专利名称：多维测量系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及测量系统。本发明的系统和方法尤其涉及一种多维激光跟踪系统。
背景技术：
精密测量系统具有广泛应用。例如，在机器人技术中，常常要求机器人的精确定位和定向。为获得高精密度，可以采用机器人位置测量系统。这一系统典型地采用激光束干涉仪来确定机器人端部受动器(end-effector)的位置和/或方位。这一系统在提供精确度、速度和测量数据的同时能够实时监测机器人端部受动器的位置和方位。
例如，在申请人的美国专利号4,714,339中讨论了Three and FiveAxis Laser Tracking System，在申请人的美国专利号6,049,377中讨论了Five-Axis/Six-Axis Laser Measuring System，二者附在此处整体作为参考文件。另外，申请人的美国申请号60/377,596，题目为“Nine Dimensinal Laser Tracking System and Method”，于2003年5月6日提交，也附在此处整体作为参考文件，以提供本发明的附加说明。
发明内容
本发明的一个技术方案提供了多维测量系统，该系统包括跟踪单元、目标、距离确定模块以及输出模块。所述跟踪单元发出激光并利用球面坐标进行跟踪。所述目标与跟踪单元进行通信，并且能够作倾斜、偏转和滚动运动。所述距离确定模块确定跟踪单元和目标之间的距离。所述输出模块根据球面坐标、倾斜(pitch)、偏转(yaw)和滚动(roll)运动以及距离输出关于目标相对于跟踪单元的位置信息。
优选地，该系统进一步包括输出设备，该输出设备输出关于目标的位置信息。优选地，滚动运动基于激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之间的至少一个比较。优选地，该系统进一步包括检测激光水平偏振分量的第一光检测器和检测激光垂直偏振分量的第二光检测器。优选地，该系统进一步包括滚动确定电路，该滚动确定电路接收第一光检测器的输出和第二光检测器的输出。在另一选择实施例中，该系统使用电子水平仪以测量目标的滚动运动。
优选地，所述目标为活动目标，其能够相对跟踪单元移动。优选地，该目标至少为结合到远程单元中、固定到物体、用于反馈控制、用于校准、用于机器工具控制、用于部件装配、用于结构装配以及用于尺寸检测中的一种。优选地，所述远程单元是机器人。优选地，所述机器人包括驱动系统和一个或多个使机器人粘附到表面的牵引设备。优选地，所述牵引设备为吸杯型(suction cup type)设备。可选择地，正空气压系统可以用于维持远程单元可移动地附于表面。优选地，该系统进一步包括真空系统。优选地，该系统进一步包括一个或多个附件，使功能能够至少基于目标的位置信息实现。
本发明的另一技术方案提供一种多维测量系统关联的远程单元。该远程单元包括目标和连接到目标的探测器组件。所述目标与多维测量系统的跟踪单元进行通信，并且能够作倾斜、偏转和滚动运动。所述探测器组件包括探头、探杆和探座。所述探头布置为伸到不在跟踪单元和目标之间的视线内的位置。
优选地，该远程单元进一步包括一个或多个连接到探测器组件的编码器。优选地，至少一个编码器布置为确定探头相对于探座的第一角度位置。优选地，至少一个编码器布置为确定探头相对于探座的第二角度位置。优选地，至少一个编码器布置为确定探头相对于探座的轴线位置。
优选地，该远程单元进一步包括触发器，布置为引发探头触及的位置关联的一个或多个测量。可选择地，该远程单元可以包括与探头关联的接触式传感器。当接触式传感器开始接触位置时进行位置关联的一个或多个测量。
在另一技术方案中，本发明涉及一种多维测量系统关联的目标。该目标包括回复反射器和激光传感器。所述回复反射器具有顶点。所述顶点布置为使至少部分进入回复反射器的激光束光线离开回复反射器。所述激光传感器布置为检测至少部分通过顶点离开回复反射器的激光。优选地，所述目标布置为连接到光测量传感器。
所述回复反射器优选为中空回复反射器。该回复反射器包括顶点处的孔。该孔布置为使至少部分激光离开回复反射器。优选地，回复反射器包括形成顶点的三个镜子。
所述回复反射器可以选择地为固体回复反射器。固体回复反射器的顶点包括抛光小平面，使至少部分激光束光线离开回复反射器。
所述激光传感器可为光检测器。可选择地，激光传感器可为电荷耦合器件阵列传感器。优选地，所述激光传感器可进行检测目标的倾斜和偏转运动的至少一个的操作。
本发明的另一技术方案提供一种物体位置测量方法。该方法的示范步骤包括(1)监测激光发射跟踪单元的球面坐标；(2)监测与跟踪单元通信的目标的倾斜、偏转和滚动运动；(3)确定跟踪单元和目标之间的距离；以及(4)基于球面坐标、倾斜、偏转和滚动运动以及距离输出关于目标相对于跟踪单元的位置信息。注意，该方法不必严格遵守上述顺序。
优选地，滚动运动基于跟踪单元发出的激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之间的至少一个比较。优选地，所述滚动确定电路执行激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之间的比较。
在另一技术方案中，本发明包括一种物体位置测量系统，包括(1)监测激光发射跟踪单元的球面坐标的装置；(2)监测与跟踪单元通信的目标的倾斜、偏转和滚动运动的装置；(3)确定跟踪单元和目标之间的距离的装置；以及(4)基于球面坐标、倾斜、偏转和滚动运动以及距离输出关于目标相对于跟踪单元的位置信息的装置。
因此，根据本发明的典型实施例，本发明的技术方案涉及一种多维测量系统。
本发明的附加技术方案涉及基于偏振激光测量确定目标的滚动运动。
此外，本发明的技术方案涉及与跟踪单元共用的活动目标的设计和应用。
此外，本发明的技术方案涉及目标在与触发器或接触式传感器连接的远程单元上的应用。
本发明的附加技术方案涉及包括活动目标技术的远程控制机器人。
本发明的附加技术方案涉及用于多维测量系统的目标的回复反射器。
