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Hintergrund der Erfindung
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft ein System und Verfahren zur Erfassung dreidimensionaler Koordinaten von Punkten auf einer Oberfläche eines Objekts und insbesondere ein System und Verfahren zum Betrieb eines Lasertrackers in Verbindung mit einer Scannervorrichtung zur Verfolgung der Position und Orientierung der Scannervorrichtung während des Betriebs.
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Die Erfassung dreidimensionaler Koordinaten eines Objekts oder einer Umgebung kann mittels verschiedener Messgeräte bekannt sein. Eine Umgebung ist als die Sammlung von Objektoberflächen innerhalb der Reichweite eines Messgeräts definiert. Ein Typ eines Messgeräts ist ein Laufzeitsystem wie beispielsweise ein Lasertracker, der einen Lichtstrahl wie zum Beispiel einen Laserstrahl auf ein zu messendes Retroreflektorziel richtet. Bei einer Ausgestaltung wird ein Absolutdistanzmesser zur Ermittlung des Abstands zwischen Tracker und Retroreflektorziel auf Basis einer Zeitdauer verwendet, die das Licht für die Bewegung zum Ziel und zurück benötigt. Positioniert man das Retroreflektorziel in Kontakt mit einer Objektoberfläche, können die Koordinaten der Objektoberfläche ermittelt werden. Ein Lasertracker richtet den Lichtstrahl in einer ausgewählten Richtung, indem er zwei Achsen mit Motoren dreht. Die Drehwinkel der zwei Achsen werden mit Winkelmessgeräten wie beispielsweise Winkelkodierern gemessen. Ein Lasertracker kann durch Messen des einen Abstands und von zwei Winkeln die dreidimensionalen (3D) Koordinaten des Retroreflektorziels ermitteln. Einige Lasertracker besitzen zusätzliche Fähigkeiten zur Messung der Orientierung eines Ziels, wodurch Messungen von sechs Freiheitsgraden (6 DOF; degrees-of-freedom) zur Verfügung gestellt werden.
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Eine Alternative zu einem Laufzeitmessgerät ist ein Abtastsystem, das 3D-Koordinaten auf Basis von Prinzipien der Triangulation ermittelt. Systeme wie beispielsweise Lasertracker, bei denen Laufzeitdistanzmesser benutzt werden, sind in manchen Fällen genauer als Triangulationsscanner, doch Triangulationsscanner sind eventuell schneller, weil sie an jedem Zeitpunkt eine Vielzahl von Lichtpunkten auf die Oberfläche projizieren.
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Ein Triangulationsscanner projiziert entweder eine Lichtlinie (z. B. Licht von einer Laserliniensonde) oder ein Lichtmuster über einen Bereich (z. B. strukturiertes Licht) auf die Oberfläche. In dem System ist eine Kamera in feststehender mechanischer Beziehung an einen Projektor gekoppelt. Das projizierte Lichtmuster, das vom Projektor emittiert wird, wird von der Oberfläche reflektiert und von der Kamera bildlich erfasst. Da die Kamera und der Projektor in feststehender Beziehung angeordnet sind, können der Abstand und die Winkel zum Objekt aus dem projizierten Muster, den aufgenommenen Kamerabildern und einem Basislinienabstand, der den Projektor und die Kamera voneinander trennt, nach Prinzipien der Trigonometrie ermittelt werden. Triangulationssysteme bieten dahingehend Vorteile, dass sie 3D-Koordinatendaten über große Bereiche schnell erfassen.
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Bei einigen Systemen erfasst der Scanner während des Abtastverfahrens eine Serie von 3D-Bildern, die relativ zueinander derart registriert werden können, dass die Position und die Orientierung jedes 3D-Bilds relativ zu den anderen 3D-Bildern bekannt ist. Wenn der Scanner feststehend ist, ist eine solche Registrierung nicht erforderlich. Wenn in ähnlicher Weise der Scanner an einer mechanischen Vorrichtung befestigt ist, die in der Lage ist, die Position und Orientierung des Scanners zu messen, muss keine solche Registrierung bereitgestellt werden. Zu den Beispielen für solche mechanischen Vorrichtungen zählen Gelenkarm-KMGs und kartesische KMGs. Wenn der Scanner in der Hand gehalten wird und daher beweglich ist, können verschiedene Methoden zur Registrierung der Bilder eingesetzt werden. Bei einer üblichen Methode werden Merkmale in den Bildern benutzt, um sich überlappende Bereiche benachbarter Einzelbilder anzupassen. Diese Methode arbeitet gut, wenn das zu messende Objekt viele Merkmale relativ zum Sichtfeld des Scanners aufweist. Wenn das Objekt jedoch eine relativ große flache oder gekrümmte Oberfläche aufweist, werden die Bilder eventuell nicht richtig relativ zueinander registriert.
