CN101395440A

CN101395440A - 用于定位测量装置和用于测量大物体的方法、系统和计算机程序产品

Info

Publication number: CN101395440A
Application number: CNA2007800081488A
Authority: CN
Inventors: 米科·海尼宁
Original assignee: SAIDES Oy
Current assignee: SAIDES Oy
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2009-03-25
Also published as: FI20060223A; FI20060223A0; US20090177435A1; FI119483B; JP2009529132A; EP1991826A1; WO2007101905A1

Abstract

为了测量大物体(650)，当测量臂(604)在第一位置时，通过使用光学定位系统(201，602，603)定位测量臂(604)的坐标系中的已知的参考点。配备有传感器的测量臂(604)的传感器指示测量末端在测量臂的不同位置之间怎样移动。配备有传感器的测量臂(604)转移到第二位置(621)，在其中定位一个新的参考点。在第二位置中，传感器也指示测量末端在测量臂的不同位置之间怎样移动。通过使用关于第一和第二参考点的位置的信息以及指示测量臂的每个位置中的测量末端的位置的信息，将指示被测量点的位置的信息转换到公共坐标系。

Description

用于定位测量装置和用于测量大物体的方法、系统和计算机程序产品

技术领域

本发明总体上涉及物体的测量，即，涉及确定特定固体物体的某些物理尺寸。更具体地，本发明涉及在这样的情况下的测量：当物体很大以至于配备有传感器的测量臂不能达到待测量的所有感兴趣的点。

背景技术

在机器工业中，根据所提供的图纸制造许多不同种类的物体。为了能够使完成的物体获得通过，需要通过测量来确定物体的至少某些重要的点在其应该在的正确位置上。虽然在测量中仅确定物体的特定点的精确位置，但一般大约常说成“测量一个物体”。如果物体具有复杂结构并且需要被测量的点位于从位于物体外部的参考点沿着直线不能达到的位置，则测量不会很简单。

图1表示了使用配备有传感器的测量臂进行测量的已知原理。测量臂101是一个机械手，测量臂的关节、伸缩部分和其它移动部分配备有传感器102。测量臂也称为关节臂坐标测量装置。当测量臂移动到测量末端103接触被测量物体104的特定点的位置时，可以从由传感器提供的信息计算出相对于参考点的测量末端(以及因此被测量的点)的位置。当被测量物体104的所有重要点以这种方式被测量时，可以从被记录在存储器中的点的位置信息计算出期望的距离、角度和其它必需信息。在已知的测量设备软件中，参考点，即坐标系的原点通常默认为位于测量臂的基底。

测量臂101具有特定最大尺寸，该最大尺寸决定了通过根据图1中的配置能够测量多大物体。测量大物体要求在邻近或者周围该物体处建造测试台，该台具有多个紧固点，测量臂101的低端可以依次附着在紧固点上。当这些彼此相关的紧固点的位置精确已知时，从每个紧固点测量的坐标可以通过简单的线性变换转换到公共坐标系(common coordinate system)。可选地，测试台可以是这样的：当测试臂停留在适当位置时，可以使用测试台来通过已知转换将被测量物体转移。

然而，一个问题是，如果被测量的物体非常大或者如果由于一些其他原因被测量的物体具有测量臂不能从任意预定紧固点到达的点，即使应用测试台也不能应用于测量任意物体。另外，测试台是一个不能轻易移动的固定装置，如果应该执行的测量在特定的测试空间之外。

在出版物US 4,733,969A；US 5,748,505A；US 5,983,166；US6,023,850A；US 2001/0021898A1；US 2002/0013675A1；以及US2004/0179205A1中公布了其它当前技术水平的测量系统。而且，出版物EP 1152212B1和EP 1468792A2涉及了使用配备有传感器的测量臂来进行加工，在加工中定尺寸是重要的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种系统、装置以及计算机程序产品，通过上述系统、装置以及计算机程序产品可以容易地测量一个任意的、甚至很大的物体。本发明的另一个目的是根据本发明的测量系统和装置不需要大量的固定装置。而且，本发明的另一个目的是根据本发明的测量可以在没有大量初步装置的任意空间中执行。

本发明的目的将通过以下方式来实现：将光发射机放置到测量区或者接近测量区，以及通过在测量臂中使用光接收机和传感器，基于由此所提供的基本信息，可自动将从任意位置进行的测量自动地转换到公共坐标系。

