用於機器零件控制的方法和設備的製作方法

2023-05-08 17:19:21

專利名稱：用於機器零件控制的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及機器控制方法和系統，所述機器控制方法和系 統用於具有諸如平路機、銑床、鋪路機以及滑動成型機之類的機器零 件的機器。更具體來說，本發明涉及一種利用固定追蹤站的機器控制 方法和系統，所述固定追蹤站確定所述機器零件的位置和方向，並且 將此信息發送給所述機器以用於控制所述機器零件的操作。
背景技術：
期望對各種相對低速移動的機器的位置和移動進行監測，所述機 器例如包括平路機、鋪路機以及滑動成型機的施工機械，並且期望對 與這種機器有關的機器零件的位置、取向以及移動進行監測。隨後將 這種信息用於對所監測的機器的操作進行控制。雖然過去，機器操作員在操作這種裝備時，依賴於由作業現場處 的測量員設置的物理參數，但已經開發了自動機器控制系統，其提供 諸如雷射的基準光束的光學參數來指定高程。在這種系統中，安裝在 平路機上的雷射接收機感測所述雷射束並且提供高程基準。由機器操 作員或者通過自動控制來將感測到的基準雷射束的高程與設置點進行 比較。隨後基於此信息通過操作員手動或者通過自動控制自動地控制 所述機器零件的移動。利用以多種方法中的任意一種確定的機器位置，可在施工現場依據所述機器的x軸位置和y軸位置來對所述設置點(即 預期垂直位置)進行設置。已經在測量和機器控制這兩方面應用了全站儀。在傳統測量應用 中，位於已知位置的全站儀將雷射束導向由在待測量點處的測量員放 置的覘標(target)。所述覘標包括將所述雷射束反射回所述全站儀 的回射器。通過測量所述雷射束的行程時間，來確定所述全站儀與所
述覘標之間的距離。還通過測量從所述全站儀到所述覘標的所述雷射 束的方向，即定義了從所述全站儀到所述覘標的矢量的高度和方位角， 來精確地確定所述覘標的位置。已經開發了能夠在無操作員參與的情況下對覘標進行定位和追 蹤的機器人全站儀。利用機器人全站儀，測量員在施工現場周圍移動 所述覘標。在所述機器人全站儀中的伺服電機促使所述機器人全站儀 向所述覘標轉動，隨著測量員向施工現場的各位置移動而提供精確的 角度和距離測量。所述全站儀在遠程覘標移動時自動追蹤所述遠程覘 標，由此提供所述覘標的實時位置數據。還將機器人全站儀應用於機器控制。典型地以一個機器一個覘標 的方式，使用機器人全站儀。將位置信息遠程傳送到機器控制系統， 在所述機器控制系統處，控制軟體針對工作計劃對機器零件位置進行 計算。單個機器零件上的多個覘標需要多個機器人全站儀。這種配置 有些複雜。因此存在對利用單個全站儀的簡化系統的需求。發明內容通過根據本發明的對機器零件的位置和方向進行監測的方法來滿足這種需求。所述方法包括以下步驟提供在相對於所述機器零件 的已知位置中的多個覘標；在所述機器零件附近的已知位置處提供全 站儀；利用所述全站儀重複地相繼確定每個覘標的位置；並且基於所 述覘標的位置來確定所述機器零件的取向。利用所述全站儀重複地交替確定每個覘標的位置的步驟包括以 下步驟將雷射束從所述全站儀重複地相繼導向所述覘標，並且測量 從所述全站儀到所述覘標中每一個的距離和從所述全站儀到所述覘標 中每一個的方向。利用所述全站儀重複地相繼確定每個覘標的位置的步驟包括通' 相繼獲得所述覘標的步驟包括以下步驟:'存儲所i覘標中每一個 的檢測位置和所述覘標中每一個的移動歷史，並且在將所述雷射束重 復地相繼導向所述覘標中每一個時，預測所述一對覘標中每一個的位 置，由此便於所述覘標的重新獲得。