DE102021209178A1

DE102021209178A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Relativposen und zur Kalibrierung bei einem Koordinatenmessgerät oder Roboter

Info

Publication number: DE102021209178A1
Application number: DE102021209178.4A
Authority: DE
Inventors: Dominik Seitz; Tobias Held
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Verfahren zum Bestimmen zumindest einer Relativpose zwischen einer beweglichen Komponente (16) eines Koordinatenmessgeräts (13) oder Roboters, und zumindest einem Messaufnehmer (8, 9,10) eines Messsystems (7) mit Hilfe einer Bilderfassungseinrichtung,dadurch gekennzeichnet, dasszumindest eine bewegliche Komponente (16) und zumindest einer der Messaufnehmer (8, 9, 10) mit jeweils einem individuellen Marker (1, 2, 3, 4) markiert sind, wobei die individuellen Marker (1, 2, 3, 4) mittels der Bilderfassungseinrichtung in einem Erfassungsbereich der Bilderfassungseinrichtung erfasst und identifiziert werden, und das Verfahren die Schritte aufweist, dass die individuellen Marker (1, 2, 3, 4) identifiziert werden, bei jedem Marker (1, 2, 3, 4) eine Pose in einem Koordinatensystem innerhalb des Erfassungsbereichs ermittelt wird, und aus den zugeordneten Posen zumindest eine Relativpose der zumindest einen beweglichen Komponente (16) zu dem zumindest einen Messaufnehmer (8, 9, 10) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Relativposen zwischen beweglichen Komponenten eines Koordinatenmessgeräts oder Roboters, und Messaufnehmern eines Messsystems, sowie ein Verfahren zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgeräts und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Relativposen zwischen beweglichen Komponenten eines Koordinatenmessgeräts oder Roboters und Messaufnehmern eines Messsystems.
Messmaschinen, wie Koordinatenmessgeräte (KMG), Bearbeitungsmaschinen, Werkzeugmaschinen und Roboter genießen nach wie vor die Erwartung, höchste Präzision zu gewährleisten. Die bei den Geräten eingesetzten Bauteile können so gefertigt werden, dass die geforderte Reproduzierbarkeit gegeben ist. Auch bei genauster Fertigung sind Bewegungen beweglicher Komponenten aber in der Realität nicht genau so wie theoretisch gewünscht, beispielsweise nicht 100 % linear oder 100 % einer Soll-Trajektorie entsprechend. Die Absolutgenauigkeit der Maschinen wird in einem Kalibrierschritt dadurch gewährleistet, dass die systematischen Restfehler mit einem geeigneten Messsystem erfasst, gespeichert und im Betrieb vorgehalten werden. Im Betrieb werden dann die systematischen Restfehler rechnerisch korrigiert (computer aided accuracy, CAA).
Zur Erfassung der systematischen Restfehler von traditionellen KMGs, die als kartesische Kinematik ausgeführt sind, werden typischerweise Lasermesssysteme eingesetzt. Diese sind in der Lage, die systematischen Fehlbewegungen einer beweglichen Komponente entlang einer Trajektorie in einem oder mehreren Freiheitsgraden zu erfassen.
Bauart- bzw. messprinzipbedingt kann mit einem solchen System nur die Fehlbewegung einer beweglichen Komponente entlang einer gerade gefahrenen Trajektorie erfasst werden. Soll mit einem solchen System die Fehlbewegung eines traditionellen KMG in einer nicht-geraden Trajektorie - z.B. einer Kreisfahrt - oder gar eine ToolCenterPoint(TCP)-Bewegung einer nicht-trivial- Kinemtik (wie z.B. ein Seriell-Roboter oder Parallel-Aktuator) erfasst werden, ist dies nur noch sehr aufwendig bis gar nicht mehr möglich.
Gelöst werden kann dies durch den Einsatz von 3D- bzw. 6D-Messsystemen wie z.B. Photogrammetrie, (Laser-)Multilaterations- oder Multiangulations-Messsysteme. Diese drei Möglichkeiten sind dabei nur Beispiele und umfassen nicht alle möglichen 6D-Messsysteme.
Multilaterationssysteme haben die Eigenschaft, dass die einzelnen Messwertaufnehmer lediglich einen Absolutabstand zu einer beweglichen Komponente erfassen, meistens jedoch auf Grund von inkrementeller Abstandsmessung dieser Abstand mit einer Totstrecke (Offset des Lasers beim „Nullen“ des Abstandes) verfälscht zur Verfügung steht.
Zudem ist es für eine Multilaterationsmessung zwingend erforderlich, dass die Positionen der Messwertaufnehmer zueinander und die Lage einer beweglichen Komponente bestmöglich bekannt sind.
Diese Informationen werden typischerweise in einem der eigentlichen Messung vorgelagerten Schritt bestimmt. Es wird dabei mit der beweglichen Komponente eine Trajektorie abgefahren und während dessen die Distanzänderung der Messwertaufnehmer aufgezeichnet.
Die Mathematischen Zusammenhänge zwischen Distanzänderung und Position der beweglichen Komponente bzw. der Messaufnehmer können formuliert werden und somit können über das Lösen eines aufgestellten linearen Gleichungssystems die Unbekannten ermittelt werden.
Wie bei jedem iterativen Lösungsverfahren sollten die Startwerte der zu optimierenden Parameter bestmöglich bekannt sein, da sonst die realistische Gefahr besteht, auf ein Nebenoptimum gerechnet zu haben, bzw. der Löser erst gar nicht konvergiert.
