專利名稱：多維測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及測量系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法尤其涉及一種多維激光跟蹤系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
精密測量系統(tǒng)具有廣泛應(yīng)用。例如，在機(jī)器人技術(shù)中，常常要求機(jī)器人的精確定位和定向。為獲得高精密度，可以采用機(jī)器人位置測量系統(tǒng)。這一系統(tǒng)典型地采用激光束干涉儀來確定機(jī)器人端部受動器(end-effector)的位置和/或方位。這一系統(tǒng)在提供精確度、速度和測量數(shù)據(jù)的同時能夠?qū)崟r監(jiān)測機(jī)器人端部受動器的位置和方位。
例如，在申請人的美國專利號4,714,339中討論了Three and FiveAxis Laser Tracking System，在申請人的美國專利號6,049,377中討論了Five-Axis/Six-Axis Laser Measuring System，二者附在此處整體作為參考文件。另外，申請人的美國申請?zhí)?0/377,596，題目為“Nine Dimensinal Laser Tracking System and Method”，于2003年5月6日提交，也附在此處整體作為參考文件，以提供本發(fā)明的附加說明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個技術(shù)方案提供了多維測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括跟蹤單元、目標(biāo)、距離確定模塊以及輸出模塊。所述跟蹤單元發(fā)出激光并利用球面坐標(biāo)進(jìn)行跟蹤。所述目標(biāo)與跟蹤單元進(jìn)行通信，并且能夠作傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動。所述距離確定模塊確定跟蹤單元和目標(biāo)之間的距離。所述輸出模塊根據(jù)球面坐標(biāo)、傾斜(pitch)、偏轉(zhuǎn)(yaw)和滾動(roll)運(yùn)動以及距離輸出關(guān)于目標(biāo)相對于跟蹤單元的位置信息。
優(yōu)選地，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括輸出設(shè)備，該輸出設(shè)備輸出關(guān)于目標(biāo)的位置信息。優(yōu)選地，滾動運(yùn)動基于激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之間的至少一個比較。優(yōu)選地，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括檢測激光水平偏振分量的第一光檢測器和檢測激光垂直偏振分量的第二光檢測器。優(yōu)選地，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括滾動確定電路，該滾動確定電路接收第一光檢測器的輸出和第二光檢測器的輸出。在另一選擇實(shí)施例中，該系統(tǒng)使用電子水平儀以測量目標(biāo)的滾動運(yùn)動。
優(yōu)選地，所述目標(biāo)為活動目標(biāo)，其能夠相對跟蹤單元移動。優(yōu)選地，該目標(biāo)至少為結(jié)合到遠(yuǎn)程單元中、固定到物體、用于反饋控制、用于校準(zhǔn)、用于機(jī)器工具控制、用于部件裝配、用于結(jié)構(gòu)裝配以及用于尺寸檢測中的一種。優(yōu)選地，所述遠(yuǎn)程單元是機(jī)器人。優(yōu)選地，所述機(jī)器人包括驅(qū)動系統(tǒng)和一個或多個使機(jī)器人粘附到表面的牽引設(shè)備。優(yōu)選地，所述牽引設(shè)備為吸杯型(suction cup type)設(shè)備?？蛇x擇地，正空氣壓系統(tǒng)可以用于維持遠(yuǎn)程單元可移動地附于表面。優(yōu)選地，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括真空系統(tǒng)。優(yōu)選地，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個或多個附件，使功能能夠至少基于目標(biāo)的位置信息實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的另一技術(shù)方案提供一種多維測量系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的遠(yuǎn)程單元。該遠(yuǎn)程單元包括目標(biāo)和連接到目標(biāo)的探測器組件。所述目標(biāo)與多維測量系統(tǒng)的跟蹤單元進(jìn)行通信，并且能夠作傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動。所述探測器組件包括探頭、探桿和探座。所述探頭布置為伸到不在跟蹤單元和目標(biāo)之間的視線內(nèi)的位置。
優(yōu)選地，該遠(yuǎn)程單元進(jìn)一步包括一個或多個連接到探測器組件的編碼器。優(yōu)選地，至少一個編碼器布置為確定探頭相對于探座的第一角度位置。優(yōu)選地，至少一個編碼器布置為確定探頭相對于探座的第二角度位置。優(yōu)選地，至少一個編碼器布置為確定探頭相對于探座的軸線位置。
優(yōu)選地，該遠(yuǎn)程單元進(jìn)一步包括觸發(fā)器，布置為引發(fā)探頭觸及的位置關(guān)聯(lián)的一個或多個測量?？蛇x擇地，該遠(yuǎn)程單元可以包括與探頭關(guān)聯(lián)的接觸式傳感器。當(dāng)接觸式傳感器開始接觸位置時進(jìn)行位置關(guān)聯(lián)的一個或多個測量。
在另一技術(shù)方案中，本發(fā)明涉及一種多維測量系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的目標(biāo)。該目標(biāo)包括回復(fù)反射器和激光傳感器。所述回復(fù)反射器具有頂點(diǎn)。所述頂點(diǎn)布置為使至少部分進(jìn)入回復(fù)反射器的激光束光線離開回復(fù)反射器。所述激光傳感器布置為檢測至少部分通過頂點(diǎn)離開回復(fù)反射器的激光。優(yōu)選地，所述目標(biāo)布置為連接到光測量傳感器。
所述回復(fù)反射器優(yōu)選為中空回復(fù)反射器。該回復(fù)反射器包括頂點(diǎn)處的孔。該孔布置為使至少部分激光離開回復(fù)反射器。優(yōu)選地，回復(fù)反射器包括形成頂點(diǎn)的三個鏡子。
所述回復(fù)反射器可以選擇地為固體回復(fù)反射器。固體回復(fù)反射器的頂點(diǎn)包括拋光小平面，使至少部分激光束光線離開回復(fù)反射器。
所述激光傳感器可為光檢測器?？蛇x擇地，激光傳感器可為電荷耦合器件陣列傳感器。優(yōu)選地，所述激光傳感器可進(jìn)行檢測目標(biāo)的傾斜和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動的至少一個的操作。
本發(fā)明的另一技術(shù)方案提供一種物體位置測量方法。該方法的示范步驟包括(1)監(jiān)測激光發(fā)射跟蹤單元的球面坐標(biāo)；(2)監(jiān)測與跟蹤單元通信的目標(biāo)的傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動；(3)確定跟蹤單元和目標(biāo)之間的距離；以及(4)基于球面坐標(biāo)、傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動以及距離輸出關(guān)于目標(biāo)相對于跟蹤單元的位置信息。注意，該方法不必嚴(yán)格遵守上述順序。
優(yōu)選地，滾動運(yùn)動基于跟蹤單元發(fā)出的激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之間的至少一個比較。優(yōu)選地，所述滾動確定電路執(zhí)行激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之間的比較。
