CN106094889A - 一种激光反射靶球主动自适应调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光反射靶球主动自适应调节装置，其包括抵撑机构、转向机构、靶球包络、底座。抵撑机构包括支撑架和安装在支撑架底部的抵撑探针，支撑架用若干弹性件支撑在底座的通孔边缘。抵撑探针呈球冠形的一侧经由通孔穿透底座以与被测对象表面接触。靶球包络安装在支撑架上并位于抵撑探针上方，安放一个靶球并保证靶球的球心与抵撑探针同心。转向机构安装在支撑架上，在Y轴方向、Z轴方向上分别旋转调节靶球包络的方位，使靶球包络上靶球的反射面与激光接触、反射。X轴方向为垂直于靶球包络的圆形截面的方向，Y轴方向为平移于靶球包络的圆形截面的方向，Z轴方向为垂直于X轴方向、Y轴方向，三轴方向建立直角坐标系。

Description

一种激光反射靶球主动自适应调节装置

技术领域

本发明涉及测量技术中的一种调节装置，特别的涉及一种激光反射靶球主动自适应调节装置。

背景技术

随着数字化测量技术的发展，在机械工程、桥梁建筑、地址勘探等越来越多的领域开始采用数字化技术确保测量过程的高效、高可靠性。对于小尺寸的目标对象而言，现有的测量技术已经可以很好的获得设计要求下测量结果，但对于大尺寸、高精度、远距离等要求下的测量过程必须借助特殊的技术设备，激光追踪测量技术是典型的应用范例。由于其较强的抗干扰能力、较低的误差累计以及良好的可靠性已逐渐被广泛用于工程实际。

然而，激光跟踪测量是由激光发射器(Tracker)发生激光束到目标反射靶球(Spherically Mounted Retroreflector(SMR))，而后通过发射路径返回后重新进入发射器并转为电讯号，通过计算机计算得到目标的空间数据，因此，激光发射反馈路径不能存在遮挡，这在一定程度上限制了技术的应用环境。虽然现有的仪器厂家都利用断光续接技术来确保短暂遮挡后的连续测量能力，但一方面续接技术需要反射靶球和激光要处于一个特别狭窄的角度区域，在距离增加情况下，角度区域很难对准；另一方面对于大型目标物测量时，人为挪动靶球位置很容易发生激光和靶球脱联，或者靶球和目标点贴合不紧而导致测量结果无效的问题。

发明内容

为了解决上述缺陷，本发明提供一种激光反射靶球主动自适应调节装置，主要目的在于准确测量目标对象基础上可以让靶球在主动响应激光的变向。

本发明通过以下技术方案实现：一种激光反射靶球主动自适应调节装置，其包括抵撑机构、转向机构、靶球包络、底座；其中，

所述底座开设有通孔；

所述抵撑机构包括支撑架和安装在所述支撑架底部的抵撑探针，所述支撑架用若干弹性件支撑在所述通孔的边缘；所述抵撑探针呈球冠形的一侧经由所述通孔穿透所述底座以与被测对象表面接触；

所述靶球包络安装在所述支撑架上并位于所述抵撑探针的上方，用于安放一个靶球，并保证所述靶球的球心与所述抵撑探针同心；

所述转向机构安装在所述支撑架上，用于在Y轴方向、Z轴方向上分别旋转调节所述靶球包络的方位，使所述靶球包络上的靶球的反射面与激光接触、反射；定义X轴方向为垂直于所述靶球包络的圆形截面的方向，Y轴方向为平移于所述靶球包络的圆形截面的方向，Z轴方向为垂直于X轴方向、Y轴方向，三轴方向建立直角坐标系。