Kann der Startwert einer beweglichen Komponente, oder daran angebrachter Targets, deren Pose mit den Messwertaufnehmen erfasst werden kann, noch einigermaßen komfortabel bestimmt werden, z.B. durch Abstandsmessung mit einem Messstab, so ist die Bestimmung der Messwertaufnehmerpositionen und des ungefähren Abstandes von Messwertaufnehmer zur beweglichen Komponente, bzw. zu einem jeweils erfassbaren Target, nur sehr mühsam mit konventionellen Mitteln zu ermitteln. Zwar lässt sich auch die Distanz der Messwertaufnehmer zueinander mit einem geeigneten Abstandsmesser bestimmen, jedoch ist für die Multilaterations-Berechnung die tatsächliche kartesische Lage der Messwertaufnehmer zueinander notwendig, deren Bestimmung bei einer typischerweise unregelmäßigen Anordnung der Messwertaufnehmer nicht mehr trivial wird.
Der Aufwand dieser Prozedur ist für einen Laboraufbau eventuell noch vertretbar, stellt jedoch für den Einsatz eines Multilaterationssystems in Produktions- oder Kundenumgebung eine regelmäßige, hohe zeitliche und somit auch monetäre Belastung dar.
Es ist daher wünschenswert, auch unter Produktions- oder Kunden-/Servicebedingungen eine vereinfachte Einmessung eines Multilaterationssystems durchführen zu können.
Für die vorliegende Erfindung stellt sich somit das technische Problem, ein Verfahren zur Bestimmung von Relativposen zwischen einer beweglichen Komponente eines Koordinatenmessgeräts oder
Roboters, und Messaufnehmern eines Messsystems zu schaffen, welches zeiteffizient und kostengünstig durchgeführt werden kann.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine grundlegende Idee der Erfindung ist es, Relativposen zwischen beweglichen Komponenten eines Koordinatenmessgeräts oder Roboters und einem zum Kalibrieren des Koordinatenmessgeräts positionierten Messsystems mit Hilfe einer Bilderfassungseinrichtung zeiteffizient und kostengünstig zu bestimmen. Nach einer weiteren Idee werden Marker verwendet, um eine Relativpose zumindest einer beweglichen Komponente eines KMG oder Roboters zu einer Komponente des Messsystems, insbesondere zu zumindest einem Messaufnehmer des Messsystems, zu bestimmen. Marker weisen Identifizierungsmerkmale auf und sind unterscheidbar. Die Marker sind jeweils mit der Bilderfassungseinrichtung erfassbar, wobei die Pose jedes Markers ist jeweils bestimmbar ist und die Marker voneinander unterscheidbar sind.
Zum Zwecke der Erfindung haben die Begriffe „Messaufnehmer“ und „Messwertaufnehmer“ die gleiche Bedeutung.
Vorgeschlagen wird insbesondere ein Verfahren
zum Bestimmen zumindest einer Relativpose zwischen einer beweglichen Komponente eines Koordinatenmessgeräts oder Roboters, und zumindest einem Messaufnehmer eines Messsystems mit Hilfe einer Bilderfassungseinrichtung,
wobei
zumindest eine bewegliche Komponente und zumindest einer der Messaufnehmer mit jeweils einem individuellen Marker markiert sind, wobei die individuellen Marker mittels der Bilderfassungseinrichtung in einem Erfassungsbereich der Bilderfassungseinrichtung erfasst und identifiziert werden, und das Verfahren die Schritte aufweist, dass die individuellen Marker identifiziert werden, bei jedem Marker eine Pose in einem Koordinatensystem innerhalb des Erfassungsbereichs ermittelt wird, und aus den zugeordneten Posen zumindest eine Relativpose der zumindest einen beweglichen Komponente zu dem zumindest einen Messaufnehmer bestimmt wird.
Ein Koordinatenmessgerät (KMG) kann zur Erfassung von Koordinaten von Punkten auf einer Oberfläche eines Werkstücks genutzt werden. Als eine oder mehrere bewegliche Komponenten kann ein KMG einen Arm, eine Pinole, ein Portal, einen Träger und/oder einen Ausleger umfassen. Eine solche bewegliche Komponente kann, insbesondere mit Hilfe von Aktoren, entlang einer linearen oder nicht-linearen Trajektorie bewegt werden. Mit Hilfe der beweglichen Komponente(n) kann ein Messsystem des KMG bewegt werden, welches üblicherweise an einer der beweglichen Komponenten angebracht ist. Eine Antastung einer Oberfläche eines Werkstücks kann z.B. mittels eines an einer beweglichen Komponente , beispielsweise einer Pinole, angeordneten Tasters durchgeführt werden. Insbesondere kann das Koordinatenmessgerät weitere bewegliche Komponenten aufweisen, die relativ zueinander, entlang einer Trajektorie, verfahren werden, und an denen kein Messsystem angebracht ist.
Roboter, insbesondere Industrieroboter, können zum Vermessen, Montieren sowie Bearbeiten von Werkstücken dienen. Hierbei kann ein Roboter beispielsweise einen Greifarm mit mehreren Gelenken aufweisen. Der Greifarm und die Gelenke sind hierbei bewegliche Komponenten des Roboters, die mit Hilfe von Aktoren derart bewegt werden, dass beispielsweise ein Bewegen, und insbesondere Ergreifen, eines Werkstücks ermöglicht ist. Insbesondere kann ein Roboter bewegliche Komponenten aufweisen, um insbesondere ein Werkstück, entlang einer nicht-linearen Trajektorie zu bewegen.
Weiterhin ist die Erfindung auch auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen einsetzbar.
Wenn nachfolgend von „einer beweglichen Komponente“ die Rede ist, umfasst dies auch den Fall „mehrerer beweglicher Komponenten“.
Eine bewegliche Komponente kann entlang einer Trajektorie bewegt werden, insbesondere entlang einer Ist-Trajektorie, die von einer vorgegebenen oder idealen Soll-Trajektorie abweicht. Eine solche Ist-Trajektorie kann beispielsweise durch eine Steuereinheit mit Aktorik gesteuert werden. Eine solche Steuereinheit mit Aktorik kann einen Mikrocontroller und Aktoren umfassen oder ausbilden und Teil eines Koordinatenmessgeräts oder Roboters sein.