在另一技術(shù)方案中，本發(fā)明包括一種物體位置測量系統(tǒng)，包括(1)監(jiān)測激光發(fā)射跟蹤單元的球面坐標(biāo)的裝置；(2)監(jiān)測與跟蹤單元通信的目標(biāo)的傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動的裝置；(3)確定跟蹤單元和目標(biāo)之間的距離的裝置；以及(4)基于球面坐標(biāo)、傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動以及距離輸出關(guān)于目標(biāo)相對于跟蹤單元的位置信息的裝置。
因此，根據(jù)本發(fā)明的典型實(shí)施例，本發(fā)明的技術(shù)方案涉及一種多維測量系統(tǒng)。
本發(fā)明的附加技術(shù)方案涉及基于偏振激光測量確定目標(biāo)的滾動運(yùn)動。
此外，本發(fā)明的技術(shù)方案涉及與跟蹤單元共用的活動目標(biāo)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。
此外，本發(fā)明的技術(shù)方案涉及目標(biāo)在與觸發(fā)器或接觸式傳感器連接的遠(yuǎn)程單元上的應(yīng)用。
本發(fā)明的附加技術(shù)方案涉及包括活動目標(biāo)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人。
本發(fā)明的附加技術(shù)方案涉及用于多維測量系統(tǒng)的目標(biāo)的回復(fù)反射器。
本發(fā)明的附加技術(shù)方案涉及用于校準(zhǔn)探頭的向量的方法。


圖1為說明本發(fā)明的典型多維測量系統(tǒng)的示意圖。
圖2為說明本發(fā)明的滾動確定系統(tǒng)的示意圖。
圖3為說明本發(fā)明的典型傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動及距離測量系統(tǒng)的示意圖。
圖4為說明包括本發(fā)明的典型目標(biāo)的典型遠(yuǎn)程單元的示意圖。
圖5為本發(fā)明的典型遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的橫截面示意圖。
圖6為說明根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行測量的典型方法的流程圖。
圖7為說明本發(fā)明的包括典型跟蹤單元和典型遠(yuǎn)程單元的典型多維測量系統(tǒng)的示意圖。
圖8為說明本發(fā)明的另一典型遠(yuǎn)程單元的示意圖。
圖9為說明本發(fā)明的典型探測器組件的示意圖。
圖10為說明本發(fā)明的另一典型探測器組件的示意圖。
圖11為說明本發(fā)明的再一典型探測器組件的示意圖。
圖12為說明本發(fā)明的典型遠(yuǎn)程單元的示意圖。
圖13為說明如圖12所示的典型遠(yuǎn)程單元的主視圖的示意圖。
圖14為說明本發(fā)明的包括回復(fù)反射器的目標(biāo)的另一典型實(shí)施例的二維示意圖。
圖15為說明圖14的典型實(shí)施例的三維示意圖。
圖16為本發(fā)明的典型的中空回復(fù)反射器。
圖17為本發(fā)明的典型固體回復(fù)反射器。
圖18為說明本發(fā)明的包括光測量傳感器的遠(yuǎn)程單元的另一典型實(shí)施例示意圖。
圖19為說明用于建立探頭相對于該探頭相關(guān)的目標(biāo)的原點(diǎn)的向量的典型系統(tǒng)的示意圖。
圖20為說明建立圖19中所示的探頭的向量的典型方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法使用跟蹤單元和目標(biāo)的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)多維激光跟蹤。例如，在本發(fā)明的六維(6-D)系統(tǒng)中，此六維為目標(biāo)的傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動及球面坐標(biāo)，即，相對于跟蹤單元的目標(biāo)的α、θ兩角和徑向距離。目標(biāo)優(yōu)選為可以由人、機(jī)器人或其它移動物體持有的活動目標(biāo)。通過使用活動目標(biāo)，目標(biāo)坐標(biāo)保持與來自跟蹤單元的入射光束的相對垂直關(guān)系。此外，通過使用絕對距離測量(absolute distancemeasurement，ADM)技術(shù)，絕對測距(absolute ranging)是可能的。
通常，基于測量的傾斜和偏轉(zhuǎn)可以源自目標(biāo)上存在的編碼器。例如，滾動測量可以基于下述偏振或電子水平(electronic level)技術(shù)。例如，絕對距離測量或ADM可以使用行程的重復(fù)時間(repetitive timeof flight，RTOF)脈沖、脈沖激光、相位/強(qiáng)度調(diào)制等完成。在申請人的申請?zhí)枮?0/377,596的U.S.專利申請中可以找到額外的描述，此處通過引用而包括其全部內(nèi)容。
尤其地，基于RTOF的系統(tǒng)包括如PIN光檢測器的光檢測器、激光放大器、激光二極管及頻率計(jì)數(shù)器。向目標(biāo)發(fā)射第一激光脈沖。經(jīng)檢測返回的脈沖，探測器通過由頻率計(jì)數(shù)器所檢測到的脈沖而引發(fā)激光放大器，并且使激光二極管發(fā)射第二脈沖。然而，可以理解，反邏輯也同樣成功地起作用?？梢酝ㄟ^下式來計(jì)算目標(biāo)到跟蹤單元的距離(D)D=C4(1f-1f0)]]>這樣D＝0；f＝f0其中C為光速，f0為基準(zhǔn)頻率，f為脈沖頻率。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法具有各種應(yīng)用。一般地，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以監(jiān)測物體的多自由度(比如6個自由度)。如，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以用于結(jié)構(gòu)裝配、實(shí)時調(diào)整和反饋控制、機(jī)械工具校準(zhǔn)、機(jī)器人位置控制、位置跟蹤、銑床控制、校準(zhǔn)、部件裝配、尺寸檢驗(yàn)等。
此外，本發(fā)明的使用6-D跟蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法可以使自身用于機(jī)器人領(lǐng)域。例如，可以在機(jī)器人內(nèi)安裝該6-D激光跟蹤系統(tǒng)，也就是，如能夠測量各種物體，因此，比如可以對那些物體和/或在該物體的特定位置實(shí)施各種功能進(jìn)行精確測量。
圖1為說明本發(fā)明的典型多維測量系統(tǒng)的示意圖。激光跟蹤系統(tǒng)10包括跟蹤單元100和目標(biāo)150。跟蹤單元100發(fā)射一束或多束與目標(biāo)150通信的激光110，從而確定目標(biāo)150相關(guān)的六維測量。在輸出設(shè)備200上輸出六維測量。具體地，圖1中所示的六維為目標(biāo)150的傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動、目標(biāo)150相對于跟蹤單元100的球面及一旦轉(zhuǎn)變后的迪卡兒(Cartesian)坐標(biāo)以及目標(biāo)150與跟蹤單元100之間的徑向距離。
如在該申請人以前的專利及上述引用的專利申請中所述，傾斜、偏轉(zhuǎn)及球面坐標(biāo)測量可以基于各種技術(shù)。例如，傾斜和偏轉(zhuǎn)測量可以基于一個或多個旋轉(zhuǎn)編碼器。如，距離測量可以基于激光束的脈沖激光配置、RTOF脈沖、相位和/或強(qiáng)度調(diào)制等。這些各種系統(tǒng)可以提供目標(biāo)150的絕對測距。優(yōu)選目標(biāo)150為活動目標(biāo)。尤其地，可以使用絕對距離測量(ADM)技術(shù)確定大約的最初距離，然后使用基于干涉計(jì)的技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)最初距離的測量。ADM技術(shù)是可取的，因?yàn)椴皇褂迷摷夹g(shù)，就必須進(jìn)行兩個測量，而且必須進(jìn)行反三角測量以計(jì)算距離。
