專利名稱：定位圖形的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于測定對象位置的裝置、方法和系統，尤其涉及一種利用含有 絕對位置數據的圖形的基于視覺方案。
背景技術：
為了各種目的，已經制造出許多不同類型的控制裝置。最常用的控制裝置 如所謂的鼠標，就是在二維上提供位置變量，用來控制計算機上的應用操作。其 它的接口控制裝置包括操縱桿，也是在二維上從該操縱桿中提供位置變量；然而， 通過使用額外的與操縱桿關聯的按鈕，可以增加"位置變量"的數量，但是應當 理解，這種裝置僅僅只是在二維空間物理的測量位置變量。軌跡球也傳輸二維數 據；游戲手柄(game pad)通常使用類似手柄的小型操縱桿來測量位置變量，并 通過使用額外的按鈕可以將控制器功能范圍延伸到更多的控制數據；滾輪(用于 計算機游戲)在一維上傳遞數據。在許多已知的解決方案中，控制裝置僅僅給出參考測量信息而不是絕對測量 信息，這意味著對于依賴控制裝置絕對坐標來正確操作的應用來說，需要復雜的 計算來持續的保持控制裝置的位置軌跡。此外，這種裝置需要定期標定，否則它們將持續的累積誤差，很快對于應用來說就可能變得危險。除了上述控制裝置外，也有在其他技術領域中，用定位數據來確定對象的位 置，絕對測量方法可應用在很多情況中，但是，在低成本應用中，絕對測量方法 往往相當復雜且性價比比較低。先前已經利用基于視覺系統，并且經常與參考點 一起使用，例如在基于視覺定位系統中，用于測定移動車輛或對象的位置。這些 系統可安裝在車輛或對象上面，利用周圍區域的參考點來測定其位置，或安裝在 外部位置上，利用車輛或對象上的參考點來測定其位置。這些系統一般相當復雜 并要求高品質的視覺系統和超強的計算能力。美國專利5965879中介紹了這樣一個系統，在其中示出了一個一維絕對光學線性或旋轉編碼器。這個方案采用相同 的基準標記來找到對象的位置。基準位置是在一個方位即運動方位計算的。美國 專利6765195介紹了另一個這樣的系統，其中示出了一個二維絕對光學編碼器。 這個方案采用了兩種不同的基準標記來確定對象的位置。這些基準相同的穿過所 有編碼位置并在每個運動方向周期性布置。這兩個系統都舉例說明需要復雜光學 解決方案的系統，而且系統上面的圖形大小大約為幾個微米。他們也不提供彎曲 度或旋轉信息。發明內容因此，本發明的一個目的是提供一種精確的低成本裝置，該裝置提供絕對位 置數據，其有相對成本效益并且技術不復雜，也可提供甚至三維或四維位置參數 (x， y，z和旋度)。這體現在本發明的多個方面，其中-第一方面，提供一種位置檢測系統，包括圖形組，包括至少一個節點組件(node part)和至少一個信息組件 (informationpart)，多個所述圖形組布置在一個需確定位置的對象上； 至少一個圖像采集裝置，用于檢測所述圖形；和計算裝置，用來分析圖像采集裝置采集到的信號，其中該分析包括確定在 圖形節點組件至少兩個方位上的幾何中心，以及確定檢測到的圖形組件的 組件類型；所述節點組件提供相對于所述傳感器的位置，所述信息組件提 供所述節點組件相對于對象的位置。 對象可以是三維的，其中圖形組可布置在對象的曲面上。 兩個圖形組排布(pattern group lines)可彼此完全平行，且在轉軸縱向相隔 距離d。此時需要兩個攝像機，每個攝像機顯示對應的圖形組。位置檢測系統可進一步包括至少一個照明裝置。照明裝置的照明輸出強度可 由計算裝置控制。節點組件和信息組件可至少包括實心圓、圓環或帶有中間圓點的圓環中的一 個和/或組件是彩色編碼。圖形組和攝像機可置于外殼中，使其不受環境參數干擾。計算裝置可進一步用來確定節點的對稱中心位置，使用基于視覺的應用梯度 分析運算法則。對稱中心即是針對圖形的節點組件又是針對信息組件而言來確定 的。節點組件可包括多個不同類型，如填充點、未填充點、或帶有中心圓點的未 填充點。所述點的形狀可選自下列中一個圓形、長方形、方形、或三角形。所述信息組件包括多個不同類型，如填充點、未填充點、或帶有中心圓點的 未填充點。所述計算裝置布置成確定所述對象和所述圖像采集裝置之間的距離，通過測 量節點組件大小、信息組件大小、兩個節點組件間的距離、兩個信息組件間的距 離和一個節點組件與一個信息組件間的距離中的至少一個。