专利名称：传感器系统和反向夹持机构的制作方法
技术领域：
本申请总体上涉及传感器系统和反向夹持器。
背景技术：
光学感测系统要求精确的校准和对准。但是，许多传感器采用紧固件来将诸如传感器或照明光源的部件安装到传感器结构中。这样，对于每个传感器或个人，紧固件的紧固可能并不都一致。即使在对准和校准处理期间，由于紧固件中的扭矩变化，也会在传感器之间引入固有的不准确。鉴于此，显然存在改进传感器系统的需要。
发明内容
为了满足上述需要，以及克服现有技术的列举的缺点和其它限制，本申请提供具有传感器、激光源和安装结构的传感器系统。使用反向夹持器和柱状臂将传感器固定到安装结构。在本申请的另一个方面中，提供反向夹持器。反向夹持器包括背部、第一臂和第二臂。第一和第二臂从背部延伸，以形成配置用来接纳柱状臂的开口。例如，在休止状态中，背部、第一臂和第二臂在开口与柱状臂之间形成过盈配合(interference fit),并且,其中，第一臂和第二臂弯曲，从而使得在挠曲状态中开口与柱状臂的直径相匹配。参考构成本说明书的一部分并附录在本说明书中的附图和权利要求书，在阅读了下面的描述后，本申请的进一步的目的、特征和优点对本领域技术人员变得显而易见。
图1是示出根据本申请的一个实施例的传感器系统的框图；图2是示出包括结构化光投影仪的传感器系统的框图；图3是示出激光源和传感器的光学元件的传感器系统的框图；图4是示出包括莫尔条纹投影仪的传感器系统的框图；图5是示出包括双传感器配置的传感器系统的框图；图6是示出用于通过公开的传感器实现方式来测量特征的系统的一个实施例的框图；图7是示出用于通过公开的传感器实现方式来测量轮对准的系统的一个实施例的框图；图8是示出用于通过图5的传感器实现方式来测量轮对准的系统的一个实施例的侧视图；图9是用于测量轮对准的系统的一个实施例的投影到轮胎上的激光图案的正视图；图10是用于测量轮对准的系统的一个实施例的投影到轮胎上的激光图案的正视图；图11是示出用于测量轮对准的系统的一个实施例的投影到轮胎上的各种激光图案实现方式的正视图；图12是示出用于动态图像处理窗口调整的方法的流程图；图13是示出用于激光线的动态识别的方法的流程图；图14是示出本申请中的控制器、处理器或模块的一种实现方式的系统的框图；图15是用于传感器系统的安装结构的俯视图；图16是传感器系统的正视图；图17是图16中的传感器系统的一部分的透视图；图18是图16中的传感器系统的另一部分的透视图；图19是反向夹持器的俯视图；图20是图19的反向夹持器的侧视图；图21是反向夹持器的俯视图；图22是图21的反向夹持器的侧视图；图23是图21的反向夹持器的正视图；以及图24是示出用于生成反向夹持器的处理的流程图。
具体实施例方式现在参考图1，实施本申请的原理的系统在其中示出并以10表示。系统10包括:传感器12、第一激光源14、第二激光源16和安装结构18。传感器12可以包括照相机，该照相机包括接收光学器件和诸如CXD或CMOS阵列的检测器。因此，传感器12具有从照相机向外投射的视场和由传感器的接收光学器件限定的聚焦范围。视场和焦深限定传感器12的感测体积。第一激光源14可以将一条或多条激光线投射到物体上。如果多于一条的激光线从第一激光源14投射，那么这些线可以彼此平行。另外，这些激光线可以相互之间等距分开。第一激光源14以相对于传感器的角度定向，使得激光线与视场相交，从而限定感测体积。在一种配置中，可以投射激光线，从而中间的激光线与感测体积的中心相交。或者，如果存在偶数条激光线，那么中间两条激光线可以距离感测体积的中心大约相等的距离。传感器12和第一激光源14可以都被附接到安装结构18。安装结构18可以是光具座(optical bench)、光管或其它刚性形式。安装结构18可以由具有低膨胀系数的材料制成，从而使得传感器12与第一激光源14之间的关系在较宽的温度范围内保持不变。或者，安装结构18可以包括多个温度传感器以补偿安装结构材料的膨胀。安装结构18可以由多种材料形成，这些材料包括但不限于钢、殷钢、铝或其它工业材料。例如，安装结构18可以是I型管(如图15中的附图标记1510所示)。这样，安装结构18提供被动热管理以及提供线性响应。没有滞后的线性响应能够实现准确的主动热补偿。
传感器12和第一激光源14可以是相互对准的工厂(factory)。例如，传感器12和第一激光源14可以使用各种夹具安装到安装结构18上，以控制传感器12与第一激光源
14的对准和/或相对位置。另外，传感器12和第一激光源14可以例如通过安装结构18安装到精密台(precision stage)。精密台可以包括已知目标。已知目标可以由精密台在整个感测体积上移动，从而可以在整个感测体积上校准目标的感测位置之间的关系。该校准可以作为各种传感器系统模型参数存储在传感器中，这些参数包括传感器参数、激光源参数等。基于该校准，传感器12与第一激光源14之间的关系已知，并且可以用三角测量法来确定从传感器12到激光线与感测体积中的特征相交的位置的距离。这样，特征相对于传感器12的位置可以基于工厂校准来确定，而不管传感器12的朝向和定位。此外，包括许多传感器的系统可以通过确定每个传感器相对于主坐标空间的位置和朝向来形成。