WO2015124780A1 - Vorrichtung zum erfassen eines dreidimensionalen objekts - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Erfassen eines dreidimensionalen Objekts mit einem optischen Sensorsystem, welches mindestens einen optischen Sender und mindestens einen optischen Empfänger aufweist, wobei der optische Sender derart ausgebildet ist, dass er in einen zu erfassenden Messbereich ein vorgegebenes Punktemuster projiziert und der optische Empfänger zum Erfassen eines von dem dreidimensionalen Objekt reflektierten Abbilds des Punktemuster ausgebildet ist, und mit einem Datenverarbeitungssystem, welches aus dem erfassten Abbild des Punktemusters ein dreidimensionales Datenmodell ermittelt, ist ein Objektträger mit einem gitterförmigen Tragelement vorgesehen, auf dem das zu erfassende Objekt anordenbar ist, und das Sensorsystem ist an einer Bewegungsbahn gegenüber dem Objektträger bewegbar angelenkt, die sich vorzugsweise ober- und unterhalb des Tragelements erstreckt.

Description

Vorrichtung zu m Erfassen eines dreid imensionalen Objekts

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines d reid imensionalen Objekts mit einem optischen Sensorsystem , welches mindestens einen optischen Sender und mindestens einen optischen Empfänger aufweist, wobei der optische Sender derart ausgebildet ist, dass er in einen zu erfassenden Messbereich ein vorgegebenes Pun ktemuster projiziert und der optische Empfänger zu m Erfassen eines von dem d reid imensionalen Objekt reflektierten Abbilds des Punktemuster ausgebildet ist, und mit einem Datenverarbeitungssystem, welches aus dem erfassten Abbild des Punktemusters ein d reid imensionales Daten modell ermittelt.

Eine derartige Vorrichtung ist unter anderem in der Schrift WO200812021 7 besch rieben und dient dazu , Bewegungen und Gesten eines menschlichen Benutzers von einem Computersystem zu m Zwecke der Programmsteuerung zu erkennen . Bei einer solchen Vorrichtung wird das Sensorsystem, welches zusätzlich noch mit einem Motor zu m Neigen oder Schwenken des Sensors zur Vergrößerung des Beobachtungsfensters versehen sein kann , in der Regel an einem festen Standort aufgestellt und n immt Tiefenbilder und vor allem Bewegungen von Benutzern und Objekten im Beobachtungsfenster auf.

Derartige großwinkelig wirkende Sensorsysteme sind heute relativ preiswert am Markt verfügbar und es existieren hierfür eine Vielzah l von Treibern und Programmbibliotheken für untersch iedliche Rechnerplattformen . Allerd ings sind Tiefenbereich und Ortsauflösung solcher Sensoren relativ beschrän kt und der Anwendungsbereich ist daher entsprechend eingesch ränkt.

Daneben existieren Scanner zu m Erfassen dreid imensionaler Objekte, welche d ie zu erfassenden Objekte zeilenweise abtasten und vermessen . Solche Scanner arbeiten vergleichsweise langsam und sind zudem von Aufbau und programmtechnischer Datenverarbeitung her aufwendig und somit teuer.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin , eine Vorrichtung und ein Verfahren zu m Erfassen eines dreid imensionalen Objekts anzugeben , welche einerseits bei geringem Aufwand h insichtlich der erforderlichen Datenverarbeitung qualitativ hochwertige Ergebn isse bei guter Auflösung liefert, anderseits kostengünstig herzustellen ist.

Die Aufgabe wird h insichtlich der Vorrichtung gelöst durch d ie Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens du rch die Merkmale des Anspruch 12. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen .

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorrichtung einen Objektträger mit einem gitterförmigen Tragelement u mfasst, auf dem das zu erfassende Objekt anordenbar ist, und dass das Sensorsystem an einer Bewegungsbahn gegenüber dem Objektträger bewegbar angelenkt ist, d ie sich vorzugsweise ober- und unterhalb des Tragelements erstreckt.

Nach einem Grundgedanken der Erfindung wird ein großwinkelig wirkender Tiefensensor an sich bekannter Art nicht etwa fest montiert, u m bewegte Objekte in einem Beobachtungsfenster zu beobachten , sondern wird selbst bewegbar an einer Bewegungsbahn angelen kt, die sich vorzugsweise ober- und unterhalb des Tragelements erstreckt. Somit kann das Sensorsystem entlang der Bewegungsbahn u m ein ruhendes Objekt herumgeführt werden , um dies von möglichst allen Seiten zu erfassenden .

H ierbei ergibt sich insbesondere d ie Schwierigkeit, ein auf einem Objektträger ruhendes Objekt auch von unten zu erfassen und zu vermessen . Dies gelingt dadu rch , dass das Objekt auf einem Objektträger mit einem gitterförmigen Tragelement angeordnet wird . Der Erfindung liegt nämlich d ie überraschende Erkenntnis zugrunde, dass ein gitterförmiges Tragelement von dem Sensorsystem n icht erfasst wird und somit für dieses unsichtbar ist, obwohl d ie Abmessungen der das gitterförmige Tragelement bildenden Stru ktu ren größer als d ie rechnerische Auflösung des Sensorsystems sein können .

Die Bewegungsbahn kann beispielsweise in der Art einer Sch ienenführung ausgebildet sein , d ie sich in einer vorzugsweis elliptisch gebogenen Ku rve um den Mittelpun kt des Objektträgers erstreckt und an der entlang das Sensorsystem bewegbar ist, u m einen Polarwinkelbereich von bis zu 1 80 Grad u m das Objekt zu besch reiben . Die Sch ienenführung kann ih rerseits u m eine Mittelachse um den Objektträger schwenkbar ausgebildet sein , so dass mit dem Sensorsystem gleichzeitig ein Azimutwin kelbereich von bis zu 360 Grad u m das Objekt abfahren werden kann . Auf d iese Weise wird ermöglicht, dass das Objekt mit dem Sensorsystem von nahezu allen Seiten erfasst werden kann .