本發明的第二方面， 一種扭矩傳感器，用于測定對象中的扭矩，傳感器包括 位置檢測系統包括圖形組，包括至少一個節點組件和至少一個信息組件，并且多個所述圖 形組直接或間接布置在所述對象上；至少一個圖像采集裝置，用于檢測所述圖形；和計算裝置，用于分析圖 像采集裝置采集到的信號，該裝置進一步包括用來確定在圖形節點組件 至少兩個方位上的幾何中心和確定檢測到的圖形組件的組件類型的設 備；所述節點組件布置用于提供相對于所述圖像采集裝置的位置，所述 信息組件提供所述節點相對于對象的位置。至少兩個套管，每個帶有多個所述圖形組，所述套管安裝在所述對象上；和其中所述位置檢測系統從每個套管中獲取位置數據，所述計算裝置進一 步包括多個設備，來檢測所述套管位置間的角度差和確定由所述角度差產生 的扭矩。本發明另一方面，提供一種測定對象位置的方法，包括步驟: 用傳感器檢測位于對象上的圖形組；利用對稱分析法，確定形成所述圖形組組件的節點在至少兩個方位的中心 位置；確定節點的類型；確定位于所述對象上的信息點的類型和位置；和利用所述節點和信息點兩者的位置和類型的結合信息，確定所述對象相對 于所述傳感器的絕對位置。 還有，本發明的另一方面， 一種存儲在計算機媒介中的計算機程序，用于確 定對象的位置，通過分析位于所述對象上的圖形組數據指示，其中所述數據是從 攝像機中得到，其特點在于所述計算機程序用于確定所述圖形組中在節點至少兩 個方位的幾何中心位置，圖形組用于確定所述對象相對于所述攝像機的位置，并 且計算機程序進一步用來確定所述圖形組中信息點的類型和位置，信息點用于確 定所述節點相對于所述對象的位置。節點的對稱中心位置是利用基于視覺的應用梯度分析運算法則來確定。 還有，提供了另一個方面， 一種用于確定對象角位置的角探測器，包括 位置檢測系統，包括圖形組，包括至少一個節點組件和至少一個信息組件，多個所述圖形組 布置在待測位置的對象上；至少一個圖像采集裝置，用于檢測所述圖形；和計算裝置，用于分析圖像采集裝置采集到的信號， 其中該分析包括確定在圖形節點組件至少兩個方位的幾何中心，以及確定檢 測到的圖形組件的組件類型；所述節點組件提供相對于所述圖像采集裝置的 位置，所述信息組件提供所述節點相對于對象的位置。其中，所述計算裝置進一步包括根據所述信號分析確定所述對象角位置的設 備。
以下將參考附圖中所示的示例性實施例，以非限制性方式詳細說明本發明，其中:圖la為應用于本發明一實施例中的定位裝置的橫截面圖；圖lb為圖la實施例的側面圖；圖2為根據本發明的處理裝置的示意圖；圖3為根據本發明的定位圖形的細節示意圖；圖4為本發明一個應用視圖；圖5為本發明的另一個應用視圖；圖6為根據本發明的方法的結構示意圖；圖7為本發明的另一實施例的示意圖。
具體實施方式
圖1中，參考數字1通常指從本發明一個實施例的橫截面視圖方向觀察的測量裝置1 。裝置1包括一個圖像采集裝置3，其與運動對象2相隔一段距離。 裝置1裝在外殼8、接線盒9和可選的控制端口 10中。圖1中待測對象為轉軸 (shaft) 2，裝置1安裝在由兩個軸承5和6支撐的轉軸2上。圖像采集裝置3 緊靠對象2表面安裝，裝置1可以以同樣的方式布置，從而形成一個空腔7，空 腔可以是完全密封的，從而減少污垢或其他干擾因素進入空腔7中的風險。圖 1a示出了本實施例沿著圖1b中的線Ia的橫截面圖，圖1b為本實施例的側視 圖。圖像采集裝置3采集的信號通過連接器207被傳輸到處理裝置200上，如 圖2所示，處理裝置用于圖像處理和信號調整，以便將對象2的位置指示的一 個或多個信號提供給某個外部裝置，外部裝置利用連接器203連接到處理裝置 上。根據測量裝置1的應用，該處理裝置可以包括處理器201、存儲單元(或多 個存儲單元)202、圖像處理單元204以及其它的單元205和206。該處理單元 可以具有通訊接口，與外部裝置或連接到控制裝置1上的可選單元進行通訊。這 種可選單元可以包括但不限于力回饋、箝位(clamping)裝置或者類似的交互裝 置，用于與控制裝置的使用者交互。通過本領域技術人員所知的任何合適的連接 器或多個連接器，包括但不限于USB(通用串行總線)、火線(Firewire)、 RS232、 RS485、以太網、并行接口 (Centronics parallel port)、 GP舊(通用接口總線)、 不同的無線接口 (比如藍牙和無線局域網)等等，可以布置用于與外部裝置或內 部傳感器輸入通訊的接口。