专利名称：用于重新定位铰接臂式坐标测量机的设备和方法
交叉引用
本申请要求2005年6月23日申请的美国临时申请第60/693,295号的优先权，其通过引用结合在本文中。
背景技术：
本公开涉及两个坐标测量装置。这些装置之一属于通过使用铰接机械结构探测一点来测量该点坐标的一类设备。探测可通过机械探针或通过非接触扫描装置进行。探针的位置由设置在将铰接部分相互连接的机械接合点处的角度编码器的读数确定。无论其使用机械探针还是扫描仪，该类型装置都被称为铰接臂式坐标测量机(CMM)。Raab的美国专利第5,402,582号描述了属于该类装置的示例性系统。
这些装置的另一个是被称为激光跟踪仪的设备，其通过向与一点相接触的回射器目标发射激光光束来测量该点的坐标。激光跟踪仪通过测量到反光镜的距离和两个角度来确定该点的坐标。距离通过例如绝对距离计量器或干涉仪等距离测量装置测量。角度通过例如角度编码器等角度测量装置测量。在该设备中的万向梁操纵机构将激光光束导向所关注的点。Brown等的美国专利第4,790,651号和Lau等的美国专利第4,714,339号描述了属于该类设备的示例性系统。
铰接臂式CMM能够弯曲到各个方向。由于这点，其能够测量“隐藏”的点，即隐藏于例如激光跟踪仪等测量装置的光线视野的点。另一方面，激光跟踪仪可以比铰接臂式CMM在更大的体积上测量。所需要的是在激光跟踪仪更大的测量体积上通过铰接臂式CMM获得方便地测量隐藏点的方法。
发明内容
一个实施例可以包括一种用于坐标测量的系统，包括激光跟踪仪；回射器；可重新定位到不同位置的可移动的铰接臂式坐标测量机(CMM)；用于将所述回射器附着到所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的组件；其中所述系统构造成使得激光光束可以从所述激光跟踪仪发射，用来测量所述回射器在第一坐标系中相对于所述激光跟踪仪的位置，同时所述铰接臂式坐标测量机(CMM)也测量回射器在第二坐标系中相对于所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的位置，并且所述可移动的铰接臂式坐标测量机(CMM)可以重新定位到不同的位置而且所述测量可重复进行；及用于将所述第一坐标系和/或第二坐标系转换到公共坐标参考系的装置。
一个实施例可以包括一种用于坐标测量的方法，包括将激光跟踪仪安置在固定位置；将回射器已经附着到其上的可移动的铰接臂式坐标测量机(CMM)安置在另一个位置，使得所述回射器可以移动到不同的位置而所述激光跟踪仪保持在固定位置；从所述激光跟踪仪发射激光光束到所述回射器并使其从回射器反射回来，以测量所述回射器在第一坐标系中的位置，并且也在所述回射器位于相同位置时通过所述铰接臂式坐标测量机(CMM)测量所述回射器的位置，以测量所述回射器在第二坐标系中相对于所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的位置；及将在第一坐标系和/或第二坐标系中获得的所述回射器的位置测量值转换到公共坐标参考系。
一个实施例还可以包括一种与铰接臂式坐标测量机(CMM)一起使用的回射器组件，包括回射器；及将所述回射器附着在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)上的安装件。
一个实施例还可以包括一种将用于测量物体的铰接臂式坐标测量机(CMM)重新定位在所述物体周围的不同位置的方法，包括通过使用安置在铰接臂式坐标测量机(CMM)中的角度传感器测量安置在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的臂上的回射器的第一位置在第一坐标系中的第一组坐标；还通过使用激光跟踪仪和从所述激光跟踪仪发射并从所述回射器反射回所述激光跟踪仪的激光光束测量安置在所述臂上的所述回射器在第二坐标系中的第一组第二坐标；移动所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的连杆以将所述回射器重新定位到第二位置，并且通过使用安置在