專利名稱：對象3d位置的無接觸光學確定的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對象3D位置的無接觸光學確定的方法和裝置，其中3D位置的確定包括確定對象的3D位置和3D方向，并且其中對象的幾何特征是已知的。
背景技術：
生產流程自動化在工業(yè)制造中扮演了越來越重要的角色。對于無法準確定位待加工部件的生產線而言，知道部件的完整3D位置(即空間中的3D位置和3D方向)以通過機器人夾住和加工部件是尤為重要的。
此外，3D位置的確定可被用來校準機器人。因此將幾何特征以已知方式配置到機械臂上，或將校準對象安裝到機械臂上。機械臂在固定安裝的攝像機的鏡頭范圍內移動并隨后確定機械臂的3D位置，從而檢查和/或再次校準它的位置和方向。
另一種應用場合是確定已安裝狀態(tài)下的部件的3D位置。通過確定例如基準部件的位置，可能檢查所安裝的部件的是否與基準部件的位置一致，由此確定不正確安裝的部件。
現今，用于確定3D位置的已知裝置不外乎多攝像機系統(tǒng)，由于使用兩個或多個攝像機，因而引入了可觀的成本。在使用一個攝像機的環(huán)境下，目前已知的僅有用于夾住部件的經調整的2D方法，即確定一個平面中的位置和方向(三個自由度)以及關于部件高度(一個以上自由度)的額外高度信息。然而，使用這種已知方法，最多能獲得有關部件位置的2.5D的信息，結果，當部件處于傾斜位置時，不可能正確地夾住該部件。
機器人的校準多數是根據工藝的當前狀態(tài)而手動實現的，這是由于缺少建立全部六個自由度的相應輔助裝置。校準極度耗時，并又造成很長的維護間隔。此外，手動校準方法通常相對地不準確。
現今，安裝后的部件位置的確定也可僅使用多攝像機系統(tǒng)而實現?；蛘?，對一個測量變量的感知方案是已知的，其中所述方案采用多傳感器評估來解決實際存在的全部問題。該感知多重測量也很耗時并經常對3D位置整體評估而言毫無幫助。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是設計并進一步改善一種對象3D位置的無接觸光學確定的方法和設備，它能采用簡單的手段并以高測量速度和測量精度來確定有關于待研究對象的完整3D信息。
本發(fā)明的3D位置的無接觸光學確定方法通過權利要求1的特征實現了前述目的。因此，這種方法的特征在于，藉由攝像機產生對象的圖像，并且基于和所檢測到的幾何特征有關的圖像信息，從攝影機圖像中計算出對象的3D位置。
在本發(fā)明的方法中首先實現的是用若干攝像機來確定3D位置，就成本而言這相當昂貴并涉及攝像機的安裝和調整。與已知方法不同，藉由攝像機產生對象的圖像，并且基于和幾何特征有關的圖像信息而從攝像機圖像中計算得出對象的3D位置。由于簡單性和緊湊性，本發(fā)明的方法對生產中動作順序的影響被大量地減少。當對機器人進行校準時，通過本發(fā)明的方法，可能省去通常不精確的手動設置并由此能保證較高的測量可靠性。此外，這還能更快地設置機器人并縮短維護間隔。
為了使該方法實現特別高的效率，通過使用攝像機獲取單個圖像而以特別有利的方式實現3D位置的完整確定。
作為計算3D位置的基礎，可通過數學模型對攝像機的真實成像過程進行建模。在成像過程的構架中，可在攝像機和/或計算機中獲取圖像的過程中，特別地將所研究的對象和攝像機之間的位置和方向、所使用光學儀器的特征(焦距、失真等)、透視變換以及亮度的數字化和離散化考慮在內。
基于該模型，可在幾何特征的已知3D位置和相應的二維圖像信息之間作出關聯。換句話說，可準備(一般為非線性)的方程系，其中成像過程的參數作為未知變量被輸入。
例如，可從對象的3D點與其2D圖像位置的關聯中獲得兩個方程。通過使用若干特征，可為成像過程的所有自由參數列出方程系并使用數學手段確定未知變量。在較佳方法中，使用更多的方程，這些方程作為自由參數建模于系統(tǒng)中。為了求解這種過度確定的方程系，可使用非線性優(yōu)化方法以確定最優(yōu)解。
為了保證高測量簡單性，攝像機被固定靜止。此外，攝像機的對齊也預先被固定下來。
