächst eine gewichtete mittlere
Luminanz in Abtastrichtung anhand der Pixel bestimmt, für die Luminanzen
oberhalb der Nachweisgrenze ermittelt wurden, und dann die ermittelte
Position berechnet. Versuchsweise wird angenommen, dass durch Bestimmen
der ermittelten Position auf die obige Weise die ermittelte Position
des Bildes 4 von dem hellen Anteil mit einer Genauigkeit
bestimmt werden kann, die größer ist
als die Pixelbreite. Dadurch verbessert sich die Genauigkeit der
Information über
die dreidimensionale Position, die auf Basis der so bestimmten ermittelten
Position erhalten Tatsächlich
gilt das obige Konzept nicht oft, hauptsächlich weil verschiedene Störungen oder
Anomalien in der Luminanzverteilung für Pixel entlang einer Abtastlinie
erzeugt werden. Befindet sich, genauer gesagt, eine Verfärbung auf
dem Messobjekt oder ist seine Oberflächenrauheit stellenweise ungleichmäßig, entsteht die
Störung
oder Ungleichmäßigkeit
natürlicherweise in
der Reflexionscharakteristik des Messobjekts, die bei Projektion
von Licht darauf beobachtet wird. In einigen Fällen entstehen dadurch beispielsweise
eine Störung
in der Breite (Größe) des
ermittelten Bildes 4 von dem linearen hellen Anteil oder
eine Unterbrechung in dem Bild 4 von dem hellen Anteil
(es gibt keine Pixel, deren Luminanz die Schwelle übersteigt),
oder die Luminanzverteilung entlang einer Abtastlinie ist in zwei
oder mehr aufgespalten (was zu einer Mehrzahl an Luminanzpeaks führt).
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Ist
die Oberfläche
des Messobjekts 1 teilweise spiegelnd, strahlt der auf
das Messobjekt 1 projizierte Lichtschnitt und wird verbreitert,
so dass die Anzahl an Pixeln, deren Luminanz die Schwelle übersteigt,
anomal zunehmen kann. Die Information über die dreidimensionale Position,
die an einer Stelle gemessen wird, an der eine solche Anomalie auftritt, enthält einen
großen
Fehler, wodurch sich die Nachweisgenauigkeit verschlechtert. Die 4a-4c stellen
diese Situationen schematisch dar.
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4 zeigt ein Schema von einem gesamten
ermittelten Bild mit einem Messobjekt-Bild 3 und einem
Bild 4 eines hellen Anteils. Das Bild 4 eines hellen
Anteils erstreckt sich als Ganzes linear. Aus dem obengenannten
Grund kommt es zu einer Störung
in einer mit dem Bezugssymbol A bezeichneten Region. 4b zeigt
eine Vergrößerung der
Region A mit der Störung.
In 4b stellt jedes Quadrat ein Pixel dar. Eine zweistufige
Grauskala zeigt schematisch, ob die ermittelte Luminanz für jedes
einzelne Pixel die Schwelle übersteigt
oder nicht, die zur Bestimmung des Pixels im hellen Anteil verwendet
wird (siehe das Diagramm in 3 und die
Erläuterungen dazu).
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In 4a und 4b verläuft die
Abtastrichtung für
die Bildaufnahme im Bildempfangsgerät von links nach rechts.
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Die
mit B-B bezeichnete Gerade stellt eine Gerade von ermittelten Positionen
dar, die man beobachtete, würde
ein Bild der einfallenden Position des auf das Messobjekt 1 projizierten
Lichtschnitts korrekt ermittelt. Betrachtet man das in 4b gezeigte
Beispiel eingehend, dann sind im oberen linken und im unteren rechten
Abschnitt der Region A, in denen keine Störung vorliegt, eine Gruppe
von Pixeln, deren Luminanzen die Schwelle überschreiten, mit einer bestimmten
Breite linear verteilt.
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Im
mittleren Abschnitt der Region A gibt es jedoch eine Störung in
der oder verschmälernd
die lineare Verteilung von Pixeln, deren ermittelte Luminanzen die
Schwelle überschreiten.
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Zählt man
die Anzahl an Pixeln mit Luminanzen über der Schwelle in Abtastrichtung
(hier von links nach rechts) im Bildempfangsgerät, ist die Anzahl gezählter Pixel
für den
Teil, in dem es Störung gibt,
erheblich kleiner als in dem Teil ohne Störung. Wird die ermittelte Position
auf einem gewichteten Mittel der Luminanzen weniger Pixel berechnet, ist das
Rechenergebnis nicht sehr zuverlässig.
