[发明专利]位置和取向跟踪系统

说明书

用于跟踪对象的位置和取向的跟踪系统，该跟踪系统包括：跟踪基座，其被设置在环境中，该跟踪基座包括：跟踪头支架和至少三个跟踪头，该至少三个跟踪头被安装到跟踪头支架；目标系统，其包括至少三个目标，这些目标被安装到对象，每个目标包括反射器，该反射器将辐射束反射到相应的跟踪头的基座传感器；以及控制系统，该控制系统：在相应的目标在环境中移动时，使每个跟踪头跟踪该相应的目标；确定每个目标相对于相应的跟踪头的位置；至少部分地使用所确定的每个目标的位置来确定目标系统的取向；以及，至少部分地使用目标系统的位置和取向来确定对象的位置和取向。

优先权文件

本申请要求于2018年11月14日提交的题为“位置和取向跟踪系统”的澳大利亚临时申请第2018904340号的优先权，其内容据此通过引用以其整体并入本文。

发明背景

本发明涉及用于跟踪对象相对于环境的位置和取向的系统和方法，并且在一个具体示例中，涉及用于跟踪经历相对于环境的移动的机器人部件的位置和取向的系统和方法，以允许在环境内执行交互。

现有技术描述

在本说明书中，对任何在先公开(或者从其中衍生出的信息)或者对任何已知事物的参考，不是且不应当被认为是对在先公开(或者从其中衍生出的信息)或者已知事物形成本说明书涉及的努力的领域中的公知常识的一部分的认可或承认或任何形式的暗示。

已知提供这样的系统，其中安装在移动机器人基座上的机器人臂用于在物理环境内执行交互。例如，WO 2007/076581描述了一种用于由多个砖块来建造建筑物的自动砖块铺砌系统，该自动砖块铺砌系统包括设置有砖块铺砌和粘合剂施加的头的机器人、测量系统以及向机器人提供控制数据以在预定位置铺砌砖块的控制器。测量系统实时测量头的位置，并且为控制器产生位置数据。控制器基于位置数据与预先确定或预先编程的头位置之间的比较来产生控制数据，以在建造期间在针对建筑物的预定位置处铺砌砖块。控制器可以控制机器人以逐层的方式来建造建筑物，其中砖块按顺序地铺砌在它们各自的预定位置，并且其中首先要对整个建筑物铺砌一整层砖块，随后再铺砌下一层的砖块。

激光跟踪器，诸如US-4,714,339和US-4,790,651中所描述的，可以被用于测量安装到对象的目标的位置和取向。Kyle在CMSC：Charlotte-Concord，2008年7月21日至25日描述了一种激光跟踪器极坐标测量系统，以用于测量具有六个自由度的目标的位置和取向。

制造商API(Radian和具有STS(智能跟踪传感器)的OT2)、徕卡(Leica)(AT960和Tmac)和Faro提供激光跟踪器系统，其中一些可以测量目标的位置和取向。这些系统以300Hz、或1kHz或2kHz(取决于装备)测量位置。取向测量(对于STS和Tmac)依赖于使用2D相机的各自的视觉系统，这些相机以目前最大为100Hz的电流进行测量。加速度计数据(例如来自倾斜传感器或INS(惯性导航系统))可以被用于确定或预测或插值高达1000Hz的取向测量值，但是利用已知系统可以将取向精度减小至0.01度。

这种激光跟踪器可以被用于对机器人部件(例如机器人臂上的末端执行器)进行精确的位置测量。从激光跟踪器和有源目标获得的数据(其等同于位于末端执行器上或靠近末端执行器的有源目标的位置和可选的取向)被用于至少控制末端执行器的位置，并且优选地还控制末端执行器的取向，从而稳定末端执行器。然而，为了使这种稳定有效地运行，能够实时知道机器人部件的位置和取向是重要的。这在实践中可能难以实现。例如，通常不存在跟踪器与末端执行器之间的视线。此外，末端执行器离安装跟踪目标的位置越远，由于取向测量误差而引起的末端执行器位置误差就越大。