(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学測定装置の測定容積（９）に位置した一個あるいは数個の点の空間位置を一個あるいは数個のカメラによって測定するために光学測定装置を検証および確認し、それによって該測定装置が較正され、その較正に従って該測定装置によって感知される点の空間位置を検出できるようにする数学モデルが計算される方法において、
検証時に、所定の寸法を備えた基準対象物（１）が前記測定容積（９）において設けられ、前記基準対象物（１）は基準要素（２，３）と対象基準点（１７，１８，１９）を備える段階と、
前記基準要素（２，３）の位置が、前記測定装置によって検出される段階であって、この検出する段階がさらに、
その上にホルダー基準点（１２，１３，１４）を設けたホルダー（１１）を、前記基準要素（２，３）上の一個あるいは数個の点に対して設置する段階と、
前記ホルダー（１１）を前記測定装置のカメラで観察して、前記ホルダー（１１）の位置を検出するために、これらのホルダー基準点（１２，１３，１４）の位置を測定する段階と、を含む段階と、
前記基準対象物（１）の基準要素（２，３）のこのように検出された位置の相互位置を前記の測定された点に基づいて計算する段階と、
前記基準対象物（１）の基準要素（２，３）のこのように検出された位置の計算された相互位置を前記基準対象物（１）の実際の寸法と比較する段階と、を含み、
前記対象基準点（１７，１８，１９）の位置が前記測定装置のカメラによって観察されて該対象基準点（１７，１８，１９）の位置が測定され、そのため前記基準対象物（１）の方向と位置が、前記基準要素（２，３）上の一個あるいは数個の点の位置の、前記ホルダー（１１）によって、各測定のために検出され、
測定時の前記対象基準点（１７，１８．１９）と前記基準対象物（１）の相対的な動きが検出され、
前記測定装置の確認時に、前記基準対象物（１）の点の測定された相互位置と前記基準対象物（１）の実際の寸法との間のこのように確立された偏差に基づいて、前記測定装置の較正時に検出されている前記数学モデルが調整される測定装置を検証および確認する方法。
【請求項２】
前記基準対象物（１）の前記点の位置が該基準対象物（１）の種々の位置および（または）方向に対して検出される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
二個あるいはそれ以上のフラットカメラ、あるいは三個あるいはそれ以上のリニアカメラ、あるいはそれら双方の組み合わせを有する光学的測定装置が使用される請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記偏差に対して最大の影響を与える測定装置のパラメータに対してのみ前記数学モデルが調整され、そのためこれらパラメータは例えば、光学的な測定装置におけるカメラの相互角度である請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記基準対象物（１）の基準要素（２，３）が接続片（４）によって相互に接続されている請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記接続片がバー（４）から構成されている請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記基準要素（２，３）が少なくとも部分的に球形、立方体状、あるいは円錐形であるか、あるいは孔から構成されている請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記接続片（４）が、全体の熱膨張係数が無視しうるほどの比で、一方では負の熱膨張係数を有する炭素繊維と、他方では正の熱膨張係数を有する炭素繊維とから主として構成され、これらの繊維は前記基準要素の間の仮想接続線に対して事実上主として平行に延在することが好ましい請求項５から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記基準点（１７，１８，１９）の各々がＬＥＤ，特に光源から形成されている請求項５から８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記接続片（４）が無視しうるほどの熱膨張係数を有する請求項５から９までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置の測定容積に位置した一個あるいは数個の点の空間位置を測定するために測定装置を検証（ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ）および確認（ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）する方法であって、それにより前記測定装置が較正され、その較正に従って、前記測定装置によって感知された点の空間位置の検出する（ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ）ことを可能とする数学モデルが計算される方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在の測定装置は、例えば該測定装置を運搬している間に発生する熱あるいは機械的な衝撃の結果、この装置の測定精度が不十分となる都度較正し直す必要がある。そのような較正は極めて時間がかかり、数日を要することもありうる。
【０００３】
