(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きを測定するためのシステム（１００）であって、
第１の空間方向センサ（１０２）と、
第２の空間方向センサ（１０３）と、
プローブ（１０１）と、
処理手段（１０６）と、
を備え、
前記第１の空間方向センサ（１０２）に、互いに対する位置及び該第１の空間方向センサ（１０２）に対する位置が既知であるターゲット（１０５）のパターン（１０４）が組み合わせられており、該ターゲットのパターン（１０４）は、少なくとも３つのターゲット（１０５）がいかなる方向からも視認可能であるように空間方向センサ（１０２）に配置されており、
前記プローブ（１０１）は、互いに対する位置が既知であるターゲット（１０７）を備え、該プローブ（１０１）の少なくとも３つのターゲット（１０７）が、前記第１の空間方向センサ（１０２）の視野（ＦＯＶ１）内にあり、
前記処理手段（１０６）は、
前記第２の空間方向センサによる前記第１の空間方向センサ上の少なくとも３つのターゲット（１０５）の観測、
前記第１の空間方向センサのターゲット（１０５）の互いに対する既知の位置及び前記第１の空間方向センサに対する既知の位置、ならびに
前記第１の空間方向センサ上で観察される前記ターゲット（１０５）の前記第２の空間方向センサ（１０３）に対する空間的方向の測定
に基づいて、前記第２の空間方向センサ（１０３）に対する前記第１の空間方向センサのターゲット（１０５）のパターン（１０４）の向き及び／又は空間座標を計算し、
前記第１の空間方向センサによる前記プローブの少なくとも３つのターゲット（１０７）の観測、
前記プローブのターゲット（１０７）の互いに対する既知の位置及びプローブに対する既知の位置、ならびに
前記プローブ上で観察される前記ターゲット（１０７）の前記第１の空間方向センサ（１０２）に対する空間的方向の測定、
に基づいて、前記第１の空間方向センサ（１０２）に対する前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）のパターンの向き及び／又は空間座標を計算し、
先の段階において確立された前記第２の空間方向センサ、前記第１の空間センサ、及び前記プローブの間の相対的な向き及び／又は座標に基づいて、前記第２の空間方向センサ（１０３）に対する前記プローブ（１０１）の向き及び／又は空間座標を計算し、
少なくとも１つのさらなる第２の空間方向センサを備えており、
少なくとも１つの基準点（１１１）が、前記第２の空間方向センサ（１０３）の視野（ＦＯＶ２内及び前記さらなる第２の空間方向センサ（１０３’）の視野（ＦＯＶ２’）内にあり、
前記処理手段が、前記少なくとも１つの基準点（１１１）のそれぞれの空間座標に基づいて、前記第２の空間方向センサ（１０３）及び前記さらなる第２の空間方向センサ（１０３’）の空間座標系を較正するようにさらに構成されている、システム（１００）。
【請求項２】
前記プローブ（１０１）の位置及び／又は向きを割り出すとともに、物体（１０８）の空間座標及び／又は向きも割り出すよう、前記プローブ（１０１）が前記物体（１０８）に整列させられている、請求項１に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【請求項３】
前記プローブ（１０１）は、接触点（１０９）を有する接触プローブであり、前記処理手段（１０６）は、前記プローブ（１０１）の前記少なくとも３つのターゲット（１０７）及び前記接触点（１０９）の互いに対する既知の位置から前記接触点（１０９）の空間座標を計算するようにさらに構成されている、請求項１又は２に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【請求項４】
前記第１の空間方向センサ（１０２）及び前記第２の空間方向センサ（１０３）が、機械的に接続されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【請求項５】
前記ターゲット（１０４）が、前記さらなる第２の空間方向センサ（１０３’）の視野（ＦＯＶ２’）内において前記第２の空間方向センサ（１０３）の視野（ＦＯＶ２）内から移動し、
少なくとも１つの基準点（１１１）が、前記移動の前及び後において前記第１の空間方向センサ（１０２）の視野（ＦＯＶ１、ＦＯＶ１’）内にあり、
前記処理手段が、前記少なくとも１つの基準点（１１１）のそれぞれの空間座標に基づいて前記第２の空間方向センサ（１０３）の空間座標系を較正するようにさらに構成されている、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【請求項６】
プローブ（１０１）の空間座標を測定するための方法であって、
互いに対する位置及び第１の空間方向センサ（１０２）に対する位置が既知であるターゲット（１０５）のパターン（１０４）と組み合わせられ、かつ、いかなる方向からも少なくとも３つのターゲットを観測できるよう構成された第１の空間方向センサ（１０２）をセットするステップ、
第２の空間方向センサ（１０３）をセットするステップ、
互いに対する位置及びプローブに対する位置が既知である少なくとも３つのターゲット（１０７）を有するプローブ（１０１）を用意するステップ、
前記プローブの少なくとも３つのターゲット（１０７）が前記第１の空間方向センサ（１０２）の視野内にあるように、前記プローブを向けるステップ、
前記第１の空間方向センサ（１０２）から前記プローブ（１０１）の少なくとも３つのターゲット（１０７）を観測して、前記第１の空間方向センサから前記プローブ（１０１）の少なくとも３つのターゲットへの空間的方向を割り出すステップ、
前記第２の空間方向センサ（１０３）から前記第１の空間方向センサ（１０２）のターゲット（１０５）のうちの少なくとも３つを観測して、前記第２の空間方向センサから前記第１の空間方向センサ（１０２）の前記少なくとも３つのターゲットへの空間的方向を割り出すステップ、
前記ターゲット（１０５）の互いに対する既知の位置及び前記割り出したターゲット（１０５）の空間的方向に基づいて、前記第２の空間方向センサ（１０３）に対する前記第１の空間方向センサ（１０２）のターゲット（１０５）のパターン（１０４）の向きを計算するステップ、
