SE524582C2 - Ett avläsarsystem och ett förfarande för att bestämma koordinaterna för ytan av ett tredimensionellt objekt - Google Patents

Description

20 25 30 35 524 582 TEKN|KENs sTANDPuNKT I den europeiska patentansökan nr EP 1 036 515 A2 visas en scannerstation som är kopplad till en fräsmaskin. Scannern är anordnad så att den kan avläsa koordinaterna för ytan av en fot och fräsmaskinen är anordnad så att den tar fram en innersula till en sko utgående från de avlästa koordinaterna från foten. Scan- nerstationen innefattar en första Iaserenhet som är anordnad att röra sig längs med fotens undersida. Laserenheten sänder ut en laserlinje som reflekteras i foten och den reflekterade laserlinjen detekteras av en sensor. Genom mätning av var på sensorn den reflekterade linjen hamnar, kan koordinaterna för fotens yta be- räknas. Under tiden som laserenheten rör sig längs med foten förflyttas laserlinjen och hela ytan av fotens undersida kan mä- tas.

Scannerstationen innefattar dessutom en andra och en tredje la- serenhet som är anordnade för att mäta ytan på var sin sida av foten. Den andra och den tredje laserenheten är anordnade på samma sätt som den första och är flyttbara längs med hela foten för att kunna mäta hela fotens längd. Tillsammans kan de tre la- serenheterna mäta tre av fotens sidor. Nackdelen med den ovan beskrivna scannerstationen är att den är långsam, tung, klumpig och skrymmande. I vissa tillämpningar behöver scannern trans- porteras mellan olika platser. Det är då fördelaktigt om scanner- stationen är liten och lätt att bära med sig.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett avläsarsystem som är snabbt, billigt, väger litet och tar liten plats.

Detta ändamål uppnås med ett avläsarsystem enligt uppfinningen såsom det definieras i patentkravet 1. 10 15 20 25 30 35 524 582 , .nu .u un: Genom att man samtidigt genererar flera linjer som reflekteras i olika delar av objektet kan mätningen av de olika delarna av ob- jektet ske parallellt i tiden och därmed blir mätförfarandet mycket snabbt. Tack vare att flera delar av objektet mäts samtidigt blir sträckan kortare som belysningsenheten måste förflyttas längs med objektet för att hela objektet ska kunna mätas. Eftersom sträckan som belysningsenheten måste förflyttas blir kortare, kan hela avläsarsystemet göras kortare och därmed erhålles ett litet och kompakt system. Avläsarsystemet blir därmed robust, stabilt och dess kalibrering kan bibehållas efter det att den har trans- porterats.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är avläsarsy- stemet anordnat så att de genererade linjerna belyser objektet med väsentligen parallella linjer. Därmed underlättas mätningen av objektet.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är belys- ningsenheten anordnad att samtidigt generera åtminstone tre synliga linjer avsedda att reflekteras i skilda delar av objektet. Ju fler delar av objektet som kan mätas samtidigt desto snabbare blir förfarandet och desto kortare blir sträckan som belysnings- enheten måste förflyttas under mätningen. Antalet linjer som be- höver användas beror till stor del på tillämpningen, men för att väsentlig minskning av tiden för mätningen och storleken på sy- stemet skall erhållas, bör antalet linjer vara minst tre.

Enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen är sensorn och belysningsenheten anordnade så att vinkeln mellan sensorns mätriktníng och belysningsenheten är mellan 20° och 50°. En så- dan vinkel mellan sensorn och belysningsenheten ger en optimal noggrannhet i mätningen i förhållande till objektets geometri. Vil- ken vinkel som sedan väljs inom intervallet beror på objektets geometri.

Enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen är belysnings- enheten och sensorn monterade på en bärarenhet, varvid bärar- 10 15 20 25 30 35 524 582 4 enheten dels är anordnad rörlig i en riktning längs med objektet och dels är anordnad roterbar i förhållande till objektet. Med för- del är bärarenheten anordnad rörlig i en riktning längs med ob- jektets Iängdaxel och bärarenheten är anordnad roterbar kring en axel som är väsentligen parallell med objektets Iängdaxel. Istället för att flera belysningsenheter anordnas som mäter var sin sida av objektet anordnas en belysningsenhet som är roterbar i förhål- lande till objektet. På så sätt kan de olika sidorna mätas med en och samma belysningsenhet som bara roteras till en ny position innan den mäter nästa sida av objektet. Att bara behöva en be- lysningsenhet är fördelaktigt ur ekonomisk synvinkel och dess- utom kan avläsarsystemet därför göras ännu mindre och kompak- tare.

Enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen är bärarenhe- ten är anordnad inställbar i åtminstone två fördefinierade vinkel- lägen motsvarande läget hos två av objektets sidor. Med fördel är de fördefinierade vinkellägena minst tre. Genom att bäraren- heten är anordnad inställbar i ett antal fördefinierade vinkellägen som motsvarar läget hos objektets sidor, kan man snabbt skifta mellan att mäta objektets olika sidor och skiftet kan även göras automatiskt.

Enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen innefattar den ett reflekterande organ anordnat att reflektera åtminstone huvud- delen av de från belysningsenheten genererade linjerna i riktning mot objektet. Företrädesvis är det reflekterande organet monterat på den rörliga bärarenheten. Genom att linjerna reflekteras innan de belyser objektet, kan avståndet mellan objektet och belys- ningsenheten vara kortare, vilket medför att avläsarsystemet kan göras ännu mindre och ännu mer kompakt. 10 15 20 25 30 35 524 582 Enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen innefattar av- läsarsystemet ett reflekterande don anordnat att reflektera åt- minstone någon av de från objektet reflekterade linjerna i riktning mot sensorn. Med fördel är det reflekterande donet anordnat att reflektera de från objektets kortsida reflekterade linjerna i rikt- ning mot sensorn. Företrädesvis är det reflekterande donet an- ordnat fixt i förhållande till objektet. Ett sådant arrangemang gör det möjligt att samtidigt mäta både den sida av objektet som är vänd mot sensorn och någon annan sida av objektet som vetter bort från sensorn.

Enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen innefattar kali- breringssystemet kalibreringsmedel anpassade för att kalibrera varje linje var för sig i beroende av ett antal kalibreringstabeller.

Genom att kalibrera varje laserlinje för sig med hjälp av kalibre- ringstabeller som är speciellt framtagna för varje individuell la- serlinje, erhålls en optimal kalibrering, vilket i sin tur medför en förbättrad noggrannhet vid bestämningen av koordinaterna.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla ett förfarande för att bestämma koordinater hos ytan av ett tredimen- sionellt objekt, vilket förfarande är snabbt och enkelt att använ- da. Detta ändamål uppnås med en metod enligt uppfinningen så- som det definieras i patentkravet 11.

FIGURBESKRIVNING Föreliggande uppfinning ska nu förklaras med hjälp av olika så- som exempel beskrivna utföringsformer och med hänvisning till de bifogade ritningarna.

Figur 1 visar ett avläsarsystem enligt en utföringsform av uppfin- ningen. 10 15 20 25 30 35 524 582 6 u ,, m» Figur 2 visar ett antal linjer av synligt ljus så som de detekteras av sensorn.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Figur 1 visar ett avläsarsystem anordnat för att bestämma ett an- tal koordinater för ytan hos ett tredimensionellt objekt 1. Avläsar- systemet innefattar en belysningsenhet 2 anordnad att samtidigt generera ett flertal linjer 3a-3c av synligt ljus, vilka är avsedda att reflekteras i olika delar av objektet, en sensor 5 anordnad att detektera de från objektet 1 reflekterade synliga linjerna 6a-6c och en beräkningsenhet 7 anpassad för att beräkna koordinater- na för ytan beroende av de detekterade linjerna. Belysningsen- heten 2 utgörs i detta utföringsexempel av en laser, exempelvis en diodlinjelaser, och benämns fortsättningsvis laserenheten 2.