本发明的附加技术方案涉及用于校准探头的向量的方法。
图1为说明本发明的典型多维测量系统的示意图。
图2为说明本发明的滚动确定系统的示意图。
图3为说明本发明的典型倾斜、偏转和滚动及距离测量系统的示意图。
图4为说明包括本发明的典型目标的典型远程单元的示意图。
图5为本发明的典型远程控制机器人的横截面示意图。
图6为说明根据本发明进行测量的典型方法的流程图。
图7为说明本发明的包括典型跟踪单元和典型远程单元的典型多维测量系统的示意图。
图8为说明本发明的另一典型远程单元的示意图。
图9为说明本发明的典型探测器组件的示意图。
图10为说明本发明的另一典型探测器组件的示意图。
图11为说明本发明的再一典型探测器组件的示意图。
图12为说明本发明的典型远程单元的示意图。
图13为说明如图12所示的典型远程单元的主视图的示意图。
图14为说明本发明的包括回复反射器的目标的另一典型实施例的二维示意图。
图15为说明图14的典型实施例的三维示意图。
图16为本发明的典型的中空回复反射器。
图17为本发明的典型固体回复反射器。
图18为说明本发明的包括光测量传感器的远程单元的另一典型实施例示意图。
图19为说明用于建立探头相对于该探头相关的目标的原点的向量的典型系统的示意图。
图20为说明建立图19中所示的探头的向量的典型方法的流程图。
具体实施例方式
本发明的系统和方法使用跟踪单元和目标的结合，以实现多维激光跟踪。例如，在本发明的六维(6-D)系统中，此六维为目标的倾斜、偏转和滚动及球面坐标，即，相对于跟踪单元的目标的α、θ两角和径向距离。目标优选为可以由人、机器人或其它移动物体持有的活动目标。通过使用活动目标，目标坐标保持与来自跟踪单元的入射光束的相对垂直关系。此外，通过使用绝对距离测量(absolute distancemeasurement，ADM)技术，绝对测距(absolute ranging)是可能的。
通常，基于测量的倾斜和偏转可以源自目标上存在的编码器。例如，滚动测量可以基于下述偏振或电子水平(electronic level)技术。例如，绝对距离测量或ADM可以使用行程的重复时间(repetitive timeof flight，RTOF)脉冲、脉冲激光、相位/强度调制等完成。在申请人的申请号为60/377,596的U.S.专利申请中可以找到额外的描述，此处通过引用而包括其全部内容。
尤其地，基于RTOF的系统包括如PIN光检测器的光检测器、激光放大器、激光二极管及频率计数器。向目标发射第一激光脉冲。经检测返回的脉冲，探测器通过由频率计数器所检测到的脉冲而引发激光放大器，并且使激光二极管发射第二脉冲。然而，可以理解，反逻辑也同样成功地起作用。可以通过下式来计算目标到跟踪单元的距离(D)D=C4(1f-1f0)]]>这样D＝0；f＝f0其中C为光速，f0为基准频率，f为脉冲频率。
本发明的系统和方法具有各种应用。一般地，本发明的系统和方法可以监测物体的多自由度(比如6个自由度)。如，本发明的系统和方法可以用于结构装配、实时调整和反馈控制、机械工具校准、机器人位置控制、位置跟踪、铣床控制、校准、部件装配、尺寸检验等。
此外，本发明的使用6-D跟踪系统的系统和方法可以使自身用于机器人领域。例如，可以在机器人内安装该6-D激光跟踪系统，也就是，如能够测量各种物体，因此，比如可以对那些物体和/或在该物体的特定位置实施各种功能进行精确测量。
图1为说明本发明的典型多维测量系统的示意图。激光跟踪系统10包括跟踪单元100和目标150。跟踪单元100发射一束或多束与目标150通信的激光110，从而确定目标150相关的六维测量。在输出设备200上输出六维测量。具体地，图1中所示的六维为目标150的倾斜、偏转和滚动运动、目标150相对于跟踪单元100的球面及一旦转变后的迪卡儿(Cartesian)坐标以及目标150与跟踪单元100之间的径向距离。
如在该申请人以前的专利及上述引用的专利申请中所述，倾斜、偏转及球面坐标测量可以基于各种技术。例如，倾斜和偏转测量可以基于一个或多个旋转编码器。如，距离测量可以基于激光束的脉冲激光配置、RTOF脉冲、相位和/或强度调制等。这些各种系统可以提供目标150的绝对测距。优选目标150为活动目标。尤其地，可以使用绝对距离测量(ADM)技术确定大约的最初距离，然后使用基于干涉计的技术进一步改进最初距离的测量。ADM技术是可取的，因为不使用该技术，就必须进行两个测量，而且必须进行反三角测量以计算距离。
例如，跟踪单元100和目标150可以为电动单元，该电动单元使跟踪单元100及目标150的一个或多个部分维持与跟踪单元100所发出的入射激光束110垂直的方向。跟踪单元100为激光源。因此，如以下所述，通过利用来自一个或多个光检测器的位置信号的旋转编码器和电动机的组合，目标150能够保持垂直于入射激光束110。例如，通过使用万向型支架及对应位置电机，如步进电机、伺服电动机和/或编码器，目标150“跟踪”跟踪单元100。根据目标150与入射激光110的关系，6-D激光跟踪系统10能够确定目标150的方向。可选择地，目标150可以为被动设备，例如，为手持设备，如角隅棱镜(cornercube)，为此，使用者应负责保持目标150与跟踪单元100之间的视线。
优选地，例如，通过在跟踪单元100的万向部分装入绝对距离测量和干扰计电子设备，跟踪单元100也能够被小型化。这样提供了包括减轻重量、缩小体积、使外部连接最简化、加快跟踪速度等的典型优点。
输出设备200通过有线或无线连接5与一个或多个跟踪单元100连接，并且输出目标150相关的位置信息。例如，输出设备200可以为计算机、位置控制设备的反馈输入、显示器、导向系统等。一般地，输出设备200可以为任何能够输出目标150相关的位置信息的设备。
此外，一束或多束激光束110可以被用于将关于目标150的位置信息通过通信返回到跟踪单元100。例如，确定最初距离后，用于绝对距离测量的激光可以被用于数据通信，而基于干扰计的激光则用于径向距离测量。可选择地，系统10内可以装入专用激光，从而可以使目标150和跟踪单位100之间进行全时通信。