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)中的角度传感器测量安置在铰接臂式坐标测量机(CMM)的臂上的回射器的第二位置在第一坐标系中的第二组坐标；还通过使用激光跟踪仪和从所述激光跟踪仪发射并从所述回射器反射回所述激光跟踪仪的激光光束测量安置在所述臂上的所述回射器在第二坐标系中的第二组第二坐标；移动所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的连杆以将所述回射器重新定位到第三位置，并且通过使用安置在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)中的角度传感器测量安置在铰接臂式坐标测量机(CMM)的臂上的回射器的第三位置在第一坐标系中的第三组坐标；还通过使用激光跟踪仪和从所述激光跟踪仪发射并从所述回射器反射回所述激光跟踪仪的激光光束测量安置在所述臂上的所述回射器在第二坐标系中的第三组第二坐标；及使用所述三组第一和第二坐标形成将所有组的坐标与公共参考系建立联系的转换矩阵。
一个实施例还可以包括一种用于测量物体的激光测量设备，包括具有角度编码器的铰接臂式坐标测量机(CMM)；具有测距仪和角度编码器的激光跟踪仪；及设置在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的臂上的与激光跟踪仪一起使用的回射器。
现在参照附图，显示了实施例的示例，其不应解释为限制本公开的整个范围，并且其中几幅图中部件以相同的方式编号 图1是与激光跟踪仪一起使用的铰接臂式CMM的立体视图； 图2是回射器夹具组件的分解立体视图； 图3是通过使用激光跟踪仪重新定位到第二位置的铰接臂式CMM的立体视图； 图4是安装的球形组件的立体视图； 图5A和5B是与安装的球嵌组接触的回射器的立体视图；及 图6A和6B是参照数学术语的铰接臂式CMM的立体视图。
具体实施例方式 现在将详细参照附图中示出的示例性实施例、示例。
图1中显示了大比例尺的坐标探测系统100。探测系统100包括铰接臂式CMM200、回射器夹具组件300和激光跟踪仪400。根据例如本领域的特殊应用，其他的方向、布置、设置和改变都是可能并且可以预期的。因而，本示例不应被认为是限制。
图2显示了回射器夹具组件300的分解视图，其包括球形安装的回射器(SMR)310、运动座320和夹具330。SMR310包括嵌入在部分球体314中的立体角回射器312。立体角回射器312包括三个平面镜部分(M1，M2，M3)，这三个平面镜部分以这样的方式结合在一起每一个玻璃部分相对于其他两个玻璃部分成九十度角。三个玻璃部分的公共交叉点称为SMR310的顶点“A”。顶点“A”设置在部分球体314的球的中心。
运动座320附着到夹具330的顶部，夹具330再锁定在铰接臂式CMM200的末端连杆210上。因而，夹具330使得回射器夹具组件300安置在铰接臂式CMM200上。
运动座320具有三个点状(point-like)接点(未显示)，SMR310的球形表面安置在其上。这些点状接点确保SMR310的中心在SMR310旋转时保持在空间中的相同的点。运动座320优选在其底座中包含磁体，以确保SMR310与三个点状接点保持连续接触。
如图1中所示，激光跟踪仪400向SMR310发射激光光束。立体角回射器312将来自激光跟踪仪的光沿着与激光光束输出的相同线路410反射回到激光跟踪仪400。激光跟踪仪400监控返回的激光光束的位置并且调节跟踪仪头部402的位置，以保持激光光束聚集在SMR310上，即使SMR310从一点移动到另一点。在该例子中，操作者将铰接臂式CMM200的端部移动到三个截然不同的点，但是也可以将铰接臂式CMM200移动到十二个或更多的位置，或者可能只移动到一个位置。在每一个位置处，SMR310回射器坐标的测量通过铰接臂式CMM200和激光跟踪仪400进行。铰接臂式CMM200通过使用其通常设置在铰接臂式CMM200的接合点中的内置角度编码器(未显示)来进行该操作。激光跟踪仪400通过使用其测距仪和角度编码器(未显示)来进行该操作。也可以使用其他类型的编码器和测距仪。
