用於校準包括載體單元、連接到載體單元的採光單元和發光單元的光學裝置的方法

2023-05-26 14:47:31

用於校準包括載體單元、連接到載體單元的採光單元和發光單元的光學裝置的方法
【專利摘要】本發明涉及一種在對其預定使用前基於全局坐標系(xyz_global)校準光學裝置(5)的方法，光學裝置(5)包括由剛性材料製作的載體單元(11)、以可拆卸方式連接到載體單元(11)的採光單元(12)和發光單元(13)。為了便於校準並且使得校準獨立於光學裝置(5)預定使用過程，提出基於參考坐標系(xyz_ref)並且獨立於光學裝置(5)離線校準採光單元(12)或發光單元(13)。然後轉換矩陣(52)的數值被確定，此轉換矩陣用來將基於參考坐標系(xyz_ref)獲取的校準數據(51)轉換為基於全局坐標系(xyz_global)的相應校準數據(50′)。這可以通過基於全局坐標系(xyz_global)執行一次整個光學裝置(5)的校準而完成。在光學裝置(5)的預定使用過程中，當生成用於單元(12、13)的控制信號和/或處理從單元(12、13)接收到的傳感器信號時，針對單元(12、13)獲得的校準數據(51)和/或轉換矩陣(52)的相應數值將被考慮。
【專利說明】用於校準包括載體單元、連接到載體單元的採光單元和發光單元的光學裝置的方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於全局坐標系校準光學裝置的方法。所述光學裝置包括由剛性材料製作的載體單元、均以可拆卸方式連接到載體單元的採光單元和發光單元。

【背景技術】
[0002]例如，從DE10311247A1中已知這樣的光學裝置。在已知的裝置中，載體單元具體體現為一個具有U形橫截面的型材。這個型材可以由金屬板剪切和摺疊而成。發光單元和/或採光單元各包括一個殼體元件，該殼體元件是通過從型材的開口側插入型材內部並設置在其中而形成的，優選地不能浮動或晃動。型材具有用於接收螺釘的孔，採光單元和發光單元的殼體分別具有用於接收穿過型材的孔的螺釘的螺紋孔。為了使採光單元和發光單元分別可拆卸地固定到型材上，緊固螺釘被插入孔中並且被擰入螺紋孔。
[0003]這種固定方式能夠使採光單元和發光單元分別以高精度緊固到載體單元上。然而，當鬆開螺紋連接後，殼體可以在型材內部移動，並且當再次擰緊螺釘時或者將其他採光單元或發光單元插入載體單元之後擰緊螺釘時，不能保證此採光單元和發光單元分別仍然並且將會如先前那樣被固定在載體單元上恰好相同的位置。因此，現有技術提出的這種類型的連接是不可重複的。
[0004]因此，在現有技術中，首先採光單元和發光單元被連接並固定在載體單元的任何所需位置上。然後整個光學裝置必須基於全局坐標系被校準。全局坐標系可以被指定到一個單一的光學裝置或測量裝置，例如一種測量隧道，其包括多個上述類型的光學裝置。在第一次使用該光學裝置之前，必須執行校準操作，並且此後每次一個採光單元或發光單元需要被替換或者有意無意地相對於載體單元改變自身位置時，必須要校準整個光學裝置。校準整個光學裝置的必要性具有這樣的缺點:校準必須在在線狀態下進行，也就是在中斷光學裝置預定使用的過程中進行校準。此外，根據現有技術的光學裝置的校準非常複雜、繁瑣和費時。


【發明內容】

[0005]因此，本發明的一個目的是提出一種用於校準光學裝置的方法，該方法簡單、快速，並且特別是可以離線操作，也就是在光學裝置預定使用過程中進行校準。
[0006]為了解決此問題，根據本發明的一個實施方式，提出的方法包括:
[0007]定義一個與全局坐標系不同的參考坐標系；
[0008]通過獲取合適的校準數據，在其預定使用前，基於參考坐標系校準採光單元或發光單元，並且與光學裝置的其他單元分開校準；
[0009]將已校準的採光單元或發光單元連接到載體單元上；
[0010]基於給定的全局坐標系和給定的參考坐標系，僅僅執行一次整個光學裝置的傳統校準，從而確定轉換矩陣的數值，此轉換矩陣用來將基於參考坐標系獲得的校準數據轉換為基於全局坐標系的校準數據；以及
[0011]此後，針對所有連接到載體單元上、需要進一步校準的採光單元和/或發光單元，在對光學裝置的預定使用過程中，當生成用於單元的控制信號和/或處理從單元接收到的傳感器信號時，通過考慮從所述光學裝置中獲取的校準數據或轉換矩陣的相應數值，利用作為光學裝置的一部分的採光單元和/或發光單元。
[0012]本發明提出，單獨校準光學裝置每部分，然後組裝已單獨校準部件，從而形成校準的光學裝置，而不必在每次有新單元被安裝後全局校準整個裝置。只有當帶有基於參考坐標系離線校準單元的光學裝置第一次被基於全局參考系使用時，整個裝置必須基於全局參考系做校準操作。以此方式，確定了用於轉換矩陣的值。此後，被分別基於參考坐標系校準的採光單元或發光單元被簡單地插入光學裝置(被連接到載體單元)，此光學裝置先前已經基於全局坐標系校準過。採光單元或發光單元的基於參考坐標系的單個校準數據，通過轉換矩陣被轉換為基於全局坐標系的校準數據。
[0013]一旦單獨的採光和發光單元在自己的參照系下被校準，在它們能基於全局坐標系坐標軸被校準之前被安裝在載體單元或空間框架上。在校準的光學和發光單元分別安裝到載體單元和空間框架上後，整個光學或測量裝置基於全局坐標系的坐標軸被校準。這是初始校準，它在裝置調試之前被執行，並且只需要執行一次。初始全局校準的目的是確立轉換矩陣。此矩陣將基於參考坐標系獲取的各單元的校準數據關聯到基於全局坐標系的相應校準數據。應該注意，依據在實驗室(離線)校準單個光學採集和發光單元的方法，對於直接校準來說轉換矩陣可以是繁瑣的，或者具有基於模型校準(例如，Tsais校準模型)的其他形式。
[0014]系統調試後，當單個的採光單元或者發光單元需要被新單元替換時，整個光學或測量裝置不需要重新基於全局坐標系校準。新部件的轉換矩陣通過第一部件的轉換矩陣獲得，而第一部件的轉換矩陣已經在初始全局校準步驟過程中被確定，並且第一部件和新的部件的校準數據是相同的，這是由於這兩個數據都是基於相同參考坐標系坐標軸獲得的。基於此，採光單元或發光單元被連接到載體單元上是必要的，並且因此通過一種高精度、準確可重複的方式位於測量裝置中。這種連接可以通過許多不同的方法完成，其中的一些稍後通過實施例的方式進行描述。其中一個實施例被稱為錐形燕尾連接。
[0015]優選地，光學裝置的單獨部件基於不同於全局坐標系的參考坐標系被校準。特別是，建議採光單元和/或發光單元的校準通過來自光學裝置的預定使用的離線操作來完成。然而，在採光單元和/或發光單元的校準過程中，光學裝置通過使用其它先前校準好的單元可以繼續使用。例如，一個或多個採光單元和/或發光單元在光學裝置中被真正使用前分別被校準好是可能的。因此，在光學裝置的正常運行和預定使用過程中，單元可以被校準。然後，如果光學裝置的採光單元和/或發光單元失效或者出於某種原因需要被替換，一個事先已經單獨校準的單元可以被固定到光學裝置的載體單元上。當然，這是通過光學裝置的預定使用過程的簡短中斷情況下完成的。然而，引入新單元後，光學裝置可以恢復它的預定使用，而不需要整個光學裝置耗時的校準操作。
[0016]新固定的單元被功能集成到光學裝置，特別是基於全局坐標系簡單地通過轉換矩陣的數值被校準。新固定單元的轉換矩陣是通過第一部件的轉換矩陣獲得的，第一部件的轉換矩陣通過在裝置調整之前的初始全局校準被確定，並且第一部件和新裝配部件的校準數據是相同的，這是因為這兩個數據都是基於相同參考坐標系坐標軸獲得的。因此，一旦每個單元作為單個實體離線校準，它們各自的轉換矩陣被自動獲得。在生成用於採光單元和/或發光單元單元的控制信號和/或處理來自於採光單元和/或發光單元單元單元的傳感器信號時，轉換矩陣的數值被考慮，從而所述單元的在線校準被執行。因此，為了重新校準光學裝置而中斷所述光學裝置的預定使用時間可以被減少到最低，這是由於其中一個單元只是簡單的被另一個事先校準好的單元所替代，因此整個光學裝置的耗時校準可以被省略。
[0017]基於參考坐標系的採光單元和/或發光單元的單獨校準，可以通過任何已知的方式執行。校準的各種可行方式已被公開，例如，分別在EP1524494A1或者W002/16865A1中。這些參考資料都通過引用的方式被納入本文。特別是，那些包含在這些參考資料中、涉及至少一個包含具有一定維度和一定的排列方式的校準元件的校準表面的、關於校準裝置的實施方式和校正單元過程的具體描述成為本發明的一部分以避免重複。校準表面和校準元件分別定義參考坐標系。