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Obwohl bereits existierende Koordinatenmessgeräte für ihre beabsichtigten Zwecke geeignet sind, besteht demgemäß nach wie vor Bedarf an einer Verbesserung und insbesondere an einer Verbesserung der Registrierung von Bildern, die von einer Scannervorrichtung erfasst werden.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung von Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche eines Objekts mit einem Koordinatenmessgerät und einer tragbaren Scannervorrichtung mit strukturiertem Licht vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Scanners mit strukturiertem Licht, der einen Körper, eine erste Kamera und einen ersten Projektor, die an den Körper gekoppelt sind, aufweist, wobei die erste Kamera dafür konfiguriert ist, ein von der Objektoberfläche reflektiertes Licht aufzufangen. Der Scanner mit strukturiertem Licht umfasst eine sich von einer ersten Seite des Körpers aus erstreckende Sonde und einen an eine zweite Seite des Körpers gekoppelten Retroreflektor mit sechs Freiheitsgraden. Der Scanner mit strukturiertem Licht hat ferner einen ersten Prozessor, der dafür konfiguriert ist, die Koordinaten von Punkten auf einer Objektoberfläche in einem Scannerbezugssystem zu ermitteln. Es wird ein Koordinatenmessgerät bereitgestellt. Das Koordinatenmessgerät ist dafür konfiguriert, einen Translationskoordinatensatz und einen Orientierungskoordinatensatz zu messen, wobei der Translationssatz aus Werten von drei Translationsfreiheitsgraden des Scanners mit strukturiertem Licht im Gerätebezugssystem besteht und der Orientierungssatz aus Werten von drei Orientierungsfreiheitsgraden des Scanners mit strukturiertem Licht im Gerätebezugssystem besteht. Der Translationssatz und der Orientierungssatz definieren eine Position und Orientierung des Scanners mit strukturiertem Licht im Raum, wobei das Koordinatenmessgerät dafür konfiguriert ist, einen ersten Lichtstrahl zum Retroreflektor zu senden und einen vom Retroreflektor kommenden zweiten Lichtstrahl aufzufangen, wobei der zweite Lichtstrahl ein Teil des ersten Lichtstrahls ist, wobei das Koordinatenmessgerät einen Geräteprozessor umfasst. Der Geräteprozessor ist dafür konfiguriert, den Orientierungssatz und den Translationssatz zu ermitteln, wobei der Translationssatz zumindest teilweise auf dem zweiten Lichtstrahl basiert. Es wird eine Haltevorrichtung mit einem für die Aufnahme der Sonde konfigurierten Abschnitt bereitgestellt. Die Sonde wird auf dem Abschnitt angeordnet. Der Scanner mit strukturiertem Licht wird in einem vorgegebenen Muster bewegt, während die Sonde in Kontakt mit dem Abschnitt gehalten wird und die Koordinaten und die Orientierung des Retroreflektors mit sechs Freiheitsgraden verfolgt werden. Der Translationskoordinatensatz und der Orientierungskoordinatensatz werden für den Scanner mit strukturiertem Licht als Reaktion auf dessen Bewegung ermittelt.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Scanners mit strukturiertem Licht, der eine erste Kamera und einen ersten Projektor aufweist, die in feststehender Beziehung zueinander angeordnet sind, wobei der Scanner mit strukturiertem Licht dafür konfiguriert ist, eine Vielzahl von Bildern eines Objekts aufzunehmen, wobei der Scanner mit strukturiertem Licht einen Retroreflektor mit sechs Freiheitsgraden aufweist, der in feststehender Beziehung zu der ersten Kamera und dem ersten Projektor angeordnet ist. Es wird ein Koordinatenmessgerät bereitgestellt, das eine Lichtquelle und eine zweite Kamera aufweist, die in feststehender Beziehung zueinander angeordnet sind, wobei das Koordinatenmessgerät dafür konfiguriert ist, die Lage und Orientierung des Scanners mit strukturiertem Licht basierend zumindest teilweise auf einem Translationskoordinatensatz und einem Orientierungskoordinatensatz zu ermitteln. Der Translationssatz besteht aus Werten von drei Translationsfreiheitsgraden des Scanners mit strukturiertem Licht in einem Gerätebezugssystem und der Orientierungssatz besteht aus Werten von drei Orientierungsfreiheitsgraden des Scanners mit strukturiertem Licht im Gerätebezugssystem. Das Objekt wird mit dem Scanner mit strukturiertem Licht abgetastet, wobei mindestens ein erstes Einzelbild und ein zweites Einzelbild erhalten werden. Der Retroreflektor mit sechs Freiheitsgraden wird mit dem Koordinatenmessgerät verfolgt, um den Orientierungskoordinatensatz und den Translationskoordinatensatz zu ermitteln. Koordinaten einer Vielzahl von Punkten auf einer Oberfläche des Objekts werden im Gerätebezugssystem basierend zumindest teilweise auf dem ersten Einzelbild, dem zweiten Einzelbild, dem Orientierungskoordinatensatz und dem Translationskoordinatensatz ermittelt.
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Diese und andere Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher hervor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird in den Ansprüchen am Ende der Patentbeschreibung besonders hervorgehoben und eindeutig beansprucht. Die vorangehenden und anderen Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
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1: eine perspektivische Ansicht eines Systems zur Messung eines Objekts gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
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2: eine teilweise perspektivische Ansicht des Scannersondenelements in einer Haltevorrichtung;
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3: eine teilweise perspektivische Ansicht des Systems von 1 mit der Scannervorrichtung, die ein Objekt abtastet;
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4: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung der dreidimensionalen Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche eines Objekts gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung; und
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5: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung der dreidimensionalen Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche eines Objekts gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung.
