定位图形的制作方法

专利名称：定位图形的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测定对象位置的装置、方法和系统，尤其涉及一种利用含有 绝对位置数据的图形的基于视觉方案。
背景技术：
为了各种目的，已经制造出许多不同类型的控制装置。最常用的控制装置 如所谓的鼠标，就是在二维上提供位置变量，用来控制计算机上的应用操作。其 它的接口控制装置包括操纵杆，也是在二维上从该操纵杆中提供位置变量；然而， 通过使用额外的与操纵杆关联的按钮，可以增加"位置变量"的数量，但是应当 理解，这种装置仅仅只是在二维空间物理的测量位置变量。轨迹球也传输二维数 据；游戏手柄(game pad)通常使用类似手柄的小型操纵杆来测量位置变量，并 通过使用额外的按钮可以将控制器功能范围延伸到更多的控制数据；滚轮(用于 计算机游戏)在一维上传递数据。在许多已知的解决方案中，控制装置仅仅给出参考测量信息而不是绝对测量 信息，这意味着对于依赖控制装置绝对坐标来正确操作的应用来说，需要复杂的 计算来持续的保持控制装置的位置轨迹。此外，这种装置需要定期标定，否则它们将持续的累积误差，很快对于应用来说就可能变得危险。除了上述控制装置外，也有在其他技术领域中，用定位数据来确定对象的位 置，绝对测量方法可应用在很多情况中，但是，在低成本应用中，绝对测量方法 往往相当复杂且性价比比较低。先前已经利用基于视觉系统，并且经常与参考点 一起使用，例如在基于视觉定位系统中，用于测定移动车辆或对象的位置。这些 系统可安装在车辆或对象上面，利用周围区域的参考点来测定其位置，或安装在 外部位置上，利用车辆或对象上的参考点来测定其位置。这些系统一般相当复杂 并要求高品质的视觉系统和超强的计算能力。美国专利5965879中介绍了这样一个系统，在其中示出了一个一维绝对光学线性或旋转编码器。这个方案采用相同 的基准标记来找到对象的位置。基准位置是在一个方位即运动方位计算的。美国 专利6765195介绍了另一个这样的系统，其中示出了一个二维绝对光学编码器。 这个方案采用了两种不同的基准标记来确定对象的位置。这些基准相同的穿过所 有编码位置并在每个运动方向周期性布置。这两个系统都举例说明需要复杂光学 解决方案的系统，而且系统上面的图形大小大约为几个微米。他们也不提供弯曲 度或旋转信息。发明内容因此，本发明的一个目的是提供一种精确的低成本装置，该装置提供绝对位 置数据，其有相对成本效益并且技术不复杂，也可提供甚至三维或四维位置参数 (x， y，z和旋度)。这体现在本发明的多个方面，其中-第一方面，提供一种位置检测系统，包括图形组，包括至少一个节点组件(node part)和至少一个信息组件 (informationpart)，多个所述图形组布置在一个需确定位置的对象上； 至少一个图像采集装置，用于检测所述图形；和计算装置，用来分析图像采集装置采集到的信号，其中该分析包括确定在 图形节点组件至少两个方位上的几何中心，以及确定检测到的图形组件的 组件类型；所述节点组件提供相对于所述传感器的位置，所述信息组件提 供所述节点组件相对于对象的位置。 对象可以是三维的，其中图形组可布置在对象的曲面上。 两个图形组排布(pattern group lines)可彼此完全平行，且在转轴纵向相隔 距离d。此时需要两个摄像机，每个摄像机显示对应的图形组。位置检测系统可进一步包括至少一个照明装置。照明装置的照明输出强度可 由计算装置控制。节点组件和信息组件可至少包括实心圆、圆环或带有中间圆点的圆环中的一 个和/或组件是彩色编码。图形组和摄像机可置于外壳中，使其不受环境参数干扰。计算装置可进一步用来确定节点的对称中心位置，使用基于视觉的应用梯度 分析运算法则。对称中心即是针对图形的节点组件又是针对信息组件而言来确定 的。节点组件可包括多个不同类型，如填充点、未填充点、或带有中心圆点的未 填充点。所述点的形状可选自下列中一个圆形、长方形、方形、或三角形。所述信息组件包括多个不同类型，如填充点、未填充点、或带有中心圆点的 未填充点。所述计算装置布置成确定所述对象和所述图像采集装置之间的距离，通过测 量节点组件大小、信息组件大小、两个节点组件间的距离、两个信息组件间的距 离和一个节点组件与一个信息组件间的距离中的至少一个。