[0018]優選地，參考坐標系相對於從光學裝置中分離出來的校準裝置被定義。因此，所述離線校準單元是在一個單獨的校準裝置上被校準的，此校準裝置例如可以放置到光學裝置的遠處。這樣，在一個或多個採光單元和/或發光單元的校準過程中，允許光學裝置的預定使用連續進行。因此，採光單元或者發光單元基於參考坐標系的校準操作離線和並行執行，並且在光學裝置的預定使用過程中執行。
[0019]優選地，待校準的採光單元或者發光單元具有一個獨特的序列號。獲取的校準數據和/或轉換矩陣的數值或者表示校準數據和/或轉換矩陣的數值的相應值，連同相關於已被校準的採光單元或者發光單元的序列號被存儲在資料庫中。光學裝置的控制和處理單元可以訪問(優選以在線方式)資料庫和存儲在其中的數據和/或數值，以便在光學裝置的預定使用過程中，以校準單元修正後的信號和數值使用連接到載體單元並且成為光學裝置的一部分的採光單元和/或發光單元。所述序列號允許明確識別存儲數據和/或數值並且將存儲數據和/或數值賦值到特定的採光單元或發光單元。
[0020]優選地，採光單元或發光單元通過無應力、無間隙且可重複的連接而連接到載體單元上。這允許單元的校準離線執行並且獨立於整個光學裝置並且並行於裝置的預定使用。通過可重複的連接將已校準的單元固定到載體單元上，整個光學裝置被校準。這種採光單元和發光單元到載體單元的特殊連接，允許將單元相對於光學裝置其餘部分定位於高精度的和準確可重複的位置。採光單元和發光單元到該光學裝置的其他部分的精確且可重複連接限定了一個接口，接口之上是各單元之間的變化的不同形式，接口之下實際上沒有區別，這是因為支撐載體單元是機械穩定和熱穩定的結構。轉換矩陣的數值可在單元的單獨校準過程中以高精確度並且不受時間嚴格限制的方式提前被定義，並且在光學裝置的預定使用過程中，可以考慮在線操作。因此，本發明允許一種光學裝置在其預定使用過程中的在線校準，沒有因為整個光學裝置的在線全局校準而浪費時間，這是由於根據本發明整個光學裝置的在線全局校準的時間是可以省略的。
[0021]優選地，採光單元或發光單元通過兩部分錐形燕尾連接被連接到載體單元。所述的錐形燕尾連接只是採光單元和/或發光單元連接到載體單元上的許多可能的精確且可重複的連接之一。優選地，連接的精度是在微米級。所述連接限定了一個接口，接口之上通過採光單元和發光單元的不同個體的機械和/或光學特性引入了變化，接口之下由於載體單元是機械穩定和熱穩定結構，所以沒有變化。所述接口優選採用錐形燕尾連接形式，但是並不局限於這種類型的連接。其他連接也可以被使用，只要它們達到相同的精度和可重複性等級而在此接口水平上沒有弓I入連接錯誤即可。
[0022]特別是，根據本發明的一個優選實施方式，採光單元和發光單元分別連接到載體單元的可拆卸連接包括第一部分元件，所述第一部分元件呈具有縱向延伸以及一個梯形橫截面的凹槽形式。在沿凹槽的縱向延伸的任意給定位置的橫截面視圖中，凹槽中靠近其底部的寬度大於與凹槽底部相對的凹槽的寬度，此處凹槽對外界打開。進一步地，凹槽沿其縱向延伸由一端到相對的一端逐漸匯合，從而，沿著凹槽縱向延伸逐漸減少凹槽的寬度。因此，如果在橫截面圖中沿著凹槽縱向延伸觀察凹槽的兩個彼此間隔開的位置，該凹槽的在第一位置的底部寬度大於該凹槽在另一位置的底部的寬度。同樣地，與凹槽底部(此處凹槽對外界打開)相對的凹槽寬度，在第一位置時大於在第二位置時。凹槽的深度沿著凹槽的整個縱向延伸優選是恆定的。然而，也有可能的是，凹槽沿其縱向延伸的深度從一端到另一端逐漸增加或減少。
[0023]此外，根據本發明，採光單元和發光單元分別到載體單元上的可拆卸連接包括第二部分元件，所述第二部分元件呈凸起形式，該凸起具有縱向延伸以及一個對應於所述凹槽橫截面形狀的橫截面形狀。因此，所述凸起也具有一個梯形截面形狀。在橫截面視圖中，所述凸起的寬度沿其縱向延伸從一端到相對的一端匯合。所述凹槽的側壁的匯合程度和凸起的側壁的匯合程度優選對於凹槽和凸起是相同的。沿著凸起的縱向延伸的長度，不需要必須對應於所述凹槽的長度。然而，優選地，凸起的長度至少要和凹槽的長度一樣長。優選地，所述凹槽和凸起的長度是相同的。
[0024]關於錐形燕尾連接，其中「兩部分」的意思是，提出的連接裝置包括第一部分(凹槽或凸起)和相應的第二部分(凸起或凹槽)。「錐形」的意思是，凹槽的側壁和凸起的側壁相對於他們的縱軸匯合或者發散。「燕尾」的意思是，梯形橫截面形狀垂直於凹槽和凸起的縱向軸線。
[0025]引入和接收部位於凹槽的一端，此端比凹槽開口的相對端具有更大的寬度，所述引入和接收部接收凸起，凸起在其相對於所述凹槽的縱向延伸部被替換並且它的縱向延伸部基本上平行於槽的縱向延伸部。在將所述凸起插入到引入和接收部後，所述凸起可以沿著平行於凹槽的縱向延伸部延伸的方向被插入凹槽中。因此，凸起的在橫截面視圖中具有比相對端更小的寬度一端，當被插入引入和接收部時指向凹槽，進而面對凹槽的開口而用於後續插入。所述凸起通過面向引入和接收部的凹槽的開口，可以被插入凹槽中。因為具有較小寬度的凸起的端部被插入到具有較大寬度的凹槽的另一端部，在將凸起插入凹槽的過程中，一個相對於凹槽的凸起的相對不精確定位就足夠了。因此，一方面是採光單元或發光單元與另一方面是載體單元之間的連接的建立，可以例如通過工業機器人簡單地自動地操作。凸起越被進一步引入到凹槽中，凸起越進一步相對於凹槽縱向延伸部橫向自動定位。在採光單元和發光單元分別到載體單元之間的可拆卸連接的建立過程中，凹槽充當凸起的導向裝置，從而顯著緩和並且允許充分授權建立可拆卸連接。
[0026]一旦在引入凹槽過程中所述凸起具有較小寬度的端部到達凹槽中的這樣一個位置，此位置凹槽寬度對應凸起的較窄端部處的寬度，插入操作就結束了。如果凹槽的側壁和凸起的側壁的錐形匯合程度相同，在引入運動的結尾，凹槽的側壁和凸起的側壁以他們的整個表面彼此相靠。因此，引入運動的最終位置以格外高的精度被限定。與此同時，確立所述可拆卸連接是快速和簡單的。
[0027]所述凹槽既可以被設置在載體單元上，也可以分別被設置在採光單元或發光單元的殼體元件上。如果凹槽被設置在載體單元上，凸起就被設置在連接裝置的相應其他部分上，即設置在採光單元和發光單元上；或者如果凹槽分別被設置在採光單元或者發光單元的殼體元件上，凸起就被設置在載體單元上。優選地，所述凸起分別被設置在採光單元和發光單元的殼體元件上，並且凹槽被設置在載體單元上。
[0028]根據本發明的一個優選實施方式，所述凸起通過用於將採光單元或者發光單元相對於載體單元的固定或保持的合適裝置，被固定在其在所述凹槽中的最終位置。保持或固定裝置可以通過在凸起的至少一個側壁和凹槽的至少一個相應側壁之間有效的一些摩擦接觸簡單地實現。然而，如下方式也是可能的:當所述兩部分錐形燕尾連接裝置相對於載體單元被適當地連接和設置在其最終位置上時，所述兩部分錐形燕尾連接裝置包括用來相對於所述載體單元分別保持或固定所述採光單元和發光單元的附加裝置。所述附加裝置可以是，例如，彈簧加載的保持裝置或螺釘，通過摩擦接觸或者形狀配合或者正配合，其提供採光單元和發光單元相對於載體單元到自身最終位置的可靠的固定。
[0029]本發明特別適合於光學裝置，其中採光單元在一個採光區域內獲取工件的特性，並且發光單元在一個採光區域內照亮工件的至少一部分。所述採光單元優選地包括用來以光學方式獲取工件光學特性的相機。所述相機可以被設計為模擬或數字相機，特別是設計為CCD或者CMOS相機。所述發光單元優選地包括激發光單元，用來在所述採光區域內通過雷射束照亮工件的至少一部分。所述雷射探頭可以被設計為使得其至少在採光區域的一部分中在工件表面上以及可能的相鄰部件上生成線型或網格型光模式。所述雷射單元可以在可見或不可見(例如，UV，IR)的波長區間內發光。發光單元和採光單元可以被持續地激活或者在同步時鐘基礎上的離散時間點被激活。
