DE10331460A1

DE10331460A1 - Roboter

Info

Publication number: DE10331460A1
Application number: DE2003131460
Authority: DE
Inventors: Konrad Klein; Georgios Sakas; Hagen Schumann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-02-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (2, 12) zur Erfassung dreidimensionaler geometrischer Daten von Oberflächen (4) realer Objekte (1), insbesondere zum Zwecke des Baus von Formen und/oder Modellen, für die bildliche Darstellung der realen Objekte und/oder bei der Qualitätssicherung in Produktionsprozessen, wobei die Anordnung (2, 12) Folgendes aufweist: a) eine erste bewegliche Positionierungseinrichtung (12), insbesondere einen Roboter mit einer Mehrzahl von Freiheitsgraden der Bewegung, b) zumindest einen Sensor (23) zur Erfassung der Daten, wobei der zumindest eine Sensor (23) an der ersten Positionierungseinrichtung (12) angebracht ist oder Teil der ersten Positionierungseinrichtung ist, und c) eine zweite Positionierungseinrichtung (2), die drehbeweglich ist und die ausgestaltet ist, derart mit zumindest einem der realen Objekte (1) zusammenzuwirken, dass das Objekt (1) bei einer Drehbewegung der zweiten Positionierungseinrichtung (2) gedreht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Erfassung dreidimensionaler geometrischer Daten von Oberflächen realer Objekte, insbesondere zum Zwecke des Baus von Formen und/oder Modellen, für die bildliche Darstellung der realen Objekte und/oder bei der Qualitätssicherung in Produktionsprozessen.
Auf zahlreichen Gebieten der Technik und der Produktion, insbesondere auf den genannten Gebieten, werden dreidimensionale geometrische Daten von Oberflächen realer Objekte, insbesondere von Festkörpern, benötigt. Diese Daten können mit geeigneten Sensoren erfasst werden, sodass beispielsweise im Ergebnis eine Vielzahl von Datengruppen vorliegt, wobei jede Datengruppe Informationen über die Lage eines Oberflächenpunktes oder -gebietes aufweist. Zusätzlich können Informationen über weitere Eigenschaften der Oberflächenpunkte oder -gebiete erfasst worden sein, etwa Farben, Grauwerte und/oder Oberflächenstrukturen.

Aus der US 5,198,877 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontaktlosen Erfassen der Lage zahlreicher Punkte auf der Oberfläche eines Objektes bekannt. In der Beschreibungseinleitung der Schrift wird ein Überblick über diverse bekannte Verfahren und Vorrichtungen sowie über die damit verbundenen Schwierigkeiten gegeben. Die in der Schrift genannten Sensoren und Anwendungen sind Beispiele aus dem Gebiet der vorliegenden Erfindung.

Insbesondere wird in der Beschreibungseinleitung der vorgenannten Schrift beschrieben, dass ein Sensor zur Erfassung der dreidimensionalen geometrischen Daten an einer beweglichen Positionierungseinrichtung angebracht wird um eine Vielzahl von verschiedenen Relativpositionen des Sensors und des Objektes einstellen zu können und somit nacheinander eine Vielzahl von Oberflächenpunkten des Objektes erfassen zu können. Alternativ zu der Positionierung des Sensors wird das Objekt selbst bewegt. Ziel ist es in der Regel, die aus verschiedenen Relativpositionen erfassten Daten in ein gemeinsames Koordinatensystem zu transformieren (z. B. das Laborsystem oder ein auf das Objekt bezogenes System).

In beiden Fällen kann der Sensor nur eine Seite des Objektes gleichzeitig erfassen, da die andere Seite für den Sensor versteckt liegt. Weiterhin kann es selbst auf der dem Sensor zugewandten Seite des Objektes Bereiche geben, die nicht in jeder Relativposition erfasst werden können, beispielsweise zurückspringende oder vertiefte Bereiche der Oberfläche.

