Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Orientierung und Position eines Objekts, beispielsweise eines Punktes an einer Meh- rachskinematik, d.h. eines Punktes einer Mehrachskinematik oder eines Punktes eines an der Mehrachskinematik angebrachten Gegenstandes.

Unter einer Mehrachskinematik wird dabei eine Vorrichtung verstanden, bei welcher Bewegungen durch eine Mehrzahl von miteinander gekoppelten Achsen realisiert werden können. Beispiele für derartige Mehrachskinematiken sind Roboterarme, wobei an den Enden derartiger Roboterarme oder auch an anderen Punkten der Roboterarme Messgeber, Werkzeuge und dergleichen befestigt sein können.

Zum Vermessen von Objekten mit derartigen Messgebern bzw. zum Bearbeiten von Objekten mit derartigen Werkzeugen ist es je nach Messgeber bzw. Werkzeug nötig, die Position des Punktes der Mehrachskinematik, an welchem der Messgeber bzw. das Werkzeug angebracht ist, sowie die Orientierung der Mehrachskinematik an diesem Punkt, welche dann die Orientierung des Messgebers bzw. Werkzeugs beein- flusst, genau zu kennen.

Ein spezielles Beispiel für derartige Vorrichtungen mit Mehrachskinematik sind industrielle Koordinatenmessmaschinen, bei welchen am Ende eines Roboterarms ein taktiler oder optischer Sensor angebracht ist, mit welchem eine Oberfläche eines Objekts vermessen werden kann. Um aus dem Signal des taktilen oder optischen Messgebers auf die Koordinaten des gerade vermessenen Punktes Rückschlüsse ziehen zu können, ist dabei eine Kenntnis von Position und Orientierung des Messgebers, welche wiederum von Position und Orientierung einer Punktes des Roboterarms, an welchem der Messgeber angebracht ist, abhängt, zu kennen. Grundsätzlich ist eine Bestimmung von Position und Orientierung auf Basis von Steuerdaten der Mehrachskinematik möglich. Bei typischen Winkelauflösungen im Bereich von 0,00005 Grad bis 0,0002 Grad ergeben sich bei einer typischen Meh- rachskinematik mit 6 Achsen eine Genauigkeit der Bestimmung von Position von ungefähr +/- 0,025 mm. Dies ist für manche Anwendungen wie beispielsweise für die oben erwähnten Koordinatenmessmaschinen zu ungenau. Daher wurden Verfahren und Vorrichtungen entwickelt, bei denen die Position beispielsweise eines Endpunktes eines Roboterarms mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.

Die Realisierung von Vorrichtungen und Verfahren, bei denen Positionen in Räumen von einigen Metern Länge mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich bestimmt wird, stellt dabei eine technische Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere, wenn Positionen mit einer hohen Rate und kurzen Signalverarbeitungszeit bestimmt werden sollen, um eine Positionsbestimmung in Echtzeit zu ermöglichen, und eine Jus- tage von Komponenten der Messvorrichtung möglichst einfach vornehmbar sein soll.

Lasertracker, die die Bestimmung der drei Raumkoordinaten eines Objekts ermöglichen, kombinieren ein Laserweglängenmessgerät mit einem hochpräzisen, doppel- kardanisch aufgehängten Umlenkspiegel. Aus dem gemessenen Abstand und den beiden Ablenkwinkeln des Umlenkspiegels kann die Objektposition bestimmt werden. Derartige Lasertracker erfordern jedoch eine präzise Steuerung der Umlenkspiegel und eine genaue Kenntnis des jeweiligen Ablenkwinkels des Umlenkspiegels. Die entsprechende Akto k stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar.

Bei geometrisch optischen Verfahren wird beispielsweise eine am Objekt befestigte Lichtquelle mit mindestens zwei Kameras beobachtet und daraus die Objektposition mittels Triangulation bestimmt. Diese Verfahren werden jedoch häufig ungenau, wenn der Abstand von Kamera zu Objekt stark variiert.

Aus der DE 101 18 392 A1 ist ein System und ein Verfahren zum Bestimmen einer Position zweier Objekte zueinander bekannt. Das Verfahren verwendet die Kohärenzeigenschaften von Laserstrahlung zur Abstandsermittiung, bei der mehrere Lichtstrahlen kohärent überlagert werden.

Laserwegiängenmessgeräte erlauben die Bestimmung eines Abstands eines Ob- jekts. In K. Minoshima and H. Matsumoto,„High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512-5517 (2000) wird eine Distanzmessung unter Verwendung von Frequenzkämmen beschrieben. Die Messung kann zwar mit hoher Genauigkeit erfolgen, ist aber auf eine Dimension beschränkt.

Die oben erwähnten Verfahren liefern dabei lediglich eine Position eines Punktes einer Mehrachskinematik, ergeben jedoch keine Informationen über dessen Orientierung.

Aus der DE 10 2004 021 892 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher zur Bestimmung einer Position und einer Orientierung nacheinander 6 verschiedene Retro- reflektoren mittels eines sogenannten Lasertrackers angemessen werden. Ein derartiges System ist jedoch messtechnisch relativ aufwendig.

Es ist daher eine Aufgabe, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, wobei Position und Orientierung eines Punktes einer Mehrachskinematik auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 1 1 . Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren und Vorrichtungen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bereitgestellt, umfassend:

Bestimmen einer Position eines Objekts durch eine optische Messung,

und

Bestimmen einer Orientierung auf Basis von Daten, welche aus einer Quelle gewon- nen sind, welche sich von der optischen Messung unterscheidet.

Durch Kombination einer optischen Messung der Position mit der aus den Daten der Quelle gewonnenen Orientierung kann eine hohe Genauigkeit bei gleichzeitig reduziertem Messaufwand erzielt werden.

Die optische Messung kann insbesondere eine optische Längenmessung sein. Die Quelle kann sich dann insbesondere von einer optischen Längenmessung unterscheiden.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Objekt ein Abschnitt einer Mehrachskinematik oder ein an einem Abschnitt einer Mehrachskinematik angebrachtes Objekt. In die- sem Fall kann die Quelle beispielsweise eine Steuerung der Mehrachskinematik sein, und die Daten können Steuerdaten der Mehrachskinematik sein.

Die Steuerdaten können dabei beispielsweise Daten eines Steuerprogramms der Mehrachskinematik oder von von in der Mehrachskinematik eingebauten Winkelge- bem gewonnene Daten sein.