前記ターゲット（１０７）の互いに対する既知の位置及び前記割り出したターゲット（１０７）の空間的方向に基づいて、前記第１の空間方向センサ（１０２）に対する前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）のパターンの向きを計算するステップ、及び
少なくとも３つのターゲット（１０５）が前記ターゲット（１０５）のパターン（１０４）の向きにかかわらず前記第２の空間方向センサ（１０３）の視野（ＦＯＶ２）内にあるという知識に基づいて、前記第２の空間方向センサ（１０３）に対する前記プローブ（１０１）の向きを計算するステップ、
少なくとも１つのさらなる第２の空間方向センサをセットするステップ、
前記第２の空間方向センサ（１０３）の視野（ＦＯＶ２）内及び前記さらなる第２の空間方向センサ（１０３’）の視野（ＦＯＶ２’）内にある少なくとも１つの基準点（１１１）のそれぞれの空間座標に基づいて、前記第２の空間方向センサ（１０３）及び前記さらなる第２の空間方向センサ（１０３’）の空間座標系を較正するステップ
を含む方法。
【請求項７】
前記プローブ（１０１）は、互いに対する位置が既知であるターゲット（１０７）を有し、
前記第１の空間方向センサ（１０２）に対する前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）の方向を割り出すステップ、及び
前記第１の空間方向センサ（１０２）の既知の空間座標及び／又は向き、前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）の互いに対する既知の位置、ならびに前記割り出された第１の空間方向センサ（１０２）に対する前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）の空間的方向に基づいて、前記プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きを計算するステップ
をさらに含み、
プローブ（１０１）の少なくとも３つのターゲット（１０７）は、前記第１の空間方向センサ（１０２）の視野（ＦＯＶ１）内にある、
請求項６に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するための方法。
【請求項８】
コンピュータによって実行されたときに、
第１の空間方向センサ（１０２）に組み合わせられたターゲット（１０５）のパターン（１０４）のターゲット（１０５）の互いに対する既知の位置及び該第１の空間方向センサ（１０２）に対する位置、第２の空間方向センサ（１０３）に対する前記ターゲット（１０５）の空間的方向の測定、ならびにさらなる第２の空間方向センサ（１０３’）に対する前記ターゲット（１０５）の空間的方向の測定に基づいて、プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きを計算し、前記第１の空間方向センサ（１０２）によって前記プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きを割り出すためのプログラムコードを提供するコンピュータプログラムであって、
少なくとも３つのターゲット（１０５）が、前記ターゲット（１０５）のパターン（１０４）の向きにかかわらず、前記第２の空間方向センサ（１０３）の視野（ＦＯＶ２）内及び前記さらなる第２の空間方向センサ（１０３’）の視野（ＦＯＶ２’）内の少なくともいずれかにあり、
少なくとも１つの基準点（１１１）が、前記第２の空間方向センサ（１０３）の視野（ＦＯＶ２）内及び前記さらなる第２の空間方向センサ（１０３’）の視野（ＦＯＶ２’）内にあり、
前記少なくとも１つの基準点（１１１）のそれぞれの空間座標に基づいて、前記第２の空間方向センサ（１０３）及び前記さらなる第２の空間方向センサ（１０３’）の空間座標系を較正するコンピュータプログラム。
【請求項９】
前記プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きの計算は、さらに、前記第１の空間方向センサ（１０２）の既知の空間座標及び／又は向き、前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）の互いに対する既知の位置、ならびに前記第１の空間方向センサ（１０２）に対する前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）の空間的方向の測定に基づいており、
前記プローブ（１０１）の少なくとも３つのターゲット（１０７）が、前記第１の空間方向センサ（１０２）の視野（ＦＯＶ１）内にある、
請求項８に記載のコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブ又はプローブシステムの空間座標及び／又は向きを測定するための光学式測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＰ  ０  ６０７  ３０３  Ｂ１から、空間座標を一点ずつ測定するための光電子工学システムが知られている。ＥＰ  ０  ６０７  ３０３  Ｂ１に記載のシステムは、少なくとも３つの光源を備えているプローブを提供し、該少なくとも３つの光源は、プローブの固定の局所座標系に対して既知の座標にあり、前記局所座標系に対して既知の位置にある接触点が、空間座標を割り出すべき点に接触させられる。光電子工学空間方向センサが、光源に向かう二次元における角度（空間的方向）を割り出す。プローブの固定の局所座標系における少なくとも３つの光源及び接触点の互いに対する既知の位置に基づき、さらには割り出された個々の光源及び空間方向センサの空間的方向に基づいて、システムは、写真測量法の計算方法によって、プローブの位置及び向きを導き出すことができ、従って接触点の空間座標を導き出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許第０６０７３０３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この従来技術に記載のシステムには、２つの主要な弱点が存在する。
【０００５】
第１に、測定の精度が、光電子工学空間方向センサと接触プローブとの間の距離の比、及び接触プローブ上の光源の互いに対する距離の比によって影響される。光電子工学空間方向センサと接触プローブとの間の距離が大きくなりすぎると、空間的方向を割り出すべく光電子工学空間方向センサによって測定される角度が、正確な測定がもはや不可能であるような程度にまで減少する。
