专利名称：用于标记或处理表面的装置、工具以及关节臂的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在可预定的位置处标记或处理表面的装置，以及这种装置所 用的工具和关节臂。
背景技术：
在表面处理中，始终存在对精确标记和处理表面的需要。例如，当钻孔时，采用测 量工具找到应该钻孔的位置。在今天的解决方案中，使用不同种类的测量工具以找到这种 位置并且在实际钻孔之前对孔进行标记。采用的测量工具通常是卷尺或激光仪。因此，在 钻孔可以进行之前存在需要的许多手工作业。而且当用手锯或竖锯锯切时，通常需要遵循一些线或标记，以便在正确的位置锯 切。正如以上所述，存在在锯切之前在对象的表面上形成适当的标记或线所必需的若干个步骤。在另一个实例中，表面被研磨、磨砂或刨平。在某些间隔处测量表面，并且根据测 量结果，继续或结束研磨、砂磨或者刨平。这些重复测量也耗费大量时间。这同样适用于刳刨机。为了建立轨迹，必须执行若干个测量步骤以便产生正确的 路径。因此，在表面可以被标记或处理之前必需完成若干个测量步骤。这需要使用附加 的工具并且耗费大量的时间。而且有时测量不够精确。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种用于标记或处理表面的装置，该装置能够更精 确、更迅速地完成任务并且不需要另外的测量仪表和测量步骤，并提供用于这种装置的工 具和关节臂。本发明在其各个方面是如所附权利要所述。用于在可预定位置处标记或处理表面的所述装置包括可用手操作的标记或处理 工具；可手动操作的、无支撑的关节臂，所述关节臂具有由关节可枢转地连接的至少两个臂 部、位于所述臂的远端用于可释放地安装所述工具的装配部、和用于测量所述关节的定位 的传感器，其中至少在第一操作模式中，所述关节提供基本上无阻力并且无支撑力的旋转 可动性；以及位置指示单元，所述位置指示单元用于利用所述传感器的输出信号计算并指 示用于所述工具的位置。所述装置是坐标测量机和用于标记或处理表面的工具的特别有利的结合。现有技 术中众所周知具有关节臂的坐标测量机。其通常包括附接于关节臂的一端的测头，其中所 述测头在其远侧的自由端装备有红宝石球。为了测量对象的坐标，使红宝石球接触对象并 且也可以使红宝石球沿对象的表面移动。因此对象的坐标由红宝石球从已知的基准点的位 移计算。测量出的坐标优选地可以与模型或图样比较。通过标准坐标测量机，对象的表面 不会以任何方式改变。
本发明的思想在于将用于标记或处理表面的工具附接于坐标测量机的关节臂。所 述装置连续确定所述工具的位置并且通知用户与预定位置的任何偏离。因此，用户能够立 即实施其标记或表面处理任务而不必预先测量表面并且在预定位置将标记施加至对象。在优选实施方式中，所述装配部包括解耦元件。设置所述解耦元件以保护所述关 节臂的传感器。所述传感器优选地是光学传感器，例如角度编码器，所述光学传感器对运动 敏感，因而可容易被所述工具产生的强烈振动或扭转破坏。所述解耦元件可以是阻尼元件。所述阻尼元件大大地减小可能由所述工具引起的 任何振动或突然运动。所述阻尼元件可以是优选地由橡胶或硅胶制成的弹性元件。所述弹 性元件可以是环形的。在另一个优选实施方式中，所述解耦元件是连接元件，所述连接元件能局部锁定， 以使所述工具的运动仅具有一个自由度。一旦所述工具已经到达预定位置这种解耦元件就 可以被接合，以便执行某一任务，例如钻孔。假如所述关节臂和附接于所述臂的传感器不会 遭受沿钻孔方向推动钻孔机所需的力，则是非常有利的，否则位置读取精度将被削弱并且 所述臂的传感器将不受保护。根据另一个优选实施方式，所述臂包括若干个关节，其中，至少在所述第一操作模 式中，所有的关节都提供基本上无阻力并且无支撑力的旋转可动性。具体地，例如在第二操 作模式中，所述关节中的至少一个关节的刚度也可以被调整。为所述臂提供若干个关节使 所述臂能在更大范围内以更大的自由度运动。优选地，所述工具能以六个自由度运动。所 述关节的刚度可以在能自由运动至根本不能动的界限内调整。根据选择的刚度，所述臂也 能在希望的位置处支撑工具，即所述臂将起工具保持件的作用。然而，在为关节选择刚性调 整的情况下，例如因为粘滑效应，不能保证关节定位的精确测量。因此，根据发明，如从一般 类型的关节臂CMM已知，至少在一个操作模式中，所述臂的关节提供臂部相对于彼此基本 上无阻力并且无支撑力的旋转可动性。