具有可拆卸附件的坐标测量的制造方法

具有可拆卸附件的坐标测量的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种便携式关节臂坐标测量机。坐标测量机包括具有臂部的基部。探针端耦接至臂部的远离基部的端部。设备被配置成将编码结构光发射到对象上，以确定该对象上的点的三维坐标。
【专利说明】具有可拆卸附件的坐标测量机

【背景技术】
[0001] 本公开内容涉及坐标测量机，以及更特别地，涉及在坐标测量机的探针端上具有 连接器的便携式关节臂坐标测量机，该连接器允许将使用结构光进行非接触式三维测量的 附件设备可拆卸地连接到坐标测量机。
[0002] 便携式关节臂坐标测量机（AACMM)在零件的制造或生产中得到了广泛应用，在零 件的制造或生产中需要在零件的制造或生产（例如，机械加工）的不同阶段期间快速并且 准确地验证零件的尺寸。便携式AACMM相对于已知的静止或固定的、高成本的并且较难使 用的测量设施表现出重大改进，尤其在对相对复杂零件进行尺寸测量的所需的时间量方面 表现出重大改进。通常，便携式AACMM的用户简单地沿着待测零件或对象的表面引导探针。 然后，测量数据被记录并提供给用户。在一些情况下，数据以视觉形式提供给用户，例如，在 计算机屏幕上以三维（3D)形式提供给用户。在其他情况下，数据以数字形式提供给用户， 例如，当测量孔的直径时，文本"直径=1.0034"显示在计算机屏幕上。
[0003] 在共同转让的美国专利Ν〇·5,402,582( '582)中公开了现有技术中的便携式 关节臂CMM的示例。'582专利公开了一种3D测量系统，该3D测量系统包括一端上具有 支承基部并且另一端上具有测量探针的手动操作的关节臂CMM。共同转让的美国专利 No. 5, 611,147( '147)公开了类似的关节臂CMM。在'147专利中，关节臂CMM包括多个特 征，所述多个特征包括在探针端处的附加的旋转轴线，从而给臂提供2-2-2或2-2-3的轴线 配置（后一种情况为七轴臂）。
[0004] 还可以采用非接触技术来测量三维表面。一种类型的非接触式设备一有时称为 激光线探针或激光线扫描仪一在点上或者沿着线发出激光。例如，成像设备例如电荷耦 合器件（CCD)被定位成与激光器相邻。激光器被布置成发出被表面反射的一束光。被测对 象的表面引起漫反向，该漫反向由成像设备捕捉。传感器上的反射线的图像随着传感器与 表面之间的距离变化而变化。可以通过获知成像传感器与激光器之间的关系以及传感器上 的激光图像的位置，使用三角测量方法来测量表面上的点的三维坐标。采用激光线探针出 现的一个问题是测量点的密度可以根据激光线探针横跨对象表面运动的速度而变化。激光 线探针运动的越快，点之间的距离越大，点密度越小。采用结构光扫描仪，在二维的每个维 度中，点间距通常是均匀的，从而通常提供工件表面点的均匀测量。
[0005] 尽管现有的CMM适于其预期目的，但是需要一种具有本发明实施方式的某些特征 的便携式AACMM。


【发明内容】

[0006] 根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于测量对象在空间中的三维坐标的便 携式关节臂坐标测量机（AACMM)。该AACMM包括基部。设置有具有相反的第一端和第二端 的可手动定位的臂部，该臂部旋转地耦接至基部，该臂部包括多个连接的臂段，每个臂段包 括用于产生位置信号的至少一个位置检测器。电子电路被设置成接收来自每个臂段中的至 少一个位置检测器的位置信号。探针端耦接至第一端。非接触式三维测量设备耦接至探针 端，该非接触式三维测量设备具有投影仪和图像传感器，该投影仪具有源平面，该投影仪被 配置成将结构光发射到对象上，该结构光位于源平面上并且包括至少三个不共线的图案元 素，该图像传感器被布置成接收从对象反射的结构光。处理器电耦接至电子电路，该处理器 被配置成响应于接收来自位置检测器的位置信号以及响应于通过图像传感器接收结构光 来确定对象上的点的三维坐标。
[0007] 根据本发明的一个实施方式，提供了一种对用于测量对象在空间中的坐标的便携 式关节臂坐标测量机进行操作的方法。该方法包括设置具有相反的第一端和第二端的可手 动定位的臂部，该臂部包括多个连接的臂段，每个臂段包括用于产生位置信号的至少一个 位置检测器。设置用于测量对象的探针端，该探针端耦接至第一端。电子电路接收来自检 测器的位置信号。设置具有控制器的非接触式三维测量设备，该非接触式三维测量设备具 有传感器和投影仪，该投影仪配置成将结构光发射到对象上，该投影仪具有源平面，该结构 光位于源平面上并且包括至少三个不共线的图案元素。将结构光从三维测量设备投影到对 象上。

【专利附图】

【附图说明】
[0008] 现在参照附图，示出了示例性实施方式，示例性实施方式不应理解为对于本公开 内容的整个范围有所限制，并且其中在一些附图中相同的元件采用相同的附图标记：
[0009] 图1包括图IA和图1B，是具有本发明各个方面的实施方式的便携式关节臂坐标测 量机（AACMM)的立体图；
[0010] 图2包括连接在一起的图2A至图2D，是根据实施方式的用作为图1中的AACMM的 一部分的电子装置的框图；
[0011] 图3包括连接在一起的图3A和图3B，是描述了根据实施方式的图2中的电子数据 处理系统的详细特征的框图；
[0012] 图4是图1中的AACMM的探针端的等轴视图；
[0013] 图5是稱接有手柄的图4中的探针端的侧视图；
[0014] 图6是附接有手柄的图4中的探针端的侧视图；
[0015] 图7是图6中的探针端的接口部的放大的局部侧视图；
[0016]图8是图5中的探针端的接口部的另一放大的局部侧视图；
[0017]图9是图4中的手柄的局部剖切的等轴视图；
[0018] 图10是附接有具有单个相机的结构光设备的图1中的AACMM的探针端的等轴视 图；
[0019] 图11是图10中的设备的局部剖切的等轴视图；
[0020] 图12是附接有具有双相机的另一结构光设备的图1中AACMM的探针端的等轴视 图；
[0021] 图13A和图13B是示出了图10中的设备当附接至图1中的AACMM的探针端时的 操作的示意图；
[0022] 图14至图17是根据本发明的实施方式的可以通过图10或图12中的结构光设备 发出的具有未编码二进制图案的顺序投影；
[0023] 图18至图19是根据本发明的实施方式的可以通过图10或图12中的结构光设备 发出的空间变化颜色编码图案；
[0024] 图20至图23是根据本发明的实施方式的可以通过图10或图12中的结构光设备 发出的条纹索引（stripindex)编码图案；
[0025] 图24至图31是根据本发明的实施方式的可以通过图10或图12中的结构光设备 发出的二维网格图案；
[0026] 图32是用于在多个照明条件下获取结构光的图案的光度技术的示意图；
[0027] 图33是根据本发明的另一实施方式的可独立于AACMM操作的结构光扫描设备的 图。

【具体实施方式】
[0028] 便携式关节臂坐标测量机（"AACMM"）用在多种应用中以获得对象的测量结果。 本发明的实施方式提供以下优点：使操作者能够容易并且快速地将附件设备耦接至AACMM 的探针端，其使用结构光来提供对三维对象的非接触式测量。本发明的实施方式还提供了 以下优点：提供通信数据，该通信数据表示由AACMM内的结构光设备所测量的点云。本发明 的实施方式提供了以下优点：在测量点的分布方面提供更大的均匀性，这可以提供更高的 精度。本发明的实施方式还提供了以下优点：给可拆卸的附件提供电力和数据通信，而无需 外部的连接或布线。
[0029] 正如文中所使用的那样，术语"结构光"是指对可以用来确定投影到对象的连续封 闭区域上的光的二维图案，其传达可以用于确定对象上的点的坐标的信息。结构光图案将 包括设置在连续且封闭区域内的至少三个不共线的图案元素。三个不共线的图案元素中的 每个图案元素均传达可以用来确定点坐标的信息。
[0030] -般来说，有两种类型的结构光-编码光图案和未编码光图案。如本文中所使 用的编码光图案是可以通过获取单个图像来确定对象的受照射表面的三维坐标的光图案。 在一些情况下，投影设备相对于对象是可以运动的。换言之，对于编码光图案，在投影图案 与所获取的图像之间没有明显的时间关系。通常，编码光图案包括一组元素（例如几何形 状），其被布置成使得元素中的至少三个元素是不共线的。在一些情况下，这组元素可以被 布置成线的集合。使元素中的至少三个元素不共线确保了图案不是当通过例如激光线扫描 仪投影时的那种简单的线图案。因此，由于元素的布置，图案元素是可辨认的。
[0031] 相反地，如本文中所使用的未编码结构光图案是这样的图案：其当投影仪相对于 对象移动时不能通过单个图案进行测量。未编码光图案的示例是这样的光图案：需要一系 列的顺序图案然后获取一系列的顺序图像。由于投影图案和对图像的获取的时间特性，所 以在投影仪与对象之间不应有相对运动。
[0032] 应理解，结构光不同于由生成一束光的激光线探针或激光线扫描仪类型的装置投 影的光。如今与关节臂一起使用的激光线探针具有不规则性或其它方面，这些不规则性或 其它方面可能被视为是所生成的线中的特征，对于这方面而言，这些特征以共线布置的方 式布置。因此，不认为单个生成的线内的这种特征使得投影光成为结构光。