本发明的第二方面， 一种扭矩传感器，用于测定对象中的扭矩，传感器包括 位置检测系统包括图形组，包括至少一个节点组件和至少一个信息组件，并且多个所述图 形组直接或间接布置在所述对象上；至少一个图像采集装置，用于检测所述图形；和计算装置，用于分析图 像采集装置采集到的信号，该装置进一步包括用来确定在图形节点组件 至少两个方位上的几何中心和确定检测到的图形组件的组件类型的设 备；所述节点组件布置用于提供相对于所述图像采集装置的位置，所述 信息组件提供所述节点相对于对象的位置。至少两个套管，每个带有多个所述图形组，所述套管安装在所述对象上；和其中所述位置检测系统从每个套管中获取位置数据，所述计算装置进一 步包括多个设备，来检测所述套管位置间的角度差和确定由所述角度差产生 的扭矩。本发明另一方面，提供一种测定对象位置的方法，包括步骤: 用传感器检测位于对象上的图形组；利用对称分析法，确定形成所述图形组组件的节点在至少两个方位的中心 位置；确定节点的类型；确定位于所述对象上的信息点的类型和位置；和利用所述节点和信息点两者的位置和类型的结合信息，确定所述对象相对 于所述传感器的绝对位置。 还有，本发明的另一方面， 一种存储在计算机媒介中的计算机程序，用于确 定对象的位置，通过分析位于所述对象上的图形组数据指示，其中所述数据是从 摄像机中得到，其特点在于所述计算机程序用于确定所述图形组中在节点至少两 个方位的几何中心位置，图形组用于确定所述对象相对于所述摄像机的位置，并 且计算机程序进一步用来确定所述图形组中信息点的类型和位置，信息点用于确 定所述节点相对于所述对象的位置。节点的对称中心位置是利用基于视觉的应用梯度分析运算法则来确定。 还有，提供了另一个方面， 一种用于确定对象角位置的角探测器，包括 位置检测系统，包括图形组，包括至少一个节点组件和至少一个信息组件，多个所述图形组 布置在待测位置的对象上；至少一个图像采集装置，用于检测所述图形；和计算装置，用于分析图像采集装置采集到的信号， 其中该分析包括确定在图形节点组件至少两个方位的几何中心，以及确定检 测到的图形组件的组件类型；所述节点组件提供相对于所述图像采集装置的 位置，所述信息组件提供所述节点相对于对象的位置。其中，所述计算装置进一步包括根据所述信号分析确定所述对象角位置的设 备。


以下将参考附图中所示的示例性实施例，以非限制性方式详细说明本发明，其中:图la为应用于本发明一实施例中的定位装置的横截面图；图lb为图la实施例的侧面图；图2为根据本发明的处理装置的示意图；图3为根据本发明的定位图形的细节示意图；图4为本发明一个应用视图；图5为本发明的另一个应用视图；图6为根据本发明的方法的结构示意图；图7为本发明的另一实施例的示意图。
具体实施方式
图1中，参考数字1通常指从本发明一个实施例的横截面视图方向观察的测量装置1 。装置1包括一个图像采集装置3，其与运动对象2相隔一段距离。 装置1装在外壳8、接线盒9和可选的控制端口 10中。图1中待测对象为转轴 (shaft) 2，装置1安装在由两个轴承5和6支撑的转轴2上。图像采集装置3 紧靠对象2表面安装，装置1可以以同样的方式布置，从而形成一个空腔7，空 腔可以是完全密封的，从而减少污垢或其他干扰因素进入空腔7中的风险。图 1a示出了本实施例沿着图1b中的线Ia的横截面图，图1b为本实施例的侧视 图。图像采集装置3采集的信号通过连接器207被传输到处理装置200上，如 图2所示，处理装置用于图像处理和信号调整，以便将对象2的位置指示的一 个或多个信号提供给某个外部装置，外部装置利用连接器203连接到处理装置 上。根据测量装置1的应用，该处理装置可以包括处理器201、存储单元(或多 个存储单元)202、图像处理单元204以及其它的单元205和206。该处理单元 可以具有通讯接口，与外部装置或连接到控制装置1上的可选单元进行通讯。这 种可选单元可以包括但不限于力回馈、箝位(clamping)装置或者类似的交互装 置，用于与控制装置的使用者交互。通过本领域技术人员所知的任何合适的连接 器或多个连接器，包括但不限于USB(通用串行总线)、火线(Firewire)、 RS232、 RS485、以太网、并行接口 (Centronics parallel port)、 GP旧(通用接口总线)、 不同的无线接口 (比如蓝牙和无线局域网)等等，可以布置用于与外部装置或内 部传感器输入通讯的接口。