根据更具体的实施方式，例如在第三操作模式中，所述臂的所述关节也可以有选 择地锁定以便将所述远端和在所述远端处安装于装配部的工具的可动性限制到一个或一 些特定的希望的自由度，特别是限制至一平面。这使用户能够距墙壁预定距离或在地面上 方的预定距离处移动所述工具。所述工具可以是标记器或电动工具，特别是钻孔机、锯床、磨床、砂光机、刨机或刳 刨机。所有这些工具都需要精确定位和优选地还需要适当的方位对准，以便以希望的方式 标记或成形表面。优选地，可以利用快速装配连接器将所述工具安装于所述装配部。所述工具因而 可以用另一个工具快速地更换以便继续作业。所述快速装配连接器可以包括用于将电功率供应给所述工具的电联接器。因此， 一旦所述工具已被连接至所述装配部，它也将被供应电功率。不再需要插上所述工具的插 头的附加步骤。所述工具的连接元件也可以装备有某种识别构件，一旦所述工具被附接于所述装 配部，所述识别构件就可以由所述位置指示单元以电气或电子方式读取。因此，所述快速装 配连接器需要被连接至所述位置指示单元。因此，所述位置指示单元一被安装，就被提供所 述工具的校正偏移。这种识别构件在现有技术中众所周知，例如以识别个人计算机的硬件。
所述工具的方位可以由所述位置指示单元指示。根据本实施方式，用户不但能找 到工具开始进行标记或表面处理任务的希望的位置，而且也被告知以何种方位保持所述工 具。因此他可以例如钻出垂直于表面的孔。在优选实施方式中，所述工具进行运动应当沿 的方向是可指示的。这可以通过将线投射在待处理的表面上来实现。当锯切时，用户仅需 要沿该线进一步移动其工具。所述位置指示单元可以包括存储单元，以存储工具的若干个位置和/或方位。因 此，所述装置可以被编程以示出若干个预定位置的顺序。因此，对更复杂的对象进行作业， 或者所述工具可执行更困难的运动，诸如锯出一个圆。所述位置指示单元可以包括个人数字助理(PDA)。这种个人数字助理当前可广泛 用并且通常包括具有大存储器的可编程处理单元以及触摸感应图形用户接口和用于附接 关节臂之类的其他硬件的若干个其他接口。这些个人数字助理便宜并且易于编程和使用。 因此，它们可以被用来将预定位置的坐标输入所述位置指示单元并且将信息显示给用户。所述位置指示单元还可以包括激光束发生器。该激光束发生器可以被附接于所述 装配部。合适的激光束发生器包括激光二极管。也可以设置光束导向装置以便将激光束导 向表面上希望的位置。此外，所述激光束发生器可以被构造成产生激光束线。这种激光束 线可以有利地被用来指示所述工具进行运动应该沿的方向。扬声器可以被连接至所述位置指示单元以通过语音和/或声音提供位置指示。因 此，可通过语音信息例如“向右移动工具”或以一系列声音指示用户如何移动所述工具。优选地，所述臂可伸缩地延长以扩大所述装置的操作范围。所述臂的可延长部分 应当装备长度传感器以测量延伸程度。然后，所述长度传感器的输出信号将被馈送入所述 位置指示单元以便确定所述工具的正确位置。所述位置指示单元还可以包括图像投影仪。所述投影仪将照亮待处理的表面的至 少一部分。例如呈点、线、十字或圆形形式的图像将被投射在所述表面上以指示预定位置。 所述投影仪也能指示工具运动的若干个位置以及方向。本发明还包括一种标记或处理表面的装置用工具。所述工具设有连接元件以将所 述工具安装于关节臂的装配部。发明还包括一种标记或处理表面的装置用关节臂。所述臂可手动操作，所述臂包 括由关节可枢转地连接的至少两个臂部；位于所述臂的一个端部处用于可释放地安装标记 或处理工具的工具装配部；以及用于测量所述关节的定位的传感器。所述装置可以通过将所述工具移到至少一个标定位置而被标定。所述标定位置被 用来复位所述臂的所述传感器的读数。所述装置也可以被以教学模式操作。在该模式中，标记工具或探针被附接于所述 装配部。所述标记工具或探针移动到至少一个预定位置或沿线移动；所述预定位置或线被 存储在所述位置指示单元的所述存储单元中。于是，所述工具被用电动工具交换以在预定 位置处理所述表面，例如沿线锯切。本发明还涉及可手动操作的关节臂坐标测量机(CMM)的使用方法，从而预定地定 位可用手操作的标记或处理工具，以便能够在希望的表面位置处标记或处理表面。其中，符 合其类型的关节臂坐标测量机包括由关节可枢转地连接的至少两个臂部和用于测量所述 关节的定位的传感器，其中所述关节提供基本上无阻力并且无支撑力的旋转可动性。