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Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausgestaltungen der Erfindung zusammen mit den Vorteilen und Merkmalen beispielhaft anhand der Zeichnungen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung stellen Vorteile bei der Registrierung von Bildern zur Verfügung, die von einer Scannervorrichtung erfasst werden. Ausgestaltungen der Erfindung bieten weitere Vorteile bei der Verfolgung einer in der Hand gehaltenen Scannervorrichtung mit einem Koordinatenmessgerät wie beispielsweise einem Lasertrackergerät. Noch weitere Ausgestaltungen der Erfindung stellen Vorteile bei der Eichung/Kompensation der Scannervorrichtung bereit, die vom Lasertrackergerät verfolgt wird.
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Bezug nehmend auf
1–
3, ist dort ein System
20 zur Messung der dreidimensionalen Koordinaten eines Objekts
22 dargestellt. Das System umfasst ein erstes Koordinatenmessgerät wie beispielsweise einen Lasertracker
24, der mit einem zweiten Koordinatenmessgerät wie beispielsweise einem Scanner
26 zusammenwirkt. Der Lasertracker
24 kann ein Gerät wie beispielsweise das in dem am 3. August 2010 angemeldeten
US-Patent 8,659,749 des gleichen Inhabers oder der am 23. April 2012 eingereichten
US-Patentveröffentlichung 2013/0155386 des gleichen Inhabers beschriebene sein.
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Der Lasertracker 24 umfasst einen Projektor, der Licht emittiert, also beispielsweise einen Laser, sowie einen Distanzmesser. Der Projektor und der Distanzmesser sind dafür konfiguriert, ein Licht 28 über eine Apertur 30 zu emittieren und aufzufangen. Der Distanzmesser kann eine Absolutdistanzmesser-Baugruppe sein, die dem Lasertracker 24 die optische Messung des Abstands zwischen dem Lasertracker 24 und einem zusammenwirkenden Ziel wie beispielsweise einem Retroreflektor ermöglicht.
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Der Lasertracker 24 mit sechs Freiheitsgraden (6 DOF; six degrees of freedom) kann Motoren, Winkelkodierer und einen Positionsdetektor, der ihm die Verfolgung der Position eines 6-DOF-Retroreflektorziels während dessen Bewegung durch den Raum gestattet, umfassen. Ein 6-DOF-Retroreflektorziel ist eines, das in 6 DOF von einem 6-DOF-Lasertracker gemessen werden kann. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der 6-DOF-Tracker in der Lage ist, die drei Translationskoordinaten des Ziels (die „Position“) zu ermitteln und auch die drei Orientierungsfreiheitsgrade in einem Trackerbezugssystem 63 zu ermitteln. Beispielsweise könnten drei Translationsfreiheitsgrade x, y, z sein und drei Orientierungsfreiheitsgrade der Nick-, Roll- und Gierwinkel sein. Im Lasertracker 24 ist eine Steuervorrichtung 32 mit einem Prozessor vorgesehen, der dafür konfiguriert ist, die dreidimensionalen Koordinaten des Retroreflektors basierend zumindest teilweise auf dem Abstand zum Retroreflektor und auf Signalen der Winkelkodierer zu ermitteln. Die Steuervorrichtung 32 kann des Weiteren eine zusätzliche Schaltungsanordnung aufweisen, die, aber ohne darauf beschränkt zu sein, Kommunikationsschaltungen umfasst, die dem Lasertracker 23 die Kommunikation mit dem Scanner 26 oder einem Computer 33 über ein drahtgebundenes oder drahtloses Kommunikationsmedium 35 ermöglichen.
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Ein 6-DOF-Tracker ist zusätzlich dazu in der Lage, die Orientierung des Ziels zu messen. Ein Verfahren zur Messung der Orientierung des Retroreflektorziels besteht darin, einen reflexionsfreien Abschnitt an jeder der Schnittlinienverbindungen (Linien) der drei ebenen Reflektoren eines Würfelecken-Retroreflektors zu erstellen und dann das Bild dieser „dunklen“ Linien auf einer Zoomkamera im Lasertracker (nicht dargestellt) aufzunehmen. Ein 6-DOF-Retroreflektor mit reflexionsfreien Schnittlinien wird in der
US-Patentveröffentlichung Nr. 2012/0206808 des gleichen Inhabers beschrieben.
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Ein anderes Beispiel für einen 6-DOF-Tracker ist einer, der zusätzlich zu einem Retroreflektorziel Lichtpunkte umfasst. Es ist durch die Verwendung von mindestens drei nicht-kollinearen Lichtpunkten möglich, die Orientierung des Ziels durch bildliches Erfassen der Lichtpunkte mit einer auf dem Lasertracker 24 angeordneten Kamera zu ermitteln. Ein dritter Typ eines 6-DOF-Trackers ist einer, bei dem ein Abschnitt des gemeinsamen Scheitelpunkts eines Würfelecken-Retroreflektors entfernt ist, wodurch ermöglicht wird, dass ein Teil des Lichts eines Lasertrackers durch den Retroreflektor durchgeht und einen Detektor hinter der Würfelecke anstrahlt. Der Detektor ist der Typ, der eine Position des ihn anstrahlenden Lichts ermittelt. Er kann beispielsweise eine photosensitive Anordnung oder ein positionsempfindlicher Detektor sein. Durch Feststellen der Position des Lichts auf dem Detektor können der Nick- und Gierwinkel des 6-DOF-Ziels ermittelt werden.