Linjerna som genereras av laserenheten 2 benämns fortsätt- ningsvis för laserlinjer.

Laserlinjerna sänds ut i skilda riktningar mot ett reflekterande or- gan i form av en första spegel 9 ooh reflekteras i den första spe- gel 9 i riktning mot objektet 1. Laserenheten 2 och den första spegeln 9 är anpassade i förhållande till varandra och objektet så att de via spegeln 9 reflekterade laserlinjerna belyser olika delar av objektet. Laserenheten 2 är anordnad så att objektet belyses med väsentligen parallella linjer och med väsentligen samma av- stånd mellan linjerna. Antalet utsända laserlinjer är minst tre och med fördel minst tio. Vinkeln mellan de utsända laserlinjerna och placeringen av laserenheten 2 och spegeln 9 i förhållande till ob- jektet ska vara sådan att alla laserlinjerna träffar var sin del av objektet. Om samma objekt ska mätas med ett större antal laser- linjer, måste således avståndet mellan laserlinjerna minskas.

Laserenheten 2, sensorn 5 och den första spegeln 9 är montera- de på en rörlig bärarenhet 10. Bärarenheten 10 är anordnad rör- lig i en riktning x längs med objektets sida. Avläsarsystemet in- nefattar en motorenhet 12 anordnad att linjärt förflytta bäraren- heten 10. Om objekten, vilkas ytor avläsarsystemet är avsett att 10 15 20 25 30 35 n ... 524 582 7 avläsa, har en längd som väsentligen överstiger objektets bredd är bärarenheten anordnad rörlig i en riktning längs med objektets längdaxel. Den sträcka som bärarenheten 10 behöver röra sig i förhållande till objektet för att kunna avläsa hela objektet motsva- rar avståndet mellan två närbelägna laserlinjer. Således blir den sträcka som bärarenheten behöver förflyttas mindre när antalet laserlinjer ökar.

Om bärarenheten förflyttas en sträcka som är längre än avstån- det mellan laserlinjerna, kommer mätningarna att överlappa var- andra. I detta utföringsexempel är det att föredra om mätningar- na inte överlappar varandra. Varje laserlinje är avsedd att avläsa en mindre del av en större sammanhängande del av objektets yta och tillsammans avläser laserlinjerna hela den sammanhängande delen av objektet. Denna större sammanhängande yta utgör lämpligen en sida av objektet och de mindre delytorna utgör ett antal i längdriktningen efter varandra följande delytor av sidan.

Samtidigt som laserlinjerna förflyttas utmed objektet avläses de reflekterade linjernas kurvatur med hjälp av sensorn 5. Sensorn är med fördel en CCD-sensor (Charge Coupled Device). Linjer- nas läge på sensorn utgör ett mått på avståndet till objektet.

Sensorn och laserenheten bör anordnas så att vinkeln mellan sensorns mätriktning och laserenhetens längdaxel blir mellan 20° och 50°. Det exakta värdet på vinkeln bestäms i beroende av önskad noggrannhet och objektets geometri. I detta utföringsex- empel är vinkeln mellan sensorn 5 och laserenheten 2 cirka 45°.

Under avläsningen förflyttas bärarenheten 10 längs med objek- tets ena sida. Flera av objektets sidor kan mätas med samma ut- rustning genom att bärarenheten med laserenhet och sensor ro- teras så att laserlinjerna belyser de övriga sidorna. Bärarenheten 10 i figur 1 är monterad på en roterbar axel 14. Den roterbara axeln 14 är anordnad väsentligen parallell med objektets längd- axel. Bärarenheten är anordnad roterbar mellan ett antal lägen som motsvarar läget för åtminstone några av objektets sidor. Om objektet exempelvis har tre långsidor och en kortsida som ska 10 15 20 25 30 35 524 582 8 H tu avläsas, är bärarenheten 10 och den roterbara axeln 14 anord- nade så att bärarenheten är inställbar i åtminstone tre fördefinie- rade vinkellägen som motsvarar läget hos de tre Iångsidorna hos objektet. På så sätt kan man i snabb följd mäta alla tre långsi- dorna. Mellan mätningarna av två sidor roteras bärarenheten så att nästa sida kan mätas och under mätningen förflyttas bäraren- heten linjärt längs med sidan.

