专利名称：对象3d位置的无接触光学确定的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对象3D位置的无接触光学确定的方法和装置，其中3D位置的确定包括确定对象的3D位置和3D方向，并且其中对象的几何特征是已知的。
背景技术：
生产流程自动化在工业制造中扮演了越来越重要的角色。对于无法准确定位待加工部件的生产线而言，知道部件的完整3D位置(即空间中的3D位置和3D方向)以通过机器人夹住和加工部件是尤为重要的。
此外，3D位置的确定可被用来校准机器人。因此将几何特征以已知方式配置到机械臂上，或将校准对象安装到机械臂上。机械臂在固定安装的摄像机的镜头范围内移动并随后确定机械臂的3D位置，从而检查和/或再次校准它的位置和方向。
另一种应用场合是确定已安装状态下的部件的3D位置。通过确定例如基准部件的位置，可能检查所安装的部件的是否与基准部件的位置一致，由此确定不正确安装的部件。
现今，用于确定3D位置的已知装置不外乎多摄像机系统，由于使用两个或多个摄像机，因而引入了可观的成本。在使用一个摄像机的环境下，目前已知的仅有用于夹住部件的经调整的2D方法，即确定一个平面中的位置和方向(三个自由度)以及关于部件高度(一个以上自由度)的额外高度信息。然而，使用这种已知方法，最多能获得有关部件位置的2.5D的信息，结果，当部件处于倾斜位置时，不可能正确地夹住该部件。
机器人的校准多数是根据工艺的当前状态而手动实现的，这是由于缺少建立全部六个自由度的相应辅助装置。校准极度耗时，并又造成很长的维护间隔。此外，手动校准方法通常相对地不准确。
现今，安装后的部件位置的确定也可仅使用多摄像机系统而实现。或者，对一个测量变量的感知方案是已知的，其中所述方案采用多传感器评估来解决实际存在的全部问题。该感知多重测量也很耗时并经常对3D位置整体评估而言毫无帮助。
发明内容
本发明的目的是设计并进一步改善一种对象3D位置的无接触光学确定的方法和设备，它能采用简单的手段并以高测量速度和测量精度来确定有关于待研究对象的完整3D信息。
本发明的3D位置的无接触光学确定方法通过权利要求1的特征实现了前述目的。因此，这种方法的特征在于，藉由摄像机产生对象的图像，并且基于和所检测到的几何特征有关的图像信息，从摄影机图像中计算出对象的3D位置。
在本发明的方法中首先实现的是用若干摄像机来确定3D位置，就成本而言这相当昂贵并涉及摄像机的安装和调整。与已知方法不同，藉由摄像机产生对象的图像，并且基于和几何特征有关的图像信息而从摄像机图像中计算得出对象的3D位置。由于简单性和紧凑性，本发明的方法对生产中动作顺序的影响被大量地减少。当对机器人进行校准时，通过本发明的方法，可能省去通常不精确的手动设置并由此能保证较高的测量可靠性。此外，这还能更快地设置机器人并缩短维护间隔。
为了使该方法实现特别高的效率，通过使用摄像机获取单个图像而以特别有利的方式实现3D位置的完整确定。
作为计算3D位置的基础，可通过数学模型对摄像机的真实成像过程进行建模。在成像过程的构架中，可在摄像机和/或计算机中获取图像的过程中，特别地将所研究的对象和摄像机之间的位置和方向、所使用光学仪器的特征(焦距、失真等)、透视变换以及亮度的数字化和离散化考虑在内。
基于该模型，可在几何特征的已知3D位置和相应的二维图像信息之间作出关联。换句话说，可准备(一般为非线性)的方程系，其中成像过程的参数作为未知变量被输入。
例如，可从对象的3D点与其2D图像位置的关联中获得两个方程。通过使用若干特征，可为成像过程的所有自由参数列出方程系并使用数学手段确定未知变量。在较佳方法中，使用更多的方程，这些方程作为自由参数建模于系统中。为了求解这种过度确定的方程系，可使用非线性优化方法以确定最优解。
为了保证高测量简单性，摄像机被固定静止。此外，摄像机的对齐也预先被固定下来。
根据特定场合，可使用点、直线、角、圆周、椭圆周和/或圆锥截面作为几何特征，它们被提供在对象的已知位置上。这种环境中的唯一要点是这些几何特征一般为可从数学上表述的轮廓和形状，可从部件上获知并能在摄像机图像中被很好地观察和评估。
