專利名稱：用于測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量和/或校準(zhǔn)(calibration)空間物體位置的 方法和設(shè)備。該設(shè)備包括至少一個單一的活動臂，該活動臂通過一端 鉸鏈連接到一個框架上并通過另一端附著到一個用于安裝在被測量或 校準(zhǔn)的物體上的平臺，該設(shè)備裝配有用于讀取設(shè)備的單個元件的相對 位置的傳感器。
背景技術(shù)：
空間中的點、物體或者集合體的位置的確定或校準(zhǔn)在許多技術(shù)領(lǐng) 域代表重要的參數(shù)，所述技術(shù)領(lǐng)域例如機床、機器人技術(shù)、建筑工業(yè) 等。點、物體和集合體(下面，這三種詞將用一個單一的術(shù)語"物體" 代替)位置的測量或校準(zhǔn)方法是基于一個/多個測量系統(tǒng)與置于物體上的 一個參照元件之間的單個或多個距離的確定，或者是基于測量連接測量 系統(tǒng)的線條與參照元件之間的角度或相對于基座(框架)的角度。物體 的位置通過采用諸如三角測量法或三角學(xué)找出所測量的數(shù)值之間的幾何 關(guān)系來確定。點的位置由三個直角坐標(biāo)限定，而物體的位置由六個坐標(biāo)限定(三 個位置坐標(biāo)和三個角度坐標(biāo))，但是一個集合體的位置可以由一個到多 個不同數(shù)目的坐標(biāo)確定。術(shù)語集合體可以表示諸如在空間中相互連接的 物體。目前確定一個物體位置的方法依靠測量與該空間物體的自由度的數(shù) 量同樣多的值，其與限定空間中的點、物體或集合體的位置的坐標(biāo)數(shù)相 等。測量多個數(shù)值，這些數(shù)值中的每一個值實際上都包含一定的誤差， 導(dǎo)致物體位置確定的精度明顯比測量單個距離或角度低(由于誤差累積 的結(jié)果)。這些確定空間物體位置方法的另一個缺點是準(zhǔn)備成本高。這是由于 需要非常精確地制造、校準(zhǔn)和調(diào)整測量裝置，以及由于測量本身的長時 間準(zhǔn)備，因為設(shè)置用于測量的初始位置。通過從安裝在基座上的四個激光干涉儀同時對所討論的物體的距離 的測量，而且再通過用于確定空間物體的位置和激光干涉儀的初始距離 和位置的超定方程的隨后求解，采用此方案可以部分地修正空間物體位 置測量的上述缺陷。然而這只允許找到空間點的位置而不是物體的方位。 這樣造成所確定的物體位置的精確度不夠，不及從單個激光干涉儀的初 始距離的測量精度。而且，這種方法只能確定空間點的位置，不能確定 物體的方位。目前確定空間物體位置的方法主要是基于測量距離，最常采用的是 激光干涉儀，借此確定所討論的物體表面的單個的點的坐標(biāo)。除了這個 相當(dāng)昂貴的測量方法外，主要是由于激光干涉儀的成本，還需要使用很 多測量設(shè)備的元件，包括用于每一個干涉儀的單獨驅(qū)動裝置。因此一種激光跟蹤器產(chǎn)生了，它不僅通過激光干涉儀測量距離(from)反射器的距離，而且測量出它的激光束的角度位置并用球面坐 標(biāo)計算出空間反射器點的位置。與部分測量的精確值相比，這種裝置的 問題在于在確定空間反射器點的位置時獲得的精確度低，這是由于測量誤差的累積。它的另 一個缺點是它允許同時確定空間點位置的不超過三 個的自由角度。它不能確定空間物體位置的六個自由度。另一個測量技術(shù)運用了通過照相機或光感應(yīng)元件抓捕圖像的光學(xué)成 像原理。這些造成低精度的問題，精度比激光干涉儀更低。而且也不可 能同時確定空間物體位置的六個自由度。用于測量或校準(zhǔn)空間物體位置的另一個眾所周知的裝置是坐標(biāo)測量 機器。同樣地，它的缺點是不能同時測量空間物體位置的六個自由度。 它的另一個缺點包括其操作空間難以到達(dá)、必須使用受控的驅(qū)動裝置以 及它巨大的重量和尺寸。由于這些原因，用于空間物體位置的校準(zhǔn)的技術(shù)得到發(fā)展，其基于 測量預(yù)先制造的固定裝置的位置，所述固定裝置例如安裝在橫梁或四面 體上的精確球體。同樣地，它的問題包括不能同時確定空間點位置的六 個自由度和不能到達(dá)整個操作空間。