[发明专利]用于测量和/或校准空间物体位置的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于测量和/或校准(calibration)空间物体位置的方法和设备。该设备包括至少一个单一的活动臂，该活动臂通过一端铰链连接到一个框架上并通过另一端附着到一个用于安装在被测量或校准的物体上的平台，该设备装配有用于读取设备的单个元件的相对位置的传感器。

背景技术

空间中的点、物体或者集合体的位置的确定或校准在许多技术领域代表重要的参数，所述技术领域例如机床、机器人技术、建筑工业等。

点、物体和集合体(下面，这三种词将用一个单一的术语“物体”代替)位置的测量或校准方法是基于一个/多个测量系统与置于物体上的一个参照元件之间的单个或多个距离的确定，或者是基于测量连接测量系统的线条与参照元件之间的角度或相对于基座(框架)的角度。物体的位置通过采用诸如三角测量法或三角学找出所测量的数值之间的几何关系来确定。

点的位置由三个直角坐标限定，而物体的位置由六个坐标限定(三个位置坐标和三个角度坐标)，但是一个集合体的位置可以由一个到多个不同数目的坐标确定。术语集合体可以表示诸如在空间中相互连接的物体。

目前确定一个物体位置的方法依靠测量与该空间物体的自由度的数量同样多的值，其与限定空间中的点、物体或集合体的位置的坐标数相等。

测量多个数值，这些数值中的每一个值实际上都包含一定的误差，导致物体位置确定的精度明显比测量单个距离或角度低(由于误差累积的结果)。

这些确定空间物体位置方法的另一个缺点是准备成本高。这是由于需要非常精确地制造、校准和调整测量装置，以及由于测量本身的长时间准备，因为设置用于测量的初始位置。

通过从安装在基座上的四个激光干涉仪同时对所讨论的物体的距离的测量，而且再通过用于确定空间物体的位置和激光干涉仪的初始距离和位置的超定方程的随后求解，采用此方案可以部分地修正空间物体位置测量的上述缺陷。然而这只允许找到空间点的位置而不是物体的方位。这样造成所确定的物体位置的精确度不够，不及从单个激光干涉仪的初始距离的测量精度。而且，这种方法只能确定空间点的位置，不能确定物体的方位。

目前确定空间物体位置的方法主要是基于测量距离，最常采用的是激光干涉仪，借此确定所讨论的物体表面的单个的点的坐标。除了这个相当昂贵的测量方法外，主要是由于激光干涉仪的成本，还需要使用很多测量设备的元件，包括用于每一个干涉仪的单独驱动装置。

因此一种激光跟踪器产生了，它不仅通过激光干涉仪测量距离(from)反射器的距离，而且测量出它的激光束的角度位置并用球面坐标计算出空间反射器点的位置。与部分测量的精确值相比，这种装置的问题在于在确定空间反射器点的位置时获得的精确度低，这是由于测量误差的累积。它的另一个缺点是它允许同时确定空间点位置的不超过三个的自由角度。它不能确定空间物体位置的六个自由度。

另一个测量技术运用了通过照相机或光感应元件抓捕图像的光学成像原理。这些造成低精度的问题，精度比激光干涉仪更低。而且也不可能同时确定空间物体位置的六个自由度。

用于测量或校准空间物体位置的另一个众所周知的装置是坐标测量机器。同样地，它的缺点是不能同时测量空间物体位置的六个自由度。它的另一个缺点包括其操作空间难以到达、必须使用受控的驱动装置以及它巨大的重量和尺寸。

由于这些原因，用于空间物体位置的校准的技术得到发展，其基于测量预先制造的固定装置的位置，所述固定装置例如安装在横梁或四面体上的精确球体。同样地，它的问题包括不能同时确定空间点位置的六个自由度和不能到达整个操作空间。

用于空间物体位置测量或校准的另一个众所周知的装置包括测量臂，该测量臂由通过滑动接头连接的至少两个部件构成。臂在一端通过U形接头附着到平台上，另一端以旋转的方式固定到框架上，借此，平台安装到被测量或校准的物体包括沿着预定的轨道引导具有臂的物体，在这种运动过程中，测量出物体距离旋转中心的距离，且距离读数用于空间物体位置的确定或它的校准。采用这种测量臂的类似已知装置运用与上面相同的原理，不同的是物体不沿着圆周行进。

本发明目的是用于测量和/或校准空间物体位置的方法和设备，相对其它公知的装置，为被测量的物体位置的确定提供更高的精度，该设备更简单且需要的投资成本低，同时使得相关数值的测量更简单。

发明内容