In der US 5,198,877 selbst wird vorgeschlagen, den Sensor per Hand um das Objekt herumzubewegen. Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen die manuelle Bewegung des Sensors unerwünscht oder unzweckmäßig ist, insbesondere wenn während der Datenerfassung Gefahren für Personen bestehen. Auch sind die Personalkosten für entsprechendes geschultes Personal nicht zu vernachlässigen.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher den Fall, dass der zumindest eine Sensor zur Erfassung der dreidimensionalen geometrischen Daten von einer beweglichen Positionierungseinrichtung bewegt wird. Hierzu ist er (insbesondere relativ zu der Positionierungseinrichtung unbeweglich) an der Positionierungseinrichtung angebracht oder Teil der Positionierungseinrichtung. In der Praxis werden für diesen Zweck insbesondere Roboter eingesetzt, die Bewegungen mit mehreren (z. B. sechs) Freiheitsgraden ausführen können, etwa Gelenkarmroboter oder Portalroboter. Allgemein betrifft die Erfindung bewegliche Positionierungseinrichtungen, die den zumindest einen Sensor selbsttätig positionieren können.

Die Kosten für die Anschaffung und den Betrieb (z. B. Raumkosten) solcher Positionierungseinrichtungen steigen mit zunehmender Größe erheblich an. Andererseits hat der an der Positionierungseinrichtung angebrachte Sensor einen begrenzten Erfassungsbereich, in dem Oberflächenbereiche des Objektes für den jeweiligen Zweck vollständig erfasst werden können. Beispielsweise kann es für eine vollständige Erfassung erforderlich sein, dass die Richtung, aus der der Sensor einen bestimmten Oberflächenbereich sieht, etwa senkrecht zu dem Oberflächenbereich steht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, die es erlauben, einen Erfassungsbereich eines an einer Positionierungseinrichtung angebrachten Sensors zur Erfassung dreidimensionaler geometrischer Daten von Oberflächen realer Objekte mehrfach auszunutzen, wobei eine wiederholte Kalibrierung einer relativen Position des Sensors und eines zu vermessenden Objektes vermeidbar sein soll.

Unter der Kalibrierung einer relativen Position des Sensors und eines zu vermessenden Objektes wird eine Prozedur verstanden, bei der manuell, unter Zuhilfenahme einer separaten Kalibrierungseinrichtung, unter Verwendung bekannter Lagen von Referenzpunkten des Objektes und/oder auf andere Art erstmalig ein Bezug zwischen einem Koordinatensystem des Sensors und einem Koordinatensystem des zu vermessenden Objektes hergestellt wird. Eine Kalibrierung ist insbesondere dann vermeidbar, wenn der an der Positionierungseinrichtung angebrachte Sensor von der Positionierungseinrichtung bewegt wird und die mit dieser Bewegung einhergehende Änderung der Lage eines der Koordinatensysteme automatisch mitverfolgt und/oder ausgewertet wird. Zum Beispiel kann ein Stellsignal (etwa eines Schrittmotors), das zur Steuerung der Bewegung der Positionierungseinrichtung ausgegeben wird, gleichzeitig aufgezeichnet und/oder berücksichtigt werden. Ein Rechner kann das Stellsignal verwenden, um die neue relative Lage der Koordinatensysteme zu berechnen. Eine Kalibrierung ist insbesondere dann unvermeidbar, wenn eine manuelle Neupositionierung des Objektes stattgefunden hat.

Im Folgenden wird die Positionierungseinrichtung, an der der zumindest eine Sensor angebracht ist oder dessen Teil der Sensor ist, als die erste Positionierungseinrichtung bezeichnet. Es wird nun vorgeschlagen, eine zweite Positionierungseinrichtung vorzusehen, die drehbeweglich ist und die ausgestaltet ist, derart mit zumindest einem der realen Objekte zusammenzuwirken, dass das Objekt bei einer Drehbewegung der zweiten Positionierungseinrichtung gedreht wird.

Als Verfahrensweise wird vorgeschlagen, durch den Sensor jeweils in verschiedenen absoluten Bewegungspositionen sowohl der ersten als auch der zweiten Positionierungseinrichtung die geometrischen Daten zumindest von Teilbereichen der Oberfläche zu erfassen.