通过如下步骤实现该使用方法，即将所述工具安装在所述关节臂坐标测量机的 远端上，并且利用所述传感器的输出信号以精确方式计算并指示所述工具的位置，使得所 述工具在希望的、精确限定的表面位置处标记或处理所述表面，例如以便在墙壁的精确限 定位置处在墙壁中钻孔。总之，本发明涉及一种用于在可预定的位置处标记或处理表面的装置，该装置包 括-可用手操作的标记或处理工具；-可手动操作的关节臂，该关节臂具有由关节可枢转地连接的至少两个臂部；位 于所述臂的一个端部处用于可释放地安装所述工具的装配部；以及用于测量所述关节的定 位的传感器；以及-用于利用所述传感器的输出信号计算并指示所述工具的预定位置的位置指示单兀。
现在将参照附图所示的示例性实施方式详细地说明本发明，其中图1示出根据现有技术的关节臂CMM ；图2是根据第一实施方式的装置的侧视图；图3是根据第二实施方式的装置的侧视图；图4是照亮部分的正视图；以及图5示出根据本发明的用于标记或处理的装置的户外使用。
具体实施例方式本文所述的实施方式的原理示出用来说明本发明的若干实施例的结构和操作。应 当理解，附图是这种示例性实施方式的概略和示意性表示，因此不会限制本发明的范围，也 不必按比例绘制。图1示出了根据现有技术的关节臂CMM 101。该CMM用于确定探针106的测量位 置。因此，关节臂CMM 101包括底座103，该底座103形成CMM的支撑件并且可以被定位在 表面上，具体地说定位在地板或工作台上。连接至底座103的若干个臂部件10 至105g 通过铰链和回转关节108a至108d连接，因此，臂部件10 至105g可抵靠彼此相对移动。 其中，关节提供基本上无阻力并且无支撑力的旋转可动性，从而能够精确测量每个关节的 实际相对定位。第一臂部件10 和底座103连接并且可相对于该底座103移动，第二臂部件10 和第一臂部件10 连接并且可相对于该第一臂部件10 移动，等等。形成关节臂的端部 的最后的臂部件105g已经附接探针106，因此，探针106能以给定量自由地运动。例如，探 针106可由用户手动操作并且可以设计为红宝石球以便构造为接触待测量的表面点。此外，感测单元109a至109d被分配给铰链和回转关节108a至108d，感测单元 109a至109d形成为测量每个关节108a至108d的实际相对定位。因此，感测单元109a至 109b例如安装在相应的关节108a至108d的壳体中。例如，光电角度传感器被用作感测单 元以测量由相应的关节连接的两个臂部件之间的实际角度α、β、Y、δ、ε。
测量到的每个关节108a至108d的实际定位被传输到计算单元107。通过结合每 个关节108a至108d的相对定位，计算单元107分别计算探针106相对于坐标测量机101 的底座103的内部位置，探针106所接触的点的位置。例如，计算出的相对于底座103的内 部位置的坐标可以被显示在计算单元107的显示器上。根据本发明的一方面，可手动操作的关节臂坐标测量机(CMM)可以用于可预定地 精确地定位可用手操作的标记或处理工具，从而能够在希望的、精确限定的表面位置精确 地标记或处理表面。可以通过将工具安装在关节臂坐标测量机的远端上并且利用传感器的输出信号 计算并指示工具的位置，使得工具在希望的表面位置处标记或处理表面，来相应地使用关 节臂CMM。如在下文更详细地说明的，臂的远端可以包括用于工具的装配部或插座，使得工 具可以被容易地安装并固定于关节臂CMM的端部。在图2中，示出根据发明的用于标记或处理表面的装置1的内部情况。工具2被 附接于关节臂3。关节臂3被连接至位置指示单元4。工具2是可用手操作的动力工具，本实施方式中是钻孔机，但是该工具也可以是 任何其他标记工具或动力工具，例如锯床、磨床、砂光机、刨机或者刳刨机。工具2装备有为 快速装配连接器6的一部分的连接元件5。通过该连接元件5，工具2可释放地安装于关节 臂3的装配部7。可手动操作的关节臂3包括作为底座的基座8。基座8设有供关节臂3的第一臂 部10插入的钻孔9。臂部10可以在钻孔中转动。设置有转动传感器11，以确定关节臂3 在钻孔9中的转动定位。关节臂3包括总共三个臂部10、12、13，在这些臂部的端部由关节 14至16可枢转地连接。附接有装配部7的关节16是球形关节。可以通过上紧螺纹元件 17将关节14至16的枢转运动限制或锁定就位。设置有操作杆18以操作螺纹元件17。每 个关节14至16均装备有呈光学角度编码器19形式的传感器以测量关节14至16的定位。 