DE112011100308T5

DE112011100308T5 - Eingebettete Arm-Dehnungssensoren

Info

Publication number: DE112011100308T5
Application number: DE112011100308T
Authority: DE
Inventors: Burnham Stokes; Paul C. Atwell
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2012-10-25
Also published as: US20110178765A1; US20110173826A1; WO2011090897A4; CN102639959B; GB2489346A; GB201212467D0; US8942940B2; DE112011100310B8; DE112011100302T5; US20110178754A1; GB201214415D0; GB2490452A; GB2494817B; US20110173825A1; DE112011100292T5; JP2015052615A; GB201210311D0; US20110178753A1; DE112011100304T5; CN102713500A

Abstract

Ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) kann Folgendes umfassen: einen manuell positionierbaren Gelenkarmabschnitt, eine an dem ersten Ende befestigte Messvorrichtung, ein Strukturteil des Gelenkarm-KMG, wobei das Strukturteil eine Axialrichtung aufweist, mindestens drei an das Strukturteil gekoppelte Dehnungsmesssensoren mit jeweils einer empfindlichen Achse, wobei die empfindliche Achse jedes Dehnungsmesssensors ungefähr parallel zur Axialrichtung orientiert ist, wobei jeder Dehnungsmesssensor ungefähr von einer senkrecht zur Axialrichtung verlaufenden Querebene geschnitten wird, wobei jeder Dehnungsmesssensor ein analoges Dehnungsmesssignal erzeugt und die Dehnungsmesssensoren derart angeordnet sind, dass sie Daten bereitstellen, die zur Bestimmung einer Biegedehnung an irgendeinem Punkt ausreichen, der sich sowohl auf dem Strukturteil als auch auf der Querebene befindet, und eine elektronische Schaltung, die das Positionssignal empfängt und Daten bereitstellt, die einer Lage der Messvorrichtung entsprechen.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 20. Januar 2010 angemeldeten vorläufigen Patentanmeldung, Aktenzeichen 61/296,555, deren Inhalt hiermit in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
Hintergrund
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Koordinatenmessgerät und insbesondere ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät mit Dehnungsmesssensoren, die dafür konfiguriert sind, die Dehnung bei Strukturteilen des tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts zu messen.
Tragbare Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte (Gelenkarm-KMGs) fanden eine weit verbreitete Verwendung bei der Fertigung bzw. Herstellung von Teilen, wo ein Bedarf daran besteht, die Abmessungen des Teils während verschiedener Schritte der Fertigung bzw. Herstellung (z. B. der mechanischen Bearbeitung) des Teils schnell und genau nachzuprüfen. Tragbare Gelenkarm-KMGs stellen eine weitgehende Verbesserung gegenüber bekannten unbeweglichen bzw. feststehenden, kostenintensiven und relativ schwer zu bedienenden Messeinrichtungen dar, und zwar insbesondere hinsichtlich des Zeitaufwands, der für die Durchführung der Messungen der Dimensionen relativ komplexer Teile anfällt. Normalerweise führt ein Bediener eines tragbaren Gelenkarm-KMG einfach eine Sonde entlang der Oberfläche des zu messenden Teils oder Objekts. Die Messdaten werden dann aufgezeichnet und dem Bediener bereitgestellt. In einigen Fallen werden die Daten dem Bediener in optischer Form bereitgestellt, beispielsweise in dreidimensionaler (3-D) Form auf einem Computerbildschirm. In anderen Fällen werden die Daten dem Bediener in numerischer Form bereitgestellt, beispielsweise wenn bei der Messung des Durchmessers eines Lochs der Text „Durchmesser = 1,0034” auf einem Computerbildschirm angezeigt wird.
Ein Beispiel eines tragbaren Gelenkarm-KMG des Stands der Technik wird in dem US-Patent Nr. 5,402,582 ('582) des gleichen Inhabers offenbart, welches hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird. Das Patent '582 offenbart ein 3-D-Messsystem, das ein manuell bedientes Gelenkarm-KMG mit einem Tragunterteil an einem Ende und einer Messsonde am anderen Ende umfasst. Das US-Patent Nr. 5,611,147 ('147) des gleichen Inhabers, welches hierin in seiner Gesamtheit einbezogen wird, offenbart ein ähnliches Gelenkarm-KMG. In dem Patent '147 umfasst das Gelenkarm-KMG mehrere Merkmale einschließlich einer zusätzlichen Drehachse am Sondenende, wodurch für einen Arm eine Konfiguration mit zwei-zwei-zwei oder zwei-zwei-drei Achsen bereitgestellt wird (wobei Letztere ein Arm mit sieben Achsen ist).
Es besteht Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren, die bzw. das die mit Gelenkarm-KMGs zusammenhängende Dehnung messen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Beispielhafte Ausgestaltungen umfassen ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) zur Messung von Koordinaten eines Objekts im Raum, wobei das Gelenkarm-KMG Folgendes umfasst: einen manuell positionierbaren Gelenkarmabschnitt mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene Armsegmente umfasst, wobei die mehreren verbundenen Armsegmente ein Armsegment angrenzend an das erste Ende umfassen, wobei jedes Armsegment mindestens ein Positionsmessgerät umfasst, das ein Positionssignal erzeugt; eine am ersten Ende befestigte Messvorrichtung; ein Strukturteil des Gelenkarm-KMG, wobei das Strukturteil eine Axialrichtung aufweist; mindestens drei an das Strukturteil gekoppelte Dehnungsmesssensoren mit jeweils einer empfindlichen Achse, wobei die empfindliche Achse jedes Dehnungsmesssensors ungefähr parallel zur Axialrichtung orientiert ist, wobei jeder Dehnungsmesssensor ungefähr von einer senkrecht zur Axialrichtung verlaufenden Querebene geschnitten wird, wobei jeder Dehnungsmesssensor ein analoges Dehnungsmesssignal erzeugt und die Dehnungsmesssensoren derart angeordnet sind, dass sie Daten bereitstellen, die zur Bestimmung einer Biegedehnung an irgendeinem Punkt ausreichen, der sich sowohl auf dem Strukturteil als auch auf der Querebene befindet; und eine elektronische Schaltung, die das Positionssignal empfängt und Daten bereitstellt, die einer Lage der Messvorrichtung entsprechen.
Weitere beispielhafte Ausgestaltungen umfassen ein Verfahren zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines manuell positionierbaren Gelenkarmabschnitts mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene Armsegmente umfasst, die jeweils an mindestens einem Lagereinsatz befestigt sind, wobei die mehreren verbundenen Armsegmente ein Armsegment angrenzend an das erste Ende umfassen, wobei jedes Armsegment mindestens ein Positionsmessgerät umfasst, das ein Positionssignal erzeugt; einer am ersten Ende befestigten Messvorrichtung; ein Strukturteil des Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts, wobei das Strukturteil eine Axialrichtung aufweist; mindestens ein erster Dehnungsmesssensor, der auf dem Strukturteil angeordnet ist, wobei jeder Dehnungsmesssensor ein analoges Dehnungsmesssignal erzeugt; Umwandeln einer Kombination der analogen Dehnungsmesssignale in mindestens ein digitales Dehnungsmesssignal; Senden des mindestens einen digitalen Dehnungsmesssignals durch mindestens einen des mindestens einen Lagereinsatzes zu einer elektronischen Schaltung, die das Positionssignal und das mindestens eine digitale Dehnungsmesssignal empfängt; Bereitstellen und Speichern von Daten, die einer Lage der Messvorrichtung entsprechen; und Speichern des mindestens einen digitalen Dehnungsmesssignals.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, sind beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt, welche nicht als den gesamten Schutzbereich der Offenbarung einschränkend aufzufassen sind und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind:
1 einschließlich 1A und 1B sind perspektivische Darstellungen eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts (Gelenkarm-KMG), das Ausgestaltungen verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung darin aufweist;
2 einschließlich 2A–2D zusammengenommen sind Blockschaltbilder der Elektronik, die als Teil des Gelenkarm-KMG von 1 gemäß einer Ausgestaltung verwendet wird;
3 einschließlich 3A und 3B zusammengenommen sind Blockschaltbilder, die detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems von 2 gemäß einer Ausgestaltung beschreiben;
4 zeigt eine schematische Ansicht des Gelenkarm-KMG von 1, die die Biegung eines Teils des Gelenkarm-KMG darstellt;
5 zeigt eine Darstellung beispielhafter Dehnungsmesssensoren, die auf Strukturteilen des Gelenkarm-KMG angeordnet sind; und
6 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erfassung der Dehnung gemäß beispielhaften Ausgestaltungen.