Bisher musste die erste Positionierungseinrichtung auf die Größe der zu vermessenden Objekte abgestimmt werden, damit alle Bereiche der Oberfläche des Objektes vollständig erfasst werden können. Große Objekte erforderten daher kostenaufwändige Positionierungseinrichtungen mit entsprechendem Erfassungsbereich oder erforderten die manuelle Neupositionierung des Objektes. Wie bereits erwähnt, zieht die manuelle Neupositionierung eine erneute Kalibrierung der Relativposition des Sensors und des Objektes nach sich. Eine erneute Kalibrierung kostet jedoch viel Zeit und/oder Rechenleistung und erlaubt es erst danach, die vor und nach der manuellen Neupositionierung erfassten geometrischen Daten in ein gemeinsames Koordinatensystem zu transformieren.

Die Verwendung der drehbeweglichen zweiten Positionierungseinrichtung macht es möglich, den Erfassungsbereich des zumindest einen Sensors so klein auszulegen, dass das Objekt nicht vollständig im Erfassungsbereich liegt. Insbesondere kann eine wesentlich weniger aufwändige erste Positionierungseinrichtung verwendet werden, die es nur erlaubt, die Oberfläche des Objektes von einer Seite zu erfassen. Durch eine Drehbewegung der zweiten Positionierungseinrichtung können dann bisher nicht im Erfassungsbereich liegende Bereiche der Oberfläche in den Erfassungsbereich bewegt werden.

Vorzugsweise wird die Drehbewegung der zweiten Positionierungseinrichtung und/oder ein entsprechendes Steuersignal zur Steuerung der Drehbewegung erfasst und daraus automatisch ermöglicht die vor, während und/oder nach der Drehbewegung erfassten geometrischen Daten in ein gemeinsames Koordinatensystem zu transformieren. Besonders einfach ist dies zu realisieren, wenn die zweite Positionierungseinrichtung um eine ortsfeste Drehachse beweglich ist und Zylinderkoordinaten verwendet werden.

Vorzugsweise ist die zweite Positionierungseinrichtung so ausgestaltet, dass bei sachgemäßer Handhabung keine relative Positionsänderung des Objektes und der zweiten Positionierungseinrichtung auftritt oder bei der Drehbewegung nur eine solche relative Positionsänderung auftritt, die im Rahmen einer Positionierungstoleranz liegt.

In der Regel kann das Objekt nur ungenauer relativ zu dem Sensor positioniert werden als der Sensor geometrische Daten erfassen kann. Anders ausgedrückt: Wird versucht, eine bestimmte Relativposition des Objektes und des Sensors zu reproduzieren, deckt der Sensor in der Regel eine Ungenauigkeit der relativen Positionierung auf. Die Positionierungstoleranz entspricht z. B. einer – insbesondere vorgegebenen und noch zulässigen – Ungenauigkeit der relativen Positionierung des Objektes und des Sensors.

Werden nun vor und nach einer Drehbewegung geometrische Daten erfasst, wobei eine relative Positionsänderung des Objektes und der zweiten Positionierungseinrichtung auf Grund der Drehbewegung stattgefunden hat, wird vorgeschlagen, zunächst eine Transformation der geometrischen Daten in ein gemeinsames Koordinatensystem durchzuführen und danach eine Korrektur der relativen Positionsänderung unter Verwendung der erfassten Daten vorzunehmen. Beispielsweise können sich hierfür die erfassten Oberflächenbereiche des Objektes vor und nach der Drehbewegung überlappen und können die von der Erfassung des Überlappungsbereiches gewonnenen Daten für die Korrektur verwendet werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Überlappungsbereich charakteristische Merkmale aufweist, die eine eindeutige Identifikation der Lage und/oder Orientierung aus den gewonnenen Daten ermöglichen. Die Verfahrensweise mit der nachträglichen Korrektur ist in der Praxis mit deutlich geringerem Aufwand durchführbar als eine Kalibrierung nach einer manuellen Neupositionierung des Objektes. Insbesondere kann eine erlaubte Positionierungstoleranz und damit die maximal zulässige Relativbewegung des Objektes unter der zweiten Positionierungseinrichtung so definiert werden, dass eine Korrektur allein aus den von den zumindest einen Sensor erfassten Daten möglich ist.

