CN107883867B - 测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量系统，该测量系统具有测量工具，该测量工具具有探针本体和光学标记；具有相机，该相机用于记录与该测量工具相关的图像数据；并且具有评估与控制单元，该评估与控制单元被设置用于评估该相机所记录的图像数据并且使用所述数据借助于该光学标记确定与该探针本体相关的位置数据，所述位置数据包含该探针本体的空间位置坐标；该评估与控制单元还被设置用于由与该探针本体相关的所述位置数据计算与该探针本体相关的速度数据和/或加速度数据并且基于与该探针本体相关的所述速度数据和/或加速度数据来出于捕捉测量点的目的而确定在测量测量对象的过程中是否存在其中该探针本体与该测量对象发生接触的探针探测。

Description

测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量系统，该测量系统具有测量工具，该测量工具具有探针本体和光学标记；具有相机，该相机用于记录与该测量工具相关的图像数据；并且具有评估与控制单元，该评估与控制单元被设置用于评估该相机所记录的图像数据并且使用所述数据借助于该光学标记确定与该探针本体相关的位置数据，所述位置数据描述该探针本体随时间变化的空间位置坐标。

背景技术

从DE 10 2015 205 615 A1中已知所述属类类型的测量系统。

这种类型的测量系统用于检查工件例如在质量保证的范围内，或者在所谓的“逆向工程”的范围内完全确保工件的几何形状。而且，还可想到形形色色的进一步应用可能性，例如过程控制应用，其中测量技术被直接应用于在线监测和对制造和处理过程的调节。普通的应用实例是就可能的制造缺陷而言检查车体部件。然而，原则上，这样的测量系统可以被用于测量任何类型的测量物体。

作为替代具有手持式测量工具的测量系统用于更加复杂的坐标-测量机，其中工件是在具有相对复杂的结构的静止的或已永久安装的机器上通过光学方式和/或以触觉方式来测量的。

考虑到这种移动使用能力，具有手持式测量工具的测量系统变得越来越重要，这是由于它们与静止的或已永久安装的坐标-测量机相比较仅仅考虑到它们的更加灵活的使用性就会又进一步拓展使用范围。然而，这些测量系统所旨在提供的、就测量准确度而言提出的极其严格的要求经常影响这样的移动测量系统的使用性。现在存在的事实是各式各样数字-光学可能性，尤其是其目的是可以从物体或场景的图像或影片推导场景中成像物体的空间结构的软件方法。然而，原则上，这些方法具有某些弱点，这些弱点导致它们目前对于许多高度精确的测量尚不可能，而仅被用于就测量准确度而言具有较低要求的测量。

在从DE 10 2015 205 615 A1已知的测量系统中，可以用来对有待测量的工件进行手动扫描的触觉探针头被安排在手动便携式测量工具上。而且，在测量工具的手柄上安排了多个光学标记并且规律地发射红外线光束，所述红外线光束被从外部使用相机系统捕捉到。在计算单元中对相机系统所记录到的相机图像加以评估，藉由适合的计算算法计算所述标记在空间中的位置和取向。这通常使用光学三角测量方法来执行。可以藉由校准步骤来确定探针头和探针本体相对于标记的定位和位置。如果使用者用他的手将测量工具引向工件而导致探针本体触碰工件，就可以因而确定工件的测量点。最终由适合的多重的这样的测量点产生工件相对于相机系统的形状和定位。

然而，从DE 10 2015 205 615 A1已知的测量系统具有至少两个重要缺点。一方面，使用主动红外线光源来作为标记。这样的整合在手持式测量工具中的主动标记所具有的缺点是，考虑到由它们产生的热量的发展，它们产生材料膨胀而这可以导致测量误差。这样的测量误差可能在光学测量技术中根本无法被忽视。另一方面，在从DE 10 2015 205615 A1已知的系统中，使用者必须对致动单元上的按钮进行手动致动以便对计算单元发送旨在捕捉测量点或为对目前所捕捉的测量点加以储存的信号。由于使用者不可避免地为此目的施加力，所述力的幅值和方向是未知的，所以探针头可能易于变形、摇晃或移位。这导致可能并不易于补偿的测量误差。

类似的问题还出现在由Optinav以“OptiTrace”为名销售的系统中(http://optinav.pl/en/info/products/optitrace.htlm，2015年12月22日搜集)。尽管在此在测量工具上并未使用主动标记，但还是必须在此致动计算单元或测量工具上的按钮以便捕捉和存储测量点。

在静止的或已永久安装的坐标-测量机中，上述采集测量点的问题，换言之捕捉和存储测量点的问题，经常是藉由整合在坐标-测量机的探针头中的附加传感器来解决。从WO2006/114627 A1已知这样的系统的一个实例。在这种情况下，探针本体或测量尖端经由探针头的弹簧联接到坐标-测量机的套筒轴上。使用分开的测量系统确定探针头相对于套筒轴的移动。这样的探针头还称为坐标-测量机的被动测量传感器。

从EP 1 984 695 B1已知类似的具有整合在其中的负载传感器的测量探针测量作用在探针本体与工件之间的力并且控制基于由负载传感器产生的信号记录的测量。

尽管这样的传感器还可以使用在手持式测量系统中，但这会显著增加测量系统的整体复杂度。尤其，作为附加的传感器的结果，会在测量系统中容纳进一步的主动部件，其结果是会要求传感器信号与来自光学跟踪系统的信号的时间同步。