角度编码器19通过电线(未示出)连接至位置指示单元4。中间的臂部12可伸长以增大 关节臂3的范围。中间臂部12具有延伸传感器20以测量关节臂3的延伸程度。延伸程度 传感器20被连接至位置指示单元4。位于关节臂3的与基座8相对的端部21处的装配部 7提供呈阻尼元件形式的解耦元件22。装配部7还设有作为快速装配连接器6的一部分的 另一个连接元件23以将工具2附接于关节臂3。快速装配连接器6还包括用于将电功率供 应给动力工具2的电联接器24。在欧洲专利说明书EP 1 577 050 Bl中已经详细地描述了 具有电联接器的适当的快速装配连接器。电源线25 J6被附接于电联接器M的两端并且 通向动力工具2和位置指示单元4。位置指示单元4被连接至关节臂3的传感器11、19、20。位置指示单元4包括个人 数字助理27，该个人数字助理27装备有几乎覆盖位置指示单元4的整个前部的大型触敏 显示器观，该触敏显示器观和用于存储工具2的若干位置的存储单元四。可以利用触敏 显示器28将预定位置的坐标输入位置指示单元4。在显示器28上，可以优选地以箭头30 的形式显示位置、方位以及方向信息，以使用户能够将工具2精确地移到至少一个预定位 置。在本实施方式中，位置指示单元4被进一步构造成控制对动力工具2的电力供应。位 置指示单元4还被连接至激光束发生器31，该激光束发生器31被附接于装配部7。激光束32由激光二极管产生并且由激光束导向装置33，例如可动透镜、镜子或扫描器轮(scanner wheel)导向。激光束发生器31指示墙壁34上的要钻孔的位置。激光束发生器31被进一 步构造成产生激光束线并且还可以在墙壁上显示字符或数字。现在参看图3，示出了用于标记或处理表面的装置50的第二实施方式。代替激光 束发生器，本实施方式包括照亮墙壁34的一部分52的投影仪51，图4示出了该部分52的 正视图。工具2的预定位置在照亮的部分52内以图像53的形式示出，在本示例中为十字。 投影仪51由电缆53连接至位置指示单元4。图5示出根据发明的用于标记或处理的装置1’的户外使用，例如用于施工现场。 装置1’的一种应用是向表面钻孔或者以预定方式直接处理表面。示例性地，为了将公司标 识60的字母61精确地放置在墙壁62之上，必须精确地在墙壁62中钻出若干个孔，墙壁62 已被测量并存储在施工现场的计算机模型中。根据本发明，用于标记或处理的装置1’被用于在预定位置处精确地钻孔。通过例 如利用全站仪64测量装置的底座的外部位置而在计算机模型的坐标系中定位该底座。因 此，装置1’的底座可以包括用于测量外部位置的装置，例如反向反射器65或隅角棱镜以允 许在外部坐标系中精确地确定装置位置。可替代地，可以在装置1’的底座中安装全球定位 系统传感器(GPS位置传感器)，以便在计算机模型的坐标系中定位用于标记或处理的装置 1，。
权利要求
1.一种用于在可预定的位置处标记或处理表面的装置(1 ；1’)，该装置(1 ；1')包括可用手操作的标记或处理工具O)；可手动操作的、无支撑的关节臂(3)，所述关节臂具有由关节(14至16)可枢转地连 接的至少两个臂部(10，12，13)，所述关节(14至16)提供基本上无阻力并且无支撑力的旋 转可动性；装配部(7)，该装配部位于所述臂(3)的远端(21)，用于可释放地安装所述工具 ⑵；以及用于测量所述关节(14至16)的定位的传感器(19)；以及位置指示单元G)，所述位置指示单元用于利用所述传感器(19)的输出信号计算并指 示所述工具O)的预定位置。
2.根据权利要求1所述的装置(1；1’)，其特征在于，所述装配部(7)包括解耦元件 (22)，尤其是具有阻尼元件的解耦元件。
3.根据权利要求2所述的装置(1；1’)，其特征在于，所述解耦元件0 是连接元件， 所述连接元件可局部锁定，以使所述工具( 仅能以一个自由度运动。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置(1；1’)，其特征在于，所述装置(1 ；1’) 包括用于测量所述装置在外部坐标系中的位置的部件，所述部件尤其是反向反射器(65) 或全球定位系统传感器。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置(1；1’)，其特征在于，所述臂(3)包括 若干个关节(14至16)，其中，至少在第一操作模式中，所有的所述关节(14至16)提供基 本上无阻力并且无支撑力的旋转可动性，并且尤其是其中在第二操作模式中，所述关节(14 至16)中的至少一个关节的刚度可调整。
