WO2006084691A1 - Vorrichtung zum dreidimensionalen scannen von objekten - Google Patents

Vorrichtung zum dreidimensionalen scannen von objekten Download PDF

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying

Definitions

  • the invention relates to a device for the three-dimensional scanning of objects moved past a stationary optical sensor, with a six-legged slide designed as a hexapod for receiving the object to be scanned.
  • the invention is based on the invention to provide a cost-effective and easy-to-use device for performing a scanning process.
  • the device according to this task is characterized according to the invention in that the object is arranged on a turntable supported by the hexapod.
  • the additional turntable disposed on the hexapod it is particularly easy to move the object to be scanned past the optical sensor by utilizing the six degrees of freedom of the slide.
  • the use of the additional turntable enables a simple and fast rotation of the object to be scanned by 360 °, whereas the rotation of a slide carried only by the six hexapod legs is limited to 30 ° to 40 °, since then the hexapod legs obstruct each other.
  • the optical sensor is designed as a light section sensor. Such sensors have proven to scan three-dimensional objects.
  • the hexapod invention is designed as a manually adjustable passive hexapod, the legs are preferably designed exclusively adjustable in length. Due to the proposed manual adjustability, the use of expensive and maintenance-intensive servo and spindle drives can be dispensed with.
  • the length adjustability of the legs of the hexapod is inventively preferably effected via a spring mechanism arranged in the legs.
  • the sensors of these components are arranged on both the legs of the hexapod and on the turntable of the slide.
  • these sensors are designed as counting pulses recording encoder.
  • the turntable has a locking device for fixing the object to be scanned so as to fix the object to be scanned on the slide and thus in relation to the optical sensor.
  • the locking device is designed as a clamping device.
  • the locking device is designed as a magnetically acting holding device.
  • the device shown in the figure for the three-dimensional scanning of moving past a stationary optical sensor objects consists essentially of a frame 1, arranged on the frame 1 slide 2 and a fixed in the frame 1 and arranged on the slide 2 optical sensor.
  • the designed as a hexapod slide 2 consists of six exclusively length-adjustable legs 4 and carried by the legs 4 of the Hexapoden turntable 5.
  • the turntable 5 further comprises a locking device 6 for fixing the object to be scanned.
  • the locking device 6 is designed as a clamping device in which an object to be scanned is fixed by clamping.
  • the locking device 6 for example, as a magnetically acting holding device.
  • the movements of these components 4, 5 detecting sensors 7 are arranged on the legs 4 of the hexapod and on the turntable 5. These sensors 7 are preferably designed as counting pulses recording encoder.
  • the apparatus for three-dimensionally scanning objects moved past a stationary optical sensor operates as follows:
  • the object to be scanned for example a dental denture impression, is fixed on the locking device 6 of the slide 2 in order to connect it immovably to the slide 2.
  • the preferably designed as a two-dimensional measuring light-section sensor optical sensor 3 is fixedly arranged in the frame 1 of the scanning device, that it is always aligned with the fixed in the locking device 6 object.
  • the object to be scanned is moved by rotating the turntable 5 as well as shortening and lengthening the length-adjustable legs 4 of the hexapod on the optical sensor 3 so that it detects the object to be scanned from all sides.
  • the counting pulses recorded by the measuring sensors 7 on the legs 4 of the hexapod and on the turntable 5 are converted into three-dimensional spatial coordinates by means of software, which determine the position of the object to be scanned with respect to the reproduce the optical sensor 3.
  • These three-dimensional spatial coordinates are correlated with the respectively corresponding two-dimensional information of the optical sensor 3 and a three-dimensional representation is generated directly from these correlated data which can be displayed to the user of the scanning device directly on a monitor 8, for example, via a data line 9 connected to the scanning device.
  • This immediate representation of the scan as a three-dimensional representation allows the user to check immediately during the scanning process, whether the object to be scanned was completely, that is, completely captured. Should the user discover when viewing the displayed three-dimensional representation that there are still gaps in the measurement data, this representation shows him directly where the measurement data gaps exist, so that these gaps can be rescanned immediately and selectively.
  • the illustrated and described apparatus for three-dimensional scanning of objects moved past a stationary optical sensor is thus characterized in that it enables the user to check the scan process for completeness directly.