[0030]數位相機光學採集工件或者一個或多個可能的相鄰部件的圖像，並且生成對應於和指示所獲取的圖像的電傳感器信號。所述傳感信號通過評估單元或圖像處理單元進行處理，例如，用於確定相對於相鄰部件的工件的間隙和/或位移(平行偏移)。特別是，所述光學裝置可以被使用在將機動車或者其他汽車零部件(例如天窗)的扁平件(例如門、行李箱蓋、前蓋或發動機蓋等)安裝到車體的一個適當的開口處的過程中。在工件安裝過程中，不間斷地確定工件相對於相鄰部件或者其他車體部分的間隙和/或位移數值，並且相應地控制工件插入車身開口。
[0031]所述被確定的間隙和/或位移數值可以被用來控制工業機器人，工業機器人持有附著它的機器人手臂遠端的工件，用來將其安裝到車身開口處。所述機器人或者機器人手臂被控制，用來使工件與相鄰車輛部件之間所有的間隙儘可能相等，並且以期望的方式調整位移，例如，儘可能變小。當然，所述光學裝置也可以被應用到其他部件的附接和插入操作，例如安裝散熱器格柵、車輛照明設備(前照燈或燈)到車身上。更進一步，所述光學裝置也可以被應用到質量控制領域，用來在已經安裝的車身部件基礎上，控制生產和/或安裝過程的精度。此外，所述光學裝置也可能被應用到其他領域，例如在工作室或廚房檯面上插入和安裝罩蓋或水槽。
[0032]此外，建議所述光學裝置包括處理和控制裝置，其分別被連接到採光單元和發光單元，並且所述載體單元包括一個處理和控制裝置被設置在其中的空腔。所述處理和控制裝置用來處理從採光單元傳來的傳感器信號，以使在採光區域內確定和表徵工件的狀態和/或特徵(例如相對一個或多個相鄰車身部件的間隙和位移)成為可能。傳感器信號的處理可以通過一個適配的圖像處理軟體來進行，其可以在一臺計算機的一個或多個微處理器上運行。
[0033]此外，所述處理和控制裝置可以分別負責控制所述採光單元和發光單元。例如，它們可以激發發光單元產生和發射所需光束或光模式。另外，當所述發光單元被激活時，它們可以激發所述採光單元在採光區域內獲取工件的一個或多個圖像。特別是，所述發光單元和所述採光單元的定時操作是有利的，其中所述發光單元僅被暫時接通一段非常短的時間用於照亮工件，並且與之同步的光學採集單元被暫時觸發而用來製作被照亮工件的一個或多個圖像。此外，所述處理和控制裝置可以控制位於所述光學裝置上的其他設備的功能，例如可移動地設置在所述採光單元的採光窗口前的蓋元件，其目的是為了保護所述採光窗口和所述採光單元分別免於熱、機械、化學或物理損害，例如免於熱焊接濺射等。所述蓋元件由電動馬達或螺線管致動，其可以通過處理和控制裝置控制和激活。
[0034]所述處理和控制裝置在其自身部分可以接收來自更高級別控制單元的控制和操作信息，該更高級別控制單元優選地設置在載體單元外並獨立於所述光學裝置。所述更高級別控制單元可以構成例如測量隧道的測量裝置的一部分，所述測量裝置包括本文所述類型的多個光學裝置。
[0035]在一個特別優選實施例中，所述光學裝置適於連接到操縱器的手臂的遠端部，特別是工業機器人的機械手臂端部。所述光學裝置可以通過操縱器被移動，使得光學裝置的採光區域包括任何所需的工件，以確定在所述採光區域內工件的條件或者特性(位置，布置和位移)，無論是基於全局坐標系的絕對條件或者特性還是相對於一個或多個相鄰車體部件的相對條件或者特性。這具有如下優點:單一相同光學裝置在相互分離的不同採光區域中可被用於獲取一個或多個工件的條件。
[0036]此外，有可能在所述圖像獲取過程中，操縱器移動所述光學裝置，因此伴隨一個所述工件(例如車體中的擾流板)或者相鄰車體部件(例如位於裝配線上的機動車車身)沿著生產線的相應移動，以致所述工件和所述相鄰車體部件在圖像採集過程中保留在所述採光區域內。所述光學裝置可以被連接到機器人手臂端部，例如，通過球形接頭。
[0037]另外，根據本發明，除了所述光學裝置，工件(例如車體中的擾流板、車輛照明裝置、散熱器護柵、罩蓋、水槽等等)的緊固裝置也可以被安裝在機器人手臂的遠端部，因此所述光學裝置相對於所述工件被設置在一個固定的位置並且連同所述工件一同移動。因此，所述機器人手臂被用來將所述工件帶入其安裝位置，並且與此同時移動所述光學裝置，使得其可以在所述安裝過程中獲取並確定所述工件相對於相鄰部件的間隙和位移。所述緊固裝置可以，例如，包括一個或多個機械夾具、真空抽吸裝置、螺線管等等。
[0038]為了進一步增強所述校準的準確度而不需增加昂貴和複雜的溫度控制，建議所述採光單元或者所述發光單元在多個不同環境溫度下分別單獨校準，此對應的溫度相關的校準數據為每個環境溫度下生成並且所述數據被存儲在資料庫中，在所述光學裝置的預定使用過程中，確定當前環境溫度，訪問資料庫，並根據當前的環境溫度至少一組校準數據被選擇而用於所述採光單元或者所述發光單元的在線校準，此組校準數據是在最接近當前環境溫度的環境溫度下獲取的。
[0039]可選地，建議選擇兩組校準數據，這兩組校準數據是在最接近當前環境溫度的環境溫度下獲取的，並且在光學裝置的預定使用過程中，要被用來執行採光單元或者發光單元的在線校準的校準數據通過兩組被選擇的校準數據之間的插值來確定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]現在將結合附圖詳細描述本發明的更多特徵和優點。附圖示出:
[0041]圖1是在一個優選實施方式中，帶有根據本發明的光學裝置的工業機器人，該光學裝置被附接在機器人手臂的遠端部；
[0042]圖2是根據本發明的光學裝置的一個可能使用的實例；
[0043]圖3是帶有根據本發明的光學裝置的工業機器人的另一實施方式，該光學裝置被附接在機器人手臂的遠端部；
[0044]圖4a是在一個優選實施方式中根據本發明光學裝置的載體單元；
[0045]圖4b是在一個優選實施方式中根據本發明米光單兀或者發光單兀的一部分；
[0046]圖5是載體單元的另一實施方式的正面視圖；
[0047]圖6是圖5中載體單元的後視圖；
[0048]圖7a是在一個另一優選實施方式中根據本發明光學裝置的載體單元；
[0049]圖7b是在一個另一優選實施方式中根據本發明光學裝置的採光單元或者發光單元的一部分；
[0050]圖8是在一個另一優選實施方式中根據本發明的光學裝置；
[0051]圖9是採光單元的耦合元件(例如，球形支架)仰視圖，圖示了連接採光單元到載體單元的錐形燕尾連接；
[0052]圖10是採光單元的橫截面圖；
[0053]圖1la是在一個另一優選實施方式中根據本發明的光學裝置的採光單元或者發光單兀的一部分；
[0054]圖1lb是在一個優選實施方式中根據本發明的光學裝置的採光單元或者發光單元的稱合元件；
[0055]圖12是圖1lb中所述的耦合元件沿線I1-1I的視圖；
[0056]圖13是在一個另一優選實施方式中根據本發明的光學裝置的採光單元或者發光單元的一部分；
[0057]圖14是圖13中採光單元或者發光單元的一部分沿剖面XIV-XIV的截面圖；
[0058]圖15是發光單元(例如，雷射組件)的截面圖；
[0059]圖16是發光單元(例如，雷射組件)的殼體後部視圖；
[0060]圖17是採光單元(例如，相機組件)；
[0061]圖18是發光單元(例如，雷射組件/投影儀組件)；
[0062]圖19是構成根據本發明的光學裝置(例如，雷射三角測量傳感器)的兩個基本元件(相機組件和雷射組件/投影儀組件)；
[0063]圖20是構成根據本發明的光學裝置(例如，立體測量傳感器)的兩個基本元件(例如，相機組件)；
[0064]圖21是構成根據本發明的光學裝置(例如，立體和雷射三角測量傳感器)的三個基本元件(例如，兩個相機組件和一個雷射器組件/投影儀組件)；
[0065]圖22是採光單元(例如，相機組件)的分解視圖；
[0066]圖23是採光單元(例如，相機組件)或者發光單元(例如，雷射組件/投影儀組件)的連接器；
[0067]圖24是雷射保持器組件的分解視圖；
[0068]圖25是根據本發明的光學裝置的校準原理示意圖；以及
[0069]圖26是用於離線校準採光單元和/或發光單元的校準裝置；
[0070]圖27是用於離線校準採光單元(例如，相機組件)的校準裝置；以及
[0071]圖28是用於離線校準發光單元(例如，雷射組件/投影機組件)的校準裝置。

【具體實施方式】
[0072]圖1圖示了一個傳統操縱器，其遠端部附接有一個根據本發明的光學裝置。在圖1所述的實施方式中，所述操縱器是一個具有機器人手臂2的工業機器人1，機器人手臂2包括多個臂部2a和用於互連機器人臂部2a的萬向節2b。機器人手臂2的遠端部2c在機器人移動範圍內的6個自由度中可以任何所需位置和方位被移動，即可位於任何所需位置並可面對任何所需方向。