用于空間物體位置測量或校準(zhǔn)的另一個眾所周知的裝置包括測量 臂，該測量臂由通過滑動接頭連接的至少兩個部件構(gòu)成。臂在一端通過U 形接頭附著到平臺上，另一端以旋轉(zhuǎn)的方式固定到框架上，借此，平臺 安裝到被測量或校準(zhǔn)的物體包括沿著預(yù)定的軌道引導(dǎo)具有臂的物體，在 這種運動過程中，測量出物體距離旋轉(zhuǎn)中心的距離，且距離讀數(shù)用于空 間物體位置的確定或它的校準(zhǔn)。采用這種測量臂的類似已知裝置運用與 上面相同的原理，不同的是物體不沿著圓周行進。本發(fā)明目的是用于測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的方法和設(shè)備，相對其它 公知的裝置，為被測量的物體位置的確定提供更高的精度，該設(shè)備更簡單 且需要的投資成本低，同時使得相關(guān)數(shù)值的測量更簡單。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的方法的原理在于， 一旦 將測量和/或校準(zhǔn)設(shè)備的平臺附著到被測量或校準(zhǔn)的物體上，這些連接的 部件由物體的驅(qū)動裝置驅(qū)使在物體的操作空間內(nèi)進行任意運動，同時， 對應(yīng)于設(shè)備的單個元件的相對位置的數(shù)值被讀取并用于空間物體位置的 確定或校準(zhǔn)。在平臺隨著被測量或校準(zhǔn)的物體運動的過程中，所測量數(shù) 值的數(shù)量比設(shè)備自由度數(shù)的數(shù)量多至少一個。在空間物體的測量和/或校準(zhǔn)之前，用于測量或校準(zhǔn)空間物體位置的 設(shè)備的校準(zhǔn)通過附著到設(shè)備平臺上的物體的各種運動來進行，其中，對 應(yīng)于設(shè)備的單個元件的相對位置的數(shù)值被讀取。基于這些讀取的數(shù)值， 測量或校準(zhǔn)設(shè)備相對于被測量或校準(zhǔn)的物體的相對位置得以確定，設(shè)備 的活動臂的接頭相對于設(shè)備框架的相對位置也得以確定，其中，在平臺 隨著被測量或校準(zhǔn)的物體運動的過程中，所測量數(shù)值的數(shù)量比設(shè)備自由 度的數(shù)量多出至少一個。優(yōu)選地，在附著有被測量或校準(zhǔn)的物體的平臺的運動過程， 一個或 多個測量值表示設(shè)備的兩個元件之間的相對角度。至少一個活動臂的運動結(jié)構(gòu)使得能夠同時確定空間物體一個以上的 自由度。最常見的是通過在至少一個臂上執(zhí)行兩個長度和/或角度測量來 完成。根據(jù)本發(fā)明的測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的設(shè)備的原理在于，傳感 器的數(shù)量比設(shè)備的自由度的數(shù)量多，所述傳感器用于測量單個點之間的 距離或者設(shè)備的元件之間的單個角度位移，用于讀取臂的單個部件之間 的和/或臂的單個部件與框架和/或平臺之間的和/或平臺與框架之間的相 對位置。至少一個臂通過非滑動接頭與框架和平臺連接，該臂由至少兩個通 過鉸鏈接頭或滑動接頭相互連接的部件構(gòu)成，或者至少一個臂通過接頭附著到框架和平臺，該與框架或平臺連接的接頭通過滑動接頭安裝到框 架或平臺上且該臂由單一的部件或通過U形接頭或滑動接頭連接的多個 部件構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的用于測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的方法和設(shè)備的優(yōu) 點是其本身簡化，可以使用被測量和/或校準(zhǔn)的物體的驅(qū)動裝置并削減其 投資成本。而且，高于設(shè)備自由度數(shù)量的測量數(shù)量使得空間物體位置更 高的測量和/或校準(zhǔn)精度。


附圖為用于測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的設(shè)備的示意圖，其中 圖1為一種可行的方案；圖2-6為其它可行的方案。