Das Messsystem umfasst einen oder mehrere Messaufnehmer. Ein Messaufnehmer dient zur Erfassung einer Trajektorie, insbesondere einer Ist-Trajektorie, zumindest einer beweglichen Komponente. Eine solche Erfassung kann beispielsweise mittels eines zur Erfassung an der beweglichen Komponente angeordneten Targets erfolgen. Mittels eines Messsystems können insbesondere sechs (drei translatorische und drei rotatorische) (Bewegungs)Freiheitsgrade einer beweglichen Komponente erfasst und bestimmt werden. Daher können die in dieser Offenbarung beschriebenen Messsysteme auch als 6D-Messysteme bezeichnet werden.
Ein Messaufnehmer kann einen optischen Sensor umfassen. Der Messaufnehmer kann so ausgebildet sein, dass der optische Sensor derart bewegt werden kann, dass eine Erfassung der beweglichen Komponente bzw. des Targets ermöglicht ist. Hierzu kann ein Messaufnehmer Aktoren zur Bewegung des optischen Sensors umfassen. In einer speziellen Ausführungsform ist der Messaufnehmer ein Laser-basierter Messaufnehmer, insbesondere ein Laser-Tracker oder Laser-Abstandsmesser.
Der Messaufnehmer kann insbesondere ein Koordinatensystem aufspannen, um beispielsweise eine Pose des optischen Sensors relativ zu anderen Komponenten des Messaufnehmers zu bestimmen. Mit mehreren Messaufnehmern kann die bewegliche Komponente aus unterschiedlichen Positionen und/oder (Erfassungs)Winkeln erfasst werden, was die Genauigkeit bei der Bestimmung einer Trajektorie erhöht.
Das Messsystem kann weiter eine Steuereinrichtung und/oder eine Datenverarbeitungseinrichtung umfassen. Die Steuer- und/oder die Datenverarbeitungseinrichtung kann als Mikroprozessor ausgebildet sein oder einen solchen umfassen.
Mehrere Messaufaufnehmer können, insbesondere zum Empfang bzw. zur Übertragung von Steuer- bzw. Datensignalen und/oder anderer, insbesondere elektrischer Signale, verbunden sein.
Der zumindest eine Messaufnehmer kann zur Erfassung einer Trajektorie zumindest einer beweglichen Komponente derart in einem Bereich eines Koordinatenmessgeräts oder eines Roboter herum angeordnet werden, dass der zumindest eine Messaufnehmer die bewegliche Komponente erfassen kann. Die Anordnung des zumindest einen Messaufnehmers kann beispielsweise auf einer Oberfläche stattfinden, wobei die Oberfläche auch zur Anordnung des Koordinatenmessgeräts oder Roboters dienen kann. In einer speziellen Variante kann der zumindest eine Messaufnehmer auf einer Basis eines KMG platziert werden.
Eine Bilderfassungseinrichtung kann eine Kamera und/oder einen zur Erfassung ausgebildeten (Bild)Sensor, beispielsweise einen CCD oder CMOS-Sensor, umfassen. Die Bilderfassungseinrichtung kann vorgegebene Kameraparameter wie beispielsweise eine Brennweite und/oder ein Pixelpitch aufweisen. Mittels einer Bilderfassungseinrichtung kann ein Erfassungsbereich erfasst werden. Eine Auflösung der Bilderfassungseinrichtung kann so ausgebildet sein, dass der Marker, oder im Speziellen Identifizierungsmerkmale eines Markers, erfasst werden können.
Erfindungsgemäß sind die zumindest eine bewegliche Komponente und der zumindest eine Messaufnehmer mit jeweils einem individuellen Marker markiert.
Ein individueller Marker kann beispielsweise ein Marker sein, welcher unterscheidbare, insbesondere binäre, Identifizierungsmerkmale aufweist. Ein spezielles Beispiel ist ein Aruco-Marker. Die verwendeten Marker sind voneinander unterscheidbar, beispielsweise durch die Identifizierungsmerkmale.
Ein Marker kann beispielsweise auf einen Träger, z.B. Papier, gedruckt sein.
Ein Marker kann an oder auf einer Komponente des Messaufnehmers bzw. der beweglichen Komponente angebracht werden, wodurch der Messaufnehmer bzw. die bewegliche Komponente markiert ist. Auch denkbar ist ein als eine Gravur ausgebildeter Marker, wobei der Marker direkt auf dem Messaufnehmer aufgebracht wird, wie beispielsweise durch Lasern oder Ätzen.
Durch einen Marker kann insbesondere ein kartesisches Koordinatensystem aufgespannt werden, beispielsweise mit Hilfe der Identifizierungsmerkmale. Einem Messaufnehmer kann ebenfalls ein internes Koordinatensystem zugeordnet sein. Zwischen einem (Koordinaten)Ursprung eines Koordinatensystems eines Markers und einem (Koordinaten)Ursprung eines Koordinatensystems eines Messaufnehmers kann ein Versatzvektor vorgegeben sein. Ein solcher Versatzvektor kann eine eindeutige räumliche Beziehung zwischen den (Koordinaten)Ursprüngen des Markers und des Messaufnehmers herstellen. Der beweglichen Komponente kann ebenfalls ein Koordinatensystem zugeordnetet sein. Zwischen einem (Koordinaten)Ursprung eines Koordinatensystems eines Markers, der der beweglichen Komponente zugeordnet ist, und einem (Koordinaten)Ursprung eines Koordinatensystems des beweglichen Teils kann ein Versatzvektor vorgegeben sein.
Weiter werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren die individuellen Marker mittels der Bilderfassungseinrichtung in einem Erfassungsbereich der Bilderfassungseinrichtung erfasst und identifiziert.
Dies bedeutet insbesondere, dass sich ein individueller Marker in einem Erfassungsbereich der Bilderfassungseinrichtung befindet. Es ist weiter denkbar, dass die Marker aus mehreren (Blick)winkeln bzw. mittels mehrerer Aufnahmen erfasst werden.
