用于校准包括载体单元、连接到载体单元的采光单元和发光单元的光学装置的方法

用于校准包括载体单元、连接到载体单元的采光单元和发光单元的光学装置的方法
【专利摘要】本发明涉及一种在对其预定使用前基于全局坐标系(xyz_global)校准光学装置(5)的方法，光学装置(5)包括由刚性材料制作的载体单元(11)、以可拆卸方式连接到载体单元(11)的采光单元(12)和发光单元(13)。为了便于校准并且使得校准独立于光学装置(5)预定使用过程，提出基于参考坐标系(xyz_ref)并且独立于光学装置(5)离线校准采光单元(12)或发光单元(13)。然后转换矩阵(52)的数值被确定，此转换矩阵用来将基于参考坐标系(xyz_ref)获取的校准数据(51)转换为基于全局坐标系(xyz_global)的相应校准数据(50′)。这可以通过基于全局坐标系(xyz_global)执行一次整个光学装置(5)的校准而完成。在光学装置(5)的预定使用过程中，当生成用于单元(12、13)的控制信号和/或处理从单元(12、13)接收到的传感器信号时，针对单元(12、13)获得的校准数据(51)和/或转换矩阵(52)的相应数值将被考虑。
【专利说明】用于校准包括载体单元、连接到载体单元的采光单元和发光单元的光学装置的方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于全局坐标系校准光学装置的方法。所述光学装置包括由刚性材料制作的载体单元、均以可拆卸方式连接到载体单元的采光单元和发光单元。

【背景技术】
[0002]例如，从DE10311247A1中已知这样的光学装置。在已知的装置中，载体单元具体体现为一个具有U形横截面的型材。这个型材可以由金属板剪切和折叠而成。发光单元和/或采光单元各包括一个壳体元件，该壳体元件是通过从型材的开口侧插入型材内部并设置在其中而形成的，优选地不能浮动或晃动。型材具有用于接收螺钉的孔，采光单元和发光单元的壳体分别具有用于接收穿过型材的孔的螺钉的螺纹孔。为了使采光单元和发光单元分别可拆卸地固定到型材上，紧固螺钉被插入孔中并且被拧入螺纹孔。
[0003]这种固定方式能够使采光单元和发光单元分别以高精度紧固到载体单元上。然而，当松开螺纹连接后，壳体可以在型材内部移动，并且当再次拧紧螺钉时或者将其他采光单元或发光单元插入载体单元之后拧紧螺钉时，不能保证此采光单元和发光单元分别仍然并且将会如先前那样被固定在载体单元上恰好相同的位置。因此，现有技术提出的这种类型的连接是不可重复的。
[0004]因此，在现有技术中，首先采光单元和发光单元被连接并固定在载体单元的任何所需位置上。然后整个光学装置必须基于全局坐标系被校准。全局坐标系可以被指定到一个单一的光学装置或测量装置，例如一种测量隧道，其包括多个上述类型的光学装置。在第一次使用该光学装置之前，必须执行校准操作，并且此后每次一个采光单元或发光单元需要被替换或者有意无意地相对于载体单元改变自身位置时，必须要校准整个光学装置。校准整个光学装置的必要性具有这样的缺点:校准必须在在线状态下进行，也就是在中断光学装置预定使用的过程中进行校准。此外，根据现有技术的光学装置的校准非常复杂、繁琐和费时。


【发明内容】

[0005]因此，本发明的一个目的是提出一种用于校准光学装置的方法，该方法简单、快速，并且特别是可以离线操作，也就是在光学装置预定使用过程中进行校准。
[0006]为了解决此问题，根据本发明的一个实施方式，提出的方法包括:
[0007]定义一个与全局坐标系不同的参考坐标系；
[0008]通过获取合适的校准数据，在其预定使用前，基于参考坐标系校准采光单元或发光单元，并且与光学装置的其他单元分开校准；
[0009]将已校准的采光单元或发光单元连接到载体单元上；
[0010]基于给定的全局坐标系和给定的参考坐标系，仅仅执行一次整个光学装置的传统校准，从而确定转换矩阵的数值，此转换矩阵用来将基于参考坐标系获得的校准数据转换为基于全局坐标系的校准数据；以及
[0011]此后，针对所有连接到载体单元上、需要进一步校准的采光单元和/或发光单元，在对光学装置的预定使用过程中，当生成用于单元的控制信号和/或处理从单元接收到的传感器信号时，通过考虑从所述光学装置中获取的校准数据或转换矩阵的相应数值，利用作为光学装置的一部分的采光单元和/或发光单元。
[0012]本发明提出，单独校准光学装置每部分，然后组装已单独校准部件，从而形成校准的光学装置，而不必在每次有新单元被安装后全局校准整个装置。只有当带有基于参考坐标系离线校准单元的光学装置第一次被基于全局参考系使用时，整个装置必须基于全局参考系做校准操作。以此方式，确定了用于转换矩阵的值。此后，被分别基于参考坐标系校准的采光单元或发光单元被简单地插入光学装置(被连接到载体单元)，此光学装置先前已经基于全局坐标系校准过。采光单元或发光单元的基于参考坐标系的单个校准数据，通过转换矩阵被转换为基于全局坐标系的校准数据。
[0013]一旦单独的采光和发光单元在自己的参照系下被校准，在它们能基于全局坐标系坐标轴被校准之前被安装在载体单元或空间框架上。在校准的光学和发光单元分别安装到载体单元和空间框架上后，整个光学或测量装置基于全局坐标系的坐标轴被校准。这是初始校准，它在装置调试之前被执行，并且只需要执行一次。初始全局校准的目的是确立转换矩阵。此矩阵将基于参考坐标系获取的各单元的校准数据关联到基于全局坐标系的相应校准数据。应该注意，依据在实验室(离线)校准单个光学采集和发光单元的方法，对于直接校准来说转换矩阵可以是繁琐的，或者具有基于模型校准(例如，Tsais校准模型)的其他形式。
[0014]系统调试后，当单个的采光单元或者发光单元需要被新单元替换时，整个光学或测量装置不需要重新基于全局坐标系校准。新部件的转换矩阵通过第一部件的转换矩阵获得，而第一部件的转换矩阵已经在初始全局校准步骤过程中被确定，并且第一部件和新的部件的校准数据是相同的，这是由于这两个数据都是基于相同参考坐标系坐标轴获得的。基于此，采光单元或发光单元被连接到载体单元上是必要的，并且因此通过一种高精度、准确可重复的方式位于测量装置中。这种连接可以通过许多不同的方法完成，其中的一些稍后通过实施例的方式进行描述。其中一个实施例被称为锥形燕尾连接。
[0015]优选地，光学装置的单独部件基于不同于全局坐标系的参考坐标系被校准。特别是，建议采光单元和/或发光单元的校准通过来自光学装置的预定使用的离线操作来完成。然而，在采光单元和/或发光单元的校准过程中，光学装置通过使用其它先前校准好的单元可以继续使用。例如，一个或多个采光单元和/或发光单元在光学装置中被真正使用前分别被校准好是可能的。因此，在光学装置的正常运行和预定使用过程中，单元可以被校准。然后，如果光学装置的采光单元和/或发光单元失效或者出于某种原因需要被替换，一个事先已经单独校准的单元可以被固定到光学装置的载体单元上。当然，这是通过光学装置的预定使用过程的简短中断情况下完成的。然而，引入新单元后，光学装置可以恢复它的预定使用，而不需要整个光学装置耗时的校准操作。
[0016]新固定的单元被功能集成到光学装置，特别是基于全局坐标系简单地通过转换矩阵的数值被校准。新固定单元的转换矩阵是通过第一部件的转换矩阵获得的，第一部件的转换矩阵通过在装置调整之前的初始全局校准被确定，并且第一部件和新装配部件的校准数据是相同的，这是因为这两个数据都是基于相同参考坐标系坐标轴获得的。因此，一旦每个单元作为单个实体离线校准，它们各自的转换矩阵被自动获得。在生成用于采光单元和/或发光单元单元的控制信号和/或处理来自于采光单元和/或发光单元单元单元的传感器信号时，转换矩阵的数值被考虑，从而所述单元的在线校准被执行。因此，为了重新校准光学装置而中断所述光学装置的预定使用时间可以被减少到最低，这是由于其中一个单元只是简单的被另一个事先校准好的单元所替代，因此整个光学装置的耗时校准可以被省略。
[0017]基于参考坐标系的采光单元和/或发光单元的单独校准，可以通过任何已知的方式执行。校准的各种可行方式已被公开，例如，分别在EP1524494A1或者W002/16865A1中。这些参考资料都通过引用的方式被纳入本文。特别是，那些包含在这些参考资料中、涉及至少一个包含具有一定维度和一定的排列方式的校准元件的校准表面的、关于校准装置的实施方式和校正单元过程的具体描述成为本发明的一部分以避免重复。校准表面和校准元件分别定义参考坐标系。
