用于测量系统的校准方法

专利名称：用于测量系统的校准方法
用于测量系统的校准方法本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于测量系统的校准方法、根据权利要求13的用于执行校准的计算机程序产品和根据权利要求14的测量系统，所述测量系统用于确定在工业作业范围内要按规定定位的物体的定位。借助工业机器人和测量系统高精度定位至少一个物体到规定的空间最终位置的方法和系统尤其用在自动化加工机列中的安装和加工作业中，例如在汽车业中。此时，一个物体如金属板件或其它车身部件应借助工业机器人被高精度置入某个空间位置和取向中， 以便执行加工作业。从现有技术中知道了这样的搬运输送系统，尤其是工业机器人如活节臂机器人， 其用于按规定定位借助抓取装置被抓住的物体到规定的空间位置和取向中。此时该工业机器人可以具有内部测量系统，该内部测量系统能够测量搬运输送系统的执行机构的位置， 因此打探到抓取装置的空间位置和取向。因此，包括被抓物体在内的抓取装置可通过给机器人控制装置输入相应信息被调整移动到某个预定位置。就是说，被抓物体通过抓取装置的位置设定被定位在空间内。但在此情况下，尤其出现以下两个问题。其一，设计用于保持笨重物体的常见工业机器人的内部测量系统没有精确到使抓取装置能像在许多加工方法中所需要的那样，占据空间内的精确方位。尽管工业机器人的驱动足够精确，但其测量系统则不然。运动链使这些单独的测量机构的测量误差倍增。这不仅由各个测量机构尤其是活节臂机器人的角度传感器的测量精度产生，而且由机器人执行操作机构的不可避免的弹性产生。其二，从抓取装置的位置和进而其空间方位还无法必然得到物体的空间方位，这是因为该物体大多只能在抓取误差内被抓住。抓取误差通常高于所要求的定位精度。因此， 抓取误差即物体相对于抓取装置的相对位置同样要加以考虑。对此采用了单独的、不再属于机器人的测量系统，尤其是非接触式光学测量系统。只有它才实现了以期望的精度按照预定位置在空间内定位物体。这种非接触式测量系统能将工业作业范围内的物体按规定非常精确地定位到空间最终位置中，这种非接触式测量系统例如在两份欧洲专利申请公开07124101. 2和 09161295. 2中被描述，具体内容如下。欧洲专利申请公开07124101. 2所述的方法借助工业机器人、第一光学拍摄装置和至少一个第二光学拍摄装置来执行。第一工业机器人可被调整到预定位置。它被内校准以及在三维空间坐标系内被校准并且与该三维空间坐标系关联起来。在三维空间坐标系内被校准且按照已知取向被定位在已知的第一位置上的第一光学拍摄装置包括光学校准的且用于拍摄在规定的第一视界内的图像的第一摄像机、用于通过调整第一摄像机取向来调整第一视界的第一驱动装置和在空间坐标系内被校准且用于高精度测定第一摄像机角度取向的第一角度测量装置，从而第一视界可以在空间坐标系内被确定。三维空间坐标系内被校准且按照已知取向被定位在已知的第二位置上的至少一个第二光学拍摄装置包括光学校准的且用于拍摄在规定的第二视界内的图像的第二摄像机、用于通过调整第二摄像机取向来调整第二视界的第二驱动装置和在空间坐标系内被校准的且用于高精度测定第二摄像机角度取向的第二角度测量装置，从而可以在该空间坐标系内确定第二视界。所述至少两个位置，就是说第一和第二拍摄装置，如此间隔，即可以利用至少两个拍摄装置通过至少部分交叉的视界进行至少一个物体的三维图像拍摄。该方法包括以下步骤具有已知的可光学测量的第一特征的第一物体被第一工业机器人在抓取误差内抓取和保持。对于第一工业机器人确定用于修正抓取误差这样的第一补偿参数，从而第一物体可以在该空间坐标系内通过规定第一工业机器人的位置来补偿调整。第一补偿参数的确定通过以下步骤进行分别利用驱动装置使至少两台摄像机以摄像机视界至少部分交叉的方式瞄准保持在第一工业机器人的第一补偿位置上的第一物体的第一特征的至少一部分。借助这两台摄像机拍摄第一拍摄图像。根据拍摄装置的位置、根据由角度测量装置所获得的摄像机角度取向、根据第一拍摄图像和第一物体上的第一特征的已知情况，确定在第一工业机器人的第一补偿位置上的第一物体在该空间坐标系内的位置。通过考虑第一工业机器人的第一补偿位置和至少在第一工业机器人的第一补偿位置上的第一物体的规定位置来确定第一补偿参数。第一物体通过以下重复进行的步骤被高精度调整到第一最终位置，直到在规定误差内到达第一最终位置记录下利用摄像机的其它第一拍摄图像。根据拍摄装置位置、角度测量装置所获得的摄像机角度取向、其它的第一拍摄图像和在第一物体上的第一特征的已知情况，确定第一物体在空间坐标系内的实际位置。计算在第一物体实际位置和第一最终位置之间的位置差。在考虑第一补偿参数的情况下，根据第一工业机器人的实际位置和与该位置差关联的参数中计算出第一工业机器人的新的理论位置，并且将第一工业机器人调整到该新的理论位置。此外，在欧洲专利申请公开07124101. 2中描述了用于高精度定位至少一个物体到空间最终位置的系统，其由工业机器人、第一光学拍摄装置、第二光学拍摄装置和控制装置组成。此时依据控制装置，如此控制拍摄装置和工业机器人，即借此相应执行上述的方法。所述的方法和相应系统的特点尤其在于灵活性、精确和高处理速度。在欧洲专利申请公开09161295. 2中，与由欧洲专利申请公开071M101. 2所述的方法和系统同样，也描述了这样的用于高精度定位至少一个物体到空间最终位置的方法和系统，但在这里，采用了三维图像拍摄装置作为拍摄装置。从现有技术中知道了不同的三维图像拍摄装置。例如有3D图像拍摄装置，其基本上由两台或三台摄像机组成，其中，这些摄像机相互间隔，就是说具有立体支座且相互固定连接地安装在一个共同壳体中，以便从各自不同但固定的相对视角拍摄场景。因为被拍的表面部分不一定非要具有允许图像电子处理的表征性图像特征，所以可以在该表面部分上设置多个标记。这些标记可利用由三维图像拍摄装置投射到该表面部分上的结构光线尤其是例如投射出条纹或光学交叉标记的激光来产生。通常，这种三维图像拍摄装置也包括图像处理器，其由多个基本上同时拍摄的不同视角的图像推导出三维图像。