[0033] 图IA和图IB以立体图示出了根据本发明的各种实施方式的AACMM100,关节臂是 一种类型的坐标测量机。如图IA和图IB所示，示例性AACMM100可以包括具有探针端401 的六轴或七轴关节测量设备，该探针端401包括在一端处耦接至AACMM100的臂部104的 测量探针壳体102。臂部104包括第一臂段106,第一臂段106通过第一轴承盒组110(例 如，两个轴承盒）耦接至第二臂段108。第二轴承盒组112(例如，两个轴承盒）将第二臂段 108耦接至测量探针壳体102。第三轴承盒组114 (例如，三个轴承盒）将第一臂段106耦接 至位于AACMM100的臂部104的另一端的基部116。各个轴承盒组110、轴承盒组112、轴承 盒组114提供了多轴关节运动。同样地，探针端401可以包括测量探针壳体102,测量探针 壳体102包括AACMM100的第七轴部的杆（shaft)(例如，包括编码器系统的套筒，该编码 器系统确定测量设备--例如探针118--沿AACMM100的第七轴线的运动）。在本实施方 式中，探针端401可以绕延伸穿过测量探针壳体102的中心的轴线进行旋转。在AACMM100 的使用中，通常将基部116固定到工作面上。
[0034] 每个轴承盒组110、轴承盒组112、轴承盒组114中的每个轴承盒通常包括编码器 系统（例如，光栅角编码器系统）。编码器系统（即检测器）提供各个臂段106、臂段108和 对应的轴承盒组110、轴承盒组112、轴承盒组114的位置的指示，其一起提供探针118相对 于基部116的位置的指示（并且因此提供由AACMM100测量的对象在特定参照系--例如 局部参照系或全局参照系--中的位置）。臂段106、臂段108可以由合适的刚性材料制成， 其例如但不限于碳复合材料。具有六轴或七轴关节运动（即自由度）的便携式AACMM100 提供以下优点：使操作者能够将探针118放置在绕基部116的360°区域内的理想位置处， 同时提供可以由操作者容易地操纵的臂部104。然而，应理解，具有两个臂段106、臂段108 的臂部104的示例图是出于示例性的目的，并且所要求保护的发明不局限于此。AACMM100 可以具有通过轴承盒耦接在一起的任何数量的臂段（并且因此，具有多于或少于六轴或七 轴的关节运动或自由度）。
[0035] 探针118被可拆卸地安装至测量探针壳体102,壳体102被连接到轴承盒组112。 手柄126可以例如通过快速连接接口从测量探针壳体102拆卸。如后面更详细讨论的，手 柄126可以由被配置成发出结构光以提供对三维对象的非接触式测量的另一设备来替代， 从而提供以下优点：使操作者能够使用相同的AACMM100进行接触式测量和非接触式测量 两者。在示例性实施方式中，探针壳体102容置可拆卸探针118,探针118是接触式测量设 备并且可以具有与待测对象物理接触的不同的末端118,末端118包括但不限于：球形的、 触摸感应的、弯曲的和延伸型探针。在另外的实施方式中，例如，通过非接触式设备，如编码 结构光扫描设备，来执行测量。在一个实施方式中，使用快速连接接口将手柄126替换为编 码结构光扫描设备。其他类型的测量设备可以代替可拆卸手柄126来提供额外的功能。例 如，这种测量设备的示例包括但不限于，一个或更多个照明灯、温度传感器、热扫描仪、条形 码扫描仪、投影仪、喷漆器、相机等。
[0036] 如图IA和图IB所示，AACMM100包括可拆卸手柄126,可拆卸手柄126提供以下 优点：使附件或功能能够被改变，而不需从轴承盒组112拆卸测量探针壳体102。如后面关 于图2D更加详细讨论的，可拆卸的手柄126还可以包括电连接器，使得能够与手柄126和 位于探针端401中的对应的电子装置交换电力和数据。
[0037] 在各种实施方式中，轴承盒组110、轴承盒组112、轴承盒组114中的每个轴承盒组 使AACMM100的臂部104能够绕多个旋转轴线运动。如上所述，例如，轴承盒组110、轴承盒 组112、轴承盒组114中的每个轴承盒组包括对应的编码器系统例如光栅角编码器，所述编 码器系统分别与例如臂段106、臂段108的对应旋转轴线同轴布置。光学编码器系统对例如 臂段106、臂段108中的每个臂段绕对应轴线的旋转（回转）或横向（枢转）运动进行检 测，并且将信号传输给AACMM100内的电子数据处理系统，其将在下面更详细地进行描述。 每个单独的原始编码器计数作为信号被分别发送给电子数据处理系统，信号在电子数据处 理系统中被进一步处理成测量数据。如在共同转让的美国专利No. 5, 402, 582 ( '582)所公 开的，不需要相对于AACMM100独立的位置计算器（例如，串行盒）。
[0038] 基部116可以包括附接设备或安装设备120。安装设备120使得AACMM100能够 可拆卸地安装到所需位置处，例如，检查台、机械加工中心、壁或地板上。在一个实施方式 中，基部116包括手柄部122,手柄部122在AACMM100被移动时给操作者提供方便的抓握 基部116的位置。在一个实施方式中，基部116还包括可移动的盖部124,盖部124向下折 叠以露出用户接口，例如显示屏。
[0039] 根据一个实施方式，便携式AACMM100的基部116包含或容置具有电子数据处理 系统的电子电路，该电子数据处理系统包括两个主要部件：基部处理系统，其对来自AACMM 100内的各种编码器系统的数据以及表示其他臂参数的数据进行处理以支持三维（3D)位 置计算；用户接口处理系统，其包括车载操作系统、触摸屏显示器以及常驻应用软件，该常 驻应用软件使得能够在AACMM100内实现相对完整的度量功能而无需连接到外部计算机。
[0040] 基部116中的电子数据处理系统可以与编码器系统、传感器以及远离基部116的 其他外围硬件（例如，可以安装至AACMM100上的可拆卸手柄126上的结构光设备）进行 通信。支持这些外围硬件设备或特征的电子装置可以位于便携式AACMM100内的各个轴承 盒组 110、112、114 中。
[0041] 图2是根据实施方式的在AACMM100中所使用的电子装置的框图。图2A所示的 实施方式包括电子数据处理系统210,电子数据处理系统210包括用于实现基部处理系统 的基部处理器板204、用户接口板202、用于提供电力的基部电源板206、蓝牙模块232以及 基部倾斜（tilt)板208。用户接口板202包括用于执行应用软件以实现用户接口、显示以 及本文中所描述的其他功能的计算机处理器。
[0042] 如图2A和图2B所示，电子数据处理系统210经由一个或更多个臂总线218与前 述的多个编码器系统进行通信。在如图2B和图2C所示的实施方式中，每个编码器系统生 成编码器数据并且包括：编码器臂总线接口 214、编码器数字信号处理器（DSP) 216、编码器 读取头接口 234以及温度传感器212。可以将其他设备例如应变传感器附接至臂总线218。
[0043] 还在图2D中示出与臂总线218进行通信的探针端电子装置230。探针端电子装 置230包括探针端DSP228、温度传感器212、经由实施方式中的快速连接接口与手柄126 或编码结构光扫描设备242连接的手柄/设备接口总线240、以及探针接口 226。快速连接 接口允许手柄126访问由编码结构光扫描设备242和其他附件所使用的数据总线、控制线 和电源总线。在一个实施方式中，探针端电子装置230位于AACMM100上的测量探针壳体 102中。在一个实施方式中，手柄126可以从快速连接接口拆卸并且可以通过结构光扫描 设备242来执行测量，该结构光扫描设备242经由接口总线240与AACMM100的探针端电 子装置230进行通信。在一个实施方式中，电子数据处理系统210位于AACMM100的基部 116中，探针端电子装置230位于AACMM100的测量探针壳体102中，编码器系统位于轴承 盒组110、轴承盒组112、轴承盒组114中。探针接口 226可以通过任何合适的通信协议与 探针端DSP228连接，包括来自美信集成产品公司（MaximIntegratedProducts,Inc.)的 实施1-wire?:通信协议236的市售产品。
[0044] 图3是描述根据实施方式的AACMM100的电子数据处理系统210的详细特征的框 图。在一个实施方式中，电子数据处理系统210位于AACMM100的基部116中并且包括基 部处理器板204、用户接口板202、基部电源板206、蓝牙模块232以及基部倾斜模块208。
[0045] 在图3A所示的实施方式中，基部处理器板204包括图3A中所示的各种功能块。例 如，基部处理器功能302用来支持对来自AACMM100的测量数据的采集并且经由臂总线218 和总线控制模块功能308来接收原始臂数据（例如编码器系统数据）。存储功能304存储 程序和静态臂配置数据。基部处理器板204还包括用于与任何外部硬件设备或附件（例如 编码结构光扫描设备242)进行通信的外部硬件可选端口功能310。实时时钟（RTC)和日志 306、电池组接口（IF) 316以及诊断端口 318也被包含在图3A所示的基部处理器板204的 实施方式的功能中。