图2为说明本发明的滚动确定系统的示意图。具体地，该系统包括位于跟踪单元100内的激光源(图中未显示)、偏振激光束210、偏振光束分光器220、第一光光检测器230、第二光检测器光240及滚动确定电路250。例如，滚动确定电路250可以为微分放大器。例如，激光源可以为激光头。如图2所示，偏振光束分光器220、第一光检测器230、第二光检测器240及滚动确定电路250为目标150的元件。
在操作中，跟踪单元100发射偏振激光束210，偏振光束分光器220接受该激光束。偏振光束分光器220将入射光束210分为两条光路。第一光路指向第一光检测器230，偏振激光束210的第二光路指向第二光检测器240。当偏振激光束210遇到偏振光束分光器220时，偏振激光束210由于偏振光束分光器220的特性而被分为水平偏振分量214和垂直偏振分量213。
光束210的水平偏振分量214穿过偏振光束分光器220到达光检测器240，光检测器240产生对应于光束210的水平偏振分量214的强度的输出信号。同样，光束210的垂直偏振分量213通过偏振光束分光器220射向光检测器230，光检测器230产生对应于光速210的垂直分量213的强度的信号。例如，光检测器230和240的强度测量可以分别与滚动确定电路250的正、负输入联系，从而提供了代表跟踪单元100和目标150之间的滚动的输出信号。优选地，滚动确定电路250为高增益微分放大器。
如上所述，基于跟踪单元100和目标150之间的准确滚动方向，偏振激光束210被分为两个不同的偏振分量。在45°的滚动方向，光检测器230和240接受到相同的强度。然而，随目标150沿其中一个方向滚动，其中一个检测器接受到的偏振激光束210的强度就会大于另一检测器接受到的强度。例如，通过滚动确定电路250来测量这些输出之间的差异，从而提供滚动的提示。这种滚动确定电路250的扣除操作也利于补偿如由光束密度和/或背景光线的波动而产生的背景和外部噪音。
尤其地，可以通过光检测器230和光检测器240测量光束输出的变化及其它可能出现的信号噪音。通过滚动确定电路250的操作可以消除这些变化。例如，这样提高了该系统的灵敏度和精确性。
例如，可以向具有能够记录、分析或启动基于滚动测量的进一步活动的软件的计算机(未示出)输出代表滚动的信号。
可选择地，其它技术可以用于滚动确定。这些技术包括、但不限于电子水平仪，如基于钟摆的技术、传导性液体毛细管技术、液体水银反射传感器，或，通常的任何测定目标的滚动的技术。
图3为说明本发明的典型倾斜、偏振、滚动和距离测量系统的示意图。具体地，6-D激光跟踪系统30的组成包括存在于跟踪单元100内的激光源、偏振激光束310、电子束分离器320、角隅棱镜330、集中器透镜(concentrator lens)340、二维光检测器350、第一光检测器230、第二光检测器240、偏振光束分光器220及滚动确定电路250。
在操作中，跟踪单元100内的激光源发射偏振激光束310，该偏振激光束310通过电子束分离器320被分为三条分别射向集中器透镜340、角隅棱镜330和偏振光束分光器220的光路324、323和322。
如上所述，被电子分离器320反射、并射向偏振光束分光器220的光束310的光路322被用于确定滚动测量。由目标150而确定的滚动、倾斜和偏振测量值的组合，以及跟踪单元100相关的球面坐标，使系统30实现目标150的六维跟踪。
直接穿过电子束分离器320的偏振激光束310的光路323被角隅棱镜330反射，并且返回跟踪单元100。如在以上所引用的申请人的相关专利中所述，这样跟踪单元100就能够确定目标150与其之间的距离。然而，可以理解，对于本发明的系统和方法任何确定绝对距离测量的方法都有效。
射向集中器透镜340的光路324聚焦于二维光检测器350，目标150的驱动电机的倾斜和偏转信号源于该二维光检测器350。具体地，随目标150相对于跟踪单元100内的激光源移动，通过集中器透镜340射出的激光光路324就相对于二维光检测器350移动。可以检测该移动，并且能够获得代表倾斜和/或偏转测量值的对应信号。然后，如上所述，该倾斜和/或偏转测量可以被用于控制目标150上的一个或多个电机，以保持目标150垂直于跟踪单元100。
图1 4为说明本发明的包括回复反射器的目标的另一典型实施例的二维示意图。图15为说明图14中的典型实施例的三维示意图。
本发明的系统1400包括跟踪单元100和目标1450。跟踪单元100为可被目标1450检测的激光束源。目标1450包括回复反射器1420和激光传感器1430。例如，激光传感器1430可以为光检测器，如上述光电传感器240，或为下述电荷耦合器件(CCD)阵列传感器。放大器/转发器1440可以与激光传感器1430关联，从而放大激光传感器1430产生的模拟信号或数字信号。激光传感器1430可以检测由跟踪单元100发射的通过回复反射器1420的顶点1422的激光束光线。回复反射器1420可以为中空的回复反射器或固体回复反射器。顶点1422使至少部分激光束1410通过，从而落向或聚焦于激光传感器1430，该激光传感器1430可以是光检测器或CCD阵列传感器。
优选地，回复反射器1420为如图16所示的中空回复反射器。图16所示的典型的回复反射器1600包括三个镜面1610、1620和1630，这三个镜面的位置互相垂直。镜面1610、1620和1630相连的共同末端形成了中空回复反射器1600的顶点1601。优选顶点1602为位于中空回复反射器1600的顶点1601处的小孔。顶点1602使至少部分激光束1410通过，从而落向或聚焦于激光传感器1430，该激光传感器1430可以是光检测器或CCD阵列传感器。
如果使用固体回复反射器，则抛光顶点附近的小平面，以形成使至少部分激光束1410通过从而落向或聚焦于激光传感器1420的通路。如图17所示，固体回复反射器1700包括顶点1701处的平面1702。平面1702同样作用于上述顶点1602。