本发明的方法的特征在于关于该方法的独立专利权利要求的特征部分所披露的。

本发明还涉及一种系统，其特征在于关于该系统的独立专利权利要求的特征部分所披露的。

本发明还涉及一种计算机程序产品，其特征在于关于该计算机程序产品的独立专利权利要求的特征部分所披露的。

本发明的一个基本问题是公共坐标系和测量臂坐标系之间的坐标变换。可以明确地确定，当足够数量的定位结果已知时使得表示该定位结果的信息既可以在测量臂坐标系又可以在公共坐标系中表示。如果有至少与未知量相同数量的非平凡(non-trivial)方程，则该信息将建立一个具有确定解的方程系。

非常简单的光学定位系统足够提供这样的定位结果，该定位结果将测量臂的位置与公共坐标系相联系。除了方位之外不必提供任何其它信息，该方位示出了从光学定位系统的固定点看来的测量臂的测量末端(或者一些其它点，其位置相对于测量末端是精确已知的)当前的方位。例如，如果光学定位系统的发射机发射旋转、扇形光图案(pattern)，则足够得知相对于在扇形光图案射中测量末端时的参考方向的扇形光图案的转角。

当可以根据本发明确定在公共坐标系中测量臂的位置时，可以从测量臂的多个不同位置开始进行相同物体的测量而不必预先以任何方式确定这些位置。测量末端可以在每个独立位置移动，并且测量臂中的传感器提供关于在任意给定时间的测量末端的位置的精确信息。然而，没有本发明，这个信息只能在测量臂自己的坐标系中得知，并且不存在从测量臂的“随机”位置进行的多个测量之间的已知联系。为了将从多个不同位置进行的测量结合，需要将该多个测量转换到公共坐标系。必要的转换将由光发射机和光接收机决定，当需要时，光发射机和光接收机中的一个被放置在测量空间并且另一个可以被固定到测量臂上，以使其与测量末端之间的位置已知。可通过光学装置在测量臂的每个位置点进行足够数量的定位，使得由光学装置提供的结果组成的方程系足够详尽(extensive)来以一个确定的方式解决坐标变换。为了获得定位结果也可能使用除了光学设备以外的其它设备，例如，倾角传感器。

当目前测量臂的位置保持相同，并且测量末端交替地移动到可以从测量臂的位置达到的被测量的每个点时，测量臂中的传感器基于可以通过坐标变换计算公共坐标系中的每个测量点的位置而提供必需信息。为了测量测量末端不能从测量臂的当前位置达到的点，测量臂将被转换到另一个位置，在该另一个位置中将定义新的坐标变换。

附图说明

本说明书披露了本发明的一些示例性实施例，然而，这些示例性实施例并不限制本发明。本发明的特征的描述以及特别地动词“包括”的使用不排除本发明的方法和系统也可以具有其它特征的可能性。除非本说明书特别禁止，可以自由地将在从属权利要求中的特征进行结合。

图1示出了根据当前技术的测量配置；

图2示出了基于光发射机和光接收机的当前技术的定位；

图3示出了根据本发明实施例的光定位；

图4示出了根据本发明第二实施例的光定位；

图5示出了根据本发明第三实施例的光定位；

图6示出了根据本发明实施例的测量系统；

图7示出了根据本发明实施例的系统中的信息的聚集；

图8以流程图形式示出了根据本发明实施例的系统；以及

图9示出了根据本发明实施例的计算机程序产品。

具体实施方式

图2示出了作为一种方法被广泛所知的光定位。该系统包括光发射机201和光接收机202，以及作为一个单独的单元在这里示出的但是可以整个地或部分地结合到上述部分之中的逻辑和记录单元203。光发射机201具有紧固装置221，用于将其紧固以使得它的中心轴212呈现特定的方向。光发射机201具有围绕中心轴212旋转并且连续发射至少两束激光扇形束(laser fan beam)的旋转发射头213。在一些系统中有更多的扇形图案。如果虚拟的矩形的XYZ坐标系统被放置在发射头213的中心，则其Z轴将与中心轴212重合并且其X轴和Y轴(未在图中分别示出)将位于旋转面214。每个激光扇形束具有一个扇形角，即扩展角，在图中作为一个例子示出了角215。扇形角的范围没有其它意义，但是它必须足够大使得激光扇形束射中到将在后面描述的接收机的两个(或者所有)传感器。使用太大的扇形角是不可取的，因为在这种情况下可能的光误差的影响将增加。光接收机202越远离光发射机201，扇形角应该越窄。

激光扇形束沿着线的方向切割旋转平面214，该线的方向可被视为激光扇形束的额定方向。图2中所示的两束激光扇形束的额定方向以角216彼此不同。激光扇形束相对于中心轴212倾斜不同角度。在这些角度中，角217在图2中作为实例被示出。光发射机的特征之一是它能够以非常精确的方式测量和报告发射头213的与特定的零度方向相比的瞬时旋转角(即，激光扇形束的瞬时方向)，其典型地为上面所述坐标系的X轴的方向。