通过比较由铰接臂式CMM200和激光跟踪仪400收集的该数据，确定一个变换矩阵，该变换矩阵用于将铰接臂式CMM200的坐标系转换到激光跟踪仪400的坐标系或反过来。可选地，两组数据可转换到一些其他优选的坐标系xyz中。
当使用铰接臂式CMM200测量大物体时，通常需要将铰接臂式CMM200移动到不同的位置，以测量从第一位置不能测量的该大物体的其他部分。将铰接臂式CMM200移动到不同位置的该动作被称为“重新定位”。上述使用铰接臂式CMM200和激光跟踪仪400同时测量SMR310位置的步骤在铰接臂式CMM200重新定位(例如参见图3中铰接臂式CMM200从位置A移动到位置B)的任何时候进行。这使得从铰接臂式CMM200的数个位置收集的数据在相同参考系中相同公共坐标系内完全连续地接合在一起。通过上面描述的方法，铰接臂式CMM200可以迅速准确地重新定位在激光跟踪仪400的测量体积内的任何位置。
这是相对于现有技术的解决方案重大的改进，在现有技术的解决方案中，这样相对简单的重新定位是不可能的，因为通常在地板上安置数个座(例如四个座)作为铰接臂式CMM的参考系。因而，这些座在铰接臂式CMM重新定位时也必须重新定位，并且例如所有参照点必须相对重新校准。
图3中显示了从第一位置(位置A)移动到第二位置(位置B)来测量大物体600的铰接臂式CMM200的一个示例。该图中，激光跟踪仪400提供铰接臂式CMM200迅速和精确的重新定位。
也可以采用下面的技术来提高铰接臂式CMM重新定位的精度(1)使用铰接臂式CMM和激光跟踪仪测量很多点(例如多于三个)；(2)测量三维空间中尽可能分开的点(即靠近铰接臂测量极限的外边缘)；和(3)测量覆盖所有三维尺寸的点(即避免选取全部位于或接近一个平面上的点)。
补偿来查找SMR位置 当回射器夹具组件300第一次附着到铰接臂式CMM200时，SMR310的坐标必须相对于末端连杆210(参见图6B)的参考系查找。为了实现这点，使用图4中所示的安装的球500进行补偿步骤。这也可称为“初始补偿”步骤，因为其仅需要在回射器夹具组件300第一次附着到铰接臂CMM200上时进行。
安装的球500包括金属球510、磁性座520和底座530。例如，金属球510可以具有与SMR310相同的直径。磁性座520具有三个点状接点(未显示)，金属球510安置在这三个点状接点上。一磁体(未显示)牢固地将金属球510抵靠在三个点状接点上。磁性座520附着到底座530上，底座530在附着到另一个稳定表面上的底板(floor)上。
在查找SMR位置的补偿步骤开始时，SMR310从运动座320卸下。使运动座320与金属球510形成接触，该金属球510安置在磁性座520上。这显示在图5A中。随后，铰接臂式CMM200的连杆或节段移动到不同的位置中，如图5B中所示。运动座320的准确位置并不重要。通过至少再一次地但是优选为再多次地重新定位连杆，铰接臂式CMM的角度编码器上的角度可以用来确定SMR310的中心位置。
使用例如机器人或铰接臂式CMM上铰接的连杆确定坐标的数学方法是公知的。例如，Rachid Manseur的机器人模拟和运动学(RobotModeling and Kinematics)的第3和4章中描述了相关方程式。通过这些方程式，可建立末端连杆210的参考系内的金属球510的中心位置
到铰接臂式CMM200底座220的固定的参考系内的金属球510中心位置
的联系。图6A，6B中显示了用于特定铰接臂式CMM的可能的矢量
和
为了说明这些矢量的含义，图6A，6B中显示了分别用于铰接臂式CMM200和末端连杆210的本地坐标系(xA，yA，zA)和(xF，yF，zF)。在如上所述用于查找SMR坐标的补偿步骤中，金属球510的约束使矢量
和
即使在铰接臂CMM200的连杆到处移动时仍保持不变。与这两个矢量相关的方程式为 在该方程式中，
为根据用于每一个连杆的所谓Denavit-Hartenberg(DH)参数的4×4变换矩阵，如上面所引用的Manseur的书中所解释的。对于每一个连杆，只有一个DH参数，即连杆角度θ在补偿步骤过程中变化。其他DH参数为特定铰接臂式CMM的特性，并且将已经由在铰接臂式CMM制造时实施的工厂补偿步骤确定。固定的参数由单独的工厂补偿步骤确定。矢量符号