Es besteht daher die Möglichkeit,
dass die ermittelte Position von der Gerade B-B mit den korrekt
ermittelten Positionen stark abweicht. 4c zeigt
die Situation schematisch.
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In 4c bezeichnen
die Symbole C1 und C2 jeweils ein Beispiel für die ermittelte Position,
berechnet auf Basis der Luminanzen ermittelter Pixel (die die Schwellenbedingung
erfüllen),
die entlang der Abtastlinie durch den Teil, der keine Störung enthält, aufgenommen
wurden. Das Symbol C3 gibt ein Beispiel für die ermittelte Position wieder,
die auf Basis von Luminanzen weniger Pixel berechnet wurde. Im Wesentlichen
besteht kein Unterschied zwischen den ermittelten Positionen C1,
C2 und der korrekt ermittelten Gerade B-B (der ermittelten Position,
die die tatsächliche
Lichtschnitt-Auftreffposition widerspiegelt). Im Gegensatz dazu
weicht die ermittelte Position C3 stark von der korrekt ermittelten
Gerade B-B ab.
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Erfindungsgemäß werden
Daten für
die ermittelte Position mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, dass
sie eine solche starke Abweichung verursachen, aus den für die Berechnung
von Information über
die dreidimensionale Position verwendeten Daten entfernt. Dadurch
werden Genauigkeit und Zuverlässigkeit
der Messung besser. Auf Basis dieses Konzepts wird bei dieser Ausführungsform
ein zulässiger
Bereich für
die Anzahl ermittelter Pixel in dem ermittelten Bild pro Abtastlinie
auf Basis der Anzahl ermittelter Pixel (die die Schwellenbedingung
erfüllen (im
folgenden so verwendet)) festgelegt, die für eine Mehrzahl an Abtastlinien
einzeln gezählt
werden. Fällt
die Anzahl ermittelter Pixel für
eine gegebene Abtastlinie in den zulässigen Bereich, wird bestimmt, dass
die ermittelten Pixel auf dieser Abtastlinie korrekte Daten sind,
die zur Messung von Information über
die dreidimensionale Position des Messobjekts verwendet werden können. Ist
dagegen die Anzahl ermittelter Pixel außerhalb des zulässigen Bereichs, wird
bestimmt, dass die ermittelten Pixel keine korrekten Daten sind.
Bei dem Beispiel in 4c werden die ermittelten Positionen
C1, C2 als korrekte Daten zugelassen, aber die ermittelte Position
C3 wird nicht den korrekten Daten zugerechnet, so dass die Ergebnisse
der dreidimensionalen Messung keine unzuverlässigen Daten enthalten. Dadurch
wird eine Verringerung der Messgenauigkeit vermieden.
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Das
Fließschema
in 5 zeigt ein Beispiel für konkrete Verarbeitungsverfahren,
einschließlich der
obengenannten Bestimmung des Vorliegens oder Fehlens korrekter Daten.
Die Verarbeitung erfolgt im Bildverarbeitungsgerät 30, das mit einem Speicher
ausgestattet ist, in dem zuvor erforderliche Programmdaten, Parameterdaten
usw. gespeichert werden. Der Hauptpunkt jedes Schrittes lautet wie folgt:
Im
Schritt S1 wird zunächst
an jeder zur Bildaufnahme verwendeten Abtastlinie im Photodetektor 20 überprüft, ob mindestens
ein Pixel ermittelt wurde, dessen Luminanz die Schwelle übersteigt.
Dann wird eine durchschnittliche Anzahl ermittelter Pixel bestimmt,
die jeweils einzeln auf den Abtastlinien ermittelt wurden, für die jeweils
mindestens ein Pixel ermittelt wurde. Die so bestimmte durchschnittliche
Anzahl ermittelter Pixel wird im folgenden mit Nav bezeichnet.
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Im
Schritt S2 wird ein Bereich für
eine korrekte Anzahl ermittelter Pixel pro Abtastlinie bestimmt. Dazu
werden eine Obergrenze Nmax bzw. eine Untergrenze Nmin anhand der
folgenden Gleichungen (1), (2) berechnet: Nmin = Nav × αmin (1), Nmax = Nav × αmax (2),wobei αmin und αmax korrekte
Minimal- und Maximalverhältnisse
sind, die zuvor als Parameter so eingestellt werden, dass die Beziehungen
0 < αmin < 1 und αmax > 1 erfüllt werden.