[0073]在所示實施方式中，所述機器人I是被靜態固定到地板3上的。然而，機器人I也可以是移動的並且相對於地板3可自由移動。所述機器人I包括一個控制單元4，控制單元4可以被連接到一個更高級別的控制器(未被示出)。所述控制器可以負責一個或多個機器人I並且協調和控制它們的運動。例如，所述控制器可以負責整個測量裝置，例如測量隧道。所述控制單元4生成控制信號，以使機器人I或機器人手臂2分別朝著所需方向移動，從而使機器人手臂2的遠端部2c沿著希望的路徑移動到所需工作或採光區域內的希望的位置，並面對所需工作或採光區域，並且在路徑端部移動到所需方位。所述機器人運動的其他參數，如所述機器人手臂2的遠端部2c的速度和加速度，也可以被控制。所述控制單元4也可以生成並提供用於使所述光學裝置5固定到機器人手臂2的遠端部2c的控制信號。
[0074]優選地，所述光學裝置5以可拆卸方式被附接到所述機器人手臂2的遠端部2c。此外，該光學裝置5可以任何所需方位被固定在所述遠端部2c。優選地，該光學裝置5通過球窩接頭連接組件(如圖17-22和24)連接到所述遠端部2c。所述球窩接頭連接組件可在其解鎖狀態下以各種自由度自由移動，並且在其固定狀態下被固定在所需方位。所述光學裝置5和所述球窩接頭連接組件將在後面進行更詳細地描述。
[0075]現在參照圖2，提供了一個光學裝置5的可能應用的實施例。圖示工件6以特定的方式相對於相鄰部件7被設置和定向。特別地，所述工件6定位成使得在工件6和相鄰部件7之間的間隙8a、8b具有一定數值，並相對於由部件7的延伸部所限定的平面具有一個位移9，該位移9具有一定數值。所述工件6可以是，例如，機動車的一個擾流件(車門，行李箱蓋，發動機蓋等等)，並且所述部件7可以包括，例如，車體和/或已經安裝的擾流件、門或蓋的其他部分。可選地，所述工件6也可以是將要被安裝並固定在車體7的適當的開口處的一個照明裝置、散熱器護柵、玻璃窗格等。在另一個實施方式中，所述工件6也可以是要被安裝在廚房的工作板7適當的開口處的爐灶或煮食爐臺或廚房水槽。對本領域技術人員來說顯而易見的多種其他實施方式也包括在本發明中。
[0076]根據本發明的光學裝置5可被用於確定相對於在給定的採光區域10內的所述部件7的所述工件6的間隙8a、8b和位移9。所述光學裝置5可以移動到相對於該工件6和部件7的所需位置和方位，使得要被確定的間隙8a或8b和/或位移9位於所述光學裝置5的採光區域10內。所述光學裝置5的這種到光學裝置5的導出位置和方位的運動，可以分別通過所述機器人I或機器人手臂2進行。
[0077]所述光學裝置5的可能實施方式在圖19至21中以示例方式示出。這些實施方式包括但並不局限於雷射三角測量傳感器(圖19)、立體測量傳感器(圖20)和立體和雷射三角測量傳感器(圖21)。用於獲取間隙8a、8b和位移9的尺寸的所述光學裝置5的結構和確切功能，在DE19910699A1和DE10348500A1中有詳細的描述。這兩份文件均通過引用的方式併入本文。這兩個文件詳細描述了:一個類似於根據本發明光學裝置5的光學裝置如何在對應於所述採光區域10的採光區域內獲得圖像，相應的傳感器信號如何產生以及為了確定間隙8a、8b和位移9的數值，對應和指示所獲取圖像的傳感器信號是如何被處理的。所述光學裝置5的功能與這兩個文件中所描述的光學裝置是非常相似的。本發明涉及的校準方法的有利構造以及有利的光學裝置5，將在下文中詳細地進行描述。
[0078]圖3圖示了操縱器I另一個實施方式，其中操縱器I在其臂2的遠端部2c帶有根據本發明的光學裝置5。
[0079]圖4a和4b圖示了根據本發明的光學裝置5的各種部件。圖4a圖示了一個由剛性材料，如金屬特別是鋁，製成的載體單元11 (也稱為載體組件)。載體組件11是所述光學裝置5的支柱。載體單元11優選是一個擠出型材。它可以製成為任何所需長度，由此可簡單地通過鋸或切割型材來執行切割到合適長度的操作。圖4b圖示一個採光單元12或一個發光單元13，它們都是所述光學裝置5的一部分。所述單元12、13通過一個高度精確並且可以準確重複的方式被可拆卸地連接到載體單元11。
[0080]根據本發明的一個優選實施方式，附接到載體單元11 (例如採光單元12和/或發光單元13)的所有子組件通過兩部分錐形燕尾連接裝置連接到所述載體單元11。所述錐形燕尾連接裝置基本上由兩部分構成，這兩部分包括一個凹槽14和一個凸起15，凸起15可以根據需要被插入到凹槽14或者從中取出。所述凹槽14也被稱為錐形燕尾連接的陰部分並且所述凸起15被稱為連接的陽部分。
[0081]根據圖4a和4b中所示的實施方式，所述凹槽14位於載體單元11上。所述凹槽14可以通過不同的方法，例如銑削，形成在載體單元11的側壁上。在圖4a的實施方式中，所述載體單元11包括三個凹槽14。當然，凹槽也有可能多於或少於所示的三個凹槽14。此夕卜，所述凹槽14可以被設計在載體單元11中的任何一個或多個側壁上。還有，凹槽14沿著其縱向軸線16的取向可以變化。圖4a的實施方式僅示出了具有基本垂直的縱向軸線16的凹槽14，該縱向軸向16垂直於所述載體單元11的縱向軸線延伸。當然，凹槽14也可以通過縱向軸線16相對於另一個凹槽14以及所述載體單元的縱向軸線傾斜的方式被定向。
[0082]所述凸起15被分別設置在採光單元12或發光單元13上。凸起15沿著縱向軸線17縱向延伸。同樣，凸起15可以被設置在單元12、13中縱向軸線17的任意位置和方位上。凸起15的形狀基本上對應於凹槽14的形狀。當然，凹槽14被設置在採光單元12或發光單元13上並且一個或多個凸起15被設置在載體單元11上也是可能的。
[0083]所述錐形燕尾連接裝置的一個特性是，凹槽14和凸起15的寬度沿它們的縱向軸線16、17逐漸增加或減少。在相對於縱向軸線16垂直延伸的截面中可見，凹槽14和凸起15具有類似的燕尾狀的梯形形狀。在沿縱向軸線16的任何給定的橫截面中，凹槽14在底部寬度大於與凹槽底部相對的凹槽14開口處的寬度，其中在凹槽開口處，凹槽14以相同的橫截面對外打開。這意味著，在橫截面中，凹槽側壁上形成一個底切。當所述凸起15被插入到凹槽14中時，通過凹槽14的底切部分接收那些面向外部的凸起15的部分，從而以很高精度將光學採集單元12或發光單元13設置到載體單元11的預定位置。此外，相對於所述載體單元11的採光單元12或發光單元13的位置是可重複的，這意味著在從載體單元11中拆除單元12、13和在載體單元11中重新安裝單元12、13或安裝另一個相似單元12、13後，該單元12、13將相對於所述載體單元11處於與之前完全相同的位置和方位。所建議的錐形燕尾連接裝置14、15提供了一個將採光單元12或發光單元13安裝到載體單元11的無應力、完全可重複拆卸的連接。
[0084]優選地，所述兩部分錐形燕尾連接裝置14、15包括:當單元12、13已達到其插入端部位置(凸起15完全插入凹槽14)並且已經正確地連接到載體單元11上時，用於相對於所述載體單元11保持或固定採光單元12或發光單元13的裝置。特別是，採光單元12或發光單元13可以通過凸起15的側壁相對於凹槽14的側壁的摩擦，相對於載體單元11保持在其端部位置。如果所述凸起15的側壁與所述凹槽14的側壁沿其縱向軸線16、17的縱向延伸具有相同傾角，這種摩擦就特別地存在。在這種情況下，所述凸起15的側壁和所述凹槽14的側壁在端部位置以其整個表面相互抵靠。
[0085]為了將所述凸起15引入到所述凹槽14中，凸起15被帶入一個位於凹槽14較寬的一端的引入和接收部分45並且沿著其縱向軸線16相對於凹槽14位移。凸起15被帶入引入和接收部分45，其較窄端面向凹槽14，然後以基本平行於凹槽14的縱向軸線16的運動滑動到凹槽14中。
[0086]如圖4b所示，所述凸起15並不一定必須直接連接到採光單元12或發光單元13。在圖4b所示的實施方式中，凸起15被布置在耦合元件18上，耦合元件18可拆卸地連接到採光單元12或發光單元13或與單元12、13連接的另一部件上。耦合元件18和連接到其上的部件12、13形成特定的子組件。耦合元件18將在下面參照附圖9到12進行更詳細地描述。
