CN112639571A - 使用图案化反射镜的激光束定位方法 - Google Patents

Abstract

激光束对准系统，包括：至少一个反射镜，具有配置为接收和反射激光束的表面图案；至少一个检测器，配置为检测来自反射镜的激光束的偏转部分；以及至少一个控制器，配置为与至少一个反射镜和至少一个检测器通信，并基于激光束的偏转部分来控制反射镜的位置。

Description

使用图案化反射镜的激光束定位方法

背景技术

激光技术广泛用于各种应用。其用于日常生活产品(诸如从硬盘读取信息的DVD播放器)、读取条形码、用于外科手术中，以及还用于产品的制造和维护，诸如进行切割、标记或钻孔(比如光刻)。

在光刻和计算机辅助制造系统领域中，定位平台有时用于干涉定位。例如，第4，060，315号美国专利示出使用差动螺旋致动器和挠性连接器进行精密激光反射镜的安装。然而，该系统需要对反射镜进行人工对准。

发明内容

根据第一方面，提供了激光束对准系统，包括：至少一个反射镜，具有配置为接收并反射激光束的表面图案；至少一个检测器，配置为检测来自反射镜的激光束的偏转部分；至少一个控制器，配置为与至少一个反射镜和至少一个检测器通信，并且基于激光束的偏转部分来控制反射镜的位置。

有利地，本发明以准确且安全的方式提供了在一个或多个反射镜上反射或照射的激光束的精确对准。这尤其有利于诸如移动或机器人的应用，并且这些应用需要动态对准以补偿机械偏转、振动、冲击载荷或可能导致静态对准系统变得未对准的其它力。

本发明可应用于大型机器人激光涂层去除(ICR)系统，诸如本文和通过引用并入本文的美国申请nos.中描述的，其中，机器人在其移动时将经历结构变形，并且由于机器人结构携带用于激光束传送的反射镜，因此在机器人移动时需要重新对准反射镜。

在整个申请中，“反射的”将用于表示相对于与反射镜平面垂直的平面、以一定角度照射反射镜表面并反射形成相同角度的光束。“偏转的”将用于表示以一个角度照射反射镜表面并由于反射镜表面上的表面图案被反射而形成不同角度的光束。

根据实施方式，至少一个反射镜包括表面图案，以及至少一个检测器配置为基于表面图案来检测激光束的偏转部分。将表面图案设计成使得其最小化朝向检测器偏转的光量并最大化光束质心测量的准确度。

根据该系统的实施方式，表面图案是由反射镜表面上的多个凹痕形成的图案。凹痕可以是例如铣入反射镜表面的特征，其有助于将极少量的激光能量朝向检测器偏转。

根据实施方式，表面图案是圆形或X形图案。然而，这仅仅是示例，并且本领域技术人员将理解，图案的具体形状可以有很大变化，并且其它合适的表面图案也是可能的。根据实施方式，表面图案使得在激光束内有足够数量的凹痕。者允许通过能够执行三角测量而实现更准确的定位。根据实施方式，使用对称图案。这允许使用更简单的算法进行准确定位。

根据实施方式，激光束是高功率激光束，例如高功率红外激光束或CO₂激光束。这对于例如大型结构或交通工具(诸如航空器)中需要大量定向能量的应用(诸如涂层去除)是有利的，并且高功率激光可用于通过表面上的扫描激光运动来烧蚀有机涂层。

根据实施方式，激光束是低功率激光束，例如红光激光束。这对于需要较少量的定向功率的应用是有利的。对于在大型结构或交通工具(诸如航空器)中的涂层去除的应用，作为用于系统中的对准反射镜的附加步骤(例如在接合高功率激光之前)也是有利的。

根据实施方式，至少一个检测器包括摄像机，摄像机用于捕获激光束的偏转部分，以及用于基于激光束的偏转部分来检测激光束在反射镜表面上的位置。检测器可以是任何类型的合适的光检测器。如果检测器是摄像机，则摄像机可接收或捕获激光束的偏转部分，并且基于所捕获的图像其可允许检测激光束在反射镜表面上的位置。

根据实施方式，摄像机可以是红外摄像机和/或可见光波长摄像机。红外摄像机可用于检测高功率激光束的偏转部分，以及可见波长摄像机可用于检测低功率激光束的偏转部分。

根据实施方式，至少一个检测器包括第一检测器和第二检测器，第一检测器配置为检测来自反射镜的第一激光束的偏转部分，以及第二检测器配置为在低功率激光束的位置已被控制之后检测高功率激光束的偏转部分。该系统可包括两个检测器：第一检测器，最初用于检测从至少一个反射镜偏转的低功率激光束的光，以执行激光束的初始对准；以及第二检测器，在激光束初始已对准并已接通高功率激光束之后使用。第二检测器(或简称为检测器，或至少一个检测器)用于检测来自至少一个反射镜的高功率激光束的偏转部分。

根据实施方式，至少一个反射镜包括以级联配置放置的多个反射镜，并且至少一个检测器包括多个检测器，其中，至少一个检测器对应于每个反射镜。该系统还可包括一个反射镜，该反射镜接收直接来自激光束源的光并将其反射到激光束的最终目的地，诸如终端工具；或者该系统可包括多个反射镜。在后一种情况下，第一反射镜可配置为接收来自激光束源的激光束，并将该激光束反射到第二反射镜。然后，第二反射镜可配置为进一步反射激光束；以及该配置可包括所需数量的反射镜，可适于例如包括不同的可移动部分的机器人臂的结构，并且激光束必须行进穿过该机器人臂。