För att samtidigt kunna mäta ytterligare en sida av objektet är den första spegeln 9 anordnad så att åtminstone någon av laser- linjerna, exempelvis laserlinjen 3a, reflekteras i riktning mot en första sida 1a hos objektet och åtminstone någon av laserlinjer- na, exempelvis Iaserlinjerna 3b, 3c, reflekteras i riktning mot en andra sida 1b hos objektet. Sidan 1b angränsar till sidan 1a. Hu- vuddelen av sidan 1b vetter mot sensorn 5, medan huvuddelen av sidan 1a vetter bort från sensorn. De laserlinjer 6c som re- flekteras i den del av objektet som vetter mot sensorn kommer att direkt träffa sensorn 5. l syfte att styra de laserlinjer 6a, 6b, som reflekteras i den del av objektet som vetter bort från sensorn 5, i riktning mot sensorn är ett reflekterande don, i form av en spe- geln 16, anordnad i närheten av den första sidan 1a hos objektet.

Spegeln 16 är placerad fixt i förhållande till objektet, d.v.s. den är inte anordnad på den rörliga bärarenheten. Spegeln 16 är an- ordnad så att den tar emot laserlinjer 3a som har reflekterats i objektets första sida 1a och laserlinjer 3b som har reflekterats i sidan 1b i en riktning bort från sensorn 5 och reflekterar de i ob- jektet reflekterade laserlinjerna 6a, 6b i riktning mot sensorn 5.

Figur 2 visar ett exempel på hur det kan se ut när Iaserlinjerna träffar sensorn efter att ha reflekterats i objektet. I figur 2 visas tio laserlinjer. Sensorn detekterar laserlinjernas position i y-led och z-led. För varje laserlinje detekteras laserlinjens position för ett antal mätpunkter på linjen. Mätpunktens position i y-led på sensorn motsvarar punktens position i y-led på objektet. Mät- punktens position i z-led på sensorn motsvarar punktens position i z-led på objektet. De tre första Iaserlinjerna i figur 2 är kortare än de övriga sju linjerna. Det beror på att de tre första laserlin- 10 15 20 25 30 35 '524 582 9 jerna härrör från sidan 1a av objektet som har en kortare ut- sträckning i y-led och att de övriga linjerna härrör från sidan 1b av objektet som har en längre utsträckning i y-led.

Punktens position i x-led erhålls genom att sensors förflyttning i x-led under mätningen är känd. Sensorn detekterar mätpunktens position i enheten pixel. En pixel motsvarar sensorns tvådimen- sionella upplösning. Från sensorn erhålls således ett antal mät- punkter med två koordinater (y, z) i form av ett antal pixlar. Des- sa mätvärden måste sedan kalibreras och omvandlas till Sl-en- heten meter, eller företrädesvis till enheten millimeter. Kalibre- ringen av sensorn går till så att ett objekt med känd geometri sätts in i avläsarsystemet och dess yta avläses. För var och en av laserlinjerna avläses ett stort antal mätpunkter. I beroende av de avlästa mätvärdena på koordinaterna (y, z) och kända värden för koordinaterna hos objektets yta beräknas ett antal kalibre- ringskontanter som kan användas för att både kalibrera mätvär- dena och omvandla dem från pixlar till millimeter. I detta utfö- ringsexempel beräknas kalibreringskonstanten genom att de kän- da värdena för koordinaterna divideras med mätvärdena för ko- ordinaterna. När ett mätvärde senare ska kalibreras, multiplice- ras mätvärdet med kalibreringskonstanten.