這可在機器人全站儀自身處進行， 或者通過機器控制系統進行並且將預測的位置傳送回所述機器人全站 儀。提供在相對於所述機器零件的已知位置中的多個覘標的步驟可以包括提供固定在所述機器零件上的已知位置中並且可隨著所述機 器零件移動的一對覘標。提供固定在所述機器零件上的已知位置中並且可隨著所述機器 零件移動的一對覘標的步驟可以包括提供相對於所述機器零件位置 固定的一對覘標。一種控制機器零件的移動的方法，所述方法包括以下步驟提供 在相對於移動機器零件的已知位置中的多個覘標；在所述移動機器零 件附近的已知位置處提供全站儀；利用所述全站儀來重複地相繼確定 每個覘標的位置；將由所述全站儀確定的每個覘標的位置從所述全站 儀發送到所述機器；在所述機器處，基於所述覘標的位置來確定所述 機器零件的取向；以及在所述機器處，響應於所確定的所述覘標的位置和所確定的所述機器零件的取向來控制所述機器零件的移動。利用所述全站儀來重複地相繼確定每個覘標的位置的步驟包括以下步驟將雷射束從所述全站儀重複地相繼導向所述多個覘標中的每一個，並且測量從所述全站儀到所述多個覘標中每一個的距離和從所述全站儀到所述一對覘標中每一個的方向的步驟。利用所述全站儀來重複地相繼確定每個覘標的位置的步驟包括標。相繼獲得所述覘標的步驟包括存儲所述覘標中每一個的檢測位 置和所述覘標中每一個的移動歷史，並且隨著將所述雷射束重複地相 繼導向所述覘標中的每一個來預測所述覘標中每一個的位置，由此便 於所述覘標的重新獲得。提供在相對於所述機器零件的已知位置中的多個覘標的步驟包
括以下步驟提供固定在所述機器零件上的已知位置中並且可隨所述 機器零件移動的一對覘標。提供固定在所述機器零件上的已知位置中並且可隨所述機器零件移動的一對覘標的步驟包括提供相對於所述機器零件在固定位置中 的一對覘標。一種用於控制機器上的機器零件的移動的系統，所述系統包括 所述機器上的控制器，用於控制所述機器零件；多個覘標，安裝在相 對於移動機器零件的已知位置中；以及全站儀，被放置在所述移動機 器零件附近的已知位置處。所述全站儀包括雷射源，用於在所述覘 標上提供雷射束；覘標預測單元，用於基於所述覘標的在先位置和移 動來預測所述覘標中每一個的位置；光束控制器，用於將所述雷射束 導向所述覘標，並且重複地相繼確定每個覘標的位置；以及發射器， 用於將所述覘標中每一個的位置發送給所述機器上的控制器。可利用 測得的所述覘標的位置來控制所述機器零件的位置、取向以及移動。所述全站儀還可以包括測量單元，所述測量單元用於測量從所述 全站儀到所述覘標中每一個的距離和從所述全站儀到所述覘標中每一 個的方向。所述多個覘標可以包括一對覘標。因此，本發明的目的是提供一種改進的用於控制機器和機器零件 的系統和方法。根據下面的說明、附圖以及所附權利要求將明了本發 明的其它目的和優點。


圖1是在根據本發明的用於機器零件控制的方法和設備中使用的 一種類型的機器人全站儀的示圖；圖2是在根據本發明的方法和設備中使用的 一種類型的覘標的示 圖；以及圖3是例示了根據本發明的用於機器零件控制的設備和方法的示圖。參照圖1-3，所述圖1-3例示了本發明的設備和方法，所述設備