[0087]通過錐形燕尾連接14、15附接到所述載體單元11上的任意子組件12、13僅可以從一側和僅沿一個方向插入。組件12、13沿錐形燕尾連接14、15的方向滑動，並且一旦完全插入，構成了相對於所述載體單元11保持或固定組件12、13的裝置的鎖緊螺釘14a(見圖21)被插入並擰緊以防止組件12、13滑出。施加到鎖緊螺釘14a的所需轉矩低，但另一方面高到足以佔用錐形燕尾連接14、15中的任何間隙。施加在螺釘14a上的扭矩可以通過現有的扭矩限制工具來控制，以使得所述錐形燕尾連接14、15具有微小預應力並且不存在間隙。因此，錐形燕尾概念實現了可重複和高定位精度的實質上無應力、無間隙和可快速拆卸的連接。這個精度可以調節，以滿足使用現有製造方法(例如機械加工、研磨和電線侵蝕)的應用的需求。尤其是，所述電線侵蝕是高度精確的製造方法，能夠達到只有幾個微米的公差。
[0088]所述錐形燕尾連接14、15的重要性在於，它確立了一個接口，該接口使得相機或雷射器子組件12、13中的變化與不具有這種變化的錐形燕尾連接14、15下面的支撐結構11相區分。
[0089]像機和雷射器子組件12、13的變化之所以發生，是由於在這些子組件12、13中各個部件的製造公差和裝配過程。由於這個原因，在錐形燕尾連接14、15上的相機和雷射器子組件12、13設置有鉸接特徵，例如提供調節和鎖定能力的球窩接頭連接。這些鉸接特徵將在下面更詳細地描述。
[0090]由於錐形燕尾連接14、15為給定子組件12、13提供了可重複且高度精確的重新定位，並且本身不以任何顯著方式引入可能影響測量系統(光學裝置)5的精確度的變化，相機和雷射器子組件12、13可以被視為單獨的實體。這使得這些子組件12、13能夠於子組件12、13內針對單個元件的變化進行調節、作為單獨單元被校準和序列化，從而它們在一個計量系統(光學裝置)5內被唯一確定。因此，替代了處理由於更換單個相機、雷射和傳感器子組件12、13而產生的大測量系統5的差異，這些部件的差異被單獨處理。這僅僅是可能的，因為所述錐形燕尾連接14、15確立了一個虛構的界線，界線之上有來自子組件12、13的各部件的變化，而界線之下沒有這種變化。
[0091]圖5圖示了載體組件11的一個優選實施方式。一般情況下，用於連接載體組件11到機器人手臂2的遠端部2c或其他支撐框架(見圖14、20、27和28)的相機組件12、雷射器組件13和外部連接組件Ila(見圖17至24)，可以從各種位置、從側面、從後面、也從正面，如圖5和6所示，連接到載體組件11上。雖然在當前的附圖中並未示出，但是可以理解，錐形燕尾連接14、15也可以位於載體單元11的頂部和/或底部。
[0092]此外，應當理解的是，雖然載體單元11的各種實施方式中被示為具有正方形橫截面，所述載體單元11還可以具有其他橫截面，只要它設置有一平的部分，以允許加工錐形燕尾連接14、15的一部分即可。這樣的其它橫截面可以是，例如三角形、六邊形、八邊形或其他規則或不規則的橫截面。
[0093]此外，所述載體單元11，雖然圖中所示為具有一個沿其縱軸線基本上直的延伸部，但是也可以是彎曲的或者具有連接在一起的直線部分的有角度的延伸部，以便形成一個彎曲的或有角度的形狀(見圖4a)。
[0094]錐形燕尾連接14、15的位置和方位與載體單元11的形狀，提供了一個配置例如雷射和立體三角傳感器的光學裝置5的高度靈活的手段。通過改變附接到載體單元11的各子組件12、13之間的距離和相對於彼此的角度，傳感器5的幾何形狀可以被改變。
[0095]圖8圖示了根據本發明的光學裝置5的另一個實施方式。此實施方式被部分地詳細展示於圖7a和7b中。可以清楚地看出，載體單元11是由空心型材製成的。在所述型材11的遠端部，凹槽14已被磨銑在型材11的材料中。由於型材11的中空截面，凹槽14基本上包括位於第一側壁11』遠端部的第一部分14』和位於與第一側壁11』相對的另一側壁(在圖7a至8中不可見)的遠端部第二部分14』』。這兩個部分凹槽14』、14』 一起構成與上述圖4a、4b的實施方式相同的凹槽14和功能。圖7a、7b所示的實施方式中，凹槽14不是連續的而是由兩個分開部分14』、14』』構成，這對本發明提出的錐形燕尾連接裝置14、15的功能沒有負面影響，此連接裝置用於可拆卸地將採光單元12和/或發光單元13和/或外部連接組件Ila連接到光學裝置5的載體單元11。
[0096]如圖7a所示，載體單元11在其內具有一個中空空間19，其在載體單元11的遠端部處對外打開。用於處理和控制採光單元12和/或發光單元13的裝置，例如一個具有在處理單元上運行的適當的處理和控制軟體的中央處理單元(CPU)，可以被設置在空間19內。所述處理和控制裝置與機器人的控制單元4和/或與更高級別的外部控制器通過數據通信連接。此外，連接處理和控制裝置與採光單元12和發光單元13的電纜，也可完全集成到中空空間19內。然後，中空空間19在載體單元11的遠端部的開口部，通過分別定位採光單元12和發光單元13完全封閉在載體單元11的遠端部處。因此，在圖7a、7b和8的實施方式中，採光單元12和發光單元13也可以作為載體單元11的中空空間19的開口處的可移動的蓋子。其結果是，圖8中所示的根據本發明的光學裝置5是完全封閉的，並沒有顯示出電子元件和電纜，因為這些都是完全集成到光學裝置5的內部19。這具有在所述載體單元11外部沒有電纜的優點，外露的電纜的風險是在工作區域10內纏結部件7或其他部件。根據本發明的光學裝置5除了功能上的優點，還具有一個非常吸引人的外觀。
[0097]在圖5和6的實施方式中，在插入並連接處理和控制裝置和/或所述電纜後，單獨的蓋子被用來封閉所述中空空間19。所述蓋子通過一個或多個緊固元件，特別是螺釘，附接到載體單元11上。
[0098]圖9圖示一個球形支架形式的耦合元件18，其在一側包括所述錐形燕尾連接14、15的一部分，例如凸起15，在相對側上包括用於相機殼體12b的接收表面18a上。圖10示出了在圖14中通過相機組件12的縱向截面AA1。所述相機殼體12b在其底部具有一個球形元件12h，其為一個球形的一部分，此球形的球心12i位於相機12的成像傳感器的中心，特別是位於傳感器表面的中心。相機殼體12b的球面表面12h與在託架18上的相應的凸球表面18a上相匹配，凸球表面18a的中心也位於成像傳感器的中心12i上。這種布置允許相機殼體12b、乃至其中的相機12在相對於相機12的成像傳感器中心12i上的所有三個軸上、在±15度(優選±6度)範圍內旋轉。
[0099]支架18在其外側(與球形表面18a相對的一側上)具有一個小球形圓頂18b。這個外部圓頂18b的中心與內球形表面18a的中心是同心的，並且兩者都與相機12的成像傳感器的中心12i同心。
[0100]鎖緊螺栓18c在螺栓頭部的內面上具有一個凹球面18d。所述面18d配合所述支架18的外部凸球表面18b，因此，當鎖緊螺栓18c略微鬆動並且相機殼體12b在支架18內晃動時，鎖緊螺栓18c的表面18d在圓頂表面18b上滾動。所有球形表面與相機12的成像傳感器的中心12i是同心的。
[0101]在相機殼體12b底部的所述球形表面12h具有一個緩衝部12j而支架18的球形表面18a具有一個緩衝部18e。支架18的緩衝部18e的縱向延伸部定位成相對於相機殼體12b的緩衝部12j的縱向延伸部呈大約90度。這使得相機殼體12b和支架18在四個外球形襯墊(參見圖1la中的襯墊21a至21d)之間接觸，使得當位於這些襯墊中間的鎖定螺栓18c擰緊時，相機殼體12b被非常可靠地鎖定在其相對於支架18的當前方位。
[0102]圖9圖示了所述支架的另一個特徵，即錐形陽性燕尾件15。凸起部15與圖4a、5、6和7a中所示的位於載體單元11上的相應錐形燕尾部14相接合。因此，充分調整、鎖定並校準的相機組件12可以通過使用錐形燕尾連接裝置14、15的高度精確和可重複的外部接口被移除並且作為一個自給的單元由其他相機組件12替換。
[0103]圖1la圖示了採光單元12的另一個實施方式。圖1lb示出了相應的耦合元件18，其上設置了兩部錐形燕尾連接裝置14、15的兩個部分中的一個。在圖1lb中所示的實施方式中，錐形燕尾連接裝置的凸起15位於耦合元件18上。耦合元件18能夠可拆卸地連接到採光單元12的殼體12b的支承面20上。當然，也可以這樣設置:採光單元12或者發光單元13中的一個具有凹槽14而另一個單元13、12具有凸起15，並且將錐形燕尾連接裝置的相應部分14、15設置在載體單兀11上。