根据第二方面以及上述优点和效果，提供了激光束对准方法，包括以下步骤：

a)从反射镜表面偏转激光束的部分；

b)基于所偏转的部分检测激光束在反射镜表面上的位置；以及

c)基于所检测的位置和反射镜表面上的期望位置来控制激光束。

激光束对准方法允许激光束的精确对准，该激光束以准确且安全的方式反射到一个或多个反射镜上。这种动态自动对准的方法提供了使用反射镜系统进行激光束对准的简单且准确的机制。

根据实施方式，激光束是低功率激光束，以及当通过步骤c)已到达期望位置时，该方法还包括切断低功率激光束、接通高功率激光束，以及用高功率激光束执行步骤a)至步骤c)。

因此，根据实施方式的该方法可用于首先控制低功率激光束的位置，并且一旦已达到期望位置，则使用相同的方法步骤来控制高功率激光束的位置。有利地，这允许在反射镜初始位置可能明显偏离期望位置的情况下，使用更安全且更适于初始对准的低功率激光束来初始对准系统中的一个或多个反射镜。当一个或多个反射镜初始对准时，可安全地使用高功率激光束。

根据实施方式，控制激光束包括控制激光束移动以接近期望位置。例如，期望的位置可以是反射镜表面的中心。然而，反射镜表面中的其它特定位置可以是期望的位置，其可预先定义或在对准期间确定。

根据实施方式，从反射镜表面偏转激光束的部分的步骤包括，使用反射镜表面上的表面图案来从反射镜表面偏转激光束的部分。

根据实施方式，检测激光束在反射镜表面上的位置包括，获得激光束的中心与反射镜表面上的期望位置之间的偏移值。这允许执行该方法的系统容易且有效地确定激光束需要在哪个方向和角度上移动和/或倾斜以进行位置校正。

根据实施方式，执行该方法的系统包括多个反射镜，以及对每个反射镜执行步骤a)至步骤c)。

根据实施方式，步骤c)包括：通过调节和/或移动先前的反射镜以改变检测到该位置的反射镜上的反射位置，基于所检测的位置和在反射镜表面上的期望位置来控制激光束。

根据实施方式，步骤b)包括：基于捕获激光束的偏转部分的摄像机来检测激光束在反射镜表面上的位置。

根据本发明的第三方面，提供了用于激光束对准系统的反射镜，该反射镜包括框架、由框架支撑的能反射激光束的反射镜表面，以及在反射镜表面上用于偏转激光束的图案。根据实施方式，该反射镜还包括用于移动反射镜并连接到反射镜和/或框架的一个或多个运动系统。根据实施方式，反射镜还包括指向反射镜表面并连接到框架的一个或多个检测器。

附图说明

图1示出了用于大型交通工具的表面处理的机器人系统的透视图。

图2a显示了通过根据本发明的图1的机器人系统的激光路径的视图。

图2b至图2e显示了根据本发明的图2a的特写部分。

图3示意性地显示了根据本发明的激光束对准系统。

图4示意性地显示了根据本发明的另一激光束对准系统。

图5显示了示出根据本发明的激光束对准方法的流程图。

图6显示了示出根据本发明的激光束对准方法的图。

图7a显示了根据本发明的激光对准系统的顶侧透视图。

图7b显示了从底侧观察的图7a的激光对准系统40的透视图。

图8a示出了根据本发明的实施方式的反射镜的透视图。

图8b示出了根据本发明的实施方式的反射镜的透视图。

附图仅用于说明的目的，而非用作对权利要求所提出的范围或保护的限制。

具体实施方式

图1示出了用于大型交通工具的表面处理的机器人系统10的透视图。尽管系统10被示出并描述为使用高功率激光通过扫描激光穿过航空器12的表面来烧蚀涂层的涂料去除系统，但是应理解，系统10可用于提供许多不同的表面处理，诸如涂漆、打磨、直接印刷、涂覆或去除其它涂层或表面处理、清洗、刮擦、表面扫描或检修。另外，系统10可与其它交通工具或结构一起使用，诸如直升机、船、卡车、汽车、水下交通工具、航空器；或者涉及大面积和/或复杂定位以到达所有表面的任何交通工具或结构。

系统10是具有连接到全向转向架16的移动底座14的独立式表面处理处理系统。底座使用四个转向架16，通过使用与每个转向架16相关联的两组麦克纳姆(Mecanum)轮和柔性悬架系统，转向架16可在任何方向上移动，以允许进行平稳行驶和稳定停车的操作。转向架的细节可在在于2018年6月21日提交的题为“Omnidirectional movement system(全向运动系统)”的美国专利申请中找到，其内容通过引用并入本文。

任何需要的公用设施(诸如电力、冷却水和天然气)都可经由系绳提供，该系绳可连接到底座14上的脐联接器34。在一些情况下，将仅需要一些公用设施，甚至不需要这些公用设施(例如，由底座上的电池提供电力)，使得系统10在各种位置上灵活地进行操作，且易于操作而无需大量电线或连接。