一台あるいは数台のカメラによって一点の位置を検出する光学的な測定システムに対しては、測定装置を較正している間に既知寸法のグリッドに置かれた多数の点が測定される。このように測定された多数の点によって、カメラによって感知される一点の三次元の座標を計算することを可能とする数学モデルが生成される。
【０００４】
測定装置のカメラの相互位置が、例えば運搬中の熱あるいは機械的な負荷によって多少変わると、０．５ミリメートル程度の大きさの測定誤差が発生しうる。当該技術分野の現在の状態によれば、その場合測定装置は全く較正し直す必要がある。
【０００５】
従来の座標測定機械（ｃｏ−ｏｒｄｉｎａｔｅ  ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｍａｃｈｉｎｅｓ：“ＣＭＭ”）では、その寸法あるいは位置を検出する必要のある対象物の点は、ロボットのアーム、特にマニピュレータと称されるものに装着された測定フィーラ（ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｆｅｅｌｅｒ）によって触れられる。測定すべき対象物とマニピュレータあるいは測定フィーラとの間に衝突（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ）がある場合、新たな較正が必要とされる。そのような較正の間、認定された長さ（ｃｅｒｔｉｆｉｅｄ  ｌｅｎｇｔｈ）を有する一個あるいは数個の基準バー（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｂａｒｓ）が座標測定機械に使用される座標系の三本の直交軸に従って測定され、続いて基準バーにおいて行われた測定に基づいて座標測定機械のパラメータが調整される。このこともまた、極めて時間のかかる手順である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、測定装置が熱あるいは機械的な衝撃あるいはその他の測定ズレ現象（ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｓ  ｏｆ  ｄｅ−ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）にさらされた場合、再較正の必要を何ら生じることなく測定装置の測定精度を極めて簡単な仕方で改善できるようにする方法を提供することによってこれらの欠点を排除することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的に対して、所定の寸法を備えた基準対象物（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｂｊｅｃｔ）が測定容積に設けられ、次いでこの基準対象物の数個の点の位置が測定装置によって検出され、それによって、基準対象物の点のこのように検出された位置の相互状態（ｍｕｔｕａｌ  ｓｉｔｕａｔｉｏｎ）が計算され、基準対象物の実際の寸法と比較され、そして前記基準対象物の点の測定された相互位置と基準対象物の実際の寸法との間でこのように確立された偏差を基準にして前記モデルが調整される。
【０００８】
実際には、この基準対象物の前記点の位置は基準対象物の色々な方向に対して検出される。
【０００９】
好適実施例によると、基準点が前記基準対象物に設けられ、これらの基準点の位置が前述の測定装置によって測定され、そのため、その前記点の位置が検出されると、測定対象物の方向および（または）位置が検出される。
【００１０】
本発明はまた、本発明による方法を適用するための基準対象物にも関するものである。
【００１１】
この基準対象物は、その相互位置が検出される少なくとも二個の基準要素から構成され、それによって、これらの基準要素は熱膨張係数が無視しうる程度の接続片を介して相互に接続されることを特徴とする。
【００１２】
本発明による基準対象物の有利な実施例によると、基準対象物はその動きを検出することを可能とする基準点を有している。これらの基準点は例えば発光ダイオード（ＬＥＤ′ｓ）から構成されている。
【００１３】
本発明のその他の特徴や利点については本発明による方法や基準対象物の若干の実施例についての以下の説明から明らかになる。この説明は例示目的で提供したものであり、特許請求の範囲を何ら限定するものではない。以下使用する参照図面については添付図面を参照する。
【００１４】
各種図面において、同一あるいは類似の要素は同じ参照数字で示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明による基準対象物の第一の実施例を示す。この基準対象物１は、縦長の丸いバー４から作られている接続片によって相互に接続された２個の球形基準要素２および３から構成されている。このバー４は、バーの長手方向に延びるか、あるいは円筒形の螺旋状の線に従って前記バー４に巻きつけられた炭素繊維およびポリパラフェニレンテレフタルアミド（ｐｏｌｙｐａｒａｐｈｅｎｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｍｉｄｅ）からつくられた繊維から作られることが好ましい。ポリパラフェニレンテレフタルアミドからつくられた前記繊維はＫｅｖｌａｒ（Ｒ）の商標名で知られている。バー４はこれらの繊維をベースにした複合材料から構成することも可能である。
【００１６】
球形の基準要素２および３並びにそれらの相互距離および位置は認可された公共機関（ａｕｔｈｏｒｉｓｅｄ  ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ）によって極めて正確に決められ、かつ認定されることも可能である。
【００１７】