Das Objekt kann einem Punkt der Mehrachskinematik entsprechen, und an dem Punkt kann ein Messgeber oder ein Werkzeug angebracht sein. In diesem Fall kann das Verfahren zudem ein Bestimmen einer Endposition des Messgebers bzw. des Werkzeugs auf Basis der Orientierung bei dem Punkt und der Position des Punktes ermöglichen.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird bei der optischen Messung über einen oder mehrere bewegliche Spiegel Licht, beispielsweise Laserlicht, in einen gewünschten Raumbereich gelenkt und aus dem gewünschten Raumbereich reflektiertes Licht gemessen, um eine Distanz zur Positionsbestimmung zu gewinnen. Beispielsweise kann das Licht ausgehend von einem Abschnitt einer Mehrachskinematik zu feststehenden Retroreflektoren gelenkt werden und das von den Retroreflektoren zurückgestreute Licht gemessen werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann Licht von ortsfesten Messeinrichtungen zu einem an einer Mehrachskinematik oder einem anderen Objekt angebrachten Retroreflektor gelenkt werden.

Bei derartigen Ausführungsbeispielen können die ein oder mehreren beweglichen Spiegel als Quelle dienen, und die Daten können Stellungen der Spiegel beschreiben, aus welchen dann wiederum die Orientierung gewonnen werden kann.

Dabei kann zur Korrektur der so gewonnenen Winkeldaten eine Abweichung des zurückreflektierten Lichtstrahls von einem Sollwert herangezogen werden, wobei zur Ermittlung der Abweichung beispielsweise eine Quadrantendiode verwendet werden kann.

Bei wieder anderen Ausführungsbeispieien kann die Orientierung auf Basis einer Bildanalyse eines von einer als Quelle dienenden Kamera aufgenommenen Bildes gewonnen werden, beispielsweise eines Bildes, welches ortsfeste Muster ausgehend von einem beweglichen Objekt, beispielsweise einem Abschnitt einer Mehrachskinematik, aufnimmt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können zur Bestimmung der Orientierung andere Arten von Sensoren, beispielsweise Gravitationssensoren, Trägheitssensoren und/oder Magnetfeldsensoren als Quelle verwendet werden.

Weitere, teilweise optionale oder fakultative Merkmale und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäfien Vorrichtung,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung,

Fig. 7 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, und

Figuren 9a und 9b Schemadiagramme zur Veranschaulichung der Funktions- weise des Ausführungsbeispiels der Fig. 8.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Anwendung ein Roboterarm 2 verwendet, welcher ein Beispiel für eine Mehrachskinematik ist. Wie im Folgenden detaillierter erläutert ist an einem letzten Glied 31 des Roboterarms 2 ein Retroreflektor 25 angebracht, dessen Position auf optische Weise bestimmt wird. Ferner ist an dem letzten Glied 31 des Roboterarms ein Messgeber 29 angebracht, beispielsweise ein optischer oder ein taktiler Messgeber, z.B. ein Taststift, mit welchem eine Oberfläche 30 vermessen wird.

Eine Vorrichtung 1 dient zum optischen Bestimmen der Position des Retroreflektors 25. Es ist zu bemerken, dass die dargestellte Vorrichtung 1 lediglich als Beispiel zu verstehen ist, und bei anderen Ausführungsbeispielen andere Vorrichtungen, beispielsweise herkömmliche Lasertracker, verwendet werden können, um die Position eines Punktes des Roboterarms 2, beispielsweise des Punktes, an welchem der Ret- roreflektor 25 und der essgeber 29 angebracht ist, auf optische Weise zu bestim- men.

Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtquelle 3, die mit einer Repetitionsrate eine Folge kurzer Lichtpulse erzeugt, eine Lichtlenkeinrichtung, die durch eine Mehrzahl von optischen Elementen 4-9 ausgebildet ist, ein Paar von Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 mit einem ersten Referenzsignaldetektor 1 und einem zweiten Referenzsignaldetektor 12, eine Detektoranordnung mit mehreren optischen Detektoren 13, 14 und eine Auswerteschaltung 15. Die Lichtlenkeinrichtung empfängt die Folge von Lichtpulsen und lenkt die Folge von Lichtpulsen zu dem Paar von Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 und in einen aligemein mit 28 bezeichneten Raumbereich, in dem die Po- sition des an dem Roboterarm 2 angebrachten Reflektors 25 bestimmt werden soll. Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend das von der Lichtlenkeinrichtung zu den Referenzsignaldetektoren 11 , 12 und in den Raumbereich 28 gelenkte Licht e- benfalls als die Folge von Lichtpulsen bezeichnet, wobei ersichtlich ist, dass jeweils nur ein Anteil der von der Lichtquelle 2 erzeugten Lichtpulsintensität zu den Refe- renzsignaldetektoren 1 1 , 12 bzw. in den Raumbereich 28 gelenkt wird. Die Folge von Lichtpulsen wird in dem Raumbereich von dem an dem Roboterarm 2 angeordneten Reflektor 25 reflektiert. Die reflektierte Folge von Lichtpulsen wird von den Detektoren 13, 14 erfasst. Die Auswerteschaltung 15 ermittelt aus den Signalen von den Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12, die an einem Referenzsignaleingang 16 empfangen werden, und aus den Signalen von den Detektoren 13, 14 eine Phaseniage von Signalkomponenten der an den Detektoren 13, 14 erfassten Lichtsignale, die in einer Beziehung zur Laufzeit der Lichtpulse in dem Raumbereich 28 und somit zum Abstand des Reflektors 25 von verschiedenen Elementen der Lichtlenkeinrichtung steht. Auf diese Weise kann die Position des Reflektors 25 ermittelt werden. Die Er- mittlung der Phasenlage durch die Auswerteschaitung 15 beruht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf Signalkomponenten der an den Detektoren 13, 14 er- fassten Lichtsignale, die eine Frequenz aufweisen, die ein Vielfaches der Repetiti- onsrate ist.

Die Detektoren 13, 14 und Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 sind beispielsweise als Fotodetektoren ausgestaltet und erfassen die einfallende Lichtintensität.

Während in Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei Strahlteifer 5, 7, von denen aus Licht in den Raumbereich 28 gelenkt wird, und zwei diesen zugeordnete Detektoren 13, 14 dargestellt sind, kann Licht auch von mehr als zwei unterschiedli- chen Positionen aus in den Raumbereich gelenkt werden, in dem die Position des Objekts bestimmt werden soll. Sollen alle drei räumlichen Koordinaten des Retro- reflektors 25 bestimmt werden, kann die Folge von Lichtpulsen von wenigstens einer weiteren Einstrahlposition aus in den Raumbereich 28 gelenkt werden, die nicht auf einer Geraden angeordnet ist, die durch die Strahldurchtrittspunkte an den Strahltei- lern 5 und 7 definiert ist.

Die Funktionsweise der verschiedenen Komponenten der Vorrichtung 1 wird nachfolgend näher erläutert. Die Lichtquelle 3 erzeugt ein optisches Signal, das mit einer periodischen Funktion moduliert ist und das eine Grundfrequenz fO sowie ausgeprägte Anteile von Oberwellen der Grundfrequenz fO, d.h. ausgeprägte Frequenzkomponenten mit Frequenzen aufweist, die Vielfache von fO sind. Ein solches Signal wird beispielsweise durch einen Kurzpulslaser erzeugt, der eine Folge von Lichtpulsen in einem wohldefinierten zeitlichen Abstand T0=1/f0, d.h. mit einer Repetitionsrate fO, erzeugt, wobei die Dauer jedes Pulses kurz ist im Vergleich zum zeitlichen Abstand TO zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen.