移动底座14能够通过相对紧凑且稳定的方式适应各种航空器和机库的变化，使得其能够向上驱动到航空器12、“停放”自身并为操作提供稳定的底座。全向转向架16和柔性悬架系统使移动底座14能够均匀地分配系统10的大载荷，同时还能够平滑地导航不平坦或具有障碍物的区域。转向架16的柔性悬架系统允许底座14处于驱动模式(参见图1b)，其中，将底座和千斤顶38升高到地平面之上(具有清除障碍物的充足空间)，然后允许将千斤顶38(并且可能是整个底座14)下降，使得系统10的重量置于用于停放模式的千斤顶38上(参见图1c)，而转向架16上的轮子在操作期间几乎不承载系统10的重量。这确保了底座的稳定，以在操作期间支撑臂(arm)20和腕(wrist)22的运动，从而最小化损坏处理表面的风险。

系统10还包括底座14上的与特定表面处理相关的多个其它组件，在该系统中，包括激光发生器24、激光功率单元26、控制系统机柜28、气体保持器30、过滤单元32、脐联接器34、热交换器35、扫描仪36、液压系统37和千斤顶38。除了底座14上所示的组件之外或代替底座14上所示的组件，其它系统可包括由底座支撑的其它组件。这些组件可包括，例如，排气过滤器、电池、涂料和/或涂料管线等。

表面处理从底座14通过桅杆(mast)18、肩(shoulder)19、臂20和腕22传送，在这种情况下，桅杆18、肩19、臂20和腕22一起提供了使激光束能够从底座14传送到航空器12表面上的任何期望点的结构。尽管桅杆18可通过底座14的运动或旋转而旋转，桅杆18和臂20是可延伸的并能够旋转(例如，通过线性齿轮21和旋转齿轮17)。肩19允许臂20相对于桅杆18旋转和平移。在一些实施方式中，臂20可以是伸缩臂而非平移臂。臂20还能够通过线性齿轮21在桅杆18的长度方向上上下移动。腕22提供更多的柔性轴，例如，以提供系统10到达和处理航空器12的所有表面的能力。所示的运动系统可根据桅杆18、肩19、臂20和腕22的配置，处理表面和/或其它要求而改变。

激光通过桅杆18、臂20和腕22的中空部分从底座14传送到腕22，并且由一系列具有反射镜控制和对准系统的反射镜引导，以确保准确的激光束定位，如关于图2a至图3b的详细描述。系统10还包括用于通过桅杆18、臂20和腕22的内部去除流出物的排气系统；以及用于相对于航空器12对所有系统10组件进行定位和定向的系统。

机器人系统10的控制可以是自动的或手动的。通常，在操作开始时，选择航空器12(或其它结构)的类型。定位系统(在于2018年6月21日提交的美国专利申请中有详细描述，其内容通过引用并入本文)用于确定航空器12的位置和方向。这通常涉及在航空器上的已知位置处悬挂多个目标，并且使用扫描仪36将目标定位与已知的航空器尺寸和配置进行映射，使得机器人系统能够准确地定位腕22的输出23，以将激光导向航空器12的任何表面而不接触该表面。由于航空器12的大尺寸和复杂几何形状，以及任何接触对航空器12表面损坏的易感性，这是很重要的。

一旦定位已知，机器人系统即可移动到期望的起始位置。转向架16可将底座驱动到第一位置(例如，航空器12的前部附近，以及已知臂20和腕22可延伸的长度的情况下输出23能够到达最前面的位置)。然后，底座14可置于停放模式(参见图1c)，其中，转向架16柔性悬挂系统将底座14和千斤顶38下降，使得底座14至少主要由千斤顶38(而非轮子)支撑。然后可开始操作。臂20和腕22位于起始位置处。检查激光对准，然后可接通高功率激光束。机器人系统臂20和腕22的运动可遵循预编程的路径，以确保所有表面被充分处理，以及需要时可使用一个以上路径。还可调节激光使得仅除去某些层。光学传感器(或其它传感器装置)可用于确保激光避开障碍(例如，窗口)。

即使航空器12的表面区域巨大且复杂，激光也可极其快速地扫描(例如，每秒200次)以确保有效的表面处理。另外，可使用摄像机或其它传感器来确保激光有效地去除期望层。这可以例如通过使用每次扫描拍摄一次或多次的照片进行颜色和外观分析来完成。基于该感测和分析，激光功率、以及机器人运动和速度可连续地更新。

在激光操作期间，流出物去除系统也工作以去除产生的气体。流出物去除通道具有从底座14(例如，通过底座14上的过滤系统)产生的负压，使得流出物通过腕、臂和桅杆被抽吸到底座14，其中，流出物可被清洁(例如，通过过滤单元32中的过滤器)并正确地处理(例如，在过滤器中清洁之后将清洁的气体排放)。所提供的抽吸必须达到将激光去除点的废气和微污染与废气一起带入流出物去除通道中的程度。输出23可具有特定结构(诸如完全围绕激光通道输出的流出物通道输入)，以促使所有废气被完全抽吸。然后，这种结构可以过渡到图4a所示的臂的通道(通常也是形成腕22的通道)中。过滤单元32还可提供额外的空气或其它壳体以进行流出物的冷却。流出物通道可包括在不同位置处的叶片，以帮助气体在精确的方向上移动，特别是在围绕紧密的角移动时(诸如从臂20到桅杆18的竖直移动)。