在图2所示的已知系统中，光接收机202具有至少两个传感器221和222。目的是测量光接收机202的点相对于光发射机201的精确位置(或者字面上看：这样一个点，其位置在光接收机202的坐标系中是已知的)。在这个例子中假设光接收机202是细长的，传感器221和222被放置在光接收机的端点，并且待定位的点是光接收机202的中心223。

在当光接收机202检测到射中光接收机的检测器之一的激光束时总是给出信号的基础上来进行定位。相应于每个信号的光发射机的发射头213的旋转角将被记录(note)。除了随机误差，在发射头213的每次旋转期间将以同样的方式再次产生这些信号。当时间因素和涉及检测的传感器之间的距离已知时，可在累积的射中信号的交互时间的基础上计算系统的当前几何形状，即，从光发射机201到光接收机的中心223的距离，距离旋转平面214的高度和相对于光发射机201的X轴的位置的方向，以及光接收机202的方位，即，在图2的情况下，在光发射机201的XYZ坐标系中的细长的光接收机202的纵轴224的方向。

在用来执行上述的定位和一些其它技术细节的不同的装置之间的信息的流动稍微不同，这取决于系统的类型和制造者。图2中假设光发射机201、光接收机202、以及逻辑和记录单元203都可以相互无线通信。如果光接收机202总是仅将射中通知给光发射机201，由此必须的信息将被传向逻辑和记录单元203，则在光接收机202和逻辑和记录单元203之间的数字通信连接对于实际定位是根本不必要的。上述任意一个或者所有的无线连接的可以用导体连接代替。系统可以具有多个光发射机，例如，多个光发射机可以使用不同颜色的激光束以将多个发射机彼此分开。光接收机可以具有三个或者多个传感器。在一些情况下，光接收机的传感器可以由反射器或者应答器(transponder)代替，在这种情况下，射中的检测将在别处发生，例如，在一些也作为光发射机工作的同样装置中。

对于本发明来说光学定位系统的技术细节不具有非常重要的意义；当已知基于光发射机和光接收机的特定系统是可得到的并且可以用来在光学定位系统自己的坐标系中产生表示任意点的位置的信息就足够了。然而，如果光学定位系统很简单则是有优势的，因为在这种情况下本发明的系统的制造成本可以降低，并且，在另一方面，操作安全性和本发明的系统的现场能力好于如果光定位要求复杂装置的情况。

在例如公开物WO 00/57133；US 6,452,668；US 2003/025902；WO 01/65207；以及US 5,294,970中公布了光学定位系统的技术。

光学定位系统要求在发射机和接收机之间的直接的视觉连接。这些通常将用于在自由空间进行地理测绘或者用于建筑物的特定点的定位，并且这些光学定位系统不能在机械工业的意义上被应用于测量大物体，因为通常难于将接收机放置在被测量的任意点。

在图3中示出了光发射机201发射扇形光图案并且测量臂101位于相同的位置上的情况。因为扇形光图案通常由激光器产生，其在下面被称为激光扇形束。当发射头213的转角为

时激光扇形束射中测量末端103。光发射机101的坐标系将被称为(x，y，z)坐标系，并且测量臂的坐标系现在将被称为(x’，y’，z’)坐标系。在其中的第一个，即(x，y，z)坐标系中，已知测量末端位于由激光扇形束确定的平面上，转角φ与其相对应。由于激光扇形束确定的平面通过(x，y，z)坐标系的原点，并且由于激光扇形束相对于z轴的倾角是常量(参见，例如，图2中的角217)，因此任意已知转角φ足够在(x，y，z)坐标系中明确地确定与其相对应的平面。通常，这样的平面的方程为：

其中，θ是平面和z轴之间的角度，并且是确定的转角以使得当平面沿着x轴与xy平面相交时转角为0。

测量臂中的传感器再次指示测量末端103在(x’，y’，z’)坐标系中的明确的位置。现在将这个信息用(x’_i，y’_i，z’_i)标识。可以说图3的情况示出了一个光定位，从该光定位中可以获得由四个值

组成的定位结果。可以进行下面的试验以计算坐标系之间的变换。

如果坐标系(x，y，z)和(x’，y’，z’)之间的差别是一个没有旋转的线性变换，则测量臂的坐标系的原点将为(x，y，z)坐标系中的点(x₀，y₀，z₀)，并且在(x，y，z)坐标系中给出的测量末端的位置将为(x₀+x’_i，y₀+y’_i，z₀+z’_i)。将测量末端的位置与激光扇形束的转角联系的方程为