Die Dauer jedes Lichtpulses kann im Vergleich zu dem Zeitabstand TO zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen sehr klein sein, beispielsweise von der Größenordnung 1 -1 Cf ⁵ . Bei der Vorrichtung 3 können die Repetitionsrate fO und die Zeitdauer jedes Pulses geeignet in Abhängigkeit von einer gewünschten Messgenauigkeit bei der Ortsbestimmung, einer anfänglichen Unsicherheit über die Position des Objekts, und der Signalkomponente des an den Detektoren 13, 14 detektierten Lichtsignals, für die eine Phasenlage bestimmt werden soll, oder in Abhängigkeit von weiteren Faktoren gewählt werden. Soli zur Bestimmung der Phasendifferenz die n-te Oberwelle von fO verwendet werden, werden die Dauer jedes Lichtpulses und der Zeitab- stand TO zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpuisen so gewählt, dass die von der Lichtquelle 3 ausgegebene Folge von Lichtsignalen noch ein ausreichendes spektrales Gewicht bei der Frequenz n fO aufweist. Die Lichtpulse können eine Folge von Rechteckspulsen bilden. Es können ebenso andere geeignete Pulsformen gewählt werden, beispielsweise das Quadrat eines hyperbolischen Secans oder eine Gauss- funktion.

Eine entsprechende Folge von Lichtpulsen kann von verschiedenen Lasern erzeugt werden, die für die Erzeugung kurzer Lichtpulse eingerichtet sind. Insbesondere können optische Frequenzsynthesizer verwendet werden. Beispielsweise kann ein elektrisch gepumpter Diodenlaser, z.B. ein gütegeschalteter Laser, ein verstärkungs- geschalteter (gain switched) Laser, ein aktiv oder passiv modengekoppelter Laser oder ein Laser mit hybrider Modenkopplung, oder ein modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) als Lichtquelle 3 verwendet werden. Es kann auch ein optisch gepumpter Laser, beispielsweise ein passiv modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit externem vertikalen Resonator (Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers, VECSEL) oder ein auf photonische-Kristallfasern basierender Laser (photonic-crystal-fiber laser) als Lichtquelle 3 verwendet werden. Beispielhafte Puls- dauern der Lichtquelle 3 liegen in einem Bereich von 100 fs und 100 ps. Beispielhafte Repetitionsraten liegen in einem Bereich von 50 MHz bis 50 GHz. Beispielhafte mittlere Leistungen liegen in einem Bereich von 1 mW bis 10 W. Beispielhafte Werte für den Pulsjitter liegen zwischen 10 fs und 1 ps Effektivwert (quadratischer Mittelwert).

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird die von der Lichtquelle 3 ausgegebene Folge von Lichtpulsen von der Lichtlenkeinrichtung zu den Referenzsignaldetektoren 11 , 12 und in den Raumbereich 28 gelenkt. Die Lichtlenkeinrichtung umfasst bei der Vorrichtung 1 mehrere Strahlteiler 4, 5 und 7, einen Spiegel 6 und Strahlaufweiter 8, 9, die den Strahlteilern 5 bzw. 7 zugeordnet sind. Der Strahlteiler 4 empfängt die Folge von Lichtpulsen von der Lichtquelle 3. Ein Teilstrahl 20 der Folge von Lichtpulsen wird von dem Strahlteiler 4 als Referenzsignal zu den Referenzsignaidetektoren 11 , 12 gelenkt. Falls erforderlich, kann auch dem Strahlteiler 4 ein optisches Element zur Strahlaufteilung, insbesondere ein Strahlteiler, nachgeordnet sein um sicherzustel- len, dass der Teilstrahl 20 sowohl auf den Referenzsignaldetektor 1 1 als auch auf den Referenzsignaldetektor 12 trifft. Ein weiterer Teilstrahl der Folge von Lichtpulsen wird von dem Strahlteiler 4 transmittiert und trifft auf den Strahlteiler 5. Der Strahltei- ler 5 lenkt einen Teilstrahl 21 der Folge von Lichtpulsen über den Strah [aufweiter 8 in den Raumbereich 28, wobei der Strahlaufweiter 8 den Teilstrahl 21 zu einem Lichtkegel 22 aufweitet. Ein weiterer Teilstrahl wird von dem Strahlteiler 5 transmittiert und über den Spiegel 6 auf den Strahlteiler 7 gelenkt. Der Strahiteiler 7 lenkt einen Teilstrahl 26 der Folge von Lichtpulsen über den Strahlaufweiter 9 in den Raumbereich 28, wobei der Strahlaufweiter 9 den Teilstrahl 26 zu einem Lichtkegel 27 aufweitet. Ein von dem Strahlteiler 7 transmittierter Anteil des von dem Spiegel 6 empfangenen Lichtstrahls kann über einen in Fig. 1 nicht dargestellten weiteren Strahlteiler in Richtung des Raumbereichs 28 gelenkt werden. Der Raumbereich 28, in dem die Position des Objekts bestimmt werden kann, entspricht dem Überlappungsbereich der verschiedenen Lichtkegel 22, 27. Falls die Folge von Lichtpulsen von mehr als drei Positionen aus in Richtung des Raumbereichs gelenkt wird, in dem die Objektposition bestimmt werden soll, ist der Raumbereich, in dem eine Bestimmung der Objektposition möglich ist, die Vereinigung aller Überlappungsbereiche von wenigs- tens drei verschiedenen Lichtkegeln, die ausgehend von wenigstens drei Ausgangspunkten eingestrahlt werden, die nicht auf einer Geraden liegen.

Die über den Strahiteiler 5 und den Lichtaufweiter 8 in dem Lichtkegel 22 in den Raumbereich 28 gelenkte Folge von Lichtpulsen trifft auf den Retroreflektor 25 und wird von diesem zurück in Richtung des Lichtaufweiters 8 reflektiert. Das von dem Retroreflektor 25 zurück in Richtung des Lichtaufweiters 8 reflektierte Licht bildet ein erstes Lichtsignal 23, das über den Lichtaufweiter 8 und den Strahlteiler 5 auf den Detektor 13 gelenkt wird. Die über den Strahlteiler 7 und den Lichtaufweiter 9 in dem Lichtkegel 26 in den Raumbereich 28 gelenkte Folge von Lichtpulsen trifft auf den Retroreflektor 25 und wird von diesem zurück in Richtung des Lichtaufweiters 9 reflektiert. Das von dem Retroreflektor 25 zurück in Richtung des Lichtaufweiters 9 reflektierte Licht bildet ein zweites Lichtsignal 24, das über den Lichtaufweiter 9 und den Strahlteiler 7 auf den Detektor 14 gelenkt wird. Wenn der Retroreflektor 25 im Lichtkegel weiterer Kombinationen von Strahlteiler, Lichtaufweiter und Detektor an- geordnet ist, werden von dem Retroreflektor 25 aus entsprechend weitere Lichtsignale reflektiert, die über den Lichtaufweiter und Strahlteiler auf den entsprechenden Detektor gelenkt werden.