Typische Werte für eine relative Positionsänderung des Objektes und der zweiten Positionierungseinrichtung die in der Praxis beispielsweise bei wenigen Mikrometern an den von der Drehachse am weitesten entfernt liegenden Stellen des Objektes. Einer Relativbewegung lässt sich insbesondere dadurch vermeiden bzw. der zurückgelegte Weg auf ein Mindestmaß begrenzen, dass das Objekt an der zweiten Positionierungseinrichtung befestigt wird und/oder ein geeignetes Material (wie z. B. Gummi) zwischen einer Oberfläche der zweiten Positionierungseinrichtung und dem Objekt angeordnet wird, wobei eine Anpresskraft zum Anpressen des Objektes an die zweite Positionierungseinrichtung wirkt.

Insbesondere hängen die Teile der ersten Positionierungseinrichtung mechanisch miteinander zusammen. In jedem Fall aber wird bevorzugt, dass die erste und die zweite Positionierungseinrichtung mechanisch separate und/oder in beliebigen Abständen zueinander anordenbare Einrichtungen sind. Dadurch kann leicht eine Anpassung an unterschiedlich große reale Objekte vorgenommen werden, die zu vermessen sind.

Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Steuereinrichtung zur Steuerung von Bewegungen der ersten und der zweiten Positionierungseinrichtung vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung jeweils mit einem von ihr steuerbaren Antrieb der ersten und der zweiten Positionierungseinrichtung verbunden ist und wobei der jeweilige Antrieb die Bewegung der ersten bzw. der zweiten Positionierungseinrichtung antreiben kann. Eine gemeinsame Steuereinrichtung verringert in der gesamten Steuerung technischen Aufwand und bietet darüber hinaus die Möglichkeit, auch bei der Transformation der erfassten geometrischen Daten den Aufwand zu verringern. Beispielsweise können die Steuersignale zur Steuerung der Antriebe als Eingangssignale der Transformation verwendet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine gemeinsame Steuereinrichtung beschränkt. Vielmehr können insbesondere mechanisch separate erste und zweite Positionierungseinrichtungen auch jeweils separate Steuereinrichtungen aufweisen. Dennoch kann auch in diesem Fall eine gemeinsame Auswertungseinrichtung vorgesehen sein, die Informationen zur Transformation der in verschiedenen Relativpositionen erfassten geometrischen Daten von beiden Positionierungseinrichtungen empfängt und auswertet bzw. verwertet.

In konkreter Ausgestaltung der Anordnung weist diese beispielsweise eine Transformationseinrichtung zur Transformation der in beliebigen relativen Bewegungspositionen des Sensors und der zweiten Positionierungseinrichtung erfassten geometrischen Daten in ein gemeinsames Koordinatensystem auf, wobei die Transformationseinrichtung jeweils mit einem Signalgeber der ersten und der zweiten Positionierungseinrichtung verbunden ist und wobei der Signalgeber jeweils ausgestaltet ist, die momentane Bewegungsposition des Sensors bzw. der zweiten Positionierungseinrichtung zu signalisieren.

Vorzugsweise sind die erste und die zweite Positionierungseinrichtung unabhängig voneinander beweglich. Dies betrifft sowohl die mechanische Ausgestaltung der beiden Positionierungseinrichtungen als auch den Fall einer etwaigen gemeinsamen Antriebstechnik.

Gemäß der derzeit bekannten besten Ausführungsform der Erfindung ist eine Drehachse, um die die zweite Positionierungseinrichtung drehbeweglich ist, am Rand eines Erfassungsbereiches angeordnet, wobei der Sensor vollständige geometrische Daten nur von in dem Erfassungsbereich liegenden Oberflächenbereichen der realen Objekte erfassen kann. Durch eine derartige Anordnung kann der Erfassungsbereich gut genutzt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, sehr kleine und sehr große reale Objekte mit derselben Anordnung geometrisch zu vermessen. Hierauf wird noch unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beispielhaft näher eingegangen. Insbesondere wird vorzugsweise ein zentraler Bereich oder Punkt eines zu vermessenden Objektes so an der zweiten Positionierungseinrichtung angeordnet, dass die Drehachse den zentralen Bereich oder Punkt durchdringt. Auf diese Weise können etwa gleich große Bereiche der Oberfläche des Objektes in den Erfassungsbereich bewegt werden.