当机器人系统10已去除臂20和腕22的范围内的所有涂层时，系统10可相对于航空器12移动到第二位置，使得其可到达未处理的表面。相同的过程用于移动、停放，然后进行操作。当航空器的整个表面已经被处理时，机器人系统10可移动到不同的位置进行存储或开始新的操作。

过去的用于在航空器上除去涂料的表面处理系统通常涉及人工应用溶剂或砂磨。机器人系统10提供了用于表面处理的有效方法，该方法能够处理航空器复杂的表面几何形状，同时最小化航空器的损坏风险和所需的人工劳动。使用高功率激光可高效且有效地去除涂层，并且底座14、桅杆18、肩19、臂20和腕22的运动系统使得激光能够到达期望的位置，而无需人工干预。尽管所有的运动和转向到达不同的表面，激光对准系统也通过使用可移动的反射镜确保了激光保持正确地对准，即使在使用高功率激光束时也确保了系统的安全。移动底座14允许容易和灵活地运动到期望位置，以适应许多不同的航空器和机库(或其它处理位置)的变化。

图2a示出了通过根据本发明的机器人系统10的激光路径的视图。图2b至图2e示出了激光路径的特写部分。

激光路径由激光束对准系统(也称为偏转系统40)引导，激光束对准系统位于激光需要偏转的每一点处，以遵循从激光源到航空器12上的期望表面处理点的期望路径。在系统10中，激光束由底座14上的八个激光束对准系统40(在图2b至图2c中示出)偏转，以在期望位置(在激光通道的中心)处进入桅杆18。激光沿桅杆竖直向上偏转到肩19，然后激光水平偏转以进入臂20，然后偏转朝向腕22延伸(如图2d所示)。在腕22处，激光由两个不同的激光束对准系统偏转，然后由腕22的输出23处的一个或多个反射镜41朝向航空器12的表面(或其它期望表面)反射。

图3示意性地显示了根据本发明的激光束对准系统40。

图3的对准系统40可位于如图1的系统中所示的桅杆18、肩19、臂20和/或腕22形成的中空结构内，并因此可与图2中所示的激光束对准系统之一对应。对准系统40是动态激光束对准系统，其可集成在图1的系统(或其它系统)中，以保持激光束的传送不受结构变形的影响。对准系统40包括激光束44、第一反射镜48、第二反射镜50、用于第二反射镜50的第一检测器52a、用于第二反射镜50的第二检测器52b、以及控制器46。

激光束44可以是高功率激光束，或低功率激光束，或任何合适类型的激光束。如果激光束是高功率激光束，则其可以是红外激光束。高功率激光束可以是具有例如大约9厘米直径的20千瓦CO₂激光，其可被开发为从包括金属和复合衬底的许多表面去除多种涂层。低功率激光束可以是可见光激光束，诸如红色激光束或红色光束。

第一反射镜48可位于中空结构内的第一位置处，使得来自激光束源的激光束将先照射第一反射镜48。第二反射镜50则位于中空结构内的比第一反射镜48的位置更远离激光束源的位置处。第一反射镜48配置为接收激光束44并将其沿第二反射镜的方向反射，以及第二反射镜50配置为接收从第一反射镜48反射的激光束并将其沿着更远反射镜的方向反射，或沿着系统的终端工具或输出的方向反射。

用于第二反射镜50的第一检测器52a是可基本上位于第二反射镜50的反射镜表面的前面、指向反射镜表面的检测器。作为示例，第一检测器52a可直接安装在第二反射镜50的上方。第一检测器52a配置为检测从第二反射镜50偏转的低功率激光束的至少部分。由于并非所有的激光束都具有相同的特性(能量、光束宽度)，因而特定的检测器仅可适于检测来自某些激光束类型的能量。第一反射镜48与第二反射镜50之间的距离可变化，并且在实施方式中，该距离可从最小50厘米(诸如与图1的腕22对应的部分中)变到最大15米(诸如，与图1的桅杆18对应的部分中)。然而，只要允许激光束正确地照射到反射镜表面上，该距离可以更小或更大。

用于第二反射镜50的第二检测器52b相对于第二反射镜50位于与第一检测器52a类似的位置处。第二检测器52b配置为检测从第二反射镜50偏转的高功率激光束的至少部分。光束的偏转部分可以非常小，诸如，从大约2Wat(其可表示激光束总功率的大约0.01％)到大约0.1％的激光束总功率。由于偏转光的总量小，因而不需要高功率检测器。

第一检测器52a和第二检测器52b配置为，基于偏转的激光束的部分来确定在第二反射镜50中入射的激光束的位置。检测器可以是任何类型的合适的光检测器，例如，配置为接收或捕获激光束的偏转部分的摄像机，并且基于所捕获的图像，摄像机可检测激光束在反射镜表面上的位置。检测器可具有屏蔽层或保护层，以保护检测器不接收来自反射镜的过多能量。

第一检测器52a和第二检测器52b可各自集成在印刷电路板中，或一起集成在同一印刷电路板中，并且所述印刷电路板还可包括微处理器以处理由检测器所检测的位置。如果检测器是摄像机，则微处理器可配置为执行图像处理，或可在远程位置执行这种图像处理，该远程位置通过有线或无线连接与检测器通信。