I m allgemeinen Fall soll der Begriff Bewegungsbahn im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch jede beliebige Bewegungsvorrichtung umfassen , wie etwa einen Roboterarm, mit der das Sensorsystem auf einer vorgegebenen bzw. vorgebbaren Bahnku rve um ein auf dem Objektträger platziertes Objekt bewegbar ist.

Die Bewegung des Sensorsystems kann dabei manuell erfolgen , vorzugsweise ist jedoch ein Antrieb für das Sensorsystem vorgesehen , welcher das Sensorsystem automatisiert entlang der Bewegungsbahn bewegt. Damit kann das Sensorsystem vorzugsweise allseitig u m das zu erfassende Objekt bewegt werden .

Erfindungsgemäß weist das Sensorsystem also zu mindest einen Tiefensensor auf, mit dem in dessen Messbereich jeweils der Abstand einzelner Punkte auf der Oberfläche des zu erfassenden Objekts zu m Tiefensensor ermittelt werden kann , so dass aus einer Vielzahl einzelner Punkte d ie Oberflächenkontu r des Objekts und daraus die Form des Objekts ermittelt werden kann .

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform arbeitet der Tiefensensor nach einem Messprinzip, welches du rch Aussenden sogenannten struktu rierten Lichts charakterisiert und als solches aus der eingangs genannten Sch rift bekannt ist. U m unnötige Wiederholungen zu vermeiden , wird hiermit zu r näheren Erläuterung des Messverfahrens auf d ie WO200812021 7 vollinhaltlich Bezug genommen .

I m Prinzip beruht dass Messverfahren unter Verwendung strukturierten Lichts darauf, dass das Pun ktemuster von einer idealerweise pun ktförmigen Lichtquelle mit einem vorbekannten Divergenzwin kel in den Messbereich projiziert wird . Der Divergenzwinkel kann dabei insbesondere du rch eine im optischen Sender enthaltene Linsenoptik, also ein entsprechend geeignetes Projektor-Objektiv, defin iert sein . Dieses mit einem Divergenzwinkel projizierte Punktemuster wird auf dem zu erfassenden Objekt gegenüber einer Projektion auf einer planen Leinwand verzerrt abgebildet bzw. reflektiert. Du rch Vergleich des vom optischen Empfänger, z. B. einem CCD-Sensor, erfassten Abbilds des Punktemusters und eines Referenz-Punktemusters kann mit Hilfe eines Triangulationsverfahrens ein Tiefenbild berechnet werden . Als Referenz-Punktemuster d ient h ierbei beispielweise das bekannte Abbild des projizierten Pun ktemusters auf einer in bekanntem Abstand von dem optischen Sender aufgestellten planen Leinwand . Dieses kann im Vorfeld messtechnisch ermittel und in der Datenverarbeitungseinheit gespeichert sein , lässt sich aber natü rlich ebenso auch rechnerisch ermitteln .

Nach einer alternativen Ausführungsform kann der Tiefensensor auch nach dem Prinzip der Lichtlaufzeitmessung arbeiten , wofür er zumindest eine Lichtquelle, beispielsweise Infrarotlichtquelle, und einen Empfangssensor, vorzugsweise eine Kamera , aufweist, der das von dem Objekt bzw. von einem Objektpunkt reflektierte Licht der Lichtquelle erfasst. Solche Sensoren werden auch als TOF- Kamera (Time-of-Flight) bezeichnet. Die Zeitdauer zwischen der Aussendung des Lichts und dem Empfang des reflektierten Lichts wird für einzelne Objektpunkte ermittelt, wodu rch der Abstand der einzelnen Objektpunkte zu m Sensor und aus der Bewegung des Sensors relativ zu m Objekt der Abstand einzelner Objektpun kte zueinander bestimmt werden kann .

Mit den genannten Abstands-Messverfahren , also entweder mittels Triangu lation oder mittels TOF-Messung , kann vorzugsweise eine gerichtete Punktewolke, ein so genannter„Voxelspace", allgemein Sensordaten , ermittelt werden , d ie zu m Erzeugen eines digitalen d reidimensionalen Datenmodells d ient, dass das er- fasste Objekt zumindest vereinfacht darstellt. Es wird also vorzugsweise ein d igitales Modell aus der Geometrie des zu erfassenden d reid imensionalen Objekts anhand eines Flächen- und Volu menmodells erzeugt. Als d reidimensionales Daten modell im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll insbesondere eine d reid imensionale Gittergraph ik aus sogenannten Voxeln , daneben aber auch eine Darstellung des erfassten Objekts als Höhenfeld oder d reid imensionale Hü llfläche verstanden werden . Die Gründe dafür, dass das gitterförmige Tragelement für das verwendete Messverfahren weitestgehend unsichtbar ist, liegen nach Erkenntnissen der Erfindung in einer Kombination unterschiedlicher Effekte begründet. Zum einen liegt dies an der starken Krümmung, d.h. dem sehr kleinen Krümmungsradius der das Tragelement bildenden Strukturen, wie z.B. Drähten. Dieser bewirkt, dass Lichtpunkte, die auf eine solche Struktur auftreffen, mit hoher Wahrscheinlichkeit in einem Winkel weg von dem Sensorsystem reflektiert werden und somit vom Sensorsystem nicht erfasst werden können. Dieser Effekt bewirkt eine Art optische Maskierung bzw. Tarnkappeneffekt, ähnlich der Tarnkappentechnik zur Unterdrückung einer Radarortung.