【０００６】
この問題を克服するために、接触プローブ上の光源の互いに対する距離を、角度が再び測定可能になるように、増加させることができる。しかしながら、接触プローブが光電子工学空間方向センサに対して傾けられると、たとえ距離を増やしても、必ずしも測定される角度が充分には大きくならないと考えられる。
【０００７】
さらには、多くの用途において、接触プローブ上の光源の互いに対する距離を大きくすることは、接触プローブの全体サイズが実際にはシステムの使用の対象の環境ゆえに制限されるため、非現実的である。
【０００８】
従って、ＥＰ  ０  ６０７  ３０３  Ｂ１に記載のシステムの測定精度は、距離が長くなるにつれて、光源の空間的方向を割り出すために光電子工学空間方向センサによって測定される角度が小さくなるため、低下してしまう。
【０００９】
この問題を克服するために、第２の空間方向センサを追加し、２つの空間方向センサからの線が光源においてほぼ直角で交差するように、配置することができる。これにより、精度が、空間方向センサの間の三角測量によって改善される。しかしながら、そのようなシステムにおいては、測定対象の物体が、プローブの光源と同様に、両方のカメラの視野内に存在しなければならない。
【００１０】
第２に、光電子工学空間方向センサの視野が、有限である。これが、所与のサイズの物体について、物体とシステムの光電子工学空間方向センサとの間の最小距離を決定する。大きな物体の場合、必要な精度を達成するためには、この距離が大きくなりすぎる可能性がある。
【００１１】
他の物体においては、有限の視野が容認できない可能性がある。例として、閉じられた空間（寄木張りの床が取り付けられようとする部屋や、新たな管が取り付けられようとするボイラなど）の正確な形状を測定するためには、３６０度の視野にわたって機能することができる測定システム、すなわち無限の視野を有するシステムが、必要である。
【００１２】
工業からの例示的な例が、自動車の製造ラインにおけるいわゆる「車枠ステーション」又は「フレーマ」である。図１は、天井の工具２０１、側面の工具２０２、及び床の工具２０３を有する自動車のフレーマ又は車枠ステーションを概略的に示している。これは、該当の工具にそれぞれ保持された２枚の側面パネル２０８、２０９及び屋根パネル２１０を、床アセンブリ２１１へと整列させて溶接する用具である。典型的には、全体としての基準又は座標系の定義を、外部の構造体又は床の工具２０３において見つけることができる。
【００１３】
出来上がる車両の全体的な形状にとってきわめて重要なことには、フレーマを、パネル２０８、２０９、及び２１０、ならびに床アセンブリ２１１を配置せずに、閉じられた状態で、すなわち側面、天井、及び床の各アセンブリのための工具を互いにかみ合わせた状態で、測定しなければならないことである。用具の複雑さゆえ、閉じられた状態のフレーマは、測定すべきすべての細部が内部に位置している閉じられた箱状である。
【００１４】
金属薄板の配置点２０６（典型的には、パネル及び床アセンブリを保持するためのピン及びクランプであり、これらの空間座標を割り出さなければならない）が、プローブ２０５の接触点２０４によって測定される。接触点２０４の空間座標が、上述の従来技術のシステムによって割り出されなければならない。しかしながら、空間方向センサ２０７と接触プローブ２０５との間の距離が、空間座標を正確に測定するには長すぎる。
【００１５】
それに加え、フレーマの各部又は関連の部材が、第２の接触プローブ２０５’を覆ってしまい、この接触プローブ２０５’が空間方向センサ２０７の視野から消え、空間座標を割り出すことができなくなる可能性がある。
【００１６】
典型的には、ＥＰ  ０  ６０７  ３０３  Ｂ１に記載の空間方向センサにおいては、測定対象のフレーマのすべての部位を視認できることと、必要な精度をもたらすことができるようにフレーマのすべての部位までの距離が充分に短いことと、の両方を同時にもたらす位置を見つけることが不可能であるため、この従来技術は、フレーマの測定に適合しない。フレーマは自動車の製造ラインの重要な一部であるため、このことは、自動車産業及び同様の閉じた物体が測定される他の産業において、ＥＰ  ０  ６０７  ３０３  Ｂ１に提示のようなシステムの有用性及び柔軟性を大きく損なっている。
【００１７】
この種の用途において、２つのカメラを用いる手法は改善をもたらさず、むしろ、空間方向センサのための２つの適切な位置を適切な交差の角度を保ちつつ見つける必要性が、問題をさらにより深刻にしている。
【００１８】
カメラの有効視野を広げるために、いくつかの手法が知られている。
【００１９】
最も自明な手法は、広角又は「魚眼」の光学系を選択することである。広角の光学系は、視野を増加させることができるが、無限の視野の実現は不可能である。さらには、視野の増大につれて、測定の用途においてきわめて重要なレンズの不完全さの影響の正確な判定及び補償に関する課題も大きくなる。
【００２０】
部分的に重なり合う視野を有する複数のカメラを使用することが、代案としての手法であり、あるいは相補的な手法ともなりうる。ひとたびカメラ群におけるカメラの相対的な位置及び向きが知られると、或るカメラによって行われた測定を、他のカメラからの測定に容易に関係付けることができ、無限の視野を有するただ１つのカメラを実質的に生み出すことができる。残念ながら、この手法も、高いコスト及び複雑さ、ならびにカメラの相対位置が温度変化、衝撃、及び振動などといった外的影響にさらされてもきわめて厳しい許容範囲内で安定なままでなければならないなど、実現における難題を抱えている。従って、別の手法が有利であると考えられる。
【００２１】
ＦＲ  ２８７０  ５９４  Ａ１から、一連のカメラによって、第１のカメラによって基準が観察される領域から最後のカメラに取り付けられたプローブによって測定される対象の領域までの「ビデオアーム」を形成することで、基準と対象の領域との間の直接の視線に対する障害物を迂回する手法が知られている。「アーム」の各々のカメラにターゲットが配置されており、各カメラが、先行のカメラのターゲットを観察することで、基準マークに対する自身の位置を計算し、すなわち座標系に対する自身の位置を計算する。
【００２２】
