(57)【要約】      （修正有）【課題】物体の表面の３次元座標を決定する。【解決手段】オブジェクトデータを得るために、物体２の表面１がスキャナ３によって走査される。特にトラッキングシステム４によって、位置データを得るための、スキャナ３の位置および向きが決定される。上記オブジェクトデータ、および位置データが、これらから物体２の表面１の３次元座標を決定するコントローラ５に伝送される。そのような方法を改良するために、上記オブジェクトデータが、スキャナ３からコントローラ５に無線送信される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（２）の表面（１）の３次元座標を決定するための方法であって、
オブジェクトデータを得るために、物体（２）の表面（１）がスキャナ（３）によって走査され、
位置データを得るために、スキャナ（３）の位置および向きが決定され、
上記オブジェクトデータ、および位置データが、これらから物体（２）の表面（１）の３次元座標を決定するコントローラ（５）に送信される方法において、
上記オブジェクトデータが、スキャナ（３）からコントローラ（５）に無線送信される（６，７）
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１の方法であって、
オブジェクトデータ、および位置データが互いに同期していることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２の方法であって、
オブジェクトデータ、および位置データが、無線送信によって同期していることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２および請求項３のうち何れか１項の方法であって、
コントローラ（５）および／またはスキャナ（３）が、コントローラ（５）および／またはスキャナ（３）に無線送信される同期信号（１９）を生成することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうち何れか１項の方法であって、
上記オブジェクトデータが、コントローラ（５）に無線送信される前に圧縮されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうち何れか１項の方法であって、
スキャナ（３）は、座標計測装置の構成要素であることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１から請求項５のうち何れか１項の方法であって、
スキャナ（３）は、関節接続されたジョイント、または工業用ロボットのアームに設けられていることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１から請求項５のうち何れか１項の方法であって、
スキャナ（３）は、ハンドヘルドスキャナ（３）であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８の方法であって、
スキャナ（３）の位置および向きが、トラッキングシステム（４）によって決定されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のうち何れか１項の方法であって、
スキャナ（３）のエネルギ供給が、人が持ち運び可能なエネルギ供給ユニット（２９）によって供給されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のうち何れか１項の方法であって、
オブジェクトデータの送信の際に、エラーが自動的に認識され、治癒されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
特に請求項１から請求項１１のうち何れか１項の方法を実行して、物体の表面の３次元座標を決定するための装置であって、
物体（２）の表面（１）のオブジェクトデータを得るためのスキャナ（３）、
位置データを得るために、スキャナ（３）の位置および向きを決定する装置、および
上記オブジェクトデータ、および位置データから、物体（２）の表面（１）の３次元座標を決定するコントローラ（５）を備え、
スキャナ（３）からコントローラ（５）へのオブジェクトデータの無線送信のための送信装置（６，７）によって特徴付けられる装置。
【請求項１３】
請求項１２の装置であって、
オブジェクトデータと位置データとを同期させるための同期装置、および／または
同期装置のための無線送信装置、および／または
コントローラ（５）への無線送信の前にオブジェクトデータを圧縮するための信号準備装置、および／または
ハンドヘルドスキャナ（３）、および／または
スキャナ（３）の位置および向きを決定するためのトラッキングシステム（４）、および／または