在这个方程中，未知参数为在(x，y，z)坐标系中指示测量臂的坐标系的原点位置的值x₀，y₀和z₀。

在一般情况下，也考虑坐标系之间的旋转。通过已知的旋转矩阵，下面的表达式可以推断旋转坐标系的坐标(这里：(x”，y”，z”)坐标系)。

x″_i＝cos(β)cos(γ)x′_i

+(cos(γ)sin(α)sin(β)-cos(α)sin(γ))y′_i (3)

+(cos(α)cos(γ)sin(β)+sin(α)sin(γ))z′_i

y″_i＝cos(β)sin(γ)x′_i

+(cos(α)cos(γ)-sin(α)sin(β)sin(γ))y′_i

+(-cos(γ)sin(α)+cos(α)sin(β)sin(γ))z′_i (4)

z″_i＝-sin(β)x′_i+cos(β)sin(α)y′_i+cos(α)cos(β)z′_i (5)

其中，α，β和γ为围绕虚拟的、不旋转的(x’，y’，z’)坐标系的轴旋转的角度。

当方程(2)中的坐标x’_i，y’_i和z’_i，被根据方程(3)、(4)和(5)的新坐标x”_i，y”_i，和z”_i替换时，将获得在一般情况下有效的方程，该方程将测量末端的位置与激光扇形束的转角联系起来。在因此获得的方程中有六个未知参数：坐标x₀，y₀和z₀，以及转角α，β和γ。

当参数x₀、y₀、z₀、α、β和γ的值已知时，从测量臂的坐标系到光发射机的坐标系的坐标系转换是明确确定的。这些参数值可以通过以图3中所示的方式进行六个独立光定位来确定以使测量末端103移动到每个定位的不同的点。结果将是相互独立的定位结果

在这些定位期间测量臂将保持在相同的位置，即，坐标系(x，y，z)和(x”，y”，z”)将保持相同。每个定位将锁定一个自由度。换言之，通过要求将已转换到(x，y，z)坐标系的、所论述的点的坐标满足相同坐标系中的所论述的平面的方程，可以将每个定位结果写入到方程中。由六个方程组成的方程系可以获得定位结果

其中有六个未知参数。

方程系中的方程关于未知参数是非线性的，这意味着不可能通过最小二乘法来确定参数的值。然而，最优理论知道多个非线性优化算法，例如，LevenbergMarquardt方法，通过该方法可重新得到该组参数值

有了这些参数值方程系能最好的满足。

通常可假设坐标转换R将(x”，y”，z”)坐标系中的特定点的位置转换成(x，y，z)坐标系中的位置：

(x，y，z)＝R(x”，y”，z”) (6)

上面，已经讨论了线性变换(x₀，y₀，z₀)和转角(α，β，γ)使得坐标变换R为它们的反变换，即转角(-α，-β，-γ)和线性变换(-x₀，-y₀，-z₀)。通过合适的最优算法来确定未知参数的值提供了坐标变换R。在这之后，只要测量臂保持在相同的位置，由测量臂的传感器提供的测量末端的任意位置可以通过使用方程(6)容易地转换到公共坐标系(光学定位系统)。

图4示出了与图3中相似的一种情况，除了光发射机201被配置为发射两束具有不同偏转角度的激光扇形束。当发射头213的转角为

(图4中示出了这个时刻)时，第一激光扇形束射中测量末端103，并且当发射头213具有其它的转角

(图中未示出)时，第二激光扇形束射中测量末端103。每个转角

和

明确确定在(x，y，z)坐标系中的自己的平面。这些平面的交集是穿过(x，y，z)坐标系的原点和测量末端103的当前位置的直线。对于测量末端103的一个位置(x”，y”，z”)，将获得由五个值

组成的定位结果。为了建立坐标变换R，将执行足够多独立的定位，方程系将由它们提供的定位结果所写成，并且未知量将以与上述相同的方式被解出。

在图3和图4所示的情况中，一个光传感器，例如APD(雪崩光电二极管)将是足够的，并且将它放置在测量臂的测量末端103的位置处。接收机仅需要尽可能精确地指示激光扇形束射中传感器的时刻，即，测量末端在由激光扇形束确定的平面中的时刻。在图3和图4中假设这样的简单的光接收机很小以至于它不能在图中独立地看出。原则上，根据图5，没有什么可以阻止使用由两个或者多个光传感器组成的接收机装置。增加传感器数量将单个定位的不确定性降低到一个特定的限度，这意味着只需要很少的定位来建立在坐标系(x，y，z)和(x”，y”，z”)之间的坐标变换。然而，设备的增加的复杂度将增加它的制造和维护成本，并且会减弱现场能力和可靠性。

