DE102005026654A1

DE102005026654A1 - Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Vermessung der Geometrie, Raumposition und Raumorientierung von Körpern

Info

Publication number: DE102005026654A1
Application number: DE102005026654A
Authority: DE
Inventors: Bruno Dr. Knobel; Charles Dr. Findeisen; Frank Bartl
Original assignee: IFE IND FORSCHUNG und ENTWICKL; IFE INDUSTRIELLE FORSCHUNG und ENTWICKLUNG GmbH
Current assignee: IFE IND FORSCHUNG und ENTWICKL; IFE INDUSTRIELLE FORSCHUNG und ENTWICKLUNG GmbH
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2006-12-14
Also published as: CN101267776B; CN101267776A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung der Geometrie, Raumposition und Raumorientierung von Körpern (1) samt optional austauschbaren oder verstellbaren Einsätzen (3), die mit Markern (2) und Mustern (8) versehen sind. Die zu messenden Körper (1) können starr oder teilweise plastisch verformbar sein. Bei der Vermessung wird ein geeignetes optisches Navigationssystem (5) verwendet (Fig. 1). DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren mit einer derartigen Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Vermessung der Geometrie, der Raumposition und der Raumorientierung von sich beliebig im Raum befindlichen Körpern mit einem geeigneten optischen Navigationssystem.
Die Körper können starr sein oder aus einer geeigneten Kombination von starren und plastisch verformbaren Komponenten bestehen. Solche Körper sind beispielsweise Werkzeuge oder Werkstücke mit optional austauschbaren oder verstellbaren Einsätzen samt Spitzen. Eine Spitze kann beispielsweise ein Skalpell, ein mechanischer Marker oder ein Schraubendreher sein.

Gängige Vorrichtungen setzen in der medizinischen Operationstechnik Werkzeuge ein, deren Raumposition und/oder Raumorientierung mittels optischer Navigationssysteme in Echtzeit ermittelt werden. Beispiele solcher Verfahren sind in den Patentschriften US 5792147 oder US 6061644 beschrieben. Auch in der Fertigungstechnik und der Qualitätssicherung werden solche Verfahren bei der Vermessung von Einzelteilen und Baugruppen eingesetzt. Die Werkzeuge sind mit Navigationshilfen wie beispielsweise einem Schild mit definiertem, passivem Muster oder drei retro-reflektierenden Kugeln ausgestattet, deren Lagen bezüglich des Werkzeugs ausreichend präzise bekannt sind. Damit wird beispielsweise die Raumposition der Werkzeugspitze mittels der vom Navigationssystem erfassten Kugelpositionen bestimmt. Die Geometrie der Werkzeuge muss dabei vor der praktischen Verwendung bezüglich der Kugeln ausreichend exakt bekannt sein. Dies gilt insbesondere für Werkzeuge mit austauschbaren oder verstellbaren Einsätzen, welche beispielsweise mit Spitzen oder Skalpellen versehen sind. Dabei wird typischerweise das Werkzeug mit einer Kalibriervorrichtung in geeigneter Weise mechanisch in Kontakt gebracht und mit dem optischen Navigationssystem ausgemessen. Die Position und Lage der Kalibriervorrichtung selber wird mittels Markern vermessen, deren Positionen in der Kalibriervorrichtung ausreichend exakt bekannt sind. Wird das Werkzeug ohne vorgängige Kalibration eingesetzt, ergeben sich die erreichbaren Genauigkeiten der Raumlagen und Raumpositionen unter anderem aus der Toleranz der Werkzeugfertigung. Zusätzlich besteht immer die Möglichkeit, dass versehentlich deformierte Werkzeuge eingesetzt werden.