例如，跟蹤單元100和目標(biāo)150可以為電動單元，該電動單元使跟蹤單元100及目標(biāo)150的一個或多個部分維持與跟蹤單元100所發(fā)出的入射激光束110垂直的方向。跟蹤單元100為激光源。因此，如以下所述，通過利用來自一個或多個光檢測器的位置信號的旋轉(zhuǎn)編碼器和電動機(jī)的組合，目標(biāo)150能夠保持垂直于入射激光束110。例如，通過使用萬向型支架及對應(yīng)位置電機(jī)，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電動機(jī)和/或編碼器，目標(biāo)150“跟蹤”跟蹤單元100。根據(jù)目標(biāo)150與入射激光110的關(guān)系，6-D激光跟蹤系統(tǒng)10能夠確定目標(biāo)150的方向?？蛇x擇地，目標(biāo)150可以為被動設(shè)備，例如，為手持設(shè)備，如角隅棱鏡(cornercube)，為此，使用者應(yīng)負(fù)責(zé)保持目標(biāo)150與跟蹤單元100之間的視線。
優(yōu)選地，例如，通過在跟蹤單元100的萬向部分裝入絕對距離測量和干擾計(jì)電子設(shè)備，跟蹤單元100也能夠被小型化。這樣提供了包括減輕重量、縮小體積、使外部連接最簡化、加快跟蹤速度等的典型優(yōu)點(diǎn)。
輸出設(shè)備200通過有線或無線連接5與一個或多個跟蹤單元100連接，并且輸出目標(biāo)150相關(guān)的位置信息。例如，輸出設(shè)備200可以為計(jì)算機(jī)、位置控制設(shè)備的反饋輸入、顯示器、導(dǎo)向系統(tǒng)等。一般地，輸出設(shè)備200可以為任何能夠輸出目標(biāo)150相關(guān)的位置信息的設(shè)備。
此外，一束或多束激光束110可以被用于將關(guān)于目標(biāo)150的位置信息通過通信返回到跟蹤單元100。例如，確定最初距離后，用于絕對距離測量的激光可以被用于數(shù)據(jù)通信，而基于干擾計(jì)的激光則用于徑向距離測量。可選擇地，系統(tǒng)10內(nèi)可以裝入專用激光，從而可以使目標(biāo)150和跟蹤單位100之間進(jìn)行全時通信。
圖2為說明本發(fā)明的滾動確定系統(tǒng)的示意圖。具體地，該系統(tǒng)包括位于跟蹤單元100內(nèi)的激光源(圖中未顯示)、偏振激光束210、偏振光束分光器220、第一光光檢測器230、第二光檢測器光240及滾動確定電路250。例如，滾動確定電路250可以為微分放大器。例如，激光源可以為激光頭。如圖2所示，偏振光束分光器220、第一光檢測器230、第二光檢測器240及滾動確定電路250為目標(biāo)150的元件。
在操作中，跟蹤單元100發(fā)射偏振激光束210，偏振光束分光器220接受該激光束。偏振光束分光器220將入射光束210分為兩條光路。第一光路指向第一光檢測器230，偏振激光束210的第二光路指向第二光檢測器240。當(dāng)偏振激光束210遇到偏振光束分光器220時，偏振激光束210由于偏振光束分光器220的特性而被分為水平偏振分量214和垂直偏振分量213。
光束210的水平偏振分量214穿過偏振光束分光器220到達(dá)光檢測器240，光檢測器240產(chǎn)生對應(yīng)于光束210的水平偏振分量214的強(qiáng)度的輸出信號。同樣，光束210的垂直偏振分量213通過偏振光束分光器220射向光檢測器230，光檢測器230產(chǎn)生對應(yīng)于光速210的垂直分量213的強(qiáng)度的信號。例如，光檢測器230和240的強(qiáng)度測量可以分別與滾動確定電路250的正、負(fù)輸入聯(lián)系，從而提供了代表跟蹤單元100和目標(biāo)150之間的滾動的輸出信號。優(yōu)選地，滾動確定電路250為高增益微分放大器。
如上所述，基于跟蹤單元100和目標(biāo)150之間的準(zhǔn)確滾動方向，偏振激光束210被分為兩個不同的偏振分量。在45°的滾動方向，光檢測器230和240接受到相同的強(qiáng)度。然而，隨目標(biāo)150沿其中一個方向滾動，其中一個檢測器接受到的偏振激光束210的強(qiáng)度就會大于另一檢測器接受到的強(qiáng)度。例如，通過滾動確定電路250來測量這些輸出之間的差異，從而提供滾動的提示。這種滾動確定電路250的扣除操作也利于補(bǔ)償如由光束密度和/或背景光線的波動而產(chǎn)生的背景和外部噪音。
尤其地，可以通過光檢測器230和光檢測器240測量光束輸出的變化及其它可能出現(xiàn)的信號噪音。通過滾動確定電路250的操作可以消除這些變化。例如，這樣提高了該系統(tǒng)的靈敏度和精確性。
例如，可以向具有能夠記錄、分析或啟動基于滾動測量的進(jìn)一步活動的軟件的計(jì)算機(jī)(未示出)輸出代表滾動的信號。
可選擇地，其它技術(shù)可以用于滾動確定。這些技術(shù)包括、但不限于電子水平儀，如基于鐘擺的技術(shù)、傳導(dǎo)性液體毛細(xì)管技術(shù)、液體水銀反射傳感器，或，通常的任何測定目標(biāo)的滾動的技術(shù)。
圖3為說明本發(fā)明的典型傾斜、偏振、滾動和距離測量系統(tǒng)的示意圖。具體地，6-D激光跟蹤系統(tǒng)30的組成包括存在于跟蹤單元100內(nèi)的激光源、偏振激光束310、電子束分離器320、角隅棱鏡330、集中器透鏡(concentrator lens)340、二維光檢測器350、第一光檢測器230、第二光檢測器240、偏振光束分光器220及滾動確定電路250。
在操作中，跟蹤單元100內(nèi)的激光源發(fā)射偏振激光束310，該偏振激光束310通過電子束分離器320被分為三條分別射向集中器透鏡340、角隅棱鏡330和偏振光束分光器220的光路324、323和322。
如上所述，被電子分離器320反射、并射向偏振光束分光器220的光束310的光路322被用于確定滾動測量。由目標(biāo)150而確定的滾動、傾斜和偏振測量值的組合，以及跟蹤單元100相關(guān)的球面坐標(biāo)，使系統(tǒng)30實(shí)現(xiàn)目標(biāo)150的六維跟蹤。
直接穿過電子束分離器320的偏振激光束310的光路323被角隅棱鏡330反射，并且返回跟蹤單元100。如在以上所引用的申請人的相關(guān)專利中所述，這樣跟蹤單元100就能夠確定目標(biāo)150與其之間的距離。然而，可以理解，對于本發(fā)明的系統(tǒng)和方法任何確定絕對距離測量的方法都有效。
射向集中器透鏡340的光路324聚焦于二維光檢測器350，目標(biāo)150的驅(qū)動電機(jī)的傾斜和偏轉(zhuǎn)信號源于該二維光檢測器350。具體地，隨目標(biāo)150相對于跟蹤單元100內(nèi)的激光源移動，通過集中器透鏡340射出的激光光路324就相對于二維光檢測器350移動?？梢詸z測該移動，并且能夠獲得代表傾斜和/或偏轉(zhuǎn)測量值的對應(yīng)信號。然后，如上所述，該傾斜和/或偏轉(zhuǎn)測量可以被用于控制目標(biāo)150上的一個或多個電機(jī)，以保持目標(biāo)150垂直于跟蹤單元100。
圖1 4為說明本發(fā)明的包括回復(fù)反射器的目標(biāo)的另一典型實(shí)施例的二維示意圖。圖15為說明圖14中的典型實(shí)施例的三維示意圖。
本發(fā)明的系統(tǒng)1400包括跟蹤單元100和目標(biāo)1450。跟蹤單元100為可被目標(biāo)1450檢測的激光束源。目標(biāo)1450包括回復(fù)反射器1420和激光傳感器1430。例如，激光傳感器1430可以為光檢測器，如上述光電傳感器240，或?yàn)橄率鲭姾神詈掀骷?CCD)陣列傳感器。放大器/轉(zhuǎn)發(fā)器1440可以與激光傳感器1430關(guān)聯(lián)，從而放大激光傳感器1430產(chǎn)生的模擬信號或數(shù)字信號。激光傳感器1430可以檢測由跟蹤單元100發(fā)射的通過回復(fù)反射器1420的頂點(diǎn)1422的激光束光線?；貜?fù)反射器1420可以為中空的回復(fù)反射器或固體回復(fù)反射器。頂點(diǎn)1422使至少部分激光束1410通過，從而落向或聚焦于激光傳感器1430，該激光傳感器1430可以是光檢測器或CCD陣列傳感器。
優(yōu)選地，回復(fù)反射器1420為如圖16所示的中空回復(fù)反射器。圖16所示的典型的回復(fù)反射器1600包括三個鏡面1610、1620和1630，這三個鏡面的位置互相垂直。鏡面1610、1620和1630相連的共同末端形成了中空回復(fù)反射器1600的頂點(diǎn)1601。優(yōu)選頂點(diǎn)1602為位于中空回復(fù)反射器1600的頂點(diǎn)1601處的小孔。頂點(diǎn)1602使至少部分激光束1410通過，從而落向或聚焦于激光傳感器1430，該激光傳感器1430可以是光檢測器或CCD陣列傳感器。