Detaillierte Beschreibung
Beispielhafte Ausgestaltungen umfassen Systeme und Verfahren zur Messung der Dehnung bei Armsegmenten eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts, um die Messergebnisse zu kompensieren, die Genauigkeit zu verbessern oder den Bediener zu alarmieren, dass eine Korrektur durchgeführt werden muss.
1A und 1B veranschaulichen in der Perspektive ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) 100 gemäß verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, wobei ein Gelenkarm ein Typ von Koordinatenmessgerät ist. 1A und 1B zeigen, dass das beispielhafte Gelenkarm-KMG 100 ein Gelenkmessgerät mit sechs oder sieben Achsen umfassen kann, das ein Messsondengehäuse 102 aufweist, das an einem Ende an einen Armabschnitt 104 des Gelenkarm-KMG 100 gekoppelt ist. Der Armabschnitt 104 umfasst ein erstes Armsegment 106, das durch eine erste Gruppierung von Lagereinsätzen 110 (z. B. zwei Lagereinsätze) an ein zweites Armsegment 108 gekoppelt ist. Eine zweite Gruppierung von Lagereinsätzen 112 (z. B. zwei Lagereinsätze) koppelt das zweite Armsegment 108 an das Messsondengehäuse 102. Eine dritte Gruppierung von Lagereinsätzen 114 (z. B. drei Lagereinsätze) koppelt das erste Armsegment 106 an ein Unterteil 116, das am anderen Ende des Armabschnitts 104 des Gelenkarm-KMG 100 angeordnet ist. Jede Gruppierung von Lagereinsätzen 110, 112, 114 stellt mehrere Achsen der Gelenkbewegung bereit. Das Messsondengehäuse 102 kann auch die Welle des siebten Achsenabschnitts des Gelenkarm-KMG 100 umfassen (z. B. einen Einsatz, der ein Kodierersystem enthält, das die Bewegung des Messgeräts, beispielsweise einer Sonde 118, in der siebten Achse des Gelenkarm-KMG 100 bestimmt). Das Unterteil 116 ist bei der Verwendung des Gelenkarm-KMG 100 normalerweise an einer Arbeitsfläche befestigt.
Jeder Lagereinsatz in der Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 enthält normalerweise ein Kodierersystem (z. B. ein optisches Winkelkodierersystem). Das Kodierersystem (d. h. ein Positionsmessgerät) stellt eine Angabe der Position der jeweiligen Armsegmente 106, 108 und der entsprechenden Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 bereit, die alle zusammen eine Angabe der Position der Sonde 118 in Bezug auf das Unterteil 116 (und somit die Position des durch das Gelenkarm-KMG 100 gemessenen Objekts in einem bestimmten Bezugssystem – beispielsweise einem lokalen oder globalen Bezugssystem) bereitstellen. Die Armsegmente 106, 108 können aus einem in geeigneter Weise starren Material bestehen, beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, einem Kohlefaserverbundmaterial. Ein tragbares Gelenkarm-KMG 100 mit sechs oder sieben Achsen der Gelenkbewegung (d. h. Freiheitsgraden) stellt die Vorteile bereit, dass dem Bediener gestattet wird, die Sonde 118 an einer gewünschten Stelle in einem 360°-Bereich rings um das Unterteil 116 zu positionieren, wobei ein Armabschnitt 104 bereitgestellt wird, der leicht von dem Bediener gehandhabt werden kann. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Darstellung eines Armabschnitts 104 mit zwei Armsegmenten 106, 108 als Beispiel dient und dass die beanspruchte Erfindung nicht dadurch eingeschränkt sein sollte. Ein Gelenkarm-KMG 100 kann eine beliebige Anzahl an Armsegmenten aufweisen, die durch Lagereinsätze (und somit mehr oder weniger als sechs oder sieben Achsen der Gelenkbewegung bzw. Freiheitsgrade) miteinander gekoppelt sind.
Die Sonde 118 ist abnehmbar am Messsondengehäuse 102 angebracht, welches mit der Lagereinsatzgruppierung 112 verbunden ist. Ein Griff 126 ist in Bezug auf das Messsondengehäuse 102 beispielsweise mittels eines Schnellverbinders abnehmbar. Der Griff 126 kann durch ein anderes Gerät ersetzt werden (z. B. eine Laserliniensonde, einen Strichcodeleser), wodurch die Vorteile bereitgestellt werden, dass dem Bediener die Verwendung verschiedener Messgeräte mit demselben Gelenkarm-KMG 100 gestattet wird. Das Messsondengehäuse 102 beherbergt bei beispielhaften Ausgestaltungen eine abnehmbare Sonde 118, die ein Kontaktmessgerät ist und verschiedene Spitzen 118 aufweisen kann, die das zu messende Objekt physisch berühren und folgende umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein: Sonden vom Typ Kugel, berührungsempfindlich, gebogen oder verlängert. Bei anderen Ausgestaltungen wird die Messung beispielsweise durch ein berührungsloses Gerät wie z. B. eine Laserliniensonde (LLP; laser line probe) durchgeführt. Der Griff 126 ist bei einer Ausgestaltung durch die LLP ersetzt, wobei der Schnellverbinder verwendet wird. Andere Typen von Messgeräten können den abnehmbaren Griff 126 ersetzen, um eine zusätzliche Funktionalität bereitzustellen. Die Beispiele für solche Messgeräte umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, z. B. eine oder mehrere Beleuchtungslampen, einen Temperatursensor, einen Thermoscanner, einen Strichcodescanner, einen Projektor, eine Lackierpistole, eine Kamera oder dergleichen.
In 1A und 1B ist ersichtlich, dass das Gelenkarm-KMG 100 den abnehmbaren Griff 126 umfasst, der die Vorteile bereitstellt, dass Ausrüstungsteile oder Funktionalitäten ausgetauscht werden können, ohne dass das Messsondengehäuse 102 von der Lagereinsatzgruppierung 112 entfernt werden muss. Wie unter Bezugnahme auf 2 detaillierter besprochen wird, kann der abnehmbare Griff 126 auch einen elektrischen Anschluss umfassen, der es gestattet, dass elektrische Energie und Daten mit dem Griff 126 und der im Sondenende angeordneten entsprechenden Elektronik ausgetauscht werden.
Bei verschiedenen Ausgestaltungen ermöglicht jede Gruppierung von Lagereinsätzen 110, 112, 114, dass der Armabschnitt 104 des Gelenkarm-KMG 100 um mehrere Drehachsen bewegt wird. Wie bereits erwähnt, umfasst jede Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 entsprechende Kodierersysteme wie beispielsweise optische Winkelkodierer, die jeweils koaxial mit der entsprechenden Drehachse z. B. der Armsegmente 106, 108 angeordnet sind. Das optische Kodierersystem erfasst eine Drehbewegung (Schwenkbewegung) oder Querbewegung (Gelenkbewegung) beispielsweise von jedem der Armsegmente 106, 108 um die entsprechende Achse und überträgt ein Signal zu einem elektronischen Datenverarbeitungssystem in dem Gelenkarm-KMG 100, wie hierin im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Jede einzelne unverarbeitete Kodiererzählung wird separat als Signal zu dem elektronischen Datenverarbeitungssystem gesendet, wo sie zu Messdaten weiterverarbeitet wird. Es ist kein von dem Gelenkarm-KMG 100 selbst getrennter Positionsberechner (z. B. eine serielle Box) erforderlich, der in dem US-Patent Nr. 5,402,582 ('582) des gleichen Inhabers offenbart wird.