[0018]优选地，参考坐标系相对于从光学装置中分离出来的校准装置被定义。因此，所述离线校准单元是在一个单独的校准装置上被校准的，此校准装置例如可以放置到光学装置的远处。这样，在一个或多个采光单元和/或发光单元的校准过程中，允许光学装置的预定使用连续进行。因此，采光单元或者发光单元基于参考坐标系的校准操作离线和并行执行，并且在光学装置的预定使用过程中执行。
[0019]优选地，待校准的采光单元或者发光单元具有一个独特的序列号。获取的校准数据和/或转换矩阵的数值或者表示校准数据和/或转换矩阵的数值的相应值，连同相关于已被校准的采光单元或者发光单元的序列号被存储在数据库中。光学装置的控制和处理单元可以访问(优选以在线方式)数据库和存储在其中的数据和/或数值，以便在光学装置的预定使用过程中，以校准单元修正后的信号和数值使用连接到载体单元并且成为光学装置的一部分的采光单元和/或发光单元。所述序列号允许明确识别存储数据和/或数值并且将存储数据和/或数值赋值到特定的采光单元或发光单元。
[0020]优选地，采光单元或发光单元通过无应力、无间隙且可重复的连接而连接到载体单元上。这允许单元的校准离线执行并且独立于整个光学装置并且并行于装置的预定使用。通过可重复的连接将已校准的单元固定到载体单元上，整个光学装置被校准。这种采光单元和发光单元到载体单元的特殊连接，允许将单元相对于光学装置其余部分定位于高精度的和准确可重复的位置。采光单元和发光单元到该光学装置的其他部分的精确且可重复连接限定了一个接口，接口之上是各单元之间的变化的不同形式，接口之下实际上没有区别，这是因为支撑载体单元是机械稳定和热稳定的结构。转换矩阵的数值可在单元的单独校准过程中以高精确度并且不受时间严格限制的方式提前被定义，并且在光学装置的预定使用过程中，可以考虑在线操作。因此，本发明允许一种光学装置在其预定使用过程中的在线校准，没有因为整个光学装置的在线全局校准而浪费时间，这是由于根据本发明整个光学装置的在线全局校准的时间是可以省略的。
[0021]优选地，采光单元或发光单元通过两部分锥形燕尾连接被连接到载体单元。所述的锥形燕尾连接只是采光单元和/或发光单元连接到载体单元上的许多可能的精确且可重复的连接之一。优选地，连接的精度是在微米级。所述连接限定了一个接口，接口之上通过采光单元和发光单元的不同个体的机械和/或光学特性引入了变化，接口之下由于载体单元是机械稳定和热稳定结构，所以没有变化。所述接口优选采用锥形燕尾连接形式，但是并不局限于这种类型的连接。其他连接也可以被使用，只要它们达到相同的精度和可重复性等级而在此接口水平上没有弓I入连接错误即可。
[0022]特别是，根据本发明的一个优选实施方式，采光单元和发光单元分别连接到载体单元的可拆卸连接包括第一部分元件，所述第一部分元件呈具有纵向延伸以及一个梯形横截面的凹槽形式。在沿凹槽的纵向延伸的任意给定位置的横截面视图中，凹槽中靠近其底部的宽度大于与凹槽底部相对的凹槽的宽度，此处凹槽对外界打开。进一步地，凹槽沿其纵向延伸由一端到相对的一端逐渐汇合，从而，沿着凹槽纵向延伸逐渐减少凹槽的宽度。因此，如果在横截面图中沿着凹槽纵向延伸观察凹槽的两个彼此间隔开的位置，该凹槽的在第一位置的底部宽度大于该凹槽在另一位置的底部的宽度。同样地，与凹槽底部(此处凹槽对外界打开)相对的凹槽宽度，在第一位置时大于在第二位置时。凹槽的深度沿着凹槽的整个纵向延伸优选是恒定的。然而，也有可能的是，凹槽沿其纵向延伸的深度从一端到另一端逐渐增加或减少。
[0023]此外，根据本发明，采光单元和发光单元分别到载体单元上的可拆卸连接包括第二部分元件，所述第二部分元件呈凸起形式，该凸起具有纵向延伸以及一个对应于所述凹槽横截面形状的横截面形状。因此，所述凸起也具有一个梯形截面形状。在横截面视图中，所述凸起的宽度沿其纵向延伸从一端到相对的一端汇合。所述凹槽的侧壁的汇合程度和凸起的侧壁的汇合程度优选对于凹槽和凸起是相同的。沿着凸起的纵向延伸的长度，不需要必须对应于所述凹槽的长度。然而，优选地，凸起的长度至少要和凹槽的长度一样长。优选地，所述凹槽和凸起的长度是相同的。
[0024]关于锥形燕尾连接，其中“两部分”的意思是，提出的连接装置包括第一部分(凹槽或凸起)和相应的第二部分(凸起或凹槽)。“锥形”的意思是，凹槽的侧壁和凸起的侧壁相对于他们的纵轴汇合或者发散。“燕尾”的意思是，梯形横截面形状垂直于凹槽和凸起的纵向轴线。
[0025]引入和接收部位于凹槽的一端，此端比凹槽开口的相对端具有更大的宽度，所述引入和接收部接收凸起，凸起在其相对于所述凹槽的纵向延伸部被替换并且它的纵向延伸部基本上平行于槽的纵向延伸部。在将所述凸起插入到引入和接收部后，所述凸起可以沿着平行于凹槽的纵向延伸部延伸的方向被插入凹槽中。因此，凸起的在横截面视图中具有比相对端更小的宽度一端，当被插入引入和接收部时指向凹槽，进而面对凹槽的开口而用于后续插入。所述凸起通过面向引入和接收部的凹槽的开口，可以被插入凹槽中。因为具有较小宽度的凸起的端部被插入到具有较大宽度的凹槽的另一端部，在将凸起插入凹槽的过程中，一个相对于凹槽的凸起的相对不精确定位就足够了。因此，一方面是采光单元或发光单元与另一方面是载体单元之间的连接的建立，可以例如通过工业机器人简单地自动地操作。凸起越被进一步引入到凹槽中，凸起越进一步相对于凹槽纵向延伸部横向自动定位。在采光单元和发光单元分别到载体单元之间的可拆卸连接的建立过程中，凹槽充当凸起的导向装置，从而显著缓和并且允许充分授权建立可拆卸连接。
[0026]一旦在引入凹槽过程中所述凸起具有较小宽度的端部到达凹槽中的这样一个位置，此位置凹槽宽度对应凸起的较窄端部处的宽度，插入操作就结束了。如果凹槽的侧壁和凸起的侧壁的锥形汇合程度相同，在引入运动的结尾，凹槽的侧壁和凸起的侧壁以他们的整个表面彼此相靠。因此，引入运动的最终位置以格外高的精度被限定。与此同时，确立所述可拆卸连接是快速和简单的。
[0027]所述凹槽既可以被设置在载体单元上，也可以分别被设置在采光单元或发光单元的壳体元件上。如果凹槽被设置在载体单元上，凸起就被设置在连接装置的相应其他部分上，即设置在采光单元和发光单元上；或者如果凹槽分别被设置在采光单元或者发光单元的壳体元件上，凸起就被设置在载体单元上。优选地，所述凸起分别被设置在采光单元和发光单元的壳体元件上，并且凹槽被设置在载体单元上。
[0028]根据本发明的一个优选实施方式，所述凸起通过用于将采光单元或者发光单元相对于载体单元的固定或保持的合适装置，被固定在其在所述凹槽中的最终位置。保持或固定装置可以通过在凸起的至少一个侧壁和凹槽的至少一个相应侧壁之间有效的一些摩擦接触简单地实现。然而，如下方式也是可能的:当所述两部分锥形燕尾连接装置相对于载体单元被适当地连接和设置在其最终位置上时，所述两部分锥形燕尾连接装置包括用来相对于所述载体单元分别保持或固定所述采光单元和发光单元的附加装置。所述附加装置可以是，例如，弹簧加载的保持装置或螺钉，通过摩擦接触或者形状配合或者正配合，其提供采光单元和发光单元相对于载体单元到自身最终位置的可靠的固定。
[0029]本发明特别适合于光学装置，其中采光单元在一个采光区域内获取工件的特性，并且发光单元在一个采光区域内照亮工件的至少一部分。所述采光单元优选地包括用来以光学方式获取工件光学特性的相机。所述相机可以被设计为模拟或数字相机，特别是设计为CCD或者CMOS相机。所述发光单元优选地包括激发光单元，用来在所述采光区域内通过激光束照亮工件的至少一部分。所述激光探头可以被设计为使得其至少在采光区域的一部分中在工件表面上以及可能的相邻部件上生成线型或网格型光模式。所述激光单元可以在可见或不可见(例如，UV，IR)的波长区间内发光。发光单元和采光单元可以被持续地激活或者在同步时钟基础上的离散时间点被激活。