如果使用固體回復(fù)反射器，則拋光頂點(diǎn)附近的小平面，以形成使至少部分激光束1410通過從而落向或聚焦于激光傳感器1420的通路。如圖17所示，固體回復(fù)反射器1700包括頂點(diǎn)1701處的平面1702。平面1702同樣作用于上述頂點(diǎn)1602。
布置回復(fù)反射器1420和激光傳感器1430以測量目標(biāo)1450的傾斜(見圖15中y-y軸)和偏轉(zhuǎn)(見圖15中的x-x軸)方向或運(yùn)動。向量Vy加上Vx和距離D得到入射激光束1410對于目標(biāo)1450的角度位置。目標(biāo)1450可以與遠(yuǎn)程單元(分別如圖4、7、8和12中所示的機(jī)器人400、遠(yuǎn)程單元700、800和1200)聯(lián)系。
圖14簡要說明了如何測量與目標(biāo)1450相關(guān)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)目標(biāo)1450表示沒有偏轉(zhuǎn)運(yùn)動時，激光束光線1410穿過頂點(diǎn)1422，并且被原點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)1432處的激光傳感器檢測。然而，如由激光光路1413和1415所示，目標(biāo)1450的任何偏轉(zhuǎn)運(yùn)動都可能導(dǎo)致激光束光線1410被位于除了基準(zhǔn)點(diǎn)1432外的其它位置處的激光傳感器1430檢測，如分別位于激光束光線1410的光路1413和1415的點(diǎn)1433和1435處的激光傳感器。注意點(diǎn)1433、1432和1435應(yīng)該沿圖15中所示的軸x-x。優(yōu)選地，布置回復(fù)反射器1420和激光傳感器1430以檢測大范圍的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動。例如，回復(fù)反射器1420和激光傳感器1430依據(jù)大小和其它因素可以測量至少達(dá)30度的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動。
同樣，可以使用回復(fù)反射器1420和激光傳感器1430檢測和測量目標(biāo)1450的傾斜運(yùn)動。在零傾斜運(yùn)動時，激光束光線1410穿過頂點(diǎn)1422，并且被基準(zhǔn)點(diǎn)1462處的激光傳感器1430檢測。如果有傾斜運(yùn)動，激光傳感器1430的不同部分，即沿垂直于紙面方向或高于或低于參考點(diǎn)1432，將檢測到激光束光線。注意，這些點(diǎn)應(yīng)該沿圖15中所示的軸y-y。
如上所述，激光傳感器1430可以是光檢測器。在本發(fā)明的不同實(shí)施例中，可以使用CCD陣列傳感器作為激光傳感器1430。本領(lǐng)域公知，CCD陣列傳感器可以包括按陣列布置的多象素。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的CCD陣列傳感器包括約1000×1000象素。也可以使用更高或更低的象素?？梢杂蓪?yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器1440處理CCD陣列傳感器的數(shù)字輸出。CCD陣列傳感器被用于檢測目標(biāo)1450的一種或兩種偏轉(zhuǎn)和傾斜運(yùn)動。在本領(lǐng)域，例如數(shù)碼相機(jī)中使用CCD陣列傳感器檢測光是已知的。因此，此處無須更多的說明。
如上所述，目標(biāo)1450中包含回復(fù)反射器1420和激光傳感器1430提供了很多優(yōu)點(diǎn)。例如，回復(fù)反射器1420相關(guān)的遠(yuǎn)程單元(如遠(yuǎn)程單元700、800和1200之一)沿倒置的方向可以更好地起作用，否則是不可能的。此外，使用回復(fù)反射器1420使本發(fā)明的目標(biāo)和/或遠(yuǎn)程單元的體積減小，重量減輕。
圖4說明了本發(fā)明的典型遠(yuǎn)程單元。機(jī)器人400包括多個吸杯型設(shè)備410、傳動裝置420、控制器430、附件440、抽吸裝置450及目標(biāo)。例如目標(biāo)可以是目標(biāo)150和目標(biāo)1450之一。機(jī)器人400也包括各種其它的組件，如電源、電池、太陽電池板等，出于清楚的目的，自此省略了這些組件，其對于本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員是顯然的。
在操作中，例如，將目標(biāo)150與機(jī)器人400結(jié)合使機(jī)器人400精確的移動和定位跟蹤。盡管以下討論機(jī)器人活動目標(biāo)，但可以理解，一般地，目標(biāo)可以固定地附于任何物體上，從而可以檢測物體的六個自由度，或者，可選擇地，目標(biāo)可以被附于可移動的設(shè)備和被監(jiān)測設(shè)備的位置。
例如，吸杯型設(shè)備410與抽吸裝置450經(jīng)軟管(圖中沒有顯示)連接，使機(jī)器人400能夠固定于表面。例如，控制器430連同抽吸裝置450和吸杯型設(shè)備410可以與驅(qū)動系統(tǒng)420協(xié)作，從而機(jī)器人400能夠橫過表面。例如，吸杯型設(shè)備410和驅(qū)動系統(tǒng)420協(xié)作，從而向吸杯型設(shè)備410施加足夠的吸力以使機(jī)器人400固定于表面，同時仍使驅(qū)動裝置420驅(qū)動機(jī)器人400在表面之上移動。例如，驅(qū)動裝置420可以包括四個輪子并與驅(qū)動和懸掛組件(圖中未顯示)聯(lián)結(jié)。輪子使機(jī)器人400橫過表面，同時保持機(jī)器人400相對于跟蹤單元100的轉(zhuǎn)動方向。然而，一般地，在容易操作機(jī)器人400使其相對于跟蹤單元100的轉(zhuǎn)動方向恒定時，可以根據(jù)偏振激光的使用而調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而解決可能發(fā)生的任何旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。尤其地，例如，機(jī)器人400的旋轉(zhuǎn)動作可以是基于偏振激光的方向測量的“逆向恢復(fù)”算法，以解釋機(jī)器人400的任何轉(zhuǎn)動。
此外，可以理解，盡管機(jī)器人400包括抽吸裝置450和吸杯型設(shè)備410，但是能夠可移動地將機(jī)器人400固定于表面的任何設(shè)備或設(shè)備的組分都可以對本發(fā)明的系統(tǒng)和方法起同樣好的作用。例如，可以使用正空氣壓系統(tǒng)以使機(jī)器人400牢固地固定于表面。例如，該正氣壓系統(tǒng)可以包括空氣鼓風(fēng)裝置，當(dāng)機(jī)器人400從下面而不是從上面橫過表面時，該空氣鼓風(fēng)裝置向下吹空氣。空氣向下運(yùn)動使機(jī)器人400可移動地固定于表面下。此外，根據(jù)表面類型，可以使用磁鐵型、重力型、阻力型等的附件系統(tǒng)。
例如，控制器430可以與遠(yuǎn)程控制器(圖中未顯示)進(jìn)行有線或無線通信，該控制器430使機(jī)器人400協(xié)同驅(qū)動裝置420進(jìn)行運(yùn)動。例如，驅(qū)動裝置420可以包括多個與驅(qū)動輪連接的電機(jī)等。
例如，附件440可以是壓印機(jī)、如鉆子的工具、涂色配件、焊接或切割設(shè)備、或其它已知的或以后研制的需要精確置于表面的設(shè)備。例如可以協(xié)同控制器430遠(yuǎn)程激活的附件。此外，附件440可以包括真空系統(tǒng)。
由于附件440與目標(biāo)150之間的距離已知，因此附件440的準(zhǔn)確位置總是已知的。因此，用戶在準(zhǔn)確的位置處放置附件440，從而附件440可以在該位置發(fā)揮作用。例如，如航線攝影機(jī)的局部效應(yīng)傳感器、莫爾條紋(Morie fringe)專利傳感器或接觸式探針可以被附于目標(biāo)150的末端。當(dāng)局部傳感器測量物體，如車體、建筑物、處于危險環(huán)境區(qū)域內(nèi)的物體等的輪廓時，與目標(biāo)150組合的跟蹤單元110可以提供與被測部分具有空間關(guān)系的局部傳感器的定向。
圖5說明機(jī)器人400的橫截面的示意圖。在該圖中，顯示的機(jī)器人400包括可移動的距離確定設(shè)備540。除目標(biāo)150相關(guān)的位置傳感設(shè)備外，可移動的距離確定設(shè)備540從機(jī)器人400的基底延伸到表面510。距離確定設(shè)備540測量目標(biāo)150和表面510之間的準(zhǔn)確距離，從而表面510相對于目標(biāo)150的準(zhǔn)確位置總是可知的。