[0046] 基部处理器板204还对与外部设备（主计算机）和内部设备（显示器处理器202) 的所有的有线数据通信和无线数据通信进行管理。基部处理器板204具有经由以太网功能 320与以太网网络进行通信的能力（例如，使用如电气和电子工程师协会（IEEE) 1588之类 的时钟同步标准）、经由LAN功能322与无线局域网（WLAN)进行通信的能力、以及经由并行 至串行通信（PSC)功能314与蓝牙模块232进行通信的能力。基部处理器板204还包括与 通用串行总线（USB)设备312的连接。
[0047] 基部处理器板204传输并采集原始测量数据（例如编码器系统计数、温度读数） 用于将原始测量数据处理成测量数据，而不需要任何预处理，如前述的'582专利的串行盒 中所公开的那样。基部处理器204经由RS485接口（IF) 326将处理后的数据发送给用户接 口板202上的显示器处理器328。在一个实施方式中，基部处理器204还将原始测量数据发 送给外部计算机。
[0048] 现在转到图3B中所示的用户接口板202,由基部处理器接收的角度和位置数据被 在显示器处理器328上执行的应用程序利用，以提供AACMM100内的自动度量系统。应用 程序可以在显示器处理器328上执行以支持下述功能，所述功能包括但不限于：特征测量、 引导和培训图形、远程诊断、温度校正、各种操作特征的控制、与各种网络的连接，以及测量 对象的显示。连同显示器处理器328和液晶显示器（IXD) 338 (例如，触摸屏IXD)用户接口 一起，用户接口板202包括多个接口选项，这些接口选项包括安全数字（SD)卡接口 330、存 储器332、USB主机接口 334、诊断端口 336、相机端口 340、音频/视频接口 342、拨号/蜂窝 (cell)调制解调器344以及全球定位系统（GPS)端口 346。
[0049] 图3A中所示的电子数据处理系统210还包括具有用于记录环境数据的环境记录 器362的基部电源板206。基部电源板206还使用AC/DC转换器358和电池充电器控制器 360给电子数据处理系统210提供电力。基部电源板206使用内置集成电路（I2C)串行单 端总线354并经由DMA串行外围接口（DSPI) 357与基部处理器板204进行通信。基部电源 板206经由在基部电源板206中实现的输入/输出（I/O)扩展功能364连接到倾斜传感器 和射频识别（RFID)模块208。
[0050] 虽然示出了单独的部件，但在其他实施方式中，所有部件或部分部件可以在物理 上位于不同的位置和/或在功能上以与图3A和图3B中所示的方式不同的方式进行组合。 例如，在一个实施方式中，基部处理器板204和用户接口板202被组合成一个物理板。
[0051] 现在参照图4至图9,示出了探针端401的示例性实施方式，该探针端401的测量 探针壳体102带有快速连接的机电接口，该快速连接的机电接口使可拆卸且可互换的设备 400能够与AACMM100耦接。在示例性实施方式中，设备400包括外壳402,例如，外壳402 包括尺寸和形状被设置成可以握在操作者的手中的手柄部404,例如手枪式握把。外壳402 是具有腔406 (图9)的薄壁结构。腔406的尺寸被设置并且被配置成容纳控制器408。控 制器408可以是例如具有微处理器的数字电路，或模拟电路。在一个实施方式中，控制器 408与电子数据处理系统210(图2和图3)进行异步双向通信。控制器408与电子数据处 理系统210之间的通信连接可以是有线的（例如，经由控制器420)或者可以是直接或间接 无线连接（例如蓝牙或IEEE802. 11)或者是有线连接和无线连接的组合。例如，在示例性 实施方式中，外壳402例如由注射模制的塑料材料形成为两个半部410、半部412。例如，半 部410、半部412可以通过紧固件例如螺钉414固定在一起。在其他实施方式中，外壳的半 部410、半部412可以通过例如粘合剂或超声波焊接固定在一起。
[0052] 手柄部404还包括可由操作者手动致动的按钮或致动器416,418。致动器416和 致动器418被耦接至控制器408,控制器408将信号传输给探针壳体102内的控制器420。 在示例性实施方式中，致动器416和致动器418执行位于设备400对面的探针壳体102上 的致动器422和致动器424的功能。应理解，设备400可以具有额外的开关、按钮或其他致 动器，额外的开关、按钮或其他致动器也可用于控制设备400、AACMM100,反之亦然。此外， 例如，设备400可以包括指示器，例如发光二极管（LED)、声音发生器、测量计、显示器或计 量器。在一个实施方式中，设备400可以包括允许口头意见（vertalcomment)与测量点同 步的数字语音记录器。在又一实施方式中，设备400包括使操作者能够将语音致动命令传 输给电子数据处理系统210的麦克风。
[0053] 在一个实施方式中，手柄部404可以被配置成由操作者的任意手或特定的手（例 如左手或右手）使用。手柄部404还可以被配置成利于有残疾的操作者（例如缺失手指的 操作者或具有假臂的操作者）使用。另外，并且当间隙空间有限时，手柄部404可以被拆卸 且探针壳体102可以独立使用。如上所述，探针端401还可以包括AACMM100的第七轴线 的杆。在本实施方式中，设备400可以被布置成绕AACMM第七轴线旋转。
[0054] 探针端401包括机电接口 426,其具有互相协作的位于设备400上的第一连接器 429 (图8)和位于探针壳体102上的第二连接器428。连接器428和连接器429可以包括 允许将设备400耦接至探针壳体102的电气和机械特征。在一个实施方式中，接口 426包 括其上具有机械耦接器432和电连接器434的第一表面430。外壳402也包括定位成与第 一表面430相邻并且从第一表面430偏离的第二表面436。在不例性实施方式中，第二表面 436是从第一表面430偏移约0. 5英寸的距离的平坦表面。该偏移提供了当操作者拧紧或 松开紧固件（例如套环438)时用于操作者的手指的间隙。接口 426提供了设备400与探 针壳体102之间的相对快速且安全的电连接而不需要使连接器插脚对准，并且不需要独立 的电缆或连接器。
[0055] 电连接器434从第一表面430延伸并且包括一个或更多个连接器插脚440, 一个 或更多个连接器插脚440例如经由一个或更多个臂总线218以异步双向通信的方式与电子 数据处理系统210(图2和图3)电耦接。双向通信连接可以是有线的（例如经由臂总线 218)、无线的（例如蓝牙或IEEE802. 11)、或有线连接和无线连接的组合。在一个实施方式 中，电连接器434电耦接至控制器420。控制器420可以例如经由一个或更多个臂总线218 与电子数据处理系统210进行异步双向通信。电连接器434定位成提供与探针壳体102上 的电连接器442提供相对快速且安全的电连接。当将设备400附接至探针壳体102时，电 连接器434和电连接器442相互连接。电连接器434和电连接器442可以分别包括金属包 裹的连接器壳体，所述金属包裹的连接器壳体提供电磁干扰屏蔽，同时保护连接器插脚并 且在将设备400附接至探针壳体102的过程期间协助插脚对准。
[0056] 机械耦接器432提供在设备400与探针壳体102之间的相对刚性的机械耦接以支 持相对精确的应用，在这样的应用中设备400在AACMM100的臂部104的端部上的位置优 选地不进行偏移或移动。任何这样的移动通常可能引起不期望的测量结果精度的退化。利 用本发明实施方式中的快速连接的机电接口的机械附接配置部分的各种结构特征可以实 现这些期望的结果。
[0057] 在一个实施方式中，机械耦接器432包括位于一端448 (设备400的前缘或"前 面"）上的第一突出部444。第一突出部444可以包括带键的、有凹口的或有坡度的接口，其 形成从第一突出部444延伸的唇缘446。唇缘446的尺寸设置成适于被容纳在由从探针壳 体102延伸的突出部452限定的槽450中（图8)。应理解，第一突出部444和槽450连同 套环438形成耦接器装置，以使得当唇缘446位于槽450内时，可以使用槽450来限制在设 备400被附接到探针壳体102时设备400的纵向和横向移动两者。正如将在下面更详细描 述的，可以使用套环438的旋转将唇缘446固定在槽450内。
[0058] 与第一突出部444相对，机械耦接器432可以包括第二突出部454。第二突出部 454可以具有带键的、有凹口的唇缘或有坡度的接口表面456 (图5)。例如，第二突出部454 被定位成接合与探针壳体102相关联的紧固件，例如套环438。正如将在下面更详细讨论 的，机械耦接器432包括从表面430突出的凸起表面，该凸起表面与电连接器434相邻或布 置在电连接器434附近，这给接口 426提供一个枢转点（图7和图8)。其用作当设备400 附接到探针壳体102时在设备400与探针壳体102之间的三个机械接触点中的第三个机械 接触点。