[0104]優選地，支承表面20具有一個球形形狀。根據圖1la中所示的實施方式，支承表面20的形狀通過至少三個(在本實施方式中為四個)襯墊21a至21d的局部表面20a到20d被限定，所述襯墊全部位於採光單元12的殼體12b的同一側20。耦合元件18包括球形滑動表面18a，球形滑動表面18a面向支承表面20並具有與支承表面相同的半徑。因此，當滑動表面18a分別抵靠在支承表面20和局部表面20a至20d上時,元件18可以相對於採光單元12移動。通過相對於採光單元12移動耦合元件18，凸起15的位置和方位可以為調整和校準的目的而相對於採光單元12進行變化。
[0105]另外，設置緊固元件18c，用來以所需位置和方位以可拆卸方式將耦合元件18連接和固定到採光單元12的支撐表面20。在圖1lb中所示的實施方式中，緊固元件18c是一個螺釘，其包括一個螺釘頭和一個至少具有部分螺紋的螺釘體。當耦合元件18可拆卸地連接到支撐表面20時，螺釘體被插入到開口 24，開口 24是一個常規的通孔並設置在耦合元件18中。開口 24的直徑優選地大於螺釘體的直徑。然後螺釘體被旋入設置在支撐表面20中的螺紋孔25。面對螺釘體的螺釘頭的內部環形表面18d抵靠在耦合元件18的外圓頂形表面部18b (參見圖12)。通過擰緊螺釘18c，耦合元件18通過其滑動表面18a藉助於環形表面18d被壓緊在支撐表面20上，從而相對於採光單元12將耦合元件18緊固在其當前位置和方位上。
[0106]為了調節耦合元件18相對於採光單元12的相對位置和方位，螺釘18c被略微鬆開。然後，耦合元件18可以相對於支承表面20和採光單元12或多或少地自由移動。由此，環形表面18d在耦合元件18的外表面部分18b上滑動。
[0107]圖12示出了圖1lb中的耦合元件18的背面。螺釘18c的環形表面18d在其上滑動的圍繞孔24的外表面部分被指定附圖標記18b。表面部分18b具有對應於滑動表面18a和支承表面20的球面形狀,特別是具有與兩個表面20、18a相同的中心。優選地,環形表面18d也具有對應於表面部分18b、滑動表面18a和支承表面20的球面形狀的球面形狀，因而具有相同的中心。表面部分18b和環形表面18d的球面形狀允許耦合元件18相對於所述支承表面20自由移動(通過鬆開螺釘18c)，特別是當螺釘18c被擰緊時，耦合元件18相對於採光單元12精確、安全和可靠地緊固。當擰緊螺釘18c時，環形表面18d以其整個表面抵靠球形表面部分18b。因此，在擰緊過程中，能夠擰緊螺釘18c而不引起耦合元件18相對於支承表面20的移動。
[0108]圖13和14示出了發光單元13成為根據本發明的光學裝置5的一部分的實施方式。根據本實施方式，發光單元13的實際發光器附接到插入元件29，插入元件29可移動地插入到以上述方式由兩部分錐形燕尾連接裝置14、15(未示於圖13、14)連接到載體單元11中的保持元件27。設置固定元件30，用於相對於保持元件27以所需位置和方位固定插入元件29。在圖13和14所示的實施方式中，固定元件30被設計成一個要被擰入設置在發光單元13的保持元件27內的螺紋孔31中的無頭螺釘。螺紋孔31可以完全設置在保持元件27的材料中，其中，螺紋孔31的開口基本上在由保持元件27的外上表面限定的平面內延伸。可選地，如圖13和14所示，螺紋孔31設置在突出於保持元件27的外上表面的環形元件31a內。
[0109]固定元件30具有一個鄰接表面32，當螺釘30被擰緊時，鄰接表面32壓靠在插入元件29的外表面33上。由此，插入元件29被壓靠在保持元件27的底面34上，從而將插入元件29以其當前位置和方位相對於保持元件27固定。當再次鬆開螺釘30時，插入元件29可以在保持元件27內繞垂直軸線35自由移動。轉動軸線35由底部銷36和上部銷37限定，其中，底部銷優選地一體形成在插入元件29的底表面上，而上部銷優選地是螺釘30的一部分。底部銷36延伸到引導孔38中，引導孔38位於保持元件27的內底面34中。上部銷37延伸到設置在插入元件29的上表面33中的開口 39中。在圖14中，開口 38、39看上去有一個比引導銷36、37大得多的直徑。以這種方式繪就，僅是為了顯示得更加清楚。在現實中，很明顯，引導孔38、39的直徑僅比引導銷36、37的直徑稍大一點，以確保插入元件29相對於保持元件27繞旋轉軸線35的運動基本上沒有遊隙。
[0110]用於接收發光單元13的實際發光器(例如雷射)的開口 28位於插入元件29中。開口 28具有基本上圓形的內截面形狀，並沿垂直於垂直軸線35的縱向軸線42延伸。開口28的圓形形狀在圖14中被指定以圖標標記39。可以清楚地看出，在與螺釘30和鄰接表面32和遠側底表面43相對的一側，開口 28的內圓周形狀偏離圓形形狀39。特別是，在開口28的底部限定一個凹槽40。由於發光單元13的實際發光器也具有圓形的橫截面形狀，開口 28的圓形形狀39與凹槽40之間的部分41被用作實際發光器的安置肩部。
[0111]實際發光器可以在插入元件29的開口 28內平行於縱向軸線42移動(見圖13)。當固定元件30被擰入螺紋孔31後，引導銷37的遠側底表面43通過將發光器壓向安置肩部41將實際發光器相對於插入單元29固定在開口 28的所需位置。優選地，固定元件30將插入元件29相對於保持元件27固定在所需位置(如上文所述通過鄰接表面32)，並同時也將發光器相對於插入元件29固定在開口 28內的所需位置(通過遠側底表面43)。這是分別通過在固定元件30上的環形表面32和引導銷37來實現的，環形表面32作用在插入元件29的外上表面33和固定元件30的遠側底表面43上，引導銷37作用在實際傳感器或發光器的外表面上。
[0112]回到圖1la中,採光單元12包括保持元件或基本上立方體形狀的殼體12b,其具有設置在其中用於接收所述採光單元12的相機12a的開口 28。採光單元12的相機12a可以包括，例如，一個模擬或數字光學傳感器陣列，特別是CCD或CMOS傳感器陣列。採光單元12的相機12a為，例如，CXD或CMOS相機，並且在採光區域10內從工件6的至少一部分中獲取的光學數據。所述發光單元13優選地體現為雷射器組件，包括雷射器13a、雷射器殼體27、雷射器夾緊和樞轉塊29、(可能的情況下)鏡頭蓋產品(未被示出)和濾鏡13c (見圖24)。
[0113]雷射器夾緊和樞轉塊29通過銷36在塊39的一面、並且通過鎖緊螺釘30的平面(無螺紋)部分37在塊29的相對面支撐。由於銷36和螺釘30的無螺紋部分37的軸線35是一致的，雷射器夾緊塊29、乃至由所述塊保持的雷射器13a可圍繞它們共同的軸線35樞旋約±15度,優選±6度。
[0114]鎖緊螺釘30同時執行雷射器夾緊塊29的樞軸功能和鎖定功能，因此當雷射/投影儀13a被調整到所需位置時，鎖緊螺釘30進一步被擰進塊29中，從而使塊29和雷射器13a相對於雷射器殼體27的內表面34被夾緊。這是一種調整雷射器/投光器13a的旋轉和指向方便的方式，並且通過操作一個單一的物品(在此例中是鎖緊螺釘30)夾緊到位。
[0115]參考圖15，當鎖緊螺釘30轉動時，通過其遠端表面43，鎖緊螺釘30向下按壓雷射器/投影儀13a。雷射器/投影儀13a又下壓雷射器夾緊和樞轉塊29並且將兩個凸起的外襯墊29a擠壓在雷射器殼體27的內表面34上。這樣就將整個雷射器夾緊塊29和雷射器13a夾緊在雷射器殼體27上，從而將所有元件固定在其當前位置。當然，螺釘30施加在其它元件上的壓力的方向取決於發光器組件13的方位。例如，螺釘30也可以像千斤頂那樣向上擠壓雷射器13a和雷射器夾緊塊29，或推動這些元件到一側。不管雷射器殼體27的形狀如何，雷射器的調整和夾緊的機制是一樣的。