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Man kann es so betrachten, dass ein beliebiges der vorstehend beschriebenen 6-DOF-Ziele eine 6-DOF-Baugruppe 16 verkörpert, die in 1 als 6-DOF-Retroreflektor 48 mit einem Baugruppenbezugssystem 12 dargestellt ist. Die Vorrichtung 48 von 1 repräsentiert jedoch eine beliebige geeignete 6-DOF-Baugruppe 16. Die 6-DOF-Baugruppe 16 umfasst einen Retroreflektor 48 und kann aber sonst auch beliebige Elemente umfassen, die zusammenwirkend mit dem 6-DOF-Lasertracker 24 die Position und Orientierung der 6-DOF-Baugruppe bereitstellen. Sie könnte beispielsweise drei oder mehr nicht-kollineare Lichtpunkte nutzen oder sie könnte einen Detektor umfassen, der hinter einem Würfelecken-Retroreflektor positioniert ist, bei dem, wie vorstehend beschrieben, ein Abschnitt seines Scheitelpunkts entfernt ist.
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Der Scanner 26 ist bei der beispielhaften Ausgestaltung ein Scanner mit strukturiertem Licht. Ein wie hierin definierter Scanner mit strukturiertem Licht ist einer, der ein Lichtmuster über einen Bereich projiziert. Er unterscheidet sich von einem Scanner, der eine Lichtlinie (auch als „Lichtstreifen“ bezeichnet) projiziert oder einen Lichtpunkt hin- und herbewegt. Im Allgemeinen kann eine Lichtlinie nicht absolut gerade sein, doch sie ist zumindest ungefähr gerade. Man kann einen Scanner mit strukturiertem Licht demnach als einen Scannertyp ansehen, der Licht mit mindestens drei nicht-kollinearen Punkten projiziert, wenn die Punkte in einer senkrecht zu Projektionsrichtung verlaufenden Ebene gesehen werden.
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Der Scanner 26 emittiert zuerst mit einem Projektor 36 ein strukturiertes Lichtmuster 34 auf eine Oberfläche 38 eines Objekts 22, wie es in 3 dargestellt ist. Das strukturierte Lichtmuster 34 kann die Muster umfassen, die in dem in den SPIE-Sitzungsprotokollen, Bd. 7932, veröffentlichten Journalartikel „DLP-Based Structured Light 3D Imaging Technologies and Applications“ von Jason Geng offenbart werden. Das Licht 34 des Projektors 36 wird von der Oberfläche 38 reflektiert und das reflektierte Licht 40 wird von der Kamera 42 aufgefangen. Es versteht sich, dass Veränderungen der Oberfläche 38 Verzerrungen im strukturierten Muster verursachen, wenn das Bild des Musters von der Kamera 42 aufgenommen wird. Da das Muster durch strukturiertes Licht gebildet wird, kann eine Steuervorrichtung 45 in einigen Fällen eine Eins-zu-eins-Entsprechung zwischen dem vom Projektor ausgesandten Muster und dem von einer photosensitiven Anordnung in der Kamera aufgefangenen Bild ermitteln.
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Die Ermittlung der Entsprechung zwischen einem projizierten Muster und der entsprechenden Kamera ermöglicht die Verwendung von Prinzipien der Triangulation für die Ermittlung der Koordinaten eines 3D-Objekts, dessen Bild von einem Lichtsensor oder einer photosensitiven Anordnung in der Kamera 42 aufgefangen wird. Die Sammlung dreidimensionaler Koordinaten der Oberfläche 38 wird manchmal als „Punktwolke“ bezeichnet. Eine Punktwolke des gesamten Objekts 22 kann durch Bewegen des Scanners 26 über die Oberfläche 38 erzeugt werden. Die 3D-Koordinaten der gemessenen Punkte werden normalerweise in einem lokalen Bezugssystem 10 des Scanners 26 ermittelt.
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Der Scanner 26 umfasst ferner einen Körper 44 mit einem Griff 46, der dem Bediener das Tragen und Bedienen des Scanners 26 ermöglicht. Bei der beispielhaften Ausgestaltung ist ein 6-DOF-Retroreflektor 48 entlang einer oberen Oberfläche an den Körper 44 gekoppelt. Der Retroreflektor 48 kann ähnlich wie der in der am 10. Februar 2012 eingereichten US-Patentanmeldungsveröffentlichung 2012/0206808 des gleichen Inhabers oder der am 11. April 2012 eingereichten US-Patentanmeldungsveröffentlichung 2012/0262550 des gleichen Inhabers beschriebene sein. Der Retroreflektor 48 ist bei einer Ausgestaltung an eine Aufnahme 50 gekoppelt. Die Aufnahme 50 kann eine magnetische Aufnahme sein oder eine Klemmanordnung umfassen, die den Retroreflektor 48 während des Betriebs an seinem Platz hält. Bei noch weiteren Ausgestaltungen sind einer oder mehrere Retroreflektoren 48 in den Körper 44 integriert.