In der Medizinaltechnik werden gewisse Typen von Implantaten (Werkstücke) iterativ vor Ort so lange der entsprechenden Anatomie angepasst, bis die erreichte Form als ausreichend beurteilt wird. Gegebenenfalls kann die Form mit Hilfsmitteln, wie Messtastern, überprüft werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass der Messvorgang zur Ermittlung der Geometrien, räumlichen Position und Orientierung von Körpern mittels optischen Navigationssystems wesentlich vereinfacht wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass auf der gesamten Oberfläche oder einem Teil der Oberfläche des Körpers ein oder mehrere bezüglich der Körpergeometrie ausreichend exakt definierte Muster angebracht sind und dass mit dem einen optischen Navigationssystem sowohl zuerst die Lage der aktiven oder passiven Marker bezüglich des oder der Muster auf dem Körper als auch danach mittels der Marker mit jetzt bekannter Lage die Position und Orientierung des Körpers im Raum messbar ist, wobei die exakte räumliche Lage der Marker bezüglich des Körpers vorgängig nicht bekannt sein muss.

Das eine optische Navigationssystem führt also sowohl zunächst den Kalibriervorgang durch die Bestimmung der Körpergeometrien bezüglich der Marker durch, als auch anschließend die Vermessung der Position und Orientierung des Körpers im Raum mit Hilfe der zuvor ermittelten Markerpositionen. Auf eine besondere Kalibriervorrichtung kann somit verzichtet werden, und es wird gleichzeitig eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung der Raumlage und Raumposition des Körpers erreicht. Die Bestimmung kann auch während des Gebrauchs oder Einsatzes des Körpers, z.B. als Werkzeug, fortlaufend wiederholt werden, so dass der Gebrauch des Körpers immer wieder angepasst und eine hohe Präzision erreicht werden kann. Das optische Navigationssystem beinhaltet zur Erfüllung dieser Aufgaben entsprechend optimierte Algorithmen.

Das oder die Muster am Körper können aus einer Kombination aus Linien, Kreisen, Ellipsen, Dreiecken oder Rechtecken aus geeigneten Materialien bestehen. Sie können dem jeweiligen Zweck entsprechend optimal ausgewählt werden und können auch aktive oder passive räumlich ausgedehnte Bereiche oder Kombinationen davon am Körper sein.

Das optische Navigationssystem ist mit bevorzugt drei Flächenkameras ausgestattet. Durch die Anordnung und die optischen Eigenschaften der Kameras lässt sich das Arbeitsvolumen des Navigationssystems bestimmen.

Der Körper kann optional mit austauschbaren und/oder verstellbaren Einsätzen mit ihrerseits geeigneten Kombinationen von Mustern auf der Oberfläche und aktiven oder passiven Markern ausgerüstet sein, so dass die Geometrie des Körpers mit optionalen Einsätzen samt Spitzen bezüglich aller Marker bekannt ist.

Es ist von Vorteil, wenn die ganze Oberfläche oder zumindest Teile der Oberfläche der Muster und/oder der Marker mit einer schmutzabweisenden Schutzschicht versehen sind. Dadurch werden Messresultate weniger durch Verschmutzungen, wie beispielsweise Blutspritzer oder verunreinigte Luft, beeinträchtigt.

Auch nach einer plastischen Verformung eines Teilbereichs des Körpers kann dessen Form mit Hilfe der Muster und Marker bestimmt werden, und zwar sowohl wenn die Verformung vor als auch wenn sie während des praktischen Einsatzes des Körpers stattfindet.

Die geometrische Form des Körpers und des optional austauschbaren oder verstellbaren Einsatzes samt Spitze kann anhand der Muster und Marker mit dem optischen Navigationssystem periodisch während des Gebrauchs überprüft wird.

Der gesamte Körper, die Einsätze oder Teile davon, wie beispielsweise das Muster und/oder der Träger mit den Markern können bei Bedarf für einen einmaligen Gebrauch ausgelegt, also Einwegteile sein. Dies kann bei bestimmten Anwendungen z.B. aus hygienischen Gründen angezeigt sein.

