JP4488138B2 - 対象物を測定する際のナビゲーションリンクとして使用するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載した、対象物を測定する際のナビゲーションリンク(Navigationskulisse)として使用するための装置に関する。このようなナビゲーションリンクは、文献の［１］より公知である。国際公開第９１０３７０６号明細書によれば、サイジング(Kalbirierung)のための検査ヘッド及び、触覚式の座標測定装置の測定クオリティ（測定品質）の検査が公知である。
【０００２】
このような形式のナビゲーションリンクは、光学式の３次元座標測定技術の分野で、対象物特に自動車の検査及び位置コントロールにおいて必要とされている。この分野では、提供されたセンサによって限定的な測定量しか得られないので、大きい対象物のための測定データを個々の部分測定からまとめる必要がある。各部分測定の測定データを正確にまとめるためには、種々異なる部分測定の全データのために、多数の測定点から成る、測定対象物に対して相対的に定置の基準値網(Refereznetz）が必要である。数メートルの大きさの測定対象物においては大抵の場合、約１０乃至１５マイクロメートルの位置明確性(Ortsbestimmtheit)が必要である。基準値網を規定するために、測定マークの形状の必要な測定点が設けられている、いわゆるナビゲーションリンクが用いられる。基準値網の測定点を用いて、種々異なる部分測定の各部分図が後で１つの全データセットにまとめられる。
【０００３】
文献［１，２］で挙げた従来の技術によれば、測定マークを大抵の場合測定しようとする対象物に直接取り付けること、つまり一般的に測定しようとする対象物に測定マークを接着すること（例えば［１］の第３．３段には、ナビゲーションリンクがナビゲーションフィールドとして記されている）によって、測定対象物がしばしばその固有のナビゲーションリンクそのものにされている。このような測定マークをこのように取付け及び取り外すことは、従来では多数の測定マークを必要としていたために、非常に時間がかかり、測定対象物の表面のあまり重要でない部分も、接着された測定マークによって覆われていた。さらにまた、測定しようとする対象物の表面は測定マークを光学的に十分正確に測定するためには、しばしば不十分でもある。（測定マークの重要な領域は、典型的な場合では３から１２ミリメートルの直径を有していて、この重要な領域は正確な平面上に取り付けられなければならない。）
さらにまた、小さい対象物のためには測定ケージ(Messkaefig）の形状のナビゲーションリンクを使用することが既に提案されている。しかしながらこのような測定ケージを使用することは、約１立方メートルの空間的な寸法を越えないか又は約２０ｋｇの質量を超えない限りにおいてしか効果的ではない。この限界値を超えると、測定ケージは一方では、扱いにくく、特に搬送するのが困難であって、つまり可動な測定システムの利点が損なわれることになる。他方では、測定ケージの質量を小さく維持しなければならないことによって、測定ケージの形状安定性及びひいては測定点の必要な正確な位置明確性が損なわれる。
【０００４】
測定しようとする対象物が十分小さく、それによって測定ケージの前記欠点を避けることができる場合でも、その他の欠点が生じる。測定しようとする対象物は、既に提案した方法においては測定ケージ内に設置されるので、対象物の下側には測定のためにアクセス（接近）できない。従って完全な測定のためには回転させる必要がある。この場合もちろん、多くのデータセットが生じ、これらのデータセットは、原則として高価な数学的な方法によってしか１つの全データセットにまとめることができない。それによって、測定速度が大きく損なわれ、また同様に測定精度も損なわれる。
【０００５】
そこで本発明の課題は、多数の測定マークを一度につまり全体で、少なくとも測定時間中は安定的に、測定しようとする対象物に対して相対的にそれぞれ定置の空間位置内に配置し、測定しようとする対象物から再び一度に取り外すことができ、それによって対象物の測定可能性が遮蔽によって殆ど影響を受けることがなく、基準値網の必要な形状安定性も全測定時間に亘って保証されるような、容易に搬送可能な装置を提供することである。
【０００６】
本発明の装置の構成は請求項１に記載されている。その他の請求項には、本発明による装置の有利な実施態様及び変化実施例（請求項２乃至９）並びに、本発明による装置を使用した有利な方法及びその変化実施例について記載されている（請求項１０，１１）。