ＦＲ  ２８７０  ５９４  Ａ１に提示された手法は、例えば航空機の腔を見通す用途（ａｉｒｃｒａｆｔ  ｂｏｒｅｓｉｇｈｔｉｎｇ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）にはよく適しているが、一般的な測定の用途においては、いくつかの課題を提示している。例えば、多くの用途において、すべての基準マークを最初のカメラの視野内に位置させることは、不可能又は非現実的である。例えば、上述の自動車用フレーマに関しては、この要件ゆえにカメラから対象物までの距離が長くなり、我々が求めている利点を打ち消してしまうと考えられる。また、プローブはシステムの操作者が測定の際に取り扱うユニットであるため、カメラをプローブに組み合わせることは、重量、壊れやすさ、及び配線のいずれに関しても難題である。おそらくは、最も重要なことには、この手法は、すべての方向から視認することができるターゲットを用意するという重要な要素を欠いている。従って、無限の視野を実現するために、以下に示されるよりも多数のカメラが必要であり、システムそのもの及びシステムの運用の両方においてコスト及び複雑さが増す。同時に、カメラの「鎖」における各々の追加の「リンク」ゆえに、測定誤差が増し、従ってシステムの全体としての性能が低下する。
【００２３】
「ターゲットを有するカメラを視認するカメラ」という同じ基本的考え方を含む別の手法が他の文献からも知られているが、これらのいずれも、閉じた空間の全体を測定することができる無限の視野を有する電気光学プローブシステムを提供していない。
【００２４】
本発明の目的は、従来技術の上述の欠点を克服し、プローブの空間座標及び／又は向きのきわめて正確な測定をもたらし、閉じた構成及び限られた空間において使用することが可能であり、簡単に、容易に、かつ素速く使用することができるシステムを提示することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、請求項１に記載の空間座標の測定のためのシステム、請求項８に記載の空間座標の測定のための方法、及び請求項１０に記載の空間座標の測定のためのコンピュータプログラムを包含する。有利な実施形態が、従属請求項に記載される。
【００２６】
本発明のシステムは、第１の空間方向センサにターゲットが組み合わせられているため、第１の空間方向センサを、第２の空間方向センサの視野内にとどまる限りにおいて、あらゆる空間的方向に移動及び回転させることができるという利点を有している。従って、システムはきわめて柔軟であり、３６０度の視野を提供する。ターゲットが組み合わせられてなる第１の空間方向センサを、手動又は動力によって、第２の空間方向センサの視野内で、測定対象の物体の座標系への中間の整列を必要とせずに、自由に移動させることができる。プローブが、第１の空間方向センサによって観測されるターゲットを有しているため、第２の空間方向センサの向き及び視野にかかわらず、プローブによってあらゆる場所を測定することができる。
【００２７】
さらには、大きな視野が、超広角の光学系に係わる困難を回避しつつ空間方向センサからターゲット及びプローブまでの距離を最小限にすることを可能にするため、本システムは、従来技術に比べて精度を向上させる。加えて、空間方向センサの配置の柔軟性が、測定対象の物体の形状及びサイズに応じた最適な構成の選択を可能にする。
【００２８】
さらに、本システムによれば、２つの別個独立の空間方向センサが使用されるため、角及びただ１つの空間方向センサではアクセスできない領域を調べることが可能である。
【００２９】
有利な実施形態においては、プローブは、互いに対する位置が既知であるターゲットを有し、処理手段は、プローブの空間座標及び／又は向きを、ターゲットのパターンの既知の向き及び／又は空間座標、プローブのターゲットの互いに対する既知の位置、ならびに前記第１の空間方向センサに対するプローブのターゲットの空間的方向の測定に基づいて、計算するようにさらに構成されており、プローブの少なくとも３つのターゲットは、第１の空間方向センサの視野内にある。
【００３０】
プローブの少なくとも３つのターゲットを第１の空間方向センサの視野内に有することによって、プローブの空間座標及び／又は向きを割り出すことができる。
【００３１】
さらなる有利な実施形態において、システムは、少なくとも１つのさらなるプローブ、少なくとも１つのさらなる第１の空間方向センサ、及び／又は少なくとも１つのさらなる第２の空間方向センサを備える。
【００３２】
これにより、第１の空間方向センサの位置及び向きの割り出しの精度が、互いに対して既知の位置にある２つ以上の第２の空間方向センサを使用することによって高められる。
【００３３】
さらなる有利な実施形態においては、第１の空間方向センサ及び第１の空間方向センサに組み合わせられたターゲットを、回転させることができる。
【００３４】
この機能によれば、ターゲットが組み合わせられてなる第１の空間方向センサが、第１の空間方向センサの周囲に位置するプローブの空間座標及び／又は向きを割り出すことができるよう、種々の方向を視認することができる。
【００３５】
さらなる有利な実施形態においては、第１の空間方向センサ及び第２の空間方向センサが、機械的に接続される。
【００３６】
第２の空間方向センサ及び第１の空間方向センサを有するターゲットが機械的に接続されているという事実ゆえ、第２の空間方向センサから第１の空間方向センサまでの距離は既知である。従って、第１の空間方向センサのターゲットの向きだけを割り出せばよい。これにより、処理手段の計算の能力に関する要件が大きく軽減され、精度が改善される。
【００３７】
さらに、第２の空間方向センサから第１の空間方向センサのターゲットまでの距離を短く保つことができる一方で、機械的又は接触的な測定を必要とせずにシステムのすべての空間的測定を達成できる能力を依然として有する。例えば、本発明のシステムを、測定すべき周囲を有する位置に配置することができるコンパクトかつ内蔵型のユニットとして設計することができる。次いで、全体座標系における整列を、測定すべき周囲の基準点（例えば、組み立てラインの溶接ロボット上の基準点）によって実行することができる。
【００３８】
さらなる有利な実施形態においては、機械的な接続が、主として炭素繊維強化ポリマーで構成されるフレーム構造である。
【００３９】