通过使用激光跟踪器或经纬仪来直接确定传感器的位置和朝向或者通过使用这些装置来确定在感测体积中的目标的位置和朝向，然后确定传感器坐标空间与主坐标空间之间的变换，可以针对更大的系统来实现这一点。还可以提供第二激光源16。第二激光源16可以是激光投影仪，诸如结构化光投影仪或莫尔条纹投影仪。第二激光源16可以被安装到安装结构18，或者可以独立于安装结构18来安装。如果第二激光源16被安装在安装结构18上，那么第二光源的位置和朝向可以类似于第一激光源14那样被工厂校准。但是，通常，零件的几何形状或在零件要被测量处的工具安装可能呈现一定的环境约束，这将限制被安装到安装结构18的第二激光源16的效率。在这种情况中，已知的目标可以被放置于感测体积中，并且可以基于使用传感器的激光线的三角测量法来确定已知的目标到传感器的位置。例如，激光线可以被投射到平坦表面上，并且基于传感器的视场内的激光条纹的位置来确定该表面的位置和朝向。然后，第二组线可以被投射到该表面上，并且第二激光源的朝向和位置可以基于该表面上的投射线图案来确定。例如，在该表面上形成的线条纹的阵列的间距和角度与来自第一激光源14的激光条纹相交。来自第二激光源16的激光条纹与图案之间的相交点可以被用来确定第二激光源16的位置和朝向。因此，如图2所示，第二激光源16可以是结构化光投影仪。正如讨论的，检测器12相对于第一激光源14被校准。这样，这两个部件使用三角测量原理一同工作。第一激光源
14(即激光线)与传感器的光轴之间的角度被用来确定表面20上的特征的距离和位置。另夕卜，第二激光源16将一系列线投射到表面20上。来自第二激光源16的一系列线21的朝向可以与来自第一激光源14的一条线或多条线正交。来自第一激光源14的一条线或多条线的相交被用来确定在来自第二激光源16的表面上的系列线21的表面位置。来自第一激光源14的线22可以作为来自第二激光源56的投影图案的参照。然后，使用照相机/光学模型对表面进行建模。一旦使用离传感器有一定距离的平坦表面将传感器最终安装时，基于采用少量场校准图像，可以生成照相机/光学模型。因此，如上所述，第二激光源16可以与传感器12和第一激光投影仪14分开安装并且被场校准。图1的传感器系统的机械结构将参考图3被进一步地描述。结构化光图案的梯形失真效果增加了测量的深度灵敏度。因此，第二激光源16的投射角(Θ )应当被设计为不同于传感器12的接收角(Φ)。例如，投射角可以与接收角相差10到15度。为了促进梯形失真效果，激光投影仪16的投影光学系统24可以包括两个透镜26、28。附加透镜28可以被用于改变接收光学器件30与投影光学系统24之间的放大率。具体地说，在感测体积内，投影光学系统24可以具有接收光学器件30的放大率的1.5至3倍。虽然可以使用其它比值，但该比值可以为许多工业应用提供特别的益处。第一激光源14、第二激光源16和检测器31中的每一个都可以与传感器控制器29进行通信。传感器控制器29可以独立地控制每个激光源14、16的时间和强度。另外，传感器控制器29控制检测器30的获取和积分时间。传感器控制器29可以使来自第一激光源14的第一组激光线和来自第二激光源16的第二组激光线的投射交替。另外，检测器31可以与第一激光源14和第二激光源16的投射同步，以捕获第一图像中的来自第一激光源14的第一组激光线和在第二图像中的来自第二激光源16的第二组激光线。如图4的系统410中所示，第二激光源16还可以是莫尔条纹投影仪。莫尔条纹投影仪可以发射发生干涉的两种波长的激光束，从而将莫尔条纹图案32投射到表面20上。莫尔条纹图案32类似于地形图，其中，条纹图案的每个环等同于到第二激光源16的不同距离。莫尔条纹图案16包括倾向于具有正弦轮廓的亮环38与暗环40的交替环。此外，线22充当与每个环的距离相关的参照。传感器系统的另一个实施例在图5中不出。传感器系统510包括:第一传感器511、第二传感器512和激光源514。第一传感器511和第二传感器512被附接到安装结构518。第一传感器511和第二传感器512可以是CCD、CMOS或其它类似的传感器，所述类似的传感器包括其它特征，诸如传感器控制器，正如关于之前实施例的传感器所描述的。激光源514也被附接到安装结构518并且被配置为将激光图案534投射到物体上。激光图案可以是上述的任意图案，或者，更具体地说，可以包括相对于第一传感器511和第二传感器512中的每一个被预校准的一系列线。预校准可以是如关于之前的实施例进行描述的工厂校准。传感器系统510具有基本上垂直于激光源514的光轴532的传感器轴520。第一传感器511以相对于传感器轴520的角度为定向，该角度略小于第二传感器512的朝向角度。例如，第一传感器511可以具有以相对于传感器轴520的17°的角度为定向的光轴524。此外,通过举例的方式,第二传感器512可以具有以相对于传感器轴520的22°的角度为定向的光轴528。这样,第一传感器511具有由附图标记526表不的视场,该视场与激光投影534相交，从而形成感测体积521。激光投影534的轴可以与传感器轴520正交，并且可以与传感器光轴528和524位于一个平面中。类似地，第二传感器512具有与激光投影534相交的视场530，以形成第二感测体积522。第一传感器511和第二传感器512被定向为使得第一感测体积521和第二感测体积522形成连续感测体积523。