バー４の長さが温度によって何ら左右されないように確実にするために、それは例えばポリパラフェニレンテレフタルアミドでつくられた繊維のように負の熱膨張係数を有する繊維および例えば炭素繊維のような正の熱膨張係数を有する繊維とから特に構成される。正の熱膨張係数を備えた繊維と負の熱膨張係数を備えた繊維の量とは、バーの全体の熱膨張係数が実質的にゼロあるいは少なくとも無視しうる程度となるように選択される。
【００１８】
このように、それぞれの繊維のパーセントはそれぞれの熱膨張係数と反比例するように選択される。
【００１９】
バー４の品質に対する大気の湿度による影響の可能性を排除するために、バーは耐水コーティングで被覆されることが好ましい。
【００２０】
球形の基準要素２および３の各々は、例えばセラミック、鋼あるいは人工ルビーで作られられた球形のボールから構成されている。
【００２１】
本発明の方法によれば、そのような基準対象物は測定装置の検証と確認のために使用される。検証の間、当該測定装置が正確な測定を可能とし、かつ必要な精度で位置を検出できるようにしているか否かが検査される。前記の精度は１０立方メートルの測定容積に対して、例えば０．０５ミリメートル程度の大きさである。
【００２２】
確認の間、その較正の間に検出された測定装置のモデルは必要な測定精度を得るために前記の検証の結果に基づいて若干調整される。このことは、例えば前記モデルのパラメータの値と記録された測定に対するそれらの影響とを計算し、その後前記モデルにおけるこれらのパラメータを調整することによって実施される。光学的な測定システムにおいては、そのようなパラメータは例えば種々のカメラの相互位置およびそれらの間の角度あるいはカメラのレンズの品質等でよい。
【００２３】
図２は測定装置を例として概略図示している。この測定装置はコンピュータ８の演算装置と協働している三台のカメラ５，６，７を備えた光学的測定システムから構成されている。測定装置によって点の位置をその内部で測定可能である、カメラ５，６および７の視野内に位置した空間が、測定容積９と称されるものを形成している。
【００２４】
測定容積９に位置した点の空間位置を測定する際、各々が発光ダイオードで形成されている数個の基準点１２，１３および１４が設けられているホルダ１１が使用される。ホルダ１１は測定フィーラ２０を含み、該フィーラによって該ホルダは測定すべき対象物の点に対して位置される。次に、ホルダ１１の位置と方向とを検出し、その結果、測定された点の位置を見付け出すために、前記ホルダ１１の基準点１２，１３および１４の位置が測定される。そのようなホルダ１１は公知であり、例えば特許文献ＷＯ９８／４８２４１に記載されている。
【００２５】
本説明の序文で説明したように、そのような測定装置は、その寸法が既知である直交グリッドに位置した多数の点の位置を測定することによって較正される。このように測定された点によって、前述の測定容積９に位置するいずれの点の三次元座標をも検出できるようにする数学モデルが生成される。
【００２６】
測定装置が運搬された後、あるいは熱衝撃を受けたとすれば、測定システムの検証および確認が必要とされる。そのため、基準対象物１が測定容積９内に位置され、その既知の寸法が測定システムによって測定される。図２に示す基準対象物１については既に上記で説明した。
【００２７】
この基準対象物１は前記測定容積９において固定された位置をとりうるように支柱（ｓｔａｎｄａｒｄ）１０に取付けられる。次に、球形の基準要素２および３の表面における多数の点の位置が前述のホルダ１１によって測定される。
【００２８】
好ましくは、各基準要素２および３の少なくとも４個の点の位置が測定され、そのため前述したコンピュータによって正確な表面および可能ならその中間点並びにこれらの基準要素２および３の間の距離およびそれぞれの直径を計算することができる。
【００２９】
測定装置によってこのように検出された基準対象物１の寸法は次にその正確な寸法に対して比較される。特に、測定装置によって測定された基準要素２および３の間の距離は、先に検出されていたそれらの間の実際の距離と比較される。
【００３０】
基準対象物１のこのような測定と実際の寸法に対する比較とは前述の測定容積９において基準対象物１の種々の方向あるいは位置に対して実行することが好ましい。このように、基準対象物１は測定装置によって使用される直交軸線に従って延在してはならず、基準対象物１は、例えば何らかの任意の方向に従って測定することができる。
【００３１】
基準対象物１の実際の寸法に対する測定結果のこのように確立された偏差に基づいて、前述の数学モデルが、例えばある特定のパラメータに対する修正係数を適用することによって最終的に多少調整され、測定装置の較正後に得られる測定精度と正しく同じくらい良好であるように測定装置の精度を改善する。例えば測定システムのカメラの一個が機械的な衝撃によって他のカメラに対してある角度移動した場合、その影響は、測定装置の新たに較正することを全く要することなく、確立された偏差に基づいて前述のモデルを修正することによって調整される。
【００３２】
上記の方法は、前記数学モデルを調整するために反復プロセスが得られるように数回繰り返すことが可能である。
【００３３】
ある場合には、必要な唯一の事項は、測定装置のあるパラメータ、例えば、光学的測定装置におけるカメラの相互角度のような位置測定の精度に対して最大の影響を有しているようなパラメータを確認することである。そのような場合、これらのパラメータのみが確認時に前記数学モデルにおいて修正される。
【００３４】
基準対象物１の基準要素２および３の寸法および相互位置を検出するために前述のホルダ１１を利用することによって、前述の測定容積９における点の位置を測定している間に前記ホルダ１１を使用したことによって発生し、そして測定装置の較正の間検討されていなかった可能性のある測定エラーも修正される。