列出的接口都是根據已存在的標準接口，但是可以理 解，也可以包括未來的標準解決方案或者甚至是專利接口。根據應用情況，處理裝置200本身可便捷地位于測量裝置中，或作為一個外部單獨的裝置。在圖1實施例中，圖像采集裝置3用于獲得對象2的位置，然而，可利用 安裝其他傳感器類型來獲得定位數據，如一磁性傳感器，采集對象2上磁"點" 的位置。因為對象2部分是封在測量裝置1的外殼8內，所以可以有利使用非接觸 傳感器設備；然而，即使沒有封裝，也可能使用這些類型的傳感器。那樣的話， 只有少量的干擾可以影響讀取，比如灰塵、光線或雜散磁場。在一個實施例中， 外殼8由導電材料制成，具有磁屏蔽特性，來減小影響磁性傳感器測量對象2 位置的風險。圖形4和攝像機3可置于封套內，從而降低來自外界環境污染的 風險，如污垢或光線。然而，本發明并不限于對象2位置的非接觸測量，也可以采用接觸傳感器， 包括但不限于滑環(sliprings)、阻抗測量(impedance measurements)、分壓 器(voltage dividers)、數字編碼器(digital encoders)和電容測量(capacitive measurements)。現在轉到圖3，描述一個功能圖形，其包括節點301至304和信息點305 至311。這些點可有不同的大小和填充率，當用一個讀取裝置如攝像機讀取他們 時，這些結構配置將產生功能性效果。在圖3中也給出了虛擬點312-315，這些 點并不是用作實際解決方案中的標記，而是在分析運算法則中，可選擇性地作為 參考點用于分析目的。為了用攝像機讀取這些點，根據應用和環境需要，可能需 要照明320、 330、 340和350。在該實施例中，采用四個發光裝置(如發光二 極管(LED)、電燈泡(帶燈絲)、激光器二極管、紅外線發射器(紅外線發射器 可適用于如當存在某種不吸收或反射紅外光線的污染層的情況)、或熒光燈管)， 從而在攝像機讀取區域中的圖形上方提供均勻光線。隨著對象每一處通過攝像機 前發生的改變，圖形是重復的，從而為獲得對象的絕對位置提供可能。然而本發 明并不限于四個照明裝置，而可用任何適當數量的照明裝置，在某些情況下，周 圍環境的光足夠的話就無需附加照明。照明可為任何合適的頻率，例如但不限于 可見光，紅外光，紫外光，X-光或微波。節點301至304可為圓環形狀301、 302或內部帶有圓點的圓環303、 304 (他們也可為實心圓)。節點3Q1至304用來測定在攝像機窗口中的位置、用于某種應用中的節點類型，并且該測定在兩個步驟內完成第一步檢測節點，第二 步非常精確地測定節點的位置。用兩個步驟來完成分析的原因是為了減少在每個 特定時間單元的運算量。釆用對稱分析、重心分析或類似方法來確定點的中心， 可以獲得更加精確的測定結果，既所謂的質心計算。質心計算采用如梯度分析， 至少要分析兩個方位，從而獲得至少兩個方位上的位置信息(也可能是對象的轉 動維度)。節點需要足夠大，來提供適當數目的像素來完成分析。為了提高測定 的準確性，節點可采用不填充的形狀，而是中心有或沒有圓點的圓環狀。這樣可 根據節點的外部和內部兩者上的梯度特征選取分析方法，從而提高節點分析的中 心準確性。圓環中心的圓點可用于表征圖形的一個方向性特征，這樣分析系統將 更加容易，這是由于其將定期采集參考點(或線)。在對象周圍的上下每5度可 使用這些類型帶圓點的圓環。例如，在圖形組的"赤道"線上所有節點可使用無 圓點圓環，而距離圖形組"赤道"線的每個"南部的"和"北部的"5度，可使 用帶圓點圓環的節點。可使用其他形狀的點，如矩形或橢圓形狀點(這些可用來 提供方向性和旋轉性信息的方式；即，橢圓形狀上有一個內置定向特性)。其他 形狀可包括方形的、三角或不規則形狀。信息點305至311組被集中放在一個節點附近、二個節點之間或四個節點 之間。信息點用于確定圖形組的絕對位置。信息點與節點大小不同，從而可將他 們與節點區別開。他們一般較小，因為他們不是用來確定圖形相對于攝像機窗口 位置的，而是用來確定待識別的圖形組相對于對象的絕對坐標，其中該對象包括 圖形。