これにより、機械的な接続がきわめて堅固となり、温度の変化に応答しての変化がきわめて少なくなる。空間方向センサの間隔が、この堅固な構造へとしっかり固定されるため、すべての測定が、さらにより正確になる。
【００４０】
さらなる有利な実施形態においては、少なくとも１つの基準点が、第２の空間方向センサ及びさらなる第２の空間方向センサの視野内にあり、処理手段が、少なくとも１つの基準点のそれぞれの空間座標に基づいて、第２の空間方向センサの空間座標系を較正するようにさらに構成されている。
【００４１】
本発明のこの実施形態は、ターゲットが移動し、第２の空間方向センサの視野を離れ、さらなる第２の空間方向センサの視野内に入ることを可能にする。両方の第２の空間方向センサが同じ基準点を視認するため、それらの空間座標系を較正し、ターゲットが自由に移動することができる１つの空間座標系へと融合させることができる。これは、ターゲットを組み立てラインによって運ばれる製品へと配置することができる組み立てラインの用途においてとくに重要である。
【００４２】
さらなる有利な実施形態においては、ターゲットが、さらなる第２の空間方向センサの視野において第２の空間方向センサの視野内から移動し、少なくとも１つの基準点が、この移動の前及び後において第１の空間方向センサの視野内にあり、処理手段が、少なくとも１つの基準点のそれぞれの空間座標に基づいて第２の空間方向センサの空間座標系を較正するようにさらに構成されている。
【００４３】
この実施形態は、ターゲットを自由に移動させることができる点で、先の実施形態に類似しているが、この実施形態における基準点は、第２の空間方向センサの視野内にある必要はない。これは、２つの第２の空間方向センサによって同時に視認される基準点を見つけることが、常には容易でないため、有利である。
【００４４】
本発明の例示的な実施形態を、図面に関して以下で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、自動車の製造ラインの車枠ステーションにおける従来技術によるシステムを示している。
【図２】図２は、本発明によるシステムの第１の実施形態を示している。
【図３】図３は、自動車の製造ラインの車枠ステーションの用途における本発明の第１の実施形態を示している。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態を示している。
【図５】図５は、本発明の第３の実施形態を示している。
【図６】図６は、製造ラインの用途における本発明の第３の実施形態を示している。
【図７】図７は、本発明の第４の実施形態を示している。
【図８】図８は、本発明の第５の実施形態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図２に、本発明によるシステム１００の主たる構成要素が示されている。システム１００は、測定対象のプローブ１０１と、第１の空間方向センサ１０２と、第２の空間方向センサ１０３と、処理手段１０６とを備えている。
【００４７】
プローブ１０１が、第１の空間方向センサ１０２の視野ＦＯＶ１内に位置している。さらに、第１の空間方向センサ１０２は、第２の空間方向センサ１０３の視野ＦＯＶ２内に位置している。第２の空間方向センサ１０３が、第１の空間方向センサ１０２の位置及び向きを割り出す一方で、さらに第１の空間方向センサ１０２が、プローブ１０１の位置及び／又は向きを割り出す。
【００４８】
プローブ１０１の位置及び／又は向きを割り出すために、第２の空間方向センサ１０３が、パターン１０４に配置されて第１の空間方向センサ１０２に組み合わせられたターゲット１０５に対する空間的方向、すなわち空間角又は立体角を割り出す。従って、パターン１０４の位置及び／又は向き、すなわち第１の空間方向センサ１０２の位置及び／又は向きを、割り出すことができる。さらに、第１の空間方向センサ１０２が、プローブ１０１の空間的座標及び／又は向きを割り出す。
【００４９】
第１の空間方向センサ１０２は、第２の空間方向センサ１０３が動かぬままであり、第１の空間方向センサ１０２に組み合わせられた少なくとも３つのターゲット１０５が第２の空間方向センサ１０３の視野内にとどまる限りにおいて、プローブ１０１を観察すべく６つの自由度のすべてに従って自由に移動及び回転することができる。これにより、システム１００に実質的に無限の視野がもたらされる。従って、システムは、閉じられた測定空間において角を見通すことができ、あるいは３６０度の全体を見渡すことができる。
【００５０】
測定のために、第１の空間方向センサ１０２が、視野ＦＯＶ１が位置及び／又は向きを割り出す必要があるプローブ１０１の方向に向くまで、移動及び回転させられる。システム１００は、第１の空間方向センサに組み合わせられた少なくとも３つのターゲット１０５の第２の空間方向センサ１０３に対する空間的方向を割り出すことによって、システム１００の座標系において第１の空間方向センサ１０２の局所座標系を変換することができる。従って、第１の空間方向センサ１０２の視野ＦＯＶ１内にのみ位置するプローブ１０１の位置及び／又は向きが、最初に第１の空間方向センサ１０２の局所座標系において割り出され、その後にシステム１００の座標系における位置及び／又は向きへと変換される。
【００５１】
第１及び第２の空間方向センサ１０２、１０３は、処理手段１０６へと接続されている。この接続は、有線又は無線の接続であってよい。従って、処理手段ならびに第１及び第２の空間方向センサ１０２、１０３は、送受信機を備えることができる。さらに、プローブ１０１も、例えばターゲットを制御するために、同じやり方での処理手段１０６への接続を有することができる。
【００５２】
空間方向センサ１０２、１０３は、例えばＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラなど、任意の種類の電気光学カメラである。
【００５３】
プローブ１０１は、表面の点又は穴などといった幾何学的実体の位置の測定に適した器具（例えば、逐一の測定のためのスタイラスを備えているタッチプローブや、いわゆるパッチにて表面の複数の点を測定するスタンドオフ式の走査カメラなど）、及び／又は上述のような実体に係る物理的特徴の位置の測定に適した器具（例えば、色温度プローブ又は超音波厚さプローブなど、位置に組み合わせられた物理的特徴を測定するための複合センサ）など、任意の種類の器具である。
【００５４】