Das Unterteil 116 kann eine Befestigungs- bzw. Montagevorrichtung 120 umfassen. Die Montagevorrichtung 120 ermöglicht die abnehmbare Montage des Gelenkarm-KMG 100 an einer gewünschten Stelle wie beispielsweise einem Inspektionstisch, einem Bearbeitungszentrum, einer Wand oder dem Boden. Das Unterteil 116 umfasst bei einer Ausgestaltung einen Griffabschnitt 122, der eine zweckmäßige Stelle ist, an welcher der Bediener das Unterteil 116 hält, während das Gelenkarm-KMG 100 bewegt wird. Bei einer Ausgestaltung umfasst das Unterteil 116 ferner einen beweglichen Abdeckungsabschnitt 124, der herunterklappbar ist, um eine Benutzerschnittstelle wie beispielsweise einen Bildschirm freizugeben.
Gemäß einer Ausgestaltung enthält bzw. beherbergt das Unterteil 116 des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 ein elektronisches Datenverarbeitungssystem, das zwei Hauptkomponenten umfasst: ein Basisverarbeitungssystem, das die Daten der verschiedenen Kodierersysteme im Gelenkarm-KMG 100 sowie Daten, die andere Armparameter zur Unterstützung der dreidimensionalen (3-D) Positionsberechnungen repräsentieren, verarbeitet; und ein Benutzerschnittstellen-Verarbeitungssystem, das ein integriertes Betriebssystem, einen berührungssensitiven Bildschirm und eine residente Anwendungssoftware umfasst, welche die Implementierung relativ vollständiger messtechnischer Funktionen innerhalb des Gelenkarm-KMG 100 gestattet, ohne dass dabei eine Verbindung zu einem externen Computer vorhanden sein muss.
Gemäß einer Ausgestaltung enthält bzw. beherbergt das Unterteil 116 des tragbaren Gelenkarm-KMG 100 ein elektronisches Datenverarbeitungssystem, das zwei Hauptkomponenten umfasst: ein Basisverarbeitungssystem, das die Daten der verschiedenen Kodierersysteme im Gelenkarm-KMG 100 sowie Daten, die andere Armparameter zur Unterstützung der dreidimensionalen (3-D) Positionsberechnungen repräsentieren, verarbeitet; und ein Benutzerschnittstellen-Verarbeitungssystem, das ein integriertes Betriebssystem, einen berührungssensitiven Bildschirm und eine residente Anwendungssoftware umfasst, welche die Implementierung relativ vollständiger messtechnischer Funktionen innerhalb des Gelenkarm-KMG 100 gestattet, ohne dass dabei eine Verbindung zu einem externen Computer vorhanden sein muss.
2 ist ein Blockschaltbild der Elektronik, die gemäß einer Ausgestaltung in einem Gelenkarm-KMG 100 verwendet wird. Die in 2 dargestellte Ausgestaltung umfasst ein elektronisches Datenverarbeitungssystem 210, das eine Basisprozessorkarte 204 zur Implementierung des Basisverarbeitungssystems, eine Benutzerschnittstellenkarte 202, eine Basisenergiekarte 206 zur Bereitstellung von Energie, ein Bluetooth-Modul 232 und eine Basisneigungskarte 208 umfasst. Die Benutzerschnittstellenkarte 202 umfasst einen Computerprozessor zum Ausführen der Anwendungssoftware, um die Benutzerschnittstelle, den Bildschirm und andere hierin beschriebene Funktionen durchzuführen.
In 2 ist ersichtlich, dass das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 über einen oder mehrere Armbusse 218 mit den vorgenannten mehreren Kodierersystemen kommuniziert. Jedes Kodierersystem erzeugt bei der in 2 dargestellten Ausgestaltung Kodiererdaten und umfasst: eine Kodierer-Armbus-Schnittstelle 214, einen digitalen Kodierer-Signalprozessor (DSP) 216, eine Kodierer-Lesekopf-Schnittstelle 234 und einen Temperatursensor 212. Andere Geräte wie beispielsweise Dehnungssensoren können an den Armbus 218 angeschlossen werden.
In 2 ist auch die Sondenende-Elektronik 230 dargestellt, die mit dem Armbus 218 kommuniziert. Die Sondenende-Elektronik 230 umfasst einen Sondenende-DSP 228, einen Temperatursensor 212, einen Griff-/LLP-Schnittstellenbus 240, der bei einer Ausgestaltung über einen Schnellverbinder mit dem Griff 126 oder der LLP 242 verbindet, und eine Sondenschnittstelle 226. Der Schnellverbinder ermöglicht den Zugang des Griffs 126 zu dem Datenbus, den Steuerleitungen, dem von der LLP 242 benutzten Energiebus und anderen Ausrüstungsteilen. Die Sondenende-Elektronik 230 ist bei einer Ausgestaltung in dem Messsondengehäuse 102 an dem Gelenkarm-KMG 100 angeordnet. Der Griff 126 kann bei einer Ausgestaltung von dem Schnellverbinder entfernt werden und die Messung kann mit der Laserliniensonde (LLP) 242, die über den Griff-/LLP-Schnittstellenbus 240 mit der Sondenende-Elektronik 230 des Gelenkarm-KMG 100 kommuniziert, durchgeführt werden. Bei einer Ausgestaltung sind das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 im Unterteil 106 des Gelenkarm-KMG 100, die Sondenende-Elektronik 230 im Messsondengehäuse 102 des Gelenkarm-KMG 100 und die Kodierersysteme in den Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 angeordnet. Die Sondenschnittstelle 226 kann durch ein beliebiges geeignetes Kommunikationsprotokoll, das im Handel erhältliche Produkte von Maxim Integrated Products, Inc., die als 1-Wire^®-Kommunikationsprotokoll 236 ausgebildet sind, umfasst, mit dem Sondenende-DSP 228 verbunden werden.
3 ist ein Blockschaltbild, das detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems 210 des Gelenkarm-KMG 100 gemäß einer Ausgestaltung beschreibt. Das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 ist bei einer Ausgestaltung im Unterteil 116 des Gelenkarm-KMG 100 angeordnet und umfasst die Basisprozessorkarte 204, die Benutzerschnittstellenkarte 202, eine Basisenergiekarte 206, ein Bluetooth-Modul 232 und ein Basisneigungsmodul 208.
Bei einer in 3 dargestellten Ausgestaltung umfasst die Basisprozessorkarte 204 die verschiedenen hierin dargestellten funktionellen Blöcke. Eine Basisprozessorfunktion 302 wird beispielsweise verwendet, um die Erfassung von Messdaten des Gelenkarm-KMG 100 zu unterstützen, und empfängt über den Armbus 218 und eine Bussteuermodulfunktion 308 unverarbeitete Armdaten (z. B. Daten des Kodierersystems). Die Speicherfunktion 304 speichert Programme und statische Armkonfigurationsdaten. Die Basisprozessorkarte 204 umfasst ferner eine für eine externe Hardwareoption vorgesehene Portfunktion 310, um mit etwaigen externen Hardwaregeräten oder Ausrüstungsteilen wie beispielsweise einer LLP 242 zu kommunizieren. Eine Echtzeituhr (RTC; real time clock) und ein Protokoll 306, eine Batteriesatzschnittstelle (IF; interface) 316 und ein Diagnoseport 318 sind ebenfalls in der Funktionalität bei einer Ausgestaltung der in 3 abgebildeten Basisprozessorkarte 204 enthalten.
Die Basisprozessorkarte 204 leitet auch die gesamte drahtgebundene und drahtlose Datenkommunikation mit externen (Host-Rechner) und internen (Bildschirmprozessor 202) Geräten. Die Basisprozessorkarte 204 ist in der Lage, über eine Ethernet-Funktion 320 mit einem Ethernet-Netzwerk [wobei z. B. eine Taktsynchronisations-Norm wie beispielsweise IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1588 verwendet wird], über eine LAN-Funktion 322 mit einem drahtlosen Local Area Network (WLAN; wireless local area network) und über eine Parallel-Seriell-Kommunikations-Funktion (PSK-Funktion) 314 mit dem Bluetooth-Modul 232 zu kommunizieren. Die Basisprozessorkarte 204 umfasst des Weiteren einen Anschluss an ein Universal-Serial-Bus-Gerät (USB-Gerät) 312.