如圖5所示，吸杯型設(shè)備410經(jīng)隔離片530位于表面510上固定距離處。例如，隔離片530可以是軸承或其它同等的設(shè)備，該設(shè)備使吸杯型設(shè)備410在表面510上方保持固定的距離，同時仍使空氣520在機(jī)器人400和表面510之間產(chǎn)生吸力。
使機(jī)器人400具有移動性，就可預(yù)知機(jī)器人400可能不會一直與跟蹤單元100通信。一旦機(jī)器人400不在跟蹤單元100的視線內(nèi)，則6-D激光跟蹤系統(tǒng)就可以進(jìn)入目標(biāo)探測狀態(tài)。
在目標(biāo)探測狀態(tài)下，例如，用戶可以使用操縱桿瞄準(zhǔn)通常在機(jī)器人400附近的跟蹤單元100。然后跟蹤單元100開始目標(biāo)探測過程，在該過程中跟蹤單元100以螺旋方式開始向外旋轉(zhuǎn)以確定目標(biāo)150的位置。當(dāng)探測目標(biāo)150時，建立跟蹤單元100和目標(biāo)150之間的通信，并且又可進(jìn)行六維測量。
例如，可選擇地，目標(biāo)150可以經(jīng)比如無線電通信聯(lián)系或其它已知的或以后研制的使跟蹤單元100與是否出現(xiàn)視線無關(guān)地跟蹤目標(biāo)150的相對位置的系統(tǒng)而保持與跟蹤單元100的通信。因此，如上所述，當(dāng)再建立視線時，可進(jìn)行六維測量。
圖6為說明根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行測量的典型方法的流程圖。具體地，在步驟S110中開始控制，其中建立跟蹤單元(如跟蹤單元100)和目標(biāo)(如目標(biāo)150)之間的通信。例如，對于基于系統(tǒng)的干涉計(jì)，目標(biāo)被置于已知的位置處，以建立與根據(jù)單元的通信，并且初始化系統(tǒng)。對于絕對距離測量系統(tǒng)，目標(biāo)處于與激光和獲得的大概的徑向距離(R)的通信中。
其次，在步驟S120中，目標(biāo)處于被測量的第一點(diǎn)處。
然后，在步驟S130中，獲得傾斜、偏轉(zhuǎn)、滾動和球面坐標(biāo)。
在步驟S140中，將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為迪卡爾坐標(biāo)(x，y，z)，其中x為目標(biāo)的水平位置，y為目標(biāo)的內(nèi)/外位置，z為目標(biāo)的上/下位置。
然后，在步驟S150中，輸出位置測量值。
然后，控制持續(xù)到步驟S160，其中測定取決于是否測量額外的點(diǎn)，如果測量，則過程進(jìn)行到步驟S170；否則，過程結(jié)束。
在步驟S170中，目標(biāo)移動到新的需測量的點(diǎn)。在目標(biāo)連接到遠(yuǎn)程單元如機(jī)器人的實(shí)施例中，命令機(jī)器人移動到新位置。然后該過程返回步驟S130。
例如，可能有這樣的例子，其中被測量的點(diǎn)不在跟蹤單元的視線內(nèi)，或者，可選擇地，例如，目標(biāo)不可接近被測量的點(diǎn)。圖7～13為說明探測器組件與遠(yuǎn)程單元中的目標(biāo)相關(guān)從而在目標(biāo)不可接近的點(diǎn)處進(jìn)行測量的典型實(shí)施例。
圖7為說明本發(fā)明的包括典型跟蹤單元和典型遠(yuǎn)程單元的多維測量系統(tǒng)的典型實(shí)施例。多維測量系統(tǒng)70包括跟蹤單元100和遠(yuǎn)程單元700。布置遠(yuǎn)程單元700以獲得探頭620可接觸的點(diǎn)或位置的位置信息，但其不在跟蹤單元100的視線內(nèi)。
在該實(shí)施例中，如上所述，目標(biāo)150能夠繞原點(diǎn)760做傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動，因?yàn)樵诟檰卧?00的視線內(nèi)，因此目標(biāo)150的位置可以確定。探頭620以與不在跟蹤單元的視線內(nèi)的點(diǎn)或位置接觸。探頭620通過探桿610與探座730連接。在一個實(shí)施例中，探座730相對目標(biāo)150是固定的或不可移動的。在此實(shí)施例中，探座730本身不能做任何傾斜、偏轉(zhuǎn)或滾動運(yùn)動。然而，探頭620可以沿圓周605繞探座730進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這樣形成垂直于紙面的圓盤形點(diǎn)云(disc shapepoint cloud)。因此，除了以上描述的目標(biāo)150相關(guān)的六維外，探頭620的運(yùn)動增加了第七維，使系統(tǒng)70成為七維系統(tǒng)。
不在跟蹤單元100的視線內(nèi)的、但探頭620可以接觸到的點(diǎn)或位置可確定如下。
首先，探桿610被鎖定在探座730的相關(guān)位置內(nèi)?？梢允褂迷S多不同的方法在適當(dāng)?shù)奈恢面i定探桿610。例如，可以使用蝶型螺母和相關(guān)的鎖定齒640在適當(dāng)?shù)奈恢锰庢i探桿610。
其次，使目標(biāo)150與底座750更近，并且探頭620與底座750的中心752接觸。底座750的中心752是已知位置。例如，可以使用如圖19和20所示的、以下描述的系統(tǒng)和方法確定中心752相對于跟蹤單元100的位置(x，y，z)。因?yàn)榭梢酝ㄟ^跟蹤單元100直接測量原點(diǎn)760，并且底座750的中心752具有已知的位置，因此可確定探頭620相對于原點(diǎn)760的向量。
第三，移動目標(biāo)150以測定探頭620可接觸的點(diǎn)和位置。使用計(jì)算機(jī)軟件和其它已知的方法，可以基于原點(diǎn)760的位置信息和探頭620相對于原點(diǎn)760的向量來計(jì)算與探頭620可接觸的點(diǎn)和位置相關(guān)的位置信息。
作為使用底座750確定探頭620相對于原點(diǎn)760的向量，可以使用一個或多個與探座730連接的編碼器。
圖8為說明本發(fā)明的另一典型遠(yuǎn)程單元的示意圖。圖8所示的遠(yuǎn)程單元800包括探測器組件600，布置該探測器組件600沿兩個軸移動，使遠(yuǎn)程單元800在使用跟蹤單元100時成為八維測量系統(tǒng)。根據(jù)該實(shí)施例，除了目標(biāo)150、組件600外，遠(yuǎn)程單元800進(jìn)一步包括編碼器720和740?？蛇x地，遠(yuǎn)程單元800進(jìn)一步包括手持組件700(其包括觸發(fā)器710)。
在該實(shí)施例中，使用編碼器720測量探座730的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動，使用編碼器740測量探座730的傾斜運(yùn)動。因此，在該實(shí)施例中，探頭620可以繞探座730移動，以建立圍繞探座730的球面點(diǎn)云。使用通過編碼器720和740進(jìn)行的測量可以確定探頭620相對于原點(diǎn)760的向量。
為了測量探頭620可接觸到的點(diǎn)或位置，可以進(jìn)行以下步驟。
第一，使目標(biāo)150處于該點(diǎn)或位置附近，并且探頭620圍繞探座730運(yùn)動，從而探頭可以接觸到該點(diǎn)或位置。第二，因?yàn)樵c(diǎn)760在跟蹤單元100的視線內(nèi)，所以可以獲得上述目標(biāo)150相關(guān)的六維數(shù)據(jù)。第三，通過使用編碼器720和740獲得信息，該信息可確定探頭620相對于原點(diǎn)760的向量，這樣可以獲得該點(diǎn)或位置相關(guān)的位置信息。優(yōu)選地，可以通過使用擠壓式觸發(fā)器在一個步驟中進(jìn)行第二和第三步。
圖9為說明本發(fā)明的典型探測器組件的示意圖。如果以相對于探座730進(jìn)行三維投影，則典型的點(diǎn)云607代表探頭620到如探座730的原點(diǎn)的距離。
圖10為說明本發(fā)明的典型探測器組件的示意圖。在該實(shí)施例中，探桿610的外形為“L”形而不是直的“I”形。然而，一般地，探桿610可以是任何形狀，用戶僅需要附件底座750，從而使探頭620在起始化過程中位于底座750內(nèi)，以形成點(diǎn)云。如圖10所述，“L”形探桿610使探頭620能夠接觸物體的底面，如物體1050的底面1052。