[0030]数码相机光学采集工件或者一个或多个可能的相邻部件的图像，并且生成对应于和指示所获取的图像的电传感器信号。所述传感信号通过评估单元或图像处理单元进行处理，例如，用于确定相对于相邻部件的工件的间隙和/或位移(平行偏移)。特别是，所述光学装置可以被使用在将机动车或者其他汽车零部件(例如天窗)的扁平件(例如门、行李箱盖、前盖或发动机盖等)安装到车体的一个适当的开口处的过程中。在工件安装过程中，不间断地确定工件相对于相邻部件或者其他车体部分的间隙和/或位移数值，并且相应地控制工件插入车身开口。
[0031]所述被确定的间隙和/或位移数值可以被用来控制工业机器人，工业机器人持有附着它的机器人手臂远端的工件，用来将其安装到车身开口处。所述机器人或者机器人手臂被控制，用来使工件与相邻车辆部件之间所有的间隙尽可能相等，并且以期望的方式调整位移，例如，尽可能变小。当然，所述光学装置也可以被应用到其他部件的附接和插入操作，例如安装散热器格栅、车辆照明设备(前照灯或灯)到车身上。更进一步，所述光学装置也可以被应用到质量控制领域，用来在已经安装的车身部件基础上，控制生产和/或安装过程的精度。此外，所述光学装置也可能被应用到其他领域，例如在工作室或厨房台面上插入和安装罩盖或水槽。
[0032]此外，建议所述光学装置包括处理和控制装置，其分别被连接到采光单元和发光单元，并且所述载体单元包括一个处理和控制装置被设置在其中的空腔。所述处理和控制装置用来处理从采光单元传来的传感器信号，以使在采光区域内确定和表征工件的状态和/或特征(例如相对一个或多个相邻车身部件的间隙和位移)成为可能。传感器信号的处理可以通过一个适配的图像处理软件来进行，其可以在一台计算机的一个或多个微处理器上运行。
[0033]此外，所述处理和控制装置可以分别负责控制所述采光单元和发光单元。例如，它们可以激发发光单元产生和发射所需光束或光模式。另外，当所述发光单元被激活时，它们可以激发所述采光单元在采光区域内获取工件的一个或多个图像。特别是，所述发光单元和所述采光单元的定时操作是有利的，其中所述发光单元仅被暂时接通一段非常短的时间用于照亮工件，并且与之同步的光学采集单元被暂时触发而用来制作被照亮工件的一个或多个图像。此外，所述处理和控制装置可以控制位于所述光学装置上的其他设备的功能，例如可移动地设置在所述采光单元的采光窗口前的盖元件，其目的是为了保护所述采光窗口和所述采光单元分别免于热、机械、化学或物理损害，例如免于热焊接溅射等。所述盖元件由电动马达或螺线管致动，其可以通过处理和控制装置控制和激活。
[0034]所述处理和控制装置在其自身部分可以接收来自更高级别控制单元的控制和操作信息，该更高级别控制单元优选地设置在载体单元外并独立于所述光学装置。所述更高级别控制单元可以构成例如测量隧道的测量装置的一部分，所述测量装置包括本文所述类型的多个光学装置。
[0035]在一个特别优选实施例中，所述光学装置适于连接到操纵器的手臂的远端部，特别是工业机器人的机械手臂端部。所述光学装置可以通过操纵器被移动，使得光学装置的采光区域包括任何所需的工件，以确定在所述采光区域内工件的条件或者特性(位置，布置和位移)，无论是基于全局坐标系的绝对条件或者特性还是相对于一个或多个相邻车体部件的相对条件或者特性。这具有如下优点:单一相同光学装置在相互分离的不同采光区域中可被用于获取一个或多个工件的条件。
[0036]此外，有可能在所述图像获取过程中，操纵器移动所述光学装置，因此伴随一个所述工件(例如车体中的扰流板)或者相邻车体部件(例如位于装配线上的机动车车身)沿着生产线的相应移动，以致所述工件和所述相邻车体部件在图像采集过程中保留在所述采光区域内。所述光学装置可以被连接到机器人手臂端部，例如，通过球形接头。
[0037]另外，根据本发明，除了所述光学装置，工件(例如车体中的扰流板、车辆照明装置、散热器护栅、罩盖、水槽等等)的紧固装置也可以被安装在机器人手臂的远端部，因此所述光学装置相对于所述工件被设置在一个固定的位置并且连同所述工件一同移动。因此，所述机器人手臂被用来将所述工件带入其安装位置，并且与此同时移动所述光学装置，使得其可以在所述安装过程中获取并确定所述工件相对于相邻部件的间隙和位移。所述紧固装置可以，例如，包括一个或多个机械夹具、真空抽吸装置、螺线管等等。
[0038]为了进一步增强所述校准的准确度而不需增加昂贵和复杂的温度控制，建议所述采光单元或者所述发光单元在多个不同环境温度下分别单独校准，此对应的温度相关的校准数据为每个环境温度下生成并且所述数据被存储在数据库中，在所述光学装置的预定使用过程中，确定当前环境温度，访问数据库，并根据当前的环境温度至少一组校准数据被选择而用于所述采光单元或者所述发光单元的在线校准，此组校准数据是在最接近当前环境温度的环境温度下获取的。
[0039]可选地，建议选择两组校准数据，这两组校准数据是在最接近当前环境温度的环境温度下获取的，并且在光学装置的预定使用过程中，要被用来执行采光单元或者发光单元的在线校准的校准数据通过两组被选择的校准数据之间的插值来确定。

【专利附图】

【附图说明】
[0040]现在将结合附图详细描述本发明的更多特征和优点。附图示出:
[0041]图1是在一个优选实施方式中，带有根据本发明的光学装置的工业机器人，该光学装置被附接在机器人手臂的远端部；
[0042]图2是根据本发明的光学装置的一个可能使用的实例；
[0043]图3是带有根据本发明的光学装置的工业机器人的另一实施方式，该光学装置被附接在机器人手臂的远端部；
[0044]图4a是在一个优选实施方式中根据本发明光学装置的载体单元；
[0045]图4b是在一个优选实施方式中根据本发明米光单兀或者发光单兀的一部分；
[0046]图5是载体单元的另一实施方式的正面视图；
[0047]图6是图5中载体单元的后视图；
[0048]图7a是在一个另一优选实施方式中根据本发明光学装置的载体单元；
[0049]图7b是在一个另一优选实施方式中根据本发明光学装置的采光单元或者发光单元的一部分；
[0050]图8是在一个另一优选实施方式中根据本发明的光学装置；
[0051]图9是采光单元的耦合元件(例如，球形支架)仰视图，图示了连接采光单元到载体单元的锥形燕尾连接；
[0052]图10是采光单元的横截面图；
[0053]图1la是在一个另一优选实施方式中根据本发明的光学装置的采光单元或者发光单兀的一部分；
[0054]图1lb是在一个优选实施方式中根据本发明的光学装置的采光单元或者发光单元的稱合元件；
[0055]图12是图1lb中所述的耦合元件沿线I1-1I的视图；
[0056]图13是在一个另一优选实施方式中根据本发明的光学装置的采光单元或者发光单元的一部分；
[0057]图14是图13中采光单元或者发光单元的一部分沿剖面XIV-XIV的截面图；
[0058]图15是发光单元(例如，激光组件)的截面图；
[0059]图16是发光单元(例如，激光组件)的壳体后部视图；
[0060]图17是采光单元(例如，相机组件)；
[0061]图18是发光单元(例如，激光组件/投影仪组件)；
[0062]图19是构成根据本发明的光学装置(例如，激光三角测量传感器)的两个基本元件(相机组件和激光组件/投影仪组件)；
[0063]图20是构成根据本发明的光学装置(例如，立体测量传感器)的两个基本元件(例如，相机组件)；
[0064]图21是构成根据本发明的光学装置(例如，立体和激光三角测量传感器)的三个基本元件(例如，两个相机组件和一个激光器组件/投影仪组件)；
[0065]图22是采光单元(例如，相机组件)的分解视图；
[0066]图23是采光单元(例如，相机组件)或者发光单元(例如，激光组件/投影仪组件)的连接器；
[0067]图24是激光保持器组件的分解视图；
[0068]图25是根据本发明的光学装置的校准原理示意图；以及
[0069]图26是用于离线校准采光单元和/或发光单元的校准装置；
[0070]图27是用于离线校准采光单元(例如，相机组件)的校准装置；以及
[0071]图28是用于离线校准发光单元(例如，激光组件/投影机组件)的校准装置。

【具体实施方式】
[0072]图1图示了一个传统操纵器，其远端部附接有一个根据本发明的光学装置。在图1所述的实施方式中，所述操纵器是一个具有机器人手臂2的工业机器人1，机器人手臂2包括多个臂部2a和用于互连机器人臂部2a的万向节2b。机器人手臂2的远端部2c在机器人移动范围内的6个自由度中可以任何所需位置和方位被移动，即可位于任何所需位置并可面对任何所需方向。