スキャナ（３）のエネルギ供給のための人が持ち運び可能なエネルギ供給ユニット（２９）、および／または
オブジェクトデータの送信時におけるエラーの自動的な認識および治癒のためのエラー除去装置
によって特徴付けられる装置。
【請求項１４】
請求項１２および請求項１３のうち何れか１項の装置によって特徴付けられる、座標計測装置、または関節接続されたアーム、または工業用ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の表面の３次元座標を決定するための方法、およびそのような方法の実行のための装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記方法においては、オブジェクトデータを得るために、物体の表面がスキャナによってスキャンされる。そのようなスキャナは、ここで参照されるEP 1 724 549 A2によって知られている。上記スキャナは、特に、ラインスキャナであり得る。このスキャナは、あるパターンを物体に投影する投影装置を含み得る。上記投影装置は、特に、ラインを物体上に投影する。上記パターン、またはラインは、好ましくは、コヒーレントな光、特にレーザ光によって、物体上に投影される。スキャナは、さらに、物体上に投影されたパターン、特に物体上に投影されたラインを検出するのに適したカメラを含み得る。カメラは、結像光学系（imaging optics）、およびセンサ、特に領域センサ（areal sensor）、特にＣＣＤセンサ、またはＣＭＯＳセンサ、または他のセンサを含み得る。
【０００３】
スキャナによって取得されるオブジェクトデータは、そのスキャナのレファレンスシステムに関連する。しかし、物体の表面の絶対的な３次元座標、すなわち、空間的に固定された座標系中に存在する物体の表面の３次元座標を取得することが必要である。この目的のためには、スキャナの位置および向きを決定する必要がある。このようにして、スキャナの座標系中に存在するオブジェクトデータを、物体の表面の絶対的な３次元座標に変換することを可能にするスキャナの位置データが保持され得る。
【０００４】
オブジェクトデータ、および位置データは、それらから物体の表面の３次元座標を決定するコントローラに伝送される。上記３次元座標は、絶対座標、すなわち、空間的に固定された参照システム中の座標である。
【０００５】
請求項１のプリアンブルの方法は、EP 0 553 266 B1によって知られている。この方法は、特に、部品の寸法精度の検査、例えば自動車のボディシートを製造するためのプレス装置の製造および監視に用いることができる。それは、自動車の製造者によって、航空機の製造において、および消費者部門（consumer sector）において用いられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
オブジェクトデータは、以前は、スキャナにより、ラインを介して、特に電気的または光学的ラインを介して、コントローラに伝送されていた。この目的のためには、マルチコアケーブル、例えばスキャナとコントローラとの間の接続を確立する１から３６芯のケーブルを用いることができる。そのようなケーブルは、種々の欠点を有している。それは計測準備の際に絡まり、ねじれ、また、オペレータがつまづくリスクが存在し得る。繊細な物体表面、例えばクレイモデルの場合には、計測中にケーブルが表面に触れ、押し付け跡によって損傷させることが引き起こされ得る。限られた、例えば１０ｍのケーブルの長さは、特に一体物の大きな物体の計測を妨げ、物体または計測装置全体を移動させることが必要となる。ケーブルは、小さな曲げ半径や、キンクポイントまたは押圧ポイントに対して敏感で、それによって、ケーブルシールドまたは個々のストランドすら、高張力な部分で損傷を引き起こし得る。
【０００７】
本発明は、改良された上記のような種類の装置および方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、請求項１の特徴による、物体の表面の３次元座標を決定するための方法の発明によって達成される。オブジェクトデータは、スキャナからコントローラに無線で送信される。上記方法の実施は、このように容易化される。ケーブルに伴う不都合は生じない。ケーブルに作用するスキャナの重量は特に除かれる。オブジェクトデータの無線伝送は、ラジオ電波、または光伝送、特に赤外線放射によって行われ得る。
【０００９】
有利な、さらなる発展は、従属請求項中に述べられる。
【００１０】