列出的接口都是根据已存在的标准接口，但是可以理 解，也可以包括未来的标准解决方案或者甚至是专利接口。根据应用情况，处理装置200本身可便捷地位于测量装置中，或作为一个外部单独的装置。在图1实施例中，图像采集装置3用于获得对象2的位置，然而，可利用 安装其他传感器类型来获得定位数据，如一磁性传感器，采集对象2上磁"点" 的位置。因为对象2部分是封在测量装置1的外壳8内，所以可以有利使用非接触 传感器设备；然而，即使没有封装，也可能使用这些类型的传感器。那样的话， 只有少量的干扰可以影响读取，比如灰尘、光线或杂散磁场。在一个实施例中， 外壳8由导电材料制成，具有磁屏蔽特性，来减小影响磁性传感器测量对象2 位置的风险。图形4和摄像机3可置于封套内，从而降低来自外界环境污染的 风险，如污垢或光线。然而，本发明并不限于对象2位置的非接触测量，也可以采用接触传感器， 包括但不限于滑环(sliprings)、阻抗测量(impedance measurements)、分压 器(voltage dividers)、数字编码器(digital encoders)和电容测量(capacitive measurements)。现在转到图3，描述一个功能图形，其包括节点301至304和信息点305 至311。这些点可有不同的大小和填充率，当用一个读取装置如摄像机读取他们 时，这些结构配置将产生功能性效果。在图3中也给出了虚拟点312-315，这些 点并不是用作实际解决方案中的标记，而是在分析运算法则中，可选择性地作为 参考点用于分析目的。为了用摄像机读取这些点，根据应用和环境需要，可能需 要照明320、 330、 340和350。在该实施例中，采用四个发光装置(如发光二 极管(LED)、电灯泡(带灯丝)、激光器二极管、红外线发射器(红外线发射器 可适用于如当存在某种不吸收或反射红外光线的污染层的情况)、或荧光灯管)， 从而在摄像机读取区域中的图形上方提供均匀光线。随着对象每一处通过摄像机 前发生的改变，图形是重复的，从而为获得对象的绝对位置提供可能。然而本发 明并不限于四个照明装置，而可用任何适当数量的照明装置，在某些情况下，周 围环境的光足够的话就无需附加照明。照明可为任何合适的频率，例如但不限于 可见光，红外光，紫外光，X-光或微波。节点301至304可为圆环形状301、 302或内部带有圆点的圆环303、 304 (他们也可为实心圆)。节点3Q1至304用来测定在摄像机窗口中的位置、用于某种应用中的节点类型，并且该测定在两个步骤内完成第一步检测节点，第二 步非常精确地测定节点的位置。用两个步骤来完成分析的原因是为了减少在每个 特定时间单元的运算量。釆用对称分析、重心分析或类似方法来确定点的中心， 可以获得更加精确的测定结果，既所谓的质心计算。质心计算采用如梯度分析， 至少要分析两个方位，从而获得至少两个方位上的位置信息(也可能是对象的转 动维度)。节点需要足够大，来提供适当数目的像素来完成分析。为了提高测定 的准确性，节点可采用不填充的形状，而是中心有或没有圆点的圆环状。这样可 根据节点的外部和内部两者上的梯度特征选取分析方法，从而提高节点分析的中 心准确性。圆环中心的圆点可用于表征图形的一个方向性特征，这样分析系统将 更加容易，这是由于其将定期采集参考点(或线)。在对象周围的上下每5度可 使用这些类型带圆点的圆环。例如，在图形组的"赤道"线上所有节点可使用无 圆点圆环，而距离图形组"赤道"线的每个"南部的"和"北部的"5度，可使 用带圆点圆环的节点。可使用其他形状的点，如矩形或椭圆形状点(这些可用来 提供方向性和旋转性信息的方式；即，椭圆形状上有一个内置定向特性)。其他 形状可包括方形的、三角或不规则形状。信息点305至311组被集中放在一个节点附近、二个节点之间或四个节点 之间。信息点用于确定图形组的绝对位置。信息点与节点大小不同，从而可将他 们与节点区别开。他们一般较小，因为他们不是用来确定图形相对于摄像机窗口 位置的，而是用来确定待识别的图形组相对于对象的绝对坐标，其中该对象包括 图形。