这种三维图像拍摄装置例如是CogniTens公司的以商标名“Optigo”和 "OptiCell"已知的图像拍摄系统，其包括按照等边三角形布置的三台摄像机，以及例如是 ActiCM公司的“Advent”系统，其具有两台并列的高分辨率CXD摄像机和一台用于投射结构光线到待拍摄部分的投影机。待测被拍图像元素的坐标确定一般借助在图像内的参照标记实现，从该参照标记开始发生真正的3D坐标测量。在此情况下，涉及被拍三维图像和进而三维图像拍摄装置的图像坐标系被转换到物体要在其中被测量且例如构成物体CAD模型的基础的物体坐标系。 该转换是基于被拍的参照标记而发生的，该参照标记在物体坐标系内的位置是已知的。利用从现有技术中知道的三维图像拍摄装置，此时获得小于0. 5毫米的精度。此外，公开了尤其呈具有光电测距仪的3D扫描仪形式的3D扫描系统，其在表面区域内执行深度扫描并产生点云(Punktwolke)。在此情况下，分为顺次系统、并行系统和全并行系统，在顺次系统中，点状测量光逐点扫描表面，在并行系统中，线状测量光以线条方式扫描表面，在全并行系统中，一个表面区内的许多点被同时扫描，因此执行该表面区的深度记录。通常，所有这些系统的共同点是，深度扫描利用至少一个对准表面和/或移动经过表面的测距光进行。此外存在RIM摄像机，也称为RIM或者范围成像系统，借此可以拍摄物体图像，同时能测量每个像点的或一组像点的深度信息。因此，可以借助唯一的装置来拍摄三维图像， 在此三维图像中，每个像点或者多组像点对应一个深度信息即距摄像机的距离信息。WO 2007/004983A1 (Pettersson)公开一种用于工件尤其是压制板件或复合板的对接焊接方法。要对接的工件被工业机器人保持并被其相对定位以便相互焊接在一起。在产生焊接联接的过程中，工件被工业机器人保持在各自位置上，从而工件的相对位置保持不变。焊接例如借助焊接机器人来进行。测量系统测量工件位置，以允许在焊接作业前定位工件。测量尤其在焊接作业中连续进行。所述方法允许放弃在其它情况下常见的针对特定工件且制造起来复杂的模具和工件在焊接前必须被固定在其中的工件支座。工业机器人可被通用于具有不同造型和结构的工件，这是因为可以通过用测量系统测量工件位置来识别和监控工件以及精确地相互相对定位部件。因此，唯一的系统可被用于不同的工件。工件支座的更换因此是多余的。根据公开内容，所述方法适用于板件焊接，主要用在汽车业中。 作为可行的测量系统，总体提出激光三角定位法，按照该方法，在工件上事先确定下的点被测量。对此，例如将反射器设置在工件上。根据说明书，每个反射器的位置可以借助光源和两维检测器来获得，从而工件的位置和取向可借助三个这样的点来测定。这些系统和方法的共同点是，在物体上的多个特征点的位置借助非接触式摄影测量坐标测定并在图像处理系统帮助下来获得。为了校准这样的测量系统(可借以高精度定位在工业作业范围内的物体到理论位置)而公开了，事先执行对规定的按标准运行的校准测量循环的大量校准测量。该校准测量循环此时如此设计，即，其至少具有一定数量和类型的校准测量。根据在执行校准测量时所获得的校准测量数据，现在可以确定校准参数，该校准参数至少涉及测量系统的拍摄装置在规定的坐标系内的位置和方位以及尤其还涉及测量系统的若干组成部分的内部校准参数如摄像机常数、基点、摄像机失真、角度测量装置的校准参数，等等。尤其是该校准测量循环可以具有如此数量和类型的校准测量，即校准参数是通过此时获得的校准测量数据被超定的。于是，校准参数的求出例如可以通过拟合计算来进行， 尤其是按照最小二乘法。作为校准测量，此时例如可以分别在不同取向上测定根据第一摄像机的图像和根据角度测量装置的各角度取向。此外，在拍摄图像中的一个或多个规定的瞄准标记的图像坐标可以根据电子图像处理来确定，尤其在这里，非常准确地知道在空间中按规定设置的瞄准标记的位置和/或在空间坐标系内的瞄准标记之间的距离。就是说，一个校准测量循环的校准测量例如分别在一个或多个摄像机的角度取向的尤其是预定的变化下和/或在空间坐标系内的瞄准标记位置的变化下完成，在空间坐标系中，瞄准标记的位置和/或瞄准标记在校准测量之间的位移分别是已知的，或是联合确定的。通过组合在执行校准测量循环的这种预定过程中利用许多不同校准测量所获得的校准测量数据，随后可以求出该测量系统的实际的内、外校准参数。不稳定的环境对测量系统造成了与时间相关的外界影响(例如由温度变化、振动和/或变形引起的漂移)。这可能要求重复校准，尤其是重复校准测量系统的所有拍摄装置的外部方位参数。为了获得在实际环境和外界影响方面均充分匹配的校准参数，在正常条件下测量系统彻底再校准应该每天例如大概进行两次。因为对于现有技术所公开的校准测量循环的执行来说，每次这样的再校准例如大致需要30分钟甚至更多时间，所以这可能导致数倍于生产节拍时间的生产中断。在常见的工业/生产过程(例如在汽车业)中，常见的生产节拍时间大约为30至120秒，视生产步骤/加工步骤(焊接、粘结、弯折、输送、检查等)或者待加工部件(门、车身、车顶、引擎盖等)的复杂性而定。由此出现目标冲突，一方面，要提供一种尽量总是实际校准的且因此允许高精度的测量系统，另一方面，校准过程尽量少地或最好根本没有干扰/延迟用到测量系统的工业作业/生产过程的生产进展。这种目标冲突在现有技术中迄今还不能彻底解决。此外，一天大致两次这样的再校准的“时间抽样检查”本身也不能够直接对为了高精度定位工业作业范围内的物体而进行的定位测量进行马上干预(修正)。因此，本发明的任务是提供改进的用于测量系统的校准方法，该测量系统被构造用于确定在工业作范围内要按规定定位的物体的定位。