オブジェクトデータと位置データとが互いに同期すれば有利である。物体の表面の３次元座標を十分な精度で決定できるようにするためには、それぞれ同時に決定されたオブジェクトデータと位置データから３次元座標が算出されることが必要である。これらの互いのデータの時間差は、これらから決定される３次元座標の十分な精度を保証するためには特定の限界を超えないであろう。数マイクロセカンドの時間オフセットは、もはや、実質的に劣化した、または使用不可能な計測データに帰結する顕著なデータのずれに影響を与え得る。
【００１１】
オブジェクトデータと位置データとが無線伝送によって同期していれば有利である。オブジェクトデータと位置データとは、繰り返し、特に定期的に繰り返して、同期を取られることが好ましい。無線伝送は、ラジオ電波、または光伝送、特に赤外線放射によって行われ得る。分離された伝送チャネルが、同期の無線伝送のために用いられ得る。
【００１２】
さらに有利な、さらなる発展は、コントローラおよび／またはスキャナが、無線でコントローラおよび／またはスキャナに送信される同期信号を発生することを特徴とする。そこで、上記同期信号は、それを無線でスキャナに伝送するコントローラによって発生され得る。それに代えて、またはそれと伴に、上記同期信号は、それを無線でコントローラに伝送するスキャナによって発生され得る。スキャナに設けられる望ましい高精度なタイマを無線で同期させるクロックが、コントローラ中に特に組み込まれ得る。オブジェクトデータの取得および／または送信、ならびに関連付けられた位置データの取得および／または送信のための共通のスタート時間は、同期によって定義され得る。これは、クロックの信号（クロック信号）のスイッチオンおよび／またはスイッチオフによって、および／または別個のトリガの信号（トリガ信号）によって達成され得る。
【００１３】
オブジェクトデータがコントローラへの無線送信に先立って圧縮されるとすれば有利である。スキャナからコントローラへのオブジェクトデータの送信は無線で行われるので、データ送信レートはラインを介した送信との関係において制約される。有線送信では、特に複数の並列ラインを用いることが可能なので、それによってデータ送信容量は増大させられ得る。それゆえ、オブジェクトデータを圧縮して、送信されるデータ量を低減することは、有利、または必要であり得る。
【００１４】
データ量の低減は、スキャナ中、またはスキャナ中に存在する信号送信ユニット中で行われ得る。送信されるデータ量の低減は、計測された生データから有用なデータが抽出され得る方法で行われ得る。有用なデータは、特に、物体に投影されたラインのポイントに対応する領域センサ上のポイントの座標であり得る。
【００１５】
スキャナは、座標計測装置の構成要素であり得る。この場合には、静止した座標計測装置が、スキャナの位置のための位置データを提供する。スキャナは、座標計測装置の３つの座標軸中で支持され得、および移動し得る。座標計測装置は、スキャナの位置の座標を送信し得る。スキャナは、さらに回転し得る。この場合には、座標計測装置が、回転によって決定されるスキャナの向きのデータも送信すれば、有利である。しかし、スキャナがしっかり固定され、すなわち、座標計測装置に対して回転しないことも可能である。この場合には、スキャナの向きは固定的に据え付けられた向きによって決定される。
【００１６】
スキャナは、関節接続されたアーム（articulated arm）、または工業用ロボットのアームに設けられ得る。関節接続されたアームは、ハンドによって案内される、関節接続されたアームであり得る。しかし、関節接続されたアームは、１つ以上のモータによって、特に電動モータによって駆動されることも可能である。いずれの場合も、スキャナの位置および向きのための位置データは、ジョイントの角度から、および関節接続された、または工業用ロボットのアームの長さから決定される。
【００１７】
スキャナがハンドヘルドスキャナであれば、特に好ましい。この場合、スキャナの位置および向きは、トラッキングシステムによって決定されれば、有利である。そのようなトラッキングシステムの例は、ここで参照されるEP 0 553 266 B1およびEP 1 724 549 A2に記載されている。
【００１８】
さらに有利な、さらなる発展は、スキャナのエネルギ供給は、人が持ち運び可能なエネルギ供給ユニットによって行われることを特徴とする。上記エネルギ供給ユニットは、好ましくはバッテリおよび／または充電可能な電池を含む。エネルギ供給ユニットは、また、さらなる装置、特にコントローラへのオブジェクトデータの無線送信のための送信機にもエネルギを供給可能である。
【００１９】
さらに有利な、さらなる発展によれば、オブジェクトデータの送信におけるエラーが自動的に認識され治癒される。これによって、例えば周囲からの干渉信号のために検出されなかった若しくは送信されなかった、または正しく検出されなかった若しくは送信されなかったオブジェクトデータが、対応する追加の努力と対応する追加のコストによって再度取得されるのを必要とされるようなことが防止され得る。さらに、計測物体または計測装置がもはや利用可能でないために計測を繰り返せないケースもある。エラーは、特に、送信されなかった、または正しく送信されなかったデータまたはデータパケットが、再度送信されて治癒され得る。