表示T为用于臂中所有接合点的角度编码器读数的函数，并且i表示ith测量值，其中每一个测量值对应于铰接臂CMM200的一个不同位置，图5A、5B中显示了其两个示例性位置。如果铰接臂式CMM200移动到许多不同的位置，则方程式(1)的解将不是唯一的。替代地，通过最小化总的残差，得出矢量
和
的最佳估计值。对于ith测量值，残差限定为 为了最小化总残差，选择
和
来最小化resi值的平方和。在这种情况下，
和
每一个由三个坐标值(例如x，y，z)表示，因此具有六个参数值需要查找。选择参数来最小化平方值的和的步骤在本领域是公知的，并且可以使用广泛可得的软件容易地进行。因此该步骤将不再进一步讨论。
重新定位计算 如前面所述，使用铰接臂式CMM200和激光跟踪仪400同时测量SMR310的位置将铰接臂式CMM200方便地重新定位，伴随着SMR移动到数个不同的位置。由铰接臂式CMM200收集的测量值通过以下方程式与激光跟踪仪400的测量值建立联系 在该方程式中，
和
分别为SMR310在激光跟踪仪400的参考系和在铰接臂式CMM200的参考系中的坐标。参数rx、ry、rz分别为代表绕着X、Y和Z轴旋转的欧拉角，且tx、ty、tz分别为X、Y和Z轴上的位移。矩阵M(rx，ry，rz，tx，ty，tz)将SMR310的由重新定位的铰接臂CMM200测量的坐标转换到在本示例中为公共坐标参考系的激光跟踪仪400的参考系中。但是，可能使用或指定任何合适的参考系为公共坐标参考系。该矩阵M(rx，ry，rz，tx，ty，tz)是由重新定位步骤确定的实体(entity)，并且该矩阵可以在任何合适的装置中计算，例如在处理器或软件(未显示)中计算。一旦已知该矩阵，其也可用于测量固定到末端连杆210上的探针205。由铰接臂式CMM200测量的探针205的坐标通过矩阵M(rx，ry，rz，tx，ty，tz)转换，以给出探针205在激光跟踪仪400的参考系中的坐标。
为了查找M(rx，ry，rz，tx，ty，tz)，用于ith测量的残差限定为 进行标准最小二乘法拟合计算来查找最小化残差的平方和的6个拟合参数rx、ry、rz、yx、ty、tz的数值。
对于本领域技术人员显而易见的是，虽然已经显示和描述了示例性实施例，但是可以对本文公开的通过使用激光跟踪仪测量安装在铰接臂式CMM上的回射器来重新定位铰接臂式CMM的设备和方法做出各种改进和改变而不偏离本发明的精神和范围。因此，应可理解，各实施例已经通过示出而不是限制进行了描述。
权利要求
1.一种用于坐标测量的系统，包括
激光跟踪仪；
回射器；
可重新定位到不同位置的可移动的铰接臂式坐标测量机(CMM)；
用于将所述回射器附着到所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的组件；
其中所述系统构造成使得激光光束可以从所述激光跟踪仪发射，用来测量所述回射器在第一坐标系中相对于所述激光跟踪仪的位置，同时所述铰接臂式坐标测量机(CMM)也测量回射器在第二坐标系中相对于所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的位置，并且所述可移动的铰接臂式坐标测量机(CMM)可以重新定位到不同的位置而且所述测量可重复进行；及
用于将所述第一坐标系和/或第二坐标系转换到公共坐标参考系的装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光跟踪仪固定在位。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述回射器包括球形安装的回射器(SMR)。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述回射器包括立方角回射器。
5.一种用于坐标测量的方法，包括
将激光跟踪仪安置在固定位置；