具體實施方式
根據(jù)圖1，該設(shè)備包括框架6，活動臂l通過回轉(zhuǎn)接頭附著到框架6。 U形接頭4安裝在臂件1與框架6之間，臂1在U形接頭4中繞著垂直和 水平軸旋轉(zhuǎn)；通常繞著兩個軸旋轉(zhuǎn)，且臂裝配有滑動件5。臂l的另一端 通過球形接頭附著到平臺2。三個臂1都附著到平臺2上，這意味著平臺 2的運動有六個自由度。在測量或校準(zhǔn)的過程中，被測量的物體3牢固地 附著在平臺2上。而且，設(shè)備包括傳感器7，該傳感器用于測量臂1的水 平和垂直角度位置以及臂1在滑動件5中的位移。根據(jù)圖2，三個臂l以相同的方式附著到平臺2上，如圖1中所示。 接頭4同時繞著垂直和水平軸旋轉(zhuǎn)并沿著框架6上的滑動件5滑動。附 加的滑動件5以這種方式結(jié)合使得該設(shè)備布置的示例中消除了單個臂1中所結(jié)合的滑動件5。通常，滑動件5不需要位于單一的平面上，替代地， 它們可以位于框架6的不同平面上。根據(jù)圖3，單個的臂按與圖1中類似的方式安裝到框架6上，但是臂 1上的滑動件被U形接頭10取代。臂1的部件9的相對角度位移也由傳 感器7讀取。上述所有實施例允許具有六個自由度的平臺2的同步運動。頃4-fi図i了田午細(xì)l畺知/成坊準(zhǔn)卒問物汰你罟的沿備的替代實施例。其中，圖4示出了一個臂1通過U形接頭附著到框架6和平臺2，臂 1的單個部件9也通過U形接頭連接。與圖4不同，圖5示出了一個增加 的臂1，該臂通過滑動件5安裝在框架6和平臺2上，另一個滑動件5設(shè) 置在臂1的兩個部件之間，從框架6看，其位于第一和第二部件之間。 該臂1的兩個部件通過接頭4連接。圖6示出了一個位于框架6與平臺2之間的單一的臂1，該臂包括由 U形接頭連接的多個部件9，其中，傳感器8用于讀取設(shè)備的不同部件之 間的點的相對位置。具體地， 一個傳感器8用于讀取框架6與臂1的第 一個部件之間的點的相對位置，另一個傳感器8用于讀取臂1的第二個 與第四個部件之間的點的相對位置，第三個傳感器8用于讀取臂1的第 四個部件與平臺2之間的點的相對位置，另外兩個傳感器8用于讀取框 架6與平臺2之間的點的相對位置。臂1的任何接頭4都可以被滑動件5替代，反過來，任何滑動件5 也可以被接頭4替代。很明顯，在本發(fā)明的所有實施例中，傳感器7讀取臂1的單個部件9 之間的單個距離(individual distance)或角度位移，或者兩個相鄰部 件、或者一般說來臂1的任何兩個部件9、或者臂1的部件9與框架6之 間、或者臂1的部件9與平臺2之間、或者平臺2與框架6之間，而用 于點的相對位置的傳感器8讀取設(shè)備的任何點之間的距離。本發(fā)明設(shè)備的一個重要特征是用于讀取該設(shè)備的單個部件的相對位 置的傳感器的數(shù)量大于設(shè)備的自由度的數(shù)量。典型地，設(shè)備的自由度的 數(shù)量與平臺的自由度的數(shù)量相匹配，但是可能出現(xiàn)設(shè)備的自由度的數(shù)量 大于平臺的自由度的數(shù)量。圖5中所示的設(shè)備可以作為一個例子，臂1 由多個部件9構(gòu)成，因而給裝置增加了更多的自由度。關(guān)于空間物體位置測量或校準(zhǔn)方法的另一個重要特征是在設(shè)備移動 越過被測量或校準(zhǔn)的物體的運行或操作空間的實質(zhì)部分的過程中設(shè)備的 單個部件之間的距離和角度關(guān)系的測量，由所有傳感器測量的數(shù)量值(quantities)從設(shè)備所包含的所有傳感器同時讀取，以滿足冗余情況 (redundancy condition)。優(yōu)選的布置是包括至少一個傳感器用于讀 取設(shè)備上某兩個元件(some of two members)的相對的角度位置。使用上面所述的空間物體測量或校準(zhǔn)設(shè)備(為了清楚的目的，所述 物體將被稱作為被檢査的(examined)物體)可能涉及該設(shè)備的使用， 其本身沒有校準(zhǔn)。