[0059] 探针壳体102包括共轴地布置在一端上的套环438。套环438包括能够在第一位 置（图5)和第二位置（图7)之间移动的螺纹部。通过旋转套环438,套环438可用于固定 或移除设备400而不需要外部工具。套环438的旋转使套环438沿相对粗糙的、方螺纹的 圆柱体474移动。使用这种相对大尺寸、方螺纹的轮廓（contoured)表面使得可以以很小 的转矩来实现明显的夹紧力。圆柱体474的螺纹的大螺距还使套环438能够以很小的旋转 来被拧紧或松开。
[0060] 为了将设备400耦接至探针壳体102,唇缘446被插入到槽450中并且设备如箭头 464所指示地枢转以使第二突出部454朝表面458旋转（图5)。套环438进行旋转，以使 套环438沿箭头462所示的方向移动或平移成与表面456接合。套环438抵靠斜表面456 的移动驱使机械耦接器432抵靠凸起表面460。这有助于克服以下潜在问题：接口的变形、 以及接口表面上的异物，该异物会影响设备400在探针壳体102的刚性安置。套环438对 第二突出部454施加的力使得机械耦接器432向前移动以将唇缘446按压至探针壳体102 的基座上。当继续拧紧套环438时，第二突出部454被向上压向探针壳体102,从而在枢转 点上施加压力。这提供了一种跷跷板类型的装置，向第二突出部454、唇缘446和中心枢转 点施加压力以减少或消除设备400的移动或摇摆。枢转点直接压靠于探针壳体102的底部， 同时唇缘446在探针壳体102的端部上施加向下的力。图5包括箭头462和箭头464以示 出设备400和套环438的移动方向。图7包括箭头466、箭头468和箭头470以示出当套 环438被拧紧时在接口 426内施加的压力的方向。应理解，设备400的表面436的偏移距 离提供了套环438与表面436之间的间隙472 (图6)。间隙472使操作者能够更牢靠地抓 握在套环438上，同时降低随着套环438的旋转而夹到手指的危险。在一个实施方式中，探 针壳体102具有足够的硬度以减少或防止当套环438被拧紧时探针壳体102变形。
[0061] 接口 426的实施方式允许使机械耦接器432和电连接器434恰当地对准并且还保 护电子装置接口免于被施加由于套环438、唇缘446和表面456的夹紧作用而可能出现的 应力。这有利于减少或消除对安装于电路板476的电连接器434、442(其可能具有焊接端 子）的应力损伤。另外，实施方式提供了优于已知方法的以下优点：用户不需要使用工具来 使设备400连接至探针壳体102或从探针壳体102断开连接。这使得操作者能够相对容易 地手动地使设备400与探针壳体102连接和从探针壳体102断开连接。
[0062] 由于接口 426能够实现相对大量的受屏蔽的电连接，所以可以在AACMM100与设 备400之间共享相对大量的功能。例如，可以使用位于AACMM100上的开关、按钮或其他致 动器来控制设备400,反之亦然。此外，命令和数据可以从电子数据处理系统210传输至设 备400。在一个实施方式中，设备400是摄影机，其传输所记录的图像的数据，该数据将被存 储在基部处理器204的存储器中或显示在显示器328上。在另一实施方式中，设备400是 从电子数据处理系统210接收数据的图像投影仪。另外，位于AACMM100或设备400中的 温度传感器可以由另一设备共享。应理解，本发明的实施方式提供了以下优点：提供了灵活 的接口，该接口使各种各样的附件设备400能够快速、容易且可靠地耦接至AACMM100。此 夕卜，在AACMM100与设备400之间共享功能的能力使得能够通过消除重复性来减小AACMM 100的尺寸、功耗和复杂性。
[0063] 在一个实施方式中，控制器408可以改变AACMM100的探针端401的操作或功能。 例如，与单独使用探针壳体102本身相比，当设备400附接至探针壳体102时，控制器408可 以改变探针壳体102上的指示灯以发出不同颜色的光、不同强度的光，或者在不同时刻打 开/关闭。在一个实施方式中，设备400包括对距对象的距离进行测量的测距传感器（未 示出）。在该实施方式中，控制器408可以使探针壳体102上的指示灯变化，以便为操作者 提供对象距离探针末端118有多远的指示。在另一实施方式中，控制器408可以基于由编 码结构光扫描设备获取的图像质量来使指示灯的颜色发生变化。这有利于简化控制器420 的需求，并且使得能够通过增加附件设备而改善或增强功能性。
[0064] 参照图10至图13,在本发明的实施方式为用于非接触式三维测量设备500的投影 仪，相机，信号处理、控制及指示器接口提供了优点。例如，设备500包括成对的光学设备， 例如光投影仪508和相机510,它们投射出结构光图案并且接收从对象501反射的二维图 案。设备500使用基于三角测量的方法根据已知的射出的图案和所获取的图像来针对所接 收到的图像的每个像素确定表示对象501的X、Y、Z坐标数据的点云。在实施方式中，结构 光图案被编码以使得单个图像足以确定对象点的三维坐标。这种编码结构光图案也可以被 称为以单次拍摄测量三维坐标。
[0065] 在示例性实施方式中，投影仪508使用可见光源照射图案发生器。可见光源可以 是激光器、超发光二极管、白炽灯、发光二极管（LED)或其他发光设备。在不例性实施方式 中，图案发生器是蚀刻有结构光图案的铬-玻璃载片（chrome-on-glassslide)。载片可以 具有根据需要移入或移出适当位置的单个图案或多个图案。载片可以被手动或自动地安装 在操作位置中。在其他实施方式中，源图案可以是由数字微镜设备（DMD)反射或透射的光， 其中数字微镜设备（DMD)例如为由德州仪器公司（TexasInstrumentsCorporation)制造 的数字光投影仪（DLP)、液晶设备（LCD)、硅基液晶（LCOS)设备或在透射模式而不是反射模 式下使用的类似设备。投影仪508还可以包括透镜系统515,该透镜系统可以改变出射光以 具有所希望的聚焦特性。
[0066] 设备500还包括具有手柄部504的外壳502。在一个实施方式中，如上所述，设备 500还可以包括在在一端上的接口 426,接口 426将设备500机械和电学地耦接至探针壳体 102。在其他实施方式中，可以将设备500集成到探针壳体102中。接口 426提供以下优 点：使设备500能够快速且容易地耦接到AACMM100和从AACMM100拆卸而不需要额外的 工具。
[0067] 相机510包括生成传感器的视场内的区域的数字图像/表示的光敏传感器。传 感器可以是电荷耦合器件（CCD)型传感器或例如具有像素阵列的互补金属氧化物半导体 (CMOS)型传感器。相机510还可以包括其他部件，例如但不限于透镜503和其他光学设备。 在示例性实施方式中，投影仪508和相机510以一定角度布置成使得传感器可以接收从对 象501的表面反射的光。在一个实施方式中，投影仪508和相机510被定位成使得设备500 可以在探针末端118处于适当位置的情况下操作。此外，应理解，设备500相对于探针末端 118是基本上固定的并且手柄部504上的力不会影响设备500相对于探针末端118的对准。 在一个实施方式中，设备500可以具有附加的致动器（未示出），该致动器使操作者能够在 从设备500获取数据与从探针末端118获取数据之间进行切换。
[0068]投影仪508和相机510电耦接至设置在外壳502内的控制器512。控制器512可 以包括一个或更多个微处理器、数字信号处理器、存储器以及信号调理电路。由于设备500 产生大数据量以及数字信号处理，所以可以将控制器512布置在手柄部504内。控制器512 经由电连接器434电耦接至臂总线218。设备500还可以包括致动器514、516,致动器514、 516可以由操作者手动致动以启动由设备500进行的操作和数据捕捉。在一个实施方式中， 由控制器512执行图像处理以确定表示对象501的点云的X、Y、Z坐标数据，并且坐标数据 经由总线240传输至电子数据处理系统210。在另一实施方式中，图像被传输至电子数据处 理系统210,并且通过电子数据处理系统210执行坐标的计算。
[0069] 在一个实施方式中，控制器512被配置成与电子数据处理系统210进行通信以接 收来自电子数据处理系统210的结构光图案图像。在又一实施方式中，可以通过电子数据 处理系统210自动地或响应来自操作者的输入而改变发射到对象上的图案。这可以提供以 下优点：通过允许当条件允许时使用易于解码的图案，并且在希望实现期望的精度或分辨 率水平的情况下能够使用更复杂的图案，来以较短的处理时间获得较高精度的测量结果。 [0070] 在本发明的其他实施方式中，设备520 (图12)包括成对的相机510。相机510相对 于投影仪508以一定角度布置以接收来自对象501的反射光。在一些应用中多个相机510 的使用可以提供以下优点：通过提供冗余图像以提高测量结果的精度。在其他实施方式中， 冗余图像使得能够通过交替地对相机510进行操作来提高对图像的获取速度，从而使设备 500能够快速获取顺序图案。