具有一个或者多个传感器的接收机装置可以永久地整合为测量臂的一部分，或者它可以是可拆卸的以使它可以紧固到测量末端或者仅在需要的时候位于测量末端处。在下面的说明中将假设光接收机在每次需要光定位的时候附着在测量末端的位置上，并且被替换为传统的测量末端以测量被测量物体的点。

图6示出了根据本发明的优选实施例的系统以及该系统用于测量大物体650。该系统包括光发射机201，光接收机602，以及逻辑和记录单元603。另外，该系统包括配备有传感器的测量臂604。在这幅图中假设光接收机602是具有一个传感器的小接收机，其将附着在测量臂604上以使传感器位于测量末端的位置。

在根据图3的系统中，开始大物体650的测量以使测量臂604位于特定位置611，从该特定位置可以测量物体650的一些期望点。光接收机602将被附着在测量臂604上，并且光发射机201以及逻辑和记录单元603将被激活。将使用光学定位系统进行足够数量的定位，并且通过提供的定位结果可明确地计算公共坐标系(与光发射机约束在一起)和测量臂604在其当前位置确定的坐标系之间的坐标变换。位置611可以被称为本地原点。每个本地原点用图6中的小圈标记，其位于测量臂的基底的中心。

当坐标变换所需要的定位通过光学定位系统执行时，光接收机602将从测量臂604上分离。之后，测量臂604将以正常的方式移动以使它的测量末端依次转到每个测量臂604可以从它的当前位置达到的被测量点。测量臂604中的传感器将使与测量末端的移动有关的信息被记录。因此每个测量点的位置将相对于本地原点611被记录。

当测量完测量臂604可以从它的当前位置达到的所有点时，测量臂604将转换到新的位置621。该转换可以是任意的。为了在本说明中清楚地陈述，“移动”测量臂指的是测量臂的基底静止在一个位置并且测量末端移动的操作，例如，交替地接触每个被测量点。另外，“转移”测量臂指的是测量臂与它的基底一起移动到一个新的位置的操作；例如，图6中的从点611到点621。当达到下面所述的条件时，除了或者替代地转移测量臂，也可以转移被测量物体。

为了确定相应于新位置的新的坐标变换，光接收机将再次附着在测量臂上，并且将执行上述足够数量的光定位。在通过使用光学定位系统确定新的坐标变换之后，光接收机可以再次分离并且测量臂可以用来测量与测量臂可以从它的新位置达到的新的本地原点622有关的点。

在图6中假设，为了测量所有期望的点，测量臂还需要转移到第三位置631，在其中通过使用光学定位系统再次确定新坐标系转换。从第三点631，测量臂从之前的点611和621不能达到的点将被测量。

在测量臂的不同位置点611、622和631进行的光定位的信息和与各自本地原点相关的每个测量点的位置的信息将被组合到逻辑和记录单元603。收集的信息将被用来通过将相对于本地原点确定的位置转换到在特定的公共坐标系中给出的位置来计算测量点的位置。从在公共坐标系所给出的这些位置可以容易地推导出用于测量的信息，例如在物体650的期望点之间的距离和方向。

图7示出了当根据本发明的测量系统用于实现本发明的测量方法时的信息的聚集。在图中的简单例子中假设测量的最终目的是确定被测量物体的特定两点之间的距离是否正确。在701处，光接收机附着在测量臂上。另外，当光接收机在被定位的每个点时，光学定位系统将收集当光发射机的激光射中光接收机的传感器时的时刻的信息。在702处，系统将计算相应于测量臂的当前坐标系和光学定位系统的坐标系之间的第一本地原点的坐标变换。

在703处，测量臂将移动到测量末端与被测量的第一点接触的位置。测量臂的传感器将收集测量臂移动的信息。在704处，系统将记录相对于第一本地原点的第一测量点位置的信息。

点711、712、713、和714等于点701、702、703、和704，除了测量臂位于测量末端可以从其达到被测量的第二点的位置。在这种情况下，聚集的信息和被计算的信息自然地涉及第二本地原点和被测量的第二点。

在721处，系统通过使用第一坐标变换将第一测量点的位置变换到公共坐标系。在722处将对第二测量点的位置执行单独的变换。因为由此获得的测量点的位置在相同坐标系中，所以在731处通过使用欧几里德几何可以容易地计算它们之间的距离。