布置回复反射器1420和激光传感器1430以测量目标1450的倾斜(见图15中y-y轴)和偏转(见图15中的x-x轴)方向或运动。向量Vy加上Vx和距离D得到入射激光束1410对于目标1450的角度位置。目标1450可以与远程单元(分别如图4、7、8和12中所示的机器人400、远程单元700、800和1200)联系。
图14简要说明了如何测量与目标1450相关的偏转运动。当目标1450表示没有偏转运动时，激光束光线1410穿过顶点1422，并且被原点或基准点1432处的激光传感器检测。然而，如由激光光路1413和1415所示，目标1450的任何偏转运动都可能导致激光束光线1410被位于除了基准点1432外的其它位置处的激光传感器1430检测，如分别位于激光束光线1410的光路1413和1415的点1433和1435处的激光传感器。注意点1433、1432和1435应该沿图15中所示的轴x-x。优选地，布置回复反射器1420和激光传感器1430以检测大范围的偏转运动。例如，回复反射器1420和激光传感器1430依据大小和其它因素可以测量至少达30度的偏转运动。
同样，可以使用回复反射器1420和激光传感器1430检测和测量目标1450的倾斜运动。在零倾斜运动时，激光束光线1410穿过顶点1422，并且被基准点1462处的激光传感器1430检测。如果有倾斜运动，激光传感器1430的不同部分，即沿垂直于纸面方向或高于或低于参考点1432，将检测到激光束光线。注意，这些点应该沿图15中所示的轴y-y。
如上所述，激光传感器1430可以是光检测器。在本发明的不同实施例中，可以使用CCD阵列传感器作为激光传感器1430。本领域公知，CCD阵列传感器可以包括按阵列布置的多象素。优选地，根据本发明的CCD阵列传感器包括约1000×1000象素。也可以使用更高或更低的象素。可以由对应的转发器1440处理CCD阵列传感器的数字输出。CCD阵列传感器被用于检测目标1450的一种或两种偏转和倾斜运动。在本领域，例如数码相机中使用CCD阵列传感器检测光是已知的。因此，此处无须更多的说明。
如上所述，目标1450中包含回复反射器1420和激光传感器1430提供了很多优点。例如，回复反射器1420相关的远程单元(如远程单元700、800和1200之一)沿倒置的方向可以更好地起作用，否则是不可能的。此外，使用回复反射器1420使本发明的目标和/或远程单元的体积减小，重量减轻。
图4说明了本发明的典型远程单元。机器人400包括多个吸杯型设备410、传动装置420、控制器430、附件440、抽吸装置450及目标。例如目标可以是目标150和目标1450之一。机器人400也包括各种其它的组件，如电源、电池、太阳电池板等，出于清楚的目的，自此省略了这些组件，其对于本领域熟练技术人员是显然的。
在操作中，例如，将目标150与机器人400结合使机器人400精确的移动和定位跟踪。尽管以下讨论机器人活动目标，但可以理解，一般地，目标可以固定地附于任何物体上，从而可以检测物体的六个自由度，或者，可选择地，目标可以被附于可移动的设备和被监测设备的位置。
例如，吸杯型设备410与抽吸装置450经软管(图中没有显示)连接，使机器人400能够固定于表面。例如，控制器430连同抽吸装置450和吸杯型设备410可以与驱动系统420协作，从而机器人400能够横过表面。例如，吸杯型设备410和驱动系统420协作，从而向吸杯型设备410施加足够的吸力以使机器人400固定于表面，同时仍使驱动装置420驱动机器人400在表面之上移动。例如，驱动装置420可以包括四个轮子并与驱动和悬挂组件(图中未显示)联结。轮子使机器人400横过表面，同时保持机器人400相对于跟踪单元100的转动方向。然而，一般地，在容易操作机器人400使其相对于跟踪单元100的转动方向恒定时，可以根据偏振激光的使用而调节系统，从而解决可能发生的任何旋转运动。尤其地，例如，机器人400的旋转动作可以是基于偏振激光的方向测量的“逆向恢复”算法，以解释机器人400的任何转动。
此外，可以理解，尽管机器人400包括抽吸装置450和吸杯型设备410，但是能够可移动地将机器人400固定于表面的任何设备或设备的组分都可以对本发明的系统和方法起同样好的作用。例如，可以使用正空气压系统以使机器人400牢固地固定于表面。例如，该正气压系统可以包括空气鼓风装置，当机器人400从下面而不是从上面横过表面时，该空气鼓风装置向下吹空气。空气向下运动使机器人400可移动地固定于表面下。此外，根据表面类型，可以使用磁铁型、重力型、阻力型等的附件系统。
例如，控制器430可以与远程控制器(图中未显示)进行有线或无线通信，该控制器430使机器人400协同驱动装置420进行运动。例如，驱动装置420可以包括多个与驱动轮连接的电机等。
例如，附件440可以是压印机、如钻子的工具、涂色配件、焊接或切割设备、或其它已知的或以后研制的需要精确置于表面的设备。例如可以协同控制器430远程激活的附件。此外，附件440可以包括真空系统。
由于附件440与目标150之间的距离已知，因此附件440的准确位置总是已知的。因此，用户在准确的位置处放置附件440，从而附件440可以在该位置发挥作用。例如，如航线摄影机的局部效应传感器、莫尔条纹(Morie fringe)专利传感器或接触式探针可以被附于目标150的末端。当局部传感器测量物体，如车体、建筑物、处于危险环境区域内的物体等的轮廓时，与目标150组合的跟踪单元110可以提供与被测部分具有空间关系的局部传感器的定向。
图5说明机器人400的横截面的示意图。在该图中，显示的机器人400包括可移动的距离确定设备540。除目标150相关的位置传感设备外，可移动的距离确定设备540从机器人400的基底延伸到表面510。距离确定设备540测量目标150和表面510之间的准确距离，从而表面510相对于目标150的准确位置总是可知的。
如图5所示，吸杯型设备410经隔离片530位于表面510上固定距离处。例如，隔离片530可以是轴承或其它同等的设备，该设备使吸杯型设备410在表面510上方保持固定的距离，同时仍使空气520在机器人400和表面510之间产生吸力。