【００２０】
物体の表面の３次元座標を決定するための本発明の装置、特に本発明の方法を実行するための装置は、物体の表面のオブジェクトデータを取得するためのスキャナ、位置データを取得するためのスキャナの位置および向きを決定するための装置、およびオブジェクトデータおよび位置データから物体の表面の３次元座標を決定するコントローラを含む。本発明によれば、上記装置は、３次元計測装置からコントローラへのオブジェクトデータの無線送信のための送信装置を含む。
【００２１】
上記装置は、オブジェクトデータと位置データとを同期させるための同期装置、および／または同期装置のための無線送信装置、および／またはコントローラへの無線送信の前にオブジェクトデータを圧縮するための信号準備装置、および／またはハンドヘルドスキャナ、および／またはスキャナの位置および向きを決定するためのトラッキングシステム、および／またはスキャナのエネルギ供給のための人が持ち運び可能なエネルギ供給ユニット、および／またはオブジェクトデータの送信時におけるエラーの自動的な認識および治癒のためのエラー除去装置を含めば有利である。
【００２２】
本発明は、さらに、本発明の装置によって特徴付けられる座標計測装置、または関節接続されたアーム、または工業用ロボットに関連する。
【００２３】
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施例が詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】物体の表面の３次元座標を決定する装置の概略斜視図。
【図２】図２のスキャナの概略斜視図。
【図３】図２のスキャナのＣＭＯＳセンサの拡大図。
【図４】図３のＣＭＯＳセンサにおける破線で示すカラムに沿った輝度カーブ。
【図５】オブジェクトデータ、位置データ、および同期信号の信号カーブ。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１に示す物体２、すなわち自動車のフェンダーの表面１における３次元座標を決定するための装置は、物体２の表面１のオブジェクトデータを取得するためのスキャナ３と、スキャナ３の位置および向きを決定し、スキャナ３の位置データを取得するためのトラッキングシステム４と、上記オブジェクトデータおよび位置データから、物体２の表面１の３次元座標を決定するためのコントローラ５とを含んでいる。上記装置は、さらに、スキャナ３からコントローラ５へのオブジェクトデータの無線送信のための送信装置を含み、上記送信装置は、トランシーバ６と、トランシーバ７とを含んでいる。トランシーバ６，７の間では、双方向データ伝送が行われる。コントローラ５のトランシーバ７は、スキャナ３にコマンドを送信する。
【００２６】
複数の検出器、特にＩＲ検出器（赤外線検出器）がスキャナ３に配置され（不図示）、その位置がトラッキングシステム４によって決定される。トラッキングシステム４は、ＩＲ検出器の位置から、スキャナ３の位置および向きを決定する。このために、トラッキングシステム４は、それぞれ光学装置とＣＣＤセンサとを含む３つのＩＲセンサ（赤外線センサ）を含んでいる。スキャナ３のＩＲ検出器は、交互に制御され活性化されて、その信号がＩＲセンサ８によりピックアップされ、これから、トラッキングシステム４が、それぞれ制御されるＩＲ検出器の各位置を決定する。トラッキングシステム４は、これからスキャナ３の位置および向きを決定し、これらのスキャナ３の位置データを、ライン９を介してコントローラ５に送信する。しかし、スキャナ３の位置データがコントローラ５によって決定されることも可能である。コントローラ５は、データ処理装置、特にＰＣを含む。
【００２７】
スキャナ３は、図２に詳細に示される。それは、レーザ光源とライン光学装置（line optics）とを有するプロジェクタ１０を含む。上記プロジェクタ１０は、物体２の表面１上に領域ライトコーン１１（areal light cone）を投影し、これによって物体２の表面に投影ライン１２（projection line）が形成される。
【００２８】
この投影ライン１２は、スキャナ３のカメラ１３によって撮像される。上記カメラは、カメラ光学装置と、図２に誇張されて大きく描かれるＣＭＯＳセンサ１４とを含む。投影ライン１２は、カメラ１３のＣＭＯＳセンサ１４上にセンサライン１５として描かれる。ＣＭＯＳセンサ１４のデータは、オブジェクトデータを形成する。
【００２９】