Die Basisprozessorkarte 204 überträgt und erfasst unverarbeitete Messdaten (z. B. Zählungen des Kodierersystems, Temperaturmesswerte) für die Verarbeitung zu Messdaten, ohne dass dabei irgendeine Vorverarbeitung erforderlich ist, wie sie beispielsweise bei der seriellen Box des vorgenannten Patents '582 offenbart wird. Der Basisprozessor 204 sendet die verarbeiteten Daten über eine RS485-Schnittstelle (IF) 326 zu dem Bildschirmprozessor 328 auf der Benutzerschnittstellenkarte 202. Bei einer Ausgestaltung sendet der Basisprozessor 204 auch die unverarbeiteten Messdaten an einen externen Computer.
Nun Bezug nehmend auf die Benutzerschnittstellenkarte 202 in 3, werden die vom Basisprozessor empfangenen Winkel- und Positionsdaten von auf dem Bildschirmprozessor 328 ausgeführten Anwendungen verwendet, ein autonomes messtechnisches System in dem Gelenkarm-KMG 100 bereitzustellen. Die Anwendungen können auf dem Bildschirmprozessor 328 ausgeführt werden, um beispielsweise folgende, aber nicht darauf beschränkte Funktionen zu unterstützen: Messung von Merkmalen, Anleitungs- und Schulungsgrafiken, Ferndiagnostik, Temperaturkorrekturen, Steuerung verschiedener Betriebseigenschaften, Verbindung zu verschiedenen Netzwerken und Anzeige gemessener Objekte. Die Benutzerschnittstellenkarte 202 umfasst zusammen mit dem Bildschirmprozessor 328 und einer Schnittstelle für einen Flüssigkristallbildschirm (LCD-Bildschirm; liquid crystal display) 338 (z. B. ein berührungssensitiver LCD-Bildschirm) mehrere Schnittstellenoptionen, zu denen eine Secure-Digital-Karten-Schnittstelle (SD-Karten-Schnittstelle) 330, ein Speicher 332, eine USB-Host-Schnittstelle 334, ein Diagnoseport 336, ein Kameraport 340, eine Audio-/Video-Schnittstelle 342, ein Wähl-/Funkmodem 344 und ein Port 346 für das Global Positioning System (GPS) gehören.
Das in 3 abgebildete elektronische Datenverarbeitungssystem 210 umfasst des Weiteren eine Basisenergiekarte 206 mit einem Umgebungsaufzeichnungsgerät 362 zur Aufzeichnung von Umgebungsdaten. Die Basisenergiekarte 206 stellt auch Energie für das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 bereit, wobei ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 358 und eine Batterieladegerät-Steuerung 360 verwendet werden. Die Basisenergiekarte 206 kommuniziert über einen seriellen Single-Ended-Bus 354, der eine Inter-Integrated Circuit (I2C) aufweist, sowie über eine serielle Peripherieschnittstelle einschließlich DMA (DSPI) 356 mit der Basisprozessorkarte 204. Die Basisenergiekarte 206 ist über eine Ein-/Ausgabe-Erweiterungsfunktion (I/O-Erweiterungsfunktion) 364, die in der Basisenergiekarte 206 implementiert ist, mit einem Neigungssensor und einem Radiofrequenzidentifikations-Modul (RFID-Modul) 208 verbunden.
Obwohl sie als getrennte Komponenten dargestellt sind, können alle oder eine Untergruppe der Komponenten bei anderen Ausgestaltungen physisch an verschiedenen Stellen angeordnet sein und/oder die Funktionen auf andere Art als bei der in 3 dargestellten kombiniert sein. Beispielsweise sind die Basisprozessorkarte 204 und die Benutzerschnittstellenkarte 202 bei einer Ausgestaltung in einer physischen Karte kombiniert.
4 zeigt eine übertrieben dargestellte Ansicht der Biegung im ersten Armsegment 106. Die Biegung und Verdrehung der Komponenten des Gelenkarm-KMG 100 (z. B. des ersten und zweiten Armsegments 106, 108) kann aus den Kräften resultieren, die durch die Schwerkraft, die Ausgleichsfeder oder die Handhabung des Gelenkarm-KMG 100 durch den Bediener bedingt sind. Wenn die von der Basisprozessorkarte 204 durchgeführten kinematischen Modellberechnungen diese Kräfte nicht berücksichtigen, wird die Biegung bzw. Verdrehung der Armsegmente bei der Berechnung der Koordinaten eines Punkts möglicherweise nicht vollständig beachtet. Durch das direkte Messen der Biegedehnungen des Arms können die Auswirkungen der auf das Gelenkarm-KMG 100 aufgebrachten Kräfte in die kinematischen Modellberechnungen einbezogen werden, wodurch die Messgenauigkeit des Gelenkarm-KMG 100 verbessert wird.
Bezug nehmend auf 5, sind Dehnungsmesssensoren 500 an einem Strukturteil 510 befestigt, das die Armsegmente 106, 108, die Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 oder andere mechanische Komponenten des Gelenkarm-KMG 100 umfassen kann. Die Dehnungsmesssensoren 500 können haftend, beispielsweise mit Epoxidharz, an das Strukturteil 510 angeklebt oder auf eine andere geeignete Weise damit verbunden werden. Die spezielle Montagekonfiguration der Dehnungsmesssensoren 500 in vier Quadranten auf dem in diesem Falle zylinderförmigen Strukturteil 510 ist besonders vorteilhaft, da sie eine Methode zur Unterscheidung zwischen den bei den Armsegmenten von Gelenkarm-KMGs auftretenden zwei Dehnungsarten – Biegedehnung und Axialdehnung – bereitstellt und zusätzlich die Biegerichtung des Armsegments ermittelt. Die Dehnungsmesssensoren 500 können bei den Armsegmenten von 5 auf der Außenfläche oder der Innenfläche angebracht oder in dem Material des Strukturteils 510 eingebettet werden.
Die Axialrichtung eines Trägers ist dessen Längsachse. Querrichtungen sind senkrecht zur Axialrichtung. Auf einen Träger können Kräfte in Axial- und Querrichtung aufgebracht werden. Die Dehnung ε ist definiert als das Verhältnis zwischen der Längenänderung. dL und der entsprechenden Länge Länge L·ε = dL/L.
Die Axialdehnung in einem Träger ergibt sich aus einer Streckung oder Zusammenziehung des Trägers entlang der Axialrichtung, d. h. ohne Biegung. Die Biegedehnung in einem Träger ergibt sich aus der Biegung des Trägers, wie es in 4 dargestellt ist. Die Biegedehnung kann daraus resultieren, dass eine Kraft entlang einer Querrichtung auf den Träger aufgebracht wird oder dass eine Kraft entlang der Axialrichtung, aber entfernt von der neutralen Achse des Trägers, auf den Träger aufgebracht wird. Bei einem geraden, zylindrisch symmetrischen Träger verläuft die neutrale Achse entlang der Mitte des Zylinders.
Wenn ein erster Dehnungsmesssensor oben auf einem Träger und ein zweiter Dehnungsmesssensor an der Unterseite eines Trägers positioniert werden, kann man die Biegedehnung von der Axialdehnung bei etwaigen Kräften unterscheiden, die in einer vertikalen Ebene liegen, die durch die Dehnungsmesssensoren und die neutrale Achse verläuft. Wenn beispielsweise die von dem oberen und unteren Sensor gemessene Dehnung um den gleichen Betrag abnimmt, dann ist die Dehnung entlang des vertikalen Querschnitts zusammendrückend und ausschließlich axial. Wenn andererseits die Dehnung im oberen Sensor um einen bestimmten Betrag positiv ist und die Dehnung im unteren Sensor um den gleichen Betrag negativ ist, dann haben sich der obere Abschnitt des Trägers gestreckt und der untere Abschnitt des Trägers zusammengezogen und ist die Dehnung entlang des vertikalen Querschnitts ausschließlich eine Biegedehnung. Wenn zwei Dehnungsmesssensoren um 180 Grad beabstandet auf einem Träger positioniert werden, kann der Betrag der Biegedehnung und der Axialdehnung aus den Messwerten der zwei Dehnungsmesssensoren errechnet werden.