此时尤其要改善地解决上述的目标冲突，从而测量系统的校准参数总是实际上充分匹配于外界条件，因而工业作业/生产作业没有受到为此所需的校准测量的太多干扰和/或延迟(尤其甚至完全没有干扰和/或延迟)。该任务将通过独立权利要求的特征部分特征的实现来完成。从属权利要求的特征以替代方式或有利方式进一步改进本发明。本发明涉及用于测量系统的校准方法，该测量系统被设计用于确定在工业作业范围内按规定将待定位的物体定位到规定的空间最终位置的定位，所述物体例如是一个或多个在作业范围内要加工的部件或者是在作业范围内要使用的工具。该测量系统此时尤其设计用于借助非接触式摄影坐标测量借助图像处理系统确定出在物体上的多个表征/标记点的位置。如本领域技术人员所知道地，测量系统为此可以具有至少一个第一拍摄装置，其具有用于拍摄在第一视界内的第一图像的第一摄像机和用于高精度确定第一摄像机的第一角度取向的第一角度测量装置。尤其也可以设有至少两个这样的拍摄装置作为该测量系统的一部分。在采用了用于实现物体在空间内按规定高精度定位的测量系统的工业作业范围内(例如在汽车部件生产作业中)，此时按照已知的节拍重复-在定位阶段中按规定定位该物体，因此通过测量系统与物体定位有关地执行位置测量，和-在定位间歇期里执行其它作业步骤，尤其是加工步骤、处理步骤、检验步骤和/ 或输送步骤(例如焊接、粘结、弯折、输送、检查等)。该节拍此时限定并控制工业作业的进展。在校准方法范围内，现在进行本领域技术人员已知的以下步骤-执行一个校准测量循环的多个校准测量，包括获得校准测量数据，其中该校准测量循环至少具有如此数量和类型的校准测量，即，根据所获得的校准测量数据可以确定校准参数，该校准参数至少涉及第一拍摄装置在一个规定的坐标系内的位置和方位，以及-根据校准测量数据求出校准参数。但根据本发明，校准测量循环的校准测量的执行不是像现有技术常见的那样在一个互相关联的单元内例如在工业作业范围内的测量系统测量功能开始之前进行。而是根据本发明，与现有技术所述的统一执行(En-Bloc-DurchfUhrimg)不同，该校准测量循环被分为几个尤其许多个子循环，给每个子循环分别分配一个或多个校准测量。在此，在遵守工业作业节拍的情况下，每个子循环在其中一个定位间歇期内执行， 在该定位间歇期内在工业作业范围内由于例如加工步骤或输送步骤(焊接、钎焊、进一步输送、冷却时间等)的原因而不需要对待加工部件或者抓取工具/加工工具(例如工业机器人)进行位置确定，从而校准测量循环被分散到几个尤其许多个定位间歇期中。就是说，根据本发明，一个校准测量循环被分为许多个子循环，每个子循环分别需要比较短的时间窗。这些子循环在时间上分散到多个定位间歇期，在该定位间歇期内不采取利用测量系统的关于物体定位的测量。因此，总是将定位间歇期用作为校准子阶段。这样一来，在本发明的测量系统校准方法范围内，既不需要由校准决定的中断，也不需要由校准决定的专门适应于当前的工业作业/生产作业的节拍的延迟。就是说，在时间上被分为多个短的子循环的校准测量循环被加入到工业作业中，而且没有对工业作业进展产生不利影响的节拍延迟。校准据此可以在没有中断/干扰节拍时间的情况下，通过利用待加工部件的定位测量之间的时间窗来进行。此时，各种校准测量被分散到多个时间窗，从而在一定时间段后达到一个完整的校准周期。据此，可以尤其连续重复该校准测量。通过在时间上将校准测量分散到各定位间歇期或者说定位测量无效时间，从而允许如此组合总校准所需要的多个独立的校准测量，即，这些校准测量也能够在遵守节拍的情况下重复进行或者说近似连续进行。因此，例如根据在一个滑动时间窗内分别在定位间歇期内进行的校准测量获得的校准测量数据可以被考虑用于参数的连续估算。尤其是，在每次执行子循环后出现了随校准测量更新的测量数据，用于旨在更新地确定校准参数。因此根据本发明实现了连续地至少部分地不断更新的测量系统校准。综上所述，根据本发明，测量系统的校准被加入到运行的生产作业中并且充分利用了测量系统的无用时间，即这样的时间，在此期间出于例如加工步骤或输送步骤(焊接、钎焊、进一步输送、冷却时间等)的原因，无需对待加工部件或抓取工具/加工工具(例如工业机器人)进行位置确定。因此，可以减轻并且甚至完全避免对工业作业/生产作业的不利影响。此外，根据本发明，尤其在工业作业的整个工作时间内，还是求出比较实时且一般适应于当时实际环境条件的校准参数，以便在实时检测在测量环境和因而生产环境中可能有的变化或者说使该测量控制系统适应该变化。因此根据本发明的校准方法可以更好地解决目标冲突即一方面提供尽可能根据当前实际被校准和因此允许高精度的测量系统，另一方面校准过程尽量少或最好甚至没有干扰/延迟采用了该测量系统的工业作业/生产作业的生产进展。本发明还涉及一种计算机程序产品，它存储在机读载体上或者是通过电磁波来体现的计算机数据信号，其具有程序代码，尤其当该程序在电子数据处理装置上执行时，所述程序代码用于执行上述的校准方法。此外，本发明涉及一种测量系统，其用于确定在工业作业范围内要按规定定位的物体的定位。该测量测量系统在此具有至少一个第一拍摄装置，尤其至少两个拍摄装置，其具有用于拍摄在视界内的图像的摄像机和用于高精度确定该摄像机的角度取向的角度测量装置。此外，设有用于控制上述校准方法的至少以下步骤的装置执行校准测量循环的多个校准测量，包括获得校准测量数据，其中该校准测量循环至少具有如此数量和类型的校准测量，即可以根据所获得的校准测量数据确定校准参数，该校准参数至少涉及到第一拍摄装置在规定坐标系内的位置和方位。根据校准测量数据确定出校准参数。根据本发明，此时如此构成或者说编程该控制装置，S卩，该校准测量循环被分为几个、尤其许多个子循环，给每个子循环分别分配一个或多个校准测量，并且在遵守工业作业节拍情况下，这些子循环分别在其中一个定位间歇期内进行，从而该校准测量循环被分散到几个、尤其许多个定位间歇期中，并且被加入工业作业的原始流程之中。以下将结合附图示意所示的具体实施例来单纯举例详细说明本发明的方法和本发明的测量系统，在此也介绍了本发明的其它优点，其中