Die die Folge von Lichtpulsen in den Raumbereich 28 lenkende Lichtlenkeinrichtung und die Detektoren 13, 14 der Detektoranordnung sind so angeordnet, dass das in Richtung des Detektors 13 reflektierte Lichtsignal 23 in eine andere Richtung reflektiert wird als das in Richtung des Detektors 14 reflektierte Lichtsignal 24. Der an dem Roboterarm 2 vorgesehene Retroreflektor 25 kann beispielsweise als Eckwürfelreflektor (Corner Cube Reflector, CCR), als Tripelprisma oder als Katzenaugenreflektor (Cat-Eye) bzw. als Kugellinse (Ball Lens) ausgestaltet sein. Beim Eckwürfeireflektor und dem Tripelprisma wird das Licht parallel zu den einfallenden Strahlrichtungen zurückreflektiert. Ein divergentes Strahlenbündel bleibt divergent. Beim Katzenaugenreflektor bzw. bei der Kugeliinse können diese Retroreflektoren für eine bestimmte Distanz so optimiert werden, dass das reflektierte Strahlenbündel im Wesentlichen in sich selbst zurückreflektiert wird, wodurch am Detektor ein höherer Signalpegel vorliegt.

Anstelle eines Retrorefiektors kann auch ein kleines streuendes Element verwendet werden, das sich in seinem Streuverhalten deutlich von seiner Umgebung unterscheidet, um Licht von dem relevanten Objektpunkt zu den Detektoren hin zu streu- en. Damit am Detektor ein nutzbares Signal vorliegt, das vom Rauschen der streuenden Umgebung unterscheidbar ist, sollte das kleine Element Licht stark streuen.

Die Lichtsignale 23 und 24 werden von den Detektoren 13 bzw. 14 erfasst. Die Detektoren 13, 14 und Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 sind als Photoempfänger aus- gestaltet. Die Detektoren 13 und 14 erfassen dabei die Lichtleistung der auf sie einfallenden Folge von Lichtpulsen, die über den dem Detektor 13 bzw. 14 jeweils zugeordneten Strahlteiler 5 bzw. 7 zu dem Retroreflektor 25 und von diesem zurück zu dem Detektor 13 bzw. 14 propagiert. Die unterschiedliche optische Weglänge eines Lichtpulses, um einerseits zu einem der Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 und ande- rerseits nach einer Reflexion an dem Retroreflektor 25 zu einem der Detektoren 13 bzw. 14 zu gelangen, führt zu einer Zeitverschiebung τι bzw. τ ₂ zwischen der Ankunft ein- und desselben Lichtpulses an einem der Detektoren 3 bzw. 14 und an den Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12, die gleich dem Unterschied in optischer Weglänge der Lichtpfade geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit c ist. Da typischerweise nur ein ge- ringer Anteil des in den Raumbereich 28 gelenkten Lichts von dem Retroreflektor 25 reflektiert wird, ist das Signal an den Detektoren 13, 14 gegenüber dem Referenzsignal an den Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 abgeschwächt.

Die Weglängendifferenz beinhaltet einerseits Strecken, die von der Geometrie der Vorrichtung, insbesondere den Abständen zwischen den Strahlteilern 5, 7 und dem Strahlteiler 4 sowie den Abständen zwischen den Strahlteilern 4, 5, 7 und den Detektoren 13, 14 bzw. den Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12, jeweils entlang des Strah- iengangs, abhängen, und andererseits eine Komponente, die für das an dem Detektor 13 erfasste Lichtsignal von der optischen Weglänge zwischen dem Strahlteiler 5 oder dem virtuellen Ausgangspunkt des Lichtkegels 22, und dem Retrorefiektor 25 und für das an dem Detektor 14 erfasste Signal von der optischen Weglänge zwi- sehen dem Strahlteiler 7 oder dem virtuellen Ausgangspunkt des Lichtkegels 27, und dem Retrorefiektor 25 abhängt. Da bei bekannter Geometrie der Vorrichtung 1 der von der Vorrichtungsgeometrie abhängige Anteil der Weglängendifferenz bekannt ist, kann durch Messung der Zeitverschiebung τι zwischen dem Lichtsignal 23 am Detektor 13 und dem Referenzsignal 20 an den Referenzsignaldetektoren 11 , 12 die von dem Lichtpuls zurückgelegte optischen Weglänge zwischen dem Strahlteiler 5 und dem Retrorefiektor 25 und somit der Abstand des Retroreflektors 25 von dem Strahldurchtrittspunkt des Strahlteilers 5 bzw. von dem virtuellen Ausgangspunkt des Lichtkegels 22 bestimmt werden. Ähnlich kann durch Messung der Zeitverschiebung τ ₂ zwischen dem Lichtsignai 24 am Detektor 14 und dem Referenzsignal 20 an den Referenzsignaldetektoren 1 1 , 12 die von dem Lichtpuls zurückgelegte optischen Wegiänge zwischen dem Strahlteiler 7 und dem Retrorefiektor 25 und somit der Abstand des Retroreflektors 25 von dem Strahldurchtrittspunkt des Strahlteilers 7 bzw. von dem virtuellen Ausgangspunkt des Lichtkegels 27 bestimmt werden. Die Detektoren 13 und 14 sowie die Referenzsignaldetektoren 11 , 12 sind mit der Auswerteschaltung 15 gekoppelt, die eine Phasendifferenz zwischen den Lichtsignalen 23, 24 und dem Referenzsignal 20 ermittelt. Bei einem Ausführungsbeispiel ermittelt die Auswerteschaltung 15 der Vorrichtung 1 die Phasendifferenz zwischen dem Lichtsignal 23, 24 und dem Referenzsignal 20 für eine Signalkomponente, de- ren Frequenz im Wesentlichen ein Vielfaches der Repetitionsrate ist.

Die Phasendifferenz hängt dabei unmittelbar mit der oben erwähnten Zeitverschiebung zusammen, und auf Basis der Phasendifferenz kann die Auswerteschaltung 15 dann die Position des Retroreflektors 25 bestimmen.

