+ All Categories
Home > Documents > Script Practical Course Instrumentation - TUHH

Script Practical Course Instrumentation - TUHH

Date post: 11-Feb-2022
Category:
Upload: others
View: 6 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
30
9LGHRPHWULDQG5RERWL 9LGHRPHWULDQG5RERWL -|UJ:ROOQDN 7HKQRORJLDO8QLYHUVLW\+DPEXUJ+DUEXUJ'HSDUWPHQW0DKLQH7RROVDQG$XWRPDWLRQ)7,, 'HQLNHVWUDH +DPEXUJ *(50$1< 6WUXWXURIWKH/HWXUH 3UREOHP'HILQLWLRQ 0HDVXULQJ,QVWUXPHQWV 5RERW0RGHO *HRPHWUL&DPHUD0RGHO (GJH'HWHWLRQ &XUYH$SSUR[LPDWLRQ 7ULDQJXODWLRQZLWK6WUXWXUHG/LJKWLQJ &DOLEUDWLRQRI3DUDPHWUL0RGHOV $UHDV RI $SSOLDWLRQ +LVWRU\ DQG 6WDWHRIWKH$UW 7HKQRORJ\
Transcript
Page 1: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

������������� �����

������������������������������������������������ �!�������"�������������#���������$%�&&'

���������(��)*�+),�������-. "#/0

������������������

�1������ �2�������*"��������&����������, ����"����3-�������4�����"����5.��� �������64����#!!��7�������)�������������8���9��������:�������;4�����������21��������"�����< #���� �2 #!!�������� ������� ��� 9������2�����#�����������

Page 2: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

*

� �����������������

Problem Definition

67**

2TQH�&T�Ä+PI�-�4CNN

� ���� �

&T�Ä+PI� ,�9QNNPCEM

repetition accuracy

50 - 100 µm

absolute positioning accuracy

2 - 10 m m

�Robot fram e is indicated approxim ately or not

Angle error of 0.1° of 1 m length results in a arc length error of 1.7 m m

zero errors of the sensors and

arc errors between w orld and robot fram e

=> problem :

%��=�=1������ �2�������

��� !������� ��� �2 ���������� ������ �� ����2������� �������������>��������������������!���2���������!����������!�����������������������?�����@!���A?������������������������!�����������!��������������8���� �� ������� 2������ �=�= ��!����� ���+�� ������ 5+�

�++µ�= ��������������������� ���������� ���������� ��� ����2������ ���� �!!��7������� �� ��� �� ���= #�������� �����!���� ��������� ������ �� �����2��� ������������� 8��� ��������B��� ��� �������� !��� �����= &����������� ������� ���� ���8�� ����������� ����������!�����������������=

%���7��!����+=�C�����������2������������7���2������������ ������� �� � !���������� ����� �� ��� �� ������ �2�!!��7=�=)��=���������������8���B���!�������������2��� ������� ��� �� ������ ���8��� ����� ��� ������ ����������������������������������2������2������������������!��������=

&� �����D� ����� !���������� ������ ��� �������������!�����������= ������� ���� ��� ��>���� �� �7!���������=#2��� ��� ����� ��� ���� �8����� �� �� �� ����� ���� ������������� ��2�����!���=#� ����!������� ��� ��������!����

Page 3: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

,

��������������B���=9�������2�������!���������������������� �������� ���� ��� ��>����� !���� �� �!������� ����!!��!��������������!�������!����=����������2!������2�����������7������������������!���������!���������2����7������������������>��������������������!����2������������!!��= �������������!���������!���������� ����� 8��� ���� �������� �� ����� !���� 8��� ��� �!��2���!������������=

�������2�������!��������� ���� ������8�8��� �����!������������� �������!�������� �������� ��������� ������ ���� ��� ��8 2��7�������= �8����� ���� ������2������� !����� �� ��� ���������� �������� ��� �������������� �2 ������� !�� ����= &� ��������� �������!�������� ���� �� �� ��!����� �2��� ���������E��������� ����!���������!�������8����������!������=

Blum e

Absolute positioning accuracy requires teaching

Separation of plant business and program m ing

%��=*= ����F22����1����������

��� ���� 2�� ��!������� �!������� ��� !���������� �2 ���!����2���������������2��������!��������8�����������2��� ����� ��������22����!�����������2 ������ $%��=*'=&������������������������2���������>��������������������8�������!������!����������������!����=#�������!�����2����������2�������!���������������>�������!��������������������������2�������������������������������8������!������ ���� �� ��������!���������������������=

��8����� �� ����� ���� ����� �22���� !����������� �������������>��������������!��2����!!��7����������������!�������������������������������������!��������

Page 4: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

3

�2 ������� ����������� ��� �� ��� ����������� �2 �! �� ����������������������8��������������2���������=��� ������������� ��������� ������ �����2���� ������������� �� !���� ������ ��� !����� !���� ���� ��� ������������������������������� ������=���������2�� ������� ���� �� ��� ������!���� �2 ������ ��������� ���� �����>���������������������!������������8���������=