Der Körper oder Teile davon samt optional austauschbarem oder verstellbarem Einsatz können in Spritzgusstechnik oder plastisch formgebenden Techniken aus geeigneten Materialen oder einer Kombination von verschiedenen Materialien hergestellt werden.

Die Erkennung des Körpertyps kann durch die Auswertung der aufgebrachten Muster und/oder einer auf dem Körper angebrachte Identifikation erfolgen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der anhängenden Zeichnungen beispielhaft näher erläutert; es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Anwendungsbeispiels der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Anwendungsbeispiels der Erfindung,
3 bis 5 schematische Darstellungen möglicher Muster auf einem Körper bzw. Werkstück oder Implantat und
6 eine schematische Darstellung einer möglichen Körperidentifikation.
Gemäß 1 besteht ein hinsichtlich seiner geometrischen Parameter zu bestimmendes Werkstück aus einem zylindrischen Körper 1, der mit einem austauschbaren und verstellbaren Einsatz 3 ausgestattet ist, welcher an seinem einen Ende in eine Spitze 4 übergeht, die ebenfalls austauschbar sein kann. Der Körper 1 und der Einsatz 3 sind mit einer Kombination von geeigneten Mustern 8 auf ihrer Oberfläche sowie von aktiven oder passiven Markern 2 ausgestattet. Aktive Marker sind Licht emittierende Gebiete. Dies können Leuchtdioden oder ausgedehnte, abgegrenzte Bereiche sein. Passive Marker sind beispielsweise retro-reflektierende Kugeln. In der dargestellten Ausführungsform ist der Körper 1 mit drei Kugeln 2 als Marker 2 bestückt, die mit Hilfe eines Trägers 7 am Körper 1 angebracht und im Raum unterschiedlich ausgerichtet sind. Die Kugeln 2 befinden sich dazu an den einen Enden unterschiedlich ausgerichteter Stiele, deren andere Enden am Träger 7 befestigt sind. Eine weitere Kugel 2 befindet sich als Marker 2 am der Spitze 4 entgegengesetzten Ende des Einsatzes 3. Die Muster 8 auf den Oberflächen des Körpers 1 und des Einsatzes 3 bestehen nach 1 aus einer Kombination von geraden Linien und Kreislinien unterschiedlicher Stärke in unterschiedlichen Abständen. Allgemein können diese Muster 8 aus einer geeigneten Kombination von Linien endlicher Breite, Kreisen, Ellipsen, Drei- oder Rechtecken bestehen; sie weisen einen hohen Lichtkontrast auf, damit die von einem bildgebenden System erfassten Informationen ausreichend genau ausgewertet werden können. Die Muster 8 können passiv oder selbstleuchtend sein. Die Geometrie eines Körpers 1 samt Einsatz 3 wird durch die Muster 8 für das Vermessen ausreichend exakt definiert. Wesentliche Elemente der Körpergeometrie sind beispielsweise der Durchmesser, ausgezeichnete Körperachsen sowie ausgezeichnete Positionen der austauschbaren Einsätze 3 samt Spitzen 4. Die exakte räumliche Lage der Marker 2 bezüglich des Körpers 1 muss dabei vorgängig nicht bekannt sein. Am Körper 1 ist außerdem eine Identifikation 13 vorgesehen, die das Erkennen eines bestimmten Körpers 1 bzw. Werkstücks erlaubt. In 6 ist ein mögliches Beispiel einer solchen Identifikation 13 wiedergegeben.
Das optische Navigationssystem 5 der Vorrichtung ist mit drei Flächenkameras 6 ausgestattet. Mit dem optischen Navigationssystem 5 wird zuerst die Lage der aktiven oder passiven Marker 2 bezüglich des Musters 8 auf dem Körper 1 samt Einsatz 3 kalibriert. Damit sind alle wesentlichen geometrischen Elemente des Körpers 1 bezüglich der Marker 2 ausreichend bekannt. Mit Kenntnis der so bestimmten Markerlagen wird dann die Position und Orientierung des Körpers 1 im Raum mit demselben Navigationssystem 5 gemessen. Auf eine besondere Kalibriervorrichtung kann also verzichtet werden. Zur Erfüllung seiner Aufgabe beinhaltet das Navigationssystem 5 entsprechend optimierte Algorithmen. Das Navigationssystem 5 kann auch mehrere Körper 1 vermessen, die sich in seinem Messvolumen oder Arbeitsvolumen befinden. Das Arbeitsvolumen des Navigationssystems 5 wird durch die Anordnung und die optischen Eigenschaften der Kameras 6 bestimmt.