Die Vorrichtung 1 bestimmt so die Position des Retroreflektors 25, d.h. eines Punktes des letzten Gliedes des Roboterarms 2, an welchem der Messgeber 29 angebracht wird, in einem Koordinatensystem S der Vorrichtung 1. Um einen Endpunkt des Elements 29, d.h. des Messgebers oder Werkzeugs zu erhalten, oder in anderen Worten um einen Wechselwirkungspunkt des Messgebers 29 mit der Oberfläche 30 zu bestimmen, ist es notwendig, neben der Position des letz- ten Gliedes 31 zudem die Orientierung des letzten Gliedes 31 des Roboterarms 2, an welchem der Messgeber 29 und auch der Retroreflektor 25 befestigt sind, zu kennen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Orientierung dieses Gliedes und somit die Orientierung des Messgebers 29 aus Steuerdaten des Roboterarms 2 gewonnen. Hierzu empfängt die Auswerteeinheit 15 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die entsprechenden Steuerdaten des Roboterarms 2. Diese Steuerdaten können beispielsweise aus einer softwaremäßigen Steuerung des Roboters 2 oder auch von mit den Achsen des Roboterarms 2 gekoppelten Winkelgebern, d.h. Winkelmesseinrichtungen, stammen.

Die Orientierung des letzten Gliedes 31 des Roboterarms 2 kann beispielsweise mit drei Winkeln φ, θ, ψ ausgedrückt werden, wobei Θ der Azimutwinkel, d.h. der Winkel zwischen der positiven x-Achse des Koordinatensystems S und der Projektion des letzten Gliedes des Roboterarms 2 in die x-, y-Ebene des Koordinatensystems S sein kann, während der Winkel φ der sogenannte Polarwinkel, d.h. der Winkel zwischen der positiven z-Achse des Koordinatensystems S und dem letzten Glied des Roboterarms, sein kann, φ weist bei einem derartigen System einen Wert zwischen 0 und π (0 Grad bis 180 Grad) auf, und Θ weist einen Wert zwischen 0 und 2π (0 Grad bis 360 Grad) auf, beide Winkel werden gegen den Uhrzeigersinn gemessen, ψ be- zeichnet eine Verdrehung um die Längsachse des letzten Gliedes des Roboterarms 2. Ist wie in Fig. 1 dargestellt der Retroreflektor 25 am Ende des letzten Gliedes 31 angebracht und ist I die Länge des Messgebers 29, und ist ein Wechselwirkungsbereich des Messgebers 29 mit der Oberfläche 30 symmetrisch bezüglich einer Mittelachse des letzten Gliedes 31 , z.B. ein auf der Mittelachse liegender Punkt, so dass eine Änderung des Winkels ψ keine Änderung des Wechselwirkungsbereiches bedingt, ergeben sich Koordinaten x _W w, yww und zww eines Mittelpunktes des Wechselwirkungsbereiches in dem Koordinatensystem S zu CpCOS Θ

yww=y _mess +l-sin cpsin Θ

wobei Xmess, Ymess und z _me ss die mittels der Vorrichtung 1 bestimmten Koordinaten des Retroreflektors 25, d.h. des Endpunkts des letzten Gliedes 31 , sind.

In derartigen Fällen, in welchen der Wechselwirkungspunkt symmetrisch zur Achse des letzten Gliedes 31 ist, muss der Winkel φ also nicht herangezogen werden. Wenn statt dem Messgeber 29 mit einem im Wesentlichen punktförmigen Wechselwirkungsbereich mit der Oberfläche 30 ein anderes Element, beispielsweise ein Werkzeug mit einem langgestreckten Wechselwirkungsbereich, verwendet wird, kann die Lage eines derartigen Wechselwirkungsbereichs unter zusätzlicher Ver- wendung des Winkels ψ bestimmt werden.

Bei einem typischen Robotersystem und einer typischen Vorrichtung 1 sind mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Fig. 1 bei einer Länge I des Messgebers 29 von 50 mm Positionsbestimmungen des Wechselwirkungsbereiches mit einer Genauig- keit in der Größenordnung von 2-5 μηη, d.h. etwa eine Größenordnung besser als die Genauigkeit nur auf Basis von Steuerdaten des Roboterarms, wie sie in der Einleitung beschrieben wurde. Diese Werte sind jedoch nur als Beispiel zu verstehen, und hängen von dem konkret verwendeten Roboterarm 2 und der konkret verwendeten Vorrichtung 1 ab.

Indem der Wechselwirkungsbereich, z.B. Wechselwirkungspunkt, des Messgebers 29 mit der Oberfläche 30 bestimmt wird, kann die Oberfläche 30 in dem Koordinatensystem S der Vorrichtung 1 genau vermessen werden und die so gewonnenen Daten beispielsweise mit CAD-Daten, oder allgemein einer Spezifikation, verglichen werden. Für eine derartige Messung wird die Oberfläche 30 in dem Koordinatensystem S ortsfest eingespannt, beispielsweise mittels eines Spannrahmens.

Zu bemerken ist, dass sich bei optischen Messgebern die Länge I zusammensetzt aus der Länge des Messgebers selbst und der dem optische gemessenen Abstand zu der Oberfläche 30. Bei taktüen Messgebern ist die Länge I ebenso von einer Position eines jeweiligen Messstiftes oder anderen Messfühlers, wobei diese Position von dem Messgeber bestimmt wird, abhängig.

Zu bemerken ist außerdem, dass grundsätzlich der Messgeber 29 selbst ein oder mehrere Gelenke umfassen kann. In diesem Fall werden Winkel dieser Gelenke sowie Abmessungen des Messgebers bei der Bestimmung des Wechselwirkungspunktes berücksichtigt, wenn der Retroreflektor 25 wie in Fig. 1 dargestellt am letzten Glied oder allgemein an der Mehrachskinematik angebracht ist. Auf der anderen Seite kann in einem derartigen Fall auch der Retroreflektor 25 an einem entsprechenden Ende des Messgebers angebracht werden, und neben den Steuerdaten der Mehrachskinematik werden dann auch Winkeldaten des Messgebers zur Bestimmung der Wechselwirkungsposition berücksichtigt. Wie bereits erwähnt kann bei anderen Ausführungsbeispielen statt des Messgebers 29 ein Werkzeug an dem letzten Glied 31 des Roboterarms angebracht sein, beispielsweise ein Schneidwerkzeug, ein Bohrwerkzeug oder ein Schweißwerkzeug. Durch die Bestimmung von Position und Orientierung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Wechselwirkungspunkt oder auch das Wechselwirkungsgebiet eines derartigen Werkzeugs mit einer zu bearbeitenden Oberfläche in dem Koordinatensystem S präzise angefahren werden und somit die entsprechende Bearbeitung der Oberfläche S beispielsweise gemäß einem Sollwert, wie er z.B. mit einem CAD- System festgelegt wurde, bearbeitet werden.

