以六自由度跟踪的结构光扫描仪的补偿的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本文所公开的主题涉及一种用于获取物体的表面上的点的三维坐标的系统和方法，并且特别地，涉及一种用于结合扫描仪装置来操作激光跟踪仪以在操作期间跟踪扫描仪装置的位置和取向的系统和方法。
[0002]可以已知的是，使用各种测量装置来获取物体或环境的三维坐标。环境被定义为测量装置的范围内的物体表面的集合。一种类型的测量装置为将光束例如激光束导向要测量的回射器目标的飞行时间系统例如激光跟踪仪。在实施方式中，使用绝对距离测量仪以基于光传播到目标并返回所用的时间长度来确定从跟踪仪到回射器目标的距离。通过将回射器目标放置成与物体表面接触，可以确定物体表面的坐标。激光跟踪仪通过使用电动机使两个轴旋转在选择的方向上引导光束。使用角度传感器例如角度编码器来测量两个轴的旋转角度。通过测量一个距离和两个角度，激光跟踪仪可以确定回射器目标的三维(3D)坐标。一些激光跟踪仪另外具有测量目标的取向的能力，从而提供六自由度(6D0F)的测量。
[0003]飞行时间测量装置的替选为基于三角测量原理来确定3D坐标的扫描系统。使用飞行时间距离测量仪的系统例如激光跟踪仪在一些情况下比三角测量扫描仪更准确，但是因为三角测量扫描仪在每个时间瞬间将多个光斑投影到表面上，所以三角测量扫描仪可以更快。
[0004]三角测量扫描仪将光线(例如来自激光线探头的光)或光在区域上的图案(例如结构光)投影到表面上。在系统中，摄像机以固定的机械关系耦接至投影机。从投影机发射的投影光图案被表面反射并且通过摄像机成像。因为以固定的关系布置摄像机和投影机，所以根据三角测量原理，可以由投影图案、捕获的摄像机图像以及分隔投影机和摄像机的基线距离来确定到物体的距离和角度。三角测量系统在快速获取较大区域上的3D坐标数据方面提供了优势。
[0005]在一些系统中，在扫描过程期间，扫描仪获取一系列3D图像，所述一系列3D图像可以相对于彼此配准以使得每个3D图像相对于其他3D图像的位置和取向是已知的。如果扫描仪为固定的，则这样的配准不是必需的。类似地，如果扫描仪被附接至能够测量扫描仪的位置和取向的机械装置，则不需要提供这样的配准。这样的机械装置的示例包括关节臂CMM和笛卡尔CMM。当扫描仪为手持式的并因此可移动时，可以使用各种技术来配准图像。一个常用技术使用图像的特征来匹配相邻图像帧的交叠区域。当被测量的物体具有与扫描仪的视场有关的许多特征时，该技术效果良好。然而，如果物体包含相对大的平面或弯曲的表面，则图像可能不能够相对于彼此正确地配准。
[0006]因此，虽然现有的坐标测量装置适于其预期目的，但仍然需要改进，特别地，在对由扫描仪装置获取的图像的配准方面需要改进。
【发明内容】
[0007]根据本发明的一方面，提供了一种使用坐标测量装置和便携式结构光扫描仪装置来确定物体的表面上的点的坐标的方法。该方法包括设置结构光扫描仪，结构光扫描仪具有主体、耦接至主体的第一摄像机和第一投影机，其中，第一摄像机被配置成接收从物体表面反射的光。结构光扫描仪包括从主体的第一侧延伸的探头以及耦接至主体的第二侧的六自由度回射器。结构光扫描仪还具有被配置成确定物体表面上的点在扫描仪参照系中的坐标的第一处理器。设置了坐标测量装置。坐标测量装置被配置成测量平动坐标集和取向坐标集，平动集是结构光扫描仪在装置参照系中的三个平动自由度的值，而取向集是结构光扫描仪在该装置参照系中的三个取向自由度的值。平动集和取向集定义结构光扫描仪在空间中的位置和取向，坐标测量装置被配置成将第一光束发送到回射器并且被配置成接收来自回射器的第二光束，第二光束是第一光束的一部分，坐标测量装置包括装置处理器。该装置处理器被配置成确定取向集和平动集，平动集至少部分地基于第二光束。设置具有被配置成接纳探头的部分的固定装置。探头被放置在所述部分上。在保持探头与所述部分接触并且跟踪六自由度回射器的坐标和取向的同时，以预定模式移动结构光扫描仪探头。响应于结构光扫描仪的移动针对该结构光扫描仪来确定平动坐标集和取向坐标集。