Bei dem Gelenkarm-KMG 100 ist jedes Armsegment 106, 108 in der Lage, um seine Längsachse zu schwenken. Demzufolge können die Kräfte, die auf eines der Armsegmente aufgebracht werden (z. B. durch die Ausgleichsfeder), in eine beliebige Richtung verlaufen. Zur Vorhersage der Auswirkung der Kräfte bzw. Dehnungen auf eines der Armsegmente 106, 108 reicht es nicht aus, zwei Dehnungsmesssensoren um 180 Grad beabstandet auf dem Armsegment anzuordnen. Vielmehr müssen mindestens drei Dehnungsmesssensoren 500 sachgemäß auf den Armsegmenten angeordnet werden, um die Axial- und Biegedehnung an einem beliebigen Punkt auf dem Querschnitt eines Armsegments festzustellen. Die Armsegmente 106, 108 sind bei einer Ausgestaltung Zylinderrohre, wobei drei Dehnungsmesssensoren 500 auf der Außenfläche eines der Armsegmente positioniert sind. Die drei Dehnungsmesssensoren sind um 120 Grad beabstandet und ungefähr nach einer Ebene ausgerichtet, die senkrecht zur Axialrichtung verläuft. Bei dieser Konfiguration stellen die drei Dehnungsmesssensoren 500 genug Information für die Berechnung der Axial- und Biegedehnung an beliebigen Positionen rings um das Rohr an der Querschnittebene zur Verfügung. Die drei Dehnungsmesssensoren 500 müssen nicht um 120 Grad beabstandet positioniert werden, wobei jedoch nicht alle Anordnungen der drei Dehnungsmessstreifen die gewünschte Information bereitstellen. Beispielsweise können zwei der drei Dehnungsmesssensoren nicht um 180 Grad beabstandet positioniert werden, da dies eine Information über die Axial- und Biegedehnung für nur eine Ebene ergibt, nämlich die Ebene, die die neutrale Achse und die zwei Dehnungsmesssensoren enthält, die um 180 Grad beabstandet sind.
Bei einer Ausgestaltung umfassen die Strukturteile die Armsegmente 106, 108 in Form von Zylinderrohren. Drei oder mehr Dehnungsmesssensoren 500 auf den Außenflächen der Zylinderrohre sind derart angeordnet, dass sie von einer Ebene geschnitten werden, die senkrecht zur Axialrichtung verläuft. Die Biegedehnung kann bei dieser Anordnung für jeden Punkt berechnet werden, der sich sowohl auf dem Strukturteil als auch auf der Querebene befindet. Durch die Auswahl der Positionen auf der Außenseite des Rohrs (an der Position der Querebene), bei welchen die Biegedehnungen die extremen positiven und negativen Werte aufweisen, können die Richtung und die Größe der Biegung berechnet werden. Dadurch, dass die Richtung und die Größe der Biegung bei jedem der Strukturelemente mit den Messwerten der Positionsmessgeräte (z. B. der Winkelkodierer) kombiniert werden, lässt sich die gesamte Verschiebung der Messvorrichtung in dem lokalen Bezugssystem des Gelenkarm-KMG 100 berechnen. Die Verschiebung kann beispielsweise die Verschiebung der Sondenspitze der Sonde 118 infolge der auf die Armsegmente aufgebrachten Kräfte sein.
Die Dehnungsmesssensoren 500 können resistiv, akustisch, kapazitiv, induktiv, mechanisch, optisch, piezoresistiv oder halbleitend sein. Der Dehnungsmesssensor 500 ist bei einer Ausgestaltung resistiv mit einer Metallfolienform, die an eine elastische Stützschicht (z. B. dünnes Polyimid) angeklebt ist. Das Metall in der Folie kann eine Konstantan-Legierung mit Temperaturselbstkompensation (STC; self-temperature compensated) sein. Die Temperaturselbstkompensation wird durch die sachgemäße Verarbeitung der Konstantan-Legierung, insbesondere durch Kaltformen, erzielt, so dass der Messdraht aus Konstantan eine sehr niedrige thermisch bedingte Dehnung über einen breiten Temperaturbereich aufweist. Die Strukturteile 510 umfassen bei einer Ausgestaltung die Armsegmente 106, 108, welche Hohlrohre aus einem Kohlefaserverbundmaterial mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten sind. Das Metall in der Folie des Dehnungsmesssensors ist eine Konstantan-Legierung (oder andere Legierung), die derart ausgewählt ist, dass sie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Das Folienmuster kann ein Zickzackmuster paralleler Linien derart sein, dass ein kleiner Dehnungsbetrag in der Richtung der parallelen Linien die Dehnung über die effektive Länge des Folienmusters multipliziert. Die Richtung der parallelen Linien wird als die „empfindliche Richtung” des Dehnungsmesssensors bezeichnet. Die parallelen Linien im Folienmuster der Dehnungsmesssensoren 500 werden parallel zur Axialrichtung des Strukturteils 510 angeordnet. Die Genauigkeit eines Dehnungsmesswerts eines Dehnungsmessstreifens mit Temperaturselbstkompensation wird bei einer Ausgestaltung weiter verbessert, indem ein Korrekturfaktor auf Basis einer Kurve oder einer Polynomgleichung angewendet wird, der vom Hersteller des Dehnungsmessstreifens mit Temperaturselbstkompensation zur Verfügung gestellt wird.
Die Dehnungsmessstreifen 500 können in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung positioniert werden, die beispielsweise auf einer Schaltkarte nahe dem Temperatursensor 212 angeordnet wird. Der Dehnungsmesssensor 500 stellt bei einer Anordnung einer Ausgestaltung einen Wirkwiderstand in dem Netz mit vier Widerständen bereit. Die anderen drei Wirkwiderstände werden durch feste Widerstände bereitgestellt, die Wirkwiderstände aufweisen, die sich sehr wenig mit der Temperatur ändern. Bei einer alternativen Ausgestaltung stellen zwei um 180 Grad beabstandete Dehnungssensoren zwei Wirkwiderstände in dem vier Widerstände aufweisenden Netz der Wheatstoneschen Brücke bereit. Die Wheatstonesche Brücke kann in einem dreiadrigen Netz konfiguriert werden, um die Auswirkungen parasitärer Widerstände der Drähte zu entfernen, die von der Elektronik zu den Dehnungsmesssensoren 500 verlegt sind. Das Signal von der Wheatstoneschen Brücke wird bei einer Ausgestaltung zu einer Analog-Digital-Wandler-Schaltung gesendet, wo das analoge Signal von der Wheatstoneschen Brücke in ein digitales Dehnungsmesssignal umgewandelt wird. Alle digitalen Dehnungsmesssignale werden auf die Armbusse 218 geleitet.
Obwohl die Besprechung bis jetzt die Auswirkungen von Dehnungen auf Träger und insbesondere auf zylinderförmige Träger wie beispielsweise die Armsegmente 106, 108 in Betracht zog, können die Dehnungsmesssensoren 500 auch zum Auffinden der Dehnungen in anderen Strukturen verwendet werden. Wenn die berücksichtigte jeweilige Struktur nicht rings um die Axialrichtung symmetrisch ist, muss unter Umständen eine weitere Analyse durchgeführt werden, um die Bedeutung der Dehnungsmesswerte richtig zu interpretieren. Beispielsweise kann bei einem komplizierten Strukturteil eine Finite-Elemente-Analyse (FEA), die auf einem Computer mit einem detaillierten CAD-Modell der jeweiligen Struktur durchgeführt wird, benutzt werden, um die Axial- und Biegedehnung auf Basis der Messwerte der vier Dehnungsmessstreifen festzustellen. In solchen Fällen können vier oder mehr Dehnungsmessstreifen statt drei erforderlich sein.