Zu bemerken ist, dass der Retroreflektor 25 in Fig. 1 statt am letzten Glied 31 auch direkt am Messgeber 29 angebracht werden kann. In diesem Fall werden ebenso Steuerdaten des Roboterarms 2 benutzt, um die Orientierung des Messgebers 29 zu bestimmen. Gleiches gilt auch, wenn statt dem Messgeber ein Werkzeug verwendet wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist wie beschrieben ein Retroreflektor 25 an dem letzten Glied 31 der Mehrachskinematik angebracht, wobei der Retroreflektor ausgehend von mehreren feststehenden Orten beleuchtet wird und das reflektierte Licht gemessen wird. Die Beleuchtung kann dabei auch mittels beweglicher Spiegel in einen Raumbereich, in welchem sich der Retroreflektor 25 befindet, gelenkt werden, falls die Lichtkegel 22 und 27 eine Aufweitung aufweisen, welche ohne Verschwenken der Lichtkegel nicht ausreicht, den gesamten interessierenden Raumbe- reich auszuleuchten.

Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch die umgekehrte Anordnung verwendet werden, das heißt Licht kann von einem letzten Glied einer Mehrachskinematik oder einem anderen zu vermessenen Objekt auf mehrere feststehende Retrorefiekto- ren gelenkt werden und das reflektierte Licht kann gemessen werden, um so beispielsweise mit den gleichen Messprinzipien wie oben beschrieben Entfernungen zu messen und so die Position zu bestimmen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren 2-5 erläutert. in Fig. 2 ist ein Roboterarm 40, welcher im Wesentlichen dem Roboterarm 2 aus Fig. 1 entspricht, dargestellt. Der Roboterarm 40 weist mehrere Achsen auf, um wel- che er gedreht bzw. geschwenkt werden kann, und stellt somit ebenfalls eine Mehrachskinematik dar.

An einem letzten Glied 41 kann wiederum ein Messgeber oder ein Werkzeug ange- bracht sein. Die Position und Orientierung des letzten Gliedes 41 sind zu bestimmen, das heißt das letzte Glied 41 stellt ein Objekt dar, dessen Position und Orientierung zu bestimmen ist.

Zur Bestimmung der Position ist an dem letzten Glied 41 eine Messvorrichtung 42 angebracht, welche durch optische Messung Entfernungen zu Retroreflektoren 43, 44 und 45 wie durch gestrichelte Linien angedeutet misst. Insbesondere kann die Messvornchtung 42 Lichtstrahlen zu den Retroreflektoren 43, 44, 45 senden und von den Retroreflektoren 43, 44 und 45 dann zurückreflektiertes Licht detektieren. Statt der Retroreflektoren können wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert auch andere reflektierende oder streuende Elemente vorgesehen sein. Durch die Bestimmung einer Entfernung zu den drei Retroreflektoren 43, 44, 45 ist dabei eine Bestimmung der Position in drei Raumrichtungen möglich.

Die Auswertung des detektierten Lichts und die Bestimmung der Position kann dabei durch eine Auswerteeinheit 46 erfolgen. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 kann dabei die Position der Messvornchtung 42 auf Basis der optischen Längenmessungen zu den Retroreflektoren 43, 44, 45 bestimmt werden, während die Orientierung der Messeinrichtung 42 und somit des Abschnitts 41 aus Steuerdaten des Roboterarms 40 gewonnen wird.

Die Messvorrichtung 42 kann die Retroreflektoren 43, 44, 45 nacheinander, das heißt sequentiell, anmessen. Bei anderen Ausführungsbeispielen umfasst die Messvorrichtung 42 beispielsweise drei separate Messeinrichtungen, wobei jede Messeinrichtung einen der Retroreflektoren anmisst. Ein Beispiel hierfür ist schematisch in Fig. 3 dar- gestellt.

Bei dem Beispiel von Fig. 3 sind drei Messeinrichtungen 51 , 52, 53, welche durch Lichtkegel symbolisiert sind, in einer Dreiecksform 50 angeordnet. Es ist zu beachten, dass hierzu die Messeinrichtungen 51 , 52 und 53 auf einer dreieckförmigen Plat- te angeordnet sein können, jedoch auch auf jedem anderen Träger angeordnet sein können. Die Lichtkegel der Messeinrichtungen 51 , 52 und 53 können verschwenkbar sein, um einen jeweiligen Retroreflektor, beispielsweise einen der Retroreflektoren 43, 44, 45, zu bestrahlen. Diese Konfiguration zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass drei Längen gleichzeitig gemessen werden können. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn Position und Orientierung während der Bewegung gemessen werden soil. In einer solchen Konfiguration kann aus drei Längen, welche die Entfernung von 3 paarweise verschiedenen Messeinrichtungen z.B. den Messeinrichtungen 51 ,

52 und 53, zu 3 paarweise verschiedenen Retroreflektoren z.B. den Retroreflektoren 43, 44 und 45 messen nur dann die Position genau berechnet werden, wenn die Orientierung des Koordinatensystems welches durch die IVIesseinrichtungen definiert wird zu dem Koordinatensystem der Retroreflektoren bekannt ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel können die von den Messeinrichtungen 51 , 52 und

53 ausgesendeten Lichtstrahlen auf verschiedene Weise gekennzeichnet sein, um eine Trennung des reflektierten Lichtes zu ermöglichen. Beispielsweise können verschiedene Modulationen, zum Beispiel verschiedene Pulsraten, verwendet werden, oder es können verschiedene Wellenlängen in Verbindung mit entsprechenden Filtern verwendet werden.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die ausgesendeten Lichtstrahlen kollimiert oder weitestgehend kollimiert ausgesendet werden, so dass sichergestellt ist, dass die Lichtstrahlen jeweils nur genau einen Retroreflektor ausleuchten,

Ein Ausführungsbeispiel einer Implementierung einer Messeinrichtung wie einer der Messeinrichtungen 51 , 52, 53 ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 erzeugt eine Lichtquelle 60, beispielsweise ein Laser, einen Lichtstrahl 61. Der Lichtstrahl 61 wird über einen Lichtleiter 62, beispielsweise eine Glasfaser, zu einem Spiegel 63 gelenkt. Durch die Verwendung des Lichtleiters 62 kann die Lichtquelle 60 entfernt von dem Spiegel 63 angeordnet sein. Beispielsweise kann in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 der Spiegel 63 in der Messvorrichtung 42 angeordnet sein, während die Lichtquelle 60 sogar außerhalb des Roboterarms 40 angeordnet sein kann. Insbesondere kann die Lichtquelle 60 ein Kurzpulslaser sein.

Sind mehrere Messeinrichtungen wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 oder Fig. 5 vorhanden, können separate Lichtquellen 60 benutzt werden. Es kann jedoch auch eine gemeinsame Lichtquelle 60 benutzt werden, wobei ein von der Lichtquelle 60 erzeugter Lichtstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl, durch Strahlteiler oder ande- re optische Elemente aufgespalten werden kann, um Lichtstrahlen für drei essein- richtungen bereitzustellen.