[0008]根据本发明的另一方面，提供了一种方法。该方法包括设置结构光扫描仪，该结构光扫描仪具有彼此以固定关系布置的第一摄像机和第一投影机，结构光扫描仪被配置成获取物体的多个图像，结构光扫描仪具有与第一摄像机和第一投影机以固定关系布置的六自由度回射器。设置坐标测量装置，该坐标测量装置具有彼此以固定关系布置的光源和第二摄像机，坐标测量装置被配置成至少部分地基于平动坐标集和取向坐标集来确定结构光扫描仪的定位和取向。平动集是结构光扫描仪在装置参照系中的三个平动自由度的值，而取向集是结构光扫描仪在该装置参照系中的三个取向自由度的值。使用结构光扫描仪扫描物体，并且获得至少第一图像帧和第二图像帧。使用坐标测量装置跟踪六自由度回射器，以确定取向坐标集和平动坐标集。至少部分地基于第一图像帧、第二图像帧、取向坐标集以及平动坐标集在装置参照系中确定物体的表面上的多个点的坐标。
[0009]结合附图，根据以下描述，这些优势和特征以及其他优势和特征将变得更明显。
【附图说明】
[0010]在本说明书的结尾部分处的权利要求书中特别指出并且明确要求保护被认为是发明的主题。结合附图，根据以下详细描述，本发明的前述特征和其他特征以及优势是明显的，在附图中:
[0011]图1为根据本发明的实施方式的测量物体的系统的透视图；
[0012]图2为在固定装置中的扫描仪探头构件的局部透视图；
[0013]图3为具有扫描物体的扫描仪装置的图1的系统的局部透视图；
[0014]图4为根据本发明的实施方式的确定物体的表面上的点的三维坐标的方法的流程图；以及
[0015]图5为根据本发明的另一实施方式的确定物体的表面上的点的三维坐标的方法的流程图。
[0016]该详细描述参考附图以举例的方式说明了本发明的实施方式以及优势和特征。
【具体实施方式】
[0017]本发明的实施方式在由扫描仪装置获取的图像的配准方面提供了优势。本发明的实施方式还在使用坐标测量装置例如激光跟踪仪装置跟踪手持式扫描仪装置方面提供了另外的优势。此外，本发明的另外的实施方式还在校准/补偿被激光跟踪装置跟踪的扫描仪装置方面提供了优势。
[0018]参考图1至图3，示出了用于测量物体22的三维坐标的系统20。该系统包括第一坐标测量装置，例如与第二坐标测量装置例如扫描仪26协作的激光跟踪仪24。激光跟踪仪24可以是例如于2010年8月3日提交的共有美国专利8，659，749或者于2012年4月23日提交的美国专利公开2013/0155386中所描述的装置。
[0019]激光跟踪仪24包括距离测量仪以及发射光例如激光的投影机。投影机和距离测量仪被配置成经由光孔30发射和接收光28。距离测量仪可以是使激光跟踪仪24能够光学地测量激光跟踪仪24与协作目标例如回射器之间的距离的绝对距离测量仪组件。
[0020]六自由度(6D0F)激光跟踪仪24可以包括电动机、角度编码器以及位置检测器，位置检测器使激光跟踪仪24能够在6D0F回射器目标穿过空间时跟踪6D0F回射器目标的位置。6D0F回射器目标为可以由6D0F激光跟踪仪在6D0F中测