  • the scanning device is easy to handle and inexpensive to manufacture due to the manual operation of the slide 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Scannen von an einem ortsfesten optischen Sensor (3) vorbeibewegten Objekten, mit einem zur Aufnahme des zu scannenden Objekts dienenden, als Hexapoden ausgebildeten sechsbeinigen Objektträger (2). Um eine Vorrichtung zu schaffen, die bei kostengünstigem Aufbau eine einfach zu handhabende Durchführung eines Scannverfahrens ermöglicht, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass das Objekt auf einem von dem Hexapoden getragenen Drehteller (5) angeordnet ist.

Description

Vorrichtung zum dreidimensionalen Scannen von Objekten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Scannen von an einem ortsfesten optischen Sensor vorbeibewegten Objekten, mit einem zur Aufnahme des zu scannenden Objekts dienenden, als Hexapoden ausgebildeten sechsbeinigen Objektträgers.
Aus der Praxis sind verschiedene Verfahren zum Scannen dreidimensionaler Objekte bekannt, bei denen das zu scannende Objekt an einem ortsfesten optischen Sensor, beispielsweise einem Lichtschnittsensor vorbeibewegt wird. Bei diesen bekannten Verfahren werden die von dem Scanner erfassten Informationen am Ende des gesamten Scanvorgangs ausgewertet und als dreidimensionale Darstellung wiedergegeben. Insbesondere beim Scannen unbekannter Objekte, bei denen kein Vergleich von abgespeicherten Soll-Werten und aktuell erfassten Ist-Werten erfolgen kann, besteht die Gefahr, dass wirkliche alle Messpunkte des zu scannenden Objekts vom Scanner erfasst wurden. Wenn bei der Auswertung am Ende des Scanvorgangs festgestellt wird; dass einzelne Teilbereiche des Objekts nicht oder nicht vollständig erfasst wurden, ist es fast unmöglich, diese im Mikrometerbereich liegenden Bereich exakt anzufahren, um ein gezieltes Nachscannen durchzuführen.
Zum Tragen und Führen der zu scannenden Objekte ist es beispielsweise aus der US 2003/0081717 A1 bekannt, einen als Hexapoden ausgebildeten sechsbeinigen Objektträger zu verwenden, der aufgrund seiner Geometrie eine Bewegung des Objekts in allen sechs Freiheitsgraden ermöglicht. Der Aufbau und die Handha- bung dieser bekannten Hexapoden, deren Beine servogesteuerte Spindelantriebe aufweisen, ist jedoch außerordentlich kostenintensiv und kompliziert.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die A u f g a b e zugrunde, eine kostengünstige und einfach zu handhabende Vorrichtung zur Durchführung eines Scannverfahrens zu schaffen.
Die vorrichtungsmäßige L ö s u n g dieser Aufgabenstellung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Objekt auf einem von dem Hexapoden getragenen Drehteller angeordnet ist. Durch die Verwendung des auf dem Hexapoden angeordneten zusätzlichen Drehtellers ist es besonders einfach, das zu scannende Objekt unter Ausnutzung der sechs Freiheitsgrade des Objektträgers an dem optischen Sensor vorbeizubewegen. Die Verwendung des zusätzlichen Drehtellers ermöglicht eine einfache und schnelle Rotation des zu scannenden Objekts um 360°, wohingegen die Rotation eines nur von den sechs Hexapodenbeinen getragenen Objektträgers auf 30° bis 40° beschränkt ist, da sich dann die Hexapoden- beine gegenseitig behindern.
Gemäß einer praktischen Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der optische Sensor als Lichtschnittsensor ausgebildet ist. Derartige Sensoren haben sich zum Scannen dreidimensionaler Objekte bewährt.
Um den Aufbau und die Handhabung des als Hexapoden ausgebildeten Objektträgers kostengünstig und einfach zu gestalten, ist der erfindungsgemäße Hexapod als manuell verstellbarer passiver Hexapod ausgebildet, dessen Beine vorzugsweise ausschließlich längenverstellbar ausgebildet sind. Durch die vorgeschlagene manuelle Verstellbarkeit kann auf den Einsatz teurer und wartungsintensiver Ser- vo- und Spindelantriebe verzichtet werden.