Unter einer Anordnung der Drehachse am Rand des Erfassungsbereiches wird verstanden, dass die zweite Positionierungseinrichtung so angeordnet ist, dass ein Teil des für das zu vermessende reale Objekte vorgesehenen Raumes innerhalb des Erfassungsbereiches liegt und ein Teil außerhalb des Erfassungsbereiches liegt. Im einfachen Fall einer Stellfläche der zweiten Positionierungseinrichtung, auf die das zu vermessende Objekte gestellt werden kann, würde sich dann ein Teil der Stellfläche innerhalb und ein Teil der Stellfläche außerhalb des Erfassungsbereiches befinden.

Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einer ersten und einer zweiten relativen Bewegungsposition des Sensors und der zweiten Positionierungseinrichtung die geometrischen Daten jeweils von Teilen der Oberfläche erfasst. Dabei ist in den beiden relativen Bewegungspositionen jeweils zumindest ein anderer Teil der Oberfläche außerhalb des Erfassungsbereiches angeordnet und werden die Teile der Oberfläche durch eine Drehbewegung der zweiten Positionierungseinrichtung in den Erfassungsbereich bewegt. Wie bereits oben erwähnt, kann es zumindest einen Überlappungsbereich von Teilen der Oberfläche geben, der in einer Mehrzahl von Drehstellungen der zweiten Positionierungseinrichtung jeweils im Erfassungsbereich des Sensors liegt.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung schneidet die Drehachse den Rand. Insbesondere haben die Drehachse und der Rand zumindest einen gemeinsamen Punkt. Durch eine derartige Anordnung wird der Erfassungsbereich optimal ausgenutzt.