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Der Scanner 26 umfasst ferner ein Sondenelement 52. Das Sondenelement 52 umfasst bei der beispielhaften Ausgestaltung einen Schaftabschnitt 54 und ein Endelement 56 mit einer kugelförmigen Oberfläche mit vorgegebenem Durchmesser. Das Sondenelement 52 ist an den Körper 44 gekoppelt und befindet sich in einer vorgegebenen feststehenden geometrischen Beziehung zum Retroreflektor 48. Es versteht sich, dass, obwohl Ausgestaltungen hierin das Sondenelement 52 als im unteren Vorderabschnitt des Scanners 26 angeordnet veranschaulichen, dies als Beispiel dient und die beanspruchte Erfindung so nicht eingeschränkt sein sollte. Bei anderen Ausgestaltungen kann das Sondenelement 52 auf anderen Abschnitten des Scanners 26 angeordnet sein, also beispielsweise auf einer unteren Oberfläche.
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Da der Scanner 26 den Retroreflektor 48 umfasst, ist es für den Lasertracker 24 möglich, die Position des Scanners 26 während des Abtastverfahrens zu verfolgen und aufzuzeichnen. Wie nachfolgend ausführlicher besprochen wird, erleichtert die Verfolgung des Scanners 26 die Registrierung der vom Scanner 26 aufgenommenen Bilder und stellt sie dahingehend Vorteile zur Verfügung, dass sie die Registrierung von merkmalslosen Bereichen des Objekts 22 gestattet.
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Bevor der Scanner 26 durch den Lasertracker 24 verfolgt wird, muss der Scanner 26 derart geeicht oder kompensiert werden, dass die Orientierung des Retroreflektors 48 und die Orientierung des Scanners 26 dem Lasertracker 24 bekannt sind. Bei der beispielhaften Ausgestaltung wird die Eichung des Scanners 26 auf den Lasertracker 24 mittels einer Haltevorrichtung 58 (2) durchgeführt. Die Haltevorrichtung 58 ist eine Vorrichtung mit einer vorgegebenen geometrischen Konfiguration, die dem Lasertracker 24 bekannt ist. Die Haltevorrichtung 58 umfasst bei einer Ausgestaltung eine Vertiefung 60 mit einer kegelförmigen oder kegelstumpfförmigen Oberfläche 62, die beispielsweise einen vorgegebenen Innenwinkel wie z. B. 60 bis 120 Grad aufweist. Bei einer anderen Ausgestaltung umfasst die Haltevorrichtung 58 drei Kugeln, die auf einem Kreis angeordnet und um 120 Grad voneinander getrennt sind.
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Zur Eichung oder Kompensation des Scanners 26 auf den Lasertracker 24 wird eine Eichungsroutine begonnen, die den Bediener durch das Eichverfahren leitet. Die Benutzerschnittstelle für den Bediener kann sich beispielsweise auf dem Scanner 26, dem Lasertracker 24 oder auf einem Ferncomputer 33 befinden. Bei einer Ausgestaltung zeigt das Eichverfahren dem Bediener eine grafische Darstellung des Sondenelements 52 in der Haltevorrichtung 58, die zum Beispiel ähnlich wie die in 2 dargestellte ist. Der Bediener wird dann angewiesen, den Scanner 26 in einem vorgegebenen Muster zu bewegen, während das kugelförmige Endelement 56 in Kontakt mit der Oberfläche 62 gehalten wird. Das vorgegebene Muster umfasst bei der beispielhaften Ausgestaltung erstens das Schwenken des Scanners 26 um das kugelförmige Endelement 56 in drei Richtungen, wie es durch die Pfeile 58, 61, 65 angezeigt ist. Bei einer Ausgestaltung sind die Richtungen 58, 61 um 90 Grad beabstandet und die Richtungen 61, 65 um 90 Grad beabstandet. Zweitens wird der Scanner 26 um die Achse 64 gedreht bzw. geschwenkt, wie es durch den Pfeil 69 angezeigt ist.
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Während der Scanner 26 geschwenkt und gedreht wird, ermittelt der Lasertracker 24 die Informationen über die Position und Orientierung des Retroreflektors 48 bei jeder der Bewegungen im vorgegebenen Muster. Bei jeder Bewegung ist bekannt, dass sich das kugelförmige Endelement 56 in einer feststehenden Position in Kontakt mit der Oberfläche 62 befindet. Die Orientierung und die Position des 6-DOF-Retroreflektors 48 können in Bezug auf den Scanner 46 ermittelt werden, indem die mehrfachen Messungen mathematisch analysiert werden. Das allgemeine Verfahren zur Lösung solcher Probleme wird als „Best-Fit-Lösung“ bezeichnet und erfolgt normalerweise durch Verfahren der Minimierung der kleinsten Quadrate. Sobald das Eichverfahren beendet ist, kann der Lasertracker 24 die Lage- und Orientierungsinformationen über den Scanner 26 relativ zum lokalen Lasertrackerbezugssystem 63 messen.
