NO313113B1 - System for scanning av store objekters geometri - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et system samt en fremgangsmåte for skanning av objekters geometri, slik som angitt i ingressen av krav 1 og 10.

Det finnes en rekke laserbaserte skannere for oppmåling av flater. Karakteristisk for disse er at de har begrenset arbeidsområde, eller begrenset målevolum, må posisjoneres i en gitt avstand fra flaten, og bør ha en gitt orientering relativt til flaten. Skannere monteres derfor ofte på nøyaktige koordinatmålemaskiner, slik at skanneren kan forflyttes stegvis over flaten og skanne område for område. En koordinatmåle-maskin er kompleks, lite fleksibel og har høy pris.

Det er behov for mer fleksible, flyttbare løsninger. Et alternativ er å montere en skanner på en robot, slik at roboten forflytter skanneren over objektet. For hver posisjon skannes en delflate. Denne oppmålingen registreres relativt til skannerens posisjon, og transformeres til et globalt koordinatsystem gitt av roboten.

De fleste roboter har imidlertid en dårlig nøyaktighet. Transformasjon av dataene til robotens koordinatsystem vil derfor ikke gi en tilstrekkelig nøyaktig beskrivelse av objektets overordnede geometri. Kalibrering av roboten for å beskrive dens bevegelser bedre vil hjelpe noe, men på grunn av effekter som slitasje og temperaturvariasjoner er heller ikke dette godt nok.

I den foreliggende oppfinnelse kombineres en løsning bestående av robot og skanner med bruk av en posisjonsmåleenhet som beskrevet i norsk patent nr. 303.595. Skanneren og posisjonsmåleenheten integreres i en sensorenhet. I denne løsningen gir posisjonsmåleenheten informasjonen om skannerens eksakte posisjon. Roboten benyttes kun til forflytning av sensorenheten.

De for oppfinnelsen kjennetegnende trekk ved henholdsvis systemet og fremgangs-måten fremgår av den kjennetegnende del av henholdsvis vedlagte krav 1 og 11. Ytterligere utførelsesformer fremgår av underkravene.

Figur 1 viser systemløsningen.

Figur 2 viser en alternativ konfigurasjon.

Figur 3 viser et eksempel på en skannerenhet, en trianguleringssensor.

Figur 4 viser et eksempel på en posisjonsmåleenhet som beskrevet i norsk patent nr. 303.595.

Figur 5 viser en metode for å bestemme den interne geometrien i sensorenheten. Figur 1 viser et eksempel på en konfigurasjon av systemet. Dette består i hovedsak av to enheter, en sensor 1 og en robot 4. Roboten benyttes for å posisjonere sensoren ved det aktuelle område 12 på objektet 6. Sensoren 1 registrerer objektets lokale geometri, og måler sin egen posisjon relativt til et globalt koordinatsystem 13.

Sensorenheten 1 består av en skannenhet 2 for lokal skanning av geometri samt posisjonsmåleenhet 3 for å bestemme sensorenhetens egen posisjon relativt til det globale koordinatsystem 13. Skannerenheten 2, eksempelvis en laser skann, emitterer en laserstråle 11 som skanner et begrenset område 12. Posisjonsmåleenheten 3 registrerer sin egen posisjon, og derved sensorens 1 posisjon, relativt til et nettverk 8 av referansepuiikter 9. Referansepunktenes posisjon er kjent relativt til det globale koordinatsystemet 13.

Systemet inneholder videre en regnenhet 5 som samler inn dataene fra skannerenheten 2 og posisjonsmåleenhet 3 og transformerer alle data fra skannerenheten til samme globale koordinatsystem. Regneenheten 5 sender også informasjon til roboten 4 for kontroll av dennes forflytning relativt til objektet.

Figur 2 viser en alternativ konfigurasjon. Referansepunktene 9 er her anbragt på objektet 6. Pos isjonsmålesensoren 3 er anbragt slik at den ser disse referansepunktene.

Skannerenheten 2 kan eksempelvis være en av følgende typer, men er ikke begrenset til dette: • Laser avstandsmåler som måler avstanden mellom skannerenhet og objektet i ett punkt, • Trianguleringssensor basert på én-akse skannende laser eller laser linjeprojeksjon kombinert med kamera (f.eks. CCD sensor). En slik sensor skanner en linje i hver

posisjon av skanneren.

• Trianguleringssensor basert på to-akse scannende laser eller laser raster projeksjon kombinert med kamera (f.eks. CCD sensor). • Sensor basert på projeksjon av mønster kombinert med ett eller flere kamera (f.eks. CCD sensor).