从EP 0 703 517 B1已知手持式坐标测量机的另一个实例。除了此系统相对高的复杂度之外，在此通过以下事实制约了移动使用能力，即，探针头经由可移动地安装的载体连接至固定的柱形物。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提供上述类型的光学测量系统，该光学测量系统与现有技术的上述系统相比具有更简单的结构、尽可能地无需测量工具中的主动部件地管理并且可以用来实现较高程度的测量准确度。在这种情况下，目的尤其是提供可以用于以尽可能简单的方式捕捉和存储测量点而不需要附加传感器或不会引起测量不准确的测量系统。

根据本发明的一个方面，这个目的是通过开篇提及类型的测量系统、通过以下事实来实现：该评估与控制单元被设置用于由与该探针本体相关的所述位置数据计算与该探针本体相关的速度数据和/或加速度数据并且基于与该探针本体相关的所述速度数据和/或加速度数据来出于捕捉测量点的目的而确定在测量测量对象的过程中是否存在其中该探针本体与该测量对象发生接触的探针探测。

根据本发明的测量系统因此的与众不同之处在于以下事实，即，通过评估相机图像来自动确定探针探测的存在。因此，在根据本发明的测量系统中不需要如例如从DE 102015 205 615 A1已知的测量系统的情况那样出于发出探针探测信号的目的来致动附加按钮。因此在根据本发明的测量系统中不存在测量工具在探针探测过程中由于这样的附加按钮被按下而颤动的风险。与先前从现有技术已知的具有手持式测量工具的光学测量系统相比较这允许了更加准确的测量结果。

而且，根据本发明的测量系统无需进一步传感器地实现，所述进一步的传感器在其他情况下会为检测探针探测而必须集成在测量工具中。根据本发明的测量系统因此比较更有利于生产。由于没有附加传感器必须集成在测量工具中，所以也没有在其他情况下会由这样的传感器所产生的附加热量输入。这对使用根据本发明的测量系统所可以实现的测量结果的准确度也具有积极影响。

应指出的是，根据本发明的测量系统的测量工具不仅可以被手动引导，而且还可以被夹在机器、例如机器人中。例如，还可以在工件加工机器中使用该测量系统，该测量工具被夹在该机器的对应夹紧装置中。

不论根据本发明的测量系统的使用类型如何，所述评估原则上相应地如下进行：测量系统的相机(可以基本上呈单独相机的形式但优选具有多个相机)被设置用于记录含有测量工具和其光学标记的图像或图像序列以便由其产生相应的图像数据。该评估与控制单元被设置用于评估该相机所记录的图像数据并且使用所述数据借助于该光学标记确定与该测量工具的该探针本体相关的位置数据，所述位置数据包含该探针本体的空间位置坐标。与该探针本体相关的位置数据是通过评估图像数据通过首先确定光学标记的位置和定位来间接确定的。例如在上游校准步骤中可以确定探针本体相对于光学标记的位置和定位。探针本体和光学标记优选地经由刚性本体彼此连接。如果已知光学标记的位置和定位，则因此也可以由其来计算测量工具的探针本体的位置。与探针本体相关的位置数据包含探针本体基于时间的位置坐标。取决于图像数据的采样频率，所述位置数据因而包含多重三维坐标，每组三个坐标(x，y，z)∈R³)，这些坐标对应地限定对应地指定给测量时刻t_i的测量点。可以通过形成位置数据的一阶和二阶导数来计算与探针本体相关的速度数据和加速度数据。该评估与控制单元优选地被配置成用于在计算速度数据和/或加速度数据之前过滤位置数据，因为在其他情况下如果仅以数字表示的方式由未被过滤的位置数据形成梯度，则可能由于噪声而出现误差。最后，评估与控制单元基于与探针本体相关的所述速度和/或加速度数据来确定是否存在探针探测。对探针这样的检测是基于以下假设：测量工具的测量本体在探针探测、也就是说与测量对象相接触的情况下相对突然地制动，并且因此发生可明显检测到的速度变化或负加速度(迟滞)。

根据一种优选配置，该评估与控制单元被设置用于由与该探针本体相关的所述位置数据计算与该探针本体相关的加速度数据并且如果所述加速度数据中所包含的第一加速度值的绝对值超过第一加速度阈值，则确定存在探针探测。

在本发明情况下，第一加速度值优选被理解为是指例如表明探针本体沿所有三个空间方向的加速度的加速度值。在当前情况下，术语“加速度值”因此不应必然照字面被理解为单个值。优选地用三个分量(a_x，a_y，a_z)矢量地表示此加速度值。所述加速度值因此表明探针本体在测量时刻tx时的总加速度。

基于探针本体在探针探测过程中突然制动的上述考虑，因此可以基于探针本体的加速度的绝对值的在时间上的演变来确定这样的探针探测。这是因为探针本体的总加速度的绝对值一超过某一加速度阈值，就可以将探针探测假定为第一近似值。

根据另一种配置，该评估与控制单元被设置用于不仅由与该探针本体相关的所述位置数据计算与该探针本体相关的加速度数据而且还计算速度数据并且如果所述加速度数据中所包含的第一加速度值的绝对值超过第一加速度阈值并且所述速度数据中所包含的速度值的绝对值然后(在已经超过所述第一加速度阈值之后的预定义的时间间隔内)低于速度阈值，则确定存在探针探测。

也在这种情况下，术语“速度值”应被理解为是指探针本体在测量时刻tx时的总速度，所述总速度以矢量方式表示并且因此不仅具有单个值而且优选地具有速度的所有三个空间分量(v_x v_y v_z)。