图1示出利用本发明测量系统的第一实施方式的工业作业的举例情况；图2示出利用本发明测量系统的第二实施方式的工业作业的举例情况；图3是示意图，其说明本发明校准方法的第一实施例被加入到工业作业当中；图4是示意图，其说明本发明校准方法的第二实施例被加入到工业作业当中；图5是示意图，其说明本发明校准方法的第三实施例被加入到工业作业当中；图6是示意图，其说明本发明校准方法的第四实施例被加入到工业作业当中。图1示出测量系统M的第一实施方式，借此可以将工业作业范围内的待加工物体 12、22高精度定位到规定的最终位置。测量系统M此时如此构成，S卩，在物体12、22上的多个被标明的点13、14的位置借助非接触式坐标测量并利用图像处理系统来确定。由此可以高精度确定物体12、22的位置和方位，并将其用于控制或调整工业作业所需要的定位过程 (例如用来控制抓取待定位物体的工业机器人11、21)。纯粹举例性地，测量系统M为此具有第一和第二拍摄装置la、lb。这两个光学拍摄装置la、Ib各自具有一个摄像机h、2b，即第一摄像机加和第二摄像机2b，用于拍摄各自在某个视界8a、8b内的图像，从而在各自视界8a、8b中能进行拍摄图像中的测量和分析。摄像机一般是指用于拍摄光学测量点的电子装置，其中摄像机加和2b分别具有为此所需的配备，尤其是物镜和相应的图像拍摄元件，尤其是CCD或CMOS图像传感器和相应电子装置。此外，物镜如本领域技术人员所知的那样，可以可选地配设有变焦和/或(自动)聚焦功能。因此，该摄像机加、213适用于摄影测量。此外，光学拍摄装置la、Ib例如分别具有至少一个驱动装置3a或北，用于调整各摄像机加和2b的取向，以便调整摄像机加和2b的相应视界8a、Sb。例如，各驱动装置3a、北是转动装置，用于使摄像机加或2b围绕两个轴线Ha、Hb、Va、Vb转动。此外，光学拍摄装置Ia和Ib分别具有角度测量装置如或4b，用于高精度测定各摄像机h、2b的角度取向aa、ab、βει、β b，从而各视界8a或8b可以在空间坐标系内被确定下来。根据各光学拍摄装置Ia或Ib在空间坐标系内的外界参照，给每个像点高精度限定了在空间坐标系内的一条直线，其首先由图像传感器即拍摄图像的像点的位置，其次由利用相应的角度测量装置如或4b获得的各摄像机加或2b的取向，第三由各光学拍摄装置Ia或Ib的已知位置Palb以及第四由相应的校准参数得到。在这里，术语“像点”不是非要理解为摄像机传感器的像素。为了控制定位过程，例如可以设置控制装置9，它具有设计用来图像处理的图像处理装置。控制装置9尤其与执行定位的装置(例如与带有抓取装置的工业机器人11、21)以及与至少两个光学拍摄装置Ia和Ib处于数据连接中。向控制装置9提供由摄像机加和 2b所拍摄的拍摄图像，以执行图像处理并获得深度信息。此外，控制装置9获得由角度测量装置如和4b获得的摄像机加和2b的角度取向，作为输入信号。驱动装置3a和北是借助控制装置9来控制的，以调整摄像机加和2b的取向。第一工业机器人11可以被调整到由控制装置9规定的位置中。为此所需要的数据连接可以借助电压信号、无线电信号、光学信号或其它通讯方式实现。基准参数和校准参数，尤其是参与其中的组成部分的各个位置、 取向和尺寸，只要是执行该方法需要，就被存储在控制装置9里。控制装置9可以是这样的装置，例如是具有合适接口的个人电脑，以及许多相互通讯或联网的设立地点分开的单独部件，它们例如是一些独立装置的组成部分。尤其可能的是，抽象理解的控制装置9是光学拍摄装置Ia和Ib和/或第一工业机器人11的组成部分。要被定位在空间最终位置上的第一物体12可以例如具有已知的可光学测量的特征13。该第一特征13可以是能借助拍摄装置Ia和Ib的摄像机加和2b测得的任何特征。 就是说，术语“可光学测量”是指可利用摄像机加和2b来测得，不一定是指人眼可见性。特征13、23是这样的，其位置确定能尽量明确无疑地限定物体的空间姿态，就是说位置和取向。单纯举例而言，拍摄装置la、lb还可以具有发射器6a、6b，其设计用于在摄像机的各自视界8a、8b中发射结构光7a、7b。第一反射器6a例如与第一摄像机加一起可借助第一驱动装置3a来调整取向。为了确定物体12、22的姿态，或者说为了其高精度定位，现在可以如此将结构光7a、7b投射到物体12、22上，即结构光7a、7b位于两个摄像机h、2b的视界内。在空间坐标系内的物体12位置的确定，除了摄像机h、2b的给结构光7a、7b成像的拍摄图像外，还借助三角测量法来进行。由此，可以提高位置确定精度和定位时的准确性。还可能的是，在不具有可光学测量的标记的物体局部上进行测量。物体12、22是要在空间中高精度定位的任何物体，例如其可以被工业机器人11、 21抓住和保持，尤其是板件。不过，要定位的物体例如也可以是工具32 (单纯举例而言是弯折工具、焊接工具或钻孔工具)，或是作业机器人31 (单纯举例而言是自动焊接装置)，其在工业作业范围内应借助测量系统M按规定被高精度定位。为此，工具32又可以具有已知的可光学测定的特征33。为了校准这样的测量系统M以及测量系统M的组成部分(借助于其，可在工业作业范围内将物体12、22、32高精度定位到理论位置上)，执行一个预定的按标准运行的校准测量循环的多次校准测量。校准测量循环此时如此设计，即，它至少具有如此数量和类型的校准测量，即，根据在执行校准测量时所获得的校准测量数据，可以至少确定涉及到测量系统M的拍摄装置在规定的坐标系内的位置和方位的校准参数。但是，尤其该校准测量循环是如此设计和构成的，即，也确定出其它的校准参数，例如涉及到测量系统M的若干独立组成部分的内校准参数，如摄像机常数、基点、摄像机失真、角度测量装置的内校准参数，等寸。