而且这些较小的信息点可以是不同的字符实心圆、圆环和非现存(点的 不存在也提供信息，假如系统知道某个几何区域可能包括点)。分析系统确定图 形组信息点，并且确定彼此相对位置和点字符的类型。因为系统知道用于信息图 形组中的信息点的数量，所以系统可确定在每个地点存在哪种类型的点，并且从 这分析可确定那个信息图形组的绝对位置。利用如图3所示有三种不同字符的七 个信息点，可得到大量的独特组合，其对于合理大小的对象和选择的准确度是足 够的；然而，应当明白，根据应用可使用不同数量的信息点。可使用不同形状的 信息点和/或节点，本发明不限于圆形，而可以使用方形、三角形或任何其他几 何形状(甚至不规则形状)。节点和/或信息点的大小可用于表征不同类型信息的 点，在这种情况下，可根据每个点的面积来确定大小。面积判别方法可用于甚至不规则形状，由于每个点可由组成点图像的像素数目确定。节点和信息点可为相 同的点，即他们无须不同大小、类型或位置，只要系统可使用图形来确定对象上 的点的定位和相对于传感器的位置。在一个带曲面的应用中，该图形适用于一个 角系统中而不是直角坐标系中；即，例如对于球状对象来说，是对象周边的每个 第5度，而不是绕周长每5毫米。这样对象的不规则性可被补偿。但是，本领 域技术人员应当明白，对已采集的图形进行标定和/或分析中，通过适当的调整， 该图形也可用于直角坐标系中，甚至对于一个不平的表面，如一个曲面。根据表面和对象的类型，该图形可与任何合适的应用技术一起使用，如激光 标记、板刻、蚀刻、滚铣、滚花、划线、印染、喷墨技术，这些技术直接用于对 象、涂层、或依次固定在对象上的任何其他合适的材料上，等等所有本领域技术 人员能够明白的方式。例如，可提供一个在生产时已经带有图形组的注塑套管， 而套管可应用于待测的对象中。图形组中的点在这些点所应用的材料上可有不同的深度和深度分布(depth profiles)。这可能对于提供不同对比度的结构是方便的。例如，用摄像机观察， 一个锥形狭窄深度样子的点看起来将会比平底面较暗。该图形也可从对象突出出 来，如从材料伸出的锥体，这可能是有用的，例如用来确定传感器和对象之间的 距离。可根据表面的类型合理(优化)安排图形，例如适用于完全平面或曲面。本 发明特别适用在曲面上的应用。图形不仅可提供关于对象X和Y位置的信息，也可提供对象相对于传感器 的旋转或弯曲度信息。通过测量两个信息点或两个节点间的距离(或甚至一个节 点和一个信息点之间的距离)或一个标记或节点的大小，来确定对象和传感器之 间的距离也是可能的，即Z位置。如果一个图像采集装置作为传感器，可利用一种运算法则来确定图形的类 型、相对位置和每一点的填充等级。由于每个图形组都是唯一的，所以确定图形 的绝对位置是可能的(并且因此确定对象的绝对位置，其中图形固定在对象上)。 在快速但不是十分精密计算中，基于对称的分析是有益的，因此其可能用在低成 本解决方案中。从摄像机获取的像素值包括如灰度数据(或如果实际节点和/或 信息点包括彩色数据，他们可被彩色编码(colorcoded))，例如在0-255范围的值。该分析包括设定一个阈值，系统根据该阈值决定一个像素包括或不包括标记。这 个阈值是可变的(软件或硬件)并可根据该标记所在对象上的环境光线或污塘而 被控制。如果一个像素完全被一个标记点填满，灰度可读作如40,完全没有一 个标记的像素可读作如180，仅部分填充标记的像素，灰度则可读作90，其低于 阈值IOO，因此可确定包括一个标记。在分析中，利用这些部分被填充的像素来 提高位置测定的准确度是可能的。该分析扫描图像帧中的所有像素，并确定帧中 所有节点和信息点。由于节点和信息点有已知大小像素，所以可布置过滤掉低于 或高于定量像素的点；例如，对于在摄像机帧中节点大小大约为IO象素，信息 点大小大约为6象素的应用中，像素数小于5或大于15的点可被过滤掉。本发 明并不限于上述灰度的例值和摄像机读数(camera readings)的大小。这完全依 赖应用和系统的准确度的要求，可在一个很宽范围内变化。例如，在灰度方案中， 0或255数字可代表全黑，相应地255或0代表全白。节点和信息点的像素大小 可选择任何适当值，就像本领域技术人员所明白的，根据如摄像机布置、应用和 摄像机与图形之间的距离。图4为利用本发明的扭矩测量装置400示意图。