Da die Markerpositionen bezüglich der Körpergeometrie vom Navigationssystem 5 mittels der Muster 8 auf dem Körper 1 selbst ermittelt respektive überprüft wird, kann die erforderliche Toleranz der Markerpositionen bei der Fertigung von Körpern 1, Körperteilen oder Einsätzen 3 reduziert werden. Die Marker 2 können direkt in die Körper 1 und austauschbaren Einsätze 3 integriert oder, wie dargestellt, auf einem Träger 7 montiert sein, der mittels geeigneter Vorrichtung mit dem Körper 1 austauschbar verbunden ist. Die exakte räumliche Lage der Marker 2 bezüglich des Körpers 1 muss vorgängig nicht bekannt sein.
Auf eine Kalibriervorrichtung kann vorteilhafterweise verzichtet werden, weil der Körper 1 bzw. ein Werkzeug 1 und der Einsatz 3 samt fester oder austauschbarer Spitze 4 bestimmte Eigenschaften bezüglich Muster 8 und Marker 2 besitzt. So wird die genaue Lage eines verstellbaren, mit Muster 8 und Marker 2 versehenen, ausreichend präzise definierten Einsatzes 3 mit Spitze 4 bezüglich der Muster 8 und Marker 2 auf dem Körper 1 oder Werkzeug 1 zu Beginn des Gebrauchs bereits durch das Navigationssystem 5 kalibriert. Der Einsatz 3 mit Spitze 4 kann auch während der Verwendung relativ zum Körper 1 oder Werkzeug 1 nach Bedarf verstellt oder neu eingestellt werden, da die wesentlichen Elemente der Geometrien von Werkzeug 1 und Einsatz 3 samt Spitze 4 immer bezüglich der vom Navigationssystem 5 gemessenen Marker 2 bekannt sind.
Oft ist es von Vorteil, die Geometrie von plastisch verformbaren Körpern 1 oder optionalen Einsätzen 3 den einzelnen Arbeitsschritten anzupassen. Dabei wird die Änderung des definierten Musters 8 auf der Oberfläche als Basis für die Änderung der Körpergeometrie verwendet. Der Körper 1 kann beispielsweise ein Werkzeug mit austauschbarem Einsatz 3 sein, der bedarfsweise in einem definierten Bereich 9 zu Beginn plastisch verformt (siehe 2) und dann mit dem Navigationssystem 5 ausgemessen wird. Der Körper 1 kann ein Implantat 10 (siehe 3) oder sonst ein Werkstück sein. Dieser Körper 1, welcher mit Muster 8 und beispielsweise mit Löchern 11 für Befestigungsschrauben versehen ist, wird solange verformt und vom Navigationssystem 5 ausgemessen, bis die schliesslich erreichte Form den vorher ermittelten Vorgaben entspricht.
Die Körper 1, Körperteile oder austauschbaren Einsätze 3 können für den einmaligen Gebrauch aus geeigneten Materialien mit Fertigungsmethoden, wie beispielsweise Spritzguss, kostengünstig hergestellt werden. Damit kann die gesamte Logistik der Körper 1 oder Einsätze 3 vereinfacht werden.
Die Verschmutzung der Muster 8 und der Marker 2 kann reduziert werden, indem die Oberflächen mit schmutzabweisenden Schichten versehen werden. Eine solche Schicht kann Epilame sein, welches seit vielen Jahren in der Uhrenindustrie verwendet wird. Damit werden beispielsweise die Messresultate bei einer Überprüfung der Körpergeometrien weniger durch Verschmutzung, wie beispielsweise Blutspritzer oder verunreinigte Luft, beeinträchtigt.