使机器人400具有移动性，就可预知机器人400可能不会一直与跟踪单元100通信。一旦机器人400不在跟踪单元100的视线内，则6-D激光跟踪系统就可以进入目标探测状态。
在目标探测状态下，例如，用户可以使用操纵杆瞄准通常在机器人400附近的跟踪单元100。然后跟踪单元100开始目标探测过程，在该过程中跟踪单元100以螺旋方式开始向外旋转以确定目标150的位置。当探测目标150时，建立跟踪单元100和目标150之间的通信，并且又可进行六维测量。
例如，可选择地，目标150可以经比如无线电通信联系或其它已知的或以后研制的使跟踪单元100与是否出现视线无关地跟踪目标150的相对位置的系统而保持与跟踪单元100的通信。因此，如上所述，当再建立视线时，可进行六维测量。
图6为说明根据本发明进行测量的典型方法的流程图。具体地，在步骤S110中开始控制，其中建立跟踪单元(如跟踪单元100)和目标(如目标150)之间的通信。例如，对于基于系统的干涉计，目标被置于已知的位置处，以建立与根据单元的通信，并且初始化系统。对于绝对距离测量系统，目标处于与激光和获得的大概的径向距离(R)的通信中。
其次，在步骤S120中，目标处于被测量的第一点处。
然后，在步骤S130中，获得倾斜、偏转、滚动和球面坐标。
在步骤S140中，将球面坐标转换为迪卡尔坐标(x，y，z)，其中x为目标的水平位置，y为目标的内/外位置，z为目标的上/下位置。
然后，在步骤S150中，输出位置测量值。
然后，控制持续到步骤S160，其中测定取决于是否测量额外的点，如果测量，则过程进行到步骤S170；否则，过程结束。
在步骤S170中，目标移动到新的需测量的点。在目标连接到远程单元如机器人的实施例中，命令机器人移动到新位置。然后该过程返回步骤S130。
例如，可能有这样的例子，其中被测量的点不在跟踪单元的视线内，或者，可选择地，例如，目标不可接近被测量的点。图7～13为说明探测器组件与远程单元中的目标相关从而在目标不可接近的点处进行测量的典型实施例。
图7为说明本发明的包括典型跟踪单元和典型远程单元的多维测量系统的典型实施例。多维测量系统70包括跟踪单元100和远程单元700。布置远程单元700以获得探头620可接触的点或位置的位置信息，但其不在跟踪单元100的视线内。
在该实施例中，如上所述，目标150能够绕原点760做倾斜、偏转和滚动运动，因为在跟踪单元100的视线内，因此目标150的位置可以确定。探头620以与不在跟踪单元的视线内的点或位置接触。探头620通过探杆610与探座730连接。在一个实施例中，探座730相对目标150是固定的或不可移动的。在此实施例中，探座730本身不能做任何倾斜、偏转或滚动运动。然而，探头620可以沿圆周605绕探座730进行旋转，这样形成垂直于纸面的圆盘形点云(disc shapepoint cloud)。因此，除了以上描述的目标150相关的六维外，探头620的运动增加了第七维，使系统70成为七维系统。
不在跟踪单元100的视线内的、但探头620可以接触到的点或位置可确定如下。
首先，探杆610被锁定在探座730的相关位置内。可以使用许多不同的方法在适当的位置锁定探杆610。例如，可以使用蝶型螺母和相关的锁定齿640在适当的位置处锁探杆610。
其次，使目标150与底座750更近，并且探头620与底座750的中心752接触。底座750的中心752是已知位置。例如，可以使用如图19和20所示的、以下描述的系统和方法确定中心752相对于跟踪单元100的位置(x，y，z)。因为可以通过跟踪单元100直接测量原点760，并且底座750的中心752具有已知的位置，因此可确定探头620相对于原点760的向量。
第三，移动目标150以测定探头620可接触的点和位置。使用计算机软件和其它已知的方法，可以基于原点760的位置信息和探头620相对于原点760的向量来计算与探头620可接触的点和位置相关的位置信息。
作为使用底座750确定探头620相对于原点760的向量，可以使用一个或多个与探座730连接的编码器。
图8为说明本发明的另一典型远程单元的示意图。图8所示的远程单元800包括探测器组件600，布置该探测器组件600沿两个轴移动，使远程单元800在使用跟踪单元100时成为八维测量系统。根据该实施例，除了目标150、组件600外，远程单元800进一步包括编码器720和740。可选地，远程单元800进一步包括手持组件700(其包括触发器710)。
在该实施例中，使用编码器720测量探座730的偏转运动，使用编码器740测量探座730的倾斜运动。因此，在该实施例中，探头620可以绕探座730移动，以建立围绕探座730的球面点云。使用通过编码器720和740进行的测量可以确定探头620相对于原点760的向量。
为了测量探头620可接触到的点或位置，可以进行以下步骤。
第一，使目标150处于该点或位置附近，并且探头620围绕探座730运动，从而探头可以接触到该点或位置。第二，因为原点760在跟踪单元100的视线内，所以可以获得上述目标150相关的六维数据。第三，通过使用编码器720和740获得信息，该信息可确定探头620相对于原点760的向量，这样可以获得该点或位置相关的位置信息。优选地，可以通过使用挤压式触发器在一个步骤中进行第二和第三步。
图9为说明本发明的典型探测器组件的示意图。如果以相对于探座730进行三维投影，则典型的点云607代表探头620到如探座730的原点的距离。
图10为说明本发明的典型探测器组件的示意图。在该实施例中，探杆610的外形为“L”形而不是直的“I”形。然而，一般地，探杆610可以是任何形状，用户仅需要附件底座750，从而使探头620在起始化过程中位于底座750内，以形成点云。如图10所述，“L”形探杆610使探头620能够接触物体的底面，如物体1050的底面1052。
