CN107450599A - 精确定位的旋转台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转台组件，其包括平台和限定了旋转轴线的旋转驱动器。平台安装在主轴上以用于从旋转驱动器接收旋转运动。圆柱形壁附接到平台以从旋转驱动器接收旋转运动，并且与由旋转驱动器限定的旋转轴线同轴。圆柱形壁限定了包括参考图案的内表面。成像组件对圆柱形壁的内表面上的参考图案进行成像。成像组件通过对圆柱形壁的内表面上的参考图案进行成像来检测平台相对于所述平台的旋转轴线的角度取向和倾斜。控制器通过作为信号从成像组件发出的所述参考图案的位置来计算平台的角度取向和倾斜。

Description

精确定位的旋转台

在先申请

本申请要求于2016年6月1日提交的美国临时专利申请No.62/343,910的优先权，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明大体涉及用于支撑有效负载的旋转台。更具体地，本发明涉及一种简化的旋转台，所述简化的旋转台提供对于有效负载的角度取向和倾斜的精确识别。

背景技术

一段时间以来，已经使用旋转台和平台来为例如包括摄像机的成像装置提供更宽的视角。摄像机或其他技术装置作为有效负载的一部分安装在旋转台或平台上。通常希望识别技术装置所取向的旋转角度。识别角度取向的努力需要复杂的编码器与昂贵的高精度旋转驱动器的结合使用。通常以预期的角度取向向旋转驱动器发送信号，以在不实施任何补救测量的状态下将旋转台旋转到所述角度取向，从而确定旋转台或平台的角度取向。为了实现某种程度的精度，驱动器通常包括步进马达，所述步进马达当与编码器结合工作以将马达引导到期望的取向时是特别昂贵的。实现高精度已经被证明仍然是困难的，特别是以合理的成本来实现高精度仍然是困难的。为了实现高精度，现有技术的旋转驱动器已知在试图建立期望的精度的同时围绕目标角度取向抖动或振荡。甚至高成本的旋转驱动器也只能达到一定程度的精度，这使得难以使用有效负载进行例如高精度操作，所述高精度操作例如为在大的物体上实施的模板激光投影、摄影测量和检查系统，所述大的物体例如为需要不能由静止系统实现的广角视角的飞机机身。

此外，旋转平台或旋转台不包括用于确定旋转平台或旋转台偏离竖直轴线或旋转轴线的倾斜的设备(provisions)。因此，旋转平台或旋转台必须以高度精确的水平取向被固定。可替代地，倾斜被简单地忽略，而这降低了位于旋转平台或旋转台上的成像装置的精度。

可替代地，为了在大的物体上实施这些功能，有效负载运动到与物体相距较远距离，而这进一步导致了精度降低。克服这些问题的低成本体系还没有实现。因此，期望提供一种旋转台或平台，所述旋转台或平台能够例如与高技术性有效负载一起工作，并且易于保持能够提供高精度，所述高技术性有效负载例如为激光投影仪、摄影测量系统或低成本检查系统。

发明内容

旋转台组件包括平台和旋转驱动器。旋转驱动器限定了旋转轴线并且包括主轴。平台安装在主轴上以用于从旋转驱动器接收旋转运动。圆柱形壁可固定地附接到平台以利用所述平台从旋转驱动器接收旋转运动。圆柱形壁与由旋转驱动器限定的旋转轴线同轴。圆柱形壁限定了包括参考图案的内表面。成像组件对布置在圆柱形壁的内表面上的参考图案进行成像。成像组件通过对布置在圆柱形壁的内表面上的参考图案进行成像来检测平台相对于平台的旋转轴线的角度取向和倾斜。控制器通过作为信号从成像组件发送到控制器的参考图案的位置来计算平台相对于平台的旋转轴线的角度取向和倾斜。

本申请的旋转台组件以与现有技术的高成本旋转台组件截然不同的方式工作。与现有技术的旋转台组件不同，本发明的低成本旋转驱动器仅运动到近似期望角度取向，而现有技术的旋转台组件具有非常昂贵且高技术性的旋转驱动器，所述旋转驱动器由编码器引导而运动到预定位置。在平台已经运动到近似角度取向之后，成像组件通过对布置在圆柱形壁的内表面上的参考图案进行成像来识别平台的精确角度取向。由于成像组件在平台已经旋转到近似角度取向之后识别精确的位置，因此角度取向不需要像现有技术的装置所要求的那样精确。当识别出平台的精确位置时，控制器发送信号到有效负载以进行响应调节，来实现投射或成像的高精度。