可将几何对象用来校准和确定位置。在校准框中，可使用例如几何对象以确定内部摄像机参数。通过使用校准，可校正光学失真并尤其能确定摄像机坐标系和对象坐标系之间的3D位置的关联。作为对象几何特征的代替，即使分开校准的目标也能用于校准。
通过使用由此确定的所谓外部摄像机参数(3个位置参数、3个旋转参数)的摄像机校准和评估，可确定对象相对于摄像机坐标系的3D位置。或者可确定对象相对于于另一可任意确定的固定坐标系的3D位置，例如与使用额外设置步骤确定的完全坐标系相比较。在对基准主部件的动作测量或比较测量的构架中，即使关于动态坐标系，也能确定对象的3D位置。
在一具体实施例中，提供了一个或多个额外的摄像机，通过它们产生对象的图像(较为有利地来自不同摄像机角度)。为了产生额外图像，可使用若干固定的单个摄像机或者一个或多个移动的摄像机。通过使用额外的图像，可在额外的质量标准的帮助下对所计算的3D位置进行评估并实现校正(如果需要的话)。所获得的结果进一步提高了3D位置确定的精确性。
再者，可提供额外的支持传感器，通过它们能补偿和/或校正3D位置确定中的误差。特别地，这些传感器例如为温度传感器，用来补偿环境温度的波动，由此在计算3D位置时，可将待研究的对象的温度相关膨胀考虑在内。
在一个特别有利的方式中，可基于边缘的几何特征对电动车辆上实现跟踪测量和/或弧度(camber)测量。由此能在边缘上标出自动作为几何特征的位置。所标记的位置例如可以是阀门或轮毂罩。在较佳实施例中，所给出的标记位置可由用户交互地接受或拒绝。由于知道边缘上的几何形状，因此能在所有自由度下检查轴距。因此首先，将图案投影到边缘的要求被省去，其次，能在松开悬杆的情况下确定正或负轮轴弧度(axle camber)。
就该装置而言，上述对象是通过权利要求21的特征而实现的。因此，用于3D位置的无接触光学确定的装置被表征为产生对象图像的摄像机，其中可基于和所检测到的几何特征有关的图像信息从摄像机图像中计算出对象的3D位置。根据本发明的装置较为有利地用来实现根据权利要求1-20任一项的方法，参照说明书前面部分得出的结果旨在避免重复。
考虑到对摄像机图像的快速评估和对3D位置的即时计算，该装置较为有利地包括配有合适的图像处理软件的工业个人计算机。
较为有利地对本发明教义的设计和进一步改善存在不同的选择，为此，首先参阅从属于权利要求1和21的权利要求并其次在附图
的基础上参阅后面对较佳实施例的阐述。在附图基础上对本发明较佳实施例的说明中，也对根据教义的总体较佳设计形式和配置进行了解释，其中唯一的图是根据本发明用于物体的3D位置的无接触光学检测装置的实施例的示意图。
具体实施例方式
附图示意地示出用于对象1的3D位置的无接触光学确定的装置，其中关于使用轴x、y和z的空间固定坐标系确定对象1的3D位置。为此，对象1的图像由位于对象1上方的摄像机2产生。摄像机2的位置和对齐必须相对于于空间固定的坐标系xyz被固定地预设。在图像获取期间，设置在摄像机2周围的光源3为对象1提供充分的照明。
摄像机数据被传送到包含监视器5的工业个人计算机4。在那里2D图像信息和对象1上存在的几何特征(未图示)的已知3D位置相关联。对于成像过程的所有自由参数，对使用非线性优化过程的解给出过度确定的方程系。在等式系被求解后，可确定对象1的准确3D位置并将坐标传送给机器人6。通过了解对象1的位置和方向，机器人6可夹住和/或加工对象1(在相应的校准后)。
最后，要特别指出上述实施例仅用来说明所要求的教义，并不对所述实施例的教义构成限制。
权利要求
1.用于对象3D位置的无接触光学确定的方法，其中，所述3D位置的确定包括确定对象的3D位置和3D方向，并且所述对象的几何特征是已知的，其特征在于，所述对象的图像是藉由摄像机产生的，而所述对象的3D位置是基于与检测到的几何特征有关的图像信息而从摄像图像中计算得到的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，3D位置的完整确定是藉由使用摄像机获取的一个图像而实现的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，几何特征的已知3D位置在各种情况下被赋予相应的二维图像信息。