利用获取对象位置的图形来 测量对象402中的张力是可能的。这可通过比较对象402的两个不同位置并测量 他们之间的相对位置来完成。如果两个不同位置之间有偏离，可能是由于张力的 作用；这是成立的，例如对于一个出现在转轴402中的扭矩，在转轴中，该扭矩 在转轴402的纵向两个不同点之间引起一角移动。不过，测量装置的准确度依赖 这两个测量点的间距；两点之间距离越长，角偏转就越大，因此准确度越高。图 4中，单个传感器(如一个图像采集装置)用于同时测量两个分开的图形，并且 为了提高角偏转，用两个套管(sleeves) 403和404来放大角偏差。这可通过将 每个套管403和404的其中一侧405和406固定到转轴402上来实现。在每个固 定点所有角偏差将被传输给每个套管403、 404，因此每个套管403和404的自 由端408和409和每个固定端405和406—样，偏移相同的角度。在每个自由端 408和409处，可用相同的传感器401来测量套管403和404上的图形4和4'。 这种方案有个好处，即无须在多个传感器之间进行标定，例如，如果转轴402 以相同或高于传感率的速度旋转，同步特征可能是个问题。例如，对于图像采集 装置来说，该图像采集装置的帧频相对于转轴402的转速会根据精确度布置一个上限。然而，对于利用高传感率的传感器的应用来说或在对象402以低于传感率 的速度移动的应用中，可使用多个传感器，并且无需类似的套管403、 404，而 是图形可直接置于转轴402上。该系统也可提供转轴402的移动位置信息和/或 弯曲(度)信息。通过在不同的角度位置(如与第一摄像机401成90度角)但在 相同转轴纵向位置放置一个摄像机(未示出)，该系统可操作如X、 Y、 Z定位装 置，也提供关于扭矩和弯曲度信息。该系统也可提供转轴的转速信息。图5举例说明了本发明用在球状物上或类似球状物的局部结构上，该结构用 在如一个计算机接口装置，像跟踪球，或用于跟踪机械手位置的机械手接口，或 用于将三维对象格式进行测量并数字化的3D数字转换器中。根据本实施例的定 位系统包括球状物501，球状物501上带有根据本发明的图形504，图形504布 置在球状物501上。图形检测系统503包括一个计算单元(未示出)并包括如摄 像机502,摄像机用于检测图形相对于检测系统的位置，并且经一个接口 (未示 出)输出球状物501的图像或绝对坐标，这要根据该系统有无计算单元。由于球 状物501和图形可能制作在弹性材料中，所以它可用作承载元件。这将在本文稍 后详细讨论。图6为对根据本发明的测量装置进行标定的方法(步骤601至605)示意框 图。在图形施加于对象上期间，想要知道其位置的话可以标定图形；这可以在制 造装配(manufacturingrig)过程中操作，其中对象以可旋转方式固定在制造装配上 (如果对象至少部分为球形或圆柱几何体)。该制造装配可安装有一个参考位置 确定装置，如一个角编码器，用于测定对象在装配中旋转时的角位置。使用图形 时，对象旋转，从而保证图形倾斜使用(即不是根据前面解释的直角坐标系)。 标定系统可置于同一装配上或至少处于与该装配连接处，当旋转对象时读取点 值，并且从参考位置确定装置中获取角度测量数据。然后可以获取节点的位置参 考值，相应地生成一个标定数据库，该标定数据库可用在本发明的装置中，从而 在应用中进一步提高对象绝对位置测量的准确度。现场系统中可使用一个相同的 标定技术，用来重新标定，或当系统用在现有的应用中时，如带有图形组的套管 或涂层应用于转轴中，其中转轴已安装到特定应用中，在这种情况下系统可能需 要进行现场标定。该标定方法可包括下述步骤--标定装配中对象的安装(601); -获取对象上图形的图形图像(602); -从一个单独的位置检测器获取绝对位置数据(603); -将获取的图形图像与对象的绝对位置结合(604);-为待标定的对象提供一个标定数据库(605)。该标定数据库可包括一个简单数据列表的标定数据，即几对在已获取图形图像中的参考标定位置和点，或将图形 中的点和绝对位置结合的运算法则。为了获取合适的光照条件，通过读取背景区域可运用阈值和照明条件的调节 (即内部无任何像素区域)。那么在标记或未标记的像素之间布置一个新的阈值是可能的，并且通过控制照明设备320、 330、 340和350的光输出，来调节这些 照明设备的强度也是可能的。