Die Längenverstellbarkeit der Beine des Hexapoden ist erfindungsgemäß vorzugsweise über einen in den Beinen angeordneten Federmechanismus bewirkbar. Alternativ ist es auch möglich, die Beine des Hexapoden hydraulisch oder pneumatisch längenverstellbar auszubilden. Zur Ermittlung der räumlichen Lage des zu scannenden Objekts im Bezug zum optischen Sensor sind sowohl an den Beinen des Hexapoden als auch am Drehteller des Objektträgers die Bewegungen dieser Bauteile erfassende Messaufnehmer angeordnet. Vorzugsweise sind diese Messaufnehmer als Zählimpulse aufzeichnende Encoder ausgebildet.
Weiterhin wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass der Drehteller eine Arretiervorrichtung zum Festlegen des zu scannenden Objekts aufweist, um so das zu scannende Objekt am Objektträger und somit in Relation zum optischen Sensor zu fixieren. Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Arretiervorrichtung als Einspannvorrichtung ausgebildet.
Schließlich wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass gemäß einer alternativen Ausgestaltungsform die Arretiervorrichtung als magnetisch wirkende Haltevorrichtung ausgebildet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum dreidimensionalen Scannen von an einem ortsfesten optischen Sensor vorbeibewegten Objekten nur beispielhaft in einer perspektivischen Ansicht dargestellt ist.
Die in der Abbildung dargestellte Vorrichtung zum dreidimensionalen Scannen von an einem ortsfesten optischen Sensor vorbeibewegten Objekten besteht im Wesentlichen aus einem Rahmen 1 , einem auf dem Rahmen 1 angeordneten Objektträger 2 sowie einem ortsfest im Rahmen 1 angeordneten und auf den Objektträger 2 ausgerichteten optischen Sensor 3.
Der als Hexapod ausgebildete Objektträger 2 besteht aus sechs ausschließlich längenverstellbaren Beinen 4 sowie einem von den Beinen 4 des Hexapoden getragenen Drehteller 5. Wie aus der Abbildung ersichtlich, weist der Drehteller 5 weiterhin eine Arretiervorrichtung 6 zum Festlegen des zu scannenden Objekts auf.
Die Kombination der paarweise Anordnung der um 120° versetzt zueinander angeordneten ausschließlich längenverstellbaren Beine 4 mit dem von den Beinen 4 getragenen Drehteller 5 ermöglicht eine Bewegung eines in der Arretiervorrichtung 6 fixierten Objektes um alle sechs Freiheitsgrade im Bezug zum ortsfest im Rahmen 1 angeordneten optischen Sensor 3. Um einerseits die Handhabung zu erleichtern und andererseits die Fertigungs- und Wartungskosten zu minimieren ist der Hexapod als passiver, das heißt ausschließlich manuell verstellbarer Hexapod ausgebildet.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Arretiervorrichtung 6 als Einspannvorrichtung ausgebildet, in der ein zu scannendes Objekt klemmend festlegbar ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Arretiervorrichtung 6 beispielsweise als magnetisch wirkende Haltevorrichtung auszubilden.
Um die räumliche Lage des auf dem Objektträger 2 angeordneten zu scannenden Objekts im Bezug zum optischen Sensor 3 erfassen zu können, sind an den Beinen 4 des Hexapoden und am Drehteller 5 die Bewegungen dieser Bauteile 4, 5 erfassende Messaufnehmer 7 angeordnet. Diese Messaufnehmer 7 sind vorzugsweise als Zählimpulse aufzeichnende Encoder ausgebildet.
Die Vorrichtung zum dreidimensionalen Scannen von an einem ortsfesten optischen Sensor vorbeibewegten Objekten arbeitet wie folgt:
Zu Beginn des Scanvorgangs wird das zu scannende Objekt, beispielsweise ein zahnmedizinischer Gebissabdruck, auf der Arretiervorrichtung 6 des Objektträgers 2 fixiert, um dieses unverrückbar mit dem Objektträger 2 zu verbinden.