除了对加速度数据的分析之外，速度数据的附加分析也提供以下优点：基于所述速度数据，可以相对良好地将探针探测与所不希望的碰撞区分开。这是因为在测量工具与障碍物之间所不希望的碰撞情况下，结果通常也是探针本体的高加速度。如果因此仅计算加速度数据并且从超过预定义加速度阈值(其在当前情况下是指第一加速度阈值)的事实中推导出存在探针探测，则这可能导致误差。然而，如果还检查速度数据是否低于预定义速度阈值(精确来讲在与其中加速度数据超过第一加速度阈值相同的时间间隔内)，则可以相对容易地在探针探测与测量工具的碰撞或其他干扰之间加以区分。这是因为可以假设在探针探测过程中或至少在与测量对象初始接触之后的短时间内，探针本体将具有非常低的速度、甚至大致接近于零。然而，在实践中，此速度将并不完全是零，因为在探针探测过程中或其之后短时间内在手持式测量工具中也将能够至少检测到甚至较小的运动。

除了与探针本体相关的加速度数据之外，与探针本体相关的速度数据的附加记录或计算具有多种不同的进一步的优点。例如，在存在探针探测时确定的每个测量点也可以被指定速度矢量，可以从该速度矢量确定探针探测方向、也就是说测量工具或探针本体以其朝向测量对象移动的方向。由于探针本体优选地是探针球，如果探针探测方向是已知的，因此可以在测量点的位置坐标的计算中随附包括该探针球的半径。在多个测量点、已知每个测量点的探针探测方向的情况下，因此可以自动确定是从例如里面还是外面测量测量对象。由此也知晓探针球上的、在探针球与测量对象之间产生接触的点。

根据一种配置，测量系统具有数据存储单元，评估与控制单元被设置用于如果确定存在探针探测则将探针本体的空间位置坐标作为测量值存储在数据存储单元中。

因此不需要使用者进行任何交互，例如按下附加按钮，以便采用和存储测量点。使用者可以将测量工具相对快速地相继引导到测量对象的表面上的不同测量点，在各自情况下探针探测被自动检测到并且对应的测量点也被自动存储在数据存储单元中。这使得能够实现对于使用者而言处理起来非常简单并且其中可以相对快速地相继捕捉和存储多个测量点的、节省时间的测量操作。

为了能够获得由在探针探测之前对每个测量点指定对应的速度矢量而产生的上述附加优点，评估与控制单元根据另一种配置被设置用于如果确定了存在探针探测则除了该测量值之外还将速度矢量存储在该数据存储单元中，该速度矢量能够由所述速度数据来确定并且描述紧邻探针探测时刻之前的该探针探测本体的移动。

根据另一种配置，该评估与控制单元被设置用于如果确定了存在探针探测，如果所述加速度数据中所包含的并且时间上在该第一加速度值后面的第二加速度值的绝对值在预定义时间间隔内没有超过第二加速度阈值，则将探针探测质量认定为有效，所述第二加速度阈值小于所述第一加速度阈值。

这使得不仅可以自动检测探针探测本身的发生而且还可以评估探针探测质量。如果加速度数据例如以在时间上跟在第一加速度峰值后面的方式展现出第二加速度峰值，则这不表明探针探测质量高，因为探针本体在与测量对象初始接触之后继续明显移动。相比之下，如果从加速度数据中清楚的是在超过第一加速度阈值的第一加速度峰值之后的后续预定义时间间隔(例如，0.1s)内不再超过第二、较低的加速度阈值，则这表明测量或探针探测质量高。这个第二加速度阈值优选地被选择为刚好高于预期噪声。

对探针探测质量的附加评估或为了确定探针探测是否可以被质量认证为有效的这种评估提供了多种不同优点。例如，评估与控制单元可以被设置(如果确定了存在探针探测)用于仅当探针探测被质量认证为有效时将探针本体的空间位置坐标作为测量值存储在数据存储单元中。以此方式，仅存储“有效”测量值，而考虑到上述评估，包含过大预期误差的测量值直接被拒绝并且不存储在数据存储单元中。

在另一种配置中，该测量系统还具有光学、声学或触觉致动器，并且该评估与控制单元被设置用于如果探针探测被质量认证为有效的则经由该致动器生成光信号、声信号或触觉信号。

使用者因此接收关于探针探测质量的反馈并且可以因此使其行为适应该反馈。如果这与上述自动存储测量值的配置相组合，则使用者经由该致动器生成的信号来接收关于是否已经认为探针探测有效和是否对应的测量值已经存储在数据存储单元中的反馈。如果信号不存在，则使用者因此可以容易地再次探针探测测量对象上的同一点或相似点，直到确定有效测量值为止。

不言而喻，取决于测量系统的设置，评估与控制单元还可以被设置用于如果探针探测被质量认证为无效则经由该致动器生成光信号、声信号或触觉信号。因此，在这种情况下，只要没有生成信号，就“一切正常”。不言而喻，还可以生成两个不同的信号，针对探针探测有效的第一信号和针对探针探测无效的第二信号。

可以使用多种不同进一步的评估特征来优化对探针探测质量的评估。例如，根据另一种配置，该评估与控制单元被设置用于如果确定了存在探针探测，如果所述加速度数据中所包含的所述第一加速度值的绝对值没有超过第三加速度阈值，则将探针探测质量认定为有效，所述第三加速度阈值大于所述第一加速度阈值。