第一感测体积521与第二感测体积522有轻微的重叠，以形成连续感测体积523。感测体积521更靠近安装结构和感测体积522，并且大部分的感测体积521不与感测体积522重叠，并且，类似地，大部分的感测体积522不与感测体积521重叠。为了易于图示，感测体积被示出为方形。但是，清楚的是，第一感测体积521与第二感测体积522具有实际的3-D形状,其分别由第一视场526与激光投影534的相交以及第二视场530与激光投影534的相交形成。当然，该形状随着与传感器或投影仪的相对距离的增加而扩展，并且基于光学系统的影响可以具有弯曲的外部区域。这样，第一传感器511和第二传感器512 —同工作，从而大大地提高景深，在为大部分应用提供足够的分辨率的同时，可以分析景深。此外，还清楚的是，与之前的实施例类似，还可以提供第二激光源并对其进行定向，以投射激光图案，从而与第一感测体积521和第二感测体积522相交。如上文所讨论的，第二激光源可以被附接到安装结构或被单独地安装。在图6中,提供包括传感器阵列614的测量系统610。每个传感器614对应于传感器系统10、410或510，包括这些系统的上述任何改变或组合。系统610包括控制器616和至少一个传感器614。可以在车体或框架612周围放置多个传感器614,以测量多个特定位置处的几何形状的尺寸偏差。或者，可以与运动装置一同使用单个传感器，从而使得传感器614能够沿着车体612测量多个特征。例如，传感器614可以被附接到机械人臂，该机械人臂可以被操纵用来测量在车体612上的不同位置处的多个特征。传感器614与控制器616进行电通信，以针对每个测量的特征提供一组数据。传感器614可以包括板上处理器，以分析图像数据并生成特征数据，例如，指示特征的位置和朝向。特征数据可以被传送到控 制器616。传感器614可以通过大量有线或无线通信协议(包括但不限于以太网)与控制器616进行通信。控制器616包括配置用来分析数据的微处理器。另外，控制器616与报警系统618进行通信，以基于来自传感器614的测量生成警报。报警系统618可以包含诸如闪光灯的可视指示器、诸如警报器的音频指示器等。另外，报警系统618可以包含配置用来发送电子邮件、电话消息、寻呼机消息或类似的警报的通信系统。现在参考图7，提供检查系统710来对车辆的轮对准进行检查。这样，检查系统710包括两个传感器系统712，其可以对应于传感器系统10、410或510中的任意一个，包括之前实施例中所描述的改变或其组合。但是，出于图示的目的，将针对图5中示出的传感器系统510的实现方式来进一步描述系统710。这样，检查系统710包括左边的传感器714，其将激光图案726投射到轮胎728的左侧。类似地，检查系统710包括右边的传感器716，其将第二激光图案724投射到轮胎728的右侧壁。因此，左边的传感器714和右边的传感器716可以确定轮胎728的左侧壁和轮胎728的右侧壁两者的位置和朝向，以确定轮胎728的整体位置和朝向。针对车辆上的每个轮胎可以重复系统710的操作，因此，针对车辆的每个车轮可以执行轮对准计算，包括诸如缘距(toe)、外倾角、节距等之类的测量。传感器系统712可以通过通信链路720与控制器722进行通信。通信链路720可以包括有线或无线通信，该有线或无线通信包括串行通信、以太网或其它通信介质。控制器722可以包括处理器、存储器和显示器，以执行轮对准测量。另外，控制器722可以与测量其它轮胎的其它传感器系统712或者配置用来检查车辆上的其它车轮的对准的其它控制器进行通信。现在参考图8，提供系统810的侧视图，示出实现在图5中描述的双传感器系统的在图7中的系统的一个实施例。传感器系统712包括 第一传感器811、第二传感器812和激光源814。第一传感器811、第二传感器812和激光源814中的每一个都可以被附接到安装结构818。第一传感器811和第二传感器812的每一个的视场与激光源814的激光投影834相交，从而形成第一感测体积821和第二感测体积822。此外，第一感测体积821和第二感测体积822重叠以形成连续的系统感测体积823。如上文参考图5所描述的，连续的感测体积823允许传感器系统712与车轮728之间的增加的感测范围。
由箭头840表示的该增加的感测范围允许适应大量的轮胎模型和基于轮的车辆，以及在轮对准检查期间的大转向角改变。此外，激光源814可以包括光学器件，该光学器件提供贯穿整个第一感测体积821的第一传感器811和贯穿整个第二感测体积822的第二传感器812两者的接收光学器件的放大率的1.5到3倍。现在参考图9，提供示出投射的激光图案的一个实施例的轮胎的正视图。在该实施例中，左边的传感器714将包括一系列平行线的激光图案910投射到轮胎728左手的侧壁上。类似地，右边的传感器716将包括一系列线的图案912投射到轮胎728右手的侧壁上。该图案可以包括第一组线914和第二组线916，其中，第一组线914是平行的并且在每连续的线之间都具有相等的间距。类似地，第二组线916可以具有一组平行线，其中，每连续的线都具有相等的间距。此外，第二组线916的间距可以与在第一组线914中提供的间距相同。现在参考图10，更详细地描述了第一组线914和第二组线916。第一组线914可以包括第一线1012、第二线1014、第三线1016和第四线1018。