【００３５】
前述の基準対象物は全ての種類の形状および寸法でつくることができる。図３は本発明による基準対象物１の第二の実施例を示す。この基準対象物１が前述した実施例と相違する点は、前記基準要素２および３の各々が、例えばそれぞれ円筒形の孔の形状である、くぼみ１５，１６が設けられているプレートから形成されていることである。これらのくぼみ１５および１６の寸法は、前述のホルダ１１に設けられている測定フィーラが実用的に装嵌して、これらのくぼみ１５および１６に配置しうるように選択される。
【００３６】
このように、本発明による方法によって、これら２個のくぼみ１５および１６の間の距離が、これらのくぼみの各々に測定フィーラを順次位置させ、したがってそれらの位置を検出することによって前記ホルダ１１によって測定される。
【００３７】
前記くぼみ１５および１６の間の測定された距離と、この距離の実際の値との間で見出された偏差に基づいて、前述の数学モデルが調整される。
【００３８】
図４は本発明による基準対象物１の第三の実施例を示す。この基準対象物１は図１に示す基準対象物に対応するが、前述のカメラによって観察しうる基準点１７，１８および１９が更に設けられている。これらの基準点１７，１８および１９の各々は発光ダイオード（ＬＥＤ）で形成されることが好ましい。
【００３９】
そのような基準対象物１を使用することによって、本発明による方法が適用された場合、その基準要素２および３の間の距離が測定装置によって検出されるとき測定容積９における固定位置にこの基準対象物を保持する必要がないという利点を提供する。
【００４０】
基準対象物１はこのように、例えば非固定的に前記測定容積９に装着されるか、あるいは測定装置によって基準要素２および３の位置が検出されている間、人によってこの測定容積９に保持される。このため、基準対象物１の基準点１７，１８および１９の位置は測定装置の前記カメラによっても観察され、したがってこれらの基準点１７，１８および１９の位置も測定される。このように、基準要素２または３の点の位置を各々測定するために、基準対象物１の対応する位置と方向とが検出される。
【００４１】
このことによって基準対象物１を保持している前述の人が、例えば第一の基準要素２の位置が測定された後、第二の基準要素３の位置を検出するために、基準対象物１を別の位置で保持できるようにする。
【００４２】
次いで、２個の基準要素２および３の間の距離が測定装置によって計算されることにより、基準対象物１の対応する測定ずみの相対位置と方向とが考慮される。
【００４３】
次に、前述のように、基準要素２および３の間のこのように計算された距離が実際の距離と比較され、前述した数学モデルが調整される。
【００４４】
図４に示す基準対象物の実施例は三個の基準点を有しているが、三個以上の基準点を設けることも可能である。また、測定の間、例えば、１ミリメートル程度の大きさの短い距離に亘りバー４の位置が動く場合、基準対象物１は一個のみ、あるいは二個の基準点を有するようにもしてもよい。
【００４５】
各基準点の相対位置のみが測定されるので、基準対象物における基準点１７，１８および１９の相互位置は関連していないことは明らかである。唯一必要なことは前記相互位置が基準対象物１の位置を正確に検出できるようにしうるに十分な大きさであることである。
【００４６】
本発明の方法によって測定装置により実行される測定の間、基準点１２，１３，１４，１７，１８および１９は順次測定されることが好ましい。
【００４７】
これらの測定の間、基準点は同時に測定される場合、異なる基準点は、例えば時分割多重化によって識別される。この技術は公知である。
【００４８】
前記説明は光学的測定システムに関するものであるが、前記方法および基準対象物は対象物の点の空間位置を検出するために全ての種類の測定装置において適用可能である。特に、本発明による方法と基準対象物とは光学的測定システムに適用するのに適しているのみならず、例えば、座標測定機械においても適している。
【００４９】
本発明による方法と基準対象物とは光学的測定装置に適用されることによって、例えば二個あるいは数個のフラットカメラ（ｆｌａｔ  ｃａｍｅｒａｓ）あるいは三個あるいはそれ以上のリニアカメラ（ｌｉｎｅａｒ  ｃａｍｅｒａｓ）あるいはこれら双方の組み合わせを利用できることは特に興味深い。
【００５０】
本発明は添付図面に示した本発明による基準対象物の前述の実施例および方法に限定されないことは当然である。このように、基準対象物は、単に例えば長さが既知であるバーから構成し、基準要素はこのバーの遠位端から構成してもよい。
【００５１】
前述の基準点は例えば赤外線ＬＥＤ′ｓのような発光ダイオード（ＬＥＤ′ｓ）から形成できるのみならず、反射体あるいは着色したマーキングから形成することができる。
【００５２】
更に、基準対象物は二個以上の基準要素を具備することが可能で、それらは、例えば立方体、四面体、円錐体、半球形など、全ての種類の形状としうる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第一の実施例による基準対象物の概略側面図である。
【図２】本発明による基準対象物を備えた測定装置の概略図である。
【図３】本発明の第二の実施例による基準対象物の概略側面図である。
【図４】本発明の第三の実施例による基準対象物の概略側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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