Parameter identification frommeasured placing behavior

Classic : 3D - m odelglobalexact

hoursexpensive and sensitive m easuringinstrum ents

New : 2D - SCARA - m odelsecondseconom ical and robust videom etric position m easuring instrum entsensor tool changing capablesubpixel m easuring algorithm s

not global (400x400 m m )2

%��=,= ����4����������

#������� ����� ��� �� �������� �� ������� ������ �2�����������2���!����������2����������������������2���2��� ��� ����� ������� ��������� �2 ��� ������ $%��=,'=����!������������������������=����������������������2������ ����� ��� �2 , ������= ���� ����� �� � ��������!�������� �2 �����= 1���������� ���������� �7!����������������������������>��!����8������2����������!���? �� G�++�+++�G*++�+++ ? ����� �����2������ ������ ��������� �2 �� ���������� ����� ������ G,+�+++�G6+�+++= &���������� ���������� �2 ��� ��� ����� !��������� ��� ����������������=%�� ����� �����������2 ������������������8�������������!����2��������������������������������������= #������� ����� ����� !������� ��!!��������������������7�����������������������������2������!��������������������2���������������=

������8�����������!�����2�����22������!�8��2�����2����������������������������2��!�������!!������������������� �����= .�!������ 2�� 94# # $9�������4��!����� #������� ���� #��'� 8��� �� ��!������ 2����������8������������������������������������������������������!���8���

Page 5: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

5

• ������������!�������������• ��� �����22������ ������ ��� �������������� 44 ���������!�����������������������=

#������� ����� ����2��� ��� �>����� �� ��� !��� �2 ���������� ���������� ���������� ��� ������ ������� ��������!���������������������2�����!�������������2�������� �� �� �������� �� � ��!��� �������� !������ �23++��733+���8��� �� �������� ��22����� 2�� !���������=

� ��������������������

# ������ �2 ��������� ������� ��� �>��!���� 2��������������!����������������������2�������������������������������!���������!���������=

Judd ‘87 , Berg ‘90 , M eyer ‘91, Tradt ‘91

W atson ‘85, Lau ‘85,M ayer ‘86 , P renninger ‘92

Tradt ‘91, Beyer ‘95 ,Geuens ‘97

m easuring headpose and positions

sensors

inductiv, haptic:

ultra sonic soundvideo m etric:

W arnecke ‘86, Schiele ‘87,Gosse l ‘96

S tone ‘86, Berg ‘90 D ain is ‘85, Zhuang ‘96,

R oos ‘96, W ollnack ‘96

calibrating bodies

theodolites

laser interferom eterlaser tracking

videom etric

TC P - flange

LED -panel

C CD sensor

%��=3="��������&����������

����8���������� ���<;5����<;)� ���������8��� �����2��������� ��� ���������� ��������� �������= 4������������������� �� :��� ��� �� ��� ������ �2 G�++�+++ ���G�5+�+++� �� G,++�+++�G5++�+++= ��8����� ��� ����� ������������ ������� ���� ���� ������!�� ������ 2�� ������������������= ���������� ��������� ������� 8���������!�� ��� ���� �� ����� �� �<<�� H���� �� �<<5 ���-��������<<)=4�����������������������������������F1�F������ ����� ��� �!!��7������� G*++�+++= ��� ����!����2�����������������������������������������2�!�� ������� ��������� 8��� ��������� ������������ �� ���

Page 6: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

6

�E�+�� �����= ��� ��� �2 ���� �7!������ ����������>��!���������������������������2����������������!������� ��������� ������8��� ���� �� ���� ���������� ����������8�����������������!����2�!���������������������������=

#������������������ �������������������������������������� ��� ��2����� �����= ���� ����� ��� ��������������� �2 ��� �7������ ������� �� �� ������ �� ������������� �2 ��������� �� ��� !���������� ������������ �2 ���

��������������������2�=�=±�+���8������������������ !���� �� ������� ������ �2 ���������= ���� ������������ ���� ������� ���� !��� �� 8��� �� !�������������������������������=���!����2!������������������������������2�����2�!!��7�������*��!��������� !������� ��������� �������� ������ ���� ��>���� 6��������2,���������������������� �� ����������������=�������������������������������������������<;6�9����� �� �<;) ���-����� �� �<<6� ��� ��22���� �� ��������� ���������� !���� �� ��� �������= ���������� ��������������9���� ���<;6���H��� ���<<+� �������� ���� ���������� ����� �� ���� 2�� ��������� !�������� �� ����+I��������!������=

�����������������8��������� ��������<;6�J��������<<6��� ������<<6=H��������������44 ����������� �������� 8��� ����!�7�� !�������� ����� !�������� ����������� � �����22����� ��� ������ !������� ���������44 ����������������2������������������2���������� ��������� 8��� ���� � ��������� ����� �� ���I������$��������*++�'=���!����2��������������������� �2 G*�+++� 8��� �� �>�������� �� K��� 5��+L �2 ���!��� �2 ��� �����= ��� ��������� ���� ������� �� ������������ � ���� �� � ������ �� ��������� �>��!������������� ��������� 2�� ���� ������ ��� ����� ����� �� ����������������������2����������������!��������2�2���7��!��� ��� �������� !������ ������ !������ ���= #� ���!�����������������2����������������������������������������� ����� �2 ��� ����� ��������� ���!��� ��� ��������

Page 7: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

)

����������� �2 ��� ����� 8��� ���� �����!�������� ������������ �� ��� ����� �2 ��������� �2 ��� ���������!����������������=��8�����8�������������������2 ����������������������������������!�������� ���� �� ��������� 2�����2*?, ���� ��� ��!�������������2 ��� �����=#� ��� ����� 2��� ����8 ��� ��!������� ������ �����22�����������������������������������8���������2 ��22����� !������ �����2���� �� K����2� ��� �7��������7!����������������>��!����=

#� � ������ �����22����� ��������� ����� �������� 8�������������2�������������������8������������������������������������������8�������!���2������������������$%��=5'=