因此，如果加速度数据揭示了探针本体的高于预定义的第一加速度阈值且低于预定义的第三加速度阈值的基于绝对值的总加速度，则探针探测被质量认证为有效。这种方法是基于以下假设：过度减速(高加速度绝对值)表明探针本体过快地接近有待测量的测量对象。测量工具与测量对象之间这样的过快接近通常导致使准确测量几乎不可能的过度突然的移动。而且，在这种情况下，过大的力通常作用在测量工具上，其结果是测量工具可能变形，这产生测量误差。换言之，在此评估变体中，评估因此被执行来确定测量工具是否以足够大但不过大的力压在测量对象上。

根据另一种配置，该评估与控制单元被设置用于使用该相机记录的图像数据借助于该光学标记确定与该测量工具相关的定位数据，该定位数据包含与该测量工具的空间取向相关的某些信息；该评估与控制单元还被设置用于由与该测量工具相关的所述定位数据计算与该测量工具相关的角加速度数据，以便如果确定了存在探针探测，如果所述角加速度数据中所包含的第一角加速度值的绝对值超过第一角加速度阈值则将该探针探测质量认定为有效。

由于探针本体和光学标记优选地经由刚性的基本上杆状的本体彼此连接，所以探针探测过程中只有在测量工具以平行方式或沿基本上杆状的刚性本体的纵向轴线的方向上朝测量对象移动时才不产生角加速度。在这样的竖直探针探测情况下，最后提到的评估因此将不会引起检测到有效探针探测。这是因为优选的是使用者在他将测量工具朝向测量对象移动时以稍微倾斜的方式握住测量工具，直到其在测量对象与探针本体之间建立接触。对此，原因是由于在竖直探针探测情况下探针本体在初始接触过程中通常再次被脉冲抛回而可以以其他方式预料到所谓的“跳动”。这降低了探针探测质量和因此的测量准确度。相比之下，如果以倾斜方式握住测量工具，则没有“跳动”或有至少比较不那么明显的“跳动”。

在倾斜的探针探测情况下，在探针探测之前通常没有或仅有小的角加速度发生。尽管这对于竖直探针探测而言是一样的，但测量工具自探针探测本体与测量对象相接触的时刻起由于在倾斜的探针探测时发生的倾斜或弯曲力矩而枢转，这种枢转引起光学标记的定位的突然变化。可以基于角加速度数据来检测这种定位的变化。因此，超过预定义的第一角加速度阈值表明在探针探测过程中测量工具已经被以倾斜方式握住，这表明由于上述原因的探针探测质量提高。对角加速度的这种评估还可以有利地与上述低于速度阈值的判据相组合。

不言而喻，可以由角数据或定位数据的二阶导数来以与(平移)加速度类似的方式确定角加速度。

根据另一种配置，该评估与控制单元被设置用于如果确定了存在探针探测，如果所述角加速度数据中所包含的并且时间上在该第一角加速度值后面的第二角加速度值的绝对值在预定义时间间隔内没有超过第二角加速度阈值，则将探针探测质量认定为有效，所述第二角加速度阈值小于所述第一角加速度阈值。

因此，如果在时间上跟在角加速度峰值(其表明探针探测)后面的角加速度相对低，则探针探测被质量认证为“有效”或“良好”，其结果是没有超过第二角加速度阈值。与上述第二加速度阈值相似，第二角加速度阈值应优选地也被选择成高于角加速度信号的噪声极限。

即使根据本发明的测量系统的上述配置不局限于在此使用的测量工具的特定实施例，但根据本发明存在该测量工具的一些有利配置。

根据一种配置，光学标记具有以分布式方式安排在测量工具上的至少三个光学标记元件。

尽管一个标记元件原则上就足够了，但使用以分布式方式安排在测量工具上的三个标记元件比仅使用一个光学标记元件更容易确定位置和定位。这些单独的光学标记元件因此还可能比较简单。

根据另一种配置，这些标记元件是安排在共用平面中的被动光学标记元件。

这具有的优点是被动标记元件并不导致输入到测量装置中的任何热量，而这种热量可能对测量准确度具有负面影响。而且，与主动标记元件相比较，这还具相对于测量工具的生产成本而言的优点。

不言而喻，上述特征还以及有待在以下解释的那些特征不但可以在各自情况下以指定的组合来使用，而且还可以以其他组合来使用或者它们单独使用而不脱离本发明的范围。

附图说明

在附图中展示了本发明的多个示例性实施例并且在以下的说明中对这些实施例进行了更详细的说明。在图中：

图1示出了根据本发明的测量系统的示例性实施例的简化示意图；

图2示出了第一示例性探针探测操作的简化示意图；

图3示出了用于示意性地展示第一探针探测操作的运动学的曲线图，其中图3A示出了随时间t的距离s的绝对值，图3B示出了随时间t的速度v的绝对值，图3C示出了随时间的加速度a的绝对值，并且图3D示出了随时间t的角度

的绝对值；

图4示出了第二示例性探针探测操作的简化示意图；

图5示出了用于示意性地展示第二探针探测操作的运动学的曲线图，其中图5A示出了随时间t的距离s的绝对值，图5B示出了随时间t的速度v的绝对值，图5C示出了随时间t的加速度a的绝对值，并且图5D示出了随时间t的角加速度

的绝对值；

图6示出了用于展示第一示例性校准操作的简化示意图；并且

图7示出了用于展示第二示例性校准操作的简化示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的测量系统的示例性实施例的简化图。该测量系统在此整体用参考数字100来指明。测量系统100的一部分是用参考数字10指明的测量工具。