【０００７】
前記課題は本発明によれば、対象物を測定する際のナビゲーションリンクとして使用するための装置であって、格子構造を備えた構成素子が取付けられており、該構成素子に多数の測定マークが取付けられており、該構成素子に多数の接続ウエブが取付けられていて、これらの接続ウエブの、構成素子とは反対側にそれぞれ１つの固定装置が取り付けられていることによって解決された。
【０００８】
対象物を測定するためには、少なくとも１つのこのような装置が、固定装置を用いてその接続ウエブが対象物に固定され、次いで対象物を介して「揺動する」。次いで対象物の測定を、少なくとも１つの装置の格子構造の網目を通して多数の視角から行う。
【０００９】
このような装置及びこのような装置をナビゲーションリンクとして使用することによる重要な利点は、この装置の取付け及び取り外しの操作が簡単で迅速に行うことができるという点にある。さらにまた、１つ又はそれ以上のこのような形式の装置は、測定のために再び使用することができ、そのそれぞれの測定対象物における位置に関連して新たに組み合せることができる。これに対して従来の方法に従って測定対象物に接着された測定マークは、取り外す際に大抵は損傷するか又は完全に破壊され、再び使用することができない。
【００１０】
本発明による装置及びこの装置をナビゲーションリンクとして使用するための方法のさらに重要な利点は、測定しようとする対象物の表面上の重なり合う被覆された又は測定しにくい多くの位置に関連して得られる。測定しようとする対象物の表面上に測定マークを直接取り付ける従来の方法においては、多数の測定マークが必要であることに基づいて、それに相応した数の箇所が測定マークによって覆われるのに対して、本発明による装置を使用した場合には、固定装置が載っている箇所だけ覆われ、この固定装置の数は、必要とされる測定マークの数よりも著しく少ない。格子構造の構成素子によって、測定しようとする対象物に投影される測定影が、測定に不都合な影響を与えることはない。何故ならば、測定影は、多数の視角からの測定に基づいて、固定されているのではなく、ひいては測定結果から算出され得るものだからである。
【００１１】
測定ケージを使用することに対して、このような装置の重要な利点は、特に搬送可能性が良好であって、しかも対象物を測定する際の取り扱いが容易で、ナビゲーションリンクの測定容積、構造及び材料コストに関連して高い安定性が得られるという点にある。これらの利点は、測定しようとする対象物の大きさに比例して大きくなる。
【００１２】
本発明の有利な実施例では、格子構造が、１次元、２次元又は３次元、有利には２次元で構成されており、前記格子構造が、有利には同形状の多数の基本隔室より構成されていて、これらの基本隔室の空間的な寸法が可変であり、及び／又はその数が可変である。このような構造の利点は、構造が簡単で、形状安定性が高く、しかも搬送可能性が容易であるという点にある。さらにまた、基本隔室の、寸法及び数に関連した可変性は、測定しようとするそれぞれの対象物の必要に、装置を最適に合わせることを可能にする。
【００１３】
本発明による装置の別の構成要件によれば、格子構造が直角に構成されている。この構成の利点は、特別に安価な構造費用及びそれと同時に高い形状安定性が得られるという点にある。
【００１４】
この装置の別の有利な構成によれば、格子構造が平らな表面を有していて、格子構造の最小寸法が測定マークの最小寸法と同じであり、該格子構造の面垂線が有利には平行に整列されている。この構成の利点は、この面垂線に取り付けられた測定マークの最適な光学的測定可能性が保証されるという点にある。
【００１５】
本発明による装置の別の有利な構成によれば、格子構造が軽量構造で構成されていて、少なくとも測定マーク幅の複数のレールより組み立てられており、有利には、軽金属有利にはアルミニウム、又は頑丈なプラスチック有利にはＣＦＫ（炭素繊維補強されたプラスチック）より成っているか、又は頑丈な金網より組み立てられていて、該金網に、測定マークの大きさの平らなプレートが有利な形式でその位置を変えられるように取り付けられている。
【００１６】
この軽量構造は、高い搬送可能性を可能にし、必要な形状安定性が保証され、測定マーク幅のレール若しくは、金網上に取り付けられた測定マークの大きさの平らなプレートの可変な位置決め可能性によって、測定しようとする対象物に関連して最適な、格子構造上の測定マーク位置決めの合致が得られる。