Die individuellen Marker werden nach Erfassung durch die Bilderfassungseinrichtung identifiziert. Hierzu werden vorzugsweise mittels der Bilderfassungseinrichtung die erfassten Identifizierungsmerkmale der individuellen Marker verarbeitet. Eine Identifizierung kann beispielsweise mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Augmented-Reality-Software stattfinden, wobei die Bilderfassungseinrichtung eine solche Software umfassen kann.
In dem Verfahren wird jedem identifizierten Marker eine Pose, also eine Position und Orientierung, in einem Koordinatensystem des Erfassungsbereichs zugeordnet.
Ein solches Koordinatensystem kann ein durch die Bilderfassungseinrichtung identifiziertes kartesisches Koordinatensystem sein, welches beispielsweise durch einen individuellen Referenzmarker ausgebildet bzw. aufgespannt wird. Ein solcher Referenzmarker kann auf einer Oberfläche angeordnet sein, die ebenfalls zur Anordnung des Messsystems und/oder des Koordinatenmessgeräts/Roboters dient. Das Koordinatensystem kann aber auch anders aufgespannt bzw. definiert werden, beispielsweise durch die Bilderfassungseinrichtung. Nach dem Identifizieren und dem Ermitteln der Posen sind die Posen der individuellen Marker bekannt und können in eine relative geometrische Beziehung gesetzt werden.
So wird zumindest eine Relativpose, also eine relative Position und Orientierung, der zumindest einen beweglichen Komponente zu dem zumindest einen Messaufnehmer bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich zu dem Marker der beweglichen Komponente und zusätzlich zu dem Marker des Messaufnehmers ein weiterer individueller Marker im Erfassungsbereich der Bilderfassungseinrichtung angeordnet, wobei vorzugsweise der weitere individuelle Marker einen Ursprung des Koordinatensystems innerhalb des Erfassungsbereichs bildet. Das Koordinatensystem innerhalb des Erfassungsbereiches kann ein Koordinatensystem des Erfassungsbereiches sein, also ein Koordinatensystem, das dem Erfassungsbereich zugeordnet ist.
Der weitere individuelle Marker kann ein Referenzmarker sein. Der weitere individuelle Marker ist insbesondere ein Aruco-Marker.
Der weitere individuelle Marker kann beispielsweise auf einer Oberfläche angeordnet werden, die auch zur Anordnung der Messsystems und/oder des Koordinatenmessgeräts bzw. Roboters genutzt wird. Der weitere individuelle Marker kann ein, insbesondere kartesisches, Koordinatensystem aufspannen, welches als Referenzkoordinatensystem für das Bestimmen der zumindest einen Relativpose genutzt werden kann. So kann in vorteilhafter Weise eine Genauigkeit beim Bestimmen von Relativposen erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird zumindest einer der Marker innerhalb des Erfassungsbereichs derart identifiziert, dass die Pose des Markers bezüglich drei translatorischer und/oder drei rotatorischer (Bewegungs)Freiheitsgrade ermittelt wird.
Die drei translatorischen und drei rotatorischen (Bewegungs)Freiheitsgrade eines Markers werden durch Anordnung an einer beweglichen Komponente und/oder einem Messaufnehmer gebunden. Ist ein Marker im Erfassungsbereich einer Bilderfassungseinrichtung angeordnet und wird durch die Bilderfassungseinrichtung erfasst, so kann beim Identifizieren des Markers eine Änderung der Lage, durch Translationen entlang drei lotrechter Achsen (vor/zurück, hinauf/hinunter und links/rechts), kombiniert mit Änderungen der Orientierung durch Rotationen um die drei lotrechten Achsen (Rotation um die Längsachse, die Querachse, und/oder die Hochachse), gegenüber einer Referenzposition/orientierung ermittelt werden. Eine solche Referenzposition/ orientierung kann beispielsweise durch einen Referenzmarker vorgegeben sein. Insbesondere kann so eine 6D-Pose des Markers ermittelt werden. So kann in vorteilhafter Weise eine Genauigkeit beim Bestimmen der Relativposten erhöht werden.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgeräts gemäß einem der in dieser Offenbarung genannten Ausführungsformen. In diesem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren, das auch als Kalibrierverfahren oder Fehler-Ermittlungsverfahren bezeichnet wird, wird zumindest eine bewegliche Komponente, insbesondere bei einem KMG oder einem Roboter, entlang einer vorgegebenen Soll-Trajektorie bewegt, wobei zumindest einer der zumindest einen Messaufnehmer die Bewegung der beweglichen Komponente erfasst und so eine Ist-Trajektorie der beweglichen Komponente erfasst, und weiterhin eine oder mehrere Abweichungen der Ist-Trajektorie von der Soll-Trajektorie ermittelt werden.
Die zumindest eine Abweichung umfasst insbesondere translatorische und rotatorische Komponenten, die eine Differenz zwischen vorgegebener Soll- und erfasster Ist-Trajektorie angeben. Die zumindest eine Abweichung dann wird zum Kalibrieren der Soll-Trajektorie der beweglichen Komponente verwendet. Vorzugsweise wird die zumindest eine Abweichung zur rechnerischen Korrektur von (Bewegungs)Posen der beweglichen Komponente genutzt wenn diese bewegt wird. Weiter kann die zumindest eine Abweichung dazu verwendet werden Sensorsignale eines durch das Koordinatenmessgerät oder den Roboter umfassten Sensors zu kalibrieren. Auch vorstellbar ist, dass die zumindest eine Abweichung zur Korrektur von durch das Koordinatenmessgerät oder den Roboter erzeugten Messwerten genutzt wird, insbesondere im Zusammenhang mit Computer Aided Accuracy (CAA) Verfahren.
Die mittels einem oder mehreren der vorangehend beschriebenen Verfahren zum Bestimmen einer Relativpose bestimmte Relativpose(n) kann/können hierbei als Startwert genutzt werden, um in dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren die Ist-Trajektorie zu ermitteln.