此外，第二组线916可以包括第五线1020、第六线1022、第七线1024和第八线1026。这些线可以具有由附图标记1032表示的相等的间距。但是，第四线1018与第五线1020之间的距离可以包括作为线标识的更大的间距1030。间距1030可以是例如其它线之间的间距的两倍。这可以通过下述方式容易地、有效地实现:改变激光线投射源的格栅，从而使得格栅的中间两条线不是被蚀刻而是被填充，从而不透射光。附加的间距1030可以被用于标识图案中的特定的线数量。第一传感器的第一感测体积821和第二传感器的第二感测体积822可以具有重叠区域1010，从而使得双倍间距1030可以被第一传感器和第二传感器中的每一个检测到。因此，重叠区域1010将足够大，以示出在第一感测体积821中的第四线1018和在第二感测体积822中的第五线1020。但是，正如可以容易地理解的，线的阵列可以包括多于八条的线，这样，第四线1018和第五线1020将代表图案的中间两条线。使用间距的改变来对线图案进行编码，并且允许系统容易地识别中间的两条线，从而识别在每个感测体积内的每条线。在识别出每条线后，物体(在本例中为轮728)的位置之间的关系可以使用传感器模型和预定的校准参数来确定。传感器模型可以包括说明检测器和传感器的光学参数的照相机模型，以及说明激光图案和投影物体的激光源模型。此外。传感器模型和激光源模型可以通过预定的校准参数来链接，以提供关于该物体的3D点云数据。现在参考图11，提供附加的实施例，以识别图案912中的每一条线。在一个实施例中，第二激光线1110可以与来自第二激光投影仪的一系列激光线正交。或者，除了可以被用来基于空间关系识别一系列线中的每一条线的这一系列线以外，还可以提供诸如十字准线的独特的符号1112。在另一个可选方案中，中间的两条线中的每一个都可以具有诸如十字记号的标记1114、1116，其中，在第一组线914上的十字记号1114在一侧，而第二组线916的十字记号1116在相对一侧。这样，每个十字记号都是可以区分的，并且可以被用来基于空间关系识别一系列线中的每一条线。在另一个可选方案中，线之间的间距可以变化，从而使得线的数量可以基于一条或多条连续的线之间的变化的间距关系来识别。在一个例子中，可以提供双线1118。这两条线可以被紧密地一起提供，以唯一地识别在该系列线中的一条线，然后，其它线中的每一条都可以通过连续的空间关系来识别。此外，可以提供用于对该系列的连续线进行编码的其它的识别特征，其包括其它的各种独特的标记，或线间距，线厚度，或线朝向。现在参考图12，提供用于动态图像处理窗口调整的方法。方法1200开始于框1210。在框1210中，激光源将图案投射到特征上并且获取到图案与特征相交的图像。在一种实现方式中，图案可以是图9中的平行线912。在框1212中，激光信号像素被从图像中提取。这样，沿着线的每个像素可以被变换为线强度轮廓。这样，参考线被定义为基本上与该系列激光线正交并且可以使用时间偏移来获取。在对由照相机和/或激光投影模型进行的对传感器和激光投影畸变的校正后，通过添加与参考线正交的强度值来确定激光线轮廓。在框1214中，在激光轮廓中识别高点。如框1216所述，基于轮廓中的高点来计算处理区域。最后，处理区域被应用，并且基于普通三角测量原理来提取3D点云数据。参考图13，提供用于激光线的动态识别和分配的方法。方法1300开始于框1310。在框1310中，激光被投射到特征上并获取图像。在框1312中，激光信号像素被提取。如框1314所示，在激光线中的标记区域被识别。激光线数据被投射到参考线上，阈值被应用到合成的投影值，以识别激光线上的节点。然后提取沿着参考线的节点。参考线可以表示正被测量的物体的平均位置。然后，节点间的间距被用来识别线编号。在一个示例中，编号从中心开始，中心与其紧邻的部分具有更高的间距。在框1316中，基于标记区域来分配激光线编号。因此，这样理解，在图12和图13中示出的方法可以在单一的处理中一同被采用。例如，在步骤1216之间可以识别标记区域1314并且分配激光线编号1316，并且提取点云数据。此外，上述方法可以通过传感器控制器来执行，这样，点云数据可以被从传感器发送到系统控制器。或者，可以采用系统控制器来实现这些方法。参考图15，安装结构18可以是I型管1510。I型管包括具有I型梁1514的管部分1512。壁1516延伸超出I型梁1514并形成凹部1520。激光源和检测器可以被安装到I型梁1514上的凹部1520中。另外，I型管可以包括冷却叶片1518以增加散热。I型管1510可以由多种材料形成，这些材料包括但不限于钢、殷钢、铝或其它工业材料。I型管1510可以包括多个温度传感器以补偿I型管材料的膨胀。这样，I型管1510提供被动热管理以及提供线性响应。管状形状和I型梁限制了除了沿着管的长度方向以外的方向上的膨胀。没有滞后的线性响应能够实现准确的主动热补偿。现在参考图16，示出可以进一步采用I型管配置的传感器系统。传感器系统1610包括照相机1612和激光源1628。照相机1612和激光源1628可以是参照在本文中提供的其它实施例来描述的类型。传感器结构1613可以包括对应于图15中的I型管的壁1516的侧壁1616。此外，传感器结构1613还包括对应于I型梁1514的十字梁或I型梁1614。