Ein weiterer Grund liegt in der Art der Datenverarbeitung. Um nämlich einen Ab- standsdatenwert, beispielsweise in Form eines sogenannten Voxels (volumetric pixel), zu ermitteln, müssen mindestens drei benachbarte Lichtpunkte detektiert werden. Vereinzelte Lichtpunkte, deren im Referenzmuster unmittelbar benachbarte Lichtpunkte nicht detektiert werden und somit in der Auswertung fehlen, werden verworfen. Ebenso werden zu weit entfernte Lichtpunkte, sogenannte Ausreißer, die also von den benachbarten Lichtpunkten um mehr als eine vorgegebene Maximaldistanz entfernt liegen, verworfen. Entsprechende Lücken bzw. Löcher im Erkennungsmuster werden dann durch Interpolation geschlossen. Eine derartige Vorverarbeitung, bei der vereinzelte Lichtpunkte und/oder Ausreißer verworfen werden, geschieht bereits in einer in handelsüblichen Sensorsystemen standardmäßig verbauten Vorverarbeitungseinheit. Bei der Vorverarbeitungseinheit handelt es sich um einen digitalen Signalprozessor oder eine vergleichbare Recheneinheit, der bzw. die die genannte Signalvorverarbeitung ausführt.

Das Erfordernis der Messdatenverarbeitung, dass stets mindestens drei benachbarte Lichtpunkte detektiert werden müssen, um einen Abstandswert zu ermitteln, macht nun die Detektion einer drahtförmigen Struktur durch das Sensorsystem weiter unwahrscheinlich, da es kaum vorkommt, dass tatsächlich drei Lichtpunkte einen Draht so treffen können, dass sie zu dem Sensorsystem zurückreflektiert und dort detektiert werden.

Die Kombination dieser Effekte bzw. Maßnahmen führt nun dazu, dass die Strukturen des gitterförmigen Tragelements in dem von dem Sensorsystem er- zeugten Tiefenbild nicht enthalten sind , so dass eine aufwändige rechnerische Nachbearbeitung zu r Entfernung der Gitterstruktu ren n icht erforderlich ist. Dies schließt natü rlich n icht aus, dass eine entsprechende Bildnachbearbeitung zur Entfernung gegebenenfalls dennoch auftretender„Schatten" oder Fragmentmuster der Gitterstruktu ren n icht dennoch zusätzlich ausgeführt wird .

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin , dass das Sensorsystem in einer definierten Bahn ku rve u m ein zu erfassendes Objekt bewegt wird . Es steht also n icht nur ein einzelnes Tiefenbild des zu erfassenden Objektes zur Verfügung, sondern eine Vielzah l von aufeinanderfolgenden Bildern , d ie das Objekt jeweils aus einer etwas anderen Perspektive abbilden . Daher lässt sich zu jedem Detail des Objekts stets mindestens ein Tiefenbild finden , auf dem d ieses verdeckungsfrei dargestellt wird . Aus der Gesamtheit der aufeinanderfolgen Einzelbilder lässt sich du rch rechnerisches Zusammenfügen in der anschließenden Datenverarbeitungseinheit ein hochgenaues, verschattungsfreies, d reid imensionales Daten modell des Objektes erzeugen . Dieses Daten modell enthält dabei d ie exakten Winkel, Längen , Breiten , Rundungen etc. des erfass- ten Objekts, und sei dessen Form noch so komplex, und damit alle Informationen , d ie ansonsten nur eine d reidimensionale Konstruktionszeichnung unter Verwendung eines CAD-Systems liefern könnte.

U nter Verwendung eines handelsüblichen Tiefensensors der besch riebenen Art lässt sich auf diese Weise, nach der überraschenden Erkenntn is der Erfindung, ein Datenmodell erzeugte, dass eine wesentlich höhere Abbildungs- bzw. Detailgenauigkeit aufweist, als dies aufgrund der Abbildungseigenschaften und Auflösung des verwendeten Tiefensensors anhand von statisch aufgenommenen Einzelbildern zu erwarten wäre.

I m Rahmen der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt, dass mit dem Sensorsystem in zeitlicher Abfolge wäh rend einer Bewegung u m das zu erfassende Objekt zwischen 5 und 120, vorzugsweise zwischen 20 und 60 Tiefenbilder pro Sekunde aufgezeichnet werden . Die Auflösung der Einzelbilder beträgt hierbei ungefähr 640 x 480 Bildpunkte und entspricht somit in etwa der VGA-Auflösung. Möglich und im Rah men der vorliegenden Erfindung ebenfalls vorgesehen ist aber auch der Einsatz verbesserter Tiefensensoren z. B. mit einer Auflösung entsprechend 1 080p, also etwa 1 920 x 1 080 Bildpunkten . Der Abstand des Sensorsystems von dem zu erfassenden Objekt wird vorzugsweise im Bereich zwischen 30 und 1 00 cm, weiter bevorzugt zwischen 35 und 50 cm gewäh lt. H ierdu rch wird nach Erkenntn issen der Erfindung die beste Erfassungsgenau igkeit erreicht. Bei größeren Abständen n immt d ie Auflösung deutlich ab, bei geringeren Abständen ist eine störungsfreie Erfassung mit den verfügbaren Tiefensensoren n icht mehr gewäh rleistet. Du rch Verwendung eines Weitwinkel-Objektivs vor dem optischen Sender lässt sich der Erkennungsabstand jedoch noch weiter verringern und damit die Auflösung steigern .

Der Wellenlängenberiech , in dem der Tiefensensor arbeitet liegt vorzugsweise im Infrarotbereich , vorzugsweise zwischen 700 und 1 600 nm, weiter bevorzugt zwischen 750 und 1 000 n m. Somit sind die von dem Sensorsystem erzeugten Punktemuster für menschliche Benutzer n icht wah rnehmbar.