Ein Startwert bezeichnet hierbei eine Position und Orientierung des zumindest einen Messaufnehmers zur beweglichen Komponente bevor diese in dem Kalibrier- Verfahren bewegt wird. Mit anderen Worten wird mit Hilfe der Relativpose eine Positions- und Orientierungsbeziehung zwischen Messaufnehmer und beweglicher Komponente bereitgestellt, so dass eine Ist-Trajektorie erfasst werden kann, wenn die bewegliche Komponente bewegt wird.
Die Relativpose kann insbesondere wie folgt als Startwert verwendet werden, wie nachfolgend beschrieben.
Das Kalibrierverfahren umfasst in einer Ausführungsform die Herstellung eines Zusammenhangs zwischen den folgenden:

a) Distanzen oder Distanzänderungen von Messaufnehmer zu beweglicher Komponente, die während der Bewegung der beweglichen Komponente gemessen werden,
b) Pose der beweglichen Komponente und
c) Pose des zumindest einen Messaufnehmers

Die Messung in a) erfolgt durch die Messaufnehmer selbst.
Die Pose der beweglichen Komponente (b) ändert sich während des Kalibrierverfahrens, da das bewegliche Objekt bewegt wird.
Der vorgenannte Zusammenhang kann als mathematisches Gleichungssystem ausgedrückt werden, das vorzugsweise iterativ gelöst wird. Als Startwert zur Lösung des Gleichungssystems dient die zuvor in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen einer Relativpose erhaltene Relativpose zwischen der beweglichen Komponente und dem zumindest einen Messaufnehmer.
Hierbei ist eine Absolutgenauigkeit eines Startwertes von 10 mm bei einem Messvolumen von 1 Kubikmeter für ein Kalibrieren bevorzugt. Ein Messvolumen kann ein durch die Bilderfassungseinrichtung erfassbares (Raum)Volumen sein.
Die Startwerte können somit zur Bestimmung einer Ist-Trajektorie genutzt werden. Der Zusammenhang, insbesondere das Gleichungssystem, kann weiter dazu genutzt werden, die zumindest eine (eventuelle) Abweichung zwischen Ist- und Soll-Trajektorie zu ermitteln. Durch ein iteratives Lösungsverfahren kann ein Fehler bei der Ermittlung der Abweichung verringert werden. Weiter kann in vorteilhafter Weise eine Genauigkeit beim Kalibrieren des Koordinatenmessgeräts oder Roboters erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform, die sowohl für erfindungsgemäße Vorrichtungen wie Verfahren gilt, weist die mindestens eine bewegliche Komponente zumindest ein Target auf, wobei das Erfassen der Ist-Trajektorie der beweglichen Komponente derart erfolgt, dass das zumindest eine Target durch zumindest einen der zumindest einen Messaufnehmer erfasst wird.
Ein Target bezeichnet ein durch einen Messaufnehmer erfassbares Objekt. Das zumindest eine Target wird derart an der beweglichen Komponente angeordnet, dass durch Erfassen mittels zumindest eines Messaufnehmers eine Position und Orientierung der beweglichen Komponente entlang einer Ist-Trajektorie, und zu verschiedenen Zeitpunkten, bestimmbar ist. Ein Target kann beispielsweise eine reflektierende Oberfläche aufweisen, die durch einen Messaufnehmer erfassbar ist. Jegliche geometrische Form, wie Kreis, Rechteck, sind denkbar. Auch kann ein Target einen Marker, beispielsweise einen Aruco-Marker, umfassen oder als ein solcher ausgebildet sein. Mittels des zumindest einen Targets kann eine Genauigkeit beim Kalibrieren eines Koordinatensystems oder Roboters erhöht werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen von Relativposen zwischen beweglichen Komponenten eines Koordinatenmessgeräts oder Roboters und Messaufnehmern eines Messsystems, umfassend ein Koordinatenmessgerät oder einen Roboter mit zumindest einer beweglichen Komponente, und ein Messsystem aufweisend zumindest einen Messaufnehmer,
wobei die zumindest eine bewegliche Komponente und zumindest einer der Messaufnehmer jeweils einen individuellen Marker aufweisen, wobei die individuellen Marker mittels einer Bilderfassungseinrichtung in einem Erfassungsbereich der Bilderfassungseinrichtung erfassbar und identifizierbar sind, bei jedem Marker eine Pose in einem Koordinatensystem innerhalb des Erfassungsbereichs ermittelbar ist, und aus den zugeordneten Posen zumindest eine Relativpose der zumindest einen beweglichen Komponente zu dem zumindest einen Messaufnehmer bestimmbar ist.
Die Bilderfassungseinrichtung ist kein zwingender Teil der Vorrichtung, kann aber in einer Weiterbildung der Vorrichtung ein Teil der Vorrichtung sein.
In einer weiteren Ausführungsform weist die zumindest eine bewegliche Komponente zumindest zwei Targets, mehr bevorzugt zumindest drei Targets, auf. Auf ein Target wurde vorangehend schon eingegangen. Weiter umfasst das Messsystem zum Erfassen der beweglichen Komponente zur Erfassung eines jeden Targets jeweils zumindest einen zugeordneten Messaufnehmer.
Durch zwei, oder mehr bevorzugt zumindest drei, Targets können in vorteilhafter Weise drei translatorische und drei rotatorische (Bewegungs)Freiheitsgrade einer beweglichen Komponente bestimmt werden. Sind die Targets im Erfassungsbereich zumindest eines Messaufnehmers angeordnet, so kann beim Erfassen der drei Targets eine Änderung der Position und Orientierung der beweglichen Komponente mit erhöhter Genauigkeit bestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Bilderfassungseinrichtung als Mobiltelefon und/oder tragbarer Computer mit Kamera ausgebildet.