[0071] 现在参照图13A和图13B描述结构光设备500的操作。设备500首先采用投影仪 508将结构光图案522发射到对象501的表面524上。结构光图案522可以包括在由Jason Geng发表在ProceedingsofSPIE，卷7932中的期刊文章"基于DLP的结构光3D成像技术 及应用（DLP-BasedStructuredLight3DImagingTechnologiesandApplications) "所 公开的图案。结构光图案522还可以包括但不限于图14至图32中所示的图案之一。来自 投影仪508的光509被表面524反射并且反射光511被相机510接收。应理解，例如，当图 案的图像由相机510捕捉时，表面524的变化，例如突起526，在结构光图案中产生失真。由 于图案是由结构光形成的，因此在一些情况下，控制器512或电子数据处理系统210可以确 定射出的图案中的像素（例如像素513)与成像图案中的像素（例如像素515)之间的-- 对应关系。这使得能够使用三角测量原理来确定成像图案中的每个像素的坐标。表面524 的三维坐标的集合有时被称为点云。通过使设备500在表面524上方移动，可以生成整个对 象501的点云。应理解，在一些实施方式中，设备500耦接至探针端提供了以下优点：设备 500的位置和定向由电子数据处理系统210获知，以使得还可以确定对象501相对于AACMM 100的位置。
[0072] 为了确定像素的坐标，已知与对象522在点527处相交的光509的每条投影线的 角度对应于投影角Phi(Φ)，因此Φ信息被编码到射出的图案中。在实施方式中，系统被配 置成使得能够确定与成像图案中的每个像素对应的Φ值。此外，相机中的每个像素的角度 omega(Q)是已知的，投影仪508与相机之间的基线距离"D"同样是已知的。因此，使用下 述等式得到从相机510至像素被成像的位置处的距离"Z" ： Γ?Zsin(Φ) /tχ
[0073] - =-Γ I I ) Dsin(Ω+Φ)
[0074] 因此，可以计算所获取的图像中的每个像素的三维坐标。
[0075] 总体上，存在两类结构光，即编码结构光和未编码结构光。如在图14至图17和图 28至图30中所示的未编码结构光的常见形式依赖于沿着一个维度以周期性的方式变化的 条纹图案。这些类型的图案通常以顺序的方式被应用以提供距对象的近似距离。一些未编 码图案实施方式例如正弦曲线图案可以提供相对高精度的测量结果。然而，为了使这些类 型图案有效，通常需要使扫描设备和对象相对于彼此保持静止。当扫描设备或对象（相对 于另一方）处于运动中时，如图18至图27中所示的编码图案会是优选的。编码图案使得 能够使用单个所获取的图像来对图像进行分析。可以将一些编码图案以特定定向布置在投 影仪图案上（例如，垂直于投影仪平面上的核线），从而简化了基于单个图像的三维表面坐 标的分析。
[0076] 核线是由核面与图13Β中的源平面517或像平面521 (相机传感器的平面）相交 而形成的数学线。核面可以是穿过投影仪立体中心519和相机立体中心的任何平面。源平 面517上的核线和像平面521上的核线在一些情况下可以平行，但是一般情况下是不平行 的。核线的一方面在于：投影仪平面517上的给定核线在像平面521上具有对应的核线。 因此，投影仪平面517中的核线上的任何已知特定图案可以在像平面521中直接观察和评 估。例如，如果沿着投影仪平面517中的核线放置编码图案，则可以使用从相机传感器510 的像素中读出的值来确定像平面521中的编码元素之间的间距。可以使用这个信息来确定 对象501上的点527的三维坐标。还可以使编码图案相对于核线以已知角度倾斜，从而有 效地提取对象表面坐标。编码图案的示例在图20至图29中示出。
[0077] 在具有周期性图案例如正弦重复图案的实施方式中，正弦周期表示多个图案元 素。因为存在大量的二维周期性图案，所以图案元素是不共线的。在一些情况下，具有不同 宽度的条纹的条纹图案可以表示编码图案。
[0078] 现在参照图14至图17,示出了未编码结构光图案的实施方式。图案中的一些图案 使用简单的开关（或1，〇)型图案并且被称为二进制图案。在一些情况下，二进制图案是已 知具有被称为格雷（gray)码序列的特定序列的图案。在基于结构光的三维度量领域中的 术语格雷码与电气工程领域的术语格雷码有所不同，在电气工程领域中术语格雷码通常是 指每次单个位（bit)的序列变化。本申请遵循如三维度量领域的惯例那样对术语格雷码的 使用，其中格雷码通常表示一系列的二进制黑值和白值。图14A示出了二进制图案的示例， 该二进制图案包括多个顺序图像530、532、534,每个图像上具有不同的条纹图案。通常，条 纹在明（受照射）条纹区域与暗（未受照射）条纹区域之间交替。有时，分别使用术语白 和黑来指受照射的和未受照射的。因此，当图像530、图像532、图像534顺序地投影到表面 524上时，如图14B所示示出了合成图像536。应注意，为了清楚起见，图14B中的底部的两 个图案535、图案537未在图14A中示出。对于对象501上的每个点（在图像中由相机的像 素表示），合成图案536具有通过图案530、图案532、图案534、图案535、图案537顺序投影 而获得的唯一的二进制值，其对应于相对小的可能投影角Φ范围。通过使用这些投影角， 连同对于给定像素的已知像素角Ω和已知基准距离D，可以使用等式（1)来得到从相机至 对象点的距离Z。对于每个相机像素，二维角是已知的。二维角通常对应于一维角Ω，用来 根据等式（1)计算距离Z。然而，从每个相机像素绘制的通过相机立体中心并且与对象相交 于一点处的线在空间上限定了二维角。当结合计算出的值Z时，两个像素角提供与对象表 面上的点对应的三维坐标。
[0079] 类似地，除了二进制图案以外，可以使用具有不同灰度值的条纹的一系列顺序的 灰色图案。当在该上下文中使用时，术语灰度通常是指在对象上的点处，从白色（最大光）、 到不同等级的灰色（较少光）、到黑色（最小光）的辐照量。即使被投影的光具有红色等颜 色，仍使用该相同的命名法，并且灰度值对应于红色照射的等级。在实施方式中，例如，图案 (图15)具有多个图像538、图像540、图像542,这些图像具有不同光功率等级的条纹，例如 黑条纹、灰条纹和白条纹，用于在对象501上产生射出的图案。灰度值可以用来将可能的投 影角Φ确定到相对小的可能值范围内。正如上文所讨论的那样，然后可以使用等式（1)来 确定距离Z。
[0080] 在另一实施方式中，可以通过对在多个图像中所观察到的相移进行测量来得 到距对象点的距离Z。例如，在图16所示的实施方式中，投影仪图案552的灰度亮度 (intensity) 546、灰度亮度548、灰度亮度550以正弦曲线的方式变化，但是在投影图案之 间有相移。例如，在第一投影仪图案中，正弦曲线灰度亮度546 (表示每个单位面积的光功 率）在特定点处具有零度的相位。在第二投影仪图案中，正弦曲线亮度548在相同点处具 有120度的相位。在第三投影仪图案中，正弦曲线亮度550在相同点处具有240度的相位。 这与在每个步骤中正弦曲线图案向左（或右）偏移三分之一周期的说法是一样的。相移法 被用来确定在每个相机像素处投影光的相位，这消除了在编码图案单次拍摄的情况下考虑 来自相邻像素的信息的需要。可以使用许多方法来确定相机像素的相位。一种方法包括执 行乘法和累加过程，然后取商的反正切值。这种方法是本领域技术人员公知的并且不再进 一步讨论。另外，对于相移法，背景光在相位的计算中抵消。由于这些原因，针对给定像素 计算出的值Z通常比使用编码图案单次拍摄法计算出的值Z更精确。然而，对于如在图16 中所示的那些单次采集的正弦曲线图案，所有的计算出的相位从〇度到360度不同。对于 特定的结构光三角测量系统，如果受测试对象的"厚度"没有变化太多，则这些计算出的相 位是足够的，因为每个投影条纹的角度是提前已知的。然而，如果对象太厚，因为可以从在 第一位置处撞击对象的第一投影射线或在第二位置处撞击对象的第二投影射线来获得像 素，所以在针对特定像素所计算出的相位之间可能出现模糊性。换言之，如果存在以下可能 性：相机阵列中的任何像素的相位变化超出2π弧度，则相位可能无法正确解码，并且不能 实现所期望的一一对应关系。
[0081] 图17Α示出了根据以下方法的投影格雷码亮度554的序列1至序列4,通过该方法 可以消除基于所计算的相位得到的距离Z的模糊性。格雷码图案的集合被顺序地投影到对 象上。在所示的示例中，有由图17Α中的554的左侧的1、2、3、4指示的四个顺序图案。顺序 图案1在图案的左半部分（元素0至元素15)上为暗（黑）并且在图案的右半部分（元素 16至元素31)上为亮（白）。顺序图案2在靠中心处（元素8至元素23)为暗带并且在靠 边缘处（元素2至元素7,元素24至元素31)为亮带。顺序图案3在中心附近（元素4至 元素11，元素20至元素27)具有两个分离的亮带和三个亮带（元素0至元素3,元素12至 元素19,元素28至元素31)。顺序图案4具有四个分离的暗带（元素2至元素5、元素10 至元素13、元素18至元素21、元素26至元素29)和五个分离的亮带（元素0至元素1、元 素6至元素9、元素14至元素17、元素22至元素25、元素30至元素31)。对于相机中任意 给定的像素，这一系列的图案使得对象的"对象厚度区域"相对于与元素〇至元素31的所 有元素对应的初始对象厚度区域能够提高为16倍。