Bei einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird in dem Sensorsystem neben dem besch riebenen Tiefensensor zusätzlich eine herkömmliche RGB- Kamera eingesetzt, d ie zweidimensionale, farbige Videobilder erzeugt. Mit ih rer H ilfe ist es möglich , dem von dem Tiefensensor erzeugten Tiefenbild das farbige Videobild der RGB-Kamera sozusagen überzustülpen und so zu einem farbgetreuen , d reidimensionalen Daten modell des zu erfassenden Objekts zu gelangen .

Der Winkelbereich , der von dem Sensorsystem abgedeckt wird und damit der Divergenzwinkel des Sensorsystems bzw. dessen Erfassungsfenster in horizontaler und vertikaler Richtung, besch rieben durch einen Polar- und einen Azimutwin kel , beträgt vorzugsweise jeweils meh r als 20 Grad , weiter vorzugsweise zwischen 30 bis 70 Grad in horizontaler und zwischen 20 bis 60 Grad in vertikaler Richtung.

Nach einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel u mfasst der erfindungsgemäße Objektträger als Tragelement ein Drahtgitter, auf dem das zu erfassende Objekt anordenbar ist. Ein solches Drahtgitter weist eine Vielzahl von Durchbrüchen zwischen benachbart zueinander verlaufenden Drähten auf, während d ie du rch d ie Drähte gebildete Struktu r ein Gitter darstellen . Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden für das Drahtgitter Drähte mit kreisförmigem oder ovalem Querschnitt verwendet. Drähte mit einem solchen Querschn itt sind aufgrund des ih res kleinen Krü mmungsrad ius von dem Sensorsystem quasi n icht sichtbar, da auftreffende Lichtpun kte mit hoher Wahrschein lichkeit vom Sensorsystem wegreflektiert werden und somit vom optischen Empfänger nicht erfasst werden können .

Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadu rch aus, dass d ie Maschenweite des Drahtgitters zwischen 3mm und 50mm beträgt, während vorzugsweise Drähte des Drahtgitters eine Drahtstärke < 1 mm aufweisen . Diese Maschenweite und Drahtstärke des Drahtgitters ist so gewäh lt, dass das Drahtgitter von dem Sensorsystem nicht miterfasst wird .

Nach einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Drahtgitter Drähte auf, deren Oberfläche schwarz ist und/oder eine Besch ichtung aus einem n icht reflektierenden Material aufweist. Damit kann d ie Eigenschaft des Drahtgitters verbesset werden , vom Sensorsystem nicht miterfasst zu werden .

Ein nach einem Ausführungsbeispiel bevorzugtes Drahtgitter weist Drähte aus Stah l und/oder Kunststoff auf. Solche Drähte besitzen eine ausreichende Reißfestigkeit, so dass auf dem Drahtgitter bzw. dem Tragelement angeordnete Objekte, gegebenenfalls auch mit höherem Gewicht, sicher getragen werden . Außerdem wird du rch die ausreichende Reißfestigkeit der verwendeten Drähte sichergestellt, dass das Drahtgitter n icht oder nu r in geringem Maße von dem Gewicht des darauf angeordneten Objekts ausgelenkt wird . Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn auf dem Drahtgitter gleichzeitig meh rere Objekte angeordnet und mit dem Sensorsystem erfasst werden sollen .

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Objektträgers sind auf dem Tragelement, insbesondere dem Drahtgitter, so genannte Marker angebracht, damit das Drahtgitter vom Sensorsystem erkannt bzw. miterfasst werden kann , wodurch d ie bekannte Struktu r des Drahtgitters aus den ermittelten Sensordaten , insbesondere softwaremäßig, elimin iert werden kann . Somit ist es auch dann möglich , d ie auf dem Tragelement aufliegende Oberfläche des zu erfassenden Objekts durch d ie Durchbrüche in dem Tragelement mit zu erfassen , wenn das Tragelement von dem Sensorsystem miterfasst wird . Ein Ausführungsbeispiel des Objektträgers mit dem Drahtgitter zeichnet sich dadu rch aus, dass es einen Rah men aufweist, an dem das Drahtgitter bzw. die Drähte des Drahtgitters befestigt sind .

Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Objektträger anstelle eines gitterförmigen Tagelements eine für Lichtsignale des optischen Senders im wesentlichen transparente Trägerplatte, vorzugsweise Glasplatte, mit einer Brechzah l n> 1 aufweisen . Die Trägerplatte erlaubt d ie Erkennung und Vermessung des Objektes aufgrund ihrer transparenten Eigenschaft. Jedoch erscheint das Objekt aufgrund der Brechungseigenschaft der Trägerplatte weiter von dem Sensor entfern zu liegen also bei d irekter Vermessung ohne Trägerplatte und wü rde daher im ermittelten dreid imensionalen Daten modell auf seiner Unterseite gestaucht oder eingedrückt wiedergegeben . Daher ist in d iesem Fall das Datenverarbeitungssystem ausgebildet, bei der Ermittlung des d reid imensionalen Daten modells eine win kelabhängige Korrektur von du rch d ie Trägerplatte hindu rch bestimmten Abstandswerten vorzuneh men . Eine solche Korrektu r ließe sich beispielsweise mittels einer Lookup-Tabelle implementieren .