[0073]在所示实施方式中，所述机器人I是被静态固定到地板3上的。然而，机器人I也可以是移动的并且相对于地板3可自由移动。所述机器人I包括一个控制单元4，控制单元4可以被连接到一个更高级别的控制器(未被示出)。所述控制器可以负责一个或多个机器人I并且协调和控制它们的运动。例如，所述控制器可以负责整个测量装置，例如测量隧道。所述控制单元4生成控制信号，以使机器人I或机器人手臂2分别朝着所需方向移动，从而使机器人手臂2的远端部2c沿着希望的路径移动到所需工作或采光区域内的希望的位置，并面对所需工作或采光区域，并且在路径端部移动到所需方位。所述机器人运动的其他参数，如所述机器人手臂2的远端部2c的速度和加速度，也可以被控制。所述控制单元4也可以生成并提供用于使所述光学装置5固定到机器人手臂2的远端部2c的控制信号。
[0074]优选地，所述光学装置5以可拆卸方式被附接到所述机器人手臂2的远端部2c。此外，该光学装置5可以任何所需方位被固定在所述远端部2c。优选地，该光学装置5通过球窝接头连接组件(如图17-22和24)连接到所述远端部2c。所述球窝接头连接组件可在其解锁状态下以各种自由度自由移动，并且在其固定状态下被固定在所需方位。所述光学装置5和所述球窝接头连接组件将在后面进行更详细地描述。
[0075]现在参照图2，提供了一个光学装置5的可能应用的实施例。图示工件6以特定的方式相对于相邻部件7被设置和定向。特别地，所述工件6定位成使得在工件6和相邻部件7之间的间隙8a、8b具有一定数值，并相对于由部件7的延伸部所限定的平面具有一个位移9，该位移9具有一定数值。所述工件6可以是，例如，机动车的一个扰流件(车门，行李箱盖，发动机盖等等)，并且所述部件7可以包括，例如，车体和/或已经安装的扰流件、门或盖的其他部分。可选地，所述工件6也可以是将要被安装并固定在车体7的适当的开口处的一个照明装置、散热器护栅、玻璃窗格等。在另一个实施方式中，所述工件6也可以是要被安装在厨房的工作板7适当的开口处的炉灶或煮食炉台或厨房水槽。对本领域技术人员来说显而易见的多种其他实施方式也包括在本发明中。
[0076]根据本发明的光学装置5可被用于确定相对于在给定的采光区域10内的所述部件7的所述工件6的间隙8a、8b和位移9。所述光学装置5可以移动到相对于该工件6和部件7的所需位置和方位，使得要被确定的间隙8a或8b和/或位移9位于所述光学装置5的采光区域10内。所述光学装置5的这种到光学装置5的导出位置和方位的运动，可以分别通过所述机器人I或机器人手臂2进行。
[0077]所述光学装置5的可能实施方式在图19至21中以示例方式示出。这些实施方式包括但并不局限于激光三角测量传感器(图19)、立体测量传感器(图20)和立体和激光三角测量传感器(图21)。用于获取间隙8a、8b和位移9的尺寸的所述光学装置5的结构和确切功能，在DE19910699A1和DE10348500A1中有详细的描述。这两份文件均通过引用的方式并入本文。这两个文件详细描述了:一个类似于根据本发明光学装置5的光学装置如何在对应于所述采光区域10的采光区域内获得图像，相应的传感器信号如何产生以及为了确定间隙8a、8b和位移9的数值，对应和指示所获取图像的传感器信号是如何被处理的。所述光学装置5的功能与这两个文件中所描述的光学装置是非常相似的。本发明涉及的校准方法的有利构造以及有利的光学装置5，将在下文中详细地进行描述。
[0078]图3图示了操纵器I另一个实施方式，其中操纵器I在其臂2的远端部2c带有根据本发明的光学装置5。
[0079]图4a和4b图示了根据本发明的光学装置5的各种部件。图4a图示了一个由刚性材料，如金属特别是铝，制成的载体单元11 (也称为载体组件)。载体组件11是所述光学装置5的支柱。载体单元11优选是一个挤出型材。它可以制成为任何所需长度，由此可简单地通过锯或切割型材来执行切割到合适长度的操作。图4b图示一个采光单元12或一个发光单元13，它们都是所述光学装置5的一部分。所述单元12、13通过一个高度精确并且可以准确重复的方式被可拆卸地连接到载体单元11。
[0080]根据本发明的一个优选实施方式，附接到载体单元11 (例如采光单元12和/或发光单元13)的所有子组件通过两部分锥形燕尾连接装置连接到所述载体单元11。所述锥形燕尾连接装置基本上由两部分构成，这两部分包括一个凹槽14和一个凸起15，凸起15可以根据需要被插入到凹槽14或者从中取出。所述凹槽14也被称为锥形燕尾连接的阴部分并且所述凸起15被称为连接的阳部分。
[0081]根据图4a和4b中所示的实施方式，所述凹槽14位于载体单元11上。所述凹槽14可以通过不同的方法，例如铣削，形成在载体单元11的侧壁上。在图4a的实施方式中，所述载体单元11包括三个凹槽14。当然，凹槽也有可能多于或少于所示的三个凹槽14。此夕卜，所述凹槽14可以被设计在载体单元11中的任何一个或多个侧壁上。还有，凹槽14沿着其纵向轴线16的取向可以变化。图4a的实施方式仅示出了具有基本垂直的纵向轴线16的凹槽14，该纵向轴向16垂直于所述载体单元11的纵向轴线延伸。当然，凹槽14也可以通过纵向轴线16相对于另一个凹槽14以及所述载体单元的纵向轴线倾斜的方式被定向。
[0082]所述凸起15被分别设置在采光单元12或发光单元13上。凸起15沿着纵向轴线17纵向延伸。同样，凸起15可以被设置在单元12、13中纵向轴线17的任意位置和方位上。凸起15的形状基本上对应于凹槽14的形状。当然，凹槽14被设置在采光单元12或发光单元13上并且一个或多个凸起15被设置在载体单元11上也是可能的。
[0083]所述锥形燕尾连接装置的一个特性是，凹槽14和凸起15的宽度沿它们的纵向轴线16、17逐渐增加或减少。在相对于纵向轴线16垂直延伸的截面中可见，凹槽14和凸起15具有类似的燕尾状的梯形形状。在沿纵向轴线16的任何给定的横截面中，凹槽14在底部宽度大于与凹槽底部相对的凹槽14开口处的宽度，其中在凹槽开口处，凹槽14以相同的横截面对外打开。这意味着，在横截面中，凹槽侧壁上形成一个底切。当所述凸起15被插入到凹槽14中时，通过凹槽14的底切部分接收那些面向外部的凸起15的部分，从而以很高精度将光学采集单元12或发光单元13设置到载体单元11的预定位置。此外，相对于所述载体单元11的采光单元12或发光单元13的位置是可重复的，这意味着在从载体单元11中拆除单元12、13和在载体单元11中重新安装单元12、13或安装另一个相似单元12、13后，该单元12、13将相对于所述载体单元11处于与之前完全相同的位置和方位。所建议的锥形燕尾连接装置14、15提供了一个将采光单元12或发光单元13安装到载体单元11的无应力、完全可重复拆卸的连接。
[0084]优选地，所述两部分锥形燕尾连接装置14、15包括:当单元12、13已达到其插入端部位置(凸起15完全插入凹槽14)并且已经正确地连接到载体单元11上时，用于相对于所述载体单元11保持或固定采光单元12或发光单元13的装置。特别是，采光单元12或发光单元13可以通过凸起15的侧壁相对于凹槽14的侧壁的摩擦，相对于载体单元11保持在其端部位置。如果所述凸起15的侧壁与所述凹槽14的侧壁沿其纵向轴线16、17的纵向延伸具有相同倾角，这种摩擦就特别地存在。在这种情况下，所述凸起15的侧壁和所述凹槽14的侧壁在端部位置以其整个表面相互抵靠。
[0085]为了将所述凸起15引入到所述凹槽14中，凸起15被带入一个位于凹槽14较宽的一端的引入和接收部分45并且沿着其纵向轴线16相对于凹槽14位移。凸起15被带入引入和接收部分45，其较窄端面向凹槽14，然后以基本平行于凹槽14的纵向轴线16的运动滑动到凹槽14中。
[0086]如图4b所示，所述凸起15并不一定必须直接连接到采光单元12或发光单元13。在图4b所示的实施方式中，凸起15被布置在耦合元件18上，耦合元件18可拆卸地连接到采光单元12或发光单元13或与单元12、13连接的另一部件上。耦合元件18和连接到其上的部件12、13形成特定的子组件。耦合元件18将在下面参照附图9到12进行更详细地描述。