Det räcker inte att avvända en och samma kalibreringskonstant för alla laserlinjerna eller för alla mätpunkter på samma linje, ef- tersom sensorn uppför sig olika beroende på var på sensorn mät- ningen sker. För varje laserlinje upprättas därför en kalibrerings- tabell med ett stort antal kalibreringskonstanter. Var och en av laserlinjerna har således en egen tabell med kalibrerings- konstanter. Om det inte finns värden (y, z) i kalibreringstabellen som exakt motsvarar värdena på y och z för den mätpunkt som ska kalibreras, väljs två eller flera näraliggande punkter och det kalibrerade värdet interpoleras fram med utgångspunkt från des- sa kalibreringskonstanter för dessa näraliggande punkter.

När mätningen är avslutad finns för varje laserlinje ett antal mät- värden som tillsammans motsvarar en del av objektets yta, en så 10 15 20 25 30 35 _s24 582* io kallad delyta. Ett problem i samband med kalibreringen är hur man ska kunna veta vilken laserlinje som hör till vilken kalibre- ringstabell. En matchning mellan laserlinje och kalibreringstabell måste således utföras. Ett sätt att lösa detta problem är att prova alla tabellerna tills man har funnit den kombination av laserlinjer och kalibreringstabeller som ger den bäst sammanhängande ytan, d.v.s. en yta som inte har några abrupta ändringar i höjdled (z-led) vid Övergångarna mellan delytorna.

Kalibreringen går till så att koordinaterna (y, z) efter avslutad mätning beräknas för var och en av ytorna med hjälp av flera el- ler alla kalibreringstabellerna. Därefter beräknas avståndet i höjdled (z-led) mellan intill varandra angränsande ytor för olika kombinationer av tabeller. Den kombination av tabeller som ger den minsta höjdskillnaden mellan ytorna uppskattas och används sedan för att utföra kalibreringen. Denna uppskattning kan utfö- ras med hjälp av någon känd minimeringsmetod, exempelvis minsta kvadrat-metoden. För de linjer som härrör från sidan 1a, som är vänd bort från sensorn måste man först kompensera för förflyttningen i x-led, innan kalibreringen och matchningen av ka- libreringstabellerna kan ske.

Kalibreringen och de övriga beräkningarna utförs med fördel av programvara som körs på en dator. Beräkningsenheten 7 inne- fattar en processor och minnen och kan antingen vara monterad i direkt anslutning till de övriga enheterna i avläsarsystemet eller utgöras av en extern dator.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsformerna utan kan varieras och modifieras inom ramen för de efterföljande kraven. Exempelvis kan bärarenheten förflyttas en sträcka som är längre än avståndet mellan laserlinjerna så att mätningarna överlappar varandra, varvid de överlappande mätningarna an- vänds för att bestämma vilken laserlinje och kalibreringstabell som hör ihop.

Claims (16)

10 15 20 25 30 35 524 582 11 . . . « u. . nu o PATENTKRAV

1. Ett avläsarsystem anordnat för att bestämma koordinater för ytan hos ett tredimensionellt objekt (1), varvid avläsarsyste- met innefattar en belysningsenhet (2) anordnad att generera en linje av synligt ljus avsedd att reflekteras i objektet, en sensor (5) anordnad att detektera den från objektet reflekterade linjenoch en beräkningsenhet (7) anpassad för att beräkna koordinaterna beroende av den detekterade linjen, kännetecknat av att belys- ningsenheten (2) är anordnad så att den samtidigt genererar ett flertal synliga linjer (3a-3c) som är avsedda att reflekteras i olika delar av objektet, att belysningsenheten (2) är anordnad så att linjerna sänds ut i skilda riktningar mot ett reflekterande organ (9) anordnat att reflektera åtminstone huvuddelen av de genere- rade linjerna i riktning mot objektet, att sensorn (2) är anordnad att detektera de reflekterade linjerna (6a-6c) och att beräknings- enheten (7) är anpassad för att beräkna koordinaterna för ytan i beroende av de detekterade linjerna.