TCP-sensorcalibration body

robotcalibration body

assemblycalibration body

1D-laser 2D-CCD-camera

%��=5=4����������H����������������1�������"��������&���������

���� ���� ��� !�������� 2�� �����22����� ��� ���!�� ���������������� ��������8����!����������������������=�����������2�����������!������������������������������41�����2�������� �� 8��� �� ��� !������� �2 ��� ����������������� ������ �� ����� ��� !������� ������� 8��� ����>����� 2�� ��� ���������� ���8��= ���� �� �� ���� ���������� �������� ��2����� ������ �������� 8��� � ����������� ��������� ������ ��������� �2 ����� ������������� �����������44 �������������������!�7�������=�����2����� ����� ���� �!���� ������������� �������������������� �� ���� ��������� ��� ��22����� ��2���������������������8�������8�, !���������������������� �����=��� ��2����� ����� �� ������2������ �� ��8

Page 8: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

;

���8�����������2,+�)+µ��������������������������������������������8�����������2�!!��7=

)µ�= ��8����� ��� ������ ��>����� � ��!�������� �2 ������!������������������������������������������������2�����2���������$��!������������!���������22�������2

������ ��� �� ��� ����� �2 �+?,+µ�EC4E�'= ��� �41������ ��2����� ���� ������ ��������� ��� !��� ���8�������������41��������������������������2����������� ���� 2�� ���������� ��� ����� ����� ��� ��� ���������������� ���� ����� �2 ��� �������� !���� ��� ���� 2����������� ��� !��� ���8��� �������� ��� ����� ���������������=

���� ���!� �� �� ���� 2�� ��� ��� ����� ��������������������!����������������=

� ���������

%����8��� ��� �7!�������� �2 ��� ������� ������!���� ������������2������������!����2��������������������8�����8����������=

S i

S i+1

joint i

S R

T i

S G

S 0

w orldfram e

robotfram e

TC P

jo in t ( + 1)i

jo in t i

T i

x i+1

y i+1z i+1

x i

y i z i

%��=6=M������������2��������

��� ����������� ������� ��� �����2�������� �2 � !���� ���!��2����41�����������������������2����������������2 ������� ������������������� !��������� �2 ����7�������2���������$%��=6'=�����������������������������������������������K����=���K���������2������������������7!�����������������������2���������N

Page 9: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

<

v T v TD t

0i i i ii i

− − −− −= =

���

���1 1 1

1 1

1, with

D

ti

i

==

1

1

: orthogonal rotation matrix

: tanslation vector

⇒ = =∏T T f p xkk

( ),

x

p

: input vector

: parameter vector

==

#�������� ������������ �����2����������2 ��� ��������������� �� �������� ����� � !����� �2 ��� K���� ������2��������� �K= ���� ��!���� �� ���� ��� ��������!������������8����������������������������� =�����������!����������������������7�������������������������2��K������ K������ ��� ��� �����������������������2��� �������� ����������� �� �������� ��������� �2 ���K�����=#�������K��������������������������������������22��������!������2������7������������=����������������������� ��!������ ��� !������� ������ �2 ��� ��������!���������������2���K����������=

�����������E���7����������������������8����������2 ��������� � �������� ��!���� ��� ������ ����������������= &� ��� ��� ��� ��!���������2 �������� ������ ������� ������� ��������� ? �� ��� !������ ��� ��� !������������������� ? �� ��������8��� ��� ����� �!��2��� �� ����!!�������= ����� ���������� �22��� ���� �2 !�������� ������������������������!�������������2�����2�����������������2���������� ��������� �������������������=����!���������� �7����� ������ ����������� ���8��� ���!���������= #�� ����� ��� ��� ����� ���� ������������� �2 �������������������������������������!���������������������!�� ��������� �� 8��� �� ��� !��������� ������� ����������� �2 ��� ��!�� ��� ���!�� ��������� ������ �� �����2��=���� ������� �� � ������ ���������� �2 ��������������

Page 10: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

�+

����� 8��� ������ �� ��� ����������� ��������� ���������������������������2!������>���������=

! "�������#����������

����!!��!������������������������������68���2�������1���������������������8����2�������:��B=���������� 2��� ��� ������ �2 ��� ����� ��������� ������� �� �������� $�!������' �2 ��� ���� ��� B��7�� !������� �� ������������2����!�����7��=��������������������������� ��� ����7� $�������' �2 ���������� 2������ 8��� ��!��K���� ���� $���' ��K����� �� ��� 44 ������= �������������8��� ���������2 ��� ������� ���44 �����������!���� �� ���8���� �2 ��� ����� �= ���"��� !����$������� �� ��� ���������� !���� $�����������' �2 ��� �!�����7��8������44 �����������$������!����'����������������$ �� ��� ������ �2 ��� ������ ��������� ������= ���������2�����������$2��������!�����������'8������������8��� 44 �������� ���� �����2�� ���� $�������' ��� �����!�������� ��� $2���� �������' �� ��� ������� ����!����������� ��� �������� �� ��� ��!!�� ������ �2 �����!����=����������2����������������������������2�����!��������$�����'���������������2��!!��������2��������=�����2��!!�����������������������������=F����44 ���������������������������2����!�����7���������8������������=

Geom etric Camera Model

67**

2TQH�&T�Ä+PI�-�4CNN

� ���� �

&T�Ä+PI� ,�9QNNPCEM

fram e-g rabbe r-R A M

C C D -senso r

senso r norm a l vecto r�6 [ \� � �� �

data array :p ixe l[m ][n ]

optica l ax isc irce l

contour

idea lC C D -senso r

�U

�U

�Y¶

�Y¶

�Y¶

�:

�&

�&

�&

senso r fram e

w orld fram e

�:

�:

�:

%��=)=-�������4�����"����

Page 11: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

��

��� �����2�������� $�����' ���������� $!�����!����' �2 ������ !�7�� $!����' �� , ������ ��������� ������� �� * ������������2 ��� ���!���!������ �� ���8�������������2 �����!���� �� ���������B�� �� 2������������� $����'�����2���������N

�% �����2�������� �2 ��� !���� �2 ��� ��K�� 2��� �������������� ������ �� ����� ��������� ������ 8��� ��7������������!����������2����������������������=

& � &4

4

� �= �

��� &� � � � �= $ '� � � � F�K��!����������������

8����2�������

&4 4 4 4 �= $ '� � � � F�K��!����������������

�����2����=$�'

�%4������!��K������2���������!������$8����'������������������������������������������N

& ' &� 4= ����' =

−−

����

����

� �

� �

E

E

+ + +

+ + +

+ + +

+ + + �

���

� �= 4=$*'

�������������� ��������������� &���������� $������'

����������2�������������������������������=��������$�������'��!��������K����������B��2�����K��������������������8������2��������2��������=

�%:�������������

��� ���������� ����������� �2 ��� ���� ���� ������� ��� ����������� �������� �2 ��� ���� ������ �� �� ��������$�������'8��� ��� �!����� ��� ��������������� ������ �����!!����=��������������!����$!�7��'�2�������� $ '� �X X W �2

������������������$!����'8����������������2����������

Page 12: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

�*

��������� !���� $!�7��' $ '� �Y Y W �2 ��� ����� ������� ���

�>������N

� �

� �

������

=+ −

������

*

� � 3 *χ $ '$,=�'

��!������������������N

� �

� �

������

=+

������

� *χ $ ' �

8���� � �ε ε ε= +$ ' $ '* *�ε ∈ O � P� � $,=*'

����������!!����8����������������������������������χ�����������������=

!%#�K�������������2��������������N

&������������������2���44 ������������������������������� �����!���������2 ���������!��!�������� �� ����!�����7�� ��� ��� �7�� ������� $������'= ����� ����� �� ��

����������������8��������2�����������α����α�

���!�7��$!����'�2��������$ '� �6 6 W �2��������������������

���� �� ���������� $�����������' !���� �2 ��� !��K�����������8������!�������������������������������������� ��� �>������ $,' �� ��� ����� ������ !����� 8��� ��������!�������>��������2�������������!����N

$ ' $ '� � � �� �

9 9 �

9

�Q

9

�Q �= �

���( �� � � �

� � �9

�Q �Q�Q �Q �Q �Q

�Q �Q �Q= + −

−�� � *

* �

$ ' $ '

$ '�

��

� � � �� � � � � � ��Q &= ∈$ ' $ ' � O � Pα α � * �

�� +& � ��

= � �� �� � ����* + +& �= � �� $3'

��!��������8�������������N

Page 13: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

�,

$ ' $ '� � � �� �

� � �

9

&

9

& �= �

���( �� � � �

� � �9

& && & & &

& & &= + −

−�� � *

* �

$ ' $ '

$ '�

��

� � � (�

&

9

�Q= − −� � � �$ ' $ 'α α �

(9�Q 9 9 �= $ � � '� � + ����* + +& �= $ � � '� =$5'

�������!������������������������������������������

���������������������������!��������������244

��������������������������������������������=

)%9���2����������������������N

��� 2�������� !����!�� �2 ��� ������ �����2�� 2��� 44 ������ �� �����!!���������2 ��� �����!�����������$2�����������'���������!������������������B������2������!�����2��������������8���������!����2��>����!=�������������������2������������������������������2!�����>�������������������������244 �������8�������������������2����8������8����2�����$���2��=;'������������>�����B�������������2������!���������� ��� ����� ����� �� ��������B� ���� ��� 8������������� �����!�� �2 ��� ���������� �����= ����� ����������� ������ �� ��������� ��� ������� ��������!�����������= ������ $�������' ������� !������ �� ��������7�� ��� �������� ���� ��� ��� �������B�� ������ �2 ������������� !������ !�������� ��� ������ ��� �� ����!��������=

Page 14: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

�3

Horizontal and Vertical Scale Factors

67**

2TQH�&T�Ä+PI�-�4CNN

� ���� �

&T�Ä+PI� ,�9QNNPCEM

������������

������

�����

�[

�\

������������

������

�����

�[

�\

��������

���������

���V

�S

����������

%��=;=����B���������������9���%�����

F8��� �� ����� ������ !��������� ��� !�7�� $!����' �2 ���

����� � �6 6W

�� � ��� �� ��� ����� ������ ��������� ������ �2

�����!!�����������2����8���!�7������������N

9

9

������

=−−�

���

��+������

E

E �$6=�'

�����������B���������������������2�����N

� �= ⋅ �

!� �� �= $6=*�,'

����������!����N

$ '� �� �

�=$6=3'

�������!�����!��2�����������������2����!�����7�������!�7���������������R���2�������44 ����������$���'���!���������7����!��������������������������2������� �� 7� ��� �� ��������� ������ ���� ��� ����� ������������ $����������' �2 ��� �7�� �������� �2 ����������!����!����������������!��������2��=)=