Der Spiegel 63 ist bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ein beweglicher Spiegel, welcher über eine Einrichtung 64 bewegbar ist. Beispielsweise kann der Spiegel 63 ein ikroelektromechanisches System sein, das heißt ein EMS-Spiegel. Bei derartigen Spiegeln werden mechanische Elemente zusammen mit einem Aktuator beispielsweise auf einem Siliziumsubstrat integriert. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 kann der Spiegel 63 beispielsweise in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen verkippbar sein. Somit kann ein reflektierter Strahl 65 innerhalb der Grenzen, welche in Fig. 4 durch gestrichelte Linien 68 dargestellt sind, verstellt werden, beispielsweise um einen gewünschten Retroreflek- tor zu bestrahlen.

Bei E S-Spiegeln ist der Verstellbereich des reflektierten Strahls 65 dabei typischerweise im Bereich von plus minus 10 Grad.

Zur Vergrößerung dieses Verstellbereichs kann eine Weitwinkeloptik 66 vorgesehen sein, welche in Fig. 4 als einfache Linse dargestellt ist, jedoch auch mehrere Linsen oder andere optische Elemente umfassen kann. Hierdurch kann ein Verstellbereich des durch die Optik 66 hindurchgegangenen Strahls 67 vergrößert werden, wie durch gestrichelte Linien 69 angedeutet, um einen größeren Winkelbereich erfassen zu können. Teile der Weitwinkeloptik 66 können auch vor dem MEMS-Spiegel angeord- net sein, so dass der EMS Spiegel ein Teil des Objektivs wird.

Es ist zu bemerken, dass die Darstellungen der Fig. 4 als schematisch zu betrachten sind und beispielsweise weitere Linsen, beispielsweise zur Kollimierung des Laserstrahls 61 am Austritt aus dem Lichtleiter 62, vorgesehen sein können.

Wie in Fig. 5 zusammenfassend dargestellt können auf diese Weise durch drei in einer Dreiecksform 70 angeordnete Messeinrichtung 71 , 72, 73, welche beispielsweise jeweils wie in Fig. 4 dargestellt ausgestaltet sein können, drei Retroreflektoren 74, 75, 76 bestrahlt werden, um Entfernungen 77, 78, 79 durch Messung des jeweils reflektierten Strahls zu messen. Bei einem Ausführungsbeispiel wie unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 erläutert können die drei Längen 77, 78, 79 zur Bestimmung der Position der Messvorrichtung und somit des Objekts, an welchem die Messvorrichtung angebracht ist, beispielsweise des Abschnitts 41 aus Fig. 2, bestimmt werden. Anstelle der Bestimmung der Orientierung aus Steuerdaten kann bei derartigen Ausführungsbeispielen die Orientierung auch aus der Stellung der Spiegel, beispielsweise der Spiegel 63 aus Fig. 4, gewonnen werden. Durch die Winkelstellung der Spiegel 63 in den Messeinrichtungen 71 , 72, 73 in Fig. 5 lässt sich beispielsweise eine Winkelstellung des Dreiecks 70 relativ zu dem jeweiligen Reflektor 74, 75 bzw. 76 ableiten, wodurch insgesamt die Orientierung des Dreiecks 70 gewonnen werden kann. Wird jeweils die Stellung des jeweiligen Spiegels in zwei zueinander senkrecht stehenden Achsen erfasst, ist ein entstehendes Gleichungssystem sogar überbestimmt, da grundsätzlich drei Winkel ausreichen, um die Orientierung zu bestimmen. Der Spiegelwinkel kann dabei entweder aus einer Spiegelsteuerung entnommen werden oder durch eine mit dem Spiegel gekoppelte Messvorrichtung direkt gemessen werden, beispielsweise durch Detektion eines an dem Spiegel reflektierten Strahls.

Bei Ausführungsbeispieien, bei welchen ein Lichtstrahl wie beispielsweise der Laserlichtstrahl 61 der Fig. 4 aufgeweitet wird, so dass ein Lichtkegel erzeugt wird, muss die Mitte des Lichtkegels den jeweiligen Retroref!ektor nicht exakt treffen, um messen zu können, vielmehr besteht eine Toleranz innerhalb des Winkelbereichs des Lichtkegels. Eine Abweichung des Messstrahls vom Zentrum des Reflektors kann sich beispielsweise auch dadurch ergeben, dass der Spiegel digital angesteuert wird und somit nur eine begrenzte Anzahl von Positionen einnehmen kann. Dies kann zu einer entsprechenden Ungenauigkeit der Bestimmung der Orientierung auf Basis der Winkelstellungen der Spiegel führen. Bei manchen Ausführungsbeispielen können Mechanismen vorgesehen sein, um eine derartige Abweichung zu korrigieren. Ein derartiges Ausführungsbeispiel wird nunmehr unter Bezugnahme auf Figuren 6 und 7 näher erläutert.

In Fig. 6 ist schematisch eine Messeinrichtung ähnlich der Messeinrichtung von Fig. 4 dargestellt. Ein Lichtstrahl 85, beispielsweise ein Laserstrahl, wird über einen Lichtleiter, beispielsweise eine Glasfaser 80, zu einem Kollimator 81 am Ausgang der Glasfaser 80 geleitet. Der durch den Kollimator 81 kollimierte Strahl geht durch einen Strahlteiler 82 hindurch zu einem beweglichen Spiegel 83, welcher den Strahl zu einem Retroreflektor 84 lenkt. Von dem Retrorefiektor 84 reflektiertes Licht wird wiederum über den Spiegel 83 zu dem Strahlteiler 82 und von dort zu einem Detektor 86 gelenkt. Der Detektor 86 kann insbesondere ein Quadrantendetektor, beispielsweise eine Quadrantendiode, sein. Durch eine Messung der Abweichung des Auftreffpunkts des Lichtstrahls auf den Detektor 86 von einem Mittelpunkt kann dann eine Abweichung des Messstrahls vom Reflektorzentrum des Reflektors 84 erfasst werden und diese Abweichung zur Korrektur der Orientierungsberechnung auf Basis des Winkels des Spiegeis 83 verwendet werden. Es ist zu beachten, dass die Ausführungsbeispiele der Figuren 4 und 6 kombiniert werden können. So kann auch in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 eine Weitwinkeloptik wie die Weitwinkeloptik 66 aus Fig. 4 vorgesehen sein, oder auch in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 kann ein Strahlteüer und ein Detektor wie Strahlteiler 82 und Detektor 86 vorgesehen sein.

Des Weiteren ist zu bemerken, dass zur Detektion des von dem jeweiligen Reflektor rückgestreuten Strahls zur Entfernungsmessung ein weiterer Detektor und ein weiterer Strahlteiler vorgesehen sein können, wie dies auch in Fig. 1 dargestellt ist (Strahlteiler 5 und Detektor 13; Strahlteiler 7 und Detektor 14).