此外，现有技术的旋转台组件不能确定平台偏离旋转驱动器的主轴限定的旋转轴线的倾斜。许多旋转驱动器的主轴由于例如低成本轴承或其他技术不精确性而摆动，例如主轴并非完全为直的。本发明的成像组件能够识别出由于旋转驱动器的这些和其他技术不精确性中的任何一种所导致的相对于旋转轴线的倾斜的量。通过测量平台的精确取向，消除了对高成本、精密的机械驱动器的依赖。在校准之后，即使当有效负载未以精确的方式运动的情况下，本发明的旋转台组件也能以高度精确的方式引导有效负载，从而实现0.5微米或更小的公差，所述有效负载包括激光投影仪、摄影测量系统或检查系统。

附图说明

当在结合附图考虑时参考下面的详细描述可以更好地理解本发明，因此本发明的其他优点将容易理解，其中：

图1示出了本发明的旋转台组件的平面图；

图2示出了本发明的旋转台组件沿图1的线2-2的侧视示意图；

图3示出了成像组件和框架的沿图2的线3-3的俯视剖视图；和

图4示出了布置在圆柱形壁的内表面上的参考图案的图像。

具体实施方式

参考图1和2，旋转台组件整体上用10表示。旋转驱动器12限定了旋转轴线a并具有主轴14。旋转驱动器12采取伺服马达或任何低成本电动马达的形式，能够将旋转运动传递到主轴14。旋转驱动器12不需要以极为精确的方式将旋转运动传递到主轴14。旋转驱动器12仅仅需要以近似期望角度取向传递旋转运动，如以下进一步解释的。可以想到，旋转驱动器12可以是能够将旋转运动传递至近似角度取向、然后停止在固定位置中的任何驱动器。在一个实施例中，旋转驱动器12是具有高齿轮齿数比的直驱马达，从而在不操作时驱动器的位置设置在固定位置中。在另一个实施例中，旋转驱动器12采用具有制动器13的伺服马达的形式，当旋转驱动器12不操作时，该制动器将旋转驱动器12停止并保持在固定位置中。制动器13防止绕期望停止角度取向的抖动或振荡，这种抖动或振荡即使在利用复杂编码器的高成本驱动器中也是典型的。在另一个实施例中，一旦旋转驱动器12已经到达近似期望角度取向，旋转驱动器12就断电或停用。制动器13可以采用将旋转驱动器12停止或固定在期望停止角度取向的任何形式的装置。如本申请中所用的，角度取向与旋转驱动器12的旋转轴线a有关。

在一个实施例中，平台16支撑在主轴14上，并且接收来自旋转驱动器12的、如箭头18(图2)所示的绕轴线a的旋转运动。如在此所用的，主轴14包括将旋转运动传递到平台16的任何元件，无论是否包括大致竖直取向。有效负载20通过多个紧固件22固定到平台16，使得有效负载20相对于平台16紧固地固定。在一个实施例中，至少3个紧固件22由设置在平台16中的预先存在的孔口(未示出)接纳。然而，应当理解，另外的紧固件22可以用来将有效负载20固定到平台16。

旋转驱动器12固定到支撑结构24。支撑结构24包括由腿部28支撑的基部26。腿部28使得基部大致水平地取向。然而，基部26不需要精确地水平来获得高精确度，如以下进一步解释的。

圆柱形壁30定位在平台16下方，靠近平台16的周边。圆柱形壁30限定了内表面32，参考图案34设置到该内表面上。在一个实施例中，参考图案34是任意图案。围绕轴线a沿角度方向和沿轴向方向提供区别和独特特征的任何图案都是合适的。在一个实施例中，圆形部分36被去除以暴露内表面32的深色阳极处理层被认为是合适的。不同尺寸和形状的椭圆形部分36提供可辨识的特征结构，这些可辨识的特征结构用来确定平台16的取向。然而，参考图案34的其它区别元素，包括贴标、任意的线或者在不同位置处能够进行区别并呈现独特性的任何图案，将是足够的。

成像组件38在平台16下方安装在基部26上。成像组件38包括多个摄像机40，这些摄像机生成设置在圆柱形壁30的内表面32上的参考图案34的图像。在一个实施例中，成像组件38包括三个摄像机40。然而，更多的或更少的摄像机40包含在本发明的范围内。据信，三个或更多个摄像机40提供比一个或两个摄像机更高的精确度，摄像机40的数量可以根据期望水平的精度进行选择。