Ein Mobiltelefon oder tragbarer Computer ist ein mobiles, insbesondere tragbares, Gerät, das eine als Bilderfassungseinrichtung ausgebildete Kamera umfasst. Das Gerät kann vorzugsweise ortsunabhängig und drahtlos eingesetzt werden. Die Kamera kann insbesondere einen Erfassungsbereich aufweisen, der individuelle Marker erfassen kann. Das Gerät kann Mikroprozessoren umfassen, so dass Software zum Identifizieren von individuellen Markern auf dem Gerät ausgeführt werden kann. Mit Hilfe des Geräts kann insbesondere eine Relativpose bestimmt werden. Das Gerät kann eine Anzeigeeinrichtung umfassen, die zum Anzeigen der Relativpose oder dafür relevanter Informationen genutzt wird. So kann in vorteilhafter Weise die Portabilität der Vorrichtung und beim Durchführen der in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahren erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Messsystem als Photogrammetrie-, Multilaterations- und/oder Multiangulationssystem ausgebildet.
Photogrammetrie-, Multilaterations- und/oder Multiangulationssysteme bezeichnen Messsysteme, die mittels berührungsloser Messmethoden und Auswerteverfahren, durch Erfassen zumindest einer beweglichen Komponente die Position und Orientierung der zumindest einen beweglichen Komponente zu verschiedenen Zeitpunkten bestimmen können. So kann insbesondere eine Ist-Trajektorie der zumindest einen beweglichen Komponente bestimmt werden. In Photogrammetrie-, Multilaterations- und/oder Multiangulationssystemen werden beispielsweise Messaufnehmer mit Radar-Sensoren und/oder Laserscanner verwendet. So kann in vorteilhafter Weise eine höhere Genauigkeit gegenüber anderen Messsystemen beim Kalibrieren eines Koordinatenmessgeräts oder Roboters erzielt werden. Wie bereits vorangehend gesagt, kann der Messaufnehmer mit einem Laser-basiertes Messverfahren arbeiten.
In noch einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Koordinatenmessgeräts, aufweisend

- Durchführen einer Bewegung einer beweglichen Komponente des Koordinatenmessgeräts entlang einer einer Ist-Trajektorie, die von einer vorgegebenen Soll-Trajektorie abweicht
- das rechnerische Korrigieren der Bewegung der beweglichen Komponente unter Verwendung von Abweichungen der Ist-Trajektorie von der Soll-Trajektorie, wobei diese Abweichungen nach einem Verfahren nach Anspruch 4 erhalten sind oder werden.

Mit diesem Verfahren werden Bewegungsfehler, die genannten Abweichungen im Betrieb rechnerisch korrigiert, im Rahmen einer computer aided accuracy (CAA). Das bewegliche Teil kann in einer speziellen Variante einen Messsensor aufweisen oder ein Messensor sein.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein Ensemble von individuellen Aruco Markern mit eingezeichnetem Koordinatensystem
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
1 zeigt sechs Aruco Marker 1, 2, 3, 4, 5, 6, gedruckt auf ein Blatt Papier. Die Aruco - Marker zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:

- Marker wird durch vier Punkte (Eckpunkte) und eine ID repräsentiert
- Äußerer Rand schwarz zur Erkennung, mit den genannten Eckpunkten
- Innen Bitmuster mit codierter ID
- die Pose des Markers wird aus den vier Eckpunkten, Kameramatrix (Matrix der Bilderfassungseinrichtung) und bekannter Markergröße berechnet

In 1 sind die verschiedenen Posen der Marker durch jeweils eingezeichnete kartesische Koordinatensysteme dargestellt.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die zur Durchführung erfindungsgemäßer Verfahren geeignet ist.
Das Messsystem 7 weist die Messaufnehmer 8, 9, 10, 11 auf, die jeweils diesem Beispiel Laser-Tracker bzw. Laserabstandsmesser sind. Das Messsystem 7 ist auf der Basis 12 eines Koordinatenmessgeräts 13, das nur ausschnittweise gezeigt ist, angeordnet.
Auf der Basis 12 ist ferner ein nicht vollständig gezeigter Bewegungsarm 14 angeordnet, an dessen Endstück 15 die bewegliche Komponente 16, die hier ein Prüfkörper ist, angebracht ist. Die bewegliche Komponente 16 ist mithilfe des Arms 14 entlang einer nichtlinearen Trajektorie beweglich. Der Arm 14 könnte alternativ ein Roboterarm sein.
Dem Messaufnehmer 8 ist der Marker 1 zugeordnet, der neben seinem Fuß angebracht ist. Entsprechend ist dem Messaufnehmer 9 der Marker 2 zugeordnet und dem Messaufnehmer 10 der Marker 3. Dem Messaufnehmer 11 ist ebenfalls ein, hier in diesem Bild verdeckter, Marker zugeordnet. Die Zuordnung der Marker zu den jeweiligen Messaufnehmern ist beispielhaft zu verstehen und kann selbstverständlich auch eine andere sein.
An der beweglichen Komponente 16 ist der Marker 4 angebracht. Und an der Basis 12 ist der Marker 5 angebracht. Der Marker 5 kann dazu dienen, den Ursprung eines Gerätekoordinatensystems zu markieren und die Pose des Markers 5 beinhaltet die Orientierung dieses Gerätekoordinatensystems. Das durch Position und Orientierung des Markers 5 festgelegte Koordinatensystem kann zum Zwecke der Erfindung ein Koordinatensystem innerhalb des Erfassungsbereichs der Bilderfassungseinrichtung sein
Der Bezug eines Ursprungs eines jeweiligen Markerkoordinatensystems, welches je Marker 1, 2, 3, 4, 5, 6 in 1 gezeigt ist, zum Ursprung eines internen Koordinatensystems des jeweils zugeordneten Messaufnehmers 8, 9, 10, 11 bzw. zum Ursprung eines internen Koordinatensystems der beweglichen Komponente 16 wird dabei entweder möglichst klein gehalten oder ist bekannt.