該設(shè)備的實際校準(zhǔn)可以在使用其測量和/或校準(zhǔn)被檢查 的物體之前進行，或者該設(shè)備自動校準(zhǔn)可以與被檢査的物體的測量和/或 校準(zhǔn)一起進行。包括上面所述的設(shè)備的自動校準(zhǔn)的被檢査的物體的測量和/校準(zhǔn)需 要下列步驟1. 該設(shè)備的平臺應(yīng)該牢固地附著到被檢査的物體上，例如被檢査的 物可以是一臺生產(chǎn)機器的心軸(spindle)或抓爪。2. 接下來，生產(chǎn)機器通過其驅(qū)動裝置帶著心軸或抓爪執(zhí)行各種運動 越過操作空間的主要部分(major portion)。術(shù)語各種運動是指這些運 動，其涉及具有附著的物體的平臺移動越過操作空間的實質(zhì)部分(substantial portion)，使能夠獲得有因方程組(well-founded set of equations)，用于被檢査的物體位置的確定和/或校準(zhǔn)，同時，涉及設(shè)備的所有傳感器的主動測量。在這些運動當(dāng)中，測量的數(shù)值讀數(shù)的數(shù) 量應(yīng)當(dāng)比自由度數(shù)量多出至少一個。3 .根據(jù)來自于描述測量設(shè)備的結(jié)合情況的超定方程組(overdetermined set of equations)的所有測量數(shù)值，可以確定測量 設(shè)備相對于生產(chǎn)機器的位置，也可以確定測量設(shè)備的活動臂的支撐元件 的相對位置和進行自動校準(zhǔn)，即確定測量設(shè)備的位置。4. 根據(jù)自動校準(zhǔn)，被檢查的物體，例如連接到設(shè)備的平臺的生產(chǎn)機 器，將和心軸或抓爪一起再次執(zhí)行各種運動越過操作空間。在這些運動 期間，收集的所測量的數(shù)值的數(shù)量再次比自由度的數(shù)量多出至少一個。5. 在這種所測量的冗余數(shù)值(redundant quantities)的基礎(chǔ)上， 被檢査的物體的位置或它的校準(zhǔn)將根據(jù)描述測量設(shè)備的結(jié)合情況(coupling conditions)的超定方程組確定。如果用于測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的實際設(shè)備在用于被檢查的 物體的測量或校準(zhǔn)之前已經(jīng)校準(zhǔn)過，被檢查的物體的實際測量和/或校準(zhǔn) 應(yīng)當(dāng)從點4進行，即例如附著到設(shè)備平臺的生產(chǎn)機器或它的心軸或抓爪 的被檢査的物體重復(fù)地進行各種運動越過操作空間的主要部分。在這些 運動期間，收集的所測量的數(shù)值的數(shù)量應(yīng)該再次比設(shè)備的自由度的數(shù)量 多出至少一個。在這種所測量的冗余數(shù)值的基礎(chǔ)上，被檢查的物體的位 置或它的校準(zhǔn)將根據(jù)描述測量設(shè)備的結(jié)合情況的超定方程組確定。
權(quán)利要求
1. 一種測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的方法，所述方法使用至少一個活動臂，所述活動臂的一端安裝到框架上，另一端安裝在平臺上，其中，所述平臺可以附著到待測量或校準(zhǔn)的物體，在附著有平臺的物體的運動過程中，至少一個活動臂的單個元件、框架和平臺的相對位置被讀取，并且所測量的數(shù)據(jù)用于物體位置的確定或者它的校準(zhǔn)，其特征在于，一旦測量和/或校準(zhǔn)設(shè)備的平臺附著到待測量或校準(zhǔn)的物體上，這些部件通過物體的驅(qū)動裝置進行任意運動越過物體的操作空間，其中，對應(yīng)于設(shè)備的單個元件的相對位置的數(shù)值被收集并用于空間物體位置的確定或它的校準(zhǔn)，同時，在平臺隨著被測量或校準(zhǔn)的物體的運動過程中，所測量數(shù)值的數(shù)量比設(shè)備自由度的數(shù)量多出至少一個。