Die von den Dehnungsmessstreifen erhaltenen Messwerte können dazu verwendet werden, die Genauigkeit der Messungen des Gelenkarm-KMG 100 zu verbessern oder einen Alarm an den Bediener auszugeben, um ihn darauf hinzuweisen, dass eine Korrekturmaßnahme erforderlich ist. Die Messwerte der Dehnungsmessstreifen werden zu den Messwerten der Kodierer in Beziehung gesetzt, um die höchste Genauigkeit zu erzielen. Dies kann durchgeführt werden, indem die Messwerte der Dehnungsmessstreifen zum gei.chen Zeitpunkt wie die Messwerte der Kodierer erfasst werden. Die Messwerte können bei einer Ausgestaltung von allen Sensoren im Gelenkarm-KMG 100 einschließlich der Dehnungsmessstreifen und Kodierer als Reaktion auf ein Erfassungssignal erfasst werden, das über einen Bus in den Armbussen 218 gesendet wird. Die Dehnungsmesssensoren 500 können beispielsweise die Dehnungsdaten bereitstellen, um die Position des Gelenkarm-KMG 100 in Echtzeit (z. B. ~1000 Punkte pro Sekunde) ohne Eingriff des Bedieners zu korrigieren.
Die Daten des Überwachungssystems mit Dehnungsmessstreifen können ferner dazu verwendet werden, dem Bediener eine direkte Rückmeldung bereitzustellen, und zwar in Form von hörbaren oder optischen Warnungen. Derartige Warnungen können ausgegeben werden, wenn die Messwerte der Dehnungsmessstreifen, insbesondere für die Biegedehnung, um mehr als einen vorgegebenen Wert von den festgesetzten (erwarteten) Werten abweichen. Diese Warnungen können durch eine Applikationssoftware ergänzt werden, die dafür ausgelegt ist, Messverfahren zu lehren und weiterzuentwickeln. Sichtbare Warnungen können bei beispielhaften Ausgestaltungen eine Sichtanzeige 520 der Strukturteile 510 umfassen, die eine Farbe oder einen Grauton 530 zur Darstellung der Größe der Dehnung anzeigt.
Um ein einfaches, aber effektives kinematisches Modell für das Gelenkarm-KMG 100 zu erhalten, das die Auswirkungen der Biege- und Axialdehnung berücksichtigt, wäre es zweckdienlich, wenn die FEA zur Beobachtung der Auswirkungen von Kräften auf das Gelenkarm-KMG 100 verwendet wird. Im oberen Teilbild 520 von 5 ist ein Beispiel für eine solche FEA dargestellt. In diesem Teilbild sind unterschiedliche Beträge der Dehnung (bzw. Belastung) durch die Grautonwerte angegeben. In dem dargestellten Fall befindet sich die größte Konzentration der Dehnung im Bereich 530. Als zusätzliche Weiterentwicklung können Versuche durchgeführt werden, um die Kraft zu messen, die durch die Ausgleichsfeder in Abhängigkeit von der Orientierung der Armsegmente im Raum aufgebracht wird. Diese Kraftwerte können zur Verbesserung der FEA-Analyse verwendet werden.
Der Hauptzweck der FEA besteht darin, die Einrichtung einer relativ einfachen, aber genauen Form des kinematischen Modells des Gelenkarm-KMG 100 zu unterstützen. Sobald die Form des kinematischen Modells eingerichtet wurde, wird eine große Menge an Daten erfasst und an das Modell angepasst. Es wird ein Optimierungsverfahren eingesetzt, um die besten numerischen Parameterwerte für das Modell auszuwählen. Die kombinierten Schritte der Datenerfassung und Auflösung nach den optimalen Parameterwerten werden als „Kompensation” oder „Kalibrierung” bezeichnet. Die Datenerfassung kann die Messung der Koordinaten einer Sonde umfassen, die in einer Aufnahme befestigt ist, während die Armsegmente in verschiedene Orientierungen bewegt werden. Da der Koordinatenwert bei einer unbeweglichen Sondenspitze konstant bleiben sollte, können die Parameterwerte derart ausgewählt werden, dass sie die Differenz bei den Sondenmesswerten verschiedener Orientierungen der Armsegmente minimieren. Die Datenerfassung kann auch die Messung der Distanz zwischen Punkten auf einem oder mehreren Gegenständen bekannter Länge umfassen.
Wie vorstehend dargelegt wurde, kann der Dehnungsmesssensor 500 auf der Außenfläche oder der Innenfläche angeordnet oder in dem Material des Strukturteils 510 eingebettet werden. Im letzteren Fall können die Dehnungsmesssensoren 500 in die Kohlefaser der Rohre 510 eingebettet werden, die die Gelenke verbinden. Das Kohlefasergewebe wird beim Herstellungsverfahren normalerweise auf einen Dorn gewickelt und die Dehnungsmesssensoren 500 können vor der Beendigung der letzten Umwicklung angebracht werden, so dass die Dehnungsmesssensoren 500 geschützt und in das Teil eingebettet werden. Dadurch, dass die Dehnungsmesssensoren 500 an entgegengesetzten Enden des Armrohrs 510 und um 90 Grad voneinander beabstandet (d. h. orthogonal angeordnet) auf dem Umfang des Rohrs 510 positioniert werden, kann die Rohrverformung im Bereich der Dehnungsmessstreifen nahe den Verbindungungsstellen von Anschlussteilen, wo die größte Verformung auftritt, vollständig charakterisiert werden (in dem Belastungsdiagramm von 5 dargestellt).
6 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zur Messung der Dehnung gemäß beispielhaften Ausgestaltungen, wobei veranschaulicht wird, dass das Gelenkarm-KMG 100 bei Block 610 kontinuierlich die Dehnung messen kann, bei Block 620 des Gelenkarm-KMG 100 durchführen kann und bei Block 630 die Messungen kontinuierlich so lange anzeigen kann, wie der Bediener bei Block 640 messen und anzeigen lassen möchte.
Die technischen Auswirkungen und Vorteile umfassen die Fähigkeit, Dehnungen bei den Strukturteilen 510 des Gelenkarm-KMG 100 kontinuierlich zu messen. Entsprechend weiß der Bediener, ob das Gelenkarm-KMG 100 während einer Messung etwaigen Dehnungen ausgesetzt ist, so dass er die Dehnung während der Messung berücksichtigen oder Korrekturmaßnahmen durchführen kann.
Es ist für den Fachmann zu erkennen, dass die Aspekte der vorliegenden Erfindung als ein System, Verfahren oder Computerprogrammprodukt ausgebildet sein können. Die Aspekte der vorliegenden Erfindung können demgemäß die Form einer ganz aus Hardware bestehenden Ausgestaltung, einer ganz aus Software bestehenden Ausgestaltung (einschließlich Firmware, residenter Software, Mikrocode usw.) oder einer Ausgestaltung, welche alle allgemein hierin als „Schaltung”, „Modul” oder „System” bezeichneten Software- und Hardware-Aspekte kombiniert, aufweisen. Darüber hinaus können die Aspekte der vorliegenden Erfindung die Form eines Computerprogrammprodukts aufweisen, das in einem oder mehreren computerlesbaren Medien ausgebildet ist, auf denen ein computerlesbarer Programmcode ausgebildet ist.