【００１７】
前記装置の有利な変化実施例によれば、３つの接続ウエブを有しており、これらの接続ウエブが、有利には互いにできるだけ大きく離れて配置されていて、また有利には、格子構造の旋回中心点から半径方向でできるだけ大きく離れて、測定マークとは反対側の、格子構造の側で格子構造に取り付けられている。
【００１８】
測定しようとする対象物上での格子構造の、接続ウエブを用いた３点固定は、形状安定性及び非緊張性に関連して最適である。接続ウエブの互いの、及び旋回中心点からの可能な最大距離は、形状安定性をさらに高める。
【００１９】
本発明による装置の別の有利な構成要件によれば、接続ウエブがそれぞれ、格子構造に対して相対的なその空間的な位置合わせを調節及び固定するための装置と、その長さを調節及び固定するための装置とを有している。
【００２０】
この構成の利点は、調節装置によって、装置の空間的な位置合わせ及びひいては、装置上に存在する測定マークの空間的な位置合わせが、それぞれの測定課題若しくはそれぞれ測定しようとする対象物に最適に合わせることができる、という点にある。次いで係止（固定）することによって、測定マークの位置明確さは測定時間に亘って保証される。
【００２１】
本発明による装置の特に有利な別の利点は、接続ウエブの空間的な位置合わせを格子構造に対して相対的に調節及び固定するための装置が、係止可能な球継手として構成されており、及び／又は接続ウエブの長さを調節及び固定するための装置が、互いに摺動可能で係止可能なロッド又は互いに摺動可能で係止可能な管として構成されているという点にある。
【００２２】
この構成の利点は、ここでは、一般に知られているように必要な機能性及びそれと同時に、小さい必要スペースで故障しにくさ又は摩耗しにくさを有している、一般に使用される構成素子が用いられるという点にある。
【００２３】
本発明の別の有利な構成によれば、固定装置がそれぞれの接続ウエブで、この接続ウエブに、その空間的な位置合わせを調節及び固定するための装置有利には係止可能な球継手を介して結合されている点にある。
【００２４】
このような構成の利点は、測定しようとする対象物に対して相対的な装置の位置決めが、表面の傾斜とはまったく無関係に、簡単な形式で、装置を対象物上に固定するために望まれる、表面の点で行われるという点にある。
【００２５】
本発明に装置の別の有利な構成要件によれば、固定装置がそれぞれに接続ウエブに、吸盤の形状で、又は磁石式、静電式又は粘着式の付着装置の形状で、又は機械的な固定装置有利には緊締、差込み又はねじ結合の形状で構成されている。この構成の利点は、装置を傷つけることなしに、簡単な形式で測定しようとする対象物に固定することができ、また再びこの対象物から取り外すことができるという点にある。
【００２６】
本発明による装置は特に有利な形式で、対象物を測定するための方法に使用されており、この場合、ナビゲーションリンクを使用して、前記本発明による装置を１つ又はそれ以上使用する場合に、対象物の多数の部分測定を１つの全データセットにまとめる方法において、測定しようとする対象物の寸法が、本発明による装置の寸法と同じかまたはそれよりも小さい場合に、ナビゲーションリンクとして、前記本発明による１つの装置を使用し、測定しようとする対象物の寸法が、前記本発明による装置よりも何倍も大きい場合に、ナビゲーションリンクとして、本発明による装置を多数使用するようにした。
【００２７】
この方法の利点は、測定しようとする対象物を光学式に測定するための、及び種々異なる部分測定からデータセットを自動的にまとめるためのスタンダードルーチン”Standardroutinen”（例えば対象物に測定マークを直接接着する際に用いられる）が、装置をナビゲーションリンクとして使用する場合でも、さらに使用することができるという点にある。つまり、新たなプログラミングの必要も、作業員が習熟する必要もない。しかしながらそれと同時に、装置の説明において既に述べたような利点も、従来のナビゲーションリンクを使用した場合の方法に対して得られる。
【００２８】
本発明の方法の変化実施例によれば、測定しようとする対象物が、約１立方メートルの空間的な寸法を越えない場合に、測定ケージとして構成された３次元の格子構造を備えた前記本発明による装置をナビゲーションリンクとして使用し、測定しようとする対象物を、ナビゲーションリンク内部で接続ウエブを用いて固定するようにした。
【００２９】