ターゲット１０５は、発光ダイオード、基準マーク、逆反射ターゲット、又は形状など、空間方向センサによる観察に適した任意の種類のマーク又はターゲットである。ターゲット１０５は、能動的又は受動的であってよい。能動的なターゲットとしては、ＬＥＤ（発光ダイオード）が特に適しているが、明瞭なスペクトル放射を有する任意の光源を使用することができる。受動的なターゲットは、外部の能動的な光源からの光を反射することができる。
【００５５】
図３は、すでに図１に示したような自動車組み立てステーションにおける第１の実施形態による本発明の応用を示している。この工業における応用において、すべてのプローブ１０１が第２の空間方向センサ１０３の視野ＦＯＶ２内にあるわけではない。しかしながら、第１の空間方向センサ１０２が、常に第２の空間方向センサ１０３の視野ＦＯＶ２内に位置するようなやり方で配置されている。次いで、第１の空間方向センサ１０２が、やはりプローブ１０１の位置及び／又は向きを検出する。従って、第１の空間方向センサ１０２は、視野ＦＯＶ１をすべての方向に回転させることができるようなやり方で取り付けられている。取得されたデータが、処理手段１０６へと伝えられ、処理手段１０６が、以下の工程を行うためのコンピュータプログラムを実行する。
【００５６】
第１の工程において、プローブ１０１の空間座標及び／又は向きが、第１の空間方向センサ１０２の局所座標系において割り出される。次いで、第２の工程において、第１の空間方向センサ１０２の位置及び／又は向きが、第２の空間方向センサ１０３によってシステム１００の座標系において割り出される。これは、パターン１０４に配置されて第１の空間方向センサ１０２に組み合わせられた少なくとも３つのターゲット１０５の空間的方向を測定することによって行われる。次いで、第１の空間方向センサ１０２の局所座標系が、システム１００の空間座標系へと変換される。従って、プローブ１０１の空間座標及び／又は向きも、システム１００の座標系へと変換される。
【００５７】
第１の方向センサ１０２が回転可能であり、あるいは移動すら可能であるという事実ゆえ、第１の方向センサ１０２の周囲の空間全体を撮像することが可能であり、結果として第１の方向センサ１０２の周囲に位置するプローブの位置及び／又は向きを割り出すことが可能である。第１の空間方向センサ１０２が、測定対象のプローブ１０１にきわめて近い位置に位置するため、溶接ロボット又は部材が、空間座標及び／又は向きの測定を妨げる可能性が少ない。また、プローブ１０１の位置及び／又は向きの割り出しにおいて、測定距離が短いため、第２の空間方向センサ１０３が直接的にプローブ１０１の位置及び／又は向きの測定を行う場合に比べ、測定がより正確になる。
【００５８】
図４に、本発明の第２の実施形態が示されている。第１の実施形態に加えて、プローブ１０１が、ターゲット１０７をさらに備えている。従って、プローブ１０１の空間座標及び／又は向きが、これらのターゲット１０７の第１の空間方向センサ１０２に対する空間的方向の測定に基づいて割り出される。実際、ターゲット１０７の位置は、プローブ１０１の局所座標系において既知である。この情報及び割り出された空間的方向に基づいて、システムは、第１の空間方向センサ１０２の局所座標系において、プローブ１０１の位置及び／又は向きを割り出すことができる。次いで、この位置及び／又は向きを、第１の実施形態について説明したとおり、システム１００の座標系における位置及び／又は向きへと変換することができる。
【００５９】
図５に示されている本発明による第３の実施形態においては、第１の空間方向センサ１０２及び第２の空間方向センサ１０３が、機械的に接続されている。例えば、空間方向センサを、フレーム構造１１０に取り付けることができる。第１の空間方向センサ１０２が、自由に回転できるような方法でフレーム構造１１０に取り付けられる。さらに、空間方向センサ１０２、１０３は、第１の空間方向センサ１０２に組み合わせられた少なくとも３つのターゲット１０５が、第１の方向センサ１０２の回転の向きにかかわらず常に第２の空間方向センサ１０３の視野ＦＯＶ２内にあるような方法で、配置されている。
【００６０】
フレーム構造１１０を、炭素繊維強化ポリマー、金属管、あるいは任意の他の硬くて堅固な材料で構成することができる。好ましくは、材料は、温度膨張特性が最小である。第１及び第２の空間方向センサ１０２、１０３とフレーム構造１１０とからなる実体が、運搬が容易であり、大きな外部の応力にも耐える内蔵型の小型かつ安定なユニットを形成することができる。また、空間方向センサ１０２、１０３を、フレーム構造１１０によって保護することも可能である。代案として、フレーム構造１１０が部分的に覆われ、あるいはフレーム構造を閉じられた構成によって置き換え、閉じられたユニットを形成することさえ可能である。
【００６１】
図６が、移動する製造ラインの例示的な工業設備における本発明の第３の実施形態を示している。見て取ることができるとおり、空間方向センサ１０２、１０３及びフレーム構造１１０を備える実体を、内蔵型のシステムとして工具パレット又は加工される製品に配置することができる。
【００６２】
図７が、本発明の第４の実施形態を示している。この実施形態においては、システム１００が、異なる視野ＦＯＶ２、ＦＯＶ２’を有する２つの第２の空間方向センサ１０３、１０３’を備えている。しかしながら、これら２つの視野ＦＯＶ２及びＦＯＶ２’は、基準点１１１が位置している共通の部位を有している。やはりターゲットを有してもよいこれらの基準点１１１によって、各々の第２の空間方向センサ１０３の局所座標系を、システム１００の座標系に対して較正することができる。
【００６３】
この実施形態において、第１の空間方向センサ１０２は、第２の空間方向センサの視野ＦＯＶ２内の第１の位置Ａから、別の第２の空間方向センサ１０３’の視野ＦＯＶ２’内の位置Ｂへと移動することができる。第２の空間方向センサ１０３、１０３’が較正されているという事実ゆえ、第１の空間方向センサ１０２の局所座標系を、位置Ａ及びＢにおいてシステム１００の座標系へと較正することができる。
【００６４】
基準点１１１を、固定されており、両方の第２の空間方向センサ１０３、１０３’の視野ＦＯＶ２、ＦＯＶ２’内に位置したままであるプローブ１０１によって置き換えてもよい。
【００６５】