根據特定場合，可使用點、直線、角、圓周、橢圓周和/或圓錐截面作為幾何特征，它們被提供在對象的已知位置上。這種環(huán)境中的唯一要點是這些幾何特征一般為可從數學上表述的輪廓和形狀，可從部件上獲知并能在攝像機圖像中被很好地觀察和評估。
可將幾何對象用來校準和確定位置。在校準框中，可使用例如幾何對象以確定內部攝像機參數。通過使用校準，可校正光學失真并尤其能確定攝像機坐標系和對象坐標系之間的3D位置的關聯。作為對象幾何特征的代替，即使分開校準的目標也能用于校準。
通過使用由此確定的所謂外部攝像機參數(3個位置參數、3個旋轉參數)的攝像機校準和評估，可確定對象相對于攝像機坐標系的3D位置?；蛘呖纱_定對象相對于于另一可任意確定的固定坐標系的3D位置，例如與使用額外設置步驟確定的完全坐標系相比較。在對基準主部件的動作測量或比較測量的構架中，即使關于動態(tài)坐標系，也能確定對象的3D位置。
在一具體實施例中，提供了一個或多個額外的攝像機，通過它們產生對象的圖像(較為有利地來自不同攝像機角度)。為了產生額外圖像，可使用若干固定的單個攝像機或者一個或多個移動的攝像機。通過使用額外的圖像，可在額外的質量標準的幫助下對所計算的3D位置進行評估并實現校正(如果需要的話)。所獲得的結果進一步提高了3D位置確定的精確性。
再者，可提供額外的支持傳感器，通過它們能補償和/或校正3D位置確定中的誤差。特別地，這些傳感器例如為溫度傳感器，用來補償環(huán)境溫度的波動，由此在計算3D位置時，可將待研究的對象的溫度相關膨脹考慮在內。
在一個特別有利的方式中，可基于邊緣的幾何特征對電動車輛上實現跟蹤測量和/或弧度(camber)測量。由此能在邊緣上標出自動作為幾何特征的位置。所標記的位置例如可以是閥門或輪轂罩。在較佳實施例中，所給出的標記位置可由用戶交互地接受或拒絕。由于知道邊緣上的幾何形狀，因此能在所有自由度下檢查軸距。因此首先，將圖案投影到邊緣的要求被省去，其次，能在松開懸桿的情況下確定正或負輪軸弧度(axle camber)。
就該裝置而言，上述對象是通過權利要求21的特征而實現的。因此，用于3D位置的無接觸光學確定的裝置被表征為產生對象圖像的攝像機，其中可基于和所檢測到的幾何特征有關的圖像信息從攝像機圖像中計算出對象的3D位置。根據本發(fā)明的裝置較為有利地用來實現根據權利要求1-20任一項的方法，參照說明書前面部分得出的結果旨在避免重復。
考慮到對攝像機圖像的快速評估和對3D位置的即時計算，該裝置較為有利地包括配有合適的圖像處理軟件的工業(yè)個人計算機。
較為有利地對本發(fā)明教義的設計和進一步改善存在不同的選擇，為此，首先參閱從屬于權利要求1和21的權利要求并其次在附圖
的基礎上參閱后面對較佳實施例的闡述。在附圖基礎上對本發(fā)明較佳實施例的說明中，也對根據教義的總體較佳設計形式和配置進行了解釋，其中唯一的圖是根據本發(fā)明用于物體的3D位置的無接觸光學檢測裝置的實施例的示意圖。
具體實施例方式
附圖示意地示出用于對象1的3D位置的無接觸光學確定的裝置，其中關于使用軸x、y和z的空間固定坐標系確定對象1的3D位置。為此，對象1的圖像由位于對象1上方的攝像機2產生。攝像機2的位置和對齊必須相對于于空間固定的坐標系xyz被固定地預設。在圖像獲取期間，設置在攝像機2周圍的光源3為對象1提供充分的照明。
攝像機數據被傳送到包含監(jiān)視器5的工業(yè)個人計算機4。在那里2D圖像信息和對象1上存在的幾何特征(未圖示)的已知3D位置相關聯。對于成像過程的所有自由參數，對使用非線性優(yōu)化過程的解給出過度確定的方程系。在等式系被求解后，可確定對象1的準確3D位置并將坐標傳送給機器人6。通過了解對象1的位置和方向，機器人6可夾住和/或加工對象1(在相應的校準后)。
最后，要特別指出上述實施例僅用來說明所要求的教義，并不對所述實施例的教義構成限制。
權利要求
1.用于對象3D位置的無接觸光學確定的方法，其中，所述3D位置的確定包括確定對象的3D位置和3D方向，并且所述對象的幾何特征是已知的，其特征在于，所述對象的圖像是藉由攝像機產生的，而所述對象的3D位置是基于與檢測到的幾何特征有關的圖像信息而從攝像圖像中計算得到的。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，3D位置的完整確定是藉由使用攝像機獲取的一個圖像而實現的。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，幾何特征的已知3D位置在各種情況下被賦予相應的二維圖像信息。