このような方法の利点は、（一般的な測定ケージを使用した公知の方法に対して）、測定のために対象物の下側にもアクセスすることができ、完全な測定のために対象物を位置変えする必要はないという点にある。それと同時に、ナビゲーションリンクは、大きさが制限されていることに基づいて容易に搬送可能で、形状安定性がある。
【００３０】
図１には、ナビゲーションシステムとして使用される装置の、寸法的に正しくない概略図が示されている。この装置は、２次元的な格子構造を有する構成素子１より成っており、この構成素子１に多数の測定マーク２が設けられている。またこの構成素子１には多数の接続ウエブ３が取り付けられていて、これらの接続ウエブの、構成素子１とは反対側には、それぞれ１つの固定装置４が取り付けられている。
【００３１】
図２には、寸法的に正しくない概略的に示された接続ウエブ３が示されており、この接続ウエブは、格子構造３１（図示の実施例では係止可能な球継手として概略的に示されている）に対して相対的なその空間的な位置合わせを調節し固定するための装置と、その長さ３２（ここでは互いに入り込むように若しくは入れ子式に摺動可能及び固定可能な管として概略的に示されている）を調節し固定するための装置と、固定装置４とを有している。この固定装置４は、その空間的な位置合わせ３３（ここではその固定可能な球継手の形状をしている）を調節及び固定するための装置を介して接続ウエブ３に結合されている。
【００３２】
構成素子１の格子構造は、２次元的であって、４つの同じ形状の基本隔室１０から、方形の形状を有するように構成されている。基本隔室１０は直角、ここでは正方形に構成されていて、それによって構成素子１の格子構造も直角に構成されている。この実施例では格子構造を備えた構成部分は６０センチメートルの縁部長さを有している。
【００３３】
構成素子１の格子構造は、測定マーク幅(messmarkenbreiten）のレールより成る軽量構造で構成されている（この実施例ではレール幅は２センチメートルである）。レールは全長に亙って平らな表面を有していて、それによって測定マーク２の位置決めのための高い変動性が可能である。レールは、その面垂線が平行に整列されるように配置されている。
【００３４】
格子構造を有する構成素子１には、測定マーク２とは反対側で３つの接続ウエブ３が取り付けられている。各接続ウエブ３はその格子構造に向いた側で、格子構造３１に対して相対的なその空間的な位置合わせを調節及び固定するための装置を有している（図２では概略的に、係止可能な球継手の形状に示されている）。その次にその長さ３２を調整及び固定するための装置が配置されている（図２では互いに入れ子式に互いに摺動及び固定可能な管として概略的に示されている）。構成素子１とは反対側で、各接続ウエブ３は固定装置４を有しており、この固定装置４は、その空間的な位置合わせ３３（ここでは固定可能な球継手として略示されている）を調節及び固定するための装置を介して接続ウエブ３に結合されている。固定装置４は、この実施例では磁石式の付着装置の形状に構成されている。
【００３５】
本発明による装置は、前記実施例では、対象物特に自動車の検査及び位置コントロールを行う際の、光学的で３次元的な座標測定技術のために特に適していることが分かった。このために、多数の装置が対象物に固定されていて、その測定のためのナビゲーションリンクとして使用される。測定自体、及び対象物の様々な部分測定から測定データをまとめるためのコンピュータ技術的な方法も、測定マークを付着した対象物自体がナビゲーションリンクとして用いられる従来の方法とは異なっていない。装置と同じ寸法を有する対象物においては、唯一の装置をナビゲーションリンクとして使用すれば十分である。
【００３６】
図３には、ナビゲーションリンクとして使用するための第２の装置が概略的にまた寸法的に正しくなく示されている。この第２の装置は、測定ケージの形状の３時限的な格子構造を有する１つの構成素子１より成っていて、この構成素子１の全面側に、つまり下側にも測定マーク２が取り付けられている。構成素子１の一面側は、測定しようとする対象物を取り付けるために開放させておくことができる。
【００３７】