除了测量工具10之外，测量系统100还包括相机12、评估与控制单元14、致动器16、和数据存储单元18。然而，测量工具10、相机12、和评估与控制单元14是测量系统100的必不可少的特征，致动器16和数据存储单元18是并非绝对要求的可选部件。

测量工具10用于以触觉方式扫描工件20。这种扫描可以手动执行、也就是说以手持式方式、或自动地借助于适合的机器，例如机器人来执行。在扫描工件20的过程中，借助于由相机12和评估与控制单元14构成的跟踪系统来捕捉测量工具10的位置。优选地永久地或以优选地200Hz或更大的扫描频率捕捉位置。所述位置是在评估与控制单元14内借助于常规地使用三角测量法的已知评估算法基于相机12记录的相机图像来捕捉的。在当前情况下，藉由多个光学标记元件22a-22c来简化测量工具10在相机图像内的检测，所述光学标记元件安装在测量工具10上以便识别该测量工具并确定其位置和定位。在当前情况下，标记元件22a-22c整体被称为光学标记24。

在当前情况下，相机12是由三个相机26a-26c构成的系统。然而，原则上，单个相机也会足以这些在此描述的方法。然而，不言而喻，也可以使用多于三个相机。

评估与控制单元14优选地是其上安装了对应的软件的计算单元，例如计算机，可以用所述软件来相应地评估相机12所提供的图像，以便能够将测量工具10的位置确定为任意固定坐标系中的坐标。

如图1所展示的，相机12与评估与控制单元14之间的连接29可以经由对应的电缆来实现。然而，可替代地，相机12也可以经由无线连接连接至评估与控制单元14。类似地，应可能的是通过使得评估与控制单元14实施成处理器芯片的形式来将相机12和评估与控制单元14容纳在共同的壳体内。另外，屏幕和相应的输入单元(例如，键盘)可以属于测量系统100以便能够相应地以图形方式显示测量结果和输入控制命令。

除了光学标记24(标记元件22a-22c)之外，在本示例性实施例中，测量工具10还具有呈探针球体形式的探针本体28。然而，探针本体28不需要绝对必然是球形的。取决于测量任务，探针本体28还可以是例如测量尖端的形式。探针本体28经由刚性本体30连接至光学标记24。在当前情况下，刚性本体30基本上是杆形的。标记元件22a-22c被安排在刚性本体30的第一端的区域中。探针本体28被安排在刚性本体30的相反的第二端处。然而，刚性本体30不仅用作光学标记24与探针本体28之间的刚性连接，而且还用作使用者可以手动握住测量工具10的手柄。原则上，此手柄还可以被夹在机器中。原则上，同样可想到不同类型的探针本体28经由对应的适配器和连接机构连接至刚性本体30上。

光学标记24的标记元件22a-22c以简化方式被展示为图1中的圆形元件。然而，这仅仅是标记元件22a-22c的构型的一个实例。原则上，它们可以具有可以借助于相机12被清楚地识别为标记的任何希望的形状。然而，它们优选地是被动标记元件。

可以基于相机图像借助于光学标记24来确定刚性本体30的其中安排了光学标记24的标记元件22a-22c的区域的位置和定位。如果已知光学标记24的位置和定位，借助于适合的对测量工具10的先前执行的校准因而也就知晓了探针本体28的位置和定位。探针本体28的通常随时间而变化的位置和定位优选地借助于空间位置坐标(x，y，z)来表示。在当前情况下，探针本体28的随时间而变化的所有位置坐标总体上称为与探针本体28相关的位置数据。

图6和图7示出了用于校准测量工具10的两个示例性变体。根据图6中所示的校准变体，使用了所谓的球体三联体。在校准过程中，使同样的球形探针本体28与该球体三联体的三个测试球体32接触并且然后来回移动。在这种运动过程中，借助于相机12和评估与控制单元14来确定光学标记24的标记元件22a-22c的位置。可以使用例如三个平移分量和三个旋转分量来以矢量方式表示位置坐标。可替代地，位置坐标还可以表示为具有3×3正交和标准正交旋转子矩阵的4×4变换矩阵或者表示为位置矢量和3×3旋转矩阵。根据合适的数学模型，在校准过程中的探针本体28的位置表示为如下位置矢量p：

p＝p_s+M_s·t

其中p_s描述光学标记24在固定坐标系中的位置，t以矢量方式在随着测量工具10移动的坐标系中描述光学标记24与探针本体28之间的矢量，并且其中M_s描述固定坐标系与随着测量工具10移动的坐标系之间的变换矩阵。因此可以借助于由相机12和评估与控制单元14构成的跟踪系统来确定p_s和M_s。与测量工具10的其余部分相比，由于在图6中示意性表明的校准过程中基于球体三联体32探针本体28的位置并不移动，所以探针本体28的位置矢量p是恒定的。因此可以在校准过程中基于上述等式借助于多次测试测量来求解未知的t。由于探针本体28的位置矢量p(其在校准过程中并不变化)最初也是未知的，所以这也必须被确定。因此产生六个自由度的优化问题，其中寻求矢量t和各自具有3个自由度的球体三联体的位置pk。