Der die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird also dadurch gelöst, dass ein Teil oder die gesamte Oberfläche eines Körpers 1 mit Mustern 8 bedeckt ist; diese Muster 8 müssen dabei bezüglich Material und Form geeignet sein.
Ein solches Muster 8 besteht vorzugsweise aus einer geeigneten Kombination aus reflektierenden, nicht reflektierenden, fluoreszierenden, phosphoreszierenden oder selbstleuchtenden Materialien. Lage und Form des Musters 8 auf dem Körper 1 und dem optionalen austauschbaren oder verstellbaren Einsatz 3 werden bei der Herstellung definiert. Passive Muster 8 müssen mit Licht angeblitzt oder beleuchtet werden. Die von den Kameras 6 des Navigationssystems 5 erfassten Muster 8 müssen kontrastreiche Grauwertbilder sein.
Das Muster 8 ist eine geeignete Kombination von Linien unterschiedlicher Breite, Kreise, Ellipsen, Dreiecke, Rechtecke. Teile des Musters 8 können zur effizienten Zuordnung des Musters 8 zur Körpergeometrie 12 oder als Identifikation 13 der Körper 1 einschliesslich der optionalen Einsätze 3 dienen. Das Muster 8 kann den gesamten Körper 1 oder einen Teil davon bedecken. Beispiele dafür sind in den 1, 2, 3 und 4 dargestellt, wobei die 3 mögliche Muster 8 für einen Körper 1 mit mehreren plastisch verformbaren Bereichen, z.B. ein Implantat 10, zeigt. Dies gilt auch für die auswechselbaren oder verstellbaren Einsätze 3 samt Spitzen 4. Dabei muss die Lage des Musters 8 auf dem Körper 1 bekannt sein, so dass mit der Kenntnis des Musters 8 eindeutig die wesentlichen Elemente der Körpergeometrie 12 bestimmt werden können.
Das Muster 8 weist bevorzugt Linien endlicher Breite auf, wie es beispielsweise in der 1 dargestellt ist. Die Bilder der Linien auf den Kamerasensoren sollen typischerweise vier bis zehn Pixel breit sein, damit das Muster 8 und damit die wesentlichen Elemente der Körpergeometrien 12 ausreichend genau bestimmt werden können. Sind die Fokuslängen der Kameras 6 fix und variiert der Abstand zwischen dem Körper 1 und dem Navigationssystem 5 stark, besteht das Muster 8 bevorzugt aus Linien verschiedener Breite. Die breiten Linien des Musters 8 werden somit vor allem bei grossen Distanzen zwischen dem Körper 1 und dem Navigationssystem 5 verwendet. Die dünnen Linien des Musters 8 werden vor allem bei kleinen Distanzen verwendet.
Der dem Verfahren zugrunde liegende Teil der Aufgabe wird gelöst durch die Erfassung der Positionen der Marker 2 und der Muster 8 auf Körper – und Einsatzoberflächen mittels des Navigationssystems 5. Das Verfahren wird durch die Kombination der geeigneten Muster 8 mit geeigneten Algorithmen des Navigationssystems 5 wesentlich vereinfacht. Die räumlichen Positionen der Marker 2 bezüglich der Muster 8 auf dem Körper 1 und auf dem optionalen Einsatz 3 samt Spitze 4 werden mit dem Navigationssystem 5 kalibriert. Das Ergebnis der Kalibration kann verbessert werden, indem mit dem Körper 1 bzw. Werkzeug geeignete Bewegungsabläufe, wie Rotationen in geeigneten Abständen bezüglich des Navigationssystems 5 durchgeführt werden. Dies gilt insbesondere für die Detailerfassung bei der Körperspitze 4. Die Kalibration kann jederzeit wiederholt werden. Damit kann die Geometrie 12 des Körpers 1 oder der Spitze 4 auf unbeabsichtigte Deformationen hin überprüft werden. Nach der durchgeführten Kalibration wird die Position und Orientierung des Körpers 1 im Raum aufgrund der Marker 2 selbst vom gleichen Navigationssystem 5 gemessen. Befinden sich gleichzeitig mehrere Körper 1 im Messvolumen des Navigationssystems 5, dann muss sich die geometrische Anordnung der Marker 2 jedes Körpers 1 von derjenigen der anderen ausreichend unterscheiden.