図８は、本発明の第５の実施形態を示している。やはり、第１の空間方向センサ１０２が、位置Ａから位置Ｂへと移動することができる。しかしながら、第４の実施形態と同様に、第１の方向センサ１０２の局所座標系は、依然としてシステム１００の座標系に較正されている。第４の実施形態と対照的に、システムは、２つの第２の空間方向センサ１０３、１０３’の視野ＦＯＶ２、ＦＯＶ２’内の共通の基準点１１１又はプローブ１０１によって較正されていない。代わりに、第１の空間方向センサ１０２が、位置Ａ及びＢにおいて基準点１１１及び／又は固定のプローブ１０１の相対位置を割り出す。すなわち、基準点１１１及び／又は固定のプローブ１０１が、移動の前の第１の空間方向センサ１０２の視野ＦＯＶ１内及び移動の後の第１の空間方向センサ１０２の視野ＦＯＶ１’内に位置する。この測定から、２つの第２の空間方向センサ１０３、１０３’の局所座標系が較正され、第１の空間方向センサ１０２が、システム１００の座標系において測定を実行することができる。
【００６６】
本発明を、添付の特許請求の範囲に記載のとおりに定義することができるが、代案として、本発明を、以下の実施形態に記載のとおりに定義してもよいことを、理解すべきである。
【００６７】
１．  プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きを測定するためのシステム（１００）であって、
第１の空間方向センサ（１０２）と、
第２の空間方向センサ（１０３）と、
処理手段（１０６）と、
を備え、
前記第１の空間方向センサ（１０２）に、互いに対する位置及び該第１の空間方向センサ（１０２）に対する位置が既知であるターゲット（１０５）のパターン（１０４）が組み合わせられており、
前記処理手段（１０６）が、前記ターゲット（１０５）の互いに対する既知の位置及び前記第２の空間方向センサ（１０３）に対する前記ターゲット（１０５）の空間的方向の測定に基づいて、前記第２の空間方向センサ（１０３）に対する前記ターゲット（１０５）のパターン（１０４）の向き及び／又は空間座標を計算し、
前記ターゲット（１０５）のうちの少なくとも３つが、前記ターゲット（１０５）のパターン（１０４）の向きにかかわらず、前記第２の空間方向センサ（１０３）の視野（ＦＯＶ２）内にあり、
前記第１の空間方向センサ（１０２）が、前記プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きを割り出すシステム（１００）。
【００６８】
２．  前記プローブ（１０１）が、互いに対する位置が既知であるターゲット（１０７）を有し、
前記処理手段（１０６）が、プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きを、前記ターゲット（１０５）のパターン（１０４）の既知の向き及び／又は空間座標、前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）の互いに対する既知の位置、ならびに前記第１の空間方向センサ（１０２）に対する前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）の空間的方向の測定に基づいて、計算するようにさらに構成されており、
プローブ（１０１）の少なくとも３つのターゲット（１０７）が、前記第１の空間方向センサ（１０２）の視野（ＦＯＶ１）内にある、実施形態１に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【００６９】
３．  少なくとも１つのさらなるプローブ（１０１）、及び／又は少なくとも１つのさらなる第１の空間方向センサ、及び／又は少なくとも１つのさらなる第２の空間方向センサを備えている実施形態１又は２に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【００７０】
４．  前記ターゲット（１０５）のパターン（１０４）が組み合わせられた第１の空間方向センサ（１０２）は、回転可能である実施形態１〜３のいずれか一項に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【００７１】
５．  前記プローブ（１０１）が対象物（１０８）に割り当てられて、該対象物（１０８）の空間座標及び／又は向きが割り出される実施形態１〜４のいずれか一項に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【００７２】
６．  前記プローブ（１０１）は、接触点（１０９）を有する接触プローブであり、前記処理手段（１０６）は、前記プローブ（１０１）の前記少なくとも３つのターゲット（１０７）及び前記接触点（１０９）の互いに対する既知の位置から前記接触点（１０９）の空間座標を計算するようにさらに構成されている実施形態１〜５のいずれか一項に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【００７３】
７．  前記第１の空間方向センサ（１０２）及び前記第２の空間方向センサ（１０３）が、機械的に接続されている実施形態１〜６のいずれか一項に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【００７４】
８．  前記機械的な接続が、主として炭素繊維強化ポリマーで構成されたフレーム構造（１１０）である実施形態７に記載のプローブ（１０２）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【００７５】
９．  少なくとも１つの基準点（１１１）が、前記第２の空間方向センサ（１０３）及びさらなる第２の空間方向センサ（１０３’）の視野（ＦＯＶ１、ＦＯＶ１’）内にあり、前記処理手段が、前記少なくとも１つの基準点（１１１）のそれぞれの空間座標に基づいて、前記第２の空間方向センサ（１０３、１０３’）の空間座標系を較正するようにさらに構成されている実施形態３〜６のいずれか一項に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【００７６】
１０．  前記ターゲット（１０４）が、さらなる第２の空間方向センサ（１０３）の視野（ＦＯＶ２’）内において前記第２の空間方向センサの視野（ＦＯＶ２）から移動し、少なくとも１つの基準点（１１１）が、前記移動の前及び後において前記第１の空間方向センサ（１０２）の視野（ＦＯＶ１、ＦＯＶ１’）内にあり、前記処理手段が、前記少なくとも１つの基準点（１１１）のそれぞれの空間座標に基づいて前記第２の空間方向センサ（１０３）の空間座標系を較正するようにさらに構成されている実施形態３〜６のいずれか一項に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【００７７】