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Es wird nun das Verfahren zum Erhalten von 3D-Koordinaten der Oberfläche 38 des Objekts 22 auf Basis von Messwerten des Trackers und Scanners vollständiger beschrieben. Der 6-DOF-Tracker 24 misst drei Translationsfreiheitsgrade des in der 6-DOF-Baugruppe 16 enthaltenen Retroreflektors 48. Diese drei Translationsfreiheitsgrade geben die Position der 6-DOF-Baugruppe 16 an einem Bezugspunkt an, der ein Scheitelpunkt eines Würfelecken-Retroreflektors oder ein anderer Punkt mit einer bekannten Position relativ zum Retroreflektor sein kann. Drei Translationsfreiheitsgrade könnten beispielsweise die Koordinaten x, y, z sein, die vom Tracker im Trackerbezugssystem 63 ermittelt werden. Zusätzlich dazu misst der 6-DOF-Tracker 24 drei Orientierungsfreiheitsgrade der 6-DOF-Baugruppe 16. Es gibt viele Wege zur Ermittlung der Orientierungsfreiheitsgrade, wie es vorstehend erläutert wurde. Die drei Orientierungsfreiheitsgrade könnten beispielsweise der Nick-, Roll- und Gierwinkel sein. Die drei Orientierungsfreiheitsgrade gelten für die 6-DOF-Baugruppe 16 mit einem Baugruppenbezugssystem 12; allerdings werden die drei Orientierungsfreiheitsgrade vom Tracker im Trackerbezugssystem 63 ermittelt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das Baugruppenbezugssystem 12 verschiedene Orientierungen relativ zum Scanner 26 haben kann und dass der Scanner 26 in verschiedenen Orientierungen relativ zum Tracker bewegt werden kann. So besteht ein erster Schritt darin, die drei Translationsfreiheitsgrade und drei Orientierungsfreiheitsgrade der 6-DOF-Baugruppe in Bezug auf den Tracker zu ermitteln. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der erste Schritt darin besteht, die drei Translationsfreiheitsgrade und drei Orientierungsfreiheitsgrade des 6-DOF-Baugruppenbezugssystems 12 in Bezug auf das Trackerbezugssystem 63 zu ermitteln.
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Ein zweiter Schritt besteht darin, die relative Position und Orientierung des Scannerbezugssystems 10 in Bezug auf das 6-DOF-Baugruppenbezugssystem 12 zu ermitteln. Ein Scannerbezugssystem kann in Bezug auf einen Körper 44 des Scanners 26 definiert werden, wobei der Körper 44 den Projektor 36 und die Kamera 42 hält, wobei der Projektor und die Kamera in Bezug auf den Körper 44 feststehend sind. Das kugelförmige Endelement 56 hat eine Position, die relativ zu dem Körper 44, dem Projektor 36 und der Kamera 42 bekannt ist. Diese zwei Bezugssysteme 10, 12 sind zueinander feststehend, während eine Messung der Oberfläche 38 durchgeführt wird. Ein Verfahren zur Ermittlung – zumindest teilweise – der Beziehung zwischen dem Bezugssystem 10 und dem Bezugssystem 12 besteht darin, ein kugelförmiges Endelement 56 in einer Aufnahme anzuordnen, die beispielsweise eine kegelförmige Oberfläche sein könnte. Wie vorstehend erläutert wurde, stellt die Vielzahl gesammelter 3D-Koordinaten zumindest teilweise die Informationen zur Verfügung, die für die Ermittlung der Translations- und Orientierungsfreiheitsgrade des Scannerbezugssystems 10 in Bezug auf das 6-DOF-Baugruppenbezugssystem 12 benötigt werden. Der Lasertracker 24 misst eine Position des Retroreflektors 48, die in den sechs Freiheitsgraden relativ zum Scanner 26 unveränderlich ist. Das kugelförmige Endelement 56 ist ebenfalls unveränderlich in der Position und Orientierung bezogen auf den Scanner 26. Die Scannerkamera 42 und der Projektor 36 sind deshalb in Bezug auf den Retroreflektor 48 und das kugelförmige Endelement 56 feststehend. Durch Messen einer Vielzahl von Positionen und Orientierungen der 6-DOF-Baugruppe 16 mit dem Lasertracker 24 lässt sich die Beziehung zwischen den Bezugssystemen 10 und 12 auf bis einen Freiheitsgrad ermitteln, der ein Drehwinkel der 6-DOF-Baugruppe 16 um eine Achse ist, die den Retroreflektor-Bezugspunkt mit dem kugelförmigen Endelement 56 verbindet. Mathematisch kann man eine Transformationsmatrix benutzen, um gemessene Werte von einem Bezugssystem in ein anderes Bezugssystem zu transformieren, wie es in der Technik weithin bekannt ist.
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Ein dritter Schritt besteht darin, die 3D-Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche 38 basierend zumindest teilweise auf einem vom Projektor 36 ausgesandten Lichtmuster, einem von einer photosensitiven Anordnung in der Kamera 42 aufgefangenen Bild und einem Basislinienabstand (nicht dargestellt) zwischen der Kamera und dem Projektor zu ermitteln.
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Die 3D-Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche 38 können im Trackerbezugssystem 63 ermittelt werden, indem die durch den Scanner 26 durchgeführten 3D-Punkt-Messungen der Oberfläche 38 mit den durch den Lasertracker 24 durchgeführten Messungen der 6-DOF-Baugruppe 16 kombiniert werden und ferner die Transformationsbeziehungen zwischen den Bezugssystemen 10, 12 und 63 berücksichtigt werden.