决定背景照明条件的其中一个方法可为如下摄像 机帧窗口可被分成16区段，用以上举例说明的图形，可找到四个没有点出现的 区段(或只有部分出现)，通过找到四个虚拟点312-315，可找到这四个区段，其 中虚拟点312-315位于两个节点之间的连线上并介于每个节点之间(线不包括信 息点)。这四个虚拟点所处的区段可用作背景区段，并用来决定背景照明条件。 在累积平均算法中，可多次使用该读取操作来提高背景照明测定的准确度。区段 和背景区段的数目不限于上述数量，而可以使用不同数目的相应区段。现在转到图7，举例说明本发明的扭矩测量装置710的一个实施例，其中两 个图形组排布4、 4'处于一个转轴702上。两部摄像机703和705分别读取一 个图形组4和4'，经电缆701、 702和接口单元704、 706将图像信息或位置数 据中继到一个中央处理装置730上。因为这两个图形组排布是沿着转轴纵向分开 的，并且由于当一个扭矩施加到转轴上时转轴会发生角扭曲，所以当一个扭矩加 到该转轴上时，这两个图形组排布将会彼此稍微偏移。该偏移与所使用的扭矩成 比例，因此通过测量转轴中的角扭曲来测量扭矩是可能的。这两个图形组排布应 当完全分开一段距离d，从而提供可测量的角扭曲。为了获取一个充分的可测量 角扭曲，所需的间隔是摄像机分辨率、可使用扭矩范围、测量的期望分辨率、转 轴的外径和内径(如果转轴是一根管)的函数。在上述扭矩测量装置710的另一个变化的方案中，两个摄像机可减少为一个 摄像机，通过将两个位置中的图像中继给摄像机，来同时测量两个图形。这可利用光纤、镜子或一个棱镜中继图像来实现。摄像机可以是一个敏感红外摄像机，来检测对象中不同的温度，并且对象上的图形可根据不同温度特征来布置。为了提供足够照明对比度和其他参数，在这 类解决方案中可提供红外范围内的照明。由于摄像机和计算系统可包括低成本装置，所以本发明测定对象上的绝对位 置可用在很多应用中。应用范围从如非接触方式中测量扭矩的扭矩计开始，可用 于车辆中来测量传动杆中转轴中的扭矩(使燃烧过程或对每个轮的输出功率最佳 化)，或用在方向盘转轴(用在动力方向盘中)，在自行车中(如用于锻炼目的的 自旋自行车)，扭矩在任何类型转轴上都可以测量。本发明也可用于测量与待测 对象位置有关其他参数，如参数包括但不限于力、旋转速度、位置和弯曲度。本 发明也可用作如ABS (自动断开系统)应用中的传感器，用于防自旋传感器， 或用在CNC (电脑数值控制)机器制造中来定位CNC机器中使用的工具。一种用一个摄像机测量只旋转平移对象上的图形组的方法，将为测定对象的 角位置提供一个精确的低成本方案，如作为一个角编码器但分辨率有很大提高。 比如对象为一个轮状对象，如一个足够厚的足以提供图形间隔的圆盘，该图形可 放在轮外周或轮的一侧上。结合本发明的多个不同实施例，本发明可用在铰接臂中(用来测定并数字化 对象的几何比例)。铰接臂通常包括多个接头(joints),每个接头都安装一个位 置传感器来测定组成臂的每个部分的位置。带有多个这样旋转接头(angularjoint) 的铰接臂可用来测定对象的几何尺寸，并且将这些提供到一个计算机辅助设计 (CAD)系统，计算机辅助设计系统获取该几何尺寸并传递到计算系统内。根 据本发明的铰接臂可包括装有3D和1D传感器结合的接头，如位于臂基座的第 一 1D传感器，位于每个臂段之间的每个1D接头内的第二 1D传感器，和一个 带有探针的3D传感器，探针用于测定铰接臂所研究的实验对象的位置。在我们 完成相同功能性的配置中，传感器作为铰接臂组成部分，其数目和型号可以改变 的。第一1D传感器跟踪臂相对于铰接臂装备所在的表面的整体转动位置，处于 每个臂段之间的每个接头内的第二和随后的1D传感器跟踪一个旋转位置，3D 传感器跟踪探针相对于臂的位置。考虑到每个传感器中的测量，可测定探针相对 于实验对象的位置，并且可数字化实验对象的几何配置。本发明也可用于经纬仪中，其是用来测量水平角和垂直角的仪器，如用于三 角测量应用中。该经纬仪包括一个望远镜，以能够在两个正交轴内部移动的方式 安装 一个水平轴和一个垂直轴。该经纬仪常常安装在一个三脚架上，三角架正 好垂直放在待测点上方，其垂直轴与本地重心成一条直线。