作为对如图6中所示的使用球体三联体32的校准的替代方案，还可以使用在测量技术中通常用于这样的校准的测试球体34。在坐标测量技术中通常被称为校准球体的这样的测试球体具有确切已知的直径。在使用测量球体34的这个校准变体中，测量工具10也在校准过程中被枢转，永久地维持探针本体28与测试球体34之间的接触或者在此介绍的方法被用于在球体表面上的多个点处检测单独点(参见图7)。在这种情况下，以与以上已经关于图6中展示的第一校准变体所解释的相类似的方式进行计算。在此也可以使用上述公式，在这种情况下，探针本体28的位置矢量p不是恒定的。这导致多一个自由度(总计七个自由度)：矢量t和各自具有3个自由度的球体位置p_k以及探针球的半径r。

为了校准计算，针对使用球体三联体的情况和使用校准球体的情况二者收集了具有不同标记位置p_s，i和标记取向M_s，i的n个测量点。为优化提出了使误差的平方最小化的常规方法。以下目标函数得出：

这被针对球体三联体简化为：可以将R+r设置为零。在这种情况下不能确定探针半径r，而是必须在下游步骤中被校准或由使用者输入。

就相机12和评估与控制单元14的校准而言，下面同样描述了示例性校准可能性：例如，使用了具有两个相机的相机12。由9个在方形网格上以已知距离安排的圆形标记元件构成的并且具有用于区分3个离散圆的附加识别特征(例如，蓝色、红色、绿色)的标记被用作标记24。第一个圆限定标记坐标系的原点(位置p_s，参见以上等式)。矩阵M的方向由另外两个标记产生，例如矩阵M_s的方向×从圆1到圆2的方向的轴线。在最简单的方法中，使用所谓的针孔模型描述相机。在http://docs.opencv.org/2.4/modules/calib3d/doc/camera_calibration_and_3d_reco nstruction.html中描述了这样的模型和实现方式。最初针对每个相机单独执行内部相机校准。在这种情况下，确定了至少焦距、通常是相机矩阵。为此目的使用了校准对象-具有以已知距离有规律地安排的特征的板。以不同距离、角度和取向捕捉此校准对象的图像。然后执行所谓的外部校准，其中确定了相机相对于彼此的定位(角度、距离)。根据此过程，这种立体相机系统可以原则上由具有充分的图像重叠和任何图像内容的任何同时记录的图像对来计算3D图像。为此目的通常使用所谓的“块匹配算法”。这计算了所谓的“视差映射”。在这种情况下，视差是指：所述两个相机图像之间位移的大小。大位移意味着大的距离，而小位移意味着小的距离。外部和内部校准的结果可以用于由其计算距离(公制单位)。如果标记是如在此所假设的圆形，则它们最初在两张图像中显现成椭圆。因此可以使用已知算法对图像对搜索这些椭圆。在具有9个标记元件的上述实例中，因此获得了两张图像的9个位置对。因此可以计算视差和由此的每个圆心的3D位置。通过对所述标记元件中的3个标记元件做标记(p_s、M_s，参见以上等式)可以清楚地张成(span)坐标系。

不言而喻的是，上述校准仅在实际测量工作地点20之前通常执行一次。

然后可以如下地测量工件20：使用者例如手动引导测量工具10，并使探针本体28与有待测量的工件20在所希望的点(测量点)处相接触。同时，相机12记录多个相机图像，这些相机图像被在评估与控制单元14中加以评估以便由其确定光学标记的位置和定位并且进而由其计算探针本体28的位置坐标。这可以以与在DE 10 2015 205 615 A1中所已经描述的相类似的方式来执行。因此可以通过测量系统的使用者逐渐将带有探针本体28的测量工具10引导到工件20的表面上的多个所希望的测量点并且通过由相机12和评估与控制单元14构成的跟踪系统同时记录与探针本体28相关的位置数据来确定有待测量的工件20的表面坐标。

然而，与从现有技术中之前已知的这种类型的手持式坐标测量机相比，本测量系统100还能够出于捕捉测量点的目的自动检测其中探针本体28与工件20发生接触的探针探测。为此目的，评估与控制单元14由与探针本体28相关的所确定的位置数据来计算与探针本体28相关的速度数据和/或加速度数据。可以借助于与探针本体28相关的这些速度数据和/或加速度数据、精确来讲基于以下假设来检测探针探测：测量工具10的探针本体28在探针探测过程中被相对突然地制动并因此经历可明显检测到的速度变化或负加速度(阻滞)。评估与控制单元14被设置例如用于如果加速度的绝对值超过第一加速度阈值则确定存在探针探测。

以与探针本体28相关的位置数据相类似的方式，与探针本体28相关的速度和加速度数据也优选地以矢量方式来表示。然而，加速度的绝对值或速度的绝对值优选地作为用于评估探针探测是否存在的特征来进行评估。

图2示出了借助于测量工具10的探针探测操作的第一实例。在这个实例中，测量工具10被以竖直方式朝工件20的表面移动。图3A-3D示意性地示出此探针探测操作的运动学变量。图3A示出随时间t的位置数据s的绝对值。图3B示出随时间t的速度v的绝对值，图3C示出随时间t的加速度的绝对值并且图3D示出角度

的绝对值，该角度描述测量工具10在空间中的定位。时刻t₁对应地标记处探针本体28与工件20之间接触的时刻。在所展示的实例中，假设的是测量工具10在这个接触时刻t₁之前以基本上恒定的速度朝有待测量的工件20移动。

如从图3C中清楚的，具体是由于探针本体28与工件20之间的接触而发生加速度峰，在所述加速度峰处加速度a的绝对值超过由以参考数字36指明的虚线表明的第一阈值。同时，速度快速减小(参见图3B)。可以从图3A-3C中得到的是在探针探测时刻t₁之后探针本体28发生较小的移动。这些较小的移动尤其发生在手动引导测量工具10时。这是因为所不能假设的是使用者可以确切地引导测量系统100而不发生这些较小的抖动或颤动移动。