和方法用於監測機器零件的位置和取向，並且控制機器零件的移動。圖1描繪了機器人全站儀10，所述機器人全站儀10包括基礎部12、 旋轉照準儀部14和電子距離測量部16。旋轉照準儀部14在基礎部12 上以全360度的旋轉範圍關於垂直軸旋轉。電子距離測量部16類似地 在旋轉照準儀部14中關於水平軸旋轉。利用這種配置，距離測量部 16能夠實際上在任何方向上朝著覘標取向，從而能夠測量從全站儀10 到所述覘標的距離。電子距離測量部16經由透鏡18將雷射束髮向覘標20。如圖2 所示，覘標20包括圍繞其周圍設置的多個回射器部件22。回射器部 件22可以是具有將所接收的光沿其來源方向反射回的特性的回射立 方體或者其它反射器。覘標20還包括將閃光向上導向反相圓錐反射器 26上的LED閃光燈24。光線從反射器26全方向地向外反射，並且提 供了輔助機器人全站儀獲得或者重新獲得覘標20的手段。可將一覘標 的閃光頻率或者其脈動頻率設置為不同於其它覘標的閃光頻率或者其 脈衝頻率，由此使得全站儀能夠區分這些覘標。由圖1的全站儀10向覘標20發射的雷射束被覘標20反射回來， 並且隨後通過透鏡18由電子距離測量部16接收。然而，在其它全站 儀配置中，雷射也可通過分離的透鏡來接收。優選的是，雷射束是脈 沖雷射束，這樣便於測量光從全站儀10到覘標20以及返回所需的時 間。如果提供精確的行進時間測量，則可直接計算全站儀與覘標之間 的距離。於是，方位角、角度以及高度角測量與所計算出的全站儀IO 與覘標20之間的距離 一起提供了覘標20相對於全站儀10的位置的極 坐標。機器人全站儀10包括具有鍵區30和顯示器32的控制器28。機 器人全站儀10包括伺服機構(未示出)，所述伺服機構通過控制電子 距離測量部16繞著水平軸的旋轉，並且控制照準儀部分14繞著垂直 軸的旋轉來為電子距離測量部16確定方向。機器人全站儀10還包括 允許將位置和測量數據傳送到遠程位置的無線電發射機(未示出)和 天線34。 參考圖3，圖3以示意性方式例示了用於控制機器38上的機器零 件36的移動的系統。機器零件被示出為通過液壓缸40在機器38上移 動的平伊36。機器38上的控制器42對機器38的操作進行控制，該 操作包括通過液壓缸40而移動平伊36。 一對覘標44和46藉助於桅 杆48和50而安裝在相對於機器零件36的已知位置中。測斜器45提 供機器零件36的傾斜角(angular pitch )的指示。全站儀10被設置在機器38和機器零件36附近的已知位置處。 全站儀10包括用於從指向覘標44或者覘標46的透鏡18提供雷射束 的雷射源。全站儀IO中的控制器28包括覘標預測單元，所述覘標預 測單元用於基於一對覘標44和46的在先位置和移動來預測一對覘標 44和46中每一個的位置，或者另選的，通過控制器42來計算預測位 置信息並且將該預測位置信息發送回全站儀10。控制器28包括光束 控制器，所述光束控制器將雷射束導向覘標44和46,並且重複地交 替確定每個覘標的位置。到覘標44的雷射光路徑被標記為52並且到 覘標46的雷射光路徑被標記為52，。全站儀10中的發射器將覘標44 和46中每一個的位置經由機器38上的天線34和天線54發送到機器 38上的控制器42。應該理解，可利用覘標44和46的測量位置來確定機器零件36 相對於全站儀10的預期位置、取向以及移動。控制器42可利用此信 息來操作機器38。通過全站儀10來監測機器零件36的位置和取向，並且將此信息 提供給機器38，以便機器38利用此信息來自動或者人工地控制部件 36。 一對覘標44和46被設置在相對於機器零件的已知位置中。在圖 3中，例示出如下結構，例如在該結構中將覘標對稱地安裝在機器零 件36的各端部處的桅杆48和50上。全站儀10被設置在機器零件36 附近的已知位置處。在本發明的方法中，利用機器人全站儀10來重複 地交替確定覘標44和46中每一個的位置。隨後通過控制器42基於所 述一對覘標44和46的位置來確定機器零件36的位置和取向。應該理 解，也可使用諸如三個覘標或者四個覘標的多個覘標，利用全站儀重