此夕卜，十字梁1614和壁1616形成对应于图15中的凹部1520的凹部1620。照相机1612被安装到传感器结构1613，从而使得其可以绕垂直于侧壁1616的轴1638旋转。在一种实现方式中，照相机1612可以使用例如紧固件、粘合剂或其它紧固方法来被安装到安装板1630。安装板1630可以包括接纳引脚(pin) 1632的凹部。引脚1632从安装板1630延伸到侧壁1616中的开口中。引脚1632可以是具有与线1638对准的中心轴的柱状引脚，以允许安装板1630绕线1638旋转。另外，安装板1630可以包括从安装板1630延伸的柱状臂1634。例如，柱状臂1634可以具有与线1638对准的中心轴，以允许照相机1612绕线1638旋转。柱状臂1634由反向夹持器1636接纳。另外，照相机可以向着结构1613的中心安装，这样可以提供开口 1622，从而使得照相机1612可以部分地穿过梁1614延伸。反向夹持器1636可以与柱状臂1634形成过盈配合。因此，随着反向夹持器的膨胀，柱状臂1634被允许旋转，这样，照相机1612也可以旋转。但是，在其正常状态中，夹持器1636在过盈配合中接合圆柱体1634，以防止照相机1612或安装板1630的任何旋转。激光源1628被安装到传感器结构1613，从而使得其可以绕垂直于侧壁1616并平行于轴1638的轴1648旋转。在一种实现方式中，激光源1628可以使用例如紧固件、粘合剂或其它紧固方法来被安装到安装板1640。安装板1640可以包括接纳引脚1642的孔。引脚1642从安装板1640延伸到侧壁1616中的开口中。引脚1642可以是具有与线1648对准的柱状轴的柱状引脚，允许安装板1640绕线1648旋转。另外，安装板1640可以包括从安装板1640延伸的柱状臂1644。例如，柱状臂1644可以具有与线1648对准的中心轴，以允许激光源绕轴1648旋转。柱状臂1644由反向夹持器1646接纳。另外，激光源1628可以向着结构1613的中心安装，这样可以提供开口 1626，从而使得激光源1928可以部分地穿过梁1614延伸。反向夹持器1646可以与柱状臂1644形成过盈配合。因此,随着反向夹持器1646的膨胀，柱状臂1644被允许旋转，这样，激光源也可以旋转。但是，在其正常状态中，夹持器1646在过盈配合中接合圆柱体1644，以防止激光源1628或安装板1640的任何旋转。激光源1628可以具有与由线1658表示的照相机1612的光轴处于同一平面的光轴。安装板1640通过挠性板1654与反向夹持器1650的基底1652连通。这样，可以通过对基底1652施加压力来调整基底1652的角度，从而，调整激光源1628的角度，以使挠性板1654弯曲或挠曲。此外，在正常状态中，提供与激光源1628的壳体过盈配合的反向夹持器1656，反向夹持器1650的臂1656接合激光源1628的壳体。但是，在膨胀状态中，力可能被施加到臂1656，从而允许激光源1628从反向夹持器1650旋转或移动。另外，包括具有处理器的控制器的电路1660可以被安装到传感器结构1613，例如，I型梁1614。在这一情形中，处理电子器件可以被直接集成到传感器系统1610中，以方便板上处理。在图17中提供对照相机1612更详细的视图。安装板1630可以以多个部分(例如，安装托架1631和安装托架1635)来实现。在本例中，安装托架1631通过紧固件1730和1732安装到照相机1612。类似地，托架1635可以通过紧固件1722和1724安装到照相机1612的相对侧。这样，引脚1632将延伸到壁1616和托架1631两者中。类似地，柱状臂1634将从托架1635延伸并由反向夹持器1636接纳。另外，壁1616可以包括对应于图15的冷却叶片1518的叶片1758。安装夹持器1760可以接合叶片1758以将传感器系统固定到检查结构。另外，照相机可以包括电子器件1710和透镜1720。如果电子器件1710需要额外的空间，那么可以在壁1750上形成开口 1752。壁1750对应于图15中的壁1512。开口 1752和1626的尺寸通常被最小化，以保留传感器结构1613的结构完整性。此外，这些开口可以使用倒角或圆角来最小化在照相机或激光源周围的开口的空间。现在参考图18，激光源1628可以包括使激光聚焦的透镜1814。另外，安装板1640可以与挠性板1654、基底1652和反向夹持器1656 —体地形成。另外，反向夹持器1656可以包括具有螺纹孔的法兰1812。螺钉1810可以通过螺纹孔插入，从而使得相对于法兰1812转动螺钉1810可以将力施加到基底1652上。力使挠性板1654弯曲或挠曲，以调整激光源1628的投射角度。现在参考图19和图20，提供反向夹持器的俯视图。反向夹持器1910可以对应于反向夹持器1636和1646。反向夹持器1910包括基底1912和夹持部分1914。基底1912可以包括用于将反向夹持器1910安装到例如传感器结构1613的其它结构的开口。夹持部分1914包括背部1916和两个臂部1918和1920。在两个臂部1918与1920之间可以有间隙1924。背部1916具有与臂1918的内表面1928以及臂1920的内表面1930协作的内表面1926，以形成大致圆形的开口。表面1926可以具有等同于表面1928和1930的半径1942的第一半径1940。