Nach einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel können an der Bewegungsbahn zu mindest zwei Sensorsysteme bewegbar angeordnet sein , d ie vorzugsweise unabhängig voneinander bewegbar sein können , so dass beispielsweise ein Sensorsystem der Oberseite und das andere Sensorsystem der Unterseite des Objektträgers zugeordnet sind . Allgemein wäre es den kbar, dass jeweils ein Sensorsystem jeweils einen bestimmten Anteil , beispielsweise die Hälfte, des Objekts erfasst.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie zusammen klappbar ausgebildet ist, u m sie auf einfache Art und Weise transportieren zu können . Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann also transportabel ausgebildet sein . Fü r d ie Zusammenklappbarkeit der Vorrichtung kann vorzugsweise vorgesehen sein , d ie Bewegungsbahn und den Objektträger in einer Ebene anzuordnen , wodu rch sich ein flaches Packmaß ergibt. Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht eine Vorrichtung zu m Erfassen von d reid imensionalen Objekten ,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 1 und

Fig. 3 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht eine Vorrichtung zu m Erfassen von d reid imensionalen Objekten .

Fig. 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung zu m Erfassen von dreid imensionalen Objekten , die im Folgenden led iglich als Vorrichtung 1 bezeichnet wird . Die Vorrichtung 1 u mfasst einen Grundträger 2 , an dem sowoh l ein Objektträger 3 als auch ein Sensorsystem 4 befestigt sind .

Der Grundträger 2 umfasst als Basis zu mindest einen unteren Rah menschenkel 5, an dem hier n icht dargestellte sich seitlich wegerstreckende Fü ße angebracht sein können , d ie für eine ausreichende Standfestigkeit der Vorrichtung 1 sorgen . An dem Rahmenschen kel 5 sind jeweils endseitig aufrechte Rahmenschenkel 6 , 7 angebracht, an deren oberem Enden der Objektträger 3 und über eine Bewegungsbahn 8 auch das Sensorsystem 4 angelenkt sind . Der Grundträger 2 mit seinen Rah menschen keln 5, 6, 7 ist also im Wesentlichen U-förmig ausgeführt und n immt zwischen den aufrechten Rah menschenkeln 6, 7 den Objektträger 3 auf. In Fig . 1 ist der Objektträger 3 in einer etwa waagerechten Arbeitsstellung gezeigt und kann u m eine Achse 9 in eine aufrechte Transportstellung (n icht dargestellt) gebracht werden . Die etwa U-förmige Bewegungsbahn 8 des Sensorsystems 4 kann ebenfalls u m diese Achse 9 aus der in Fig. 1 gezeigten Arbeitsstellung in eine nach unten geschwenkte Transportstellung verlagert werden , so dass sich in der Transportstellung ein kompakter Aufbau der Vorrichtung 1 ergibt. Mith in ist d ie Vorrichtung 1 zusammenklappbar und damit auf einfache Art und Weise transportabel ausgebildet.

Bei dem Sensorsystem 4 handelt es sich u m eine im Handel verfügbare Sensoreinheit mit einem Tiefensensor, der nach dem Messprinzip der Triangu lation aufgrund strukturierten Lichts arbeitet und eine Auflösung von 640^*512 Pixel bei einer Bildrate von 30 Bildern pro Sekunde liefert. Der Tiefensensor sendet und empfängt optische Messignale im Infrarotbereich bei etwa 780 nm. Zusätzlich ist die Sensoreinheit noch mit einer RGB-Kamera ausgestattet, d.h. einer im Bereich sichtbaren Lichts arbeitenden Video-Kamera. Das Erkennungsfenster bzw. der Messbereich des Sensors erfasst hierbei einen Winkelbereich von 57,5 Grad in horizontaler Richtung, 45 Grad in vertikaler Richtung und 69 Grad in der Diagonalen.

Der Tiefensensor umfasst einen Infrarot-Projektor, der in einen Messbereich ein vorgegebenes Punktemuster projiziert, und eine Infrarot-Kamera, beispielsweise in Form eines CCD-Sensors, die ein reflektiertes Abbild des Punktemusters erfasst, aus dem durch Triangulation ein Tiefenbild der im Messbereich betrachteten Umgebung ermittelt wird. Die Daten der RGB-Kamera dienen dazu, dem so ermittelten Tiefenbild optional Farbinformationen hinzuzufügen.

Die Sensoreinheit umfasst des weiteren eine integrierte Prozessoreinheit, die eine Vorverarbeitung der von der Infrarot-Kamera erfassten Lichtmuster vornimmt. Die Prozessoreinheit steuert dabei den Infrarot-Projektor, welcher ein großflächiges, fest definiertes Infrarot-Punktmuster in den Raum projiziert. Die Infrarot-Kamera empfängt die reflektierten Lichtsignale und liefert die Daten an die Prozessoreinheit. Diese errechnet auf Basis des verzerrten, empfangenen Punktmusters und eines vorgegebenen, unverzerrten Referenz-Punktmusters über ein Triangulationsverfahren ein Tiefenbild der Umgebung. Die Erzeugung der Tiefenbilder geschieht direkt in der integrierten Prozessoreinheit. Bei dieser Vorverarbeitung werden außerdem vereinzelte oder zu weit von ihren benachbarten Lichtpunkten abliegende Punkte verworfen.

Der Objektträger 3 besitzt ein Tragelement 10, auf dem zumindest ein zu erfassendes dreidimensionales Objekt 11 anordenbar ist bzw. auf dem Tragelement 10 abgelegt werden kann. Das Tragelement 10 weist eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Durchbrüchen 12 auf, so dass das Tragelement 10 im Wesentlichen eine gitter- bzw. netzartige Struktur 13 aufweist. Vorzugsweise ist das Tragelement 10 als Drahtgitter 10' ausgebildet und umfasst eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Drähten 14, 15, wobei die Drähte 14 in einer Richtung verlaufend, hier in Längsrichtung, und die anderen Drähte 15 in einer Richtung quer zu den Drähten 14 verlaufend, angeordnet sind, so dass Maschen 16 gebildet sind, die den Durchbrüchen 12 in Draufsicht gesehen einen rechteckig, quadratisch oder trapezförmig ausgestalteten Öffnungsquerschnitt verleihen, wie insbesondere die Fig.2 zeigt. Obwohl es in den Fig. 1 und 2 nicht gezeigt ist, ist vorzugsweise das gesamte Tragelement 10 vollständig mit Drähten 14, 15 ausgestattet, so dass der gesamte Objektträger 3 mit dem Tragelement mit Durchbrüchen 12 ausgestattet ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Drähte 14, 15 in einem umlaufenden Rahmen 17 aufgespannt.