4.如權利要求1-3任何一項所述的方法，其特征在于，為成像過程的所有自由參數給出一個方程系。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，使用非線性優(yōu)化方法對過度確定的方程系求解。
6.如權利要求1-5任何一項所述的方法，其特征在于，所述攝像機被固定地保持。
7.如權利要求1-6任何一項所述的方法，其特征在于，攝像機的對齊是預設的。
8.如權利要求1-7任何一項所述的方法，其特征在于，使用通?？蓮臄祵W上表述的輪廓和形狀作為幾何特征。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，點、直線、角、圓周、橢圓周和/或圓錐截面被用作幾何特征。
10.如權利要求1-9任何一項所述的方法，其特征在于，在幾何特征的幫助下，對攝像機進行校準。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，內部攝像參數在校準構架中被確定。
12.如權利要求1-11任何一項所述的方法，其特征在于，相對于固定坐標系而確定對象的3D位置。
13.如權利要求1-11任何一項所述的方法，其特征在于，相對于攝像機坐標系、對象坐標系或完全坐標系而確定對象的3D位置。
14.如權利要求1-11任何一項所述的方法，其特征在于，相對于動態(tài)坐標系而確定對象的3D位置。
15.如權利要求1-14任何一項所述的方法，其特征在于，使用一個或多個額外攝像機較佳地從不同攝像角度產生對象的圖像。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，藉由額外圖像確定所計算的對象3D位置的質量并在需要時作出校正。
17.如權利要求1-16任何一項所述的方法，其特征在于，通過傳感器補償和/或校正確定3D位置中的誤差。
18.如權利要求1-17任何一項所述的方法，其特征在于，基于邊緣的幾何特征而對電動車輛上實現跟蹤測量和/或弧度測量。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，自動標記于邊緣上的位置被用作幾何特征。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所提供的標記位置可由用戶交互地接受或拒絕。
21.用于對象3D位置的無接觸光學確定的裝置，其中3D位置的確定包括確定對象的3D位置和3D方向，并且對象的幾何特征是已知的，較為有利地用于實現根據權利要求1-20任何一項所述的方法，其特征在于，在產生對象圖像的攝像機中，其中可基于與所檢測的幾何特征有關的圖像信息而從攝像機圖像中計算出對象的3D位置。
22.如權利要求21所述的裝置，其特征在于，攝像機是固定的。
23.如權利要求21或22所述的裝置，其特征在于，至少一個工業(yè)個人計算機用來評估攝像機圖像和計算3D位置。
24.如權利要求23所述的裝置，其特征在于，工業(yè)計算機具有圖像處理軟件。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于對象3D位置的無接觸光學確定的方法和裝置，所述3D位置即對象的3D位置和3D方向，所述對象的幾何特征是已知的。本發(fā)明的目的是用簡單的手段并以高速和精確測量來調查關于所研究對象的完整3D信息。為此，對象圖像是藉由攝像機產生的，而其基于所產生圖像的3D位置是通過和所檢測到的幾何特征有關的圖像信息來計算得到的。
文檔編號G01B11/03GK1856804SQ200480027782
公開日2006年11月1日 申請日期2004年9月23日 優(yōu)先權日2003年9月26日
發(fā)明者R·瓦格納, R·賀斯 申請人:微一埃普西龍測量技術有限兩合公司