圖11為說明本發(fā)明的另一典型探測器組件的示意圖。探測器組件1100和跟蹤單元100組成根據(jù)本發(fā)明的典型跟蹤系統(tǒng)的九維形式。具體地，除了圖7和8中所示的探桿610的運(yùn)動外，圖11中的探桿610能夠沿徑向延伸，即可伸縮式的，從而距離可以是變化的。借助于編碼器1000，例如該編碼器可以是玻璃尺編碼器(glass-scale encoder)、線性尺編碼器(linear scale encoder)、磁尺編碼器(magnescaleencoder)等，從而可以確定探桿610的長度。
在操作中，用戶可以調(diào)節(jié)探桿610的長度和方向，并且進(jìn)行初始化，在測量過程中保持探桿610的長度穩(wěn)定，或者，除了上述計(jì)數(shù)的步驟外，用戶也可以改變初始化過程中的探桿610的長度，從而形成半固體點(diǎn)云(semi-solid point cloud)(未顯示)，該半固體點(diǎn)云代表探頭620到相對于探座730的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動原點(diǎn)的距離d、探桿610的延伸長度及探頭620繞探座730的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。然后可以儲存編碼器720、740和100的各種讀數(shù)以用于在測量過程中確定實(shí)際位置。
然后，在使用過程中，用戶可以適當(dāng)?shù)母淖円粋€或多個探測長度，如距離d(編碼器1000測量的)、偏轉(zhuǎn)方向的探針旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)編碼器720測量的)及傾斜方向的探針旋轉(zhuǎn)(編碼器740測量的)，以使探頭620置于被測物體上。此外，盡管此處說明的探頭620是球形，但是可以理解探頭可以是使探頭620穿過物體的任何形狀的，如點(diǎn)形、杯形或軸承等。例如，如上所述，在探頭620橫過物體過程中，可以使用觸發(fā)器(見圖8)進(jìn)行瞬時或持續(xù)測量。
圖12和13為說明本發(fā)明的典型遠(yuǎn)程單元的不同視圖的示意圖。遠(yuǎn)程單元1200包括上述目標(biāo)150。目標(biāo)150包括電子束分離器1240和多個光檢測器1250。遠(yuǎn)程單元1200進(jìn)一步包括可調(diào)節(jié)的探測器組件1210、電子水平儀1220和把手1230。探測器組件1210包括探頭1260。
遠(yuǎn)程單元1200的操作涉及用戶維持遠(yuǎn)程單元1200和跟蹤單元(如圖1中的跟蹤單元100)之間的方向?？梢砸陨鲜雠c遠(yuǎn)程單元700和800相關(guān)的同樣的方式完成使用遠(yuǎn)程單元1200的測量。尤其地，進(jìn)行初始化以確定探頭1260相對于遠(yuǎn)程單元1200的位置?？梢栽趯⑻綔y器組件1210固定于固定位置后進(jìn)行初始化，或，可選擇地，例如，可以通過使探測器組件1210通過多個位置，并且形成上述點(diǎn)云而進(jìn)行初始化?？蛇x擇地，探頭1260可以置于如球體的已知物體的各個位置，并完成初始化。
當(dāng)進(jìn)行與探頭1260所接觸的位置相關(guān)的測量時，與把手1230相關(guān)的觸發(fā)器被擠壓?？蛇x擇地，可以布置探頭1260為接觸靈敏性的。例如，在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，探頭1260與觸式傳感器連接。在該典型實(shí)施例中，只要探頭1260與位置接觸，就通過遠(yuǎn)程單元1200進(jìn)行測量。此時，接觸為物理接觸。
在另一實(shí)施例中，當(dāng)探頭1260在位置附近時，接觸可以是有效的。例如，可以使用與探頭1260連接的磁性或紅外線設(shè)備完成此非物理接觸。
例如，遠(yuǎn)程單元1200可以基于電子水平技術(shù)或使用上述微分放大技術(shù)確定滾動。可以使用電子水平儀1220完成電子水平技術(shù)。
圖18為說明本發(fā)明的包括光測量傳感器的遠(yuǎn)程單元的另一典型實(shí)施例的示意圖。遠(yuǎn)程單元1800包括光測量傳感器1830。光測量傳感器1830可以被用于測量表面幾何圖形的面積。優(yōu)選地，如圖18所示，光測量傳感器1830接近遠(yuǎn)程單元1800的下部。然而，光測量傳感器1830可以另外與遠(yuǎn)程單元1800連接，包括接近遠(yuǎn)程單元1800的上部或側(cè)面。
圖19為說明確定探頭相對于探頭相關(guān)的目標(biāo)的原點(diǎn)的向量的典型系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)1900包括上述具有原點(diǎn)760的遠(yuǎn)程單元700和探頭620。例如，探頭620可以為紅寶石球體。系統(tǒng)1900進(jìn)一步包括磁圓盤1910，安裝于回復(fù)反射器(SMR)的球面1920，和一個或兩個虛擬單元1930和1940。
磁圓盤1910包括多個支架1912、1914和1916。磁圓盤1910進(jìn)一步包括磁鐵1918。布置支架1912、1914和1916以支撐SMR1920、半球虛擬單元1930和圓球虛擬單元1940之一。優(yōu)選地，各SMR1920和虛擬單元1930、1940由磁性不銹鋼制成，從而磁圓盤1910的磁鐵1918能夠確保磁圓盤在支架1912、1914和1916上。優(yōu)選地，磁鐵1918位于支架1912、1914和1916中的一個上。
SMR1920包括置于SMR1920的體1926內(nèi)的回復(fù)反射器1924。回復(fù)反射器1924可以是中空的回復(fù)反射器(如，類似于中空回復(fù)反射器1600)或固體回復(fù)反射器(如，類似于固體回復(fù)反射器1700)。優(yōu)選體1926由磁性不銹鋼制成。SMR可以具有直徑范圍。SMR1920的典型直徑為0.5英寸、0.75英寸、1.0英寸等?；貜?fù)反射器1924包括頂點(diǎn)1922。優(yōu)選地，布置SMR1920從而使頂點(diǎn)1922處于SMR1920的中心。
半球形虛擬單元1930包括體1936和中心1932。半球形虛擬單元1930的直徑與SMR1920的直徑相同，從而中心1932的位置對應(yīng)于頂點(diǎn)1922的位置。優(yōu)選體1936由磁性不銹鋼制成。
球形虛擬單元1940包括體1946和中心1942。球形虛擬單元1940的直徑與SMR1920的直徑相同，從而中心1942的位置對應(yīng)于頂點(diǎn)1922的位置。優(yōu)選地，體1946由磁性不銹鋼制成。
圖20為說明建立圖19中所示的探頭的向量的典型方法的流程圖。
在步驟S210中，磁圓盤1910被固定與如圖7所示的底座750的位置的位置處。優(yōu)選地，磁圓盤1910固定于該位置，從而SMR1920或虛擬單元1930、1940的安裝或去除都不移動磁圓盤1910。
在步驟S220中，SMR1920被置于磁圓盤1910上。優(yōu)選地，SMR1920通過支架1912、1914和1916上的磁鐵1918固定于磁圓盤1910上。
在步驟S230中，通過跟蹤單元，如圖7中所示的跟蹤單元100，可以獲得頂點(diǎn)1922的位置信息。在該方法中，SMR1920作為常規(guī)三維測量系統(tǒng)中的目標(biāo)。
在步驟S240中，SMR1920被磁圓盤1910上的虛擬單元1930和1940之一取代。例如，去除SMR1920，虛擬單元1930和1940之一被置于磁圓盤1910上，并由支架1912、1914和1916上的磁鐵1918固定。
在步驟S250中，使探頭620接觸虛擬單元以確定步驟S260中的虛擬單元的中心的位置信息。
如果使用半球形虛擬單元1930，則探頭620接觸半球形虛擬單元1930的中心1932。因?yàn)榘肭蛐翁摂M單元的直徑與SMR1920的直徑相同，因此中心1932的位置對應(yīng)于步驟S230中獲得的頂點(diǎn)1922的位置。
在步驟S260中，確定探頭620相對于遠(yuǎn)程單元700的原點(diǎn)760的向量。因?yàn)槿缟纤觯c(diǎn)760在跟蹤單元100的視線內(nèi)，并且探頭620接觸已知位置，該位置為中心1932，即步驟S230中通過頂點(diǎn)1922確定的位置，因此可以確定上述探頭620的向量。
如果在步驟S240中使用球形虛擬單元1940，則探頭620不能直接接觸中心1940。然而，通過探頭620接觸步驟S250中的體1946的四個或更多個點(diǎn)可以確定中心1940的位置。因?yàn)榍蛐翁摂M單元1940的直徑與SMR的直徑相同，所以中心1942的位置對應(yīng)于步驟S230中獲得的頂點(diǎn)1922的位置。然后，可以在步驟S260中確定探頭620相對于原點(diǎn)760的向量。