而且這些較小的信息點可以是不同的字符實心圓、圓環和非現存(點的 不存在也提供信息，假如系統知道某個幾何區域可能包括點)。分析系統確定圖 形組信息點，并且確定彼此相對位置和點字符的類型。因為系統知道用于信息圖 形組中的信息點的數量，所以系統可確定在每個地點存在哪種類型的點，并且從 這分析可確定那個信息圖形組的絕對位置。利用如圖3所示有三種不同字符的七 個信息點，可得到大量的獨特組合，其對于合理大小的對象和選擇的準確度是足 夠的；然而，應當明白，根據應用可使用不同數量的信息點。可使用不同形狀的 信息點和/或節點，本發明不限于圓形，而可以使用方形、三角形或任何其他幾 何形狀(甚至不規則形狀)。節點和/或信息點的大小可用于表征不同類型信息的 點，在這種情況下，可根據每個點的面積來確定大小。面積判別方法可用于甚至不規則形狀，由于每個點可由組成點圖像的像素數目確定。節點和信息點可為相 同的點，即他們無須不同大小、類型或位置，只要系統可使用圖形來確定對象上 的點的定位和相對于傳感器的位置。在一個帶曲面的應用中，該圖形適用于一個 角系統中而不是直角坐標系中；即，例如對于球狀對象來說，是對象周邊的每個 第5度，而不是繞周長每5毫米。這樣對象的不規則性可被補償。但是，本領 域技術人員應當明白，對已采集的圖形進行標定和/或分析中，通過適當的調整， 該圖形也可用于直角坐標系中，甚至對于一個不平的表面，如一個曲面。根據表面和對象的類型，該圖形可與任何合適的應用技術一起使用，如激光 標記、板刻、蝕刻、滾銑、滾花、劃線、印染、噴墨技術，這些技術直接用于對 象、涂層、或依次固定在對象上的任何其他合適的材料上，等等所有本領域技術 人員能夠明白的方式。例如，可提供一個在生產時已經帶有圖形組的注塑套管， 而套管可應用于待測的對象中。圖形組中的點在這些點所應用的材料上可有不同的深度和深度分布(depth profiles)。這可能對于提供不同對比度的結構是方便的。例如，用攝像機觀察， 一個錐形狹窄深度樣子的點看起來將會比平底面較暗。該圖形也可從對象突出出 來，如從材料伸出的錐體，這可能是有用的，例如用來確定傳感器和對象之間的 距離。可根據表面的類型合理(優化)安排圖形，例如適用于完全平面或曲面。本 發明特別適用在曲面上的應用。圖形不僅可提供關于對象X和Y位置的信息，也可提供對象相對于傳感器 的旋轉或彎曲度信息。通過測量兩個信息點或兩個節點間的距離(或甚至一個節 點和一個信息點之間的距離)或一個標記或節點的大小，來確定對象和傳感器之 間的距離也是可能的，即Z位置。如果一個圖像采集裝置作為傳感器，可利用一種運算法則來確定圖形的類 型、相對位置和每一點的填充等級。由于每個圖形組都是唯一的，所以確定圖形 的絕對位置是可能的(并且因此確定對象的絕對位置，其中圖形固定在對象上)。 在快速但不是十分精密計算中，基于對稱的分析是有益的，因此其可能用在低成 本解決方案中。從攝像機獲取的像素值包括如灰度數據(或如果實際節點和/或 信息點包括彩色數據，他們可被彩色編碼(colorcoded))，例如在0-255范圍的值。該分析包括設定一個閾值，系統根據該閾值決定一個像素包括或不包括標記。這 個閾值是可變的(軟件或硬件)并可根據該標記所在對象上的環境光線或污塘而 被控制。如果一個像素完全被一個標記點填滿，灰度可讀作如40,完全沒有一 個標記的像素可讀作如180，僅部分填充標記的像素，灰度則可讀作90，其低于 閾值IOO，因此可確定包括一個標記。在分析中，利用這些部分被填充的像素來 提高位置測定的準確度是可能的。該分析掃描圖像幀中的所有像素，并確定幀中 所有節點和信息點。由于節點和信息點有已知大小像素，所以可布置過濾掉低于 或高于定量像素的點；例如，對于在攝像機幀中節點大小大約為IO象素，信息 點大小大約為6象素的應用中，像素數小于5或大于15的點可被過濾掉。本發 明并不限于上述灰度的例值和攝像機讀數(camera readings)的大小。這完全依 賴應用和系統的準確度的要求，可在一個很寬范圍內變化。例如，在灰度方案中， 0或255數字可代表全黑，相應地255或0代表全白。節點和信息點的像素大小 可選擇任何適當值，就像本領域技術人員所明白的，根據如攝像機布置、應用和 攝像機與圖形之間的距離。圖4為利用本發明的扭矩測量裝置400示意圖。