4.如权利要求1-3任何一项所述的方法，其特征在于，为成像过程的所有自由参数给出一个方程系。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，使用非线性优化方法对过度确定的方程系求解。
6.如权利要求1-5任何一项所述的方法，其特征在于，所述摄像机被固定地保持。
7.如权利要求1-6任何一项所述的方法，其特征在于，摄像机的对齐是预设的。
8.如权利要求1-7任何一项所述的方法，其特征在于，使用通常可从数学上表述的轮廓和形状作为几何特征。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，点、直线、角、圆周、椭圆周和/或圆锥截面被用作几何特征。
10.如权利要求1-9任何一项所述的方法，其特征在于，在几何特征的帮助下，对摄像机进行校准。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，内部摄像参数在校准构架中被确定。
12.如权利要求1-11任何一项所述的方法，其特征在于，相对于固定坐标系而确定对象的3D位置。
13.如权利要求1-11任何一项所述的方法，其特征在于，相对于摄像机坐标系、对象坐标系或完全坐标系而确定对象的3D位置。
14.如权利要求1-11任何一项所述的方法，其特征在于，相对于动态坐标系而确定对象的3D位置。
15.如权利要求1-14任何一项所述的方法，其特征在于，使用一个或多个额外摄像机较佳地从不同摄像角度产生对象的图像。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，藉由额外图像确定所计算的对象3D位置的质量并在需要时作出校正。
17.如权利要求1-16任何一项所述的方法，其特征在于，通过传感器补偿和/或校正确定3D位置中的误差。
18.如权利要求1-17任何一项所述的方法，其特征在于，基于边缘的几何特征而对电动车辆上实现跟踪测量和/或弧度测量。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，自动标记于边缘上的位置被用作几何特征。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所提供的标记位置可由用户交互地接受或拒绝。
21.用于对象3D位置的无接触光学确定的装置，其中3D位置的确定包括确定对象的3D位置和3D方向，并且对象的几何特征是已知的，较为有利地用于实现根据权利要求1-20任何一项所述的方法，其特征在于，在产生对象图像的摄像机中，其中可基于与所检测的几何特征有关的图像信息而从摄像机图像中计算出对象的3D位置。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，摄像机是固定的。
23.如权利要求21或22所述的装置，其特征在于，至少一个工业个人计算机用来评估摄像机图像和计算3D位置。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，工业计算机具有图像处理软件。
全文摘要
本发明涉及用于对象3D位置的无接触光学确定的方法和装置，所述3D位置即对象的3D位置和3D方向，所述对象的几何特征是已知的。本发明的目的是用简单的手段并以高速和精确测量来调查关于所研究对象的完整3D信息。为此，对象图像是藉由摄像机产生的，而其基于所产生图像的3D位置是通过和所检测到的几何特征有关的图像信息来计算得到的。
文档编号G01B11/03GK1856804SQ200480027782
公开日2006年11月1日 申请日期2004年9月23日 优先权日2003年9月26日
发明者R·瓦格纳, R·贺斯 申请人:微一埃普西龙测量技术有限两合公司