Page 15: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

�5

��!��� ����!������� $��������' �2 ���� ���������� �����K�������������2�������������!�������������������!����� !�������� ��� ������� �2 !������ �������2��!���������=��8�����������������������������=

%��� ��� �!���� �� ��� ������� ������ �����������$����������'�2��������������������������B����������=�������������2��������������������!�����$�������!!��������' ������� ���� �� ������� $����� �8��' 8������ ������� ����� �����2�� �� �!!���� ������� �2 H#9����������2��� 2����8�� �� ��� 44 ���� ��������B�� #E ��!��2���������������������!�����������=

��� ������� ��2����� $2����' �2 ��� 44 ����� �� �����������������8��������������������������$�!��2���'�� �!!������ $2��������' ����� !�������� ��� 8��� 1::�#E � #�!��2������� ���������� $������' ������� ����7!������ $�7�������' �2 44 �������= ��� �����������8��� �� �� !������� !����!���� 2���� �2��� ��� �������

$����������'�2�!������������!�������$�����������N τS�?, �����' �2 ����� ��� ����� !�������� ������� ����������������2��������������������!�������2����������!!����� �� �!����� ���!������� $��2��������' �������� ���������������K��=

• :��� ������ 8��� ��� ��� ���� �� �!���� 8��������� ���������� ����� $������ ������� �����E5+!�7���$!�����'�2��������'

• "������� ����������� �2 ������ ��������� ������������

• -���������������2�������$����8*+��'

• �������.7!�������2�������$≈*!!�EM'• :���� K����� ������� ���� ��� �7�� :����������������������8�����������#E �#�!��2����2��������!�����������$����8������2�2���!�7��'

• �������� ��2��2��������������������������� ����� !�������� ��� $2�� #E �#�!��2���

Page 16: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

�6

8������ ���1::�����82���!�7��� �� ��� �����������$����'�2��������'

• 4������ ����������� �2 ��� 1:: �� �������������!����2��>�����2#E ���!��2���$����8����������2���!�7��'

• /������������ !�7�� ��� �� ����!�����������2�����

•Errors of the Geom atrical Camera Model

67**

2TQH�&T�Ä+PI�-�4CNN

� ���� �

&T�Ä+PI� ,�9QNNPCEM

N o t ens e rro rs (< 1 /50 p ixe l) M echan ica l ins tab ilities o f the senso r m ount and the ob jec tive G eom etric d is to rtions o f the senso r (am ong 20 nm ) T herm a l expans ion o f the sensor (2 ppm /K ) L ine e rro rs by inaccura te synchron isa tion be tw een cam era and ana log-to -d ig ita l converte rs o f the fram e g rabber (under a ha lf p ixe l) P LL osz illa tion a t regu la r sam p ling frequency o f the ana log-to - d ig ita l conve rte r (unde r an e igh th o f a p ixe l) A sym m etrica l po in t p ic tu re resu lted from no t co rrec ted phases o f cam era s igna l filte rs

ro ta tiona l-sym m etric l

���%�*"�����2��������������������M������������

) +�����������

.���� ��� ��!������ 2������� �2 ������ 8��� ��� 2��������������������!!��������!���������������2������������������!���, �����������������������������=

Page 17: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

�)

1D Edge Detection

67**

2TQH�&T�Ä+PI�-�4CNN

� ���� �

&T�Ä+PI� ,�9QNNPCEM

sm othed edge

first derivate

maxima

threshold

second derivate

zero crossing po sition

greyva lues

%��=<=� .��� �������

&� � ������� ���� ����� ����� ����� �� ������� �� �������22������������=����8��������!��� ������2���������� ����� 8� ��� ���� �� ���� �� �� �!!��7�������������2��� �� ������7��� �2 ��� 2���� ���������� �� �� ���B��� �������� �2 ��� ����� �����������= # ���� ���!���������� �� � ���������������8��� ��������� ��� !�����������������������K���������=

&� ����������8����8����������������!������� 2���������������=%���������������������������������!�����!�������������=

#2��� ��� ���� �������� ������ 2����8��� ���������� ������� �� ��!��� ���� ������ 8��� ��2���� ��� ��������!�����2�����������=

�����������!!����������2����������!!��7�����������������������������=�������������8=

Page 18: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

�;

, #��&�-���� �������

&�����������������!������������������2����������K��� ��� ���!�� ���������� ���� 2���� ��� �������!!����� 2����8��� ���� 8��� �� ��� ���������� �����!��������8������������������N

$ ' $ $ '� $ '' � O � � �===� P � � �� �= ∈ −� + � * � $)'

�����������7������2���������������!�����=�������� �������� ������� ���!�� !��������� ���� �������� ����������������!������=

����� ���� ��� ����� �� ��� 2��� �2 ��� ������ 8���� ������������� �2 !�7��� �� ���!�7��� ������ ��� !���� �2 ��������=

������!��!�������������������� ������� ���!������������������8��N

� �1 1$ � � '� = + $;'

�� ���� ��� !������ �2 !�������� ����������� �2 ��� �����������������8���������������������������������������������!������=

"��! 1� � � � � � �

$ $ '� $ '� '=

∑��

���+

$<'

��� !�������� �3 �2 ��� ���� ����� �� �� 2���� ��

���������� 2������ �2 �!!������� $������������ 2������' �2��������������=

������������2���������2���������2�������!�������������!�������������������������

� � � �- N − + =+� �-�= $ � '� � $�+'

����������

� � � � �M N $ ' $ '− + − − =* * * +�

�M

�= $ � � '� � � $��'

Page 19: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

�<

���!�������� �� ��� 2���� �!!���� $!��7�����' �2����2��������������������44 ������

�������!������!���������������!����2���

� � � � � �. N $ ' E $ ' E− + − − =* * * * � + �

�.