利用獲取對象位置的圖形來 測量對象402中的張力是可能的。這可通過比較對象402的兩個不同位置并測量 他們之間的相對位置來完成。如果兩個不同位置之間有偏離，可能是由于張力的 作用；這是成立的，例如對于一個出現在轉軸402中的扭矩，在轉軸中，該扭矩 在轉軸402的縱向兩個不同點之間引起一角移動。不過，測量裝置的準確度依賴 這兩個測量點的間距；兩點之間距離越長，角偏轉就越大，因此準確度越高。圖 4中，單個傳感器(如一個圖像采集裝置)用于同時測量兩個分開的圖形，并且 為了提高角偏轉，用兩個套管(sleeves) 403和404來放大角偏差。這可通過將 每個套管403和404的其中一側405和406固定到轉軸402上來實現。在每個固 定點所有角偏差將被傳輸給每個套管403、 404，因此每個套管403和404的自 由端408和409和每個固定端405和406—樣，偏移相同的角度。在每個自由端 408和409處，可用相同的傳感器401來測量套管403和404上的圖形4和4'。 這種方案有個好處，即無須在多個傳感器之間進行標定，例如，如果轉軸402 以相同或高于傳感率的速度旋轉，同步特征可能是個問題。例如，對于圖像采集 裝置來說，該圖像采集裝置的幀頻相對于轉軸402的轉速會根據精確度布置一個上限。然而，對于利用高傳感率的傳感器的應用來說或在對象402以低于傳感率 的速度移動的應用中，可使用多個傳感器，并且無需類似的套管403、 404，而 是圖形可直接置于轉軸402上。該系統也可提供轉軸402的移動位置信息和/或 彎曲(度)信息。通過在不同的角度位置(如與第一攝像機401成90度角)但在 相同轉軸縱向位置放置一個攝像機(未示出)，該系統可操作如X、 Y、 Z定位裝 置，也提供關于扭矩和彎曲度信息。該系統也可提供轉軸的轉速信息。圖5舉例說明了本發明用在球狀物上或類似球狀物的局部結構上，該結構用 在如一個計算機接口裝置，像跟蹤球，或用于跟蹤機械手位置的機械手接口，或 用于將三維對象格式進行測量并數字化的3D數字轉換器中。根據本實施例的定 位系統包括球狀物501，球狀物501上帶有根據本發明的圖形504，圖形504布 置在球狀物501上。圖形檢測系統503包括一個計算單元(未示出)并包括如攝 像機502,攝像機用于檢測圖形相對于檢測系統的位置，并且經一個接口 (未示 出)輸出球狀物501的圖像或絕對坐標，這要根據該系統有無計算單元。由于球 狀物501和圖形可能制作在彈性材料中，所以它可用作承載元件。這將在本文稍 后詳細討論。圖6為對根據本發明的測量裝置進行標定的方法(步驟601至605)示意框 圖。在圖形施加于對象上期間，想要知道其位置的話可以標定圖形；這可以在制 造裝配(manufacturingrig)過程中操作，其中對象以可旋轉方式固定在制造裝配上 (如果對象至少部分為球形或圓柱幾何體)。該制造裝配可安裝有一個參考位置 確定裝置，如一個角編碼器，用于測定對象在裝配中旋轉時的角位置。使用圖形 時，對象旋轉，從而保證圖形傾斜使用(即不是根據前面解釋的直角坐標系)。 標定系統可置于同一裝配上或至少處于與該裝配連接處，當旋轉對象時讀取點 值，并且從參考位置確定裝置中獲取角度測量數據。然后可以獲取節點的位置參 考值，相應地生成一個標定數據庫，該標定數據庫可用在本發明的裝置中，從而 在應用中進一步提高對象絕對位置測量的準確度。現場系統中可使用一個相同的 標定技術，用來重新標定，或當系統用在現有的應用中時，如帶有圖形組的套管 或涂層應用于轉軸中，其中轉軸已安裝到特定應用中，在這種情況下系統可能需 要進行現場標定。該標定方法可包括下述步驟--標定裝配中對象的安裝(601); -獲取對象上圖形的圖形圖像(602); -從一個單獨的位置檢測器獲取絕對位置數據(603); -將獲取的圖形圖像與對象的絕對位置結合(604);-為待標定的對象提供一個標定數據庫(605)。該標定數據庫可包括一個簡單數據列表的標定數據，即幾對在已獲取圖形圖像中的參考標定位置和點，或將圖形 中的點和絕對位置結合的運算法則。為了獲取合適的光照條件，通過讀取背景區域可運用閾值和照明條件的調節 (即內部無任何像素區域)。那么在標記或未標記的像素之間布置一個新的閾值是可能的，并且通過控制照明設備320、 330、 340和350的光輸出，來調節這些 照明設備的強度也是可能的。