控制器46配置为控制对准操作和校正操作。当激光束到达反射镜的表面时，取决于反射镜的定向，激光束将从反射镜的表面朝向特定方向反射。重要的是，激光所遵循的方向是精确的，使得它不会到达可能导致损坏的不希望的表面。当激光束用于需要高准确度的应用时，例如，当使用多个反射镜时，这尤其关键。在图3的实施方式中，控制器46配置为从第一检测器52a和第二检测器52b接收激光束照射的第二反射镜50的反射镜表面上的检测位置。因此，控制器46可从第一检测器52a接收关于检测的低功率激光束的位置的信息，并且从第二检测器52b接收关于检测的高功率激光束的位置的信息。使用该信息，控制器46可将所检测的位置与激光束44在反射镜表面上的期望位置进行比较。

然后，控制器46能够基于比较的结果确定第一反射镜48必须移动和/或倾斜的方向和距离，以便入射到第一反射镜48上的激光束将朝向第二反射镜50反射，使得激光束在期望位置上照射第二反射镜50。然后，控制器可控制第一反射镜48在确定的方向和距离上移动和/或倾斜，以便对准激光位置。

另外，尽管在图3中未示出，但是系统可包括提供信号(诸如，二进制信号)的一个或多个附加的安全传感器，以肯定地指示高功率激光束正在照射反射镜。可由控制器46实现算法以确定激光束质心位置和横截面形状作为光束质量的指示。控制器46可包括计算来自凹痕的激光反射的质心的图像处理算法(参见图7a至图7b)，从而提供激光束位置的测量。其它算法计算激光反射的形状，其提供光束质量的指示。还可以使用其它算法来检测激光束的强度，以测量激光功率并检测其它异常(诸如脏反射镜)。

反射镜表面上的期望位置是使激光束朝向系统功能最佳的方向反射的位置。该期望位置可以是允许激光束将尽可能平行于包围结构(中空结构)的壁进行反射的位置。期望的位置可以是反射镜表面的中心，或距反射镜表面的中心特定距离的点。

尽管在图3中未示出，但是实施方式还可包括至少一个附加的检测器位于与第一检测器52a和第二检测器52b相似的位置处，其可以是摄像机，以便确定光束是否已中断和尚未到达第二反射镜50。由于检测器52a和/或52b可检测与系统的正常功能不对应的偏转光的部分，因而这可为系统提供额外的安全机制。根据实施方式，可使用一个以上的附加检测器以进一步提高系统的安全性。

图4示意性地显示了根据本发明的另一激光束对准系统40。

图4的系统类似于图3的系统，其中，附加的第三反射镜42置于例如中空结构内的位置处，该位置比第二反射镜50的位置更远离激光束源。第三反射镜42配置为接收从第二反射镜50反射的激光束，并将其反射到另一反射镜或系统的输出。检测器43a和检测器43b可以类似于检测器52a和检测器52b，并且配置为检测入射到第三反射镜42上的偏转激光束的至少部分。根据本实施方式，控制器46还配置为接收来自检测器43a和检测器43b的激光束位置。尽管图4将控制器46表示为两个单独的元件，但是本领域技术人员将容易理解，控制器可由一个元件或多个元件彼此通信而形成。

图4还示出了用于第一反射镜48的第一检测器49a和第二检测器49b。用于第一反射镜48的检测器可检测激光束在第一反射镜48表面上的位置，使得控制器46还可使用所检测的位置来调节第一反射镜48和/或激光束源。

尽管图3和图4分别表示了具有两个反射镜和三个反射镜的系统，根据本发明的激光对准系统还可包括三个以上反射镜，其通过由机器人部件形成的中空结构将激光束从图1所示的机器人底座中的源导向系统的终端工具。

图5包括示出根据本发明的激光束对准方法500的流程图。作为示例，将参考图3的系统来解释该方法，但是应显而易见的是，类似的方法将应用于其它系统，例如，包括更多反射镜的系统(诸如图4的系统)。

在第一步骤501中，使用低功率激光束执行初始反射镜对准。在该初始步骤中，构成系统的反射镜可能未对准。由于如果激光束在不期望的表面上反射，则对于初始对准(其中，反射镜未对准的可能性会相当大)，高功率激光束可能会更危险，因而切断高功率激光束并使用低功率激光束。即使严重不对准并指向不期望的表面处，这种低功率激光束也将几乎不导致损坏。

在第一步骤期间，第二反射镜50的第一检测器52a检测反射镜表面上激光束照射的位置。这可通过在第一检测器52a的方向上检测激光束的偏转部分，并基于该偏转部分获得激光束在反射镜表面上的位置来完成。之后，第一检测器52a将所检测的位置发送到控制器46，并且控制器可确定激光束需要移动的距离和方向，以便在期望位置处到达反射镜表面，该期望位置可以是反射镜表面的中心。控制器46之后可控制第一反射镜48移动和/或倾斜，以便使激光束在将到达第二反射镜50的表面上的期望位置的方向上反射。在步骤502中，可类似地针对图4的第三反射镜42地自动和动态地实现该过程，直到用于每个反射镜的检测器检测到入射在反射镜表面上的低功率激光束照射到期望位置上。尽管这被讨论为“期望位置”，但是本领域的技术人员应理解，取决于系统、激光等，其可涵盖处于可接受位置的范围内的反射镜表面上的多个位置。