本发明可为经讳仪采 集相对于周围环境的绝对定位数据，如该经纬仪处于其中央上方的地面位置。该 传感系统可布置成作为三脚架基板和望远镜之间的一个中间连接。然后，本领域 技术人员应该明白，为了建立这样一个装置，可以提供其他部件和附件，如将装 置机械校正到相对于重力和/或地平面适当位置的机械调整旋钮、用户读取位置 数据的读数显示器、将数据传输到一个外部装置(如一个膝上型电脑)的通讯接 口、电源(如外部电源或内部电池供电)。经纬仪的全部组成和功能对于本领域 技术人员来说是众所周知的，本文将不再描述。本发明的一个好处在于图形可布置在承载元件上，在本发明可应用的不同应 用结构中。如在一个扭矩传感器中，图形可涂在依次是转轴所处的整体应用中的 部分转轴上；在一个铰接臂装备中，图形涂在承载组成接头的负载元件上；在轴 承应用中，图形可涂在承载元件上，比如形成部分球状物或圆柱体轴承的球状物 或圆柱体。这好处是基于以下事实，即图形可作为对象自身部分材料来布置(如 突起或缺口 )，或布置在粘贴于对象上的耐机械作用的弹性材料上。通常，本发明也有一个好处，能够提供绝对位置数据的高速和高准确度的测 量，然而，速度的上限受限于图形的采集速率，例如，在提供图形图像的图像采 集系统中，图像采集的帧率将设定一个上限值。在很多应用当中，本发明提供的 精确度可超过10倍于在类似应用中用更昂贵和复杂的解决方案所获得的一般准 确度。应当注意到，单词"包括"并不排斥那些列出之外的其它元件或步骤的存在， 并且元件前面的单词"一"或"一"并不排斥多个这样元件的存在。还应当注意 到，任何附图标记都不限制权利要求的范围，本发明至少部分可以通过硬件和软 件来实施，同样的硬件可以表示几个"装置"、"单元"或"设备"。上述实施实例对于本发明而言仅仅只是示例性的而非限制性的。在下述专利 权利要求所要求范围内的其它的解决方案、使用、目的和功能对本领域技术人员 来说是显而易见的。1权利要求
1.一种位置检测系统(1)，用来检测对象的位置，该系统包括图形组(4)，包括至少一个节点组件(301-304)和至少一个信息组件(305-311)，多个所述图形组直接或间接布置在所述对象(2)上；至少一个图像采集装置(3)，用于检测所述图形(4)；和计算装置(200)，包括用于分析信号的设备，来确定在每个所述图形节点组件(301-304)至少两个方位上的几何中心，和确定每一个检测到的图形组件(301-311)的组件类型；布置所述节点组件(301-304)用于提供相对于所述图像采集装置(3)的位置，所述信息组件(305-311)提供所述节点组件相对于所述对象的位置。
2. 根据权利要求1所述的位置检测系统，其中所述对象(2)为三维对象(2)。
3. 根据权利要求1至2任意一个所述的位置检测系统，其中所述图形组(4)布置 在所述对象(2)的曲面上。
4. 根据权利要求1-3任意一个所述的位置检测系统，其中两个图形组(4， 4')排 布彼此完全平行，且在转轴(2)的纵向彼此相隔距离d。
5. 根据权利要求4所述的位置检测系统，其中提供两个图像采集装置(3)，每一 个读取所述两个图形组(4， 4')排布中的一个。
6. 根据权利要求1-5任意一个所述的位置检测系统，进一步包括至少一个照明装置(320， 330， 340， 350)，其中所述照明是可见光、红外光、X光、紫外光中 的一种。
7. 根据权利要求6所述的位置检测系统，其中，来自所述照明装置的照明强度由 所述计算装置控制。
8. 根据权利要求1-7任意一个所述的位置检测系统，其中，所述节点组件和信息组 件包括实心圆、圆环或带有中间圆点的圆环中的至少一个。
9. 根据权利要求1-8任意一个所述的位置检测系统，其中，所述节点组件和信息组 件中至少一个为彩色编码。
10. 根据权利要求1-9任意一个所述的位置检测系统，其中所述图形组(4)和 所述图像采集装置(3)位于一个外壳中，所述外壳提供保护，使所述图形组和 图像采集装置不受环境参数的干扰。
11. 根据权利要求1-10任意一个所述的位置检测系统，其中，所述计算装置进 一步用来确定节点的对称中心点位置，使用基于视觉的应用梯度分析运算法则。
12. 根据权利要求1-11任意一个所述的位置检测系统，其中，确定所述对称中心即是针对所述图形的节点组件，又是针对所述图形的信息组件。