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Nun Bezug nehmend auf 3–4, ist dort ein Verfahren 67 zum Betrieb des Lasertrackers 24 und Scanners 26 dargestellt, das dazu dient, dreidimensionale Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche 38 des Objekts 22 zu erhalten. Vor dem Betrieb des Scanners 26 wird in Block 64 die vorstehend beschriebene Eichung des Scanners 26 auf den Lasertracker 24 durchgeführt. Während des Betriebs des Scanners 26 wird das Licht 28 des Lasertrackers 24 derart vom Retroreflektor 48 reflektiert, dass die Lage und die Orientierung des Scanners 26 dem Lasertracker 24 bekannt sind. Während des Betriebs des Scanners 26 wird das strukturierte Lichtmuster vom Projektor 36 emittiert, von der Oberfläche 38 reflektiert und von der Kamera 42 aufgenommen. Die Kamera 42 nimmt bei der beispielhaften Ausgestaltung Einzelbilder mit einer Frequenz von 15–30 Einzelbildern pro Sekunde auf. Jedes der aufeinanderfolgenden Einzelbilder 66, 68, 70 ist in 3 als Kreis dargestellt, wobei die Einzelbilder 66, 68, 70 aber auch andere Formen wie beispielsweise ein Quadrat oder Rechteck aufweisen können.
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Wegen der relativ hohen Einzelbildfrequenz der Kamera 42 ist es wahrscheinlich, dass zwischen den Einzelbildern Überlappungsbereiche vorhanden sind, die durch die kreuzweise schraffierten Bereiche 72, 74 dargestellt sind. Der Überlappungsbetrag hängt von der Geschwindigkeit ab, mit welcher der Bediener den Scanner 26 bewegt. Bei Systemen des Stands der Technik werden Merkmale des Objekts 22, die sich in Überlappungsbereichen befinden, für die Registrierung der Einzelbilder relativ zueinander zugelassen. Wenn jedoch eine flache oder anderweitig merkmalslose Oberfläche gemessen wird, wird die Registrierung schwieriger und besteht bei Systemen des Stands der Technik eine Tendenz dazu, dass Messungen abweichen oder dass die Oberfläche die Form von „Kartoffelchips“ annimmt. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bieten hier Vorteile, weil der Lasertracker 24 die Lage und Orientierung des Scanners 26 aufzeichnet, während jedes Einzelbild 66, 68, 70 aufgenommen wird. Demnach ermöglicht die Registrierung der Einzelbilder 66, 68, 70 die genaue Anordnung der Einzelbilder relativ zueinander, ohne dabei auf die Merkmale des Objekts 22 angewiesen zu sein. Es versteht sich des Weiteren, dass dies auch dahingehend Vorteile zur Verfügung stellt, dass die Registrierung von Einzelbildern gestattet wird, wenn es keine Überlappung zwischen benachbarten Einzelbildern gibt.
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Nach der Eichung des Scanners 26 in Block 64 tastet der Scanner 26 in Block 76 die Oberfläche 38 ab, um das dem projizierten Muster 66 entsprechende Einzelbild aufzunehmen, während der Lasertracker 24 die Lage und Orientierung des Scanners 26 aufzeichnet. Das Verfahren 67 geht mit Block 78 weiter, wo das zweite Einzelbild 68 zusammen mit der Position und Orientierung des Scanners 26 aufgenommen wird. Dieses Verfahren geht weiter, bis das n-te Einzelbild von der Kamera 42 in Block 80 aufgenommen wird. Das Verfahren 67 geht dann weiter, um in Block 82 die Einzelbilder durch Anpassen benachbarter Einzelbilder relativ zueinander zu registrieren, wobei die Lage- und Positionsinformationen verwendet werden, die vom Lasertracker 24 gemessen und aufgezeichnet wurden. Die Koordinaten der Punkte auf der Oberfläche des Objekts 22 können anschließend in Block 84 ermittelt werden. Die Koordinaten der Punkte werden bei der beispielhaften Ausgestaltung relativ zum Trackerbezugssystem 63 ermittelt.
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Nun Bezug nehmend auf 3 und 5, ist dort eine andere Ausgestaltung eines Verfahrens 86 zum Betrieb des Lasertrackers 24 und Scanners 26 dargestellt, das dazu dient, dreidimensionale Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche 38 des Objekts 22 zu erhalten. Der Scanner 26 wird bei dieser Ausgestaltung in Block 88 wie vorstehend beschrieben auf den Lasertracker 24 geeicht. Während der Lasertracker 24 die Position und Orientierung des Scanners 26 verfolgt, wird der Scanner 26 derart betrieben, dass er die Oberfläche 38 des Objekts 22 abtastet. Der Scanner 26 nimmt in Block 90 das erste Einzelbild 66 auf. Der Verfahren 86 ermittelt dann in Block 92 die Lage und Orientierung des Scanners 26 zum Zeitpunkt des Aufnehmens des ersten Einzelbilds 66. Das Verfahren 86 geht mit dem Aufnehmen von Einzelbildern und Aufzeichnen der Lage und Orientierung des Scanners 26 weiter, bis in Block 94 bzw. Block 96 das n-te Einzelbild aufgenommen und die letzte Lage und Orientierung des Scanners 26 aufgezeichnet wird. In Block 98 werden die Einzelbilder relativ zueinander im Trackerbezugssystem 63 registriert. Das Verfahren 86 geht dann in Block 100 mit der Ermittlung der Überlappungsbereiche 72, 74 weiter. Das Verfahren 86 geht anschließend bei einer Ausgestaltung mit Block 102 weiter, wo doppelte oder im Wesentlichen doppelte Datenpunkte in den Überlappungsbereichen 72, 74 entfernt werden, um die Größe der Koordinatendaten zu reduzieren.