Die Weite W1 eines der Durchbrüche 12 zwischen zwei benachbarten Drähten 14 und die Weite W2 dieses Durchbruchs 12 zwischen zwei benachbarten Drähten 15 kann gleich oder unterschiedlich sein. Sofern das Tragelement 10 wie vorstehend beschrieben als Drahtgitter 10' ausgeführt ist, definieren die Weite W1 und W2 die Maschenweite des Drahtgitters. Diese Maschenweite beträgt vorzugsweise zwischen 3mm und 50mm, Die Drahtstärke der verwendeten Drähte 14, 15 ist vorzugsweise s 1mm. Die Drahtstärke der Drähte 14, 15 ist vorzugsweise proportional zu der Maschenweite, wobei mit zunehmender Drahtstärke die Maschenweite größer gewählt wird. Die verwendeten Drähte 14, 15 besitzen einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt und besitzen eine schwarze Oberfläche und/oder die Oberfläche ist mit einem reflektierenden Material beschichtet. Die verwendeten Drähte 14, 15 können aus Kunststoff oder einem Metall, insbesondere Stahl, gefertigt sein.

An der sich bogenförmig über das Tragelement 10 erstreckenden Bewegungsbahn 8 ist das zumindest eine Sensorsystem 4 bewegbar angelenkt und kann entlang des gesamten Bogens der Bewegungsbahn 8 bewegt werden. Dies kann manuell oder mit einem gesteuerten Antrieb 18 erfolgen, so dass das Objekt 11 von dem Sensorsystem 4 abgetastet bzw. erfasst werden kann. In der in Fig. 1 gezeigten Arbeitsstellung der Bewegungsbahn 8 kann die gesamte der Bewegungsbahn 8 zugewandte Oberfläche des Objekts 11 abgetastet bzw. erfasst werden. Zum Erfassen bzw. Abtasten der auf dem Tragelement 10 bzw. Drahtgitter 10' aufliegenden Oberfläche des Objekts 11 kann die gesamte Bewegungsbahn mit dem Sensorsystem 8 um die Achse 9 nach unten unter den Objektträger 3 geschwenkt werden oder aber der Objektträger 3 wird um die Achse 9 geschwenkt, vorausgesetzt das Objekt 11 ist auf dem Objektträger bzw. dem Tragelement 10 bzw. Drahtgitter 10' fixiert. Das Sensorsystem 4 weist zumindest einen Tiefensensor 4' auf, der die gesamte Oberfläche des Objekts 11 abtastet bzw. erfasst. Damit die Oberfläche des Objekts 11 erfasst werden kann, ist eine Relativbewegung zwischen Sensorsystem 4 und Objekt 11 notwendig, die vorzugsweise dadurch erreicht wird, dass das Objekt 11 auf dem Tragelement 10 ruht und das Sensorsystem 4 wie zuvor beschrieben entlang der Bewegungsbahn 8 über das Objekt 11 hinweg bewegt wird. Damit auch die auf dem Tragelement 10 aufliegenden Oberfläche des Objekts 11 von dem Sensorsystem 4 erfasst werden kann, sofern dies notwendig ist, wird nach dem Schwenken der Bewegungsbahn 8 unter den Objektträger 3 das Sensorsystem 4 wieder entlang der Bewegungsbahn 8 bewegt. Das

Schwenken der Bewegungsbahn 8 könnte über einen im Rahmenschenkel 6 und/oder 7 angeordneten Antrieb 19 erfolgen. Alternativ wäre es denkbar, unterhalb des Objektträgers 3 eine weitere Bewegungsbahn mit zumindest einem weiteren Sensorsystem 4 mit Antrieb anzuordnen, was allerdings nicht dargestellt ist. In diesem Fall könnten beide Sensorsysteme 4 gleichzeitig bewegt werden, damit das Objekt 11 gleichzeitig allseitig erfasst werden kann. Darüber hinaus wäre es denkbar, an der Bewegungsbahn 8 zwei Sensorsysteme 4 anzubringen, die simultan oder nacheinander über das Objekt 11 hinweg bewegt werden. Damit auch die auf dem Tragelement 10 liegende Oberfläche des Objekts 11 erfasst werden kann, ist die Drahtstärke der Drähte 14,15 sowie die Weite W1, W2 bzw. die Maschenweite im zuvor beschriebenen Bereich gewählt. Das Tragelement 10 und dessen Drähte 14, 15 bzw. die Struktur 13 sind so ausgebildet, dass sie von dem Sensorsystems 4 nicht miterfasst werden.

Alternativ wäre es denkbar, dass die Erfassungsgenauigkeit des Sensorsystems 4 so gewählt ist, dass zwar die Drähte 14, 15 bzw. die Struktur 13 miterfasst werden, jedoch aus den Sensordaten eliminiert werden, was beispielsweise durch eine geeignete Software ausgeführt werden kann. Dazu könnte das Tragelement 10 bzw. das Drahtgitter 10' ohne ein darauf angeordnetes Objekt mit dem Sensorsystem 4 erfasst werden, so dass ein Datenmodell des Tragelements 10 bzw. des Drahtgitters 10' erhalten wird, welches dann aus dem gesamten Datenmodell von Objekt 11 und Tragelement 10 bzw. Drahtgitter 10' eliminiert wird. Um das Drahtgitter 10' bzw., das Tragelement 10 erkennen zu können, kann es zumindest einen Marker M aufweisen, Hierfür könnte ein Datenverarbeitungssystem (nicht dargestellt) verwendet werden, welches im Übri- gen auch die Bewegung des Sensorsystems 4 entlang der Bewegungsbahn 8 bzw., der Bewegungsbahn 8 um die Achse 9 steuern kann und für die Auswertung der Tiefenbilder und Ermittlung der dreidimensionalen Datenmodells zuständig ist.