在步驟S270中，探頭620可以被用于在各種點(diǎn)和位置處進(jìn)行測量。
如這些圖和上述描述所示，本發(fā)明的多維測量系統(tǒng)可以在單程序的通用計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，或者在分別編程的通用計(jì)算機(jī)和相關(guān)的激光發(fā)生和檢測電機(jī)及旋轉(zhuǎn)編碼器組件上被執(zhí)行。然而，也可以在專用計(jì)算機(jī)、程序微處理器或微控制器、及外圍集成電路元件、ASIC或其它集成電路、數(shù)字信號處理器、硬接線(hard-wired)電子設(shè)備或如離散元素電路(discrete element circuit)的邏輯電路、如PLD、PLA、FPGA、PAL的程序邏輯設(shè)備等上執(zhí)行多維激光跟蹤系統(tǒng)的各個部分。通常，任何能夠執(zhí)行狀態(tài)機(jī)的設(shè)備，而該設(shè)備又能夠執(zhí)行此處所討論的和附圖中所說明的測量技術(shù)，都能被用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的多維激光跟蹤系統(tǒng)。
此外，該公開的方法易于在使用物體或物體定向軟件開發(fā)環(huán)境的軟件中執(zhí)行，該軟件提供可以在各種計(jì)算機(jī)和工作站硬件平臺上使用的便攜式源代碼?？蛇x擇地，該公開的多維激光跟蹤系統(tǒng)可以在使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路或VLSI設(shè)計(jì)的硬件中部分地或充分地執(zhí)行。軟件或硬件被是否用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)取決于該系統(tǒng)的速度和/或效率要求、特殊功能和被利用的特殊的軟件和/或硬件系統(tǒng)或微處理器或微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。然而，此處說明的多維激光跟蹤系統(tǒng)和方法易于在使用任何已知的或以后由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)此處提供的功能描述和計(jì)算機(jī)和光技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)知識而研制的系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)、設(shè)備和/或軟件的硬件和/或軟件上執(zhí)行。
而且，該公開的方法易于在程序通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、微處理器等上作為執(zhí)行軟件被使用。在這些例子中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以在如Java或CGI版本的個人計(jì)算機(jī)上作為嵌入程序、在服務(wù)器或圖形工作站上作為固定資源、在專用多維激光系統(tǒng)中作為嵌入例行程序等被使用。也可以通過物理地使軟件和/或硬件系統(tǒng)，如多維激光跟蹤系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)中包括該系統(tǒng)和方法而執(zhí)行該多維激光跟蹤系統(tǒng)。
因此，很明顯根據(jù)本發(fā)明已經(jīng)提供了用于多維激光跟蹤的系統(tǒng)和方法。盡管已經(jīng)結(jié)合多個典型實(shí)施例描述本發(fā)明，但是很明顯，許多修飾、改變和變化對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是顯然的。因此，本發(fā)明旨在包括所有這些在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)的變化、修改、等同物及變化。
出于說明和描述的目的，提供了本發(fā)明的上述優(yōu)選實(shí)施例的公開內(nèi)容。并不意味著本發(fā)明僅限于此。根據(jù)上述內(nèi)容，此處描述的實(shí)施例的許多變化和修飾對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是顯然的。本發(fā)明的范圍僅由附加的權(quán)利要求及其等同物限定。
此外，在本發(fā)明的典型實(shí)施例的描述中，說明書提供本發(fā)明的方法和/或過程作為特定的步驟順序。然而，就方法或過程并不僅限于此處所闡述的特定步驟順序來說，本發(fā)明的方法或過程也不應(yīng)該限于所描述的特定的步驟順序。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解其它步驟順序也是可能的。因此，說明書中所闡述的特定的步驟順序不應(yīng)該被認(rèn)為是對權(quán)利要求的限制。此外，對應(yīng)于本發(fā)明的方法和/或過程的權(quán)利要求也不應(yīng)該限于按撰寫順序進(jìn)行其步驟，并且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以容易地理解可以改變步驟順序，并且仍然屬于本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多維測量系統(tǒng)，包括跟蹤單元，該跟蹤單元發(fā)出激光并利用球面坐標(biāo)進(jìn)行跟蹤；與跟蹤單元進(jìn)行通信的目標(biāo)，該目標(biāo)能夠作傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動；距離確定模塊，該距離確定模塊確定跟蹤單元和目標(biāo)之間的距離；以及輸出模塊，該輸出模塊根據(jù)球面坐標(biāo)、傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動以及距離輸出關(guān)于目標(biāo)相對于跟蹤單元的位置信息。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，其進(jìn)一步包括輸出設(shè)備，該輸出設(shè)備輸出關(guān)于目標(biāo)的位置信息。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中滾動運(yùn)動基于激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之間的至少一個比較。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，其進(jìn)一步包括檢測激光水平偏振分量的第一光檢測器和檢測激光垂直偏振分量的第二光檢測器。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，其進(jìn)一步包括滾動確定電路，該滾動確定電路接收第一光檢測器的輸出和第二光檢測器的輸出。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，其進(jìn)一步包括電子水平儀，布置為測量目標(biāo)相關(guān)的滾動運(yùn)動。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中目標(biāo)為活動目標(biāo)，其能夠相對跟蹤單元移動。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中目標(biāo)至少為結(jié)合到遠(yuǎn)程單元中、被固定到物體、用于反饋控制、用于校準(zhǔn)、用于機(jī)器工具控制、用于部件裝配用于結(jié)構(gòu)裝配以及用于尺寸檢測中的一種。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中遠(yuǎn)程單元是機(jī)器人。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中機(jī)器人包括驅(qū)動系統(tǒng)和一個或多個使機(jī)器人粘附到表面的牽引設(shè)備。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中牽引設(shè)備為吸杯型設(shè)備。
12.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中機(jī)器人包括正空氣壓系統(tǒng)。