ハンドヘルドスキャナ３は、物体２に沿って移動される。このようにして、投影ライン１２は物体２の表面１上を走査する。このようにする中で、特定の時点でのスキャナ３のそれぞれの位置に関連付けられたデータセットが生成される。上記特定の時点でのスキャナ３の特定の位置に対するデータセットは、この時点で撮像された投影ライン１２に属するセンサライン１５、およびトラッキングシステム４によって決定された、この時点でのスキャナ３の位置および向きを含む。物体２の表面１上の投影ライン１２の３次元座標は、このデータセットから決定することができる。複数の投影ライン１２に対する、そして物体２の表面１全体に対する３次元座標は、このプロシージャの繰り返しによって、および他の時点でのスキャナ３の他の位置に対する複数のデータセットの処理によって、決定することができる。
【００３０】
オブジェクトデータは、コントローラ５への無線送信の前に、スキャナ３内で圧縮される。可能な圧縮プロシージャは、以下に図３および図４を参照して説明される。このプロセスでは、ＣＭＯＳセンサ１４の画素は、カラム方向に評価される。破線１６（dashed line）は、ちょうど評価されているＣＭＯＳセンサ１４のカラムを象徴している。このライン１６は、上下方向に延びている。このようにして、ＣＭＯＳセンサのカラムに関連付けられた画素が読み出される。読み出された値の輝度が図４に示され、ここでは、ＣＭＯＳセンサ１４の上縁からの距離が横軸にとられ、各画素で計測された輝度が縦軸にとられている。ＣＭＯＳセンサ１４の上縁からスタートして、初めは低輝度の計測値が読み出される。続いて達する最大輝度値１７，１８は、ライン１６上のセンサライン１５の点の位置を示す。このようにして、ライン１６のカラム座標に属するセンサライン１５のロウ座標ｚが決定され得る。このプロセスが、ＣＭＯＳセンサ１４の全てのカラムについて順次実行される。このようにして、センサライン１５の座標が求められる。これらの座標は、次にコントローラ５に無線送信される。オブジェクトデータの圧縮は、ＣＭＯＳセンサ１５の全ての画素の全ての輝度データが送信される必要はなく、むしろ、センサライン１５の座標のデータだけが送信される必要があることを含む。
【００３１】
物体２の表面１の３次元座標を決定するためには、オブジェクトデータと位置データとを互いに同期させることが望ましく、または必要であり得る。これは無線送信によって行われる。コントローラ５は、コントローラ５のトランシーバ７によってスキャナ３のトランシーバ６に送信される同期信号を生成する。
【００３２】
同期プロセスは概略的に図５に示される。図５ａは、位置データ、すなわちスキャナ３の位置および向きの、コントローラ５への送信のタイムカーブを示す。図５ｂは、スキャナ３からコントローラ５へのオブジェクトデータの無線送信のタイムカーブを示す。これらのデータ送信は、互いに同期していない。同期信号１９は、コントローラ５内で特定の時点ｔでクロックによって生成される。同期信号１９はスキャナ３に無線で送信される。分離された送信チャネルが、この目的のために用いられ得る。時点ｔは、位置データのパケット２１の送信の立ち上がりフランク２０（rising flank）の時点に一致する。スキャナ３への同期信号１９の送信は、オブジェクトデータにおける次のデータパッケージ２２の送信が、上記同期信号１９の送信の時点で開始される効果を有する。同期パルス１９は、さらに、スキャナ３中に存在するタイマをリセットする効果を有する。このタイマは、コントローラ５の対応するタイマと同じ速さで進む。それは、コントローラ５のタイマが次の位置データのデータパケット２６，２７，２８のタイミングをとる（clocks）のと同じ時点で、次のオブジェクトデータのデータパケット２３，２４，２５の送信のタイミングをとる。これは、図５の時点ｔの右に示されている。
【００３３】
特定の数のデータパケットの送信後、オブジェクトデータ、および位置データは、特にスキャナ３とコントローラ５とのタイマの速さの微小な差によって、再度、非同期になり得る。データ送信は、さらなる同期信号によって、再度、同期をとられる。同期信号は、好ましくは、特定の定期的な繰り返し時点で送信される。
【００３４】
スキャナ３、およびトランシーバ６のためのエネルギ供給は、人が持ち運び可能なエネルギ供給ユニット２９によって供給される。それは、１つ以上の強力なバッテリを含む。エネルギ供給ユニット２９は、ライン３０によってスキャナ３に接続される。
【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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【外国語明細書】
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