一旦对准已完成，高功率激光束可用于所需的应用，诸如用于从诸如航空器的交通工具去除涂层。为此，实施步骤503，其中，切断低功率激光束并接通高功率激光束。最初，反射镜由先前的步骤对准，然而，由于机器人结构的桅杆18和臂20各自都是可移动的以将腕和输出移动到不同的期望位置，这种位移将使反射镜未对准，因而需要(通过调节反射镜)自动和动态地执行激光束的恒定对准和重新对准。

然后启动步骤504，其中，在这种情况下，第二检测器52b将检测入射到第二反射镜50的反射镜表面上的激光束的位置。该步骤类似于步骤501，仅使用高功率激光束代替低功率激光束。

尽管对于低功率激光束对准和高功率激光束对准以类似的方式执行方法500，但是低功率激光允许由操作者手动粗调反射镜。从低功率激光束开始，这既确保实现了正确的开始对准，又确保了在高功率激光束接通之前系统正常地工作。因此，这种方法导致了安全的系统，避免了使用可损坏系统或周围组件的高功率激光束，直到系统被视为正确地对准并安全地工作。

图6显示了示出根据本发明实施方式的激光束对准方法的图。

更具体地，图6显示了系统中的检测器、控制器和反射镜之间的交互。将参考图3的系统通过示例的方式解释图6的图，并且由于进行了简化，其还将以相同的方式应用于具有更多反射镜的系统中。

在步骤601中，第二反射镜50接收低功率激光束。然后，来自激光束的大部分能量将朝向下一个反射镜或终端工具或输出反射。在步骤602中，激光束的部分将朝向第二反射镜的第一检测器52a偏转。由于存在于反射镜表面上的表面图案，该部分的偏转与激光束的其余部分的偏转不同。表面图案可以是位于反射镜表面上的特定位置处的凹痕图案。凹痕可以是铣入反射镜表面的特征，其限定了极少量的激光能量到检测器。高功率激光束和低功率激光束可源自相同的源，并且其最初都可具有例如30毫米的直径。然后，该低功率激光束可通过可将其光束扩展到大约6厘米的准直器，使得它与大约9厘米的高功率激光系统紧密匹配。做出这种扩展使得低功率激光束也可覆盖反射镜上的表面图案，并且检测器可基于表面图案有效地检测光束在反射镜表面上的位置。

第一检测器52a在步骤603中检测由于表面图案而已偏转的激光束的部分，并且在步骤604中基于偏转部分检测激光在反射镜表面上的位置和激光束的中心。在步骤605中，第一检测器52a将所检测的位置发送到控制器46。

在步骤606中，控制器使用从第一检测器52a接收的激光束位置，获得激光束的中心(光束中心线)与期望位置(诸如反射镜中心线)之间的“偏移”。然后激光偏移位置在步骤607中使用以改变第一反射镜48的角度和/或位置，使得激光束与测量反射镜的中心对准。第一反射镜48与第二反射镜50之间的距离(为已知的)还与激光束偏移结合使用，以获得所需角度变化的幅度。用于第一反射镜48的运动控制系统(关于图7a至图7b更详细地描述)然后在位置信息的下一次更新之前的极短的时间帧内(例如，100毫秒的时间帧内)移动反射镜。存在死区或偏移容限范围，即使检测到偏移，控制器也不会指示第一反射镜48移动和/或倾斜，以避免效率低下(其中需要太多的功率才移动第一反射镜48极小的距离和/或倾斜度)。因此，在偏移的容限范围内没有发生运动，并且仅当检测的偏移高于特定阈值时，控制器才会指示第一反射镜48移动和/或倾斜。

图7a显示了从顶侧观察的激光对准系统或偏转系统40的透视图，以及图7b显示了从底侧观察的激光对准系统40的透视图。激光对准系统40包括框架42、运动系统44(具有电动机46和传动系48)、反射镜50(可与如上公开的第二反射镜50对应)和摄像机52(可与如上公开的检测器52a和检测器52b对应)。反射镜50包括凹痕54、入口56和出口58。

反射镜50表面通常是铝或铜，尽管其它合适的材料也可使用。入口56和出口58用于冷却剂(例如，水或气体)的循环，以确保在偏转激光束时反射镜50在操作期间不会过热。凹痕54可以是任何设定的图案，并且用于偏转激光束的小部分，使得摄像机52a、摄像机52b能够检测到激光束照射反射镜表面以及光束在反射镜50表面上的位置。反射镜50还可包括安全系统，例如，如果检测到激光束接近反射镜50的边缘，该安全系统可发送用于自动切断激光的信号。这可包括，例如监测在反射镜50的边缘或角落上的热负荷的一个或多个安全传感器。