13. 根据权利要求1-12任意一个所述的位置检测系统，其中，所述节点组件包 括多个不同类型，如填充点、未填充点、或带有中心圆点的未填充点。
14. 根据权利要求12所述的位置检测系统，其中，所述点的形状选自下列中一 个圆形、长方形、方形、或三角形。
15. 根据权利要求1-14任意一个所述的位置检测系统，其中，所述信息组件包 括多个不同类型，如填充点、未填充点、或带有中心圆点的未填充点。
16. 根据权利要求1-15任意一个所述的位置检测系统，其中所述计算装置布置 成确定所述对象和所述图像采集装置之间的距离，通过测量节点组件大小、信息 组件大小、两个节点组件间的距离、两个信息组件间的距离和一个节点组件与一 个信息组件间的距离中的至少一个。
17. —种用于测量对象(2)中扭矩的扭矩传感器，所述传感器包括 位置检测系统(1)，包括图形组(4， 4')，包括至少一个节点组件(301-304)和至少一个信息组件 (305-311)，并且多个所述图形组直接或间接布置在所述对象(2)上； 至少一个图像采集装置(3)，用于检测所述图形(4);和 计算装置(200)，包括用于分析所述图像采集装置(3)采集到的信号的设备， 来确定在所述图形节点组件(301-304)至少两个方位的几何中心，和确定每 个已检测到的图形组件(301-311)的组件类型；所述节点组件(301-304)布 置用于提供相对于所述图像采集装置(3)的位置，所述信息组件(305-311) 提供所述节点相对于所述对象的位置；至少两个套管(403， 404)，每个带有多个所述图形组(4, 4')，所述套管安 装在所述对象(2)上；和其中所述位置检测系统从每个套管(403， 404)中获取位置数据，所述计算装 置进一步包括多个设备，来检测所述套管位置间的角度差和确定由所述角度差 产生的扭矩。
18. —种确定对象位置的方法，包括步骤 用传感器检测位于对象上的图形组；利用对称分析法，确定形成所述图形组组件的节点在至少两个方位的中心位置； 确定节点的类型；确定位于所述对象上的信息点的类型和位置；和利用所述节点和信息点两者的位置和类型的结合信息，确定所述对象相对于所述 传感器的绝对位置。
19. 一种存储在计算机可读媒介中的计算机程序，用于确定对象(2)的位置， 通过分析位于所述对象上的图形组数据指示，其中所述数据是从摄像机中得到， 其特点在于所述计算机程序用于确定所述图形组中在节点至少两个方位的几何 中心位置，图形组用于确定所述对象(2)相对于所述摄像机的位置，并且计算 机程序进一步用来确定所述图形组中信息点的类型和位置，信息点用于确定所述 节点相对于所述对象(2)的位置。
20. 根据权利要求18所述的计算机程序，其中，使用基于视觉的应用梯度分析 运算法则来确定节点的对称中心位置。
21. —种角探测器，用于确定对象(2)的角位置，包括 位置检测系统(1)，包括图形组(4)，包括至少一个节点组件(301-304)和至少一个信息组件(305-311 )， 多个所述图形组直接或间接布置在所述对象(2)上； 至少一个图像釆集装置(3)，用于检测所述图形(4);和计算装置(200)，包括用于分析所述图像采集装置(3)采集到的信号的设备， 来确定在所述图形节点组件(301-304)至少两个方位的几何中心，和确定检测 到的图形组件(301-311)的组件类型；所述节点组件(301-304)布置用于提 供相对于所述传感器的位置，所述信息组件(305-311)提供所述节点相对于所 述对象的位置；其中，所述计算装置进一步包括根据所述信号分析确定所述对象角位置的设备。
全文摘要
一种绝对位置检测装置、系统和方法，利用包括两类位置数据的图形图形相对于对象的定位和图形相对于传感器的位置，传感器如摄像机。该装置包括采集位于对象上的图形图像的传感器和分析图像来确定对象相对于传感器绝对位置的运算单元。本发明可用于多种应用领域，如一扭矩传感器的组成器件、经纬仪、铰接臂、或角探测器中。
文档编号G01D5/00GK101331384SQ200680047543
公开日2008年12月24日 申请日期2006年10月6日 优先权日2005年12月23日
发明者乔纳斯·尼尔萨加德, 奥利·塔克曼, 曼尼·斯坦博格 申请人:G科德系统有限公司