決定背景照明條件的其中一個方法可為如下攝像 機幀窗口可被分成16區段，用以上舉例說明的圖形，可找到四個沒有點出現的 區段(或只有部分出現)，通過找到四個虛擬點312-315，可找到這四個區段，其 中虛擬點312-315位于兩個節點之間的連線上并介于每個節點之間(線不包括信 息點)。這四個虛擬點所處的區段可用作背景區段，并用來決定背景照明條件。 在累積平均算法中，可多次使用該讀取操作來提高背景照明測定的準確度。區段 和背景區段的數目不限于上述數量，而可以使用不同數目的相應區段。現在轉到圖7，舉例說明本發明的扭矩測量裝置710的一個實施例，其中兩 個圖形組排布4、 4'處于一個轉軸702上。兩部攝像機703和705分別讀取一 個圖形組4和4'，經電纜701、 702和接口單元704、 706將圖像信息或位置數 據中繼到一個中央處理裝置730上。因為這兩個圖形組排布是沿著轉軸縱向分開 的，并且由于當一個扭矩施加到轉軸上時轉軸會發生角扭曲，所以當一個扭矩加 到該轉軸上時，這兩個圖形組排布將會彼此稍微偏移。該偏移與所使用的扭矩成 比例，因此通過測量轉軸中的角扭曲來測量扭矩是可能的。這兩個圖形組排布應 當完全分開一段距離d，從而提供可測量的角扭曲。為了獲取一個充分的可測量 角扭曲，所需的間隔是攝像機分辨率、可使用扭矩范圍、測量的期望分辨率、轉 軸的外徑和內徑(如果轉軸是一根管)的函數。在上述扭矩測量裝置710的另一個變化的方案中，兩個攝像機可減少為一個 攝像機，通過將兩個位置中的圖像中繼給攝像機，來同時測量兩個圖形。這可利用光纖、鏡子或一個棱鏡中繼圖像來實現。攝像機可以是一個敏感紅外攝像機，來檢測對象中不同的溫度，并且對象上的圖形可根據不同溫度特征來布置。為了提供足夠照明對比度和其他參數，在這 類解決方案中可提供紅外范圍內的照明。由于攝像機和計算系統可包括低成本裝置，所以本發明測定對象上的絕對位 置可用在很多應用中。應用范圍從如非接觸方式中測量扭矩的扭矩計開始，可用 于車輛中來測量傳動桿中轉軸中的扭矩(使燃燒過程或對每個輪的輸出功率最佳 化)，或用在方向盤轉軸(用在動力方向盤中)，在自行車中(如用于鍛煉目的的 自旋自行車)，扭矩在任何類型轉軸上都可以測量。本發明也可用于測量與待測 對象位置有關其他參數，如參數包括但不限于力、旋轉速度、位置和彎曲度。本 發明也可用作如ABS (自動斷開系統)應用中的傳感器，用于防自旋傳感器， 或用在CNC (電腦數值控制)機器制造中來定位CNC機器中使用的工具。一種用一個攝像機測量只旋轉平移對象上的圖形組的方法，將為測定對象的 角位置提供一個精確的低成本方案，如作為一個角編碼器但分辨率有很大提高。 比如對象為一個輪狀對象，如一個足夠厚的足以提供圖形間隔的圓盤，該圖形可 放在輪外周或輪的一側上。結合本發明的多個不同實施例，本發明可用在鉸接臂中(用來測定并數字化 對象的幾何比例)。鉸接臂通常包括多個接頭(joints),每個接頭都安裝一個位 置傳感器來測定組成臂的每個部分的位置。帶有多個這樣旋轉接頭(angularjoint) 的鉸接臂可用來測定對象的幾何尺寸，并且將這些提供到一個計算機輔助設計 (CAD)系統，計算機輔助設計系統獲取該幾何尺寸并傳遞到計算系統內。根 據本發明的鉸接臂可包括裝有3D和1D傳感器結合的接頭，如位于臂基座的第 一 1D傳感器，位于每個臂段之間的每個1D接頭內的第二 1D傳感器，和一個 帶有探針的3D傳感器，探針用于測定鉸接臂所研究的實驗對象的位置。在我們 完成相同功能性的配置中，傳感器作為鉸接臂組成部分，其數目和型號可以改變 的。第一1D傳感器跟蹤臂相對于鉸接臂裝備所在的表面的整體轉動位置，處于 每個臂段之間的每個接頭內的第二和隨后的1D傳感器跟蹤一個旋轉位置，3D 傳感器跟蹤探針相對于臂的位置。考慮到每個傳感器中的測量，可測定探針相對 于實驗對象的位置，并且可數字化實驗對象的幾何配置。本發明也可用于經緯儀中，其是用來測量水平角和垂直角的儀器，如用于三 角測量應用中。該經緯儀包括一個望遠鏡，以能夠在兩個正交軸內部移動的方式 安裝 一個水平軸和一個垂直軸。該經緯儀常常安裝在一個三腳架上，三角架正 好垂直放在待測點上方，其垂直軸與本地重心成一條直線。