整个的测量方法的示例性实施例以图8中的流程图的形式示出。步骤801是指示测量臂的位置的下标i的初始化。在步骤802中，测量臂转移到下一个位置，并且光接收机被附着上。在图8中，考虑到这种可能性：不一定能够附着光接收机以使在图5的实施例中的将要被光定位的点(在图3和图4的实施例中的单独的传感器)或者接收机的中心与测量末端的位置完全相同，因此在步骤803中，可为系统提供转换(transition)作为配置参数，其在由光接收机定位的点和测量末端之间。在步骤804中，光学定位系统测量足够数量的点以确定下一个坐标变换。在步骤805中，做通过分离光接收机来测量的准备。由步骤806和步骤807形成的循环被重复，直到测量臂可以从它的当前位置达到的所有的点都被测量。如果说在步骤808中整个物体未被测量，则步骤809中下标i将增大1，并且回到步骤802。当整个物体已经被测量时，在步骤810中所有点的信息可以被转换到公共坐标系。在步骤811中，将从在公共坐标系中的物体的测量来计算期望的信息。

不一定以这种顺序执行该方法的步骤。例如，可以在已经测量了测量臂能够从所论述的位置点达到的点之后确定关于特定的本地原点的坐标变换。然而，当在之后测量被测量点时，所有用于将它们的位置转换到公共坐标系的信息已经存在，可以进行转换，以及当需要时也可以实时显示在屏幕上，从这些意义上说执行坐标变换的确定首先是一个很好的解决方案。

也可能先确定坐标变换，然后测量该点，并且在之间或者末端(即，在将测量臂转移到第二位置之前)再次通过光学定位系统进行足够数量的新定位以确定坐标变换。因为由于传感器的非理想性，代表测量臂的移动的信息的误差被积累，这可能提供与第一测量的略微不同的结果。在这种情况下在随后计算中使用由在不同时间确定的坐标变换所给出的位置的平均值作为公共坐标系中的坐标变换所给出的特定点的位置是可取的。图8中所示的顺序的第二可能变化是，在需要的信息被获得之后，即，当点已经被测量以及相应于其当前位置的坐标变换的信息存在时，代表每个测量点的位置的信息立即转换到公共坐标系。

图9是根据本发明的计算机程序产品的概略图，其适于，例如，在图6中示出的逻辑和记录单元603中执行。由程序执行逻辑901负责程序执行的推进，程序执行逻辑901包含所有遵照传统模式的动作，通过这些动作执行可以从一步到另一步向前进行以实现上述的测量方法。用户接口902包含计划性设备(programmaticequipment)用以输入配置信息，以控制程序的执行，并且用于将结果提供给用户。光定位信息的记录部分903配置为接收由光学定位系统产生的信息，即，本质上为对应于激光扇形束与光传感器的接触的光测量头的转角。用于传感器信息的记录部分904配置为接收由测量臂的传感器产生的信息，即，本质上为与所有测量点有关的测量臂的坐标系中的坐标。用于确定坐标变换的部分905配置为确定与测量臂的每个位置有关的坐标系的变换。用于计算定位信息的部分906配置为在公共坐标系中计算被测量点的位置。用于计算测量信息的部分907配置为从测量点的位置向量计算物体的期望物理特性。

可以在不背离本专利权利要求的保护范围的基础上对本发明进行各种变化。例如，即使上述一直谈论使用一个光发射机，但是本发明也决不排除同时使用多个光发射机。一个光发射机可以被视为光学定位系统可以支配的最小数量。使用两个光发射机可以增强使用两个光发射机进行光定位的准确性，和/或缩短需要达到足够精确度的每次光定位的时间。用三个光发射机可以达到更好的精确性，并且在这种情况下，很可能减少定位的精确度对于测量臂的每个位置点怎样相对于光发射机定位的依赖性。

特别地，如果精确已知多个光发射机的相互位置，即，多个光发射机已经有了公共坐标系，则可实现上述的精确度的提高。根据本发明的另一个实施例，可以通过使用两个或者多个光发射机进行测量，开始未知其相互位置，并且光发射机被放置使得光接收机不能“见到”所有光发射机。为了将两个独立的光发射机的坐标系结合，有可以被两个光发射机观察到的测量臂的至少一个位置点是足够的。测量臂的光定位在与每个光发射机有关的所论述的位置进行，并且如上面所述确定坐标变换。假设从测量臂的当前位置的坐标系到第一光发射机的坐标系的变换是R₁()，并且到第二光发射机的坐标系的变换是R₂()。则结果是从第二光发射机的坐标系到第一光发射机的坐标系的变换是组合R₁(R₂ ^-1())。如果测量臂在该变换之后到一个仅可以被第二光发射机观察到的新的位置，则正常的光定位将在与第二光发射机有关的新的位置进行，并且将确定新的坐标变换。从新的位置得到的测量结果可以通过所述新的坐标变换变换到第二光发射机的坐标系并且又通过所述组合变换而变换到第一光发射机的坐标系。任意光发射机的坐标系(或者甚至在任意位置点的测量臂的坐标系)可以被选择作为公共坐标系。

