[发明专利]具有能够旋转的反射镜的基于摄影机的六自由度标靶测量和标靶跟踪设备

说明书

交叉引用

本申请要求2006年4月21日提交的美国临时申请60/793,811的优先权，其中该临时申请的全部内容参引到本申请中。

背景技术

本发明公开涉及坐标测量设备。一套坐标测量设备属于通过发送激光束到某一点来测量该点的三维坐标的一类仪器。激光束可以直接撞击于该点或者可以撞击于与该点接触的反向反射器标靶。在任一种情况下，仪器通过测量相对于标靶的距离和两个角度来确定该点的坐标。用诸如绝对测距仪或干涉仪等距离测量设备来测量距离。用诸如角度编码器等角度测量设备来测量角度。仪器内的万向光束控制机构将激光束引导至相关点。确定点坐标的示例性系统在Brown等人的美国专利No.4,790,651和Lau等人的美国专利No.4,714,339中有描述。

激光跟踪器是一种特殊类型的坐标测量设备，该设备利用其发射的一道或多道激光束来跟踪反向反射器标靶。与激光跟踪器紧密相关的坐标测量设备是激光扫描仪。激光扫描仪将一道或多道激光束引向漫反射面上的点。

第二套坐标测量设备属于使用一个或多个摄影机观察附接到探针的光点来测量坐标的一类仪器。摄影机观察这些光点并根据影像确定探针端头的位置。在多数情况下，使用的是两个或多个摄影机。这些摄影机可以刚性连接，或者它们可以根据特定的测量需要而单独设置。如果摄影机没有刚性连接，那么必须在测量之前或期间由摄影机对参照长度进行测量以建立标度。使用摄影机和光点确定点坐标的示例性系统在Pettersen的美国专利No.5,196,900中有描述。

还可以通过使用单个摄影机观察附接到探针的光点来得到探针端头的坐标。通常认为这种设备不太精确，但是当成本低廉或能够察看狭窄开口很重要时，这种设备是合适的。使用单个摄影机确定探针端头的坐标的示例性系统在Pettersen等人的美国专利No.5,440,392中有描述。

为了避免单摄影机系统中径向距离精度的局限性，已设计了将摄影机和测距器相结合的方法。在一个实施方式中，测距器包括测距仪和一个或多个转向反射镜。测距器测量离安装在探针上的反向反射器的距离。同时，定位于测距器附近的摄影机测量相对于位于探针上的点光源的角度。距离和角度信息的结合给出了探针端头的坐标。在第二实施方式中，测距器包括测距仪和一个或多个转向反射镜。测距器将光引导至安装在探针上的反向反射器。从反向反射器返回的部分激光行进到测距仪，而另一部分则分离到摄影机。摄影机也测量相对于位于探针上的点光源的角度。距离和角度信息的结合给出了探针端头的坐标。使用结合有测距器的摄影机确定探针端头的坐标的示例性系统在Pettersen等人的美国专利No.5,973,788中有描述。

在自动化工厂中这些坐标测量设备都因为许多问题而不够理想。激光跟踪器，虽然精度高且速度快，但是它对于诸如精确定位机器人末端执行器以进行钻孔等许多普通操作来说过于昂贵。另外，激光跟踪器仅仅测量三维坐标而非全部六自由度。由此，激光跟踪器在某些情况下必须测量三个或更多标靶以得到全部六自由度。以这种方式测量多个标靶需要额外的时间和标靶。

以两个或更多摄影机为基础的基于摄影机的坐标测量设备同样昂贵，而且还有几何局限。为了精确，单个摄影机必须以相对于测量范围来说较远的距离间隔开。因此，摄影机系统在察看狭窄开口的能力方面受到限制。摄影机系统的视场也有局限，这意味着会需要进行耗时的重新定位程序以观察测量空间内的所有标靶。

仅包括单个摄影机的系统制造便宜，但是当使用适合于机器人控制或工厂自动化的小标靶时，该系统在测量径向距离方面不够精确。添加测距器改善了精度，但是对于多数的机器人和工厂自动化的应用场合来说过于昂贵。

鉴于这些局限，目前需要一种成本低、精确且不会具有当前基于摄影机的系统的几何局限的设备。

发明内容

一个实施方式可包括基于摄影机的标靶坐标测量系统，用于以保持高精度级别的方式测量物体的位置。这种高级别的测量精度通常仅与更昂贵的基于激光的设备相关。可以有许多不同的配置。