反射镜50通过运动系统44连接到框架42，运动系统44能够相对于框架42移动或倾斜反射镜50。该运动可通过一个或多个电动机46、传动系48和其它组件(例如，连接器、支架、齿轮)在一个或多个方向上进行，这些组件连接在框架42与反射镜50之间以可控地移动或倾斜反射镜50。反射镜50能够使用两个电动机46和两个传动系48在两个方向上倾斜，尽管其它激光束对准系统40可包括更多或更少的运动或倾斜选项。该运动由控制器46控制，如关于先前的附图所解释的。取决于激光束对准系统40位于图2a所示的激光路径内的位置，运动和控制可变化。例如，直接位于激光源之后的第一激光束对准系统40通常可涉及极小的运动，尽管位于腕22中的激光束对准系统40可能能够在更大的范围(或多个范围)内移动或倾斜，以适应该位置中的所有不同运动。

摄像机52a、摄像机52b通常是红外摄像机或能够检测反射镜50上的激光和反射镜50上的激光位置的其它类型的检测器。摄像机52a、摄像机52b在上部连接到框架42，允许充足的距离以在反射镜50上进行正确地检测，并提供相对于反射镜50的稳定保持位置。可使用一个摄像机52a来检测仅用于对准的低功率光束，并且可使用一个摄像机52b来检测主激光束或高功率激光束，如有关先前附图所见。其它实施方式可具有更多或更少的摄像机，例如，仅用于光束检测的附加摄像机(例如，出于安全确保光束尚未中断否则会受损伤)，同时第一摄像机用于凹痕检测。出于冗余和安全的理由，还可使用额外的摄像机，以在主摄像机发生故障的情况下具有备份摄像机。反射镜具有位于前面41上的表面图案，并且所述表面图案允许入射激光束的至少部分朝向摄像机偏转。该表面图案可以是凹痕图案。表面图案(例如，凹痕54)导致激光能量的一些不沿光束路径反射，由于照射凹痕54、凹痕45的激光束的部分以不同的方式反射允许其更容易地被摄像机52a和摄像机52b捕获，因而使激光束在反射镜表面上更具可观察性。反射镜50上的凹痕54配置并布置为仅将光束的小部分朝向摄像机偏转，例如，光束总功率的0.01％至0.1％。这种小偏转也可确保朝向摄像机52a、摄像机52b偏转的激光能量不会达到损坏摄像机52a、摄像机52b的水平。在一些实施方式中，摄像机52a、摄像机52b可具有屏障以进一步确保偏转的激光不会损坏摄像机及其工作能力。尽管描述了摄像机52a、摄像机52b，但是可使用能检测激光束和反射镜上的位置的另一类型的检测器，例如，其它类型的合适的光检测器。

反射镜50可以以激光束以例如相对于与反射镜表面平面成45度的角度照射反射镜表面41的方式定向。通常，所有的激光束能量也将以45度的角度从反射镜反射。然而，为了检测激光束位置，凹痕54设计成使得激光束照射凹痕的部分反射到不同的方向上，换言之，朝向检测器(摄像机)52a、52b偏转。如果检测器位于反射镜表面41的相对，则凹痕可设计成使得反射镜的表面上形成切口，该切口与反射镜表面平面垂直的平面形成特定的角度，从而将入射到凹痕中的光束的部分偏转到检测器(摄像机)52a、检测器(摄像机)52b的方向上。

取决于机器人系统10的具体结构，框架42可连接到底座14、桅杆18、肩19、臂20和腕22内的各种部件。连接必须使得框架保持稳定，并配置为使得激光束进入框架42的一侧，由反射镜50偏转，然后从框架42的另一侧离开，通常朝向随后的偏转系统40、反射镜或处理表面。另外，偏转系统40的数量和结构可取决于系统10的尺寸和需求而变化。

反射镜50相对于框架42的运动或倾斜确保激光束偏转到下一期望反射镜(或其它系统或表面)，而不管相关部件的任何运动(例如，臂20相对于桅杆20的倾斜或平移)。由于用于表面处理并由反射镜偏转的激光束通常是极强的(例如，20kW)，因而确保激光束仅被正确地导向期望避免对机器人系统10或其它附近系统的组件造成损坏的地方是很重要。框架42、摄像机52a、摄像机52b、表面图案54、运动系统44以及控制和对准系统确保可检测激光束在反射镜50上的定位，并且定位信息用于移动或倾斜先前和/或随后的反射镜50，使得激光束实现与系统中的一个或多个反射镜50的正确对准。

图8a示出了根据本发明的反射镜表面的透视图，以及图8b示出了根据本发明的反射镜表面的另一透视图。

表面图案(可以是反射镜上的凹痕54的图案)可以是对称的，例如，如图8a所示的圆形图案54a，或如图8b所示的X形图案54b。这些仅仅是示例，并且对于本领域技术人员来说显而易见的是，许多其它模式也是可能的。

如果检测器是红外摄像机，则红外摄像机用于在反射镜表面41上观察来自凹痕54a、凹痕54b的偏转光。由于大部分激光功率由反射镜导离，凹痕54a、凹痕54b显示为红外摄像机的热点。并非所有的凹痕都一次地处于激光路径中，因而观察照度的质心可给出激光束中心的指示。