�= $ � � � '� � � � =$�*'

&������ �2 ��� ����� �������� ���� ������ $2����'� ��������D�������2���������������!!����=�����!������������ ��8���� ��������2��8���� ���� ��� ������ 2����������������$����������'����������������2�������������������� !��������� $�=�= ��������� �2 ��� ����� ���������'=

. �������������/��������������������

�������������2��������������������������������������7!��������2!��������������2���!��K���������!��������� ��� �>����� ������= %���������� �� ������ ��������!������ !������ �2 ������ ������ �������= ���!��K����� ���� ��!������� �� ���� �� ������� �����= 9� 8����� �� ����� �8� ������ ��� 8� ���� �����2��� � ������������ ������= ��� , ���������� �� �� �������������������8�������>���������������������8������������!������ �� ������ �� ��� �����= ��� ���!���� ��� ����������B���������!����������������!���������������!��=&���� 44 �2���� 8� ������ � !�7�� �� ���!�7�� �������!���������� �����8������8���������� ��� ������2 ����!��������8���!�7�������!�7��!�������=%��������!�7��������������8��������������!�����������������=

&������������������������������������=&8�������������������������2�������������8���������!���=

Page 20: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

*+

Lit Spot Projection (Triangulation)

TU H HProf. D r.-Ing.K.R all

0 - 0002 - 0

Dr.-Ing. J. W o llnack

-u

x

y

P (x ,y,z )

B

f = b

z

l1 l2

-v

CCD-sensor

projector

laserbe am

seeingbe am

foca lleng th

sensorfram e

w o rldfram e

object

ba sed is tance

measured point

%��=�+=:����9!��1��K�����$�������������'

���������!��!��K����������>����������!������������������������������8������������>�����������������!����� �� ��K�� ���2��� �� ��� ����= # ������ ����� ����8��������������������������!��K���������������=��� !��K����� ��� ��� ��� ��� �2 ��� ����� ���� ���������������2������!��������2����������������K��!���������, �!��=

:�� �� ������ ���� �� ��K�� ���2�� �� ����������� �� ���������� ����� ���� ��� ��� ��2����� ����� �� ������� ����������= ���������������������8��������������������������������K��!����������������������=

# ����� ������� ������������� ������ ����� �� � S ����������=����������2����������2�������������=������ �� �!!��7������� 2�� 2�� ������ ��K��� $�TT�' ���������2�����������

� � �

� � + = �

8��� ����������!�������������������������K�������������2���������2���������

���!!��7������������=

Page 21: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

*�

��������������K��!���� $�����'� ��!��K���������!����

$���'� �� ��� �����!����=&� ���, ��� ��������������

�����������������������������������8��=#��������B��7��������!�����7���2��������=%����������8���������������!����������2��������������������������7��7��=��������������������������������2�����������������������!���� $��+�+'

������������ ��� $�����'��1����=

H�����������������2����������������������=

#�����������!��K�������������2���!����������������������

= − $�,'���

= − $�3'�

2�������������������������=

%���$�,'8����

��= − $�5'=

���������������������2����������������2����8�����

� � �= − ���Θ$�6'

%���$�,'8����

� ��

�= − $�)'=

9���>������$�6'����$�6'8����

Page 22: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

**

� ��

� � �

��

��

= − −���

���

⇒ + = −

⇒ +���

���

= −

⇒ = −

+

��� ��� ���

��� ���

���

���

Θ Θ Θ

Θ Θ

Θ

Θ

⇒ = −+

��

���

���

ΘΘ $�;'

9���>������$�;'����$�,'���$�3'8����

��

� = − =

+���

���

ΘΘ �

��

� = − =

+���

���

ΘΘ

9�8��������������>��������

� �

��

��

=+

��

��

>>

4

���

����

ΘΘ =

�������!�������������������N

( � � = $ � '�8���������!�������( = � � �� � �

���!�������������� = � � �Θ �

��������!������� = � �� �

=

Page 23: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

*,

����� ��� !���������� �2 ��� �!��� ��� ���44 �������8��� ������� ������� !����� �� ����� �� ��������� !�������=����������������������������������������������������2�������������������������������=

Triangulation with Structured Lighting

TU H HProf. D r.-Ing.K.R all

0 - 0002 - 0

Dr.-Ing. J. W o llnack

p ro jecto rcam era

see ingbeam

projectionbeam

object

ob ject

p ro jectionp lane

see ingbeam s

pro jecto rcam era

p ro jecto r

cam era

W W �

W W �

W W �

P

W

t110100

110100

:

Light Spot

Light Stripe Binary Encoded Light Stripes

%��=��=�������������8���9��������:�������

����� ���!�� ������� �� ���� ����! !��K����� �� !������!��K����������>���=

���2�������!�!��K���������!�������������K������=��� ���� �� �� �������� ��� !��K����� ��� �2 ��� �7�����������!����8�����������!����=���������������2��������!����8��������K�����2�����������������������!�����������= �����2��� � ������ ��� �2 ��!�� ������ �� ���������� 2��� � ������ ����� 8��� ������� �� �� 2����������������� !����� ��!���� �� ��� ������ �!�������>���= # ����� !���� �� �� ��������� �� ����� ���������� �� ��K������ 8��� � ��������� ����� � ����� !����!��K�������������!��K����8������������=