将回射器已经附着到其上的可移动的铰接臂式坐标测量机(CMM)安置在另一个位置，使得所述回射器可以移动到不同的位置而所述激光跟踪仪保持在固定位置；
从所述激光跟踪仪发射激光光束到所述回射器并使其从回射器反射回来，以测量所述回射器在第一坐标系中的位置，并且也在所述回射器位于相同位置时通过所述铰接臂式坐标测量机(CMM)测量所述回射器的位置，以测量所述回射器在第二坐标系中相对于所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的位置；及
将在第一坐标系和/或第二坐标系中获得的所述回射器的位置测量值转换到公共坐标参考系。
6.根据权利要求5所述的方法，其还包括移动所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的连杆，以将所述回射器移动到相对于所述激光跟踪仪的至少两个其他不同位置，并且在每一个位置使用所述激光跟踪仪和所述铰接臂式坐标测量机(CMM)进行一组测量，以在至少三个不同位置产生至少三组测量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，将在第一坐标系和/或第二坐标系中获得的所述回射器的位置测量值转换到公共坐标参考系是使用矩阵和在所述三个位置获得的测量值组进行的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，将在第一坐标系和/或第二坐标系中获得的所述回射器的位置测量值转换到公共坐标参考系是使用矩阵进行，还包括
通过下述方程式使所述铰接臂式坐标测量机(CMM)获得的测量值和所述激光跟踪仪的测量值建立联系
其中
和
分别为所述回射器在所述激光跟踪仪的参考系和所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的参考系中的坐标，
参数rx、ry、rz分别为代表绕着X、Y和Z轴旋转的欧拉角，并且
tx、ty、tz分别X、Y和Z轴上的位移，因而所述矩阵为
M(rx，ry，rz，tx，ty，tz)
所述矩阵将由所述铰接臂式坐标测量机(CMM)测量的所述回射器的坐标转换到用作公共参考系的所述激光跟踪仪参考系中。
9.一种与铰接臂式坐标测量机(CMM)一起使用的回射器组件，包括
回射器；及
将所述回射器附着在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)上的安装件。
10.根据权利要求9所述的回射器组件，其中，所述回射器包括球形安装的回射器(SMR)。
11.根据权利要求9所述的回射器组件，其中，所述回射器包括立体角回射器。
12.一种将用于测量物体的铰接臂式坐标测量机(CMM)重新定位在所述物体周围的不同位置的方法，包括
通过使用安置在铰接臂式坐标测量机(CMM)中的角度传感器测量安置在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的臂上的回射器的第一位置在第一坐标系中的第一组坐标；
还通过使用激光跟踪仪和从所述激光跟踪仪发射并从所述回射器反射回所述激光跟踪仪的激光光束测量安置在所述臂上的所述回射器在第二坐标系中的第一组第二坐标；
移动所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的连杆以将所述回射器重新定位到第二位置，并且通过使用安置在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)中的角度传感器测量安置在铰接臂式坐标测量机(CMM)的臂上的回射器的第二位置在第一坐标系中的第二组坐标；
还通过使用激光跟踪仪和从所述激光跟踪仪发射并从所述回射器反射回所述激光跟踪仪的激光光束测量安置在所述臂上的所述回射器在第二坐标系中的第二组第二坐标；
移动所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的连杆以将所述回射器重新定位到第三位置，并且通过使用安置在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)中的角度传感器测量安置在铰接臂式坐标测量机(CMM)的臂上的回射器的第三位置在第一坐标系中的第三组坐标；