１１．  前記空間方向センサ（１０２、１０３）が、前記ターゲット（１０５、１０７）への空間的方向を測定するように設計されている実施形態１〜１０のいずれか一項に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するためのシステム（１００）。
【００７８】
１２．  プローブ（１０１）の空間座標を測定するための方法であって、
互いに対する位置及び該第１の空間方向センサ（１０２）に対する位置が既知であるターゲット（１０５）のパターン（１０４）と組み合わせられた第１の空間方向センサ（１０２）をセットするステップ、
第２の空間方向センサ（１０３）をセットするステップ、
前記第２の空間方向センサ（１０３）に対する前記ターゲット（１０５）の空間的方向を割り出すステップ、
前記ターゲット（１０５）の互いに対する既知の位置及び前記割り出したターゲット（１０５）の空間的方向に基づいて、前記第２の空間方向センサ（１０３）に対する前記ターゲット（１０５）のパターン（１０４）の向きを計算するステップ、及び
前記第１の空間方向センサ（１０２）によって前記プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きを割り出すステップ
を含み、
少なくとも３つのターゲット（１０５）が、前記ターゲット（１０５）のパターン（１０４）の向きにかかわらず、前記第２の空間方向センサ（１０３）の視野（ＦＯＶ２）内にある方法。
【００７９】
１３．  プローブ（１０１）は、互いに対する位置が既知であるターゲット（１０７）を有し、
前記プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きを割り出すステップは、
前記第１の空間方向センサ（１０２）に対する前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）の方向を割り出すステップ、及び
前記第１の空間方向センサ（１０２）の既知の空間座標及び／又は向き、前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）の互いに対する既知の位置、ならびに前記割り出された第１の空間方向センサ（１０２）に対する前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）の空間的方向に基づいて、前記プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きを計算するステップ
をさらに含み、
プローブ（１０１）の少なくとも３つのターゲット（１０７）が、前記第１の空間方向センサ（１０２）の視野（ＦＯＶ１）内にある、実施形態１２に記載のプローブ（１０１）の空間座標を測定するための方法。
【００８０】
１４．  コンピュータによって実行されたときに、
第１の空間方向センサ（１０２）に組み合わせられたターゲット（１０５）のパターン（１０４）のターゲット（１０５）の互いに対する既知の位置及び該第１の空間方向センサ（１０２）に対する位置、ならびに第２の空間方向センサ（１０３）に対する前記ターゲット（１０５）の空間的方向の測定に基づいて、プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きを計算し、前記第１の空間方向センサ（１０２）によって前記プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きを割り出すためのプログラムコードを提供するコンピュータプログラムであって、
少なくとも３つのターゲット（１０５）が、前記ターゲット（１０５）のパターン（１０４）の向きにかかわらず、前記第２の空間方向センサ（１０２）の視野（ＦＯＶ２）内にあるコンピュータプログラム。
【００８１】
１５．  前記プローブ（１０１）の空間座標及び／又は向きの計算は、さらに、前記第１の空間方向センサ（１０２）の既知の空間座標及び／又は向き、前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）の互いに対する既知の位置、ならびに前記第１の空間方向センサ（１０２）に対する前記プローブ（１０１）のターゲット（１０７）の空間的方向の測定に基づいており、
前記プローブ（１０１）の少なくとも３つのターゲット（１０７）が、前記第１の空間方向センサ（１０２）の視野（ＦＯＶ１）内にある、実施形態１４に記載のコンピュータプログラム。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
従来技術の光学式測定システムと比べ、本発明は、種々のプローブ及びプローブシステムとの組み合わせにおいて無限又は球状の視野を提供する。従って、本発明は、従来技術と比べて、単一のシステムで取り扱うことができる測定の仕事に関して、新たな柔軟性の水準をもたらす。これは、航空宇宙、自動車、及び複雑な組み立て製品を製造する他の工業などの産業において、作業及び投資に関する大きな利点をもたらす。
【符号の説明】
【００８３】
１００  システム
１０１  プローブ
１０２  第１の空間方向センサ
１０３  第２の空間方向センサ
１０４  ターゲットのパターン
１０５  ターゲット
１０６  処理手段
１０７  プローブのターゲット
１０８  対象物
１０９  接触点
１１０  フレーム構造
１１１  基準点
２０１  車枠ステーションの天井の工具
２０２  車枠ステーションの側面の工具
２０３  車枠ステーションの床の工具
２０４  接触点
２０５  接触プローブ
２０６  金属薄板の位置決め装置
２０７  空間方向センサ
２０８、２０９  側面パネル
２１０  屋根パネル
２１１  床アセンブリ
ＦＯＶ１  第１の空間方向センサの視野
ＦＯＶ２  第２の空間方向センサの視野
Ａ  移動前の位置
Ｂ  移動後の位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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