在本例中，半径1942的原点相对于半径1940的原点偏移，以使得与接纳到开口 1922中的圆柱体过盈配合，该开口 1922具有与半径1942和1940相等的半径。这样，如果向外的压力被置于臂1918和1920上，那么臂1918和1920两者将在基本上整个开口 1922的周围使该开口 1922挠曲，以形成具有基本上与半径1940和1942相等的半径的圆形开口。(例如，除了在圆形开口的中心线的圆角处或在间隙处)在该膨胀状态中，半径与1940和1942相等的圆柱体可以被接纳到开口 1922中。但是，当力被去掉时，臂1918和1920将弹性地回复，使得通过表面1926、1928和1930协作地将柱状臂周围的环向应力接纳到开口 1922中。臂1918和1920的外表面由半径1946来限定。臂1918和1920的厚度如半径1942和1946所限定的那样从间隙1924改变到背部1916。夹持部分1914通过槽部2010从基底1912分离。槽部2010的宽度可以基于臂1918和1920的材料和应力约束来确定。槽部2010从间隙1924在内部向着背部1916延伸足够远直到超过开口 1922的中心线2016，以将由来自柔性臂1918和1920的力导致的应力消散，而不会使夹持部分1914的材料破裂。这样，槽部2010的末端点2012被置于超出中心线2016而进入1916的背部。当反向夹持器1910处于膨胀状态以接纳柱状臂时，在臂1918和1920中的应力被向着圆形开口 1922的中心线2016集中。将槽部2010的末端点2012移动到背部1916中允许将由于臂1918和1920的挠曲导致的应力更好地消散。通过将表面1928和1930的半径1942从表面1926的半径1940偏移，夹持器打开，以形成与被接纳到开口中的圆柱体相同的圆形几何形状，同时在处于正常状态中完全地或几乎完全地在被接纳圆柱体周围(例如，300-360度)保持恒定的环向应力。由于本构造，臂1918和1920被偏置，以通过与被接纳圆柱体的半径相匹配的表面1928和1930接合被接纳圆柱体，从而迫使圆柱体压靠到也具有与该圆柱体的半径相匹配的半径的背部的表面1926。这种独特的构造在圆柱体周围形成由表面1926、1928和1930协作形成的恒定的环向应力。通过使用反向夹持机构，无论圆柱体的人为定位如何，夹持应力在反向夹持机构的开口内也是一致的。在大部分夹持结构中，由于夹持器的紧固而导致施加正向力。例如，紧固件对被夹持的物体施加力，该物体承受来自每个夹持该夹持机构的人的扭矩的变化。另外，其可以防止随着夹持器被夹紧而被施加到夹持表面而导致的通常发生的蠕变(creeping)。反向夹持器的夹持部分的材料可以与在开口中接纳的圆柱体的材料匹配。反向夹持器可以由诸如铝、钛或钢的各种材料制成，但是，对于某些光学传感器，60/61T6铝或70/75T6铝可以提供理想的特性。因此，反向夹持器可以产生200-700牛顿之间的力，并且对于所述的光学传感器，400-500牛顿的范围可能是更理想的。现在参考图21、22和23，反向夹持器2110可以对应于反向夹持器1656。反向夹持器2110通过挠性板2152被附接到安装板2111。反向夹持器2110包括基底2112和夹持部分2114。夹持部分2114包括背部2116和两个臂部2118和2120。在两个臂部2118与2120之间可以有间隙2124。背部2116具有与臂2118的内表面2128以及臂2120的内表面2130协作的内表面2126，以形成大致圆形的开口。表面2126可以具有等同于表面2128和2130的半径2142的第一半径2140。在本例中，半径2142的原点相对于半径2140偏移，以与被接纳到开口 2122中的圆柱体过盈配合，该开口 2122具有与半径2142和2140相等的半径。这样，如果来自间隙2142内的向外的压力被置于臂2118和2120上，那么臂2118和2120两者将在基本上整个开口 2122的周围使开口 2122挠曲，以形成具有基本上与半径2140和2142相等的半径的圆形开口。(例如，除了在圆形开口的中心线的圆角处或在间隙处)在该膨胀状态中，具有与2140和2142相等的半径的圆柱体可以被接纳到开口 2122中。但是，当力被去掉时，臂2118和2120将弹性地回复，使得通过表面2126、2128和2130协作地在被接纳到开口 2122中的圆柱体周围产生恒定的环向应力。臂2118和2120的外表面由半径2146来限定。臂2118和2120的厚度如半径2142和2146所限定的那样从间隙2124改变到夹持部分2114的背部2116。夹持部分2114可以通过槽部2210从基底2112分离。槽部2210的宽度可以基于臂2118和2120的材料和应力约束来确定。槽部2210从间隙2124在内部向着背部2116延伸足够远直到超过开口 2122的中心线2216，以将由来自臂2118和2120的挠曲的力导致的应力消散，而不会使上部2114的材料破裂。这样，槽部2210的末端点2212被置于超出中心线2216而进入2116的背部。当反向夹持器2110处于膨胀状态以接纳柱状臂时，在臂2118和2120中的应力向着圆形开口 2122的中心线2216集中。