本發明可為經諱儀采 集相對于周圍環境的絕對定位數據，如該經緯儀處于其中央上方的地面位置。該 傳感系統可布置成作為三腳架基板和望遠鏡之間的一個中間連接。然后，本領域 技術人員應該明白，為了建立這樣一個裝置，可以提供其他部件和附件，如將裝 置機械校正到相對于重力和/或地平面適當位置的機械調整旋鈕、用戶讀取位置 數據的讀數顯示器、將數據傳輸到一個外部裝置(如一個膝上型電腦)的通訊接 口、電源(如外部電源或內部電池供電)。經緯儀的全部組成和功能對于本領域 技術人員來說是眾所周知的，本文將不再描述。本發明的一個好處在于圖形可布置在承載元件上，在本發明可應用的不同應 用結構中。如在一個扭矩傳感器中，圖形可涂在依次是轉軸所處的整體應用中的 部分轉軸上；在一個鉸接臂裝備中，圖形涂在承載組成接頭的負載元件上；在軸 承應用中，圖形可涂在承載元件上，比如形成部分球狀物或圓柱體軸承的球狀物 或圓柱體。這好處是基于以下事實，即圖形可作為對象自身部分材料來布置(如 突起或缺口 )，或布置在粘貼于對象上的耐機械作用的彈性材料上。通常，本發明也有一個好處，能夠提供絕對位置數據的高速和高準確度的測 量，然而，速度的上限受限于圖形的采集速率，例如，在提供圖形圖像的圖像采 集系統中，圖像采集的幀率將設定一個上限值。在很多應用當中，本發明提供的 精確度可超過10倍于在類似應用中用更昂貴和復雜的解決方案所獲得的一般準 確度。應當注意到，單詞"包括"并不排斥那些列出之外的其它元件或步驟的存在， 并且元件前面的單詞"一"或"一"并不排斥多個這樣元件的存在。還應當注意 到，任何附圖標記都不限制權利要求的范圍，本發明至少部分可以通過硬件和軟 件來實施，同樣的硬件可以表示幾個"裝置"、"單元"或"設備"。上述實施實例對于本發明而言僅僅只是示例性的而非限制性的。在下述專利 權利要求所要求范圍內的其它的解決方案、使用、目的和功能對本領域技術人員 來說是顯而易見的。1權利要求
1.一種位置檢測系統(1)，用來檢測對象的位置，該系統包括圖形組(4)，包括至少一個節點組件(301-304)和至少一個信息組件(305-311)，多個所述圖形組直接或間接布置在所述對象(2)上；至少一個圖像采集裝置(3)，用于檢測所述圖形(4)；和計算裝置(200)，包括用于分析信號的設備，來確定在每個所述圖形節點組件(301-304)至少兩個方位上的幾何中心，和確定每一個檢測到的圖形組件(301-311)的組件類型；布置所述節點組件(301-304)用于提供相對于所述圖像采集裝置(3)的位置，所述信息組件(305-311)提供所述節點組件相對于所述對象的位置。
2. 根據權利要求1所述的位置檢測系統，其中所述對象(2)為三維對象(2)。
3. 根據權利要求1至2任意一個所述的位置檢測系統，其中所述圖形組(4)布置 在所述對象(2)的曲面上。
4. 根據權利要求1-3任意一個所述的位置檢測系統，其中兩個圖形組(4， 4')排 布彼此完全平行，且在轉軸(2)的縱向彼此相隔距離d。
5. 根據權利要求4所述的位置檢測系統，其中提供兩個圖像采集裝置(3)，每一 個讀取所述兩個圖形組(4， 4')排布中的一個。
6. 根據權利要求1-5任意一個所述的位置檢測系統，進一步包括至少一個照明裝置(320， 330， 340， 350)，其中所述照明是可見光、紅外光、X光、紫外光中 的一種。
7. 根據權利要求6所述的位置檢測系統，其中，來自所述照明裝置的照明強度由 所述計算裝置控制。
8. 根據權利要求1-7任意一個所述的位置檢測系統，其中，所述節點組件和信息組 件包括實心圓、圓環或帶有中間圓點的圓環中的至少一個。
9. 根據權利要求1-8任意一個所述的位置檢測系統，其中，所述節點組件和信息組 件中至少一個為彩色編碼。
10. 根據權利要求1-9任意一個所述的位置檢測系統，其中所述圖形組(4)和 所述圖像采集裝置(3)位于一個外殼中，所述外殼提供保護，使所述圖形組和 圖像采集裝置不受環境參數的干擾。
11. 根據權利要求1-10任意一個所述的位置檢測系統，其中，所述計算裝置進 一步用來確定節點的對稱中心點位置，使用基于視覺的應用梯度分析運算法則。
12. 根據權利要求1-11任意一個所述的位置檢測系統，其中，確定所述對稱中心即是針對所述圖形的節點組件，又是針對所述圖形的信息組件。