復地相繼確定所述多個覘標中每一個的位置。這種配置可提供更高的 精確度並且如果全站儀不能獲得覘標之一，也能有助於系統的操作。沿著光路52和52，相對快速地將雷射束交替導向所述一對覘標 44和46之一，然後導向另一個。在從圓錐鏡56和58全方向地向外 反射的閃控脈衝光的幫助下，通過機器人全站儀10來交替獲取覘標。 覘標的測量位置被存儲在控制器28中或者另選地存儲在控制器42中。 這樣提供覘標中每一個的移動歷史，並且允許通過控制器28中的目標 預測單元來預測所述覘標中每一個的其它位置，或者從控制器42將所 述下一位置發送回全站儀10。進而，這樣在將雷射束交替導向一對覘 標的之一然後導向另一個時，或者在使用多於兩個覘標的情況下相繼 導向所述覘標中每一個時，有助於所述覘標的獲取。應該理解，基於 針對覘標44和46的位置測量，也可通過控制器42來確定機器零件 36的取向。控制器42也可響應於測斜器45,該測斜器45提供了部件 36的從一端到另一端的曲線的取向的指示。全站儀在兩個覘標之間進 行切換的頻率可基於機器零件36及覘標44和46要移動的速度而變 化。雖然並未要求，但如果期望，可將一對覘標44和46固定在相對 於機器機構36的對稱位置處。所需要的僅是覘標具有與部件36的已 知固定關係。如果覘標的位置已知，則機器零件的位置也已知。應進 一步理解，雖然描述了具有兩個覘標的結構，但也可利用採用三個或 者更多個覘標的系統。應該理解一旦確定了覘標的位置，則可隨後利用此信息來控制機 器零件的移動。將位置信息發送到機器38，並且通過控制器42來確 定機器零件36的取向。例如，將預期工地輪廓存儲在計算機60中， 並且由控制器42利用該工地輪廓來控制部件36以實現此輪廓。例如 如果正在對鋪路機進行控制，則可將待鋪設的區域的預期表面結構存 儲在計算機60中。通過控制器40來自動或者人工控制機器零件36 的移動，以便機器零件36沿著預期路徑移動。雖然為了例示本發明的目的而示出了特定代表性實施方式和細節，但本領域的技術人員應該明了，可在不脫離本發明的範圍的情況 下可對在此公開的本發明進行各種變化，本發明由所附權利要求限定。
權利要求
1、一種監測機器零件的位置和取向的方法，所述方法包括以下步驟提供在相對於所述機器零件的已知位置中的多個覘標，在所述機器零件附近的已知位置處提供全站儀，利用所述全站儀重複地相繼確定每個覘標的位置，並且基於所述多個覘標的位置來確定所述機器零件的取向。
2、 根據權利要求1所述的方法，其中，利用所述全站儀重複地 相繼確定每個覘標的位置的步驟包括以下步驟將雷射束從所述全站 儀重複地相繼導向所述多個覘標中的每一個，並且測量從所述全站儀 到所述多個覘標中每一個的距離和從所述全站儀到所述多個覘標中每 一個的方向。
3、 根據權利要求2所述的方法，其中，利用所述全站儀重複地束從所述全站儀導向所述覘標。
4、 根據權利要求3所述的方法，其中，相繼獲得所述覘標的步 驟包括以下步驟存儲所述覘標中每一個的檢測位置和所述覘標中每 一個的移動歷史，並且在將所述雷射束重複地相繼導向所述覘標中每 一個時，預測所述覘標中每一個的位置，由此便於所述覘標的重新獲 得。
5、 根據權利要求1所述的方法，其中，提供在相對於所述機器 零件的已知位置中的多個覘標的步驟包括以下步驟提供固定在所述 機器零件上的已知位置中並且可隨著所述機器零件移動的一對覘標。
6、 根據權利要求5所述的方法，其中，提供固定在所述機器零 件上的已知位置中並且可隨著所述機器零件移動的一對覘標的步驟包 括以下步驟提供固定在相對於所迷機器零件的對稱位置中的一對覘 標。