[0087]通过锥形燕尾连接14、15附接到所述载体单元11上的任意子组件12、13仅可以从一侧和仅沿一个方向插入。组件12、13沿锥形燕尾连接14、15的方向滑动，并且一旦完全插入，构成了相对于所述载体单元11保持或固定组件12、13的装置的锁紧螺钉14a(见图21)被插入并拧紧以防止组件12、13滑出。施加到锁紧螺钉14a的所需转矩低，但另一方面高到足以占用锥形燕尾连接14、15中的任何间隙。施加在螺钉14a上的扭矩可以通过现有的扭矩限制工具来控制，以使得所述锥形燕尾连接14、15具有微小预应力并且不存在间隙。因此，锥形燕尾概念实现了可重复和高定位精度的实质上无应力、无间隙和可快速拆卸的连接。这个精度可以调节，以满足使用现有制造方法(例如机械加工、研磨和电线侵蚀)的应用的需求。尤其是，所述电线侵蚀是高度精确的制造方法，能够达到只有几个微米的公差。
[0088]所述锥形燕尾连接14、15的重要性在于，它确立了一个接口，该接口使得相机或激光器子组件12、13中的变化与不具有这种变化的锥形燕尾连接14、15下面的支撑结构11相区分。
[0089]像机和激光器子组件12、13的变化之所以发生，是由于在这些子组件12、13中各个部件的制造公差和装配过程。由于这个原因，在锥形燕尾连接14、15上的相机和激光器子组件12、13设置有铰接特征，例如提供调节和锁定能力的球窝接头连接。这些铰接特征将在下面更详细地描述。
[0090]由于锥形燕尾连接14、15为给定子组件12、13提供了可重复且高度精确的重新定位，并且本身不以任何显著方式引入可能影响测量系统(光学装置)5的精确度的变化，相机和激光器子组件12、13可以被视为单独的实体。这使得这些子组件12、13能够于子组件12、13内针对单个元件的变化进行调节、作为单独单元被校准和序列化，从而它们在一个计量系统(光学装置)5内被唯一确定。因此，替代了处理由于更换单个相机、激光和传感器子组件12、13而产生的大测量系统5的差异，这些部件的差异被单独处理。这仅仅是可能的，因为所述锥形燕尾连接14、15确立了一个虚构的界线，界线之上有来自子组件12、13的各部件的变化，而界线之下没有这种变化。
[0091]图5图示了载体组件11的一个优选实施方式。一般情况下，用于连接载体组件11到机器人手臂2的远端部2c或其他支撑框架(见图14、20、27和28)的相机组件12、激光器组件13和外部连接组件Ila(见图17至24)，可以从各种位置、从侧面、从后面、也从正面，如图5和6所示，连接到载体组件11上。虽然在当前的附图中并未示出，但是可以理解，锥形燕尾连接14、15也可以位于载体单元11的顶部和/或底部。
[0092]此外，应当理解的是，虽然载体单元11的各种实施方式中被示为具有正方形横截面，所述载体单元11还可以具有其他横截面，只要它设置有一平的部分，以允许加工锥形燕尾连接14、15的一部分即可。这样的其它横截面可以是，例如三角形、六边形、八边形或其他规则或不规则的横截面。
[0093]此外，所述载体单元11，虽然图中所示为具有一个沿其纵轴线基本上直的延伸部，但是也可以是弯曲的或者具有连接在一起的直线部分的有角度的延伸部，以便形成一个弯曲的或有角度的形状(见图4a)。
[0094]锥形燕尾连接14、15的位置和方位与载体单元11的形状，提供了一个配置例如激光和立体三角传感器的光学装置5的高度灵活的手段。通过改变附接到载体单元11的各子组件12、13之间的距离和相对于彼此的角度，传感器5的几何形状可以被改变。
[0095]图8图示了根据本发明的光学装置5的另一个实施方式。此实施方式被部分地详细展示于图7a和7b中。可以清楚地看出，载体单元11是由空心型材制成的。在所述型材11的远端部，凹槽14已被磨铣在型材11的材料中。由于型材11的中空截面，凹槽14基本上包括位于第一侧壁11’远端部的第一部分14’和位于与第一侧壁11’相对的另一侧壁(在图7a至8中不可见)的远端部第二部分14’’。这两个部分凹槽14’、14’ 一起构成与上述图4a、4b的实施方式相同的凹槽14和功能。图7a、7b所示的实施方式中，凹槽14不是连续的而是由两个分开部分14’、14’’构成，这对本发明提出的锥形燕尾连接装置14、15的功能没有负面影响，此连接装置用于可拆卸地将采光单元12和/或发光单元13和/或外部连接组件Ila连接到光学装置5的载体单元11。
[0096]如图7a所示，载体单元11在其内具有一个中空空间19，其在载体单元11的远端部处对外打开。用于处理和控制采光单元12和/或发光单元13的装置，例如一个具有在处理单元上运行的适当的处理和控制软件的中央处理单元(CPU)，可以被设置在空间19内。所述处理和控制装置与机器人的控制单元4和/或与更高级别的外部控制器通过数据通信连接。此外，连接处理和控制装置与采光单元12和发光单元13的电缆，也可完全集成到中空空间19内。然后，中空空间19在载体单元11的远端部的开口部，通过分别定位采光单元12和发光单元13完全封闭在载体单元11的远端部处。因此，在图7a、7b和8的实施方式中，采光单元12和发光单元13也可以作为载体单元11的中空空间19的开口处的可移动的盖子。其结果是，图8中所示的根据本发明的光学装置5是完全封闭的，并没有显示出电子元件和电缆，因为这些都是完全集成到光学装置5的内部19。这具有在所述载体单元11外部没有电缆的优点，外露的电缆的风险是在工作区域10内缠结部件7或其他部件。根据本发明的光学装置5除了功能上的优点，还具有一个非常吸引人的外观。
[0097]在图5和6的实施方式中，在插入并连接处理和控制装置和/或所述电缆后，单独的盖子被用来封闭所述中空空间19。所述盖子通过一个或多个紧固元件，特别是螺钉，附接到载体单元11上。
[0098]图9图示一个球形支架形式的耦合元件18，其在一侧包括所述锥形燕尾连接14、15的一部分，例如凸起15，在相对侧上包括用于相机壳体12b的接收表面18a上。图10示出了在图14中通过相机组件12的纵向截面AA1。所述相机壳体12b在其底部具有一个球形元件12h，其为一个球形的一部分，此球形的球心12i位于相机12的成像传感器的中心，特别是位于传感器表面的中心。相机壳体12b的球面表面12h与在托架18上的相应的凸球表面18a上相匹配，凸球表面18a的中心也位于成像传感器的中心12i上。这种布置允许相机壳体12b、乃至其中的相机12在相对于相机12的成像传感器中心12i上的所有三个轴上、在±15度(优选±6度)范围内旋转。
[0099]支架18在其外侧(与球形表面18a相对的一侧上)具有一个小球形圆顶18b。这个外部圆顶18b的中心与内球形表面18a的中心是同心的，并且两者都与相机12的成像传感器的中心12i同心。
[0100]锁紧螺栓18c在螺栓头部的内面上具有一个凹球面18d。所述面18d配合所述支架18的外部凸球表面18b，因此，当锁紧螺栓18c略微松动并且相机壳体12b在支架18内晃动时，锁紧螺栓18c的表面18d在圆顶表面18b上滚动。所有球形表面与相机12的成像传感器的中心12i是同心的。
[0101]在相机壳体12b底部的所述球形表面12h具有一个缓冲部12j而支架18的球形表面18a具有一个缓冲部18e。支架18的缓冲部18e的纵向延伸部定位成相对于相机壳体12b的缓冲部12j的纵向延伸部呈大约90度。这使得相机壳体12b和支架18在四个外球形衬垫(参见图1la中的衬垫21a至21d)之间接触，使得当位于这些衬垫中间的锁定螺栓18c拧紧时，相机壳体12b被非常可靠地锁定在其相对于支架18的当前方位。
[0102]图9图示了所述支架的另一个特征，即锥形阳性燕尾件15。凸起部15与图4a、5、6和7a中所示的位于载体单元11上的相应锥形燕尾部14相接合。因此，充分调整、锁定并校准的相机组件12可以通过使用锥形燕尾连接装置14、15的高度精确和可重复的外部接口被移除并且作为一个自给的单元由其他相机组件12替换。
[0103]图1la图示了采光单元12的另一个实施方式。图1lb示出了相应的耦合元件18，其上设置了两部锥形燕尾连接装置14、15的两个部分中的一个。在图1lb中所示的实施方式中，锥形燕尾连接装置的凸起15位于耦合元件18上。耦合元件18能够可拆卸地连接到采光单元12的壳体12b的支承面20上。当然，也可以这样设置:采光单元12或者发光单元13中的一个具有凹槽14而另一个单元13、12具有凸起15，并且将锥形燕尾连接装置的相应部分14、15设置在载体单兀11上。