通过生成参考图案34的图像，成像组件38还识别平台16的沿箭头18的方向的角度取向。参考图案34在圆柱形壁30的内表面32的不同位置处提供独特的特征结构。因此，通过对由参考图案34限定的独特的特征结构进行成像，成像组件38能够精确地检测平台16的角度取向。此外，参考图案沿着由主轴14限定的轴线a的方向提供独特的特征结构。因此，通过沿轴向方向对独特的特征结构进行成像，成像组件38还识别平台16相对于主轴14的旋转轴线a的倾斜。

如上所述，有效负载20固定到平台16。在一个实施例中，有效负载20包括激光投影仪42。如本领域技术人员已知的，激光投影仪42投射激光束(未示出)，激光束的方向由镜子44建立，这些镜子被控制为检流计(galvanometer)46的一部分。另外，透镜(未示出)和投射激光束所需的其它设备包含在本发明的范围内，但是在本文中不进一步解释。在可供选择的实施例中，有效负载20还包括摄影测量系统和检查系统，或者激光投影仪42、摄影测量系统和检查系统的组合。为简单起见，摄影测量系统和检查系统均用附图标记42表示。处于本发明范围内的是，有效负载20包括产生摄影图像或以宽角度投射激光图像所需的任何装置。

有效负载20、成像组件38和旋转驱动器12电子地连接到控制器48。从参考图案34的成像组件38所产生的图像，控制器48确定平台16的三维取向。与需要编码器来引导高成本马达运动到特定位置的现有技术组件不同，控制器48仅仅向旋转驱动器12发信号，以旋转到大致或近似角度取向，而不需要高精确度。一旦运动到近似角度取向，旋转驱动器12就可以通过制动器13而停止，并且通过控制器48而停用。如上所述，制动或停用的任何组合可以用来将旋转驱动器12保持在固定位置中。在停用或终止旋转驱动器12的运动之后，控制器48接收由参考图案34的成像组件38生成的图像。从参考图案34的成像组件生成的图像，控制器48确定平台16相对于平台16的旋转轴线的精确角度取向和倾斜。一旦由控制器48确定了平台16的角度取向和倾斜，控制器就向有效负载20发送倾斜和角度取向的信号，使得有效负载20能够精确地投射激光图像或者精确地产生物体的摄影测量。如上所述，测量平台16的角度取向和倾斜的精确方法消除了高精度、高成本马达和编码器组合来移动平台的需要。

在一个实施例中，控制器48包含在有效负载20中。在可供选择的实施例中，控制器48附着到支撑结构24。在另一个实施例中，控制器48设置在远程位置处，并且无线地连接到有效负载20、成像组件38和旋转驱动器12。

为了实现高精度测量，期望的是相对于参考图案34和有效负载20校准成像组件38。因此，组件10在夹具上进行校准，该夹具能够在参考图案34的不同位置处、相对于有效负载20识别参考图案34的独特特征结构。参考图案34的精确位置由控制器存储，并且在执行平台16和有效负载20的倾斜和角度取向的高精度测量时被参考。一旦被校准，有效负载20就能够以宽角度、以精确方式(甚至达到0.5毫米的公差)投射激光图像。此外，有效负载20能够在与上述类似的公差内执行物体的摄影测量或检查，这是以前不能够实现的。

通过在成像组件38中包括多个摄像机40，实现另外的精度。在多个摄像机40的情况下，在间隔开的位置处生成参考图案34的图像。据信，在间隔开的位置处生成的图像使得成像组件38能够更加精确地生成用于控制器48计算相对于平台16的轴线a的角度取向和倾斜的可用数据。成像组件38的另一个加强之处在于包括光源50，以照亮参考图案34，从而允许摄像机40更清楚地生成参考图案34的图像。

一旦由控制器48建立了平台16的角度取向和倾斜，控制器48就确定有效负载的正确取向，以实现期望的精确度。当确定了有效负载20的正确取向时，就由控制器48向有效负载20发送进行必要调节的信号，以进行投射或扫描物体。

已经以示例性的方式描述了本发明，应当理解，所用的术语将取其说明词语的自然意义，而不是限制意义。显然，根据上述教导，能够对本发明做出许多修改和变化。因此，应当理解，在说明书中，附图标记仅仅是为了方便起见，而不是限制性的，本发明可以以与本文具体描述的不同的方式实施。在所附权利要求的范围内，本发明可以以除了具体描述的以外的方式实施。

Claims (22)

1.一种旋转台组件，所述旋转台组件包括：

平台和旋转驱动器，所述旋转驱动器限定了旋转轴线并且具有主轴，所述平台安装在所述主轴上以用于接收来自所述旋转驱动器的旋转运动；

圆柱形壁，所述圆柱形壁固定地附接到所述平台，所述圆柱形壁利用所述平台接收来自所述旋转驱动器的所述旋转运动，并且所述圆柱形壁与由所述旋转驱动器限定的所述旋转轴线同轴；所述圆柱形壁限定了包括参考图案的内表面；