Die bewegliche Komponente 16 weist die drei Targets 17, 18,19 auf, bei welchen es sich um reflektierende Strukturen handelt. Jeweils einem der Targets 17, 18,19 ist mindestens einer der Messaufnehmer 8, 9,10 zugeordnet, um bei Bewegung der beweglichen Komponente 16 die Bewegung zu verfolgen. Jeder der Messaufnehmer 8, 9,10 sendet einen Laserstrahl aus, der das jeweilige Target 17, 18,19 trifft, wodurch eine Abstandsmessung oder Abstandsänderungsmessung erfolgen kann.
Da jedem Messsaufnehmer 8, 9,10 und der beweglichen Komponente 16 mit dem Targetensemble 17, 18,19 jeweils ein individueller Marker zugeordnet ist, kann die gesamte Szene in einem Bild einer hier nicht gezeigten Bilderfassungseinrichtung, zum Beispiel einer Handykamera, erfasst werden und es kann nicht zu Doppelnennungen kommen. Der Blick des Betrachters geht hier durch die Bilderfassungseinrichtung.
Mit dem Aufbau der 2 können erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden.
Bei einem Verfahren zum Bestimmen zumindest einer Relativpose wird bei jedem der Marker 1, 2, 3 ,4, und gegebenenfalls einem dem Messaufnehmer 11 zugeordneten Marker und optional auch bei dem Marker 5, eine Pose innerhalb des Erfassungsbereichs der Bilderfassungseinrichtung ermittelt, und es wird darauf hin eine Relativpose der beweglichen Komponente 16, im Speziellen des Markerensembles 17, 18, 19, zu den Messaufnehmern 8, 9,10 ermittelt. Dies wird auch als Einmessung bezeichnet. Spezielle Varianten der Einmessung werden nachfolgend beschrieben.
Der gesamte Aufbau aus 2 kann wahlweise in einem oder in mehreren Bildern mit der Bilderfassungseinrichtung aufgenommen werden. Obwohl eine einzelne Aufnahme genügt, kann es trotzdem notwendig sein, mehrere Bilder des Aufbaus aufzunehmen. Gründe hierfür können sein, dass der Aufbau von der Bilderfassungseinrichtung nicht in einem Bild erfasst werden kann oder dass in einer bestimmten Bildeinstellung Komponenten, wie Messaufnehmer 8, 9,10, bewegliche Komponente 16 oder Marker 17, 18,19, sich gegenseitig verdecken. Ein weiterer Grund für verschiedene Aufnahmen aus verschiedenen Perspektiven kann eine Stabilität der Einmessung sein.
Zur Einmessung ist keine spezielle Kamera notwendig und es kann beispielsweise eine Smartphone- Kamera verwendet werden. Lediglich die intrinsischen Kamera-Parameter der zu verwendenden Kamera sollten bekannt sein. Diese können in einem vorab durchzuführenden Schritt ermittelt werden. Bei aktuellen Smartphones ist davon auszugehen, dass diese Informationen wahlweise vom Hersteller des Smartphones oder über sogenannte Augmented Reality Toolboxen bereitgestellt werden.
Das/die aufgenommene(n) Bild(er) wird/werden dann über eine z.B. auf dem Smartphone installierte App hinsichtlich der angebrachten Aruco-Marker 1, 2, 3, 4, optional 5, ausgewertet. Man erhält so die 6D-Pose jedes Markers und, da der Bezug von Marker-ID und Messaufnehmer 8, 9,10, optional auch des Messaufnehmers 11, bzw. deren Ursprüngen vorhergehend hergestellt wurde, auch die Grobposition der Messaufnehmer 8, 9, 10, optional 11. Relative Posen von Markern 1, 2, 3, 4 können in einem Koordinatensystem ermittelt werden, dessen Ursprung der Marker 5 markiert und das zum Zwecke der Erfindung ein Koordinatensystem innerhalb der Bilderfassungseinrichtung sein kann.
In einem sich anschließenden Kalibrier- oder Fehler-Ermittlungsverfahren kann diese Relativpose, bzw. können die ermittelten mehreren Relativposen als Startwert verwendet werden. Genaueres zu den Startwerten ist in der allgemeinen Beschreibung angegeben.
In dem Kalibrier- oder Fehler-Ermittlungsverfahren wird die bewegliche Komponente 16 mit dem Markerensemble 17, 18, 19 mittels des beweglichen Arms 14 entlang einer vorgegebenen Soll-Trajektorie bewegt, zum Beispiel einer Kreissegmentbahn, wobei die Messaufnehmer 8, 9,10 die Bewegung der beweglichen Komponente 16 erfassen. Wie zuvor beschrieben, kann jeder der Messaufnehmer 8, 9,10 jeweils eines der Targets 17, 18, 19 während der Bewegung der beweglichen Komponente 16 erfassen, sodass die Bewegung permanent beobachtet wird und so eine Ist-Trajektorie der beweglichen Komponente 16 erfasst wird, und weiterhin eine oder mehrere Abweichungen der Ist-Trajektorie von der Soll-Trajektorie (ideale Kreissegmentbahn) ermittelt werden. Auch denkbar ist, dass die Messaufnehmer 8, 9, 10 (zunächst) nur eines des Targets 17, 18, 19 erfassen. Die ermittelten Abweichungen stellen Fehlerwerte dar, die zur Korrektur während des Betriebs des KMG 13 mit dem Arm 14 oder alternativ eines Roboters mit dem Arm 14 verwendet werden können. Im Verfahren zum Betrieb des KMG 13 wird eine einer Bewegung der beweglichen Komponente 16 entlang einer einer Ist-Trajektorie vorgenommen. Und mithilfe der zuvor erhaltenen Abweichungswerte erfolgt das rechnerische Korrigieren der Bewegung der beweglichen Komponente 14 unter Verwendung von Abweichungen der Ist-Trajektorie von der Soll-Trajektorie.