作为上述方案的进一步改进，所述弹性件为弹簧。

进一步地，所述底座上设置有与若干弹簧相对的若干导引柱，每个导引柱上套一个弹簧。

作为上述方案的进一步改进，所述底座还开设若干导引槽，每个导引槽与所述通孔相通，所述支撑架设置有收容在所述若干导引槽内且由相应若干导引槽导引的若干滑条。

作为上述方案的进一步改进，所述转向机构包括安装座，所述靶球包络的两端分别采用一个定位柱一通过插接的方式安装在所述安装座上。

进一步地，所述转向机构还包括驱动所述定位柱一转动的转动电机一。

再进一步地，所述安装座的顶部采用一个定位柱二通过插接的方式安装在所述支撑架上。

优选地，所述转向机构还包括驱动所述定位柱二转动的转动电机二。

再优选地，两个转动电机分别通过六角凸台结构连接相应的定位柱。

作为上述方案的进一步改进，所述靶球辅助自适应响应装置还包括控制模块，所述控制模块通过无线网络或者蓝牙模块接收控制信息并反馈所述靶球包络的角度位置信息。

上述技术方案具有如下优点：通过采用本装置可以大幅度提高激光追踪技术测量大型对象时的效率及精度，减少人工干预；因为大型被测对象靶球的放置，测量点的变换以及连续测量的难度都限制了高精度激光追踪技术的工程实际应用，利用本装置可以在摆脱人工干预的情况下自适应贴合被测对象表面，并根据激光的光路调节靶球反射面，有效解决激光脱靶问题；同时，通过辅助移动机构，本装置可以进一步实现大型被测对象上的连续测量效果。

附图说明

图1是本发明激光反射靶球主动自适应调节装置的整体结构示意图。

图2是图1中装置各部分机构标注及相关尺寸的局部示意图。

图3是图1中装置的支架及底座的作用原理的局部示意。

图4是图1中装置的应用范围及相关尺寸的局部示意图。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

请一并参阅图1、图2、图3及图4，本发明的激光反射靶球主动自适应调节装置主要目的在于：准确测量目标对象基础上可以让靶球在主动响应激光的变向，由于靶球反射面为圆形，因此转动变相体现在围绕Y及Z方向的转动。靶球辅助自适应响应装置主要包括：抵撑机构1、转向机构2、靶球包络3、底座4、控制模块5。

抵撑机构1包括支撑架11和安装在支撑架11底部的抵撑探针12。底座4开设有通孔41，且还可以开设若干导引槽42，每个导引槽42与通孔41相通。底座4与支撑架11刚性连接，用作前三项机构的刚性约束支撑；四角有可调节穿孔槽，用于柔性连接其他装置机构，如辅助运动机构等。

支撑架11支撑在通孔41的边缘，支撑的方式可以采用若干弹性件支撑在所述通孔的边缘，整个支撑架11实现弹性调节，弹性件可为弹簧14。底座4上可设置有与若干弹簧14相对的若干导引柱15，每个导引柱15上套一个弹簧14。利用若干弹簧14的拉力将支撑架11及放置在所述支撑架11上的靶球包络3向Z轴方向移动。在本实施例中，每个弹簧14内可以设置一个导引柱15，支撑架11内部用弹簧14与底座4连接，实现利用弹簧14的拉力将支撑架11及放置在支撑架11上的靶球包络3向Z轴方向移动，同时利用导引槽42的设计解决Z向移动过程中的晃动问题。故，弹簧14用于固定支撑架11的X、Y方向移动及转动自由度，并利用弹簧动态调节Z方向移动自由度，确保在测量过程中抵撑座底面时刻与待测对象保持接触。支架的形状如附图3所示。

抵撑探针12呈球冠形的一侧经由通孔41穿透底座4以与被测对象表面接触，抵撑探针12用于接触待测量区域。本发明采用抵撑机构1确保装置自适应实时与被测对象表面的接触，并利用同心、圆弧形的抵撑探针12确保底部任意点与被测表面接触均不影响测量结果。支撑架11设置有收容在若干导引槽42内且由相应若干导引槽42导引的若干滑条110。

靶球包络3安装在支撑架11上并位于抵撑探针12的上方，用于安放一个靶球，并保证所述靶球的球心与抵撑探针12同心。抵撑探针12的圆心与靶球的球心重合的目的是确保弧形面任何点接触对象均保证接触位置和靶球心得距离一致。抵撑探针12的弧形直径为60mm，如附图4所示。