图11为说明本发明的另一典型探测器组件的示意图。探测器组件1100和跟踪单元100组成根据本发明的典型跟踪系统的九维形式。具体地，除了图7和8中所示的探杆610的运动外，图11中的探杆610能够沿径向延伸，即可伸缩式的，从而距离可以是变化的。借助于编码器1000，例如该编码器可以是玻璃尺编码器(glass-scale encoder)、线性尺编码器(linear scale encoder)、磁尺编码器(magnescaleencoder)等，从而可以确定探杆610的长度。
在操作中，用户可以调节探杆610的长度和方向，并且进行初始化，在测量过程中保持探杆610的长度稳定，或者，除了上述计数的步骤外，用户也可以改变初始化过程中的探杆610的长度，从而形成半固体点云(semi-solid point cloud)(未显示)，该半固体点云代表探头620到相对于探座730的旋转运动原点的距离d、探杆610的延伸长度及探头620绕探座730的旋转运动。然后可以储存编码器720、740和100的各种读数以用于在测量过程中确定实际位置。
然后，在使用过程中，用户可以适当的改变一个或多个探测长度，如距离d(编码器1000测量的)、偏转方向的探针旋转(旋转编码器720测量的)及倾斜方向的探针旋转(编码器740测量的)，以使探头620置于被测物体上。此外，尽管此处说明的探头620是球形，但是可以理解探头可以是使探头620穿过物体的任何形状的，如点形、杯形或轴承等。例如，如上所述，在探头620横过物体过程中，可以使用触发器(见图8)进行瞬时或持续测量。
图12和13为说明本发明的典型远程单元的不同视图的示意图。远程单元1200包括上述目标150。目标150包括电子束分离器1240和多个光检测器1250。远程单元1200进一步包括可调节的探测器组件1210、电子水平仪1220和把手1230。探测器组件1210包括探头1260。
远程单元1200的操作涉及用户维持远程单元1200和跟踪单元(如图1中的跟踪单元100)之间的方向。可以以上述与远程单元700和800相关的同样的方式完成使用远程单元1200的测量。尤其地，进行初始化以确定探头1260相对于远程单元1200的位置。可以在将探测器组件1210固定于固定位置后进行初始化，或，可选择地，例如，可以通过使探测器组件1210通过多个位置，并且形成上述点云而进行初始化。可选择地，探头1260可以置于如球体的已知物体的各个位置，并完成初始化。
当进行与探头1260所接触的位置相关的测量时，与把手1230相关的触发器被挤压。可选择地，可以布置探头1260为接触灵敏性的。例如，在本发明的典型实施例中，探头1260与触式传感器连接。在该典型实施例中，只要探头1260与位置接触，就通过远程单元1200进行测量。此时，接触为物理接触。
在另一实施例中，当探头1260在位置附近时，接触可以是有效的。例如，可以使用与探头1260连接的磁性或红外线设备完成此非物理接触。
例如，远程单元1200可以基于电子水平技术或使用上述微分放大技术确定滚动。可以使用电子水平仪1220完成电子水平技术。
图18为说明本发明的包括光测量传感器的远程单元的另一典型实施例的示意图。远程单元1800包括光测量传感器1830。光测量传感器1830可以被用于测量表面几何图形的面积。优选地，如图18所示，光测量传感器1830接近远程单元1800的下部。然而，光测量传感器1830可以另外与远程单元1800连接，包括接近远程单元1800的上部或侧面。
图19为说明确定探头相对于探头相关的目标的原点的向量的典型系统的示意图。系统1900包括上述具有原点760的远程单元700和探头620。例如，探头620可以为红宝石球体。系统1900进一步包括磁圆盘1910，安装于回复反射器(SMR)的球面1920，和一个或两个虚拟单元1930和1940。
磁圆盘1910包括多个支架1912、1914和1916。磁圆盘1910进一步包括磁铁1918。布置支架1912、1914和1916以支撑SMR1920、半球虚拟单元1930和圆球虚拟单元1940之一。优选地，各SMR1920和虚拟单元1930、1940由磁性不锈钢制成，从而磁圆盘1910的磁铁1918能够确保磁圆盘在支架1912、1914和1916上。优选地，磁铁1918位于支架1912、1914和1916中的一个上。
SMR1920包括置于SMR1920的体1926内的回复反射器1924。回复反射器1924可以是中空的回复反射器(如，类似于中空回复反射器1600)或固体回复反射器(如，类似于固体回复反射器1700)。优选体1926由磁性不锈钢制成。SMR可以具有直径范围。SMR1920的典型直径为0.5英寸、0.75英寸、1.0英寸等。回复反射器1924包括顶点1922。优选地，布置SMR1920从而使顶点1922处于SMR1920的中心。
半球形虚拟单元1930包括体1936和中心1932。半球形虚拟单元1930的直径与SMR1920的直径相同，从而中心1932的位置对应于顶点1922的位置。优选体1936由磁性不锈钢制成。
球形虚拟单元1940包括体1946和中心1942。球形虚拟单元1940的直径与SMR1920的直径相同，从而中心1942的位置对应于顶点1922的位置。优选地，体1946由磁性不锈钢制成。
图20为说明建立图19中所示的探头的向量的典型方法的流程图。
在步骤S210中，磁圆盘1910被固定与如图7所示的底座750的位置的位置处。优选地，磁圆盘1910固定于该位置，从而SMR1920或虚拟单元1930、1940的安装或去除都不移动磁圆盘1910。
在步骤S220中，SMR1920被置于磁圆盘1910上。优选地，SMR1920通过支架1912、1914和1916上的磁铁1918固定于磁圆盘1910上。
在步骤S230中，通过跟踪单元，如图7中所示的跟踪单元100，可以获得顶点1922的位置信息。在该方法中，SMR1920作为常规三维测量系统中的目标。
在步骤S240中，SMR1920被磁圆盘1910上的虚拟单元1930和1940之一取代。例如，去除SMR1920，虚拟单元1930和1940之一被置于磁圆盘1910上，并由支架1912、1914和1916上的磁铁1918固定。
在步骤S250中，使探头620接触虚拟单元以确定步骤S260中的虚拟单元的中心的位置信息。