[0082] 在图17C所示的另一方法556中，执行类似于图16中的方法的相移法。在图17C 所示的实施方式中，图案556Α--四个正弦周期被投影到对象上。由于上文所讨论的原 因，使用图17C的图案可能在距对象的距离Z中存在模糊性。减小或消除模糊性的一种方 式是投影对一个或更多个附加的正弦曲线图案556B、556C，每个图案具有不同的条纹周期 (fringeperiod)(节距）。因此，例如，在图17B中，具有三个条纹周期而不是四个条纹周 期的第二正弦曲线图案555被投影到对象上。在实施方式中，两个图案555、556的相位的 差可以用来帮助消除在距目标的距离Z中的模糊性。
[0083] 消除模糊性的另一方法是使用不同类型的方法，例如图17A中的格雷码方法，来 消除使用正弦曲线相移法所计算的距离Z中的模糊性。
[0084] 在对象和设备500相对运动的应用中，期望使用单个图案使相机510能够捕捉提 供足以对对象501的三维特征进行测量的信息的图像而不需要对顺序图像进行投影。现在 参照图18和图19,图案558、图案566具有颜色分布，该颜色分布在某些情况下使得能够基 于单个（编码）图像对对象进行测量。在图18的实施方式中，图案558使用光的波长在空 间上连续变化的线来生成图案，例如在图案中颜色从蓝色到绿色到黄色到红色到紫红色连 续变化。因此，对于每个特定的光谱波长，可以在射出的图像与成像图像之间形成一一对应 关系。采用所建立的对应关系，可以根据单个成像图案来确定对象501的三维坐标。在一 个实施方式中，图案558的条纹垂直于投影仪平面上的核线定向。因为投影仪平面上的核 线映射至相机图像平面上的核线，所以可以通过沿着相机图像平面中的核线的方向运动并 且注意每种情况下线的颜色来获得投影仪点与相机点之间的关联。应理解，相机图像平面 中的每个像素对应于二维角。颜色使得能够确定特定投影角度与特定相机角度之间的一一 对应关系。该对应关系信息结合相机与投影仪之间的距离（基线距离D)以及相机和投影 仪相对于基线的角度，足以确定从相机到对象的距离Z。
[0085] 在图19中示出了使用颜色图案的另一实施方式。在该实施方式中，具有不同亮度 560、562、564的多个有色图案被结合以生成颜色图案566。在一个实施方式中，多个有色图 案亮度560、562、564是基本色，以使得图案560改变红色的亮度，图案562改变绿色的亮度 以及图案564改变蓝色的亮度。因为颜色的比率是已知的，所以所得到的射出的图像具有 可以在成像图案中进行解码的已知关系。与图18的实施方式相同，一旦建立对应关系，则 可以确定对象501的三维坐标。不同于图18的图案（其中投影了唯一颜色的单个循环）， 图19的图案投影了几乎相同的颜色的三个完整的循环。对于图18的图案，因为每个相机像 素识别与特定投影方向唯一对应的特定颜色，所以所测距离Z中不太可能存在模糊性（至 少对于投影线垂直于核线的情况）。因为相机角度和投影角度是已知的，所以可以仅使用单 个相机图像、使用三角测量来确定在每个像素位置处的三维对象坐标。因此，图18的方法 可以被认为是编码的、单次拍摄法。与此不同，在图19中，有可能会在距对象点的距离Z中 存在模糊性。例如，如果相机看到紫色，则投影仪可能以三个不同角度中的任一角度进行投 影。基于三角测量几何学，三个不同的距离Z都是可能的。如果提前已知对象的厚度在值 的相对小的范围内，那么可以消除三个不同值中的两个值，从而以单次拍摄获得三维坐标。 然而，在一般情况下，需要使用额外的投影图案来消除模糊性。例如，可以改变有色图案的 空间周期，然后使用其再次照射对象。在该情况下，投影结构光的该方法被认为是顺序法而 不是编码的、单次拍摄法。
[0086] 现在参照图20至图23,基于条纹索引技术示出了用于单个图像获取的编码结构 光图案。在图20和图21的实施方式中，具有彩色条纹568、颜色条纹570的图案由投影仪 508发出。该技术利用图像传感器的特性，该传感器具有三个独立的颜色通道，例如红色、 绿色、蓝色，或者青色、黄色、品红色。由这些传感器通道生成的值的组合可以产生大量的有 色图案。正如图19的实施方式，颜色分布的比率是已知的，因此可以确定射出的图案与成 像图案之间的关系并且计算三维坐标。还可以使用其他类型的有色图案，例如基于德布鲁 因（DeBruijn)序列的图案。条纹索引技术和德布鲁因序列对于本领域普通技术人员而言 是公知的，因此不再进一步讨论。
[0087] 在图22和图23的实施方式中，使用非彩色条纹索引技术。在图22的实施方式中， 图案572提供有具有多个亮度（灰度）等级和不同宽度的条纹组。因此，特定条纹组在整 个图像内具有唯一的灰度图案。由于组的唯一性，可以确定射出的图案与成像图案之间的 一一对应关系以计算对象501的坐标。在图23的实施方式中，图案574提供有具有分段图 案的一系列条纹。因为每条线具有唯一的分段设计，所以可以确定射出的图案与成像图案 之间的对应关系以计算对象501的坐标。在图20至图23中，可以通过使投影线572、投影 线574垂直于核线定向以使得其处在相机平面中而获得额外优点，这是因为这在求出相机 图案与投影仪图案之间的一一对应关系的过程中简化了对第二维度的确定。
[0088] 现在参照图24至图27,示出了使用二维空间网格图案技术的编码结构光图案。这 些类型的图案被布置成使得子窗口（例如图案578上的窗口 576)相对于图案内的其他子 窗口是唯一的。在图24的实施方式中，使用伪随机二进制阵列图案578。图案578使用具 有形成编码图案的元素（例如圆579)的网格。应理解，还可以使用具有其他几何形状的元 素，例如但不限于正方形、矩形以及三角形。在图25的实施方式中，图案580示出为具有多 值伪随机阵列，其中数值中的每个值具有指定的形状582。这些形状582形成唯一的子窗口 584,以使得射出的图案与成像图案之间的对应关系能够计算对象501的坐标。在图26的 实施方式中，网格586为编码有垂直于投影仪平面的条纹的颜色。图26的图案不一定会提 供在单次拍摄中可被解码的图案，但是颜色信息可以有助于简化分析。在图27的实施方式 中，使用有色形状（例如正方形或圆形）的阵列588来形成图案。
[0089] 现在参照图28A至图28B，示出了示例性正弦曲线图案720。在实施方式中，线734 垂直于投影仪平面上的核线。正弦曲线图案720包括三十条线722,三十条线722重复一次 以得到总数为六十条的线722。每条线722具有正弦曲线特征723,即与其之上方和下方的 线的相位相差约180度。这是为了使得线722尽可能的靠近并且还使得有更大的景深，因 为线在投影表面上或所获取的图像上可能会模糊不清但仍然可以被识别。每个单条线722 可以使用该线的相位而被唯一地解码，其中线的长度必须是正弦曲线的至少一个波长。
[0090] 因为图案720是重复的，所以一般会导致线的识别的模糊性。然而，该问题在该系 统中通过相机的视场和景深的几何学来解决。对于能够将线进行光学分解的景深内的、相 机的单个视图，即一排像素，不能成像出具有相同的相位的两条线。例如，相机上的第一排 像素仅能接收来自图案的线1至线30的反射光。而沿相机传感器进一步向下，另一排像素 将仅接收来自图案的线2至线31的反射光，以此类推。在图28B中，示出了具有三条线的 图案720的放大部，其中相继的线722之间的相位约为180度。图28B还示出了每个单条 线的相位是如何足以对线进行唯一地解码。
[0091] 现在参照图29A至图29B，示出了具有正方形图案元素的另一图案730。在实施 方式中，线732垂直于投影仪平面上的核线。正方形图案730在图案730被重复之前包括 二十七条线732,并且具有总数为五十九条的线。图案730的编码元素734是由图29B中 从左至右的方波的相位区分的。图案730被编码以使得一组序列线732由其成员的相对相 位区分。在图像内，通过对于线而言垂直地扫描得到序列线。在实施方式中，垂直地扫描是 指沿着相机图像平面中的核线进行扫描。相机垂直像素列内的序列线配对在一起并且其相 对相位被确定。需要四对序列线以对这些组的线进行解码，并且在图案730内对其进行定 位。由于重复导致在该图案730中也存在模糊性，但是这也可以以如上针对正弦曲线图案 720所述的相同的方式来解决。图29B示出了正方形图案的四条线732的放大图。这个实 施方式示出了单独的单条线732的相位不能够对线进行唯一地解码，这是因为第一条线和 第三条线具有相同的绝对相位。
[0092] 这种对相对相位和绝对相位进行编码的方式提供了以下优点：对于相的位置有更 大的容忍度。投影仪的结构中的小误差会使得在相机的整个景深中线的相位偏移，由于投 影仪和相机镜头引起的误差使得更加难以确定绝对相位。这在绝对相位法中能够通过以下 方式来克服：通过增大周期以使得周期足够大从而能够克服在对相位进行确定时的误差。 [0093] 应理解，对于对光的编码图案进行投影的二维图案的情况，三个不共线的图案元 素能够由于其编码而被辨认，并且因为三个不共线的图案元素在两个维度上被投影，所以 至少三个图案元素是不共线的。对于周期性图案例如正弦重复图案的情况，每个正弦周期 表示多个图案元素。因为在两个维度上有大量的周期性图案，所以图案元素是不共线的。相 比之下，对于发出一束光的激光线扫描仪的情况，所有的图案元素位于一条直线上。虽然线 具有宽度并且线截面的尾部的光功率小于信号的峰值，但是线的这些方面在求出对象的表 面坐标的过程中不被单独地评估，因此不代表单独的图案元素。虽然线可以包括多个图案 元素，但是这些图案元素是共线的。