Wie bereits erwähnt kann die zweite Positionierungseinrichtung eine nach oben weisende Stellfläche zum Aufnehmen eines Gewichts des zumindest einen realen Objektes aufweisen. Dabei verläuft insbesondere eine Drehachse der zweiten Positionierungseinrichtung von oben nach unten, insbesondere senkrecht nach unten. Eine derartige Anordnung erleichtert die Handhabung. Insbesondere kann eine Befestigung des Objektes an der Stellfläche entfallen.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei wird Bezug auf die beigefügte Zeichnung genommen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen schematisch:
1 eine Seitenansicht einer Anordnung mit einem Roboter und einem Drehteller, wobei auf dem Drehteller ein zu vermessendes Objekt angeordnet ist,
2 eine Darstellung der Anordnung nach 1 von oben und
3 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Zusammenwirkens von Einrichtungen während eines Betriebes der in 1 und 2 dargestellten Anordnung.
Wie in 1 dargestellt ist, weist eine Einrichtung zum Gewinnen von dreidimensionalen Daten einer Objektoberfläche 4 beispielsweise einen Projektor 21 und zumindest eine Kamera 23 auf. Der Projektor 21 ist ausgestaltet, während der Vermessung des Objektes 1 Teilbereiche der Objektoberfläche 4 mit Licht und/oder einer anderen elektromagnetischen Strahlung zu bestrahlen bzw. zu beleuchten. Die zumindest eine Kamera 23 nimmt dann gemäß dem Triangulationsprinzip Bilder von der Objektoberfläche 4 auf, die Informationen über den dreidimensionalen Verlauf der Objektoberfläche 4 enthalten. Die Anordnung mit dem Projektor 21 und der Kamera 23 wird durch photogrammetrische Verfahren kalibriert und danach wird ihre relative Position nicht mehr verändert. Zur Fixierung der relativen Position werden der Projektor 21 und die Kamera 23 an einer Halterung 18 befestigt, die wiederum an einem Roboter 12 (erste Positionierungseinrichtung) angebracht wird.
Bei dem Roboter 12 handelt es sich beispielsweise um einen Roboter, der sechs Freiheitsgrade einer Bewegung der Halterung 18 ermöglicht. Schematisch sind von dem Roboter 12 ein Fuß 15 eine demgegenüber drehbewegliche Einrichtung 13 und wiederum demgegenüber schwenkbewegliche, an einem Gelenk ineinander übergehende Arme 14, 16 dargestellt. Diverse nicht näher dargestellte Antriebseinheiten des Roboters 12 ermöglichen die selbsttätige Bewegung der Halterung 18.
Außerdem weist die in 1 dargestellte Anordnung eine zweite Positionierungseinrichtung 2 mit einem Drehteller 3 auf. Der Drehteller 3 wiederum weist eine waagerechte, nach oben gerichtete Stellfläche 8 auf, auf der das Objekt 1 angeordnet ist. Die Stellfläche 8 ist kreisrund ausgestaltet und wird in ihrer Mitte von einer Drehachse 9 geschnitten, um die eine Drehbewegung des Drehtellers 3 und damit des Objektes 1 möglich ist. Der Drehteller 3 wird von einem Zwischenelement 7 getragen, das ihn drehbeweglich mit einem Fuß 5 verbindet. Auch die zweite Positionierungseinrichtung 2 weist zumindest eine Antriebseinheit auf, die eine selbsttätige Drehbewegung ermöglicht.
In 2 sind Teile des Roboters 12 sowie der Drehteller 3 mit der Stellfläche 8 und dem darauf angeordneten Objekt 1 erkennbar. Durch eine teilkreisförmige, mehrfach unterbrochene Linie angedeutet ist eine Grenze B eines Erfassungsbereiches, in dem die Kamera 23 von dem Projektor 21 beleuchtete Bilder der Objektoberfläche 4 aufnehmen kann. Mit anderen Worten: Liegt ein Bereich der Objektoberfläche 4 außerhalb des Erfassungsbereiches kann er nicht mehr ausreichend von dem Projektor 21 beleuchtet und von der Kamera 23 aufgenommen werden. Grund hierfür ist die beschränkte Reichweite des Roboters 12.