[0116]不同於如圖13和14中所示以及上面所描述的實施方式，插入元件29也可具有至少部分呈球形的外表面33。在這種情況下，保持元件27將具有一個至少部分球形形狀的內承接面34、44，用於接納插入元件29的外表面33。由此，插入元件29和保持元件27將形成一個球接頭型連接，允許插入元件29相對於保持元件27的運動不僅圍繞垂直軸線35，也圍繞另一軸線(未示於圖13和14)，所述另一軸線基本上垂直於軸線35延伸。在此替代實施例中，插入元件29可以通過固定元件30被固定在相對於保持元件27的所需位置和方位上，正如之前參考圖13和14描述的實施方式那樣。此外，實際發光器可以通過固定元件30相對於插入元件29被固定在開口 28中的任何所需位置，正如之前參考圖13和14描述的實施方式那樣。
[0117]最後，要強調的是上述的本發明的特徵和優點可以自由地相互組合。例如，可以這樣設置採光單元12或發光單元13:使得它們具有之前作為單獨實施方式圖示並描述的特徵的組合。
[0118]由於在如上所述的光學裝置5中，採光單元12和發光單元13通過錐形燕尾連接裝置14、15形式的完全可重複的連接而連接到載體單元11上，因此當一個或多個單元12、13被其他單元12、13替換後，光學裝置5的校準具有特定優勢。除了可以被重複，該連接優選還是無應力並且無間隙的，這使得已校準的採光單元12和/或發光單元13以極高精度並且以預定位置和方位連接和固定到載體單元11。
[0119]在現有技術中，採光單元和發光單元12、13以較小精度並且不完全可重複的方式連接和固定到載體單元11。因此，在將新的採光單元12和/或發光單元13連接到載體單元11後，整個光學裝置5必須基於全局坐標系被(重新)離線校準，由此引起該光學裝置的預定使用的長時間中斷。這在本發明中是不必要的。在光學裝置5的常規使用中，單獨單元12、13的校準離線執行。只有用預先校準好的單元12、13替換一個或所有單元12、13時，中斷光學裝置5的預定使用才是必須的。這僅在一段很短的時間內發生。
[0120]圖16是雷射器殼體27的後部視圖，其圖示了連接到載體單元11的錐形燕尾連接裝置 15』、15"。
[0121]類似於那些以舉例的方式在附圖17到21中示出的用於在線測量應用中的柔性計量系統，是由布置並安裝在支撐框架或工業機器人I的手臂2的遠端部2c上的相機和/或雷射器/投影儀組件12、13構成的。雷射器/投影儀組件13產生照射到要被測量物體6、7表面上的光線、光片或光的其它模式，這些在現有技術中通常被稱為「結構光」。相機組件12測量由物體6、7表面上的結構光產生的特性。為了做到這一點，它們必須被事先校準。校準過程將各個攝像機12和雷射器/投影儀13的網絡轉換為測量傳感器5。
[0122]圖17示出的相機組件12通過一個全關節球接頭連接器Ila安裝到支撐框架的滑動導軌。一旦連接器Ila被放置在所需位置和方位，其可以被夾緊到位，例如通過發光傳感器lib。圖18圖示了一個以類似於圖17所示的相機組件13的方式安裝到支承框架導軌的雷射器/投影儀組件。圖19圖示了兩個基本元件(相機組件12和雷射器/投影儀組件13)，其被安裝到一個共同的載體單元11以形成一個雷射三角測量傳感器。圖20圖示了兩個攝像機組件，其被安裝到一個共同的載體單元11以形成立體測量傳感器5。圖21示出兩個相機和一個雷射器/投影儀組件13，其相結合併被安裝到一個載體單元11以形成立體和雷射三角測量傳感器5。
[0123]圖22圖示了相機組件12的分解圖。可以看出，在相機12底部的球形表面12h在橫向方向上具有一個緩衝部12j。此外，相機支架18的球形凹面18a在正向方向上(基本上垂直於相機12的底面12h的橫向緩衝部12j)具有一個緩衝部18e。這兩個處於相反方向的緩衝部12j、18e的組合導致四個球面接觸襯墊21a至21d位於這兩個部分12b、18的接觸區域的外部區域中。位於這些接觸點中間的鎖緊螺釘18C，如圖1la和Ilb中所示，確保了相機12和支架18將積極地鎖定在一起。
[0124]本發明試圖糾正使用相機12的現有計量系統5中的兩個問題。所述這些問題涉及到的相機單元12的可調節性和可替換性。
[0125]第一個問題涉及到相對於相機主體12b的相機成像傳感器的位置。由於成像傳感器以及其被組裝入相機主體12b的方式的變化，成像傳感器的位置從一個相機12到另一個稍有不同。因此，相機12的視野從一個測量傳感器到另一個測量傳感器略有不同。本發明通過相對於相機單元12的基座或支架18、在+/-6度的範圍內、在所有三個軸上並且圍繞成像傳感器的中心12i調整整個相機單元12解決了這個問題。這種設置補償了如前所述的相對於相機主體12b的成像傳感器定位的變化。通過這種方式，所有測量傳感器12的視野始終是相同的。一旦所述相機單元12被調整到所需位置，相機12a就被牢固地鎖定在相對於其基座或支架18的合適位置上。
[0126]圖23圖示了一個連接器11a，其有兩個功能:首先將相機12a和支架18組件12完全鉸接到支撐框架11，其次通過陽/陰錐形燕尾連接裝置14快速拆卸相機12a和支架18組件12。所述裝置14實現了一個將已經預調整並預校準(並鎖定到位)的相機12a和支架18組件12連接到外部世界(全局坐標系)的基本上無應力、無間隙並因此可重複的連接。
[0127]所述錐形燕尾連接裝置14解決了另一個問題，即整個相機12a和支架18組件12的可替換性。這增加了系統5的靈活性。如果相機12a和支架18單元12的重新校準是要避免的，可重複性的精確度就必須非常高一在幾微米的範圍內。
[0128]圖24圖示了雷射器保持器組件13的分解圖。
[0129]根據本發明的光學裝置5的校準過程原理大略如圖25所示。首先，裝置5基於全局坐標系xyz_global被校準。在基於全局坐標系xyz_global校準裝置5的過程中，確定校準數據50，校準數據表示基於全局坐標系Xyz_global的光學裝置5的位置和方位。然後，在與光學裝置5預定使用位置分開並有一定距離的位置上，採光單元12和/或發光組件13基於參考坐標系xyz_ref事先被校準，從而確定適當的校準數據51。例如，在光學裝置5的預定使用過程中，單元12、13可以基於參考坐標系Xyz_ref被校準。因此，光學裝置5的使用不需要因為校準的目的而被打斷。由於相對於全局坐標系xyz_global的參考坐標系xyz_ref的位置和方位是已知的,從而能夠基於全局坐標系xyz_global確定轉換矩陣52的數值，以將校準數據51轉換為基於全局坐標系Xyz_global的校準數據50』(單引號表示校準數據50』不是直接在全局坐標系xyz_global而是在參考坐標系xyz_ref的範圍內獲得，然後轉化到全局坐標系xyz_global的範圍內)。校準數據51、50』和/或轉換矩陣52和/或其他表示校準數據51、50』的數值被存儲在資料庫中，並且至少在光學裝置5的預定使用過程中，採光單元12和/或發光單元13的處理和控制裝置可以訪問資料庫。
[0130]由於高的精確度且完全可重複的連接裝置(其可以是錐形燕尾連接裝置14、15)，一個或多個單元12、13可以被相應的其他已經基於參考坐標系Xyz_ref預先校準單元12、13替換。新單元12、13以預定已知的位置和方位被高度精確地連接並固定到載體單元11上。基於參考坐標系xyz_ref定義的校準數據51、50』和/或轉換矩陣52的數值和/或表示校準數據51的其他數據，在光學裝置5的預定使用中都要被考慮到，從而提供新單元12、13基於全局坐標系xyz_global的校準。
[0131 ] 一個或者多個採光單元12或發光單元13的離線校準優選通過一個如圖26至28中所示實例的校準裝置53執行。校準裝置53包括配備有多個預定大小並按一定預定結構排列的校準元件55的校準表面54。校準元件55可以是著色的點或孔，優選使用背光以突出其輪廓。在本實施方式中，校準表面54是校準屏幕54的一部分，校準屏幕54沿基本上橫向和縱向垂直於裝置53的縱向軸線的方向延伸。此外，校準裝置53包括至少兩個導軌56，導軌56被設置為平行於裝置53的縱向軸線。該導軌56承載一個滑板元件57，因此其可以沿裝置53的縱向軸線沿大致由箭頭58指示的方向自由移動。滑板57由導軌56以如下方式引導，使得滑板57相對於校準表面54的運動可以以非常高的精確度來進行。校準裝置53位於基於參考坐標系XyZ_ref的一個已知位置和方位。整個光學裝置5的這種離線校準在裝置5安裝後僅必須被執行一次。