[0094] 另外，如图30至图31所示，可以结合各种图案技术以形成二进制（图30)的棋盘 状未编码图案590或有色（图31)的棋盘状未编码图案592。在图32所示的又一实施方 式中，可以使用光度立体技术，其中光源596被移动到多个位置以为对象501拍摄多个图像 594。
[0095] 现在参照图33,示出了具有用于获取对象702的三维坐标的系统700的另一实施 方式。在该实施方式中，设备704当从AACMM100拆下时是可独立操作的。设备704包括 控制器706和可选的显示器708。显示器708可以被集成到设备704的壳体上或者可以是 当设备704独立于AACMM100使用时耦接至设备704的单独部件。在显示器708能够与设 备704分离的实施方式中，显示器708可以包括控制器（未示出），该控制器提供额外的功 能以有利于设备704的独立操作。在一个实施方式中，控制器706被设置在可分离的显示 器内。
[0096] 控制器706包括通信电路，该通信电路被配置成经由通信链路712以无线方式将 数据（例如图像或坐标数据）传输至AACMM100、单独的计算设备710或两者的组合。计算 设备710可以是例如但不限于计算机、笔记本、平板计算机、个人数字助理（PDA)或移动电 话。显示器708使操作者能够看见所获取的图像或所获取的对象702坐标的点云。在一个 实施方式中，控制器706对所获取的图像中的图案进行解码以确定对象的三维坐标。在另 一实施方式中，图像通过设备704获取并且被传输至AACMM100、计算设备710或两者的组 合。
[0097] 设备704还可以包括定位设备组件714。定位设备组件可以包括一个或更多个惯 性导航传感器，例如全球定位系统（GPS)传感器、陀螺仪传感器、加速度传感器。这样的传 感器可以电耦接至控制器706。陀螺仪传感器和加速度传感器可以是单轴设备或多轴设备。 定位设备组件714被配置成使控制器706能够在设备704从AACMM拆下时测量或保持设备 704的定向。定位设备组件714内的陀螺仪可以是MEMS陀螺仪设备、固态环形激光器设备、 光纤设备陀螺仪或其他类型。
[0098] 当设备704从关节臂CMM100拆卸时，使用对从多个扫描所获得的图像进行组合 的方法。在实施方式中，图像分别通过使用编码图案获得，以使得仅需要单个图像来获得与 设备704的特定位置和定向关联的三维坐标。对由设备704捕捉的多个图像进行组合的一 种方法是在相邻图像之间提供至少部分交叠，以使得可以匹配点云特征。这种匹配功能可 以由上述的惯性导航设备进行辅助。
[0099] 可以用于辅助对由设备704采集的图像进行精确配准的另一种方法是利用参考 标记。在实施方式中，参考标记是具有黏合剂或粘性衬垫的小的标记，例如圆形标记，其被 放置在待测的一个或更多个对象上。即使相对少量的这样的标记在对多个图像进行配准中 也很有用，特别是如果待测对象具有用于配准的相对少量的特征的话。在实施方式中，参考 标记可以在被检查的一个或更多个对象上投影成光斑。例如，能够发出多个小点的小型便 携式投影仪可以被放置在待测的一个或更多个对象的前面。投影点优于粘性点的优点是该 点不需要被附接并且后续被移除。
[0100] 在一个实施方式中，设备将结构光投影到连续且封闭的区域716上，并且可以以 35微米的精度在区域716上的IOOmm至300mm的范围内获取图像。在实施方式中，投影的 垂直区域716约为150mm2至200mm2。一个或更多个相机510可以是具有1. 2至5. 0兆像 素的CMOS或CCD传感器的数码相机。
[0101] 参照图28和图29,将描述对编码图案进行解码的处理。对图案的图像进行解码的 第一步骤是沿Y方向提取投影图案720特征的重心（cog)724(图28C)。这是通过计算像素 灰度值的移动平均值并且沿Y方向向下移动、每次处理单个列来实现的。当图像中的像素 值高于移动平均值时，则得到特征的起点。在得到起点之后，继续增加特征的宽度直到像素 值低于移动平均值为止。然后使用起点与终点之间的像素值及其Y位置来计算加权平均， 以给出图像中的图案特征723的重心724。起点与终点之间的距离也被记录下来以备后用。
[0102] 接下来使用产生的重心724得到图案线722。这是通过从图像的第一列开始沿从 左至右（当从图中所示的方向观看时）的方向移动来实现的。对于该列中的每个重心724， 在紧邻右侧的邻近列上搜索位于特定距离内的重心724。如果得到两个匹配的重心724,则 潜在的线被确定。随着在图像上移动地处理，更多新的线被确定，并且随着附加的重心724 在公差内被检测到，其他先前确定的线在长度上延伸。当整个图像被处理后，滤波器被应用 到所提取的线上，以确保仅期望长度（即为图案的波长）的线被用在其余的步骤中。图28C 还示出了所检测的线，其均比图案的单个波长更长。在一个实施方式中，在邻近列的重心之 间没有增量（delta)，或存在小的增量。
[0103] 解码处理的下个步骤是以块中心的形式在X方向上沿着线提取投影图案特征。每 个图案包括宽块和窄块二者。在正弦曲线图案720中，这指的是波的波峰和波谷，而在正方 形图案730中，这指的是宽的正方形和窄的正方形。该处理以类似于沿Y方向提取特征的 方式进行，然而还使用第一阶段得到的宽度计算移动平均，并且移动方向是沿着线的。如上 所述，在宽度大于移动平均值的区域中提取特征，但是在该处理中，还在宽度小于移动平均 的区域中提取特征。使用宽度和X位置来计算加权平均以得到块726沿X方向的中心。还 使用移动平均交叉之间的重心724的Y位置来计算块726沿Y方向的中心。这是通过求取 重心的Y坐标的平均来实现的。还可以基于在该步骤中提取的特征来修改每条线的起点和 终点，以确保两个点是发生移动平均的交叉的点。在一个实施方式中，在后面的处理步骤中 仅使用完整的块。
[0104] 然后，线和块被进一步处理以确保每条线上的块中心726之间的距离在预定公差 内。这是通过求取线上的两个相邻块之间的X中心位置之间的增量，并且检查增量小于公 差来完成的。如果增量大于公差，则线被断开成更短的线。如果需要在线上的最后两个块之 间断开，则最后的块被移除并且不会生成任何附加的线。如果需要在线上的第一块与第二 块之间或第二块与第三块之间断开，则位于断点左侧的块被丢弃并且不生成附加的线。对 于断开发生在沿线的任意其他位置的情况，线被断开成两条线，从而生成新的线并且合适 的块被转移至新的块。在这个处理阶段之后，两个图案需要不同的步骤以完成解码。
[0105] 现在，可以使用线上的块中心采用一个另一个处理步骤对正弦曲线图案720进行 解码。计算每个块X中心的模量（modulus)和线722上的图案720的波长，并且这些值的 平均给出线722的相位。然后，可以使用线722的相位来对图案720中的线进行解码，这又 使得能够确定线722上的所有重心724的X、Y、Z坐标位置。
[0106] 在对正方形图案730进行解码之前，在进行任何解码之前垂直地连接第一线732。 这使得能够识别一组线而并不仅是类似于正弦曲线图案的单条线。通过使用块734和第一 处理阶段中所计算的包含在块中的重心在线732之间得到连接736。检测线732上的每个 块中的第一重心，以查看在同一列中在其正下方是否有另一重心。如果在下方没有重心，则 该点处没有与另一线的连接，因此处理继续。如果在下方有重心，则确定两个重心之间的Y 距离，并且与线之间所需的最大间距相比较。如果距离小于该值，则两条线被认为是在那个 点处连接并且连接736被存储，且处理继续到下一个块。在一个实施方式中，线连接736是 唯一的，以使得在两条线间没有一个以上的连接736。
[0107] 对于正方形图案730的处理的下个步骤是连接线之间的相位计算。首先处理每对 线732以确定线732之间的交叠的长度。在一个实施方式中，在这对线之间存在至少一个 波长的交叠，以使得能够计算相对相位。如果线具有所需的交叠，则得到位于交叠区域的中 心处的重心。针对该线连接,确定包括中心重心和正下方重心的块738,并且计算块X中心 之间的相对相位。针对线之间的所有连接重复该处理。在一个实施方式中，仅在沿Y轴向 下方向重复该处理。这是因为编码基于线下的连接而不是线周围或两者皆有的其他方式。 图29C示出了可以用来计算这组线的相对相位的块738。在图29C的实施方式中的相对相 位是3、1和2,并且这些相位可以被用于最后阶段以对顶部线进行解码。
[0108] 对正方形图案730进行解码的下个步骤是使用在先前步骤中所计算的相对相位 执行查找。通过向下跟踪线连接736直到达到四个连接深度为止来对每条线732进行处理。 使用该深度是因为这是对线进行解码的相位数量。在每一级连接处，使用线732之间的相 对相位来确定哈希（hash)。当达到所需的连接深度时，使用哈希来查找线编码。如果哈希 返回一个有效的编码，则该编码被记录并且被存储在投票系统中。以这种方式对每条线732 进行处理，并且使用具有所需深度的所有连接（如果它们是有效的相位组合）来产生投票。 然后，最后的步骤是找出每条线732上的哪个编码得票最多并且将线732的编码分配给这 个值。如果没有得票最多的唯一的编码，则不给线分配编码。当编码被分配时线732被识 另IJ，并且现在可以得到线732上的所有重心的X、Y、Z坐标位置。