1: Körper
2: Marker
3: Einsatz
4: Spitze
5: Navigationssystem
6: Kamera
7: Träger
8: Muster
9: plastisch verformbarer Bereich
10: Implantat
11: Löcher
12: Körpergeometrie
13: Identifikation

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen Vermessung der Geometrie, Raumposition und Raumorientierung eines Körpers mit einem optischen Navigationssystem, wobei der Körper mit mindestens drei aktiven oder passiven Markern ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der gesamten Oberfläche oder einem Teil der Oberfläche des Körpers (1) ein oder mehrere bezüglich der Körpergeometrie (12) ausreichend exakt definierte Muster (8) angebracht ist oder sind und dass mit dem einen optischen Navigationssystem (5) sowohl zuerst die Lage der aktiven oder passiven Marker (2) bezüglich des oder der Muster (8) auf dem Körper (1) als auch danach mittels der Marker (2) mit jetzt bekannter Lage die Position und Orientierung des Körpers (1) im Raum messbar ist, wobei die exakte räumliche Lage der Marker (2) bezüglich des Körpers (1) vorgängig nicht bekannt sein muss.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Muster (8) aus einer Kombination aus Linien, Kreisen, Ellipsen, Dreiecken oder Rechtecken aus geeigneten Materialien besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Muster (8) aktive oder passive räumlich ausgedehnte Bereiche oder Kombinationen davon sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Navigationssystem (5) mit drei Flächenkameras (6) ausgestattet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) optional mit austauschbaren und/oder verstellbaren Einsätzen (3) mit geeigneten Kombinationen von Mustern (8) auf der Oberfläche und aktiven oder passiven Markern (2) ausgerüstet ist, sodass die Geometrie des Körpers (1) mit optionalen Einsätzen (3) samt Spitzen (4) bezüglich aller Marker (2) bekannt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ganze oder Teile der Oberfläche der Muster (89 und/oder der Marker (2) mit einer schmutzabweisenden Schutzschicht versehen sind.
Verfahren mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Körpers (1) nach einer plastischen Verformung eines Teilbereichs des Körpers (1) mittels der Muster (8) und Marker (2) bestimmt wird, indem die Verformung vor oder während des praktischen Einsatzes stattfindet.
Verfahren mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Form des Körpers (1) und des optional austauschbaren oder verstellbaren Einsatzes (3) samt Spitze (4) anhand der Muster (8) und Marker (2) mit dem optischen Navigationssystem (5) periodisch während des Gebrauchs überprüft wird.
Verfahren mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Körper (1), die Einsätze (3) oder Teile davon wie beispielsweise das Muster (8) und/oder der Träger (7) mit den Markern (2) für einen einmaligen Gebrauch verwendet werden.
Verfahren mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) oder Teile davon samt optional austauschbarem oder verstellbarem Einsatz (3) in Spritzgusstechnik oder plastisch formgebenden Techniken aus geeigneten Materialen oder einer Kombination von verschiedenen Materialien hergestellt werden.
Verfahren mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung des Körpertyps durch die Auswertung der aufgebrachten Muster (8) und/oder einer auf dem Körper (1) angebrachten Identifikation (13) erfolgt.