[0132]一個或多個採光單元12和/或發光單元13被附接到滑板57上，並且可以相對於校準表面54沿方向58和滑板57 —起移動。移動滑板57可以通過手動和/或通過一個致動器進行，例如通過一個電動馬達或一個或多個螺線管。要被校準的單元12、13的光軸優選平行於校準裝置53的縱向軸線。通過相對於校準表面54移動滑板57和單元12、13，要被校準的採光單元12可以從不同位置獲取校準元件55的各種圖像，並且/或者要被校準的發光單元13所產生的光線模式可以被作為校準裝置53的一部分的成像傳感器檢測和分析，從而能夠產生一組清楚地表徵基於參考坐標系xyz_ref的單元12、13的位置和方位的校準數據51。
[0133]然後，基於所述校準數據51，轉換矩陣52或表示所獲取校準數據51的其他數據的數值可以被確定和(如果需要)存儲在資料庫59中。優選地，所述數據根據並且相對於被校準的單元12、13的個體識別信息(其可能是例如一個識別號)被存儲在資料庫59中。在光學裝置5的預定使用過程中，處理和控制採光單元12和/或發光單元13的裝置可以訪問資料庫59，並且可以從該資料庫59中選取校準數據51、轉換矩陣52或表示所獲取校準數據51的其他數據的數值。在光學裝置5的預定使用過程中，從資料庫59中選取的數據被使用並且被考慮，以便通過確定各單元12、13的校準數據50』，執行特定單元12、13基於全局坐標系xyz_global的校準操作。
[0134]根據本發明，用於處理和控制所述採光單元12和/或發光單元13的裝置通過單元12、13的個體識別信息從資料庫59中選取基於全局坐標系Xyz_global的有關要被校準的單元12、13的正確數據。實際校準過程和校準過程中所執行的算法例如在W002/16865A1和EP1524494A1中被描述。
[0135]根據本發明的另一個實施方式，建議在多個不同的環境溫度下，例如溫度Tl到T6，獲取校準數據51。對於每個校準單元12、13，獨立的一組校準數據51和相應的轉換矩陣52或表示校準數據51的其他數據的數值在每個這些溫度Tl到T6下被確定並且被存儲在資料庫59中。例如，圖26圖示了在環境溫度T3下校準單元12、13。單元12、13在其他環境溫度Tl、T2和T4到T6下的校準相應地被執行。在光學裝置5的預定使用過程中，當前環境溫度Takt被確定。用於處理和控制光學裝置的5的裝置訪問資料庫59，並且根據當前環境溫度Takt選擇至少一組存儲在資料庫59中的數據，該組數據先前已經在最接近當前環境溫度Takt的一個環境溫度Tl至T6下獲取。所述至少一組被選擇的數據用於在光學裝置5的預定使用過程中的採光單元12或發光單元13的在線校準。
[0136]優選地，選取存儲在資料庫59中的數據組，該組數據是在最接近於當前環境溫度Takt的一個環境溫度Tl至T6下獲取的，其中一組數據是在較高溫度下獲取的數據組和另外一個是在較低溫度下所獲取的數據組。例如，如果T2〈Takt〈T3，對應於溫度T2和T3的數據組被選取。也就是說，這兩個被選中的數據組是在環境溫度Tl至T6中最接近於當前環境溫度Takt的溫度下獲取的。在所述光學裝置5的預定使用過程中，用於所述採光單元12或發光單元13的在線校準的數據或數值，通過所選取的兩個數據組之間的插值來確定。考慮到當前的環境溫度Takt，使得光學裝置5的校準操作變得快速而簡單。
[0137]圖27圖示了用於單獨校準採光單元12的校準裝置53的一個實施例。圖28圖示了用於單獨校準發光單元13的校準裝置53 —個實施例。
【權利要求】
1.一種基於全局坐標系(XyZ_global)校準光學裝置(5)的方法，所述光學裝置(5)包括由剛性材料製作的載體單元(11)、以可拆卸方式連接到所述載體單元(11)的採光單元(12)和發光單元(13)， 其特徵在於: 定義一個與所述全局坐標系(xyz_global)不同的參考坐標系(xyz_ref)； 通過獲取合適的校準數據(51)，在採光單元(12)或發光單元(13)的預定使用之前，基於所述參考坐標系(Xyz_ref)並且與所述光學裝置(5)的其他單元分開校準所述採光單元(12)或所述發光單元(13)； 將已被校準的採光單元(12)或發光單元(13)連接到所述載體單元(11)； 基於給定的全局坐標系(xyz_global)和給定的參考坐標系(xyz_ref),僅對整個光學裝置(5)進行一次傳統的校準，從而確定轉換矩陣(52)的數值，此轉換矩陣用於將基於參考坐標系(xyz_ref)獲取的校準數據(51)轉換為基於全局坐標系(xyz_global)的相應校準數據(50');以及 此後，對於所有連接到所述載體單元(11)上被進一步校準的採光單元(12)和/或發光單元(13)，在所述光學裝置的預定使用過程中，當生成用於單元(12、13)的控制信號和/或處理從所述單元(12、13)接收到的傳感器信號時，通過考慮針對所述光學裝置獲取的所述校準數據(51)或所述轉換矩陣(52)的相應數值，利用作為所述光學裝置(5)的一部分的所述採光單元(12)和/或發光單元(13)。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過無應力、無間隙和可重複的連接將所述採光單元(12)或者所述發光單元(13)連接到所述載體單元(11)。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，通過兩部分錐形燕尾連接裝置(14、15)將所述採光單元(12)或所述發光單元(13)連接到所述載體單元(11)。
4.如權利要求1至3所述的方法，其特徵在於，所述參考坐標系(XyZ_ref)是相對於與所述光學裝置(5)相分離的校準裝置(53)被定義的。
5.如權利要求1至4所述的方法，其特徵在於，所述採光單元(12)或所述發光單元(13)基於所述參考坐標系(XyZ_ref)的校準相對於所述光學裝置(5)的預定使用過程離線且並行執行。
6.如權利要求1至5所述的方法，其特徵在於，要被校準的所述採光單元(12)或所述發光單元(13)具有一個獨特的序列號，並且獲取的校準數據(51)和/或轉換矩陣(52)的數值或者表示校準數據(51)和/或轉換矩陣(52)的數值的相應值連同已被校準的採光單元(12)或發光單元(13)的序列號被存儲在資料庫(59)中。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述光學裝置(5)的控制和處理單元訪問資料庫(59)和存儲在其中的數據和/或數值，以便在所述光學裝置(5)的預定使用過程中，對連接到所述載體單元(11)並且成為所述光學裝置(5)的一部分的所述採光單元(12)和/或所述發光單元(13)執行在線校準。
8.如權利要求1至7所述的方法，其特徵在於，在多個不同環境溫度(Τ1...Τ6)下分別校準所述採光單元(12)或所述發光單元(13);生成相應的依賴於溫度的校準數據(51)組，並且將此數據存儲到資料庫(59)中；在對所述光學裝置(5)的預定使用過程中，確定當前環境溫度(Takt);訪問所述資料庫(59)，並且基於當前環境溫度(Takt)選擇用於在線校準所述採光單元(12)或所述發光單元(13)的至少一組校準數據，被選擇的該組校準數據是在最接近當前環境溫度(Takt)的環境溫度(T1...T6)下獲取的。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，選擇一組校準數據，該組校準數據是在最接近當前環境溫度(Takt)的環境溫度(T1...T6)下獲取的。
10.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，選擇兩組校準數據，所述兩組校準數據是在最接近當前環境溫度(Takt)的環境溫度(Tl...T6)下獲取的，並且在對光學裝置(5)的預定使用過程中，用於在線校準所述採光單元(12)或所述發光單元(13)的校準數據通過被選擇的兩組校準數據之間的插值來確定。
【文檔編號】G01D18/00GK104236612SQ201410265777
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2013年6月13日
【發明者】哈拉蘭博斯·塔薩科什, 康斯坦丁諾斯·泰科什, 託馬斯·格哈德·萊施, 安德烈亞斯·澤莫普洛斯 申請人:伊諾斯自動控制軟體有限公司