[0109] 应注意，尽管上面给出的说明基于三个或更多个图案元素是否共线来对线扫描仪 与区域（结构光）扫描仪之间进行区分，但是应注意该准则的目的是为了区分投影为区域 的图案和投影为线的图案。因此，以线性方式投影的、仅沿单个路径具有信息的图案是线图 案，即使该一维图案可能弯曲。
[0110] 虽然已经参照示例实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员应了解，在不脱 离本发明的范围的前提下可以对本发明进行各种变化以及可以用等同物替换本发明中的 元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的前提下，可以做出多种修改以使特定情况或材料 适于本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的作为实施本发明的最佳方式的特定实施 方式，并且本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方式。此外，术语第一、 第二等的使用不表示任何顺序或重要性，术语第一、第二等用于区分一个元件与另一个元 件。此外，术语一个（a)、一个（an)等的使用不表示对数量的限制，而是表示存在至少一个 被引用项目。
【权利要求】
1. 一种用于测量对象在空间中的三维坐标的便携式关节臂坐标测量机（AACMM)，包 括：基部；具有相反的第一端和第二端的可手动定位的臂部，所述臂部旋转地耦接至所述基部， 所述臂部包括多个连接的臂段，每个臂段包括用于产生位置信号的至少一个位置检测器； 电子电路，所述电子电路接收来自各个臂段中的所述至少一个位置检测器的所述位置 信号；耦接至所述第一端的探针端；耦接至所述探针端的非接触式三维测量设备，所述非接触式三维测量设备具有投影仪 和图像传感器，所述投影仪具有源平面，所述投影仪配置成将结构光发射到所述对象上，所 述结构光从所述源平面发出并且包括至少三个不共线的图案元素，所述图像传感器布置成 接收从所述对象反射的所述结构光；以及电耦接至所述电子电路的处理器，所述处理器配置成响应于接收来自所述位置检测器 的所述位置信号以及响应于通过所述图像传感器接收所述结构光来确定所述对象上的点 的三维坐标。
2. 根据权利要求1所述的AACMM，其中，所述非接触式三维测量设备可拆卸地耦接至所 述探针端。
3. 根据权利要求1所述的AACMM，其中，所述结构光是编码结构光图案。
4. 根据权利要求3所述的AACMM，其中，所述非接触式三维测量设备在从所述探针端拆 下的情况下能够独立操作。
5. 根据权利要求3所述的AACMM，其中，所述编码结构光图案包括图形元素，所述图形 元素包括正方形、矩形和三角形中的至少一种。
6. 根据权利要求5所述的AACMM，其中，所述编码光图案是包括30条线的正弦曲线图 案，并且每条线的相位相对于相邻线的相位相差180度。
7. 根据权利要求5所述的AACMM，其中，所述编码结构光图案包括27条线并且所述图 形元素是正方形。
8. 根据权利要求3所述的AACMM，其中，所述编码结构光包括具有多种波长的图案，其 中至少一种波长具有不同于其他波长的空间布置。
9. 根据权利要求3所述的AACMM，其中，所述编码结构光包括具有多种不同颜色的图 案。
10. 根据权利要求3所述的AACMM，其中，所述编码结构光包括分段的线图案。
11. 根据权利要求3所述的AACMM，其中，所述编码结构光包括二维空间网格图案。
12. 根据权利要求11所述的AACMM，其中，所述二维空间网格图案包括伪随机二进制阵 列。
13. 根据权利要求11所述的AACMM，其中，所述二维空间网格图案包括颜色编码的网 格。
14. 根据权利要求11所述的AACMM，其中，所述二维空间网格图案包括多值伪随机阵 列。
15. 根据权利要求11所述的AACMM，其中，所述二维空间网格图案包括颜色编码的几何 形状的二维阵列。
16. 根据权利要求1所述的AACMM，其中，所述结构光图案是未编码结构光图案。
17. 根据权利要求16所述的AACMM，其中，所述未编码结构光图案包括顺序投影图像。
18. 根据权利要求17所述的AACMM，其中，所述顺序投影图像是二进制图案的组。
19. 根据权利要求17所述的AACMM，其中，所述顺序投影图像是包括具有至少两个亮度 等级的条纹的图案组。
20. 根据权利要求17所述的AACMM，其中，所述顺序投影图像是至少三个正弦曲线图案 的组。
21. 根据权利要求17所述的AACMM，其中，所述顺序投影图像是包括具有至少两个亮度 等级的条纹的图案组，所述图案组包括至少三个正弦曲线图案。
22. 根据权利要求16所述的AACMM，其中，所述未编码结构光图案对不同的受照射图案 的序列进行投影，所述不同的受照射图案的序列中的每个图案从相对于所述对象的不同位 置被投影。
23. 根据权利要求16所述的AACMM，其中，所述未编码结构光图案包括重复的灰度图 案。
24. 根据权利要求1所述的AACMM，还包括耦接至所述探针端的接触式测量设备。
25. 根据权利要求1所述的AACMM，其中，所述处理器位于所述非接触式三维测量设备 内。
26. -种对用于测量对象在空间中的坐标的便携式关节臂坐标测量机进行操作的方 法，包括： 设置具有相反的第一端和第二端的可手动定位的臂部，所述臂部包括多个连接的臂 段，每个臂段包括用于产生位置信号的至少一个位置检测器；设置用于测量所述对象的探针端，所述探针端耦接至所述第一端；在电子电路处接收来自所述检测器的所述位置信号；设置具有控制器的三维非接触式测量设备，所述三维非接触式测量设备具有传感器和 投影仪，所述投影仪配置成将结构光发射到所述对象上，所述投影仪具有源平面，所述结构 光从所述源平面发出并且包括至少三个不共线的图案元素；以及 将结构光从所述三维测量设备投影到所述对象上。
27. 根据权利要求26所述的方法，还包括使用所述三维测量设备接收从所述对象反射 的所述结构光。
28. 根据权利要求27所述的方法，还包括根据所反射的结构光确定所述对象上的点的 三维坐标。
29. 根据权利要求28所述的方法，其中，所述结构光是编码结构光。
30. 根据权利要求29所述的方法，其中，投影到所述对象上的所述编码结构光图案包 括图形元素，所述图形元素包括正方形、矩形和三角形中的至少一种。
31. 根据权利要求29所述的方法，其中，所述编码光图案是包括30条线的正弦曲线图 案，并且每条线的相位相对于相邻线的相位相差180度。
32. 根据权利要求29所述的方法，其中，所述编码结构光图案包括27条线并且所述图 形元素是正方形。
33.根据权利要求29所述的方法，其中，所述编码结构光包括具有多种波长的图案，其 中至少一种波长具有不同于其他波长的空间布置。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述具有多个波长的图案被布置成基本上垂 直于所述源平面定向的线。
35.根据权利要求29所述的方法，其中，所述编码结构光包括具有多种不同颜色的单 个图案。
36.根据权利要求29所述的方法，其中，所述编码结构光包括分段的线图案。
37.根据权利要求29所述的方法，其中，所述编码结构光包括二维空间网格图案。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述二维空间网格图案包括伪随机二进制阵 列。
39.根据权利要求37所述的方法，其中，所述二维空间网格图案包括颜色编码的网格。
40.根据权利要求37所述的方法，其中，所述二维空间网格图案包括多值伪随机阵列。
41.根据权利要求37所述的方法，其中，所述二维空间网格图案包括颜色编码的几何 形状的二维阵列。
42.根据权利要求29所述的方法，还包括使用所述电子电路将所述编码结构光从第一 图案变成第二图案。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述编码结构光响应于操作者的输入而变化。
44.根据权利要求42所述的方法，其中，通过所述电子电路响应于所述对象的情况的 变化而自动地改变所述编码结构光。
45.根据权利要求28所述的AACMM，还包括： 将所述三维测量设备从所述探针端分离；以及 与所述探针端独立地操作所述三维测量设备。
46.根据权利要求45所述的AACMM，还包括对来自与所述探针端独立地操作的所述三 维测量设备的数据进行传输。
【文档编号】G01B5/008GK104380033SQ201380029985
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年5月20日 优先权日:2012年6月7日
【发明者】保罗·C·阿特韦尔, 克拉克·H·布里格斯, 伯纳姆·斯托克斯 申请人:法罗技术股份有限公司