具体说，校准测量循环也可以具有如此数量和类型的校准测量，S卩，校准参数是通过此时获得的校准测量数据被超定的。校准参数的确定于是可以例如通过拟合计算来进行，尤其按照最小二乘法。为了确定出校准参数，知道了各种可行方式。例如位置1 和1 可以作为拍摄装置Ia和Ib的校准参数以及其它的外界校准参数，通过被参照的外界测量系统例如光学测量系统如激光跟踪器来确定，所述外界测量系统确定拍摄装置Ia和Ib在空间中的相应位置。这可以通过安置在拍摄装置Ia和Ib上的瞄准标记进行。取向的外界校准也可以通过外测量系统来进行。还可能的是，拍摄装置Ia和Ib尤其借助强制对中机构被定位到其位置在空间坐标系内被精确知晓的参考点上。或者有以下可能性，拍摄装置Ia和Ib借助自己的测量系统在空间内参照和校准。为此，拍摄装置Ia和Ib可以例如分别具有激光测距仪fe和5b，它们与各自的摄像机加或2b —起借助各自的驱动装置3a或北可被调整取向，其角度取向可借助分别在空间坐标系内校准的角度测量装置4a或4b被高精度测定。当然，可以采用其它合适的转动测量装置来确定摄像机方位和准确测定取向。各拍摄装置Ia或Ib在坐标系内的位置1 和Pb例如可以通过利用各自的激光测距仪fe或恥瞄准位置固定的瞄准标记T来确定。但作为替代或补充，最好通过三角测量法通过位置固定的专门为校准而设立的瞄准标记T的图像拍摄和图像处理来进行自参照和校准。作为校准测量，此时例如可以在不同取向上借助摄像机拍摄图像，并且利用角度测量装置检测相应的角度取向，从而在被拍图像中的规定的瞄准标记T的图像坐标可根据电子图像处理来确定。尤其，此时按规定设立于空间内的瞄准标记T的位置和/或在空间坐标系内的瞄准标记T之间距离是精确已知的。例如这些瞄准标记T也可以固定不动(不动)地大致设立在生产间内，或者安置在活动部件例如机械手臂上。具体而言，此时可以采用所谓的标杆(Scalebar)，其由两个瞄准标记T构成且在两者间存在固定关联(例如两个球作为瞄准标记，它们通过坚固的杆连接并且此时两个球心之间的距离是精确确定的)。—个校准测量循环的校准测量(尤其是针对一个或多个用于校准的预设的瞄准标记T的许多拍摄图像)，例如分别在一个或多个摄像机的角度取向的预定变化下和/或在瞄准标记的在空间坐标系内的位置变化下执行，其中瞄准标记T的在坐标系内的位置和/ 或在空间坐标系内的、瞄准标记T在校准测量之间的位移分别是已知的，或是共同确定的。 如果测量系统M具有两台摄像机，在校准测量范围内，第一摄像机加的视界8a和第二摄像机2b的视界8b可以如此交叉，即，至少一个瞄准标记T、尤其是多个相同的瞄准标记T既在第一图像中、又在第二图像中被测定。通过组合在执行这样的校准测量循环时获得的校准测量数据，随后可以求出测量系统M的当前外校准参数、或许还有内校准参数。因此根据这样的方法，光学拍摄装置la、lb可以在三维空间坐标系内被校准。这样一来，位置I^lb和角度取向都总是直接或间接在物体12、22、32也将定位于其中的那个坐标系中是已知的。尤其该摄像机可以根据所获得的校准测量数据也还被内部校准，从而尤其在光学元件、图像传感器或者电子装置中可能有的缺陷例如失真等可被考虑和补偿。用于高精度测定各摄像机加和2b的角度取向的角度测量装置如和4b能够相应地根据合适的所获得的校准测量数据被内校准，以及作为所用坐标系内的外校准被参照(例如关于其零位置)。一个校准测量循环的校准测量此时可以通过呈校准方法控制单元形式的控制装置9尤其预编程地进行。为此，例如可以在控制装置9上存储校准程序，其设计用来执行测量系统校准。因此，例如可以启动校准方法的上述步骤，该校准方法相应控制测量系统的相应组成部分以执行校准测量，并且利用控制装置9从此时获得的校准测量数据中推导和求出校准参数。根据本发明，现在如此构成测量系统M的控制装置9，即，该校准测量循环与从现有技术中知道的总校准(En-bloc-Kalibrierung)不同，被分为几个、尤其许多个子循环， 给每个子循环分别分配总循环的一个或多个校准测量。另外，控制装置9如此控制子循环的执行，S卩，它们在遵守采用测量系统的工业作业的节拍的情况下，分别在一个定位间歇期内进行，在该定位间歇期中，在工业作业范围内例如出于加工步骤或输送步骤(焊接、钎焊、进一步输送、冷却时间等)的原因，不需要对待加工部件或抓取工具/加工工具(例如工业机器人)进行位置确定。校准测量循环由此分散到几个、尤其许多个定位间歇期，并被加入到工业作业/生产作业中，而没有对节拍和由此决定的工业作业进展产生不利影响。作为工业作业，此时考虑所有生产工艺和加工工艺(单纯举例而言是用于零部件的制造、进一步加工、精整、维护等的生产机列)，其中按照某个工作节拍重复并且尤其是总是交替地，在定位阶段中，借助如上所述的测量系统将一个物体高精度定位到规定位置中， 而在进行工业作业的其它作业步骤(如加工步骤、处理步骤、检验步骤和/或输送步骤)的定位间歇期中，不进行关于定位过程的借助测量系统的测量。该节拍此时控制工业作业过程的进展。一般，生产节拍可以例如在焊接两个板件时为30至120秒。在生产节拍范围内，此时单纯举例而言，可以进行板件抓取、板件高精度定位到规定位置(此时执行借助测量系统的定位测量)、板件焊接以及组装起来的板件的搁放或继续运送。在此例子中，定位间歇期现在是这样的阶段，在此阶段中，不需要利用测量系统的关于板件定位的测量。恰好在表现为测量系统的无用时间(Todzeit)的这些定位间歇期里，根据本发明，现在执行用于校准测量系统的一次测量或者对应于比较短暂的子校准循环的几次测量。该节拍此时在工业作业过程中也是变化的，从而节拍时间视规定的作业生产步骤而定可以长短不同。图2示出利用本发明测量系统M的第二实施方式的工业作业的举例情况。此时， 测量系统M现在具有呈3D图像拍摄装置形式的拍摄装置1，用于拍摄在第一拍摄区8内的三维图像。三维图像由第一图像的许多像点组成，每个像点被分别指定了一个深度信息。