因此，评估与控制单元14优选地被设置用于除了超过第一加速度阈值36之外，还作为用于对探针探测进行检测的进一步特征来调查速度的绝对值是否低于速度阈值38。这个速度阈值38优选地被选择成相对小，也就是说接近于零。对速度的(额外)考虑所具有的优点是可以基于其来相对良好地将探针探测与测量工具10的所不希望的碰撞区分开。这是因为在测量工具10与障碍物之间的碰撞情况下，结果通常也是探针本体28的高加速度。然而，在这种情况下，通常也会超过速度阈值38。

作为对与探针本体28相关的速度和/或加速度数据的上述评估的结果，评估与控制单元14因此能够自动检测探针探测。测量系统100的这种能力开创了对例如探针探测过程中捕捉到的测量点加以自动存储的可能性。因此，评估与控制单元14优选地被设置用于如果确定存在探针探测就将探针本体28的空间位置坐标作为测量值或测量点存储在数据存储单元18中。在这样的情况下，上述用于对探针探测进行检测的评估判据因此触发对对应测量点的直接存储。除了空间位置坐标以外，与探针本体28相关的、在探针探测时刻t₁可获得的速度数据同样可以被存储在数据存储单元18中。所述数据可以随后用于确定探针本体28以其朝向有待测量的工件20移动的方向，其结果是测量系统100可以自己检测例如是否正在测量内表面或内直径或外表面或外直径。

除了自动检测探针探测操作以外，也可以借助于根据本发明的测量系统执行对探针探测操作的质量评定。为此目的，可想到多种不同质量判据。例如，评估与控制单元14被设置用于调查在已经超过第一加速度阈值36之后的预定义时间间隔内加速度的绝对值是否超过第二加速度阈值40，所述第二加速度阈值小于该第一加速度阈值(参见图3C)。如果在已经超过第一加速度阈值36之后不再超过此第二加速度阈值40，这表明探针探测操作的质量良好，因为可以由此获得探针本体28在与工件20发生接触之后不再过度程度地移动。相比之下，图3C中的虚线42用于表明如下的加速度信号，所述加速度信号表明可能因为没有超过第一加速度阈值36并且随后没有低于第二加速度阈值40而使用起来相当差的探针探测操作。

成功的探针探测的另一个质量判据可以是图3C中用虚线44表明的第三加速度阈值的定义。这个第三加速度阈值44大于第一加速度阈值36。该第三加速度阈值不应被超过，因为超过第三加速度阈值44表明对探针本体28的过为严重的冲击。

下面使用图4和图5描述了可以借助于根据本发明的测量系统100来确定的用于探针探测的进一步质量判据。图4和图5示出了测量操作的第二实例，其中，与图2和图3中展示的测量操作相比，测量工具10并非被以竖直方式朝有待测量的工件20移动，而是在其朝工件20移动的同时以某种程度上倾斜的方式被握住。在这样的探针探测操作过程中，测量工具10由于在探针探测时刻t₁发生的倾斜和弯曲力矩而通常会枢转，这在图4中使用虚线和在所述线之间的描绘的角度

示意性地表明。可以例如通过评估角加速度

来更接近地调查在探针探测过程中测量工具10的定位的这种变化。这是因为，如从图5C和图5D中清楚的，具体地，在这样的探针探测操作过程中不仅可以检测到加速度的峰值而且还可以检测到角加速度

的峰值。评估与控制单元14因此优选地被设置用于除了速度和角速度数据之外优选地还调查角加速度数据。由于从度量衡学观点看希望如图4中示意性表明的这样的倾斜的探针探测，所以评估与控制单元14优选地被设置用于如果角加速度

的绝对值超过第一角加速度阈值46就将探针探测质量确定为良好或有效，因为这表明测量工具10的这样的倾斜握持的探针探测。以与当考虑加速度a时相类似的方式，还优选的是评估与控制单元14另外还调查之后是否不再超过第二角加速度阈值48，该第二角加速度阈值小于第一角加速度阈值46。这还将表明探针探测质量良好。

对探针探测操作的质量或有效性的评估可以以多种不同方式用在根据本发明的测量系统100中。例如，评估与控制单元被设置用于如果已经证明探针探测为有效则经由致动器16生成光信号、声信号和/或触觉信号。使用者因此接收到探针探测是否成功的直接反馈。另外，评估与控制单元14可以被设置用于仅在证明探针探测为有效时将探针本体28的所捕捉到的位置坐标作为测量值存储在数据存储单元18中。这确保了仅存储已经以足够的准确度测量的测量点。

应指出的是，在本发明的前述解释过程中，始终假设了将光学标记24连接至探针本体28上的理想刚性本体。然而，在实践中，由于在探针探测过程中发生的力，将会在测量工具10和有待测量的工件20内发生变形(例如当测量薄片状金属或塑料时)。然而，在当前的情况下，例如由于压缩或弯曲应力而发生的这些变形被忽略。然而，如果力测量传感器可以被集成在测量工具10中或作用在探针本体28上的力可以以另一种方式来计算，则可以使用与在DE 10 2008 049 751 A1和EP 2 172 735 B1中描述的那些相类似的校正计算方法。此外，可以藉由评估与控制单元14被设置用于在对应地计算位置坐标时向回计算到确切的探针探测时刻来提高根据本发明的测量系统100的准确度。这是因为评估与控制单元14通常将会倾向于仅将探针探测时刻t₁之后不久捕捉到的位置坐标存储为测量值。结果就同样可能发生测量不准确。评估与控制单元14因此可以被设置用于通过推断加速度数据来向回计算探针探测时刻的位置坐标。例如，时刻t₁前不久的测量值和时刻t₁之后的测量值可以通过线性回归来各自连成近似的直线，其结果是可以使用这两条近似法直线(t₁之前和t₁之后)的交点来估计时刻t₁。从EP 0 753 717 A2、EP 0 556 574 A2和EP 0 599 513 A1中已知这种类型的示例性进一步技术。