如果使用半球形虚拟单元1930，则探头620接触半球形虚拟单元1930的中心1932。因为半球形虚拟单元的直径与SMR1920的直径相同，因此中心1932的位置对应于步骤S230中获得的顶点1922的位置。
在步骤S260中，确定探头620相对于远程单元700的原点760的向量。因为如上所述，原点760在跟踪单元100的视线内，并且探头620接触已知位置，该位置为中心1932，即步骤S230中通过顶点1922确定的位置，因此可以确定上述探头620的向量。
如果在步骤S240中使用球形虚拟单元1940，则探头620不能直接接触中心1940。然而，通过探头620接触步骤S250中的体1946的四个或更多个点可以确定中心1940的位置。因为球形虚拟单元1940的直径与SMR的直径相同，所以中心1942的位置对应于步骤S230中获得的顶点1922的位置。然后，可以在步骤S260中确定探头620相对于原点760的向量。
在步骤S270中，探头620可以被用于在各种点和位置处进行测量。
如这些图和上述描述所示，本发明的多维测量系统可以在单程序的通用计算机上执行，或者在分别编程的通用计算机和相关的激光发生和检测电机及旋转编码器组件上被执行。然而，也可以在专用计算机、程序微处理器或微控制器、及外围集成电路元件、ASIC或其它集成电路、数字信号处理器、硬接线(hard-wired)电子设备或如离散元素电路(discrete element circuit)的逻辑电路、如PLD、PLA、FPGA、PAL的程序逻辑设备等上执行多维激光跟踪系统的各个部分。通常，任何能够执行状态机的设备，而该设备又能够执行此处所讨论的和附图中所说明的测量技术，都能被用于执行根据本发明的多维激光跟踪系统。
此外，该公开的方法易于在使用物体或物体定向软件开发环境的软件中执行，该软件提供可以在各种计算机和工作站硬件平台上使用的便携式源代码。可选择地，该公开的多维激光跟踪系统可以在使用标准逻辑电路或VLSI设计的硬件中部分地或充分地执行。软件或硬件被是否用于执行根据本发明的系统取决于该系统的速度和/或效率要求、特殊功能和被利用的特殊的软件和/或硬件系统或微处理器或微计算机系统。然而，此处说明的多维激光跟踪系统和方法易于在使用任何已知的或以后由本领域的普通技术人员根据此处提供的功能描述和计算机和光技术领域的常规知识而研制的系统或结构、设备和/或软件的硬件和/或软件上执行。
而且，该公开的方法易于在程序通用计算机、专用计算机、微处理器等上作为执行软件被使用。在这些例子中，本发明的方法和系统可以在如Java或CGI版本的个人计算机上作为嵌入程序、在服务器或图形工作站上作为固定资源、在专用多维激光系统中作为嵌入例行程序等被使用。也可以通过物理地使软件和/或硬件系统，如多维激光跟踪系统的硬件和软件系统中包括该系统和方法而执行该多维激光跟踪系统。
因此，很明显根据本发明已经提供了用于多维激光跟踪的系统和方法。尽管已经结合多个典型实施例描述本发明，但是很明显，许多修饰、改变和变化对于本领域普通技术人员是显然的。因此，本发明旨在包括所有这些在本发明的实质和范围内的变化、修改、等同物及变化。
出于说明和描述的目的，提供了本发明的上述优选实施例的公开内容。并不意味着本发明仅限于此。根据上述内容，此处描述的实施例的许多变化和修饰对于本领域普通技术人员是显然的。本发明的范围仅由附加的权利要求及其等同物限定。
此外，在本发明的典型实施例的描述中，说明书提供本发明的方法和/或过程作为特定的步骤顺序。然而，就方法或过程并不仅限于此处所阐述的特定步骤顺序来说，本发明的方法或过程也不应该限于所描述的特定的步骤顺序。本领域普通技术人员应该理解其它步骤顺序也是可能的。因此，说明书中所阐述的特定的步骤顺序不应该被认为是对权利要求的限制。此外，对应于本发明的方法和/或过程的权利要求也不应该限于按撰写顺序进行其步骤，并且本领域普通技术人员可以容易地理解可以改变步骤顺序，并且仍然属于本发明的实质和范围内。
权利要求
1.一种多维测量系统，包括跟踪单元，该跟踪单元发出激光并利用球面坐标进行跟踪；与跟踪单元进行通信的目标，该目标能够作倾斜、偏转和滚动运动；距离确定模块，该距离确定模块确定跟踪单元和目标之间的距离；以及输出模块，该输出模块根据球面坐标、倾斜、偏转和滚动运动以及距离输出关于目标相对于跟踪单元的位置信息。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其进一步包括输出设备，该输出设备输出关于目标的位置信息。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中滚动运动基于激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之间的至少一个比较。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，其进一步包括检测激光水平偏振分量的第一光检测器和检测激光垂直偏振分量的第二光检测器。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，其进一步包括滚动确定电路，该滚动确定电路接收第一光检测器的输出和第二光检测器的输出。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其进一步包括电子水平仪，布置为测量目标相关的滚动运动。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中目标为活动目标，其能够相对跟踪单元移动。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，其中目标至少为结合到远程单元中、被固定到物体、用于反馈控制、用于校准、用于机器工具控制、用于部件装配用于结构装配以及用于尺寸检测中的一种。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，其中远程单元是机器人。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，其中机器人包括驱动系统和一个或多个使机器人粘附到表面的牵引设备。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，其中牵引设备为吸杯型设备。