[0104]优选地，支承表面20具有一个球形形状。根据图1la中所示的实施方式，支承表面20的形状通过至少三个(在本实施方式中为四个)衬垫21a至21d的局部表面20a到20d被限定，所述衬垫全部位于采光单元12的壳体12b的同一侧20。耦合元件18包括球形滑动表面18a，球形滑动表面18a面向支承表面20并具有与支承表面相同的半径。因此，当滑动表面18a分别抵靠在支承表面20和局部表面20a至20d上时,元件18可以相对于采光单元12移动。通过相对于采光单元12移动耦合元件18，凸起15的位置和方位可以为调整和校准的目的而相对于采光单元12进行变化。
[0105]另外，设置紧固元件18c，用来以所需位置和方位以可拆卸方式将耦合元件18连接和固定到采光单元12的支撑表面20。在图1lb中所示的实施方式中，紧固元件18c是一个螺钉，其包括一个螺钉头和一个至少具有部分螺纹的螺钉体。当耦合元件18可拆卸地连接到支撑表面20时，螺钉体被插入到开口 24，开口 24是一个常规的通孔并设置在耦合元件18中。开口 24的直径优选地大于螺钉体的直径。然后螺钉体被旋入设置在支撑表面20中的螺纹孔25。面对螺钉体的螺钉头的内部环形表面18d抵靠在耦合元件18的外圆顶形表面部18b (参见图12)。通过拧紧螺钉18c，耦合元件18通过其滑动表面18a借助于环形表面18d被压紧在支撑表面20上，从而相对于采光单元12将耦合元件18紧固在其当前位置和方位上。
[0106]为了调节耦合元件18相对于采光单元12的相对位置和方位，螺钉18c被略微松开。然后，耦合元件18可以相对于支承表面20和采光单元12或多或少地自由移动。由此，环形表面18d在耦合元件18的外表面部分18b上滑动。
[0107]图12示出了图1lb中的耦合元件18的背面。螺钉18c的环形表面18d在其上滑动的围绕孔24的外表面部分被指定附图标记18b。表面部分18b具有对应于滑动表面18a和支承表面20的球面形状,特别是具有与两个表面20、18a相同的中心。优选地,环形表面18d也具有对应于表面部分18b、滑动表面18a和支承表面20的球面形状的球面形状，因而具有相同的中心。表面部分18b和环形表面18d的球面形状允许耦合元件18相对于所述支承表面20自由移动(通过松开螺钉18c)，特别是当螺钉18c被拧紧时，耦合元件18相对于采光单元12精确、安全和可靠地紧固。当拧紧螺钉18c时，环形表面18d以其整个表面抵靠球形表面部分18b。因此，在拧紧过程中，能够拧紧螺钉18c而不引起耦合元件18相对于支承表面20的移动。
[0108]图13和14示出了发光单元13成为根据本发明的光学装置5的一部分的实施方式。根据本实施方式，发光单元13的实际发光器附接到插入元件29，插入元件29可移动地插入到以上述方式由两部分锥形燕尾连接装置14、15(未示于图13、14)连接到载体单元11中的保持元件27。设置固定元件30，用于相对于保持元件27以所需位置和方位固定插入元件29。在图13和14所示的实施方式中，固定元件30被设计成一个要被拧入设置在发光单元13的保持元件27内的螺纹孔31中的无头螺钉。螺纹孔31可以完全设置在保持元件27的材料中，其中，螺纹孔31的开口基本上在由保持元件27的外上表面限定的平面内延伸。可选地，如图13和14所示，螺纹孔31设置在突出于保持元件27的外上表面的环形元件31a内。
[0109]固定元件30具有一个邻接表面32，当螺钉30被拧紧时，邻接表面32压靠在插入元件29的外表面33上。由此，插入元件29被压靠在保持元件27的底面34上，从而将插入元件29以其当前位置和方位相对于保持元件27固定。当再次松开螺钉30时，插入元件29可以在保持元件27内绕垂直轴线35自由移动。转动轴线35由底部销36和上部销37限定，其中，底部销优选地一体形成在插入元件29的底表面上，而上部销优选地是螺钉30的一部分。底部销36延伸到引导孔38中，引导孔38位于保持元件27的内底面34中。上部销37延伸到设置在插入元件29的上表面33中的开口 39中。在图14中，开口 38、39看上去有一个比引导销36、37大得多的直径。以这种方式绘就，仅是为了显示得更加清楚。在现实中，很明显，引导孔38、39的直径仅比引导销36、37的直径稍大一点，以确保插入元件29相对于保持元件27绕旋转轴线35的运动基本上没有游隙。
[0110]用于接收发光单元13的实际发光器(例如激光)的开口 28位于插入元件29中。开口 28具有基本上圆形的内截面形状，并沿垂直于垂直轴线35的纵向轴线42延伸。开口28的圆形形状在图14中被指定以图标标记39。可以清楚地看出，在与螺钉30和邻接表面32和远侧底表面43相对的一侧，开口 28的内圆周形状偏离圆形形状39。特别是，在开口28的底部限定一个凹槽40。由于发光单元13的实际发光器也具有圆形的横截面形状，开口 28的圆形形状39与凹槽40之间的部分41被用作实际发光器的安置肩部。
[0111]实际发光器可以在插入元件29的开口 28内平行于纵向轴线42移动(见图13)。当固定元件30被拧入螺纹孔31后，引导销37的远侧底表面43通过将发光器压向安置肩部41将实际发光器相对于插入单元29固定在开口 28的所需位置。优选地，固定元件30将插入元件29相对于保持元件27固定在所需位置(如上文所述通过邻接表面32)，并同时也将发光器相对于插入元件29固定在开口 28内的所需位置(通过远侧底表面43)。这是分别通过在固定元件30上的环形表面32和引导销37来实现的，环形表面32作用在插入元件29的外上表面33和固定元件30的远侧底表面43上，引导销37作用在实际传感器或发光器的外表面上。
[0112]回到图1la中,采光单元12包括保持元件或基本上立方体形状的壳体12b,其具有设置在其中用于接收所述采光单元12的相机12a的开口 28。采光单元12的相机12a可以包括，例如，一个模拟或数字光学传感器阵列，特别是CCD或CMOS传感器阵列。采光单元12的相机12a为，例如，CXD或CMOS相机，并且在采光区域10内从工件6的至少一部分中获取的光学数据。所述发光单元13优选地体现为激光器组件，包括激光器13a、激光器壳体27、激光器夹紧和枢转块29、(可能的情况下)镜头盖产品(未被示出)和滤镜13c (见图24)。
[0113]激光器夹紧和枢转块29通过销36在块39的一面、并且通过锁紧螺钉30的平面(无螺纹)部分37在块29的相对面支撑。由于销36和螺钉30的无螺纹部分37的轴线35是一致的，激光器夹紧块29、乃至由所述块保持的激光器13a可围绕它们共同的轴线35枢旋约±15度,优选±6度。
[0114]锁紧螺钉30同时执行激光器夹紧块29的枢轴功能和锁定功能，因此当激光/投影仪13a被调整到所需位置时，锁紧螺钉30进一步被拧进块29中，从而使块29和激光器13a相对于激光器壳体27的内表面34被夹紧。这是一种调整激光器/投光器13a的旋转和指向方便的方式，并且通过操作一个单一的物品(在此例中是锁紧螺钉30)夹紧到位。
[0115]参考图15，当锁紧螺钉30转动时，通过其远端表面43，锁紧螺钉30向下按压激光器/投影仪13a。激光器/投影仪13a又下压激光器夹紧和枢转块29并且将两个凸起的外衬垫29a挤压在激光器壳体27的内表面34上。这样就将整个激光器夹紧块29和激光器13a夹紧在激光器壳体27上，从而将所有元件固定在其当前位置。当然，螺钉30施加在其它元件上的压力的方向取决于发光器组件13的方位。例如，螺钉30也可以像千斤顶那样向上挤压激光器13a和激光器夹紧块29，或推动这些元件到一侧。不管激光器壳体27的形状如何，激光器的调整和夹紧的机制是一样的。