Claims (15)

1.测量工件的光学测量系统(100)，具有：

-测量工具(10)，该测量工具具有探针本体(28)和光学标记(24)；

-相机(12)，该相机用于记录与该测量工具(10)相关的图像数据；以及

-评估与控制单元(14)，该评估与控制单元被设置用于评估该相机(12)所记录的图像数据并且使用所述数据借助于该光学标记确定与该探针本体(28)相关的位置数据，所述位置数据包含该探针本体(28)的空间位置坐标，

该评估与控制单元(14)还被设置用于由与该探针本体(28)相关的所述位置数据计算与该探针本体(28)相关的速度数据和/或加速度数据并且基于与该探针本体(28)相关的所述速度数据和/或加速度数据来出于捕捉测量点的目的而确定在测量测量对象(20)的过程中是否存在其中该探针本体(28)与该测量对象(20)发生接触的探针探测。

2.根据权利要求1所述的光学测量系统，该测量系统(100)还具有数据存储单元(18)，并且该评估与控制单元(14)被设置用于如果确定了存在探针探测则将该探针本体(28)的空间位置坐标作为测量值存储在该数据存储单元(18)中。

3.根据权利要求2所述的光学测量系统，该评估与控制单元(14)被设置用于如果确定了存在探针探测则除了该测量值之外还将速度矢量存储在该数据存储单元(18)中，该速度矢量能够由所述速度数据来确定并且描述紧邻探针探测时刻之前的该探针本体(28)的移动。

4.根据权利要求1所述的光学测量系统，该评估与控制单元(14)被设置用于由与该探针本体(28)相关的所述位置数据计算与该探针本体(28)相关的加速度数据并且如果所述加速度数据中所包含的第一加速度值的绝对值超过第一加速度阈值(36)，则确定存在探针探测。

5.根据权利要求1所述的光学测量系统，该评估与控制单元(14)被设置用于由与该探针本体(28)相关的所述位置数据计算与该探针本体(28)相关的加速度数据和速度数据并且如果所述加速度数据中所包含的第一加速度值的绝对值超过第一加速度阈值(36)并且所述速度数据中所包含的速度值的绝对值然后低于速度阈值(38)，则确定存在探针探测。

6.根据权利要求4或5所述的光学测量系统，该评估与控制单元(14)被设置用于如果确定了存在探针探测，如果所述加速度数据中所包含的并且时间上在该第一加速度值后面的第二加速度值的绝对值在预定义时间间隔内没有超过第二加速度阈值(40)，则将探针探测质量认定为有效，所述第二加速度阈值(40)小于所述第一加速度阈值(36)。

7.根据权利要求4或5所述的光学测量系统，该评估与控制单元被设置用于如果确定了存在探针探测，如果所述加速度数据中所包含的所述第一加速度值的绝对值没有超过第三加速度阈值(44)，则将探针探测质量认定为有效，所述第三加速度阈值(44)大于所述第一加速度阈值(36)。

8.根据权利要求1所述的光学测量系统，该评估与控制单元(14)被设置用于使用该相机(12)记录的图像数据借助于该光学标记(24)确定与该测量工具(10)相关的定位数据，该定位数据包含与该测量工具的空间取向相关的信息，该评估与控制单元(14)还被设置用于由与该测量工具(10)相关的所述定位数据计算与该测量工具(10)相关的角加速度数据。

9.根据权利要求8所述的光学测量系统，该评估与控制单元(14)被设置用于如果确定了存在探针探测，如果所述角加速度数据中所包含的第一角加速度值的绝对值超过第一角加速度阈值(46)则将该探针探测质量认定为有效。

10.根据权利要求9所述的光学测量系统，该评估与控制单元(14)被设置用于如果确定了存在探针探测，如果所述角加速度数据中所包含的并且时间上在该第一角加速度值后面的第二角加速度值的绝对值在预定义时间间隔内没有超过第二角加速度阈值(48)，则将探针探测质量认定为有效，所述第二角加速度阈值(48)小于所述第一角加速度阈值(46)。

11.根据权利要求6所述的光学测量系统，该测量系统(100)还具有光学、声学或触觉致动器(16)，并且该评估与控制单元(14)被设置用于如果探针探测被质量认证为有效的则经由该致动器生成光信号、声信号或触觉信号。

12.根据权利要求1所述的光学测量系统，该探针本体(28)和该光学标记(24)经由刚性本体(30)彼此连接。

13.根据权利要求1所述的光学测量系统，该光学标记(24)具有以分布式方式安排在该测量工具(10)上的至少三个光学标记元件(22a-22c)。

14.根据权利要求13所述的光学测量系统，这些标记元件(22a-22c)是被安排共用平面内的被动光学标记元件。

15.根据权利要求1所述的光学测量系统，该探针本体(28)呈探针球或探针尖端的形式。

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