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Es versteht sich, dass das Verfahren zur Registrierung der Einzelbilder und zur Ermittlung der Koordinaten von Punkten auf den Oberflächen des Objekts durch den Lasertracker 24, den Scanner 26, den Computer 33 oder eine Kombination der vorangehenden durchgeführt werden kann.
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Die technischen Auswirkungen und Vorteile von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung umfassen die Verfolgung eines Scanners mit einem anderen Koordinatenmessgerät wie beispielsweise einem Lasertracker, um die Registrierung von durch den Scanner aufgenommenen Einzelbildern zu ermöglichen. Diese Registrierung von Bildern kann durchgeführt werden, ohne dass eine Bezugnahme auf Merkmale auf dem abgetasteten Objekt oder die Umgebung erforderlich ist. Diese Registrierung von Bildern kann ferner ohne Überlappungsbereiche in aufeinanderfolgenden Einzelbildern durchgeführt werden.
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Die Aspekte der vorliegenden Erfindung werden hierin unter Bezugnahme auf Ablaufdiagramm-Darstellungen und/oder Blockdiagramme von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß den Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich, dass jeder Block der Ablaufdiagramm-Darstellungen und/oder Blockdiagramme und Kombinationen von Blöcken in den Ablaufdiagramm-Darstellungen und/oder Blockdiagrammen durch computerlesbare Programmanweisungen implementierbar sind.
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Diese computerlesbaren Programmanweisungen können einem Prozessor eines Universalcomputers, Spezialcomputers oder einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung zur Bildung eines Geräts derart bereitgestellt werden, dass die Anweisungen, welche über den Prozessor des Computers oder der anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, Mittel zur Implementierung der Funktionen/Vorgänge erzeugen, die in dem Block oder den Blöcken des Ablaufdiagramms und/oder Blockdiagramms vorgegeben sind. Diese computerlesbaren Programmanweisungen können auch auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein, das einen Computer, eine programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder andere Geräte derart für eine bestimmte Funktionsweise steuern kann, dass das computerlesbare Speichermedium mit darauf gespeicherten Anweisungen einen Herstellungsartikel einschließlich Anweisungen umfasst, welche die Aspekte der Funktion bzw. des Vorgangs implementieren, die bzw. der in dem Block oder den Blöcken des Ablaufdiagramms und/oder Blockdiagramms vorgegeben ist.
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Die computerlesbaren Programmanweisungen können ferner derart auf einen Computer, eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung oder ein anderes Gerät geladen werden, dass sie eine Reihe von Arbeitsschritten bewirken, die auf einem Computer, einer anderen programmierbaren Vorrichtung oder einem anderen Gerät so durchzuführen sind, dass sie ein computerimplementiertes Verfahren derart erzeugen, dass die Anweisungen, welche auf dem Computer, der anderen programmierbaren Vorrichtung oder dem anderen Gerät ausgeführt werden, die Funktionen/Vorgänge implementieren, die in dem Block bzw. den Blöcken des Ablaufdiagramms und/oder Blockdiagramms vorgegeben sind.
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Die Ablauf- und Blockdiagramme in den Figuren zeigen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung. In dieser Hinsicht kann jeder Block in den Ablauf- oder Blockdiagrammen ein Modul, ein Segment oder einen Teil von Anweisungen repräsentieren, welches bzw. welcher eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Implementierung der vorgegebenen logischen Funktion(en) umfasst. Bei einigen alternativen Implementierungen können die in dem Block angegebenen Funktionen in einer anderen als der in den Figuren angegebenen Reihenfolge erfolgen. Beispielsweise können zwei hintereinander dargestellte Blöcke eigentlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden oder können die Blöcke je nach der betreffenden Funktionalität manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist ebenfalls anzumerken, dass jeder Block der Blockdiagramme und/oder der Ablaufdiagramm-Darstellung und Kombinationen von Blöcken in den Blockdiagrammen und/oder der Ablaufdiagramm-Darstellung durch spezielle Systeme auf Hardware-Basis implementierbar sind, die die vorgegebenen Funktionen oder Vorgänge durchführen oder Kombinationen von speziellen Hardware- und Computeranweisungen durchführen.
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Obwohl die Erfindung ausführlich in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausgestaltungen beschrieben wurde, versteht es sich ohne Weiteres, dass die Erfindung nicht auf solche offenbarte Ausgestaltungen beschränkt ist. Statt dessen kann die Erfindung derart modifiziert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Abweichungen, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen einbezieht, die bisher nicht beschrieben wurden, aber dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Obwohl verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben wurden, versteht sich ferner, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausgestaltungen einschließen können. Die Erfindung ist demgemäß nicht als durch die vorangehende Beschreibung eingeschränkt zu verstehen und ist lediglich durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche eingeschränkt.