[0116]不同于如图13和14中所示以及上面所描述的实施方式，插入元件29也可具有至少部分呈球形的外表面33。在这种情况下，保持元件27将具有一个至少部分球形形状的内承接面34、44，用于接纳插入元件29的外表面33。由此，插入元件29和保持元件27将形成一个球接头型连接，允许插入元件29相对于保持元件27的运动不仅围绕垂直轴线35，也围绕另一轴线(未示于图13和14)，所述另一轴线基本上垂直于轴线35延伸。在此替代实施例中，插入元件29可以通过固定元件30被固定在相对于保持元件27的所需位置和方位上，正如之前参考图13和14描述的实施方式那样。此外，实际发光器可以通过固定元件30相对于插入元件29被固定在开口 28中的任何所需位置，正如之前参考图13和14描述的实施方式那样。
[0117]最后，要强调的是上述的本发明的特征和优点可以自由地相互组合。例如，可以这样设置采光单元12或发光单元13:使得它们具有之前作为单独实施方式图示并描述的特征的组合。
[0118]由于在如上所述的光学装置5中，采光单元12和发光单元13通过锥形燕尾连接装置14、15形式的完全可重复的连接而连接到载体单元11上，因此当一个或多个单元12、13被其他单元12、13替换后，光学装置5的校准具有特定优势。除了可以被重复，该连接优选还是无应力并且无间隙的，这使得已校准的采光单元12和/或发光单元13以极高精度并且以预定位置和方位连接和固定到载体单元11。
[0119]在现有技术中，采光单元和发光单元12、13以较小精度并且不完全可重复的方式连接和固定到载体单元11。因此，在将新的采光单元12和/或发光单元13连接到载体单元11后，整个光学装置5必须基于全局坐标系被(重新)离线校准，由此引起该光学装置的预定使用的长时间中断。这在本发明中是不必要的。在光学装置5的常规使用中，单独单元12、13的校准离线执行。只有用预先校准好的单元12、13替换一个或所有单元12、13时，中断光学装置5的预定使用才是必须的。这仅在一段很短的时间内发生。
[0120]图16是激光器壳体27的后部视图，其图示了连接到载体单元11的锥形燕尾连接装置 15’、15"。
[0121]类似于那些以举例的方式在附图17到21中示出的用于在线测量应用中的柔性计量系统，是由布置并安装在支撑框架或工业机器人I的手臂2的远端部2c上的相机和/或激光器/投影仪组件12、13构成的。激光器/投影仪组件13产生照射到要被测量物体6、7表面上的光线、光片或光的其它模式，这些在现有技术中通常被称为“结构光”。相机组件12测量由物体6、7表面上的结构光产生的特性。为了做到这一点，它们必须被事先校准。校准过程将各个摄像机12和激光器/投影仪13的网络转换为测量传感器5。
[0122]图17示出的相机组件12通过一个全关节球接头连接器Ila安装到支撑框架的滑动导轨。一旦连接器Ila被放置在所需位置和方位，其可以被夹紧到位，例如通过发光传感器lib。图18图示了一个以类似于图17所示的相机组件13的方式安装到支承框架导轨的激光器/投影仪组件。图19图示了两个基本元件(相机组件12和激光器/投影仪组件13)，其被安装到一个共同的载体单元11以形成一个激光三角测量传感器。图20图示了两个摄像机组件，其被安装到一个共同的载体单元11以形成立体测量传感器5。图21示出两个相机和一个激光器/投影仪组件13，其相结合并被安装到一个载体单元11以形成立体和激光三角测量传感器5。
[0123]图22图示了相机组件12的分解图。可以看出，在相机12底部的球形表面12h在横向方向上具有一个缓冲部12j。此外，相机支架18的球形凹面18a在正向方向上(基本上垂直于相机12的底面12h的横向缓冲部12j)具有一个缓冲部18e。这两个处于相反方向的缓冲部12j、18e的组合导致四个球面接触衬垫21a至21d位于这两个部分12b、18的接触区域的外部区域中。位于这些接触点中间的锁紧螺钉18C，如图1la和Ilb中所示，确保了相机12和支架18将积极地锁定在一起。
[0124]本发明试图纠正使用相机12的现有计量系统5中的两个问题。所述这些问题涉及到的相机单元12的可调节性和可替换性。
[0125]第一个问题涉及到相对于相机主体12b的相机成像传感器的位置。由于成像传感器以及其被组装入相机主体12b的方式的变化，成像传感器的位置从一个相机12到另一个稍有不同。因此，相机12的视野从一个测量传感器到另一个测量传感器略有不同。本发明通过相对于相机单元12的基座或支架18、在+/-6度的范围内、在所有三个轴上并且围绕成像传感器的中心12i调整整个相机单元12解决了这个问题。这种设置补偿了如前所述的相对于相机主体12b的成像传感器定位的变化。通过这种方式，所有测量传感器12的视野始终是相同的。一旦所述相机单元12被调整到所需位置，相机12a就被牢固地锁定在相对于其基座或支架18的合适位置上。
[0126]图23图示了一个连接器11a，其有两个功能:首先将相机12a和支架18组件12完全铰接到支撑框架11，其次通过阳/阴锥形燕尾连接装置14快速拆卸相机12a和支架18组件12。所述装置14实现了一个将已经预调整并预校准(并锁定到位)的相机12a和支架18组件12连接到外部世界(全局坐标系)的基本上无应力、无间隙并因此可重复的连接。
[0127]所述锥形燕尾连接装置14解决了另一个问题，即整个相机12a和支架18组件12的可替换性。这增加了系统5的灵活性。如果相机12a和支架18单元12的重新校准是要避免的，可重复性的精确度就必须非常高一在几微米的范围内。
[0128]图24图示了激光器保持器组件13的分解图。
[0129]根据本发明的光学装置5的校准过程原理大略如图25所示。首先，装置5基于全局坐标系xyz_global被校准。在基于全局坐标系xyz_global校准装置5的过程中，确定校准数据50，校准数据表示基于全局坐标系Xyz_global的光学装置5的位置和方位。然后，在与光学装置5预定使用位置分开并有一定距离的位置上，采光单元12和/或发光组件13基于参考坐标系xyz_ref事先被校准，从而确定适当的校准数据51。例如，在光学装置5的预定使用过程中，单元12、13可以基于参考坐标系Xyz_ref被校准。因此，光学装置5的使用不需要因为校准的目的而被打断。由于相对于全局坐标系xyz_global的参考坐标系xyz_ref的位置和方位是已知的,从而能够基于全局坐标系xyz_global确定转换矩阵52的数值，以将校准数据51转换为基于全局坐标系Xyz_global的校准数据50’(单引号表示校准数据50’不是直接在全局坐标系xyz_global而是在参考坐标系xyz_ref的范围内获得，然后转化到全局坐标系xyz_global的范围内)。校准数据51、50’和/或转换矩阵52和/或其他表示校准数据51、50’的数值被存储在数据库中，并且至少在光学装置5的预定使用过程中，采光单元12和/或发光单元13的处理和控制装置可以访问数据库。
[0130]由于高的精确度且完全可重复的连接装置(其可以是锥形燕尾连接装置14、15)，一个或多个单元12、13可以被相应的其他已经基于参考坐标系Xyz_ref预先校准单元12、13替换。新单元12、13以预定已知的位置和方位被高度精确地连接并固定到载体单元11上。基于参考坐标系xyz_ref定义的校准数据51、50’和/或转换矩阵52的数值和/或表示校准数据51的其他数据，在光学装置5的预定使用中都要被考虑到，从而提供新单元12、13基于全局坐标系xyz_global的校准。
[0131 ] 一个或者多个采光单元12或发光单元13的离线校准优选通过一个如图26至28中所示实例的校准装置53执行。校准装置53包括配备有多个预定大小并按一定预定结构排列的校准元件55的校准表面54。校准元件55可以是着色的点或孔，优选使用背光以突出其轮廓。在本实施方式中，校准表面54是校准屏幕54的一部分，校准屏幕54沿基本上横向和纵向垂直于装置53的纵向轴线的方向延伸。此外，校准装置53包括至少两个导轨56，导轨56被设置为平行于装置53的纵向轴线。该导轨56承载一个滑板元件57，因此其可以沿装置53的纵向轴线沿大致由箭头58指示的方向自由移动。滑板57由导轨56以如下方式引导，使得滑板57相对于校准表面54的运动可以以非常高的精确度来进行。校准装置53位于基于参考坐标系XyZ_ref的一个已知位置和方位。整个光学装置5的这种离线校准在装置5安装后仅必须被执行一次。