将槽部2210的末端点2212移动到背部2116中允许将由于臂2118和2120的挠曲导致的应力更好地消散。通过将表面2128和2130的半径2142从表面2126的半径2140偏移，夹持器打开，以形成与被接纳到开口中的圆柱体相同的圆形几何形状，同时在处于正常状态中完全地或几乎完全地在被接纳圆柱体的周围(例如，300-360度)保持恒定的环向应力。由于本构造，臂2118和2120被偏置，以通过与被接纳圆柱体的半径相匹配的表面2128和2130接合被接纳圆柱体，从而迫使圆柱体压靠到也具有与该圆柱体相匹配的半径的背部的表面2126。这种独特的构造在圆柱体周围形成由表面2126、2128和2130协作地形成的恒定的环向应力。另外，安装板2150可以与挠性板2152和反向夹持器2110—体地形成。另外，反向夹持器2110可以包括具有螺纹孔的法兰2154。螺钉可以通过螺纹孔插入，使得相对于法兰2154转动螺钉可以将力施加到基底2112上，从而使挠性板2152弯曲或挠曲并且调整基底2112相对于安装板2150的角度。现在参考图24，提供用于生成反向夹持器的处理2400。在框2410中，定义夹持直径。在框2412中，估计夹持偏移。夹持偏移与夹持臂直径的偏心相关并且另外限定了挠曲量，每条臂需要形成与圆柱体的半径相等的开口，以及施加到被接纳圆柱体上的环向应力。在框2414中，估计夹持臂轮廓几何结构。在框2416中，基于理想的环向应力和所需的挠曲来限定材料。反向夹持器可以由铝、钛或其它类似的材料形成。在框2418中，执行有限元分析，以计算当臂被打开到夹持直径时由夹持器生成的力。因此，这些臂可以对圆柱体施加200-700牛顿的力。在框2420中，确定在夹持器上的局部应力是否超出材料的屈服应力以及应变是否低于材料的弹性极限。如果局部应力低于屈服应力并且应变低于弹性极限，那么该方法跟随线2426到达框2428并且处理结束。或者，如果局部应力不低于屈服应力或者应变不低于弹性极限，那么方法跟随线2424到达框2412，在框2412中，基于在框2418中的有限元分析的结果重新估计夹持偏移。此外，应当注意，一旦已经定义了用于反向夹持器的参数，那么可以根据独特的处理来制造反向夹持器。可以通过整块的材料来形成包括背部、第一臂、第二臂和基底的反向夹持器。可以通过钻孔和研磨形成开口，例如，使用CNC机器。开口可以如上面参考图19-23所述的那样形成。可以在块中形成间隙以产生两条臂，例如，通过在开口中进行研磨。然后，这些臂的外表面可以通过研磨形成，并且槽部可以被切割以形成臂和基底部分。以这种形式形成反向夹持器提供光学应用所需的高夹持力以及基本上完全地在被接纳在开口内的柱状臂周围的恒定的环向应力。描述的任何的模块、控制器、服务器或引擎都可以在一个或多个计算机系统中实现。在图14中提供一个示例性系统。计算机系统1400包括用于执行指令的处理器1410，这些指令诸如在上面讨论的方法中描述的那些指令。这些指令可以被存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质诸如为存储器1412或存储装置1414，例如，硬盘驱动器、⑶或DVD。计算机可以包括显示控制器1416，其响应于指令生成在显示装置1418上显示的文字或图片，显示装置1418为例如计算机监视器。另外，处理器1410可以与网络控制器1420进行通信，以将数据或指令传送到其它系统，例如，其它的通用计算机系统。网络控制器1420可以通过因特网或其它已知协议通信来分布处理或通过各种网络技术提供对信息的远程访问，这些网络技术包括局域网、广域网、互联网或其它通常使用的网络技术。在可替换实施例中，诸如专用集成电路、可编程逻辑阵列和其它硬件装置的专用硬件实现方式可以被构建以实现本文中描述的一个或多个方法。可以包括各种实施例的设备和系统的应用可以广泛地包括各种电子器件和计算机系统。本文中描述的一个或多个实施例可以使用两个或更多的特定的互连硬件模块或装置通过可以在这些模块间或通过这些模块进行通信的相关控制和数据信号来实现功能，或者可以将这些功能实现为专用集成电路的部分。因此，本系统包括软件、固件和硬件实现方式。根据本公开的各种实施例，本文中描述的方法可以通过能够由计算机系统执行的软件程序来实现。此外，在示例性、非限制实施例中，实现方式可以包括分布处理、组件/对象分布处理、以及并行处理。或者，可以构建虚拟计算机系统处理来实现本文中所述的一个或多个方法或功能。此外，本文中描述的方法可以被包含在计算机可读介质中。术语“计算机可读介质”包括单个介质或多个介质，诸如存储一组或多组指令的相关联的服务器和高速缓冲存储器，和/或集中式或分布式数据库。术语“计算机可读介质”还应当包括任何这样的介质:这些介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的一组指令或者使计算机系统执行本文中公开的任何一个或多个方法或操作。本领域技术人员将容易地认识到，以上描述是指对本发明的原理的图示。本描述不应当限制本发明的范围或应用，因为在不脱离如下面的权利要求所限定的本发明的精神的情况下允许对本发明进行修改、变化和改变。
权利要求
1.一种用于分析感测体积中的特征的传感器系统，该传感器系统包括: 安装结构； 被附接到安装结构的光源，所述光源被配置为将线投射到所述感测体积中以及投射到特征上，以在特征上形成条纹； 通过反向夹持器和柱状臂被附接到所述安装结构的传感器，所述传感器被配置为对所述线与特征相交处的条纹进行成像。