&������ �2 ����� � ������ ����� ��� �� !�����8� �� !��K��������� ���� �� !����� �� ��� ���� ���� �� ��� �7��������K�����2���=����������������!����������������������2������!���������!�������������=

Page 24: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

*3

1�!����!����������������������!�������������������������� 8��� �� ������� �����= ��� ���� >������� �� ��8 �����>���� ������2� ��� ����7 ��� ����� ����!�� �� ��� ���������� 8��� ������� ����� ���� �� !����� ��� !��K�����������������������������=&������������������8���!������������������!������8��������������!�������������������������!�������������������=

����� ���������� �����!���� ��� �������� �2 � �������!������ �� �� ��������� �� ������ ������������� ������������������=

0 #���������������������������

��� ���� !�������� ������ �2 !������ ������ ��� ����������22����� 2��� ����������������=�����2���8� �� ����������������������������������������=

��������������2�!�������������

∀ ∈ ∃ ∈ =$ � ' $ � '$ � '� ( ( � � � (� �

� �� � �

$ � ' �� (⊂ ⊂+� � �8���

� NS !��������������

�$ � '� NS ��2�������������2��

�( NS ����2������2��

� NS �������2���!����������� NS �������2�������!��������!��

����������� NS �������2�����!���������!��

������$�<'

�������!������������������!������

Page 25: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

*5

"��� � �$ � ' �� � < >ε ε +=$*+'�8���

�$ � '� ( (= − <" ε $*�'����("NS�����������!��������

�������������2������!����������2���������� �����������������2���!�������������=�����2������22�������!������������������2�����������2������N

� � � �∈ ∈ ⊂� O �===� P� � �

8���∀ ≠ ∈ ⊂ ≠� � � � � � O �===� P �� �

��� � � �≥ $**'

������������!������������� �∗�����!��������2���

��!��������������!��������

∗ = �

� ��

�===� �� � �( ( (∗ = �

� ��

�===� �� � $*,'

8��������������������������8���������������=

%�����������������������������������!������8�������������������������������=%���7��!��

• /�8���D�"������• "�22���/�8���D�"������• 1�8���D�"���������• ������ �����"�����=

��������������2�����!�������������=

�����2��� 8� �� �������� � ����� �� ��������� ��� ��������������2���������=

��� ���������� �2 � 44 ������ �� � ������������� �������� �� �����B�� �� ����� � ���������� ���8� ��������������= ��� ���2��� �2 ���� ���� �� �������� �� ��� �����������8�������������("�����=

Page 26: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

*6

1 -���� �� -���������2 $�����( ��� �����3��3���3

-����������(

��������!�����2�8�������2�!!�������8�������������������������2����������������2�����������������������=

%�� 2��7����� ��������� �������� �2 ���� ����� ��� ��B��� ������22����� �������� ��� �� ������ 8���� ��������!������� !��!���� �22���� �� �� ���� 8������ 2�������������$%��=�*'=

SCARA

robot control

%��=�*=%��7����#�������4���

����������������������2N

• #���������������• F�� �� ���� �������� ������� 2�� ���������� ����������������!�������

• #���������������������������������������������8����������������������������

• #� �������� ����� ��8��� ��� !��� ��������� ��8��������!���������������������

• #���!������2�����!!��������������!�������• #��7������!�������������������=

����7����������������������>�����2��������������������2 ��� ����� ������ �� 8��� �� 2�� ��������� !������� �������������� �2 ��� �������� ����� 8��� ������ �� ��� �������������� ������ �2 ��� ������= �� ���� ��� ��� ��������

Page 27: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

*)

����� ��� �!���� ������������� 8���� !�������� ���� �����8� �� ��� ��������� ������ �2 ��� �������� �����= F�!����!��� ��� �������� 2������� �2 ��� ��!������� �����������������������!���������=������8�=����������!!���� 2��� ��� �!������ ����� �2 ���������� ����!��������!����������������������&�������=#�� ��������� ��!������� ������!��������� ��������� �� �����������!������2�����������������2����������������2�������������2����������������!������������=#�������������������!����������������������!������������!���������������2 ������!��������������8�����������2 �����!������ ���� ����� ���� �������� 2�� ��������=#������������� ����������� ��8����� !������ ����������!�������� ������� ���8����41 $���� ����� !����' ������!���������������=

&� �������� �� ����� ����������� �!!��������� !�������� �����7�������������������������=�=

• F����!������• /������������• F!������������ �� ������� K��� ���� �2 ��� ����� �2�!!�������=

�� ���������� ���� !���� & 8���� ���� �� ����2�� ���� �� ��������2�����!�����N

#� ������ ���8 2��� ��� !����� ��� ��� �2 FHF F4�

��� �������� �� � �����2���� ���������� �2 �����8���������������2�������2����!K������!�����=��������������������!��2������2���8�������������������������������� 2����= FHF F4 �����2 �� � 94# # �����= F�� �����!���� ��� ���� ��������� �� 8���� �� � ����� 2�� ��22�������������������8!����������7���������������8���!����������������2�8���������= �!����������������������2������2 ����������!��2������� �����2������7!����=&����������������������������������������������!��2

� FHF F4�������������2&���������9������9�������&�=��29���������4���2�����=

Page 28: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

*;

8��������������������!��2�����������������2��>�������������=

2. calibrated videometric measurement instrum ent

1. calibrated robot

5. Measurement of relations a) image frame <=> patient frame b) patient frame <=> robot fram e

4. operation planning and simulation use of the 3D image data => generation of robot program