図４には、図３により装置に対して相対的な測定しようとする対象物の有利な配置が、概略的にまた寸法的に正しくなく示されている。測定ケージの形状の３次元的な格子構造を有する構成素子１は、略示されているだけであって、従って細い線で示されている。構成素子１には多数の接続ウエブ３が取り付けられており、これらの接続ウエブ３の、構成素子１とは反対側にはそれぞれ１つの固定装置４が取り付けられている。接続ウエブ３は、この実施例では内方に整列されていて、ナビゲーションリンクの中央に測定しようとする対象物を保持し、固定する。これによって、対象物の下側にも測定のためにアクセス（接近）可能であって、その完全な測定のために対象物を配置変えする必要はない。アクセス可能性は、スタンドとして用いられる（図４では破線で示されている）別の接続ウエブ５によって高めることができる。
【００３８】
本発明による装置は、この第２実施例では、約１立方メートルまでの大きさの容積を有する小さい対象物の光学的な３次元座標測定技術のための特に適していることが分かった。
【００３９】
本発明は図示の実施例のみに限定されるものではなく、その他の実施例にも転用することができる。
【００４０】
例えば、２次元の格子構造の代わりに、１つ又は多数の１次元の格子構造を使用することも考えられる。このような１次元の格子構造は、例えば１つ又は多数の組み合わされた、測定マーク幅のレール（基本隔室）より成っており、このレールの一方側には多数の測定マークが取り付けられている。これは、測定しようとする対象物の周囲に提供された空間が非常に制限されている場合に有利であって、それと同時に装置の搬送性能がさらに改善される。
【００４１】
また別の３次元的な格子構造、つまり例えば測定しようとする対象物（例えば車両ボディ）から大きく突き出る小さい部分対象物（例えばサイドミラー）を（少なくとも一方側が開放する）ケージ(Kaefig)の形状で取り囲む格子構造も考えられる。このような「部分」ケージは、測定しようとする対象物よりも著しく小さいので、簡単な形式で頑丈にもまた搬送可能にも構成することができる。
【００４２】
さらにまた、格子構造を方形の基本隔室より構成するのではなく、例えば等辺三角形又は二等辺三角形の形状に構成するか、又はまったく別の幾何学的な形状より構成することも可能である。
【００４３】
装置の寸法、特に格子構造の寸法及び基本隔室の寸法も、図示の実施例で挙げられた値に限定されるものではない。その他の固定寸法を有する装置も、またその寸法のための調節可能性を有する装置も考えられる。これは例えば、互いに摺動可能で固定可能なレールから構成することもできる。
【００４４】
また、格子構造を軽量であるが頑丈な材料より成る軽金属例えば炭素繊維補強されたプラスチック（ＣＦＫ）より構成することも考えられる。別の可能性は、頑丈な金網より構成し、この金網に、測定マークの大きさのプレートが可変な位置に固定される。
【００４５】
また、固定装置が、測定しょうとする対象物を傷つけないような簡単な形式で再び解除可能であれば、各固定装置は装置の構成部分であってよい。吸盤、磁石、静電式又は粘着式の付着装置も考えられる。或いは又測定しようとする対象物に適しているのであれば、機械的な固定装置例えば、緊締、差込み又はねじ込み結合の形状も考えられる。
【００４６】
さらにまた、測定マークを、構成素子の一方側又は選択された側に設けるのではなく、多数の側又はすべての側に設けることも考えられる。これは、次のような３次元の構成素子、つまり測定しようとする対象物が内部に存在していて、測定が多くの空間方向から構成素子の格子構造を通って、構成素子の内側の測定マークも考慮することができるような３次元の構成素子において、特に有利である。
【００４７】
文献
［１］ R. Malz; "Ein neues optisches 3D-Messsystem fuer Reverse Engineering", Tagungsband der Fachtagung "Qualitaet und Mikrotechnik", 30./31.10.1997, Buchs, Schweiz「アール．マルツ著”リバースエンジニアリングのための光学式の３Ｄ測定システム”、専門会議の会議テープ”クオリティ及びマイクロ技術”、３０．／３１．１０．１９９７，ブックス、スイス」
［２］ ドイツ連邦共和国特許公開第１９５３６２９４号明細書
【図面の簡単な説明】
【図１】 ２次元的な格子構造を有する本発明による装置の有利な第１実施例を示す図である。
【図２】 図１に示した装置の構造的な詳細を示す図である。
【図３】 ３次元的な格子構造を有する本発明による装置の有利な第２実施例を示す図である。
【図４】 図３に示した装置に対して相対的な、測定しようとする目的物の有利な配置を示す図である。

Claims (11)

1. 対象物を光学式に測定する際のナビゲーションリンクであって、