[0132]一个或多个采光单元12和/或发光单元13被附接到滑板57上，并且可以相对于校准表面54沿方向58和滑板57 —起移动。移动滑板57可以通过手动和/或通过一个致动器进行，例如通过一个电动马达或一个或多个螺线管。要被校准的单元12、13的光轴优选平行于校准装置53的纵向轴线。通过相对于校准表面54移动滑板57和单元12、13，要被校准的采光单元12可以从不同位置获取校准元件55的各种图像，并且/或者要被校准的发光单元13所产生的光线模式可以被作为校准装置53的一部分的成像传感器检测和分析，从而能够产生一组清楚地表征基于参考坐标系xyz_ref的单元12、13的位置和方位的校准数据51。
[0133]然后，基于所述校准数据51，转换矩阵52或表示所获取校准数据51的其他数据的数值可以被确定和(如果需要)存储在数据库59中。优选地，所述数据根据并且相对于被校准的单元12、13的个体识别信息(其可能是例如一个识别号)被存储在数据库59中。在光学装置5的预定使用过程中，处理和控制采光单元12和/或发光单元13的装置可以访问数据库59，并且可以从该数据库59中选取校准数据51、转换矩阵52或表示所获取校准数据51的其他数据的数值。在光学装置5的预定使用过程中，从数据库59中选取的数据被使用并且被考虑，以便通过确定各单元12、13的校准数据50’，执行特定单元12、13基于全局坐标系xyz_global的校准操作。
[0134]根据本发明，用于处理和控制所述采光单元12和/或发光单元13的装置通过单元12、13的个体识别信息从数据库59中选取基于全局坐标系Xyz_global的有关要被校准的单元12、13的正确数据。实际校准过程和校准过程中所执行的算法例如在W002/16865A1和EP1524494A1中被描述。
[0135]根据本发明的另一个实施方式，建议在多个不同的环境温度下，例如温度Tl到T6，获取校准数据51。对于每个校准单元12、13，独立的一组校准数据51和相应的转换矩阵52或表示校准数据51的其他数据的数值在每个这些温度Tl到T6下被确定并且被存储在数据库59中。例如，图26图示了在环境温度T3下校准单元12、13。单元12、13在其他环境温度Tl、T2和T4到T6下的校准相应地被执行。在光学装置5的预定使用过程中，当前环境温度Takt被确定。用于处理和控制光学装置的5的装置访问数据库59，并且根据当前环境温度Takt选择至少一组存储在数据库59中的数据，该组数据先前已经在最接近当前环境温度Takt的一个环境温度Tl至T6下获取。所述至少一组被选择的数据用于在光学装置5的预定使用过程中的采光单元12或发光单元13的在线校准。
[0136]优选地，选取存储在数据库59中的数据组，该组数据是在最接近于当前环境温度Takt的一个环境温度Tl至T6下获取的，其中一组数据是在较高温度下获取的数据组和另外一个是在较低温度下所获取的数据组。例如，如果T2〈Takt〈T3，对应于温度T2和T3的数据组被选取。也就是说，这两个被选中的数据组是在环境温度Tl至T6中最接近于当前环境温度Takt的温度下获取的。在所述光学装置5的预定使用过程中，用于所述采光单元12或发光单元13的在线校准的数据或数值，通过所选取的两个数据组之间的插值来确定。考虑到当前的环境温度Takt，使得光学装置5的校准操作变得快速而简单。
[0137]图27图示了用于单独校准采光单元12的校准装置53的一个实施例。图28图示了用于单独校准发光单元13的校准装置53 —个实施例。
【权利要求】
1.一种基于全局坐标系(XyZ_global)校准光学装置(5)的方法，所述光学装置(5)包括由刚性材料制作的载体单元(11)、以可拆卸方式连接到所述载体单元(11)的采光单元(12)和发光单元(13)， 其特征在于: 定义一个与所述全局坐标系(xyz_global)不同的参考坐标系(xyz_ref)； 通过获取合适的校准数据(51)，在采光单元(12)或发光单元(13)的预定使用之前，基于所述参考坐标系(Xyz_ref)并且与所述光学装置(5)的其他单元分开校准所述采光单元(12)或所述发光单元(13)； 将已被校准的采光单元(12)或发光单元(13)连接到所述载体单元(11)； 基于给定的全局坐标系(xyz_global)和给定的参考坐标系(xyz_ref),仅对整个光学装置(5)进行一次传统的校准，从而确定转换矩阵(52)的数值，此转换矩阵用于将基于参考坐标系(xyz_ref)获取的校准数据(51)转换为基于全局坐标系(xyz_global)的相应校准数据(50');以及 此后，对于所有连接到所述载体单元(11)上被进一步校准的采光单元(12)和/或发光单元(13)，在所述光学装置的预定使用过程中，当生成用于单元(12、13)的控制信号和/或处理从所述单元(12、13)接收到的传感器信号时，通过考虑针对所述光学装置获取的所述校准数据(51)或所述转换矩阵(52)的相应数值，利用作为所述光学装置(5)的一部分的所述采光单元(12)和/或发光单元(13)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过无应力、无间隙和可重复的连接将所述采光单元(12)或者所述发光单元(13)连接到所述载体单元(11)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过两部分锥形燕尾连接装置(14、15)将所述采光单元(12)或所述发光单元(13)连接到所述载体单元(11)。
4.如权利要求1至3所述的方法，其特征在于，所述参考坐标系(XyZ_ref)是相对于与所述光学装置(5)相分离的校准装置(53)被定义的。
5.如权利要求1至4所述的方法，其特征在于，所述采光单元(12)或所述发光单元(13)基于所述参考坐标系(XyZ_ref)的校准相对于所述光学装置(5)的预定使用过程离线且并行执行。
6.如权利要求1至5所述的方法，其特征在于，要被校准的所述采光单元(12)或所述发光单元(13)具有一个独特的序列号，并且获取的校准数据(51)和/或转换矩阵(52)的数值或者表示校准数据(51)和/或转换矩阵(52)的数值的相应值连同已被校准的采光单元(12)或发光单元(13)的序列号被存储在数据库(59)中。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光学装置(5)的控制和处理单元访问数据库(59)和存储在其中的数据和/或数值，以便在所述光学装置(5)的预定使用过程中，对连接到所述载体单元(11)并且成为所述光学装置(5)的一部分的所述采光单元(12)和/或所述发光单元(13)执行在线校准。
8.如权利要求1至7所述的方法，其特征在于，在多个不同环境温度(Τ1...Τ6)下分别校准所述采光单元(12)或所述发光单元(13);生成相应的依赖于温度的校准数据(51)组，并且将此数据存储到数据库(59)中；在对所述光学装置(5)的预定使用过程中，确定当前环境温度(Takt);访问所述数据库(59)，并且基于当前环境温度(Takt)选择用于在线校准所述采光单元(12)或所述发光单元(13)的至少一组校准数据，被选择的该组校准数据是在最接近当前环境温度(Takt)的环境温度(T1...T6)下获取的。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，选择一组校准数据，该组校准数据是在最接近当前环境温度(Takt)的环境温度(T1...T6)下获取的。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，选择两组校准数据，所述两组校准数据是在最接近当前环境温度(Takt)的环境温度(Tl...T6)下获取的，并且在对光学装置(5)的预定使用过程中，用于在线校准所述采光单元(12)或所述发光单元(13)的校准数据通过被选择的两组校准数据之间的插值来确定。
【文档编号】G01D18/00GK104236612SQ201410265777
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2013年6月13日
【发明者】哈拉兰博斯·塔萨科什, 康斯坦丁诺斯·泰科什, 托马斯·格哈德·莱施, 安德烈亚斯·泽莫普洛斯 申请人:伊诺斯自动控制软件有限公司