Zum Beispiel werden Nav, αmin
und αmax
so eingestellt, dass die Beziehungen Nav = 50, αmin = 0,8 und αmax = 1,2
erfüllt sind.
In diesem Fall variiert die korrekte Anzahl ermittelter Pixel in
einem Bereich von 40 bis 60.
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Ersatzweise
können
die Obergrenze Nmax und die Untergrenze Nmin anhand der folgenden Gleichungen
(3) und (4) berechnet werden: Nmin = Nav – β (3), Nmax = Nav + γ (4),wobei β und γ eine Subtraktionszahl
von Pixeln bzw. eine Additionszahl von Pixeln sind, die zuvor als
Parameter so eingestellt werden, dass die Beziehungen 0 < β und 0 < γ erfüllt werden.
Zum Beispiel werden Nav, β und γ so eingestellt,
dass die Beziehungen Nav = 50, β =
8 und γ =
9 erfüllt
sind. In diesem Fall variiert die korrekte Anzahl ermittelter Pixel
im Bereich von 42 bis 59. Wie bei gewöhnlichen Parametern können die
voreingestellten Werte αmin, αmax oder β, γ geeignet
verändert
werden.
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Im
Schritt S3 wird unter allen Abtastlinien zur Berechnung von Nav
für diejenigen
Abtastlinien, für die
jeweils Pixel ermittelt wurden, deren Anzahl in den zulässigen Bereich
von Nmin bis Nmax fällt,
festgelegt, dass die für
die Pixel auf jeder Abtastlinie ermittelten Luminanzdaten korrekte
Daten sind, die zur Messung von Information über die dreidimensionale Position
des Messobjekts 1 verwendet werden. Dann wird an jeder
Abtastlinie, für
die korrekte Daten erhalten wurden, die bekannte gewichteter-Mittelwert-Verarbeitung mit
Gewichten durchgeführt,
die jeweils proportional zu den ermittelten Lu minanzen der Pixel auf
der Abtastlinie sind, wodurch die ermittelte Position (mittlere
Position) des Lichtschnitts bestimmt wird.
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Im
Schritt S4 erfolgt auf Basis der im Schritt S3 bestimmten Daten über die
ermittelte Position des Lichtschnitts die Berechnung, mit der Information über die
dreidimensionale Position des Messobjekts 1 erhalten wird.
Das Berechnungsergebnis wird gespeichert. Die Information über die
dreidimensionale Position des Messobjekts 1 kann beispielsweise
die Position eines charakteristischen Punktes sein, der für das Messobjekt 1 repräsentativ
ist, die Orientierung einer Oberfläche und/oder die Erstreckungsrichtung
einer Kantenlinie, die die Orientierung des Messobjekts 1 wiedergeben,
die Gestalt eines Profils, die Größe des Profils und dergleichen.
Welcher dieser Parameter aus den in Schritt S3 erhaltenen Ermittlungsdaten
berechnet wird, hängt
von der Anwendung ab. Ein Berechnungsverfahren ist bekannt und betrifft
nicht direkt Merkmale dieser Erfindung. Deshalb werden keine Einzelheiten
des Verfahrens ausgeführt.
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Bei
der oben erläuterten
Ausführungsform erfolgt
die obengenannte Verarbeitung durch das Bildverarbeitungsgerät 30.
Wird ein Roboter verwendet, kann ersatzweise eine Robotersteuerung
auf bekannte Weise als Bildverarbeitungsvorrichtung 30 dienen.
Bei der Ausführungsform
verwendet man die Abtastlinien (parallel zur Hz-Achse in 2),
die zur Bildaufnahme im Photodetektor 20 verwendet werden,
als "Abtastlinien" zum Zählen der
dem hellen Anteil entsprechenden ermittelten Pixel (die die Schwellenbedingung
erfüllen).
Ersatzweise können Linien
verwendet werden, die sich in einer anderen Richtung als die zur
Bildaufnahme im Photodetektor 20 verwendeten Abtastlinien
erstrecken, solange diese Linien nicht zu dem Bild 4 des linearen
hellen Anteils parallel sind. Zum Beispiel können "Abtastlinien" verwendet werden, die parallel zur
Vt-Achse (siehe 2) sind, d.h. senkrecht zu den
zur Bildaufnahme im Photodetektor 20 verwendeten Abtastlinien
sind.