根据本发明的反射镜可具有矩形形状，每边的长度最小为25毫米。反射镜可由不同的材料制成，诸如在外部表面上具有金涂层、然后被水冷却的铜或铝底座。

如前面的描述中所见，使用两级定位系统和方法，其中，在第一定位步骤中，由低功率激光束将反射镜与第一摄像机对准，允许通过复杂的系统对激光束进行准确且有效的对准和重新对准。在高功率激光束操作的第二步骤期间，通过使小部分激光偏转离开光束路径到达检测器系统(诸如摄像机系统(第二摄像机))来将反射镜保持在适当位置，从而将光束的质心保持在期望位置(可以是反射镜的中间位置)。通过不断地检测和调节反射镜，无论激光束和/或交通工具或将激光束传送到输出的其它组件所经受的运动和/或轴的数量如何变化，都可实现激光束的精确对准。这使定位系统极为安全和准确，允许使用高功率激光束而不会造成由于未对准而损坏周围部件的风险。诸如，凹痕图案(反射镜表面上的特征)的表面图案可用于最小化偏转光量，这使得质心测量的准确度最大化，从而进一步确保准确的对准以及对准和反射时良好地保持在反射镜表面内的能力。

虽然已参考示例性实施方式描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物代替其元件。另外，在不背离本发明的实质范围的情况下，可对本发明的教导进行许多修改以适应特定的情况或材料。因此，本发明不限于所公开的特定实施方式，而且本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方式。

Claims (22)

1.激光束对准系统，包括：

至少一个反射镜，具有配置为接收并反射激光束的表面图案；

至少一个检测器，配置为检测来自所述反射镜的激光束的偏转部分；

至少一个控制器，配置为与所述至少一个反射镜和所述至少一个检测器通信，并且基于所述激光束的偏转部分来控制所述反射镜的位置。

2.根据权利要求1所述的激光束对准系统，其中，所述至少一个反射镜包括表面图案，以及所述至少一个检测器配置为基于所述表面图案来检测所述激光束的偏转部分。

3.根据权利要求2所述的激光束对准系统，其中，所述表面图案是由所述反射镜表面上的多个凹痕形成的图案。

4.根据权利要求3所述的激光束对准系统，其中，所述表面图案是对称的。

5.根据权利要求1所述的激光束对准系统，其中，所述激光束是高功率激光束。

6.根据权利要求5所述的激光束对准系统，其中，所述高功率激光束是红外激光束。

7.根据权利要求1所述的激光束对准系统，其中，所述激光束是低功率激光束。

8.根据权利要求1所述的激光束对准系统，其中，所述至少一个检测器包括摄像机，所述摄像机用于捕获所述激光束的偏转部分，以及用于基于所述激光束的偏转部分来检测所述激光束在所述反射镜表面上的位置。

9.根据权利要求8所述的激光束对准系统，其中，所述摄像机是红外摄像机和/或可见光波长摄像机。

10.根据权利要求1所述的激光束对准系统，其中，所述至少一个检测器包括：

第一检测器，配置为检测来自所述反射镜的低功率激光束的偏转部分；以及

第二检测器，配置为在所述低功率激光束的位置已被控制之后检测高功率激光束的偏转部分。

11.根据权利要求1所述的激光束对准系统，其中，所述至少一个反射镜包括以级联配置放置的多个反射镜；以及

所述至少一个检测器包括多个检测器，

其中，至少一个检测器对应于每个反射镜。

12.激光束对准方法，包括以下步骤：

a)从反射镜表面偏转激光束的部分；

b)基于所偏转的部分检测所述激光束在所述反射镜表面上的位置；以及

c)基于所检测的位置和所述反射镜表面上的期望位置来控制所述激光束。

13.根据权利要求12所述的激光束对准方法，其中，所述激光束是低功率激光束，以及当通过步骤c)已到达所述期望位置时，所述方法还包括：

切断所述低功率激光束；

接通高功率激光束；以及

用所述高功率激光束执行步骤a)至步骤c)。

14.根据权利要求12所述的激光束对准方法，其中，控制所述激光束包括：控制所述激光束移动以接近所述期望位置。

15.根据权利要求12所述的激光束对准方法，其中，从反射镜表面偏转激光束的部分的步骤包括：使用所述反射镜表面上的表面图案从反射镜表面偏转激光束的部分。

16.根据权利要求12所述的激光束对准方法，其中，检测所述激光束在所述反射镜表面上的位置包括：获得所述激光束的中心与所述反射镜表面上的期望位置之间的偏移值。

17.根据权利要求12所述的激光束对准方法，其中，执行所述方法的系统包括多个反射镜，以及对每个反射镜执行步骤a)至步骤c)。

18.根据权利要求15所述的激光束对准方法，其中，步骤c)包括：通过调节和/或移动先前的反射镜以改变检测到所述位置的所述反射镜上的所述反射位置，基于所检测的位置和在所述反射镜表面上的期望位置来控制激光束。

19.根据权利要求12所述的激光束对准方法，其中，步骤b)包括：基于捕获所述激光束的偏转部分的摄像机来检测所述激光束在所述反射镜表面上的位置。

20.用于激光束对准系统的反射镜，所述反射镜包括：

框架；

由所述框架支撑的反射镜表面，能够反射激光束；以及

图案，位于所述反射镜表面上，用于偏转激光束。

21.根据权利要求18所述的反射镜，还包括一个或多个运动系统，用于移动所述反射镜并连接到所述反射镜和/或所述框架。

22.根据权利要求18所述的反射镜，还包括：

一个或多个检测器，指向所述反射镜表面并连接到所述框架。

Images