适用于这种测量系统的三维图像拍摄装置是本领域技术人员已知的并且一开始在现有技术说明范围内已描述了。根据对测量系统的特定要求的不同，技术人员可以相应选择和组织当前对此适用的测量部件。本发明的校准方法可以类似地用于所有这些测量系统。图3以简图示出示意所示的工业作业IP和限定的节拍Ta，该节拍控制工业作业 IP的进展。在该工业作业IP范围内，此时按照预定的节拍Ta重复，尤其是交替地-在定位阶段Wi中，按规定定位一个物体，其中通过该测量系统进行关于物体定位的测量PM，-在定位间歇期1 中，执行其它的作业步骤，尤其是加工步骤、处理步骤、检验步骤和/或输送步骤，为此不需要借助测量系统在工业作业范围内关于物体定位进行测量 PM0根据本发明，用于执行测量系统的校准KV的校准测量循环MZ被分为几个、尤其是许多个子循环TZ1、TZ2、TZ3、TZ4、TZ5、TZ6，给每个子循环分别分配一个或多个校准测量 KM。在遵守工业作业IP的节拍Ta的情况下，多个子循环TZl、TZ2、TZ3、TZ4、TZ5、TZ6 均在其中一个定位间歇期1 里执行，从而该校准测量循环MZ被分散到几个、尤其是许多个定位间歇期1 中，所述校准测量循环MZ总体上至少具有如此数量和类型的校准测量KM， 艮口，根据此时获得的校准测量数据KD可以确定关于测量系统的期望的校准参数KP。在通过执行分别在定位间歇期1 中的多个独立子循环TZl、TZ2、TZ3、TZ4、TZ5、 TZ6使得校准测量KM被嵌入到工业作业IP中且不影响其进展之后，可以通过结合所获得的校准测量数据KD推导出或估算出所寻求的校准参数KP。具体说，校准测量循环MZ可以具有如此数量和类型的校准测量KM，即校准参数KP 通过此时获得的校准测量数据KD来超定。在此情况下，校准参数KP的求出例如可以通过参数统计估算或者尤其根据最小二乘法的拟合计算来进行。图4示出图3所示的本发明校准方法KV的改进，在这里，校准测量循环MZ现在在此具有例如多个子循环TZ1、TZ2、TZ3。如图4所示，总周期MZ的至少一些(或者在所示情况中是所有的)子循环TZ1、 TZ2、TZ3能够在遵守节拍Ta的情况下，连续地仍然分别在其中一个定位间歇期1 里重复进行。现在，可以在考虑到在子循环ΤΖ1、ΤΖ2、 73重复时获得的校准测量数据的情况下，尤其在每次重复其中一个子循环ΤΖ1、ΤΖ2、 73后，连续地且分别旨在更新地确定出所有或至少一部分的校准参数ΚΡ。
按照优选方式，校准测量循环的这些子循环ΤΖ1、ΤΖ2、 73能够按照预定顺序先后依次重复进行。同样可以在其中一个子循环TZ1、ΤΖ2、ΤΖ3重复之后，分别旨在更新地确定出所有或一部分校准参数ΚΡ。不过作为替代，也可以在整个校准测量循环MZ结束后，就是说在所有的子循环ΤΖ1、ΤΖ2、 73被重复之后，才在考虑到在子循环ΤΖ1、ΤΖ2、 73重复时获得的校准测量数据的情况下更新该校准参数ΚΡ。此外，可以把作为旧数据的校准测量数据(其是在目前已经重复过的子循环中获得的)彻底替换为当前的校准测量数据(其是在重复该子循环时获得的)，用于旨在更新地确定该校准参数ΚΡ。据此，校准测量循环MZ仿佛连续地在时间上在工业作业IP上移动，并且以不断更新的方式确定出该测量系统的校准参数ΚΡ。就是说，被考虑用于推导校准参数KP的校准测量数据的集合据此是动态的。这样一来，根据本发明，尤其在整个工业作业IP过程中，可以比较实时地且定期地求出相应匹配于当前实际环境条件的校准参数ΚΡ，以便实时检测测量环境和进而生产环境中的可能有的变化，或者使测量和控制系统适应该变化。因此可以更好地解决所述目标冲突，S卩，一方面要提供尽量当前校准的、且因而允许高精度的测量系统，而另一方面校准过程尽量少或最好完全没有干扰或延迟采用该测量系统的工业作业/生产作业的生产进展。根据图5所示的本发明校准方法KV的改进方案，至少一些子循环ΤΖ2、TZU ΤΖ3、 TZi在遵守节拍Ta的情况下，连续地分别在其中一个定位间歇期1 中重复进行。尤其，此时也可以在唯一的定位间歇期1 里执行其中多个子循环，例如子循环TZ3、TZ1。如果各定位间歇期1 的持续时间原本就是固定不变和已知的，则尤其可以在定位间歇期1 里执行这样的一个或多个子循环，对于所述一个或多个子循环而言，所需要的用时恰好符合定位间歇期1 的时间窗。此外，在其中一个子循环每次重复后，或者在每个定位间歇期1 后，还是可以在考虑到子循环重复时所获得的校准测量数据的情况下，分别旨在更新地确定出校准参数 KPo此时，根据此例子，当旨在更新地确定校准参数KP时，至少部分尤其要完全考虑至IJ那些作为旧数据的校准测量数据，所述作为旧数据的校准测量数据是在目前已经重复过的那个子循环中获得的校准测量数据。由此，校准测量循环MZ近似连续延长，被考虑用于确定校准参数KP的校准测量数据的集合因子循环的重复而连续递增。但可选的是，当旨在更新地确定校准参数KP时，与当前最新的校准测量数据相比，旧数据可以被赋予更低的权重。根据图6所示的本发明校准方法的改进，还是至少一些子循环在遵守节拍Ta情况下，连续地分别在其中一个定位间歇期1 中重复进行。在其中一个子循环的每一次重复后，总是在考虑到子循环重复时所获得的校准测量数据的情况下，分别旨在更新地确定所有或至少一部分校准参数KP。根据此例子，当旨在更新地确定校准参数KP时，旧数据被部分地加以考虑，但其一部分也被在一个子循环重复时所获得的测量数据取代或被赋予更低的权重。就是说，被考虑用于推导校准参数KP的校准测量数据的集合据此是动态的。一方面，该集合通过持续地新获得的校准测量数据被扩展，而另一方面，此时可以对该集合所汇集的数据进行过滤或加权，从而得到了校准参数KP的尽量好的估算或推导。例如，校准测量数据中的不可信的“异常测值(Ausreisser) ”可以立即被完全过滤掉。对要在下个定位间歇期中重复的子循环的选择，也可以取决于如何评估针对该子循环所确定的旧数据的可信度。据此，例如可以将这样的子循环选择进行接下来的重复，即，针对所述子循环曾经确定的旧数据包括异常测值(即，彼此差异很大)。 显然，所示的附图只示意表示可能的实施例。不同做法也可以相互组合以及与现有技术的校准方法和测量系统组合。