被测量物体的测量点到公共坐标系的变换不必出现在与确定坐标变换相同的设备中。通常可以认为系统具有计算部分，该部分包含至少一个可编程计算机且其被配置为收集测量信息，以确定坐标变换，以及在处理被测量的实际点时使用如此确定的坐标变换。然而，这些计算任务可以被分配使得，例如，如果一个设备收集并且归档定位结果，第二设备读出归档的定位结果并且通过它们确定坐标变换，以及第三设备使用所得到的坐标变换以处理代表测量点的位置的信息。

为了确定坐标变换，甚至可以用带有多传感器的接收机执行多个光定位，例如，通过移动测量臂使得测量末端仍然保持在相同的位置上，但是附着在测量臂上的光接收机转向不同的位置，或者更普遍地，通过移动测量臂到多个不同的位置。在任何情况下可取的是，在确定坐标变换的阶段优化可能的多传感器光接收机的位置，以使得激光束射中传感器时由传感器的位置引起的时间的差别尽可能地大，并且没有由传感器的位置引起的定位的不确定性。具有在其纵轴上的两个传感器的pin光接收机不是多传感器接收机中最可能的一个，因为它不提供在所谓的旋转位置的任何信息，即，围绕光接收机的纵轴的转角。通过使用具有并不位于相同的直线上的至少三个传感器的光接收机可以得到每个位置的更加明确的结果。通过执行用于定位本地原点的三个不同的光定位，由pin型光接收机可得到非常精确的结果，测量臂明显地在每个位置的不同的位置处。

原则上，可能对本发明进行改变，其中光发射机将附着在测量臂上，并且至少两个光接收机位于被测量物体的周围以用于持续测量。坐标变换需要的光定位也可以像这样进行。然而，在光学定位系统中，很通常地，将光发射机以固定的方式放置，并且将光接收机、反射器、或者应答器放到期望位于的点。

上面还假设总是仅在定位本地原点时光接收机临时附着在测量臂上。也可能提供具有固定光接收机的测量臂，这种情况下在测量期间需要更少的配置。根据另一个可能的变化，测量臂可以在整个测量期间在相同的位置点上，但是光发射机将附着在被测量物体上，并且该被测量物体(以及因此随着它一起的光发射机)将转移到相对于测量臂的不同的位置，在这些位置测量臂可以以不同方式达到被测量物体的不同部分。以这种方式，可得到与上面广泛说明的过程正好相同的结果，其中被测量物体和光发射机是静止的，并且测量臂是移动的。

基于旋转激光扇形束的平面或者直线的确定不是实现光学定位系统的唯一选择。原则上，可能使用激光器作为光发射机，其总是将激光束在一个时间向一个方向传输，并且在激光束直接朝向位于测量末端位置的光传感器之后，指示光学定位系统的坐标系中该方向的方向角。但是，这种方向性的激光器的机械实现和传感器比旋转激光扇形束的发射机更复杂。

而且，不必需基于激光器的光发射机。例如，可能通过在数字放映机中使用的微镜和/或LCD技术提供相似的扇形光图案。

公共坐标系不必需与光学定位系统的坐标系相同。例如，测量臂在其第一位置的坐标系可以被选择作为公共坐标系。在这种情况下，不需要对第一位置执行的测量进行变换，然而，将在第一位置确定本地坐标系和光学定位系统的坐标系之间的变换。从其它位置进行的测量将以上述方式首先变换到光学定位系统的坐标系。从这里，它们还可以通过使用上述的到反方向的坐标变换将其变换到第一位置的本地坐标系。

Claims

1.一种通过使用配备有传感器的测量臂(101，604)在公共坐标系中定位点的方法，在所述方法中，

—所述测量臂(101，604)将被移动使得所述测量臂的测量末端(103)的位置经过多个点，以及

—关于所述坐标系中所述点的位置的信息(703，713)将由所述测量臂的所述传感器(102)进行收集，

其特征在于所述方法包括：

—用所述光学定位系统产生信息(701，711)，所述信息描述从所述光学定位系统中的固定点看来每个所述点的位置所在的方向，

—形成方程系，其中一组方程将在所述测量臂的坐标系中的所述点的位置与描述从所述光学定位系统的固定点看来的所述点的位置的方向的信息联系起来，

—通过确定所述方程系的方程中的参数的值来确定所述测量臂的坐标系和所述公共坐标系之间的坐标变换(702，712)，以及

—使用所述测量臂的坐标系中定义的所述坐标变换将已知点的位置变换(721，722)到所述公共坐标系。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法特征在于，从所述光学定位系统的固定点发射扇形光图案，所述扇形光图案相对于特定参考方向旋转，在这种情况下，关于从所述光学定位系统的固定点看来所述测量末端的位置点所在的所述方向的所述信息(701，711)包含在所述扇形光图案射中所述测量末端的所述位置点时所述扇形光图案相对于所述参考方向的转角。