13.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，其進(jìn)一步包括真空系統(tǒng)。
14.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，其進(jìn)一步包括一個或多個附件，使功能能夠至少基于目標(biāo)的位置信息實(shí)現(xiàn)。
15.一種多維測量系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的遠(yuǎn)程單元，包括與多維測量系統(tǒng)的跟蹤單元通信的目標(biāo)，該目標(biāo)能夠作傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動；以及連接到目標(biāo)的探測器組件，該探測器組件包括探頭、探桿和探座，其中探頭布置為伸到不在跟蹤單元和目標(biāo)之間的視線內(nèi)的位置。
16.如權(quán)利要求15所述的遠(yuǎn)程單元，其特征在于，其進(jìn)一步包括一個或多個連接到探測器組件的編碼器。
17.如權(quán)利要求16所述的遠(yuǎn)程單元，其特征在于，其中至少一個編碼器布置為確定相對于探座的探頭的第一角度位置。
18.如權(quán)利要求17所述的遠(yuǎn)程單元，其特征在于，其中至少一個編碼器布置為確定相對于探座的探頭的第二角度位置。
19.如權(quán)利要求16所述的遠(yuǎn)程單元，其特征在于，其中至少一個編碼器布置為確定相對于探座的探頭的軸線位置。
20.如權(quán)利要求16所述的遠(yuǎn)程單元，其特征在于，其進(jìn)一步包括觸發(fā)器，布置為引發(fā)探頭觸及的位置關(guān)聯(lián)的一個或多個測量。
21.如權(quán)利要求16所述的遠(yuǎn)程單元，其特征在于，其進(jìn)一步包括與探頭關(guān)聯(lián)的接觸式傳感器，其中當(dāng)接觸式傳感器開始接觸位置時進(jìn)行位置關(guān)聯(lián)的一個或多個測量。
22.一種多維測量系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的目標(biāo)，包括具有頂點(diǎn)的回復(fù)反射器，其中頂點(diǎn)布置為使至少部分進(jìn)入回復(fù)反射器的激光束光線離開回復(fù)反射器；以及激光傳感器，布置為檢測至少部分通過頂點(diǎn)離開回復(fù)反射器的激光。
23.如權(quán)利要求22所述的目標(biāo)，其特征在于，其中目標(biāo)布置為連接到光測量傳感器。
24.如權(quán)利要求22所述的目標(biāo)，其特征在于，其中回復(fù)反射器為中空回復(fù)反射器。
25.如權(quán)利要求24所述的目標(biāo)，其特征在于，其中回復(fù)反射器包括頂點(diǎn)處的孔，該孔布置為使至少部分激光束光線離開回復(fù)反射器。
26.如權(quán)利要求24所述的目標(biāo)，其特征在于，其中回復(fù)反射器包括形成頂點(diǎn)的三個鏡子。
27.如權(quán)利要求22所述的目標(biāo)，其特征在于，其中回復(fù)反射器為固體回復(fù)反射器。
28.如權(quán)利要求27所述的目標(biāo)，其特征在于，其中頂點(diǎn)包括拋光小平面，使至少部分激光離開回復(fù)反射器。
29.如權(quán)利要求22所述的目標(biāo)，其特征在于，其中激光傳感器為光檢測器。
30.如權(quán)利要求22所述的目標(biāo)，其特征在于，其中激光傳感器為電荷耦合器件陣列傳感器。
31.如權(quán)利要求22所述的目標(biāo)，其特征在于，其中激光傳感器可進(jìn)行檢測目標(biāo)的傾斜和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動的至少一個的操作。
32.物體位置測量方法，包括監(jiān)測激光發(fā)射跟蹤單元的球面坐標(biāo)；監(jiān)測與跟蹤單元通信的目標(biāo)的傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動；確定跟蹤單元和目標(biāo)之間的距離；以及基于球面坐標(biāo)、傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動以及距離輸出關(guān)于目標(biāo)相對于跟蹤單元的位置信息。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，其中滾動運(yùn)動基于跟蹤單元發(fā)出的激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之間的至少一個比較。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，其中滾動確定電路執(zhí)行激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之間的比較。
35.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，其中目標(biāo)為能夠相對于跟蹤單元移動的活動目標(biāo)。
36.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，其中目標(biāo)至少為結(jié)合到遠(yuǎn)程單元中、固定到物體、用于反饋控制、用于校準(zhǔn)、用于機(jī)器工具控制、用于部件裝配、用于結(jié)構(gòu)裝配以及用于尺寸檢測中的一種。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，其中遠(yuǎn)程單元包括驅(qū)動系統(tǒng)和一個或多個使遠(yuǎn)程單元粘附到表面的牽引設(shè)備。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，其中牽引設(shè)備為與真空系統(tǒng)連接使用的吸杯型設(shè)備。
39.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，其中遠(yuǎn)程單元為遠(yuǎn)程控制。
40.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，其進(jìn)一步包括使功能通過附件至少基于目標(biāo)的位置信息實(shí)現(xiàn)。
41.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，其中機(jī)器人包括正空氣壓系統(tǒng)。
42.物體位置測量系統(tǒng)，包括監(jiān)測激光發(fā)射跟蹤單元的球面坐標(biāo)的裝置；監(jiān)測與跟蹤單元通信的目標(biāo)的傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動的裝置；確定跟蹤單元和目標(biāo)之間的距離的裝置；以及基于球面坐標(biāo)、傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動以及距離輸出關(guān)于目標(biāo)相對于跟蹤單元的位置信息的裝置。
43.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中滾動運(yùn)動基于跟蹤單元發(fā)出的激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之間的至少一個比較。
44.如權(quán)利要求43所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中滾動確定電路執(zhí)行激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之間的比較。
全文摘要
基于激光的跟蹤單元(100)與目標(biāo)(150)通信，以獲得關(guān)于目標(biāo)的位置信息。特別地，目標(biāo)(150)放置在要測量的點(diǎn)。然后獲得(200)目標(biāo)(150)的傾斜、偏轉(zhuǎn)和滾動運(yùn)動以及目標(biāo)相對于跟蹤單元的球面坐標(biāo)。例如，目標(biāo)可以為結(jié)合到比如遙控機(jī)器人的可移動設(shè)備中的活動設(shè)備。
文檔編號G05B1/00GK1678880SQ03820650
公開日2005年10月5日 申請日期2003年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月26日
發(fā)明者甘·C·勞 申請人:甘·C·勞