权利要求
1.一种用于测量系统(M)的校准方法(KV)，其中所述测量系统(M)被构造用于确定在工业作业(IP)范围内要按规定定位的物体(12，22，32)的定位，并且所述测量系统(M)至少包括 第一拍摄装置(1，la)，所述第一拍摄装置具有 □第一摄像机(2，加)，其用于拍摄在第一视界(8，8a)内的第一图像，和 □第一角度测量装置(4, )，其用于高精度地确定所述第一摄像机Q，2a)的第一角度取向，其中，在所述工业作业(IP)内按照已知的节拍(Ta)重复 在定位阶段(Ph)内按规定定位所述物体(12，22，32)，并且通过所述测量系统(M)执行关于所述物体(12，22，3 的定位的测量， 在定位间歇期(Pa)内进行其它作业步骤，尤其是加工步骤、处理步骤、检验步骤和/ 或输送步骤，其中，所述节拍(Ta)控制所述工业作业(IP)的进展， 其中，在所述校准方法(KV)范围内执行以下步骤 执行一个校准测量循环(MZ)的多个校准测量(KM)，包括校准测量数据(KD)的获得， 其中所述校准测量循环(MZ)具有至少这样的数量和类型的校准测量(KM)，S卩，能够根据所获得的校准测量数据(KD)确定校准参数(KP)，所述校准参数至少涉及所述第一拍摄装置 (1,1a)在一个规定坐标系中的位置(P)和取向，和 根据所述校准测量数据(KD)确定出校准参数(KP)， 其特征在于， 所述校准测量循环(MZ)被分为几个、尤其是许多个子循环(ΤΖ1，ΤΖ2， 73，ΤΖ4，ΤΖ5， ΤΖ6，TZi)，给每个子循环分别分配所述校准测量(KM)中的一个或多个，和 在遵守所述节拍(Ta)的情况下，这些子循环(TZl，TZ2，TZ3，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)分别在其中一个所述定位间歇期(Pa)内进行，从而所述校准测量循环(MZ)被分散到几个、尤其许多个定位间歇期(Pa)中。
2.根据权利要求1所述的校准方法(KV)，其特征在于， 在遵守所述节拍(Ta)的情况下，所述子循环(TZl，TZ2，TZ3，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)中的至少几个分别在其中一个所述定位间歇期(Pa)内连续地重复执行， 在考虑到在所述子循环(TZl，TZ2，TZ3，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)重复时所获得的校准测量数据(KD)的情况下，尤其在其中一个所述子循环(TZl，TZ2，I73，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)的每次重复后，连续地、分别旨在更新地确定所述校准参数(KP)的至少一部分、尤其是所有校准参数。
3.根据权利要求2所述的校准方法(KV)，其特征在于，重复地执行所述校准测量循环 (MZ)的所有子循环(TZ1，TZ2，TZ3，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)，尤其按照规定顺序依次执行。
4.根据权利要求2或3所述的校准方法(KV)，其特征在于，在目前已经重复过的子循环(TZl, TZ2，TZ3，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)的范围中获得的、作为旧数据的校准测量数据(KD) 在旨在更新地确定所述校准参数(KP)时，至少部分未予以考虑和/或被赋予更低的权重， 尤其是至少部分地被代之以在重复所述子循环(TZl，TZ2，TZ3，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)时所获得的校准测量数据(KD)。
5.根据权利要求2至4之一所述的校准方法(KV)，其特征在于，把在目前已经重复过的子循环(TZl，TZ2，I73，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)的范围中获得的、作为旧数据的那些校准测量数据，彻底替换为在重复所述子循环(TZl，TZ2，I73，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)时所获得的校准测量数据(KD)，用于旨在更新地确定所述校准参数(KP)，从而所述校准测量循环(MZ)在时间上连续地移动。
6.根据权利要求2至4之一所述的校准方法(KV)，其特征在于，当旨在更新地确定所述校准参数(KP)时，甚至至少部分考虑到尤其是完全考虑到那些在目前已经重复过的那些子循环(τζ ，TZ2，TZ3，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)的范围中获得的作为旧数据的校准测量数据 (KD)，由此所述校准测量循环(MZ)连续延长，并且被考虑用于确定所述校准参数(KP)的校准测量数据(KD)的集合因所述子循环(TZl，TZ2，I73，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)的重复而连续递
7.根据前述权利要求之一所述的校准方法(KV)，其特征在于， 所述校准测量循环(MZ)具有如此数量和类型的校准测量(KM)，S卩，所述校准参数 (KP)是通过在该过程中获得的校准测量数据(KD)被超定的， 所述校准参数(KP)的确定是通过拟合计算来进行的，尤其是根据最小二乘法。