3.根据权利要求2所述的方法，所述方法特征在于，从所述光学定位系统的固定点发射两束不同方向的扇形光图案，所述扇形光图案相对于所述参考方向旋转，在这种情况下，关于从所述光学定位系统的固定点看来所述测量末端的所述位置点的位置所在的所述方向的信息(701，711)包含在所论述的光的边缘射中所述测量末端的所述位置点时两个所述扇形光图案相对于所述参考方向的转角。

4.根据上述任意一个权利要求所述的方法，其特征在于—为了确定所述坐标变换，将光学定位系统的接收机附着(802)到所述测量臂的所述测量末端的位置；

—在确定所述坐标变换之前或者之后，将测量末端附着到所述测量臂上，并且移动所述测量臂使得所述测量臂移向待测量的所述物体的期望点，并且所述测量臂中的所述传感器产生该期望点在所述测量臂的坐标系中的所述位置的信息；

—通过使用所述坐标变换将所述期望点的所述位置变换到所述公共坐标系。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，为了测量这种待测量物体(650)，所述测量臂不能从一个位置达到所述待测量物体的所有期望点，

—将所述测量臂转移(802)到至少一个其它位置；

—在所述测量臂的每个位置分别确定(804)所述坐标变换；以及

—通过使用在所述测量臂的所论述的位置中定义的坐标变换，将从所述测量臂的每个位置测量的所述期望点的位置变换(810)到所述公共坐标系。

6.一种用于在公共坐标系中定位点的系统，所述系统包括

—配备有传感器的测量臂(101，604)，包括测量末端(103)和传感器(102)，所述传感器用于产生指示在所述测量臂的坐标系中所述测量末端的位置的信息，

其特征在于

—所述系统包括光发射机(201)，其配置为产生指示从所述光学定位系统的固定点看来所述测量末端的所述位置点所在的方向的信息；

—所述系统具有计算部件(203)，其配置为通过形成方程系并且通过确定所述方程系中的方程的参数的值来确定所述测量臂的坐标系和公共坐标系之间的所述坐标变换，其中，所述方程系中的一组方程将所述测量末端的所述位置点与所述测量臂的坐标系中的所述信息联系起来，所述信息示出了从所述光学定位系统的固定点看来所述测量末端的这些位置点的方向，并且所述计算部件还配置为使用在所述测量臂的坐标系中如此确定的所述坐标变换将已知点的所述位置变换到所述公共坐标系。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光发射机(201)配置为发射扇形光图案并且相对于特定参考方向转动所述扇形光图案，使得关于从所述光学定位系统的固定点看来所述测量末端(103)的所述位置点所在的所述方向的信息包含所述扇形光图案射中所述测量末端的所述位置点时相对于所述参考方向的所述扇形光图案的转角。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光发射机配置为传输两束不同方向的扇形光图案，并且分别指示所论述的所述扇形光图案射中所述测量末端的所述位置点时相对于所述参考方向的每个扇形光图案的转角。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统具有一个光传感器(602)，所述光传感器配置为位于所述测量末端的所述位置点。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述光传感器(602)位于一个部件中，在所述光定位期间，所述部件可拆卸地附着到所述测量臂的所述测量末端的位置。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述光传感器固定地集成到所述测量末端中。

12.根据权利要求6至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统具有包括多个光传感器的光接收机(202)，所述接收机配置为基于光束射中所述光传感器时的信息来指示所述测量末端的所述位置点。

13.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统包括：偏转传感器，用于测量所述测量臂的一部分的位置，以及计算部件(203)，配置为也使用在确定所述坐标变换的过程中由所述偏转传感器提供的所述信息。

14.一种用于测量物体(650)的计算机程序产品，其特征在于：

所述计算机程序产品包括由计算机执行的软件装置，使计算机执行包括如下步骤的方法：

—读取由光学定位系统提供的信息(903)，所述信息指示从所述光学定位系统的固定点看来配备有传感器的测量臂的测量末端的一组不同的位置点所在的方向；

—读取由所述配备有传感器的测量臂的传感器提供的所述测量臂的坐标系中上述点的位置的信息(904)；

—形成方程系，其中，一组方程将所述测量臂的坐标系中上述点的位置与示出了从所述光学定位系统的固定点看来所述点的位置的方向的信息联系起来；

—通过确定上述方程系的方程中的参数的值来确定在所述测量臂的坐标系和公共坐标系之间的坐标变换(905)；以及

—使用如此确定的所述坐标变换，将所述测量臂的坐标系中的已知点的位置转换到所述公共坐标系。