Der vorzugsweise als zweidimensional messender Lichtschnittsensor ausgebildete optische Sensor 3 ist ortsfest so in dem Rahmen 1 der Scanvorrichtung angeordnet, dass dieser immer auf das in der Arretiervorrichtung 6 festgelegte Objekt ausgerichtet ist.
Anschließend wird das zu scannende Objekt durch Drehen des Drehtellers 5 sowie Verkürzen und Verlängern der längenverstellbaren Beine 4 des Hexapoden so am optischen Sensor 3 vorbeibewegt, dass dieser das zu scannende Objekt von allen Seiten erfasst. Um dem Benutzer der Scanvorrichtung ein Überprüfen des Scanvorgangs auf Vollständigkeit zu ermöglichen, werden die von den Messaufnehmern 7 an den Beinen 4 des Hexapoden sowie am Drehteller 5 aufgezeichneten Zählimpulse mittels einer Software in dreidimensionale Raumkoordinaten umgerechnet, die die Lage des zu scannenden Objekts im Bezug zum optischen Sensor 3 wiedergeben. Diese dreidimensionale Raumkoordinaten werden mit den jeweils korrespondierenden zweidimensionalen Informationen des optischen Sensors 3 in Korrelation gesetzt und aus diesen korrelierten Daten unmittelbar in Echtzeit eine dreidimensionale Darstellung erzeugt, die dem Benutzer der Scanvorrichtung beispielsweise direkt auf einem Monitor 8 angezeigt werden kann, der über eine Datenleitung 9 mit der Scanvorrichtung verbunden ist.
Diese unmittelbare Darstellung des Scanvorgangs als dreidimensionale Darstellung ermöglicht es dem Benutzer sofort während des Scanvorgangs zu überprüfen, ob das zu scannende Objekt vollständig, das heißt lückenlos erfasst wurde. Sollte der Benutzer bei der Betrachtung der angezeigten dreidimensionale Darstellung feststellen, dass noch Lücken in den Messdaten vorhanden sind, so zeigt ihm diese Darstellung direkt, wo die Messdatenlücken vorliegen, so dass diese lückenhaften Teilbereiche sofort und gezielt noch einmal nachgescannt werden können.
Die dargestellte und beschriebene Vorrichtung zum dreidimensionalen Scannen von an einem ortsfesten optischen Sensor vorbeibewegten Objekten zeichnet sich somit dadurch aus, dass sie dem Benutzer eine unmittelbare Überprüfung des Scanvorgangs auf Vollständigkeit ermöglicht. Darüber hinaus ist die Scanvorrichtung einfach zu handhaben und aufgrund des manuellen Betriebs des Objektträgers 2 kostengünstig zu fertigen.
Bezugszeichenliste
1 Rahmen
2 Objektträger
3 optischer Sensor
4 Bein
5 Drehteller
6 Arretiervorrichtung
7 Messaufnehmer
8 Monitor
9 Daten Ie itung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum dreidimensionalen Scannen von an einem ortsfesten optischen Sensor (3) vorbeibewegten Objekten, mit einem zur Aufnahme des zu scannenden Objekts dienenden, als Hexapoden ausgebildeten sechsbeinigen Objektträgers (2), dad u rch gekennzeichnet, dass das Objekt auf einem von dem Hexapoden getragenen Drehteller (5) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (3) als Lichtschnittsensor ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der He- xapod als ausschließlich manuell verstellbarer passiver Hexapod ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine (4) des Hexapoden ausschließlich längenverstellbar ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenver- stellbarkeit der Beine (4) des Hexapoden über einen Federmechanismus bewirkbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine (4) des Hexapoden hydraulisch längenversteilbar ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beine (4) des Hexapoden pneumatisch längenverstellbar ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den Beinen (4) des Hexapoden und am Drehteller (5) die Bewegungen dieser Bauteile (4, 5) erfassende Messaufnehmer (7) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messaufnehmer (7) als Zählimpulse aufzeichnende Encoder ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehteller (5) eine Arretiervorrichtung (6) zum Festlegen des zu scannenden Objekts aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiervorrichtung (6) als Einspannvorrichtung ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Arretiervorrichtung (6) als magnetisch wirkende Haltevorrichtung ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Monitor (8) zur unmittelbaren dreidimensionalen Darstellung des gescannten Objektabschnitts.
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