3. tool measurement

2

4

3

5a

5b

1

%��=�,= �����������"������

, ����� ���������� ��������� ������� ��� ���� �� ��������������� ������� �����>��� ��� �� U���� �������!��$4�' ��������� �������� ������� $" &'= ����� ���� ����������B�����������, �4# 8����������$%��=�,'=�����!��������!���������������������������������!���������������� ��� !��2�����= ����� �������� ��������� ����������� �� ��� ��������� ������� �2 ��� ��������!!���������������������������!����2������������!��������8��� ���� �� �� ����= ���� �� �� ���� �� ����� ��������������� ������ �� ��������� ���������� ����������>��!����= &� ��� ��� ���� �� ������� 8��� ��� ���! , 2������� ���� ��� ���� ������� �� ��� ���������������������������������8���������������������������������������� ��������� �>��!����= #� !������ ���8� ����������� ���� ��� 2����� 8��� ��� ������� �2��� �������=�����!����������������������������7�����������8���������������������������!����������������������=

4������ ���2�� ��>����� � ��������� ����� ? K��� ����� �2���������������23��=

���2����������������94# #8����������������������� ��� ���!�� ���������= ��8����� �� ������� ��� ������� ������� ���94# # �� ���� ������� ��� 2�� ���� ������ ��������������8��� �� ���� �� ������� ��8��� �� 2�����= �������� �� !������� ���������� ��� ���� ����������� ���������8�����7�7��$%��=�,'=&��������8�����������!!��������

Page 29: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

*<

��������� �� ��������� �� ������� �2 !����!��� ���� �������������������=

Page 30: Script Practical Course Instrumentation - TUHH

������������� �����

,+

�4 ��������

H������#=� ���.=$�<<6'=A-�����������!�������������F22�����1����������������&������������������8�� ����� "�(�������� .�2������ ��� M��!�������� V��� ����B������������ ���1���������!������W� ����������� ��� &�������������� M��������� /#�# $����B������������#����������������� ��������������"����������'�1������!!=,��3+=

H�����=F=$�<<+'=A.��"�(����H������������2�����B��H�������������������������!�B������M�������(�� ���������� &���������������A� ����������� �� %�������� "���������� ��� ���������X� ���H�����8������������������=

�������=����������� =9=$�<55'=A#M�������/�������2��:�8���1���"��������H������"������W�#9".�=�2#!!����"�������!!=*�5�**�=

%������ :=1=� M���� =H= $�<;3'= A&�!������ ��� !������� �2 � �����W� 1��= &... &��= 4��2= �������#�������!!=6*�6)=

-����� F= $�<<6'= A9��������� ��� -���������� ��� &���������������� ��������� ��2 ����� �����X������-������������������A� �������������#����������������B��������������#���������������������%�&&���������������������X������������������������=

������9=#=�"��������"=$�<;5'=A&�!���������#�������1����������#�����2 ����"���!�������W���������2 �����9������*�!!=,<)�3�,=

����������="= $�<;;'=A#9������2M��������4����������=��� ������ ����8"&�1����W�!!=*+)�*3*=

M�B��B����1=�"����������H= =�J������=%=�4���1=�=�1����=#=$�<<,'=A9���������&��������� �����N4��!���������4���9����W�1��=�2���&������������ ��������������#���������4��2������!!=�+E�<�*6=

��� M=�������� �=� 9�8��� 4= $�<<*'= A ���������������������������!��������������� ��� ���2� �����������������9������������H��V�������������-���������������������W� �������������;9!������������-���Y4�=M-�!!=�)���;�=

��� M=� ������� �=� -����� F= $�<<5'= AM���������� M�����N 9������ ��� �7���� �22�����������W�#����������������������F���������������-����"V��������E<5�!!=�3�*,=

���M=�-�����F=�-�X(����=$�<<)'=A.����������2�����B��#��8������������"������W�%�������&��������8����6,�9!������������-���Y4�=M-=

���.=$�<<;'=A#�8������������������"�(����H������������2�����B��M������������22����!�������������� �������!!����������W� %����������H������ � & ���� ; /�= )+<� V�������2� � &�������-���=

9����� -= $�<;)'= @.��8������ ����� "�(���2������ B�� H��������� ��� 1����������� ���F���������������������� ��� &����������������A� ����������� �� %������2���&������� 2V�1�������������������#���������������&1#�&1F%����������1��7��/�=��+=H������=�=N9!������������-���Y4�=M-=

9����� M���� $�<<,'= A&�����2������� ��� M�����������!��������� ������������ M�����W� ������������1�����������������H������%���������������2V����1��7���*6�"V���������4���������������-���Y4�=

9���� �=�=� 9�������� #=4=� /������ 4=1= $�<;6'= A#�� ��������� ������2������� &... &������������4��2������� ���������#���������W�9��%�������4#�!!=3��3;=

����������� �=M=� �� 4=�= $�<;)'= A# "����� 2�� 4���������� ��� 4��!�������� ���� M�������.�����W� 1��������� �2 ��� &... &������������ 4��2����� �� ������ ��� #�������������������� =4=Z!!=,<�33=

��������$*++�'=A����������������2�����B��-������������������������&����������������W��������������� %����������8��!���� �������22�?M�����������?%�������� ��� ��������� ���������X����������������$����!�������������9�����1�������������������*++�'=

J������=����=4=� ����J��9=$�<<6'=A4������#�������4�����������294# ##���W�&... ���������#���������"���B����!!=36�5*=


Recommended