Es kann eine beliebige Kombination von einem oder mehreren computerlesbaren Medien benutzt werden. Das computerlesbare Medium kann ein computerlesbares Signalmedium oder ein computerlesbares Speichermedium sein. Ein computerlesbares Speichermedium kann beispielsweise ein(e) elektronische(s), magnetische(s), optische(s), elektromagnetische(s), Infrarot- oder Halbleiter-System, Vorrichtung oder Gerät oder eine beliebige geeignete Kombination der vorstehenden sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Zu den spezifischeren Beispielen (keine erschöpfende Auflistung) für das computerlesbare Speichermedium würde Folgendes zählen: ein elektrischer Anschluss mit einem oder mehreren Drähten, eine tragbare Computerdiskette, eine Festplatte, ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Nurlesespeicher (ROM), ein löschbarer programmierbarer Nurlesespeicher (EPROM oder Flash-Speicher), eine Lichtleitfaser, ein tragbarer CD-Nurlesespeicher (CD-ROM), ein optisches Speichergerät, ein magnetisches Speichergerät oder eine beliebige geeignete Kombination der vorstehenden. Im Zusammenhang mit diesem Dokument kann ein computerlesbares Speichermedium ein beliebiges physisch vorhandenes Medium sein, das ein Programm enthalten oder speichern kann, damit es von oder in Verbindung mit einem System, einer Vorrichtung oder einem Gerät verwendbar ist, welches bzw. welche Anweisungen ausführt.
Ein computerlesbares Signalmedium kann ein sich ausbreitendes Datensignal mit einem darin ausgebildeten computerlesbaren Programmcode sein, beispielsweise im Basisband oder als Teil einer Trägerwelle. Ein solches sich ausbreitendes Signal kann irgendeine von unterschiedlichen Formen annehmen, die elektromagnetische, optische oder eine beliebige geeignete Kombination davon umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Ein computerlesbares Signalmedium kann ein beliebiges computerlesbares Medium sein, das kein computerlesbares Speichermedium ist und das ein Programm kommunizieren, ausbreiten oder transportieren kann, damit es von oder in Verbindung mit einem System, einer Vorrichtung oder einem Gerät verwendbar ist, welches bzw. welche Anweisungen ausführt.
Der auf einem computerlesbaren Medium ausgebildete Programmcode kann mit irgendeinem geeigneten Medium übertragen werden, das ein drahtloses Medium, eine Drahtleitung, ein Lichtleitfaserkabel, eine Funkfrequenz usw. oder eine beliebige geeignete Kombination der vorstehenden umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist.
Der Computerprogrammcode zur Durchführung der Rechenvorgänge für die Aspekte der vorliegenden Erfindung kann in einer beliebigen Kombination einer oder mehrerer Programmiersprachen geschrieben sein, zu denen eine objektorientierte Programmiersprache wie beispielsweise Java, Smalltalk, C++, C# oder dergleichen und herkömmliche Verfahrensprogrammiersprachen wie beispielsweise die Programmiersprache „C” oder ähnliche Programmiersprachen gehören. Der Programmcode kann vollständig auf dem Computer des Benutzers, teilweise auf dem Computer des Benutzers, als unabhängiges Softwarepaket, teilweise auf dem Computer des Benutzers und teilweise auf einem Ferncomputer oder vollständig auf dem Ferncomputer oder -server ausgeführt werden. Im letzteren Szenarium kann der Ferncomputer durch irgendeinen Netzwerktyp einschließlich eines lokalen Netzwerks (LAN) oder eines Weitverkehrsnetzes (WAN) mit dem Computer des Benutzers verbunden sein oder kann die Verbindung zu einem externen Computer erfolgen (beispielsweise über das Internet durch einen Internet-Dienstanbieter).
Die Aspekte der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf Ablaufdiagramm-Darstellungen und/oder Blockschaltbilder von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß den Ausgestaltungen der Erfindungen beschrieben. Es versteht sich, dass jeder Block der Ablaufdiagramm-Darstellungen und/oder Blockschaltbilder und Kombinationen von Blöcken in den Ablaufdiagramm-Darstellungen und/oder Blockschaltbildern durch Computerprogramm-Anweisungen implementierbar sind.
Diese Computerprogramm-Anweisungen können einem Prozessor eines universell einsetzbaren Computers, Spezialcomputers oder einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung zur Bildung eines Geräts derart bereitgestellt werden, dass die Anweisungen, welche über den Prozessor des Computers oder der anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, Mittel zur Implementierung der Funktionen/Vorgänge erzeugen, die in dem Block oder den Blöcken des Ablaufdiagramms und/oder Blockschaltbilds vorgegeben sind. Diese Computerprogramm-Anweisungen können auch auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein, das einen Computer, eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung oder andere Geräte derart für eine bestimmte Funktionsweise steuern kann, dass die auf dem computerlesbaren Medium gespeicherten Anweisungen einen Herstellungsartikel einschließlich Anweisungen erzeugen, welche die Funktion bzw. den Vorgang implementieren, die bzw. der in dem Block oder den Blöcken des Ablaufdiagramms und/oder Blockschaltbilds vorgegeben ist.
Die Computerprogramm-Anweisungen können ferner derart auf einen Computer, eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung oder andere Geräte geladen werden, dass sie eine Reihe von Arbeitsschritten bewirken, die auf dem Computer, der anderen programmierbaren Vorrichtung oder anderen Geräten so durchzuführen sind, dass sie ein computerimplementiertes Verfahren derart erzeugen, dass die Anweisungen, welche auf dem Computer oder der anderen programmierbaren Vorrichtung ausgeführt werden, Verfahren zur Implementierung der Funktionen/Vorgänge bereitstellen, die in dem Block bzw. den Blöcken des Ablaufdiagramms und/oder Blockschaltbilds vorgegeben sind.
Die Ablauf- und Blockschaltbilder in den Figuren zeigen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung. In dieser Hinsicht kann jeder Block in den Ablaufdiagrammen oder Blockschaltbildern ein Modul, ein Segment oder einen Teil eines Codes repräsentieren, welches bzw. welcher eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Implementierung der vorgegebenen logischen Funktion(en) umfasst. Es ist ferner anzumerken, dass die in dem Block angegebenen Funktionen bei einigen alternativen Implementierungen in einer anderen als der in den Figuren angegebenen Reihenfolge erfolgen können. Beispielsweise können zwei hintereinander dargestellte Blöcke eigentlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden oder können die Blöcke je nach der betreffenden Funktionalität manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist ebenfalls anzumerken, dass jeder Block der Blockschaltbilder und/oder der Ablaufdiagramm-Darstellung und Kombinationen von Blöcken in den Blockschaltbildern und/oder der Ablaufdiagramm-Darstellung durch spezielle Systeme auf Hardware-Basis implementierbar sind, die die vorgegebenen Funktionen oder Vorgänge oder Kombinationen von speziellen Hardware- und Computeranweisungen durchführen.
Obwohl die Erfindung anhand beispielhafter Ausgestaltungen beschrieben wurde, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente an Stelle von Elementen davon eingesetzt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Ferner können zahlreiche Modifikationen erfolgen, um eine
bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzbereich abzuweichen. Es ist demzufolge beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmte Ausgestaltung beschränkt ist, die als die zur Durchführung dieser Erfindung beste Ausführungsform erachtete offenbart wurde, sondern dass die Erfindung alle Ausgestaltungen umfasst, die im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen. Ferner bedeutet die Verwendung der Begriffe „erster”, „zweiter” usw. nicht irgendeine Reihenfolge oder Bedeutsamkeit, sondern werden die Begriffe „erster”, „zweiter” usw. vielmehr zur Unterscheidung eines Elements von einem anderen verwendet. Darüber hinaus bedeutet die Verwendung der Begriffe „ein”, „eine” usw. nicht eine Beschränkung der Menge, sondern vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem des Gegenstands, auf den Bezug genommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5402582 [0004, 0020]
US 5611147 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1588 [0029]

Claims

Tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) zur Messung von Koordinaten eines Objekts im Raum, umfassend: einen manuell positionierbaren Gelenkarmabschnitt mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene Armsegmente umfasst, wobei die mehreren verbundenen Armsegmente ein Armsegment angrenzend an das erste Ende umfassen, wobei jedes Armsegment mindestens ein Positionsmessgerät umfasst, das ein Positionssignal erzeugt; eine am ersten Ende befestigte Messvorrichtung; ein Strukturteil des Gelenkarm-KMG, wobei das Strukturteil eine Axialrichtung aufweist; mindestens drei an das Strukturteil gekoppelte Dehnungsmesssensoren mit jeweils einer empfindlichen Achse, wobei die empfindliche Achse jedes Dehnungsmesssensors ungefähr parallel zur Axialrichtung orientiert ist, wobei jeder Dehnungsmesssensor ungefähr von einer senkrecht zur Axialrichtung verlaufenden Querebene geschnitten wird, wobei jeder Dehnungsmesssensor ein analoges Dehnungsmesssignal erzeugt und die Dehnungsmesssensoren derart angeordnet sind, dass sie Daten bereitstellen, die zur Bestimmung einer Biegedehnung an irgendeinem Punkt ausreichen, der sich sowohl auf dem Strukturteil als auch auf der Querebene befindet; und eine elektronische Schaltung, die das Positionssignal empfängt und Daten bereitstellt, die einer Lage der Messvorrichtung entsprechen.