In der in 2 gezeigten Anordnung fällt die Drehachse 9 in dem dargestellten Schnittpunkt mit der Grenze B des Erfassungsbereiches zusammen. Hierdurch ist es möglich, noch wesentlich kleinere Objekte als das dargestellte Objekt 1 in der Mitte des Drehtellers anzuordnen und deren Oberfläche mit der Anordnung geometrisch zu vermessen, wobei die relative Positionierung und Kalibrierung der ersten und der zweiten Positionierungseinrichtung 2, 12 beibehalten bzw. weiterverwendet werden können. Hierdurch wird erheblicher Aufwand bei der Objektvermessung gespart. Weiterhin können (solange die Stabilität der Anordnung auf dem Drehteller noch gewährleistet ist) auch wesentlich größere Objekte als das Objekt 1 wiederum bei derselben relativen Positionierung vermessen werden. Ein wesentlich größeres Objekt ist durch einen Umriss eines Objektes 1' – dargestellt durch eine mehrfach unterbrochene Umrisslinie – in 2 angedeutet.
Die Variabilität der Anordnung für Objekte ganz verschiedener Größe gilt auch für eine Anordnung, bei der die Drehachse der zweiten Positionierungseinrichtung nicht den Rand des Erfassungsbereiches schneidet, sondern innerhalb des Randes liegt. Jedoch ist in diesem Fall der mögliche Erfassungsbereich nicht optimal ausgenutzt.
Der Erfassungsbereich wird als der Bereich definiert, in dem der Sensor zum Erfassen der dreidimensionalen Daten unabhängig von der Oberflächenform und/oder Oberflächengestaltung die erforderlichen Informationen über die innerhalb des Erfassungsbereiches liegenden Teile der Objektoberfläche erfassen kann. Es muss z. B. damit gerechnet werden, dass Oberflächenbereiche des Objektes in jede mögliche Richtung orientiert sind. Im Allgemeinen wird daher bevorzugt, die Drehachse der zweiten Positionierungseinrichtung nicht außerhalb des Erfassungsbereichs anzuordnen. Bei konkreten Objekten kann es jedoch vorkommen, dass Teilbereiche der Objektoberfläche auch dann noch vollständig vermessen werden können, wenn sie außerhalb des Erfassungsbereiches liegen. In diesem Fall kann die Drehachse der zweiten Positionierungseinrichtung sogar außerhalb des Erfassungsbereiches liegen.
3 zeigt in Blockdarstellung die erste Positionierungseinrichtung 12 und die zweite Positionierungseinrichtung 2. Zur Erfassung der momentanen Positionen der ersten 12 und der zweiten 2 Positionierungseinrichtung sind diese jeweils mit einer Positionserfassungseinrichtung 25 verbunden. Die Positionserfassungseinrichtung 25 wiederum ist mit einer Datenverarbeitungseinheit 27 eines Rechners 31 verbunden. Bei einer alternativen Ausgestaltung ist auch die Positionserfassungseinrichtung Teil des Rechners 31.
Weiterhin ist in 3 ein Sensor 23 zur Erfassung der Geometriedaten dargestellt, im Beispiel von 1 und 2 die Kamera. Zur Auswertung der erfassten Daten ist in der Sensor 23 ebenfalls mit der Datenverarbeitungseinheit 27 verbunden. Weiterhin übernimmt der Rechner 31 auch die Steuerung der Bewegungen der Positionierungseinrichtung 2, 12 und weist zu diesem Zweck eine Steuereinheit 29 auf, die über Steuerleitungen mit den Positionierungseinrichtungen 2, 12 verbunden ist. Optional ist die Steuereinheit 29 mit der Datenverarbeitungseinheit 27 verbunden. In diesem Fall kann die Steuerung z. B. abhängig von dem Ergebnis einer Auswertung der Geometriedaten die Bewegung der Positionierungseinrichtungen 2, 12 steuern. Alternativ oder zusätzlich findet die Berechnung und/oder Vorgabe der von dem Positionierungseinrichtungen 2, 12 auszuführenden Bewegungen in der Datenverarbeitungseinheit 27 statt und werden entsprechende Befehle zur Ausführung an die Steuereinheit 29 ausgegeben.
Im Ergebnis kann insbesondere in Kombination mit der in 1 und 2 dargestellten Anordnung eine automatische und vollständige Vermessung von Objektoberflächen durchgeführt werden.