12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，其中机器人包括正空气压系统。
13.如权利要求8所述的系统，其特征在于，其进一步包括真空系统。
14.如权利要求8所述的系统，其特征在于，其进一步包括一个或多个附件，使功能能够至少基于目标的位置信息实现。
15.一种多维测量系统关联的远程单元，包括与多维测量系统的跟踪单元通信的目标，该目标能够作倾斜、偏转和滚动运动；以及连接到目标的探测器组件，该探测器组件包括探头、探杆和探座，其中探头布置为伸到不在跟踪单元和目标之间的视线内的位置。
16.如权利要求15所述的远程单元，其特征在于，其进一步包括一个或多个连接到探测器组件的编码器。
17.如权利要求16所述的远程单元，其特征在于，其中至少一个编码器布置为确定相对于探座的探头的第一角度位置。
18.如权利要求17所述的远程单元，其特征在于，其中至少一个编码器布置为确定相对于探座的探头的第二角度位置。
19.如权利要求16所述的远程单元，其特征在于，其中至少一个编码器布置为确定相对于探座的探头的轴线位置。
20.如权利要求16所述的远程单元，其特征在于，其进一步包括触发器，布置为引发探头触及的位置关联的一个或多个测量。
21.如权利要求16所述的远程单元，其特征在于，其进一步包括与探头关联的接触式传感器，其中当接触式传感器开始接触位置时进行位置关联的一个或多个测量。
22.一种多维测量系统关联的目标，包括具有顶点的回复反射器，其中顶点布置为使至少部分进入回复反射器的激光束光线离开回复反射器；以及激光传感器，布置为检测至少部分通过顶点离开回复反射器的激光。
23.如权利要求22所述的目标，其特征在于，其中目标布置为连接到光测量传感器。
24.如权利要求22所述的目标，其特征在于，其中回复反射器为中空回复反射器。
25.如权利要求24所述的目标，其特征在于，其中回复反射器包括顶点处的孔，该孔布置为使至少部分激光束光线离开回复反射器。
26.如权利要求24所述的目标，其特征在于，其中回复反射器包括形成顶点的三个镜子。
27.如权利要求22所述的目标，其特征在于，其中回复反射器为固体回复反射器。
28.如权利要求27所述的目标，其特征在于，其中顶点包括抛光小平面，使至少部分激光离开回复反射器。
29.如权利要求22所述的目标，其特征在于，其中激光传感器为光检测器。
30.如权利要求22所述的目标，其特征在于，其中激光传感器为电荷耦合器件阵列传感器。
31.如权利要求22所述的目标，其特征在于，其中激光传感器可进行检测目标的倾斜和偏转运动的至少一个的操作。
32.物体位置测量方法，包括监测激光发射跟踪单元的球面坐标；监测与跟踪单元通信的目标的倾斜、偏转和滚动运动；确定跟踪单元和目标之间的距离；以及基于球面坐标、倾斜、偏转和滚动运动以及距离输出关于目标相对于跟踪单元的位置信息。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，其中滚动运动基于跟踪单元发出的激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之间的至少一个比较。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，其中滚动确定电路执行激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之间的比较。
35.如权利要求32所述的方法，其特征在于，其中目标为能够相对于跟踪单元移动的活动目标。
36.如权利要求32所述的方法，其特征在于，其中目标至少为结合到远程单元中、固定到物体、用于反馈控制、用于校准、用于机器工具控制、用于部件装配、用于结构装配以及用于尺寸检测中的一种。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，其中远程单元包括驱动系统和一个或多个使远程单元粘附到表面的牵引设备。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，其中牵引设备为与真空系统连接使用的吸杯型设备。
39.如权利要求36所述的方法，其特征在于，其中远程单元为远程控制。
40.如权利要求36所述的方法，其特征在于，其进一步包括使功能通过附件至少基于目标的位置信息实现。
41.如权利要求36所述的方法，其特征在于，其中机器人包括正空气压系统。
42.物体位置测量系统，包括监测激光发射跟踪单元的球面坐标的装置；监测与跟踪单元通信的目标的倾斜、偏转和滚动运动的装置；确定跟踪单元和目标之间的距离的装置；以及基于球面坐标、倾斜、偏转和滚动运动以及距离输出关于目标相对于跟踪单元的位置信息的装置。
43.如权利要求42所述的系统，其特征在于，其中滚动运动基于跟踪单元发出的激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之间的至少一个比较。
44.如权利要求43所述的系统，其特征在于，其中滚动确定电路执行激光的水平偏振分量和激光的垂直偏振分量之间的比较。
全文摘要
基于激光的跟踪单元(100)与目标(150)通信，以获得关于目标的位置信息。特别地，目标(150)放置在要测量的点。然后获得(200)目标(150)的倾斜、偏转和滚动运动以及目标相对于跟踪单元的球面坐标。例如，目标可以为结合到比如遥控机器人的可移动设备中的活动设备。
文档编号G05B1/00GK1678880SQ03820650
公开日2005年10月5日 申请日期2003年8月26日 优先权日2002年8月26日
发明者甘·C·劳 申请人:甘·C·劳