成像组件，所述成像组件用于对设置在所述圆柱形壁的所述内表面上的所述参考图案进行成像；

所述成像组件用于通过对设置在所述圆柱形壁的所述内表面上的所述参考图案进行成像来检测所述平台相对于所述平台的旋转轴线的角度取向和倾斜；和

控制器，所述控制器用于通过作为信号从所述成像组件发送到所述控制器的所述参考图案的位置来计算所述平台相对于所述旋转轴线的角度取向和倾斜。

2.根据权利要求1所述的旋转台组件，其中，所述平台支撑有效负载设备，所述有效负载设备包括激光投影仪、摄影测量系统或检查系统之一。

3.根据权利要求2所述的旋转台组件，其中，所述控制器与所述有效负载设备、所述旋转驱动器和所述成像组件互连，以用于确定所述平台的轴向取向和角度取向，并且向所述有效负载设备发送所述平台的轴向取向和角度取向的信号。

4.根据权利要求1所述的旋转台组件，其中，所述成像组件包括多个摄像机，所述多个摄像机用于在间隔开的位置处产生所述参考图案的图像。

5.根据权利要求4所述的旋转台组件，其中，所述成像组件包括至少三个摄像机。

6.根据权利要求1所述的旋转台组件，其中，所述成像组件包括照明装置，所述照明装置用于照亮所述参考图案。

7.根据权利要求1所述的旋转台组件，其中，所述旋转驱动器和所述成像组件附着到支撑结构。

8.根据权利要求1所述的旋转台组件，其中，所述参考图案包括随机标记。

9.根据权利要求1所述的旋转台组件，其中，所述参考图案包括竖直标识和水平标识。

10.根据权利要求1所述的旋转台组件，其中，所述控制器通过由所述成像组件产生的所述参考图案的图像来确定所述平台的三维取向。

11.根据权利要求1所述的旋转台组件，其中，所述旋转驱动器包括制动器，所述制动器用于将所述旋转驱动器停止或保持在固定的角度取向中。

12.一种识别平台的取向的方法，所述平台用于在三维坐标系中支撑有效负载，所述方法包括以下步骤：

提供用于支撑有效负载的平台，所述有效负载固定地附接到所述平台；

提供限定了旋转轴线的旋转驱动器，所述旋转驱动器包括主轴，所述主轴用于围绕由所述旋转驱动器限定的所述旋转轴线将角度运动传递到所述平台；

将参考图案施加到所述平台，所述参考图案能够与所述平台一起围绕由所述主轴限定的所述旋转轴线运动；

所述旋转驱动器沿预定角度取向的方向旋转所述平台，并且在相对于所述预定角度取向的近似角度取向处停止所述旋转驱动器；

在所述旋转驱动器已经在所述近似角度取向处停止之后，利用成像组件产生所述参考图案的图像；

将参考图案的图像发送到控制器；和

所述控制器计算所述平台相对于所述旋转轴线的角度取向和倾斜，以用于确定所述有效负载的取向。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，提供用于支撑有效负载的平台的步骤还通过提供包括激光投影仪、摄影测量系统和检查系统中的至少一者的所述有效负载来进一步限定。

14.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括所述有效负载与所述控制器电子通信的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括所述控制器通过利用所述成像组件产生所述参考图案的图像来识别所述有效负载在三维坐标系中的取向的步骤。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，提供成像系统的步骤还通过提供多个摄像机来进一步限定，所述多个摄像机用于产生所述参考图案的多个图像。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，产生所述参考图案的多个图像的步骤通过在间隔开的位置处产生多个图像来进一步限定。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，提供多个摄像机的步骤通过提供至少三个摄像机来进一步限定。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，将参考图案施加到所述平台的步骤通过向所述平台施加任意图案来进一步限定。

20.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括基于所述控制器计算所述平台相对于所述旋转轴线的角度取向和倾斜来调节所述有效负载的步骤。

21.根据权利要求12所述的方法，其中，将参考图案施加到所述平台的步骤通过将参考图案施加到圆柱形表面来进一步限定，所述圆柱形表面与由所述主轴限定的所述旋转轴线同轴。

22.根据权利要求12所述的方法，其中，在相对于所述预定角度取向的近似角度取向处停止所述旋转驱动器的步骤通过在利用所述成像组件产生所述参考图案的图像的同时，在相对于所述预定角度取向的近似角度取向处保持所述旋转驱动器来进一步限定。