13. 根據權利要求1-12任意一個所述的位置檢測系統，其中，所述節點組件包 括多個不同類型，如填充點、未填充點、或帶有中心圓點的未填充點。
14. 根據權利要求12所述的位置檢測系統，其中，所述點的形狀選自下列中一 個圓形、長方形、方形、或三角形。
15. 根據權利要求1-14任意一個所述的位置檢測系統，其中，所述信息組件包 括多個不同類型，如填充點、未填充點、或帶有中心圓點的未填充點。
16. 根據權利要求1-15任意一個所述的位置檢測系統，其中所述計算裝置布置 成確定所述對象和所述圖像采集裝置之間的距離，通過測量節點組件大小、信息 組件大小、兩個節點組件間的距離、兩個信息組件間的距離和一個節點組件與一 個信息組件間的距離中的至少一個。
17. —種用于測量對象(2)中扭矩的扭矩傳感器，所述傳感器包括 位置檢測系統(1)，包括圖形組(4， 4')，包括至少一個節點組件(301-304)和至少一個信息組件 (305-311)，并且多個所述圖形組直接或間接布置在所述對象(2)上； 至少一個圖像采集裝置(3)，用于檢測所述圖形(4);和 計算裝置(200)，包括用于分析所述圖像采集裝置(3)采集到的信號的設備， 來確定在所述圖形節點組件(301-304)至少兩個方位的幾何中心，和確定每 個已檢測到的圖形組件(301-311)的組件類型；所述節點組件(301-304)布 置用于提供相對于所述圖像采集裝置(3)的位置，所述信息組件(305-311) 提供所述節點相對于所述對象的位置；至少兩個套管(403， 404)，每個帶有多個所述圖形組(4, 4')，所述套管安 裝在所述對象(2)上；和其中所述位置檢測系統從每個套管(403， 404)中獲取位置數據，所述計算裝 置進一步包括多個設備，來檢測所述套管位置間的角度差和確定由所述角度差 產生的扭矩。
18. —種確定對象位置的方法，包括步驟 用傳感器檢測位于對象上的圖形組；利用對稱分析法，確定形成所述圖形組組件的節點在至少兩個方位的中心位置； 確定節點的類型；確定位于所述對象上的信息點的類型和位置；和利用所述節點和信息點兩者的位置和類型的結合信息，確定所述對象相對于所述 傳感器的絕對位置。
19. 一種存儲在計算機可讀媒介中的計算機程序，用于確定對象(2)的位置， 通過分析位于所述對象上的圖形組數據指示，其中所述數據是從攝像機中得到， 其特點在于所述計算機程序用于確定所述圖形組中在節點至少兩個方位的幾何 中心位置，圖形組用于確定所述對象(2)相對于所述攝像機的位置，并且計算 機程序進一步用來確定所述圖形組中信息點的類型和位置，信息點用于確定所述 節點相對于所述對象(2)的位置。
20. 根據權利要求18所述的計算機程序，其中，使用基于視覺的應用梯度分析 運算法則來確定節點的對稱中心位置。
21. —種角探測器，用于確定對象(2)的角位置，包括 位置檢測系統(1)，包括圖形組(4)，包括至少一個節點組件(301-304)和至少一個信息組件(305-311 )， 多個所述圖形組直接或間接布置在所述對象(2)上； 至少一個圖像釆集裝置(3)，用于檢測所述圖形(4);和計算裝置(200)，包括用于分析所述圖像采集裝置(3)采集到的信號的設備， 來確定在所述圖形節點組件(301-304)至少兩個方位的幾何中心，和確定檢測 到的圖形組件(301-311)的組件類型；所述節點組件(301-304)布置用于提 供相對于所述傳感器的位置，所述信息組件(305-311)提供所述節點相對于所 述對象的位置；其中，所述計算裝置進一步包括根據所述信號分析確定所述對象角位置的設備。
全文摘要
一種絕對位置檢測裝置、系統和方法，利用包括兩類位置數據的圖形圖形相對于對象的定位和圖形相對于傳感器的位置，傳感器如攝像機。該裝置包括采集位于對象上的圖形圖像的傳感器和分析圖像來確定對象相對于傳感器絕對位置的運算單元。本發明可用于多種應用領域，如一扭矩傳感器的組成器件、經緯儀、鉸接臂、或角探測器中。
文檔編號G01D5/00GK101331384SQ200680047543
公開日2008年12月24日 申請日期2006年10月6日 優先權日2005年12月23日
發明者喬納斯·尼爾薩加德, 奧利·塔克曼, 曼尼·斯坦博格 申請人:G科德系統有限公司