7、 一種控制機器零件的移動的方法，所述方法包括以下步驟 提供在相對於移動機器零件的已知位置中的多個覘標， 在所述移動機器零件附近的已知位置處提供全站儀， 利用所述全站儀來重複地相繼確定每個覘標的位置， 將由所述全站儀確定的每個覘標的位置從所述全站儀發送到所 述機器，在所述機器處，基於所述覘標的位置來確定所述機器零件的取 向，以及在所述機器處，響應於所確定的所述覘標的位置和所確定的所述 機器零件的取向來控制所述機器零件的移動。
8、 根據權利要求7所述的方法，其中，利用所述全站儀來重複 地相繼確定每個覘標的位置的步驟包括以下步驟將雷射束從所述全 站儀重複地相繼導向所述多個覘標中的每一個，並且測量從所述全站 儀到所述覘標中每一個的距離和從所述全站儀到所述多個覘標中每一 個的方向的步驟。
9、 根據權利要求8所述的方法，其中，利用所述全站儀來重複 地相繼確定每個覘標的位置的步驟包括通過相繼獲得所述覘標來將 雷射束從所述全站儀導向所述覘標。
10、 根據權利要求9所述的方法，其中，相繼獲得所述覘標的步 驟包括以下步驟存儲所述覘標中每一個的檢測位置和所述覘標中每 一個的移動歷史，並且隨著將所述雷射束重複地相繼導向所述覘標中 的每一個來預測所述覘標中每一個的位置，由此便於所述覘標的重新獲得。
11、 根據權利要求7所述的方法，其中，提供在相對於所述機器 零件的已知位置中的多個覘標的步驟包括以下步驟提供固定在所述 機器零件上的已知位置中並且可隨所述機器零件移動的一對覘標。
12、 根據權利要求11所述的方法，其中，提供固定在所述機器 零件上的已知位置中並且可隨所述機器零件移動的一對覘標的步驟包 括提供固定在相對於所述機器零件的對稱位置中的一對覘標。
13、 一種用於控制機器上的機器零件的移動的系統，所述系統包 括所述機器上的控制器，用於控制所述機器零件； 多個覘標，安裝在相對於移動機器零件的已知位置中；以及 全站儀，被放置在所述移動機器零件附近的已知位置處，所述全 站儀包括雷射源，用於在所述覘標上提供雷射束，覘標預測單元，用於基於所述覘標的在先位置和移動來預測所 述覘標中每一個的位置，光束控制器，用於將所述雷射束導向所述覘標，並且重複地相 繼確定每個覘標的位置，以及發射器，用於將所述覘標中每一個的位置發送給所述機器上的 控制器；由此可利用測得的所述覘標的位置來確定所述機器零件的位置、 取向以及移動，從而便於控制所述機器零件。
14、 根據權利要求13所述的系統，其中，所述全站儀還包括測 量單元，所述測量單元用於測量從所述全站儀到所述覘標中每一個的 距離和從所述全站儀到所述覘標中每一個的方向。
15、 根據權利要求13所述的系統，其中，所述多個覘標包括一 對覘標。
全文摘要
一種用於監測機器零件的位置和取向的方法，和一種用於監測並控制所述機器的操作的設備，所述機器包括處於相對於所述機器零件(36)的已知位置中的機器人全站儀和多個覘標(44，46)。位於所述機器零件附近的已知位置處的全站儀(10)重複地相繼確定各個覘標的位置。通過所存儲的關於所述覘標的在先位置和移動的數據來輔助所述覘標的獲得和重新獲得。此外，移動的覘標可用於促進所述重新獲得。基於所述機器零件的位置和方向來控制所述機器的操作。
文檔編號E02F3/84GK101133216SQ200580048773
公開日2008年2月27日 申請日期2005年10月12日 優先權日2005年3月14日
發明者理察·P·皮耶庫託夫斯基 申請人:天寶導航有限公司