Anders als hier gezeigt könnte die bewegliche Komponente 16 alternativ ein Messensor sein oder durch einen Messsensor ersetzt werden, der ebenso starr mit dem Arm 14 verbunden ist wie die bewegliche Komponente 16, sodass letztendlich aus der Bewegung des Arms 14 resultierende Bewegungsfehler genauso für den Messsensor gelten und die gleichen ermittelten Abweichungen zwischen Ist-Trajektorie und Soll-Trajektorie der rechnerischen Korrektur der Bewegung zugrunde gelegt werden können. Ein Messsensor ist aber keine Voraussetzung. Es kann sich bei dem Arm 14 auch um ein anderweitiges bewegliches Teil des KMG oder eines Roboters handeln, welches direkt keinen Messsensor tragen muss, dessen Bewegung aber rechnerisch korrigiert werden soll.
Bezugszeichenliste

1: Marker
2: Marker
3: Marker
4: Marker
5: Marker
6: Marker
7: Messsystem
8: Messaufnehmer
9: Messaufnehmer
10: Messaufnehmer
11: Messaufnehmer
12: Basis
13: KMG oder Roboter
14: Arm
15: Endstück
16: bewegliche Komponente
17: Target
18: Target
19: Target

Claims

Verfahren zum Bestimmen zumindest einer Relativpose zwischen einer beweglichen Komponente (16) eines Koordinatenmessgeräts (13) oder Roboters, und zumindest einem Messaufnehmer (8, 9,10) eines Messsystems (7) mit Hilfe einer Bilderfassungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine bewegliche Komponente (16) und zumindest einer der Messaufnehmer (8, 9, 10) mit jeweils einem individuellen Marker (1, 2, 3, 4) markiert sind, wobei die individuellen Marker (1, 2, 3, 4) mittels der Bilderfassungseinrichtung in einem Erfassungsbereich der Bilderfassungseinrichtung erfasst und identifiziert werden, und das Verfahren die Schritte aufweist, dass die individuellen Marker (1, 2, 3, 4) identifiziert werden, bei jedem Marker (1, 2, 3, 4) eine Pose in einem Koordinatensystem innerhalb des Erfassungsbereichs ermittelt wird, und aus den zugeordneten Posen zumindest eine Relativpose der zumindest einen beweglichen Komponente (16) zu dem zumindest einen Messaufnehmer (8, 9, 10) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Marker (4) der beweglichen Komponente (16) und zusätzlich zu dem Marker des zumindest einen Messaufnehmers (1, 2, 3) ein weiterer individueller Marker (5) im Erfassungsbereich der Bilderfassungseinrichtung angeordnet wird, wobei vorzugsweise der weitere individuelle Marker (5) einen Ursprung des Koordinatensystems innerhalb des Erfassungsbereichs bildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Marker (1, 2, 3, 4) derart identifiziert wird, dass die Pose bezüglich drei translatorischer und/oder drei rotatorischer (Bewegungs)Freiheitsgrade des Markers ermittelt wird.
Verfahren zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgeräts oder Roboters, aufweisend die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, und weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine bewegliche Komponente (16) entlang einer vorgegebenen Soll-Trajektorie bewegt wird, wobei zumindest einer der zumindest einen Messaufnehmer (8, 9, 10) die Bewegung der zumindest einen beweglichen Komponente (16) erfasst und so eine Ist-Trajektorie der zumindest einen beweglichen Komponente (16) erfasst, und weiterhin eine oder mehrere Abweichungen der Ist-Trajektorie von der Soll-Trajektorie ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine bewegliche Komponente (16) zumindest ein Target (17, 18,19) aufweist, wobei das Erfassen der Ist-Trajektorie der beweglichen Komponente (16) derart stattfindet, dass das zumindest eine Target (17, 18,19) durch zumindest einen der zumindest einen Messaufnehmer (8, 9, 10) erfasst wird.
Vorrichtung zum Bestimmen von Relativposen zwischen beweglichen Komponenten eines Koordinatenmessgeräts (13) oder Roboters und Messaufnehmern (8, 9,10) eines Messsystems (7), umfassend ein Koordinatenmessgerät (13) oder einen Roboter mit zumindest einer beweglichen Komponente (16), und ein Messsystem (7) aufweisend zumindest einen Messaufnehmer (8, 9,10), dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine bewegliche Komponente (16) und zumindest einer der Messaufnehmer jeweils einen individuellen Marker (1, 2, 3, 4) aufweisen, wobei die individuellen Marker (1, 2, 3, 4) mittels einer Bilderfassungseinrichtung in einem Erfassungsbereich der Bilderfassungseinrichtung erfassbar und identifizierbar sind, bei jedem Marker (1, 2, 3, 4) eine Pose in einem Koordinatensystem innerhalb des Erfassungsbereichs ermittelbar ist, und aus den zugeordneten Posen zumindest eine Relativpose der zumindest einen beweglichen Komponente (16) zu dem zumindest einen Messaufnehmer (8, 9,10) bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine bewegliche Komponenten (16) zumindest zwei Targets (17, 18,19) aufweist und das Messsystem (7) zum Erfassen der zumindest einen beweglichen Komponente (16) zur Erfassung eines jeden Targets (17, 18,19) jeweils zumindest einen Messaufnehmer (8, 9, 10) umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungseinrichtung als Mobiltelefon und/oder tragbarer Computer mit Kamera ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (7) als Photogrammetrie-, Multilaterations- und/oder Multiangulationssystem ausgebildet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Koordinatenmessgeräts (13) oder Roboters, aufweisend - Durchführen einer Bewegung einer beweglichen Komponente (16) des Koordinatenmessgeräts (13) entlang einer Ist-Trajektorie, die von einer vorgegebenen Soll-Trajektorie abweicht - das rechnerische Korrigieren der Bewegung der beweglichen Komponente (16) unter Verwendung von Abweichungen der Ist-Trajektorie von der Soll-Trajektorie, wobei diese Abweichungen nach einem Verfahren nach Anspruch 4 erhalten sind oder werden.