Gelenkarm-KMG nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Analog-Digital-Wandler-Schaltung, die irgendeine Kombination der analogen Dehnungsmesssignale in mehrere digitale Dehnungsmesssignale umwandelt, wobei die elektronische Schaltung die mehreren digitalen Dehnungsmesssignale empfängt.
Gelenkarm-KMG nach Anspruch 2, wobei die elektronische Schaltung die Größe und Richtung der maximalen Biegung des Strukturteils berechnet.
Gelenkarm-KMG nach Anspruch 3, wobei die elektronische Schaltung die digitalen Dehnungsmesssignale von den mindestens drei Dehnungsmesssensoren verwendet, um die bereitgestellten Daten zu modifizieren, die der Lage der Messvorrichtung entsprechen.
Gelenkarm-KMG nach Anspruch 4, ferner umfassend ein Erfassungssignal, wobei das Positionssignal und die digitalen Dehnungsmesssignale als Reaktion auf das Erfassungssignal erfasst werden.
Gelenkarm-KMG nach Anspruch 4, ferner umfassend Parameter, die von einem Kompensationsverfahren erhalten und in der elektronischen Schaltung gespeichert werden, wobei die Parameter teilweise durch eine Erfassung von Daten durch das Gelenkarm-KMG als Reaktion auf die Bewegung der Armsegmente erhalten werden.
Gelenkarm-KMG nach Anspruch 6, wobei die elektronische Schaltung die Parameter und die berechnete Größe und Richtung der maximalen Biegung verwendet, um die bereitgestellten Daten zu modifizieren, die der Lage der Messvorrichtung entsprechen.
Gelenkarm-KMG nach Anspruch 3, wobei das Strukturteil einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und der Dehnungsmesssensor derart ausgewählt ist, dass er dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Strukturteils entspricht.
Gelenkarm-KMG nach Anspruch 3, ferner umfassend einen vierten Dehnungsmesssensor.
Gelenkarm-KMG nach Anspruch 3, wobei die elektronische Schaltung eine Warnung als Reaktion auf die Dehnungsmesssignale erzeugt.
Gelenkarm-KMG nach Anspruch 10, wobei die Warnung eine von einer optischen Warnung und einer hörbaren Warnung ist.
Gelenkarm-KMG nach Anspruch 10, wobei die Warnung erzeugt wird, wenn die Biegedehnung einen Wert aufweist, der außerhalb vorgegebener Grenzwerte liegt.
Verfahren zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines manuell positionierbaren Gelenkarmabschnitts mit entgegengesetzten ersten und zweiten Enden, wobei der Armabschnitt mehrere verbundene Armsegmente umfasst, die jeweils an mindestens einem Lagereinsatz befestigt sind, wobei die mehreren verbundenen Armsegmente ein Armsegment angrenzend an das erste Ende umfassen, wobei jedes Armsegment mindestens ein Positionsmessgerät umfasst, das ein Positionssignal erzeugt; einer am ersten Ende befestigten Messvorrichtung; ein Strukturteil des Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts, wobei das Strukturteil eine Axialrichtung aufweist; mindestens ein erster Dehnungsmesssensor, der auf dem Strukturteil angeordnet ist, wobei jeder Dehnungsmesssensor ein analoges Dehnungsmesssignal erzeugt; Umwandeln einer Kombination der analogen Dehnungsmesssignale in mindestens ein digitales Dehnungsmesssignal; Senden des mindestens einen digitalen Dehnungsmesssignals durch mindestens einen des mindestens einen Lagereinsatzes zu einer elektronischen Schaltung, die das Positionssignal und das mindestens eine digitale Dehnungsmesssignal empfängt; Bereitstellen und Speichern von Daten, die einer Lage der Messvorrichtung entsprechen; und Speichern des mindestens einen digitalen Dehnungsmesssignals.
Verfahren nach Anspruch 13 zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ferner umfassend den Schritt des Bereitstellens eines zweiten Dehnungsmesssensors auf dem Strukturteil und eines dritten Dehnungsmesssensors auf dem Strukturteil, wobei der erste, zweite und dritte Dehnungsmesssensor analoge Dehnungsmesssignale erzeugen; Umwandeln irgendeiner Kombination der analogen Dehnungsmesssignale in mehrere digitale Dehnungsmesssignale; Senden der mehreren digitalen Dehnungsmesssignale durch mindestens einen des mindestens einen Lagereinsatzes zu der elektronischen Schaltung, wobei die elektronische Schaltung die digitalen Dehnungsmesssignale speichert.
Verfahren nach Anspruch 14 zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ferner umfassend folgende Schritte: Koppeln des ersten, zweiten und dritten Dehnungsmesssensors, die jeweils eine empfindliche Achse aufweisen, an das Strukturteil, wobei die empfindliche Achse jedes Dehnungsmesssensors ungefähr parallel zur Axialrichtung orientiert ist; Anordnen jedes Dehnungsmesssensors auf dem Strukturteil derart, dass er ungefähr von einer senkrecht zur Axialrichtung des Strukturteils verlaufenden Querebene geschnitten wird; und Anordnen des ersten, zweiten und dritten Dehnungsmesssensors derart, dass sie Daten bereitstellen, die zur Bestimmung einer Biegedehnung an irgendeinem Punkt ausreichen, der sich sowohl auf dem Strukturteil als auch auf der Querebene befindet.
Verfahren nach Anspruch 15 zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ferner umfassend den Schritt des Berechnens der Größe und Richtung der maximalen Biegung des Strukturteils.
Verfahren nach Anspruch 16 zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ferner umfassend den Schritt des Verwendens der mehreren digitalen Dehnungsmesssignale, um die bereitgestellten Daten zu modifizieren, die der Lage der Messvorrichtung entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 17 zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ferner umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines Erfassungssignals; und Erfassen des Positionssignals und der digitalen Dehnungsmesssignale als Reaktion auf das Erfassungssignal.
Verfahren nach Anspruch 18 zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ferner umfassend den Schritt des Erhaltens von Parametern von einem Kompensationsverfahren, wobei die Parameter teilweise durch die Erfassung von Daten durch das Gelenkarm-Koordinatenmessgerät als Reaktion auf die Bewegung der Armsegmente erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 19 zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ferner umfassend den Schritt des Verwendens der Parameter und der berechneten Größe und Richtung der maximalen Biegung des Strukturelements, um die bereitgestellten Daten zu modifizieren, die der Lage der Messvorrichtung entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 15 zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ferner umfassend den Schritt des Auswählens eines Wärmeausdehnungskoeffizienten für jeden Dehnungsmesssensor derart, dass er einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Strukturteils entspricht.
Verfahren nach Anspruch 14 zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ferner umfassend den Schritt des Erzeugens einer Warnung als Reaktion auf die Dehnungsmesssignale.
Verfahren nach Anspruch 22 zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), wobei die Warnung eine von einer optischen Warnung und einer hörbaren Warnung ist.
Verfahren nach Anspruch 16 zur Messung der Dehnung bei einem Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG), ferner umfassend den Schritt des Erzeugens einer Warnung als Reaktion auf die Dehnungsmesssignale, wenn die Biegedehnung einen Wert aufweist, der außerhalb vorgegebener Grenzwerte liegt.