1: Objekt
1': großes Objekt
2: Positionierungseinrichtung
3: Drehteller
4: Oberfläche
7: Zwischenelement
8: Stellfläche
9: Drehachse
12: Positionierungseinrichtung
13: Einrichtung
14: Arm
15: Fuß
16: Arm
18: Halterung
21: Projektor
23: Kamera, Sensor
25: Positionserfassungseinrichtung
27: Datenverarbeitungseinheit
29: Steuereinheit
31: Rechner

Claims

Anordnung (2, 12) zur Erfassung dreidimensionaler geometrischer Daten von Oberflächen (4) realer Objekte (1), insbesondere zum Zwecke des Baus von Formen und/oder Modellen, für die bildliche Darstellung der realen Objekte und/oder bei der Qualitätssicherung in Produktionsprozessen, wobei die Anordnung (2, 12) Folgendes aufweist: – eine erste bewegliche Positionierungseinrichtung (12), insbesondere einen Roboter mit einer Mehrzahl von Freiheitsgraden der Bewegung, – zumindest einen Sensor (23) zur Erfassung der Daten, wobei der zumindest eine Sensor (23) an der ersten Positionierungseinrichtung (12) angebracht ist oder Teil der ersten Positionierungseinrichtung ist, und – eine zweite Positionierungseinrichtung (2), die drehbeweglich ist und die ausgestaltet ist, derart mit zumindest einem der realen Objekte (1) zusammenzuwirken, dass das Objekt (1) bei einer Drehbewegung der zweiten Positionierungseinrichtung (2) gedreht wird.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Positionierungseinrichtung (2, 12) mechanisch separate und/oder in beliebigen Abständen zueinander anordenbare Einrichtungen sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei eine Steuereinrichtung (31) zur Steuerung von Bewegungen der ersten und der zweiten Positionierungseinrichtung (2, 12) vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung (31) jeweils mit einem von ihr steuerbaren Antrieb der ersten und der zweiten Positionierungseinrichtung (2, 12) verbunden ist und wobei der jeweilige Antrieb die Bewegung der ersten bzw. der zweiten Positionierungseinrichtung (2, 12) antreiben kann.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste und die zweite Positionierungseinrichtung (2, 12) unabhängig voneinander beweglich sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Drehachse (9), um die die zweite Positionierungseinrichtung (2) drehbeweglich ist, am Rand (B) eines Erfassungsbereiches angeordnet ist und wobei der Sensor (23) vollständige geometrische Daten nur von in dem Erfassungsbereich liegenden Oberflächenbereichen der realen Objekte (1) erfassen kann.
Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Drehachse (9) den Rand (B) schneidet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Anordnung eine Transformationseinrichtung (27) zur Transformation der in beliebigen relativen Bewegungspositionen des Sensors (23) und der zweiten Positionierungseinrichtung (2) erfassten geometrischen Daten in ein gemeinsames Koordinatensystem aufweist, wobei die Transformationseinrichtung jeweils mit einem Signalgeber der ersten und der zweiten Positionierungseinrichtung (2, 12) verbunden ist und wobei der Signalgeber jeweils ausgestaltet ist, die momentane Bewegungsposition des Sensors (23) bzw. der zweiten Positionierungseinrichtung (2) zu signalisieren.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zweite Positionierungseinrichtung (2) eine nach oben weisende Stellfläche (8) zum Aufnehmen eines Gewichts des zumindest einen realen Objektes (1) aufweist und wobei eine Drehachse (9) der zweiten Positionierungseinrichtung (2) von oben nach unten verläuft, insbesondere senkrecht nach unten verläuft.
Verfahren zur Erfassung dreidimensionaler geometrischer Daten von Oberflächen (4) realer Objekte (1), insbesondere zum Zwecke des Baus von Formen und/oder Modellen, für die bildliche Darstellung der realen Objekte und/oder bei der Qualitätssicherung in Produktionsprozessen, wobei: – eine erste bewegliche Positionierungseinrichtung (12) verwendet wird, insbesondere ein Roboter mit einer Mehrzahl von Freiheitsgraden der Bewegung, – zumindest ein Sensor (23) zur Erfassung der Daten an der ersten Positionierungseinrichtung (12) angebracht wird oder Teil der ersten Positionierungseinrichtung ist, – eine zweite Positionierungseinrichtung (2) verwendet wird, die drehbeweglich ist und die ausgestaltet ist, derart mit zumindest einem der realen Objekte (1) zusammenzuwirken, dass das Objekt (1) bei einer Drehbewegung der zweiten Positionierungseinrichtung (2) gedreht wird, und – durch den Sensor (23) jeweils in verschiedenen absoluten Bewegungspositionen sowohl der ersten als auch der zweiten Positionierungseinrichtung (2, 12) die geometrischen Daten zumindest von Teilbereichen der Oberfläche erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei Bewegungen der ersten und der zweiten Positionierungseinrichtung (2, 12) von einer gemeinsamen Steuereinrichtung (31) gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die erste und die zweite Positionierungseinrichtung (2, 12) unabhängig voneinander beweglich sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei eine Drehachse (9), um die die zweite Positionierungseinrichtung (2) drehbeweglich ist, am Rand (B) eines Erfassungsbereiches angeordnet ist, wobei der Sensor (23) nur in der Lage ist, die geometrischen Daten von Oberflächenbereichen der realen Objekte (1) in dem Erfassungsbereich vollständig zu erfassen, wobei in einer ersten und einer zweiten relativen Bewegungsposition des Sensors (23) und der zweiten Positionierungseinrichtung (2) die geometrischen Daten jeweils von Teilen der Oberfläche erfasst werden, wobei in den beiden relativen Bewegungspositionen jeweils zumindest ein anderer Teil der Oberfläche außerhalb des Erfassungsbereiches angeordnet ist und wobei die Teile der Oberfläche durch eine Drehbewegung der zweiten Positionierungseinrichtung (2) in den Erfassungsbereich bewegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei in verschiedenen relativen Bewegungspositionen des Sensors (23) und der zweiten Positionierungseinrichtung (2) erfasste geometrischen Daten in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert werden.