2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，使用第二反向夹持器和第二柱状臂将所述光源附接到所述安装结构。
3.根据权利要求2所述的传感器系统，其中，所述光源被连接到安装板，所述安装板通过所述第二反向夹持器和所述柱状臂被固定到所述安装结构，所述安装板通过挠性板被连接到所述光源以调整所述光源相对于所述安装板的角度。
4.根据权利要求3所述的传感器系统，其中，所述光源通过接合光源的壳体的第三反向夹持器被连接到安装板，所述安装板通过挠性板被连接到所述第三反向夹持器。
5.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述传感器被附接到安装板，所述安装板通过引脚相对于所述安装结构被固定，所述引脚和所述柱状臂具有公共的中心轴，从而使得所述传感器能够绕所述公共的中心轴旋转。
6.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述反向夹持器包括背部、第一臂和第二臂，第一臂和第二臂从所述背部延伸以形成配置用来接纳所述柱状臂的开口。
7.根据权利要求6所述的传感器系统，其中，所述背部具有配置用来接合所述柱状臂的第一表面，所述第一臂具有配置用来接合所述柱状臂的第二表面，并且所述第二臂具有配置用来接合所述柱状臂的 第三表面。
8.根据权利要求7所述的传感器系统，其中，所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面协作以基本上在整个柱状臂的周围提供恒定的环向应力。
9.根据权利要求7所述的传感器系统，其中，在休止状态中，所述背部、所述第一臂和所述第二臂在所述开口与所述柱状臂之间形成过盈配合。
10.根据权利要求7所述的传感器系统，其中，所述第一表面具有第一半径，所述第二表面具有第二半径，所述第三表面具有第三半径，所述第一半径的第一原点相对于所述第二半径和第三半径的第二原点偏移。
11.根据权利要求10所述的传感器系统，其中，所述第一半径、所述第二半径和第三半径相等。
12.根据权利要求6所述的传感器系统，其中，在挠曲状态中，所述第一臂和所述第二臂挠曲，从而使得所述开口与所述柱状臂的直径匹配。
13.根据权利要求6所述的传感器系统，其中，所述反向夹持器包括被附接到所述背部的基底，在所述基底与所述第一臂和所述第二臂二者之间形成槽部。
14.根据权利要求13所述的传感器系统，其中，在所述第一臂和所述第二臂之间形成间隙，所述槽部从所述间隙向所述背部延伸，所述槽部的末端点被定位为超过所述开口的中心线以进入所述背部。
15.一种用于生成反向夹持器的方法，包括如下步骤: 定义夹持直径；估计夹持偏移； 估计夹臂轮廓几何结构； 定义用于反向夹持器的材料； 运行有限元分析以计算当反向夹持器的臂被打开到夹持直径时生成的力； 验证反向夹持器中的局部应力没有超出所述材料的屈服应力并且反向夹持器中的应变低于所述材料的弹性极限。
16.—种反向夹持器,包括: 背部； 第一臂；以及 第二臂；所述第一臂和所述第二臂从所述背部延伸，以形成配置用来接纳柱状臂的开□。
17.根据权利要求16所述的反向夹持器，其中，所述背部具有配置用来接合所述柱状臂的第一表面，所述第一臂具有配置用来接合所述柱状臂的第二表面，并且所述第二臂具有配置用来接合所述柱状臂的第三表面。
18.根据权利要求17所述的反向夹持器，其中，所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面协作以基本上在整个柱状臂的周围提供恒定的环向应力。
19.根据权利要求 17所述的反向夹持器，其中，在休止状态中，所述背部、所述第一臂和所述第二臂在所述开口与所述柱状臂之间形成过盈配合，并且，在挠曲状态中，所述第一臂和所述第二臂挠曲，从而使得所述开口与所述柱状臂的直径匹配。
20.根据权利要求17所述的反向夹持器，其中，所述第一表面具有第一半径，所述第二表面具有第二半径，所述第三表面具有第三半径，所述第一半径的第一原点相对于所述第二半径和第三半径的第二原点偏移，并且，所述第一半径、所述第二半径和第三半径相等。
21.根据权利要求16所述的反向夹持器，其中，在所述第一臂和所述第二臂之间形成间隙，所述反向夹持器包括被附接到所述背部的基底，在所述基底与所述第一臂和所述第二臂之间形成槽部，所述槽部从所述间隙延伸到所述背部中，所述槽部的末端点被定位为超过所述开口的中心线以进入所述背部。
22.一种用于制造反向夹持器的方法，包括如下步骤: 提供整块的材料； 在所述块中形成开口； 在所述开口中形成间隙以产生两条臂；以及 形成槽部，以产生基底和夹持部分。
全文摘要
提供一种传感器系统和反向夹持器。反向夹持器可以包括背部、第一臂和第二臂。第一和第二臂从背部延伸，以形成配置用来接纳柱状臂的开口。
文档编号B25B23/00GK103180686SQ201180036318
公开日2013年6月26日 申请日期2011年6月8日 优先权日2010年6月8日
发明者D·克劳瑟 申请人:感知器股份有限公司