In Fig. 7 ist ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, mit welchem bei Ausführungsbeispielen wie den Ausführungsbeispielen der Figuren 4 und 3 Lichtstrahlen zur Positionsbestimmung mitteis eines beweglichen Spiegels zu einem Retrorefiektor oder anderem Reflektor gelenkt werden und das rückgestreute Licht zur Bestimmung einer Distanz ausgewertet wird. In Schritt 90 werden drei Distanzen gemessen. Dies kann parallel mit einer Anordnung mit drei Messeinrichtungen wie in den Figuren 3 und 5 dargestellt geschehen, kann aber auch sequentiell mit einer einzigen Messeinrichtung, welche beispielsweise durch Veränderung einer Spiegelstellung eines beweglichen Spiegels hintereinander drei verschiedene Reflek- toren anpeilt, vonstattengehen.

Parallel hierzu werden in Schritt 92 die Spiegelwinkel bei der Messung der drei Distanzen von Schritt 90 erfasst. In Schritt 93 wird optional zudem eine Abweichung eines verwendeten Messstrahls von einem Reflektorzentrum, beispielsweise mittels eines Quadrantendetektors wie dem Detektor 86 aus Fig. 6, erfasst. In Schritt 94 wird die in Schritt 92 durchgeführte Winkelmessung auf Basis der in Schritt 93 erfassten Abweichung korrigiert. In Schritt 95 wird dann auf Basis der korrigierten Winkelmessungen eine Orientierung der verwendeten Messvorrichtung und somit des Objekts, an welche die Messvorrichtung angebracht ist, bestimmt.

In Schritt 91 wird auf Basis der drei Distanzen und gegebenenfalls der Orientierung aus Schritt 95 eine Position durch Trilateration bestimmt. In einer Konfiguration, bei der mit einer einzigen Messeinrichtung an dem Objekt die Distanz zu drei Retro- reflektoren gemessen wird oder von z.B. drei feststehenden Messeinrichtungen die Distanz zu einem Reflektor am Objekt gemessen wird, kann die Position in Schritt 91 direkt aus den drei in Schritt 90 gemessenen Distanzen bestimmt werden ohne dass dafür die Orientierungsinformation benötigt wird. Bei einer Konfiguration mit drei Messeinrichtungen wie in Fig. 3, welche gleichzeitig die Entfernung zu drei Retro- reflektoren messen, wird die Orientierung zudem herangezogen um die Position der Messvorrichtung und somit des Objekts basierend auf den Längenmessungen zu bestimmen, wie dies durch einen gestrichelten Pfeil in Fig. 7 angedeutet ist.

In Schritt 96 werden dann Position und Orientierung ausgegeben. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung einer Orientierung einer Messvorrichtung bzw. eines Objekts, an welche die Messvorrichtung angebracht ist, ist in Figuren 8 und 9 dargestellt.

In Fig. 8 ist eine Messvorrichtung dargestellt, welche drei Messeinrichtungen 101 , 102, 103 aufweist, welche in Form eines Dreiecks 100 angeordnet sind. Die Messvorrichtungen 101 , 102, 103 können Messvorrichtungen wie unter Bezugnahme auf Figuren 3-6 beschrieben sein, welche mittels Spiegel Licht zu jeweiligen Reflektoren 104, 105, 106 leiten. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch Messeinrichtungen 101 , 102, 103 ohne bewegliche Spiegel vorgesehen sein, bei welchem ein Strahl beispielsweise derart aufgeweitet ist, dass er in einem gesamten gewünschten Bewegungsraum der Messvorrichtung den jeweils anzumessenden Reflektor erfasst. Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen kann eine einzige Messeinrichtung vorgesehen sein, welche beispielsweise nacheinander drei verschiedene Retroreflekto- ren anmisst. Auf diese Weise werden drei Längen 107, 108 und 109 bestimmt, aus weichen wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die Position bestimmt werden kann. Zur Bestimmung der Orientierung ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 eine Kamera 110 vorgesehen, beispielsweise eine Digitalkamera mit einem Bildsensor wie beispielsweise einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor. Zudem sind zusätzlich zu den ortsfesten Reflektoren 104, 105, 106 ortsfeste Muster 1 1 , 1 2 vorgesehen, welche bei dem dargestellten Beispiel aus jeweils vier Leuchtpunkten, beispielsweise Leuchtdioden, bestehen. Es sind jedoch auch andere Muster mit beispielsweise mehr oder weniger Punkten, anderen geometrischen Formen und/oder nicht leuchtende Muster möglich.

Die Muster 111 , 1 12 werden zur Bestimmung der Orientierung der Messvorrichtung mit der Kamera 1 10 aufgenommen. Eine Auswerteeinheit wie die Auswerteeinheit 46 aus Fig. 2 führt eine Bildanalyse aus, um die Muster zu detektieren. Zum Beispiel kann aus einer Verzerrung der Muster in Abhängigkeit von dem Betrachtungswinkel auf die Orientierung der Messvorrichtung rückgeschlossen werden. Beispielsweise können die Muster 1 1 1 , 112 bei grader Betrachtung wie in Fig. 9a dargestellt erscheinen, während sie bei schräger Betrachtung wie in Fig. 9b dargestellt erscheinen können. Somit stellt eine derartige Kamera eine weitere mögliche Quelle dar, um Daten zu gewinnen, aus welchen die Position der Messvorrichtung und somit des Objekts, an welchem die Messvorrichtung angebracht ist, bestimmt werden kann.

Die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele sind nicht als den Bereich der Erfindung einschränkend auszulegen. Insbesondere sind auch andere Quellen zur Bestimmung der Orientierung möglich. Beispielsweise kann eine Messvorrichtung mit einem Gravitationssensor und/oder Trägheitssensor ausgestattet sein, um die Orientierung zu bestimmen, oder es kann ein Magnetfeldsensor wie ein SQUID vorgesehen sein, welcher die Orientierung relativ zu einem vorgegebenen, beispielsweise homogenen, magnetischen Feld detektiert. Es können auch Kombinationen der verschiedenen Möglichkeiten verwendet werden.

Während bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Messvorrichtung an einem Roboterarm angebracht war, kann eine entsprechende Messvorrichtung auch an ei- nem anderen Objekt, beispielsweise einer manuell bewegbaren Vorrichtung wie einer Messvorrichtung, angebracht sein. Ein Roboterarm wie den Figuren 1 und 2 dar- gestellt kann auch als Ganzes im Raum beweglich sein, beispielsweise durch Montage auf einer beweglichen Plattform.

Die beschriebenen Längenmessungen können beispielsweise basierend auf Interfe- rometrie wie beschrieben, insbesondere Heterodyninterierometrie, basierend auf durchstimmbaren Lasern und/oder basierend auf gepulsten Lasern durchgeführt werden.

Wie aus den obigen Ausführungen erkennbar sind eine Vielzahl von Variationen und Abwandlungen möglich. Dementsprechend ist die Erfindung nicht auf die oben erläuterten Ausführungsbeispiele begrenzt.