还通过使用激光跟踪仪和从所述激光跟踪仪发射并从所述回射器反射回所述激光跟踪仪的激光光束测量安置在所述臂上的所述回射器在第二坐标系中的第三组第二坐标；及
使用所述三组第一和第二坐标形成将所有组的坐标与公共参考系建立联系的转换矩阵。
13.根据权利要求12所述的将用于测量物体的铰接臂式坐标测量机(CMM)重新定位在所述物体周围的不同位置的方法，其还包括使用所述转换矩阵将通过所述铰接臂式坐标测量机(CMM)获得的隐藏于所述激光跟踪仪的隐藏位置的第四组坐标测量值与公共参考系建立联系。
14.一种用于测量物体的激光测量设备，包括
具有角度编码器的铰接臂式坐标测量机(CMM)；
具有测距仪和角度编码器的激光跟踪仪；及
设置在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的臂上的与激光跟踪仪一起使用的回射器。
15.一种将用于测量物体的铰接臂式坐标测量机(CMM)重新定位在所述物体周围的不同位置的方法，包括
通过使用安置在铰接臂式坐标测量机(CMM)中的角度传感器测量安置在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的臂上的回射器的第一位置在第一坐标系中的第一组坐标；
还通过使用激光跟踪仪和从所述激光跟踪仪发射并从所述回射器反射回所述激光跟踪仪的激光光束测量安置在所述臂上的所述回射器在第二坐标系中的第一组第二坐标；
移动所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的连杆以将所述回射器重新定位到第二位置，并且通过使用安置在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)中的角度传感器测量安置在铰接臂式坐标测量机(CMM)的臂上的回射器的第二位置在第一坐标系中的第二组坐标；
还通过使用激光跟踪仪和从所述激光跟踪仪发射并从所述回射器反射回所述激光跟踪仪的激光光束测量安置在所述臂上的所述回射器在第二坐标系中的第二组第二坐标；
移动所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的连杆以将所述回射器重新定位到第三位置，并且通过使用安置在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)中的角度传感器测量安置在铰接臂式坐标测量机(CMM)的臂上的回射器的第三位置在第一坐标系中的第三组坐标；
还通过使用激光跟踪仪和从所述激光跟踪仪发射并从所述回射器反射回所述激光跟踪仪的激光光束测量安置在所述臂上的所述回射器在第二坐标系中的第三组第二坐标；
移动所述铰接臂式坐标测量机(CMM)的连杆以将所述回射器重新定位到第四位置，并且通过使用安置在所述铰接臂式坐标测量机(CMM)中的角度传感器测量安置在铰接臂式坐标测量机(CMM)的臂上的回射器的第四位置在第一坐标系中的第四组坐标；
还通过使用激光跟踪仪和从所述激光跟踪仪发射并从所述回射器反射回所述激光跟踪仪的激光光束测量安置在所述臂上的所述回射器在第二坐标系中的第四组第二坐标；及
使用所述四组第一和第二坐标和/或附加的第五、第六、第七或更多组的测量数据形成将所有组的测量坐标与公共参考系建立联系的转换矩阵。
全文摘要
本发明描述一种用于测量物体的测量设备、系统和方法，其可以轻易地绕着所述物体重新定位。该系统使用铰接臂式坐标测量机(CMM)(200)和激光跟踪仪(400)。与激光跟踪仪一起使用的回射器(310、312)设置在铰接臂坐标测量机(CMM)的臂上。公共坐标参考系可以确定用于CMM和激光跟踪仪，使得CMM可以移动。而且，可以使用例如CMM测量隐藏于激光跟踪仪的点。
文档编号G01B21/04GK101203730SQ200680022308
公开日2008年6月18日 申请日期2006年6月23日 优先权日2005年6月23日
发明者西蒙·拉布 申请人:Faro科技有限公司