Anhand der Fig.3 wird ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zum Erfassen von zumindest einem dreidimensionalen Objekt 11 näher erläutert. Gleiche bzw. gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insoweit auf deren Beschreibung verwiesen werden kann. Der Grundträger 2 ist hier galgenartig mit einem aufrechten Rahmenschenkel 6 und einem oberen, quer dazu verlaufenden Rahmenschenkel 5 ausgestattet, an dessen freien Ende die bogenförmige Bewegungsbahn 8 mit ihrem einen Ende 20 um eine aufrechte Achse 21 drehbar und vorzugsweise angetrieben angelenkt ist. Ferner besitzt der Grundträger 2 einen als Rahmenstruktur ausgebildeten Fuß 22.

An dem Ende 20 der Bewegungsbahn 8 ist ein Gegengewicht 23 angebracht, welches Teile des zuvor beschriebenen Datenverarbeitungssystems oder das gesamte Datenverarbeitungssystem beinhalten kann. Die Bewegungsbahn 8 erstreckt sich mit zumindest einem unteren Abschnitt 24 bis unter den Objektträger 3 mit dem Tragelement 10 bzw. Drahtgitter 10', so dass auch die auf dem Tragelement 10 bzw. Drahtgitter 10' liegende Oberfläche des hier nicht dargestellten Objekts 11 erfasst werden kann. Für eine allseitige Erfassung des Objekts 11 rotiert die Bewegungsbahn 8 um die Achse 21 , während das Sensorsystem 4 entlang der Bewegungsbahn 8 bewegt wird. Die Bewegungsbahn 8 ist insbesondere als Bogenabschnitt realisiert und kann grundsätzlich als Halbkreisbogen oder als Kreisbogenabschnitt ausgebildet sein, An der Bewegungsbahn 8 kann zumindest ein Sensorsystem 4 angeordnet sein. Denkbar wäre es alternativ, mehrere solcher Bewegungsbahnen 8 mit zumindest einem Sensorsystem 4 um die Achse 21 rotieren zu lassen. Der Objektträger 3 kann an dem Grundträger 2 befestigt sein, es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Objektträger 3 über ein separates Gestell in die gezeigte Position zu bringen.

Mit dem erfindungsgemäßen System ist es möglich, gleichzeitig mehrere zu erfassende Objekte 11 auf dem Tragelement 10 bzw. dem Drahtgitter 10' anzuordnen und gleichzeitig mit dem zumindest einen Sensorsystem 4 zu erfassen. Somit kann ein Daten modell des Objekts bzw. der Objekte 1 1 erzeugt werden , welches gleichzeitig alle Daten der gemeinsam bzw. gleichzeitig erfassten Objekte 1 1 und deren räumliche Lage zueinander enthält. Das so gewonnene Daten modell eignet sich zur Herstellung von genau passenden Aufnahmen für d ie Objekte, wie es zu m Beispiel für Werkzeugschubladen , Aufbewahrungskisten , Aufbewah rungskoffer für technische Geräte etc. bekannt ist.

Das d reidimensionale Datenmodell selbst wird von dem Datenverarbeitungssystem aus den von Sensorsystem 4 gelieferten Sensordaten ermittelt. Das Datenverarbeitungssystem kann über mehrere Recheneinheiten verteilt oder in einer einzigen Recheneinheit implementiert sein . In den besch riebenen Ausführungsbeispielen umfasst das Datenverarbeitungssystem einerseits d ie in dem Sensorsystem integrierte Prozessoreinheit, welche ein Vorverarbeitung der Sensordaten ausführt und bereits fertige berechnete Tiefenbilder liefert, und anderseits ein entsprechend programmtechn isch eingerichtetes Computersystem (nicht gezeigt), z. B. einen handelsüblichen Computer, das aus den von der im Sensorsystem integrierten Prozessoreinheit erzeugten Tiefenbildern du rch lagerichtiges Aneinanderfügen , Integration und Interpolation der Einzelbilder das fertige Datenmodell errechnet. Das Aneinanderfügen der Einzelbilder kann h ierbei unter anderem anhand von automatisch erkannten , charakteristischen Bildmerkmalen erfolgen .

Die Berechnung des d reid imensionalen Daten modells erfolgt dabei vorzugsweise mittels eines SLAM-Verfahrens (Simu ltaneous Localization and Mapping). H ierbei werden in einem Tiefenbild U mrisse erkannt. Anhand der Umrisse wird dann d ie Kameraposition und -Orientierung ermittelt. Fü r versch iedene Einzelbilder aus unterschied lichen Perspektiven wird dann bei jeweils bekannter Kameraposition eine volumetrische Integration du rchgeführt. Du rch laufende Mittelung über die volumetrisch integrierten Einzelbilder wird das Rauschen reduziert und gleichzeitig d ie Auflösung erhöht. Dank einer gleich mäßigen , motorisch gesteuerten Bewegung des Sensorsystems 4 entlang der Bewegungsbahn 8 lässt sich auf diese Weise trotz eher du rchschn ittlicher Abbildungs- und Auflösungseigenschaften des verwendeten Sensorsystems 4 ein äu ßerst und unerwartet exaktes dreid imensionales Datenmodell des zu erfassenden Objektes erzeugen . Anschließend erfolgt vorzugsweise noch eine Umrechnung des so erzeugten volumetrischen Datenmodells zu einem dreidimensionalen Oberflächenmodel. Hierdurch kann das Datenvolumen erheblich reduziert werden. Die Vorrichtung 1 ist auch besonders gut geeignet, um gleichzeitig mehrere Objekte in einem Scanvorgang verschattungsfrei zu erfassen. So kann die Positionierung zum Beispiel für die Generierung von individuellen Werkzeugeinlagen oder in der Verpackungsindustrie verwendet werden.