2. Ett avläsarsystem enligt krav 1, kännetecknat av att avlä- sarsystemet är anordnat så att de genererade linjerna belyser objektet med väsentligen parallella linjer.

3. Ett avläsarsystem enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att belysningsenheten (2) är anordnad att samtidigt generera åtmin- stone tre synliga linjer (3a-3c) avsedda att reflekteras i skilda delar av objektet.

4. Ett avläsarsystem enligt något av kraven 1-3, kännetecknat ay att sensorn (5) och belysningsenheten (2) är anordnade så att vinkeln mellan sensorns mätriktning och belysningsenheten är mellan 20° och 50°. 10 15 20 25 30 35 524 582 12

5. Ett avläsarsystem enligt något av föregående krav, känne- tecknat av att belysningsenheten (2) och sensorn (5) är montera- de på en bärarenhet (10), varvid bärarenheten dels är anordnad rörlig i en riktning (x) längs med objektet och dels är anordnad roterbar i förhållande till objektet.

6. Ett avläsarsystem enligt krav 5, kännetecknat av att bärar- enheten (10) är anordnad rörlig i en riktning längs med objektets längdaxel och att bärarenheten är anordnad roterbar kring en axel (14) som är väsentligen parallell med objektets längdaxel.

7. Ett avläsarsystem enligt krav 5 eller 6, kännetecknat av att bärarenheten (10) är anordnad inställbar i åtminstone två fördefi- nierade vinkellägen motsvarande läget hos två av objektets si- dor.

8. Ett avläsarsystem enligt något av föregående krav, känne- tecknat av att det innefattar ett reflekterande don (16) anordnat att reflektera åtminstone någon av de från objektet reflekterade linjerna i riktning mot sensorn.

9. Ett avläsarsystem enligt krav 8, kännetecknat av att nämn- da reflekterande don (16) är anordnat att reflektera den eller de från objektets kortsida reflekterade linjerna i riktning mot sen- sorn.

10. Ett avläsarsystem enligt krav 8 eller 9, kännetecknat av att det innefattar kalibreringsmedel anpassade för att kalibrera varje linje var för sig i beroende av ett antal kalibreringstabeller.

11. Förfarande för att bestämma koordinater hos ytan av ett tre- dimensionellt objekt, innefattande att: - ett antal linjer av synligt ljus, avsedda att belysa olika delar av objektet, genereras samtidigt och sänds ut i skilda rikt- ningar, - linjerna reflekteras i riktning mot objektet, - linjerna reflekteras i objektet, 5 10 15 20 25 524 582 13 - de av objektet reflekterade linjerna detekteras, och - koordinaterna för ytan beräknas i beroende av de detekterade linjerna.

12. Förfarande enligt krav 11, varvid åtminstone tre synliga lin- jer avsedda att reflekteras l skilda delar av objektet genereras.

13. Förfarande enligt något av kraven 11 och 12, varvid de ge- nererade linjerna belyser objektet med väsentligen parallella lin- jer.

14. Förfarande enligt något av kraven 11-13, varvid linjerna för- flyttas i förhållande till objektet samtidigt som de reflekterade lin- jerna detekteras och den sträcka som linjerna förflyttas motsva- rar väsentligen avståndet mellan linjerna när de reflekteras i ob- jektet.

15. Förfarande enligt något av kraven 11-14, varvid linjerna för- flyttas utmed en första sida av objektet och koordinaterna för den första sidan beräknas, varefter linjerna förflyttas utmed en andra sida av objektet och koordinaterna för den andra sidan beräknas.

16. Förfarande enligt något av kraven 11-15, varvid var och en av linjerna kalibreras var för sig med användning av ett antal ka- libreringstabeller som var och en är anpassad till någon av linjer- na.