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的方法，其特征在于，用于物體位置的測量和/或校準(zhǔn)的設(shè)備的校準(zhǔn)是通過附著有平 臺的物體的各種運動來進行，對應(yīng)于設(shè)備的單個元件的相對位置的數(shù)值 被收集并用做確定測量或校準(zhǔn)設(shè)備相對于被測量或校準(zhǔn)的物體的位置的 基礎(chǔ)，其中，設(shè)備框架上設(shè)備的活動臂的接頭的相對位置得以確定，同 時，在平臺隨著被測量或校準(zhǔn)的物體運動的過程中，所測量的數(shù)值的數(shù) 量比設(shè)備的自由度的數(shù)量多出至少一個。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的方法， 其特征在于，在平臺隨著被測量或校準(zhǔn)的物體運動中所測量的測量值中 的至少一個設(shè)備的兩個元件的相對角度位置。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的測量和/或校準(zhǔn)空間物體 位置的方法，其特征在于，至少一個活動臂的運動結(jié)構(gòu)使得能夠同時確 定空間物體一個以上的自由度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的方法，其特征在于，在至少一個活動臂上進行距離和/或角度的兩個測量。
6. 根據(jù)上述實施方式的用于測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的設(shè)備， 其包括至少一個活動臂，所述活動臂的一端鉸鏈連接到一個框架上且另 一端附著到一個用于安裝在被測量或校準(zhǔn)的物體上的平臺，所述設(shè)備裝 配有用于讀取設(shè)備的單個元件的相對位置的傳感器，其特征在于，用于 讀取臂(1)的單個部件之間的和/或臂(1)的單個部件與框架(6)和/ 或平臺(2)之間的和/或平臺(2)與框架(6)之間的相對位置的傳感 器(7和/或8)的數(shù)量多于設(shè)備的自由度的數(shù)量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的設(shè)備， 其特征在于，至少一個活動臂(1)通過非滑動接頭與框架(6)和平臺(2)連接并由至少兩個鉸鏈連接或滑動連接的部件構(gòu)成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的設(shè)備， 其特征在于，至少一個臂(1)與框架(6)和平臺(2)鉸鏈連接，與框 架(6)或平臺(2)連接的接頭通過滑動接頭附著到框架(6)或平臺(2) 上，臂(1)由單一部件或多個相互鉸鏈連接或滑動連接的部件構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量和/或校準(zhǔn)空間物體位置的方法和設(shè)備。該設(shè)備包括至少一個活動臂，該活動臂的一端安裝到框架上且另一端安裝到平臺上，所述平臺可以附著到待測量或校準(zhǔn)的物體，在附著有平臺的物體的運動過程中，至少一個活動臂的單個元件、框架和平臺的相對位置被讀取，并且所測量的數(shù)據(jù)用于物體位置的確定或者它的校準(zhǔn)，一旦測量和/或校準(zhǔn)設(shè)備的平臺附著到待測量或校準(zhǔn)的物體上，這些連接的部件通過物體的驅(qū)動裝置驅(qū)使在物體的操作空間內(nèi)進行任意的運動，同時，對應(yīng)于設(shè)備的單個元件的相對位置的數(shù)值被收集并用于空間物體位置的確定或校準(zhǔn)。在平臺隨著被測量或校準(zhǔn)的物體的運動過程中，所測量數(shù)值的數(shù)量比設(shè)備自由度的數(shù)量多出至少一個。
文檔編號B25J9/16GK101272887SQ200680035607
公開日2008年9月24日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月4日
發(fā)明者茲比涅克·西卡, 弗朗齊歇克·彼得魯, 瓦茨拉夫·包馬, 羅曼·施密德, 邁克爾·瓦拉謝克 申請人:布拉格捷克科技大學(xué)機械工程系;伊諾梅赫有限公司