Figur 3 viser prinsippet for en trianguleringssensor. Denne inneholder en laser 14 som utsender en laserstråle 11 eller et laser plan (linjeprojeksjon). Laseren projiserer et punkt 15 eller en linje på objektet 6. Punktet 15 avbildes gjennom eri linse 16 på en sensor 17, eksempelvis et CCD array. Skannerenheten 2 er kalibrert, slik at den bestemmer punktets 15 posisjon relativt til et internt koordinatsystem 18.1 en alternativ utforming kan laserstrålen rettes inn mot flaten via et to-akset, bevegelig speil. Derved kan et område av flaten scannes fra en posisjon av trianguleringssensoren.

Skannerens vesentlige egenskap er at den registrerer lokal geometri for et objekt, relativt til skannerens interne koordinatsystem. For hver posisjon av skanneren kan man registrere et punkt, punkter langs en linje, eller punkter i et to-dimensjonalt mønster.

Posisjonsmåleenheten 3 er fortrinnsvis av type beskrevet i norsk patent nr. 303.595, som vist i figur 4. Denne består essensielt av et eller flere kamera montert sammen i en enhet. Det enkelte kamera ser et referansemønster i form av punkter, linjer eller lett gjennkjennbare objekter. For hver posisjon av sensorenheten 1 avbildes punktene 9 i referansemønsteret 8 gjennom linsen 19 på sensoren 20. Dataene overføres til regneenheten 5. Programvare i regneenheten sørger for beregning av posisjonsmåleenhetens 3 egen posisjon og orientering relativt til referansemønsteret 8. Posisjonsmåleenheten i figur 4 er også vist med håndtak 21 og aktiviseringsbryter 22 for manuell bruk. Videre er vist belysningskilde 23 for belysning av referanse-mønsteret 8, og mekanisk probe 24 for punktvis måling av et objekt ved berøring, som beskrevet i norsk patent nr. 303.595.

Det vil være fordelaktig om referansemønsteret 8 er kjent i objektets koordinatsystem eventuelt er en del av objektet selv som angitt i figur 2. Dette kan oppnås om objektet har hull som kan gjenkjennes av posisjonsmåleenheten, eller om referansemønsteret festes til objektet, f. eks. ved å sette lett gjennkjennelige targets i hull eller fordypninger i objektet. Disse targets kan f.eks. være rene passive markører, lysgivere, lysreflektorer e.l.

Det er vesentlig at den geometriske relasjonen mellom skannerenheten 2 og posisjonsmåleenheten 3 er kjent og stabil. Dette kan delvis oppnås ved en stabil, presis og kjent mekanisk konstruksjon, og eventuelt ved separat kalibrering som angitt nedenfor.

Robotenheten 4 har som eneste oppgave å posisjonere sensorenheten 1 i riktig posisjon og orientering relativt til objektet 6. Flere typer robotprinsipper kan benyttes, eksempelvis arm-roboter, kartesiske roboter, roboter med én, to, tre eller flere frihetsgrader. Roboten kan styres etter et forhåndsbestemt program, eller ved å benytte den registerte posisjonen av sensorenheten relativt til objektet, og gi roboten instruksjoner om relativ forflytning relativt til nåværende posisjon.

For hver posisjon skal dataene fra sensorenheten 1 relateres til det samme globale koordinatsystem 13 J Dette forutsetter at relasjonen mellom skannerenhetens

koordinatsystem Xs, Ys, Zs, og posisjonsmåleenhetens koordinatsystem Xc, Yc, Zc er kjent. Figur 5 illustrerer en metode for å bestemme denne relasjonen. Sensorenheten 1 posisjoneres slik at minst tre referansepunkter 9 er innnenfor dens måleområde. Ved å registrere posisjonen av referansepunktene relativt til skannenhetens koordinatsystem, samtidig som posisjonsmåleenheten registrerer sin posisjon relativt til referansepunktene, tilveiebringes informasjonen som er nødvendig for å beregne transformasjonen mellom de to koordinatsystemene.

Claims (1)

1. System for deteksjon av et objekts (6) overflategeometri, bestående av en sensorenhet (1) med utstyr (2) for lokal, punktvis deteksjon av overflategeometri, og en robotenhet (4) for å forflytte sensorenheten (1), karakterisert ved at sensorenheten (1) innbefatter en optisk skannerenhet (2) for kontaktfri avføling og deteksjon av objektets overflategeometri, og en posisjonsmåleenhet (3) bestående av en kamerabasert sensor (7) som er innrettet for å registrere en avbildning av et nettverk (8) bestående av referansepunkter (9) i kjente posisjoner, og for å bestemme posisjonen av sensorenheten (1) i et globalt koordinatsystem definert av nevnte nettverk (8) av referansepunkter (9), og at en regneenhet (5) er tilveiebragt og innrettet for innsamling av data fra skannerenheten (2) og fra posisjonsmåleenhet (3) og for transformasjon av dataene fra skannerenheten (2) slik at de relateres til det globale koordinatsystemet.

2. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at robotenheten (4) er innrettet for trinnvis forflytning av sensorenheten (1).

3. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at nettverket (8) av referansepunkter (9) er på objektet, og at posisjonen for de enkelte referansepunktene i nettverket er kjent relativt til et koordinatsystem som er relatert til objektet.

4. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at robotenheten (4) er innrettet til skrittvis å bevege sensorenheten (1) over objektet (6).

5. System som angitt i ett eller flere av foregående krav, karakterisert ved at skannerenheten (2) er valgt fra gruppen bestående av: laserskanner, ett-punkts laser avstandsmåler, laserbasert trianguleringssensor kombinert med kamera, trianguleringssensor med to-akse skannende laser, trianguleringssensor med laser rasterprojeksjon i kombinasjon med kamera, sensor basert på mønsterprojeksjon kombinert med minst ett kamera.<6>S<.>ystem som angitt i ett eller flere av foregående krav, karakterisert ved at robotenheten (4) er valgt fra gruppen bestående av armbasert robot, kartesisk robot, robot med én, to eller flere frihetsgrader, programstyrt robot, sanntids posisjonsstyrt robot basert på registrert posisjon av sensorenheten (1) i forhold til objektet og instruksjon om forflytning i forhold til eksisterende posisjon.

7. System som angitt i 2tt eller flere av foregående krav, karakterisert ved at nevnte kamera i posisjonsmåleenheten (3) er et CCD kamera.

8. System som angitt i krav 3, karakterisert ved at referansepunktene (9) utgjøres av hull eller fordypninger i objektets (6) overflate.

9. System som angitt i krav 3 eller 8, karakterisert ved at referansepunktene (9) utgjøres av såkalte "target" plassert på objektet (6) eller i nevnte hull eller fordypninger i objektets (6) overflate.

10. Fremgangsmåte for deteksjon av et objekts (6) overflategeomtri, der det anvendes en sensorenhet (1) mai skannerenhet (2) for lokal, punktvis deteksjon av overflategeometrien, en posisjonsmåleenhet (3) for å bestemme sensorenhetens (1) posisjon i forhold til et nettverk (8) av referansepunkter (9) i forhold til et globalt koordinatsystem, og en robotenhet for å forflytte sensorenheten, der sensorenheten (1) posisjoneres slik at en del av objektets (6) overflate er innenfor skannerenhetens (2) måleområde, og der nevnte område skannes for lokal, punktvis deteksjon av overflategeometri, karakterisert ved følgende trinn: optisk å skanne nesvnte måleområde ved hjelp av nevnte skannerenhet (2), samtidig å bestemme ved hjelp av nevnte posisjonsmåleenhet (3) posisjonen av det optiske skannerutstyret (2) i forhold til nettverkets (8) koordinatsystem, og å overføre data fra skannenheten (2) til en regneenhet (5) der dataene transformeres til nettverkets (8) koordinatsystem og lagres.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert ved at sensorenheten (1) forflyttes stegvis av robotenheten ( 4).

12. Fremgangsmåte for kalibrering av en sensorenhet (1) som inneholder en skannerenhet (2) for lokal, punktvis deteksjon av overflategeometri og en posisjonsmåleenhet (3) for å bestemme posisjonen av sensorenheten (1) i et globalt koordinatsystem i forhold til et nettverk (8) av referansepunkter (9) i kjente posisjoner, og der sensorenheten (1) er montert på en robotenhet (4) for forflytting i forhold til et objekt (6), karakterisert veda) å posisjonere sensorenheten (1) slik at minst ett av referansepunktene (9) er innenfor et målevolum av skannerenheten (2) som er egnet for optisk skanning b) å bestemme referansepunktets (9) posisjon relativt til det optiske skannerutstyret (2), c) samtidig å bestemme ved hjelp av posisjonsmåleenheten (3) sensorenhetens (1) posisjon i forhold til nettverkets (8) koordinatsystem, d) å gjenta trinnene a-c eller b,c inntil posisjonen av minst tre referansepunkter (9) er blitt bestemt i forhold til det optiske skannerutstyrets koordinatsystem, og e) å beregne en transformasjonsmatrise basert på data registrert av skanningsutstyret (2) og posisjonsmåleenheten (3) for å beskrive det innbyrdes forholdet.