6.根据权利要求5所述的装置(1；1’)，其特征在于，在第三操作模式中，所述关节(14 至16)中的至少一个关节能有选择地锁定，以便将所述远端的可动性限制到一个或一 些特定的希望的自由度，尤其是限制至一平面。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的装置(1；1’)，其特征在于，所述工具(2)是 标记器或电动工具，尤其是钻孔机、锯床、磨床、砂光机、刨机或刳刨机。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的装置(1；1’)，其特征在于，所述工具(2)能 利用快速装配连接器(6)安装至所述装配部(7)。
9.根据权利要求8所述的装置(1；1’)，其特征在于，所述快速装配连接器(6)包括用 于将电功率供应给所述工具O)的电联接器04)。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的装置(1；1’)，其特征在于，所述工具(2)的 方位和优选地所述工具( 进行移动所应沿着的方向可由所述位置指示单元(4)指示。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的装置(1；1’)，其特征在于，所述位置指示 单元(4)包括用于存储所述工具O)的若干位置和/或方位的存储单元09)。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的装置(1；1’)，其特征在于，所述位置指示 单元(4)包括个人数字助理、2 )。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的装置(1；1’)，其特征在于，所述位置指示 单元(4)包括激光束发生器(31)，其中所述激光束发生器(31)优选地构造成产生激光束 线。
14.一种根据权利要求1至13中的任一项所述的装置(1 ;1’)用的标记或处理工具， 所述工具设有连接元件(5)，该连接元件用于将所述工具(2)安装于关节臂(3)的装配部⑵。
15.一种根据权利要求1至13中的任一项所述的装置(1 ；1’ )用的可手动操作的、无 支撑的关节臂，所述关节臂包括由关节(14至16)可枢转地连接的至少两个臂部(10，12，13)，所述关节(14至16)提 供基本上无阻力并且无支撑力的旋转可动性；装配部(7)，该装配部位于所述臂(3)的一个端部处，用于可释放地安装标记或处 理工具⑵；以及用于测量所述关节(14至16)的定位的传感器(19)。
16.可手动操作的关节臂坐标测量机的使用方法，所述关节臂坐标测量机包括 由关节(14至16)可枢转地连接的至少两个臂部(10，12，13)，所述关节(14至16)提供基本上无阻力并且无支撑力的旋转可动性；和用于测量所述关节(14至16)的定位的传感器(19)；该方法用于通过以下步骤可预定地定位可用手操作的标记或处理工具O)，从而能够 在希望的表面位置标记或处理表面，这些步骤即将所述工具(2)安装在所述关节臂坐标测量机的远端上；并且 利用所述传感器(19)的输出信号计算并指示所述工具( 的位置，使得所述工具在所 述希望的表面位置处标记或处理所述表面。
全文摘要
本发明涉及一种用于在可预定的位置处标记或处理表面的装置(1；1’)，该装置包括可用手操作的标记或处理工具(2)；可手动操作的关节臂(3)，所述关节臂具有由关节(14至16)可枢转地连接的至少两个臂部(10，12，13)、位于所述臂(3)的一个端部(21)处用于可释放地安装所述工具(2)的装配部(7)以及用于测量所述关节(14至16)的定位的传感器(19)；以及用于利用所述传感器(19)的输出信号计算并指示所述工具(2)的位置的位置指示单元(4)。本发明还涉及用于标记或处理表面的装置(1；1’)所用的工具(2)和关节臂(3)。
文档编号G01B5/008GK102143827SQ200980134608
公开日2011年8月3日 申请日期2009年10月6日 优先权日2008年10月9日
发明者波·佩特尔松 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司