8.根据前述权利要求之一所述的校准方法(KV)，其特征在于，作为校准测量(KM)，分别至少 利用所述第一摄像机0，2a)来拍摄第一图像，并且 利用所述第一角度测量装置G，4a)来获得所述第一角度取向，以及 利用电子图像处理来确定在所拍摄的第一图像中一个或多个规定的瞄准标记(T)的图像坐标，□尤其在这里，所述瞄准标记(T)在坐标系内的位置和/或在坐标系内所述瞄准标记 (T)之间的距离是已知的。
9.根据前述权利要求之一所述的校准方法(KV)，其特征在于，一个校准测量循环(MZ) 的多次校准测量(KM)均在以下情况下执行 在所述第一摄像机0，2a)的第一角度取向的尤其是预定的变化下，和/或 在所述瞄准标记(T)的位置在坐标系内的变化下，其中，所述瞄准标记(T)在坐标系内的位置和/或在所述多次校准测量(KM)之间所述瞄准标记(T)在坐标系内的位移分别是已知的或者是共同确定的。
10.根据前述权利要求之一所述的校准方法(KV)，其特征在于， 所述第一拍摄装置(l，la)具有第一驱动装置(3，3a)，用以改变所述第一拍摄装置 (1,1a)的第一角度取向， 所述测量系统(M)具有至少一个第二拍摄装置(Ib)，所述第二拍摄装置具有□第二摄像机(2b)，其用于拍摄在规定的第二拍摄区(8b)内的第二图像，□尤其是第二驱动装置C3b)，其用于改变所述第二拍摄装置(Ib)的第二角度取向，和□第二角度测量装置(4b)，其用于高精度地确定所述第二角度取向， 所述校准参数(KP)还涉及到所述第二拍摄装置(Ib)在坐标系内的位置(P)和方位，以及 作为校准测量(KM)，分别至少 □利用所述第二摄像机Ob)拍摄所述第二图像，并且 □利用所述第二角度测量装置Gb)拍摄所述第二角度取向，以及 □利用电子图像处理确定在所拍摄的第二图像中一个或多个规定的瞄准标记(T)的图像坐标，■尤其在这里，所述瞄准标记(T)的在坐标系内的位置和/或在坐标系内在所述瞄准标记⑴之间的距离是已知的。
11.根据引用权利要求9的权利要求10所述的校准方法(KV)，其特征在于，在校准测量范围内， 所述第一摄像机Oa)的视界(8a)，和 所述第二摄像机Ob)的视界(8b)如此交叉，即，至少同一个瞄准标记、尤其是多个相同的瞄准标记(T)既在所述第一图像中被拍摄，也在所述第二图像中被拍摄。
12.根据前述权利要求之一所述的校准方法(KV)，其特征在于，所述第一拍摄装置(1) 被构造成用于拍摄在所述第一拍摄区(8)内的三维图像的三维图像拍摄装置，其中所述三维图像由所述第一图像的大量像点组成，所述大量像点分别被指定了一个深度信息。
13.一种计算机程序产品，它存储在机读载体上或者是通过电磁波来体现的计算机数据信号，所述计算机程序产品具有程序代码，尤其当程序在电子数据处理装置(9)上执行时，所述程序代码用于执行根据权利要求1至12之一所述的校准方法(KV)。
14.一种测量系统(M)，其用于确定在工业作业(IP)范围内要按规定定位的物体(12， 22，32)的定位，其中，在所述工业作业(IP)范围内按照已知的节拍(Ta)重复 在定位阶段(Ph)内，所述物体(12,22,3 按规定定位，并且通过所述测量系统(M) 执行关于所述物体(12，22，3 的定位的测量，和 在定位间歇期(Pa)内进行其它作业步骤，尤其是加工步骤、处理步骤、检验步骤和/ 或输送步骤，其中，所述节拍(Ta)控制工业作业(IP)的进展， 并且其中，所述测量系统(M)至少具有 第一拍摄装置(l，la)，其具有□第一摄像机(2，加)，其用于拍摄在第一视界(8，8a)内的第一图像，以及 □第一角度测量装置(4，如)，其用于高精度地确定所述第一摄像机Q，2a)的第一角度取向，以及 用于控制根据权利要求1至12之一所述的校准方法(KV)的至少以下步骤的装置(9)□执行校准测量循环(MZ)的校准测量(KM)，包括获得校准测量数据(KD)，其中，所述校准测量循环(MZ)至少具有如此数量和类型的校准测量(KM)，S卩，能够根据所获得的校准测量数据(KD)确定校准参数(KP)，所述校准参数至少涉及所述第一拍摄装置(l，la)在规定的坐标系内的位置(P)和方位，□根据所述校准测量数据(KD)确定所述校准参数(KP)，□其中，所述校准测量循环(MZ)被分为几个、尤其是许多个子循环(TZ1，TZ2，TZ3，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)，给每个子循环分别分配一个或多个所述校准测量(KM)，以及□其中，在遵守所述节拍(Ta)的情况下，每个子循环(TZl，TZ2，TZ3，TZ4，TZ5，TZ6， TZi)在其中一个定位间歇期(Pa)内进行，从而所述校准测量循环(MZ)分散到几个、尤其是许多个定位间歇期(Pa)中。
全文摘要
根据本发明，校准测量循环(MZ)被分为几个、尤其是许多个子循环(TZ1，TZ2，TZ3，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)，给每个子循环分别分配一个或多个校准测量(KM)，现在，在遵守节拍(Ta)的情况下，这些子循环(TZ1，TZ2，TZ3，TZ4，TZ5，TZ6，TZi)分别在其中一个定位间歇期(Pa)内进行，从而该校准测量循环(MZ)分散到几个、尤其多个定位间歇周期(Pa)中，并且该校准测量循环(MZ)被整合到工业作业(IP)的流程中，而且不会对该工业作业产生影响。
文档编号B25J9/16GK102470529SQ201080029141
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月24日 优先权日2009年6月30日
发明者伯恩哈德·麦茨勒, 贝亚特·埃比舍尔, 贝恩德·瓦尔泽 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司