   格子構造を備えた構成素子（１）が取付けられており、該構成素子（１）に多数の測定マーク（２）が取付けられており、該構成素子（１）に多数の接続ウエブ（３）が取付けられていて、これらの接続ウエブ（３）の、構成素子（１）とは反対側にそれぞれ１つの固定装置（４）が取り付けられており、格子構造が平らな表面を有していて、複数のレールより成っており、該レールの幅が測定マーク（２）の幅と同じであり、該格子構造の面垂線が平行に整列されていることを特徴とする、対象物を測定する際のナビゲーションリンクとして使用するための装置。
2. 格子構造が、１次元、２次元又は３次元で構成されており、前記格子構造が、同形状の多数の基本隔室（１０）より構成されていて、これらの基本隔室の空間的な寸法及び／又はその数が可変である、請求項１記載のナビゲーションリンク。
3. 格子構造が直角に構成されている、請求項１又は２記載のナビゲーションリンク。
4. 格子構造が軽量構造で構成されていて、少なくとも測定マーク幅の複数のレールより組み立てられており、軽金属又は頑丈なプラスチックより成っているか、
   又は頑丈な金網より組み立てられていて、該金網に、測定マークの大きさの平らなプレートがその位置を変えられるように取り付けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のナビゲーションリンク。
5. ３つの接続ウエブ（３）を有しており、これらの接続ウエブ（３）が、互いにできるだけ大きく離れて配置されていて、また格子構造の旋回中心点から半径方向でできるだけ大きく離れて、格子構造の、測定マーク（２）とは反対側で格子構造に取り付けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のナビゲーションリンク。
6. 接続ウエブ（３）がそれぞれ、格子構造（３）に対して相対的なその空間的な位置合わせを調節及び固定するための装置と、その長さ（３２）を調節及び固定するための装置とを有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のナビゲーションリンク。
7. 格子構造（３１）に対して相対的な接続ウエブの空間的な位置合わせを調節及び固定するための装置が、係止可能な球継手として構成されており、及び／又は接続ウエブ（３２）の長さを調節及び固定するための装置が、互いに摺動可能で係止可能なロッド又は互いに摺動可能で係止可能な管として構成されている、請求項６記載のナビゲーションリンク。
8. 固定装置（４）がそれぞれの接続ウエブ（３）で、この接続ウエブ（３）に、その空間的な位置合わせ（３３）を調節及び固定するための装置が係止可能な球継手を介して結合されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のナビゲーションリンク。
9. 固定装置（４）がそれぞれ接続ウエブ（３）に、吸盤の形状で、又は磁石式、静電式又は粘着式の付着装置の形状で、又は機械的な固定装置が、緊締結合式、差込み結合式又はねじ結合式の装置として構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のナビゲーションリンク。
10. 対象物を光学式に測定するための方法であって、ナビゲーションリンクを使用して、対象物の多数の部分測定を１つの全データセットにまとめる方法において、
    測定しようとする対象物の寸法が、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置と同じかまたはそれよりも小さい場合に、請求項１から９までのいずれか１項記載のナビゲーションリンクを１つ使用し、
    測定しようとする対象物の寸法が、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置よりも何倍も大きい場合に、請求項１から９までのいずれか１項記載のナビゲーションリンクを多数使用することを特徴とする、対象物を光学式に測定するための方法。
11. 測定しようとする対象物が、１立方メートルの空間的な寸法を越えない場合に、測定ケージとして構成された３次元の格子構造を備えたナビゲーションリンクを使用し、測定しようとする対象物を、ナビゲーションリンク内部で接続ウエブ（３）を用いて固定する、請求項１０記載の方法。

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