Claims

Ansprüche

1 . Vorrichtung (1 ) zu m Erfassen eines d reid imensionalen Objekts (1 1 ) mit einem optischen Sensorsystem (4), welches mindestens einen optischen Sender und mindestens einen optischen Empfänger aufweist, wobei der optische Sender derart ausgebildet ist, dass er in einen zu erfassenden Messbereich ein vorgegebenes Pun ktemuster projiziert und der optische Empfänger angeordnet ist, ein von dem d reid imensionalen Objekt (1 1 ) reflektiertes Abbilds des Punktemuster zu erfassen , und mit einem Datenverarbeitungssystem , welches aus dem erfassten Abbild des Punktemusters ein d reid imensionales Daten modell ermittelt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d ie Vorrichtung einen Objektträger (3) mit einem gitterförmigen Tragelement (1 0) umfasst, auf dem das zu erfassende Objekt (1 1 ) anordenbar ist, und dass das Sensorsystem (4) an einer Bewegungsbahn (8), gegenüber dem Objektträger (3) bewegbar angelen kt ist, d ie sich vorzugsweise ober- und unterhalb des Tragelements (1 0) erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der das Datenverarbeitungssystem ausgebildet ist, aus dem erfassten Abbild des Punktemusters und einem Referenz-Punktemusters mittels eines Triangulationsverfahrens ein Tiefenbild zu erzeugen .

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Datenverarbeitungssystem angepasst ist, eine Vorverarbeitung von dem Sensorsystem gelieferter Daten auszuführen , bei der aus einem erfassten Abbild des Punktemusters solche Lichtpunkte, deren im Referenzmuster un mittelbar benachbarte Lichtpun kte n icht detektiert wu rden und/oder Ausreißer, die von benach- barten Lichtpun kten u m meh r als eine vorgegebene Maximald istanz entfernt liegen , verworfen werden .

4. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der in das Sensorsystem eine Vorverarbeitungseinheit integriert ist, d ie d ie genannte Vorverarbeitung ausführt.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Datenverarbeitungssystem angepasst ist, im Rahmen der Ermittlung des d reidimensionalen Daten modells aus dem erfassten Abbild des Punktemusters Abstandsdatenwerte zu ermitteln , wobei die Ermittlung jedes Abstandsda- tenwertes eine Erkennung von mindestens drei benachbarten , detektierten Lichtpun kten des vorgegebenen Punktemusters erfordert.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Sensorsystem (4) zeitlich aufeinanderfolgende Tiefenbilder mit einer vorgegebenen Bildfrequenz erzeugt und das Datenverarbeitungssystem angepasst ist, das d reidimensionale Daten modell du rch Kombination von Tiefenbildern aus untersch ied lichen Blickwin keln des Sensorsystems (4) zu erzeugen , welche das Sensorsystem bei einer Relativbewegung gegenüber dem Objektträger (3) liefert.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Messbereich einen vorgegebenen Winkelbereich abdeckt und vorzugsweise einen Winkelbereich von jeweils meh r als 20 Grad in horizontaler und vertikaler Richtung, weiter vorzugsweise von 30 bis 70 Grad in horizontaler und 20 bis 60 Grad in vertikaler Richtung u mfasst.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das gitter- förmigen Tragelement (1 0) eine Maschenweite zwischen 3mm und 50mm aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das gitter- förmigen Tragelement als Drahtgitter (1 0') ausgebildet ist, dessen Drähte (14, 1 5) eine Drahtstärke < 1 mm aufweisen .

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Tragelement (10) eine Struktur (13) aufweist, deren Oberfläche schwarz ist und/oder eine Beschichtung aus einem nicht reflektierenden Material aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der an der Bewegungsbahn (8) zumindest zwei Sensorsysteme (4) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Objektträger (3) anstelle eines gitterförmigen Tagelements eine für Lichtsignale des optischen Senders im wesentlichen transparente Trägerplatte, vorzugsweise Glasplatte, mit einer Brechzahl n>1 aufweist, und bei der das Datenverarbeitungssystem ausgebildet ist, bei der Ermittlung des dreidimensionalen Datenmodells eine winkelabhängige Korrektur von durch die Trägerplatte hindurch bestimmten Abstandswerten vorzunehmen.

13. Verfahren zum Erfassen eines dreidimensionalen Objekts (11), bei dem mittels eines optischen Sensorsystem (4), welches mindestens einen optischen Sender und mindestens einen optischen Empfänger aufweist, von dem optischen Sender in einen erfassbaren Messbereich ein vorgegebenes Punktemuster projiziert wird und von dem optischen Empfänger ein von dem dreidimensionalen Objekt (11 ) reflektiertes Abbilds des Punktemusters erfasst wird, und bei dem mittels eines Datenverarbeitungssystem aus dem so erfassten Abbild des Punktemusters ein dreidimensionales Datenmodell ermittelt wird, dadu rch g e k e n n z e i c h n e t , dass das zu erfassende Objekt (11 ) auf einen Objektträger (3) mit einem gitterförmigen Tragelement (10) angeordnet wird, und das Sensorsystem (4) während der Messung an einer Bewegungsbahn (8), gegenüber dem Objektträger (3) bewegt wird, die sich vorzugsweise ober- und unterhalb des Tragelements (10) erstreckt.