转向机构2安装在支撑架11上，用于在Y轴方向、Z轴方向上分别旋转调节靶球包络3的方位，使靶球包络3上的靶球的反射面与激光接触、反射。定义X轴方向为垂直于靶球包络3的圆形截面的方向，Y轴方向为平移于靶球包络3的圆形截面的方向，Z轴方向为垂直于X轴方向、Y轴方向，三轴方向建立直角坐标系。

转向机构2可包括安装座21、转动电机一22、转动电机一23。靶球包络3的两端可分别采用一个定位柱一24通过插接的方式安装在安装座21上。安装座21的顶部可采用一个定位柱二25通过插接的方式安装在支撑架11上。转动电机一22驱动定位柱一24转动，转动电机二23驱动定位柱二25转动。两个转动电机可分别通过六角凸台结构连接相应的定位柱。例如，与转动电机连接的定位柱的外形为外六角形状；所述六角凸台结构与相应的转动电机共轴连接，并开设有能收容外形为外六角形状的定位柱的内六角凹槽，一个内六角凹槽收容相应的一个定位柱。故，定位柱一24和定位柱二25的均可为六角结构，使得转向机构2实现内六角设计，在保证靶球包络3可以快速更换规格的情况下，不会引起经常更换导致的球心偏移问题，这一点非常实用，而且效果非常突出。

控制模块5通过无线网络或者蓝牙模块反馈当前角度信息，在控制计算机软件中实时计算预判光路信息，同时，利用无线技术接收控制信息来调节电机转动从而确定靶球反射面应面向的方位。靶球包络3设计的工作角度为，Y轴绕向-30°～60°、Z轴绕向45°～315°，可以确保装置在绝大多数的放置位置不会发生激光无法发射到反射球上的情况。转动电机有两个，放置位置分别为支撑架11的顶端和侧面，用于控制靶球包络3的Y、Z方向转动，如图所示。无线控制模5块放置于支撑架11的顶端，通过无线网络或蓝牙连接计算机，利用线缆可以控制转动电机的转动角度及转动方向。如附图4所示，工作角度为，Y轴绕向-30°～60°、Z轴绕向45°～315°。

靶球包络是用于放置靶球的空心容器，具有以下特点：可更换，由于靶球大小规格的不同需要更换包络结构，本装置中的包络结构可利用凸台结合螺钉确保其可更换；高可靠，需确保靶球不会随着机构运动调节而产生摆动、摇晃等现象，从而影响测量精度，因此，靶球包络外形近似为镂空圆柱，在侧面中心及顶面中心有六角凸台连接转向机构，保证更换包络机构不会导致偏心情况出现，如附图2所示。

本发明的激光反射靶球主动自适应调节装置，利用抵撑机构1实现抵撑探针12与被测对象表面的接触；利用转向机构2调节Y、Z轴的旋转调节，保证靶球的反射面与激光接触、反射；靶球包络3是用于安放靶球，并保证靶球的球心与抵撑探针12同心；底座4主要用于安放整个装置，并通过导引槽42及导引柱15的引导抵撑机构1运动。

通过采用本装置可以大幅度提高激光追踪技术测量大型对象时的效率及精度，减少人工干预，实现在摆脱人工干预的情况下装置自适应贴合被测对象表面，并根据激光的光路调节靶球反射面，有效解决激光脱靶问题。因为利用控制盒搜集、反馈数据，并采用伺服电机控制Y、Z轴的转动，保证靶球反射面可以实时在激光发射的线路上，不会产生光路脱靶问题。

综上所述，本装置以靶球的球心为原点，以垂直于靶球包络3前方正面为X方向，以平行于靶球包络3的圆形截面为Y方向，以垂直于X、Y方向为Z向建立直角坐标系，如附图1所示。本装置通过放置底板即底座4固定于待测对象或其他装置机构之上，通过抵撑机构1中的弹簧14的拉伸之力将支撑架11向Z向拉升，确保支撑架11底部的抵撑探针12与待测面接触。抵撑探针12的弧形待测面圆心与靶球球心重合，半径为60mm，即所测得点与靶心距离为固定值：60mm；在弹簧14作用过程中，支撑架11背部和底座4中的导引槽42形成导引装置，保证装置X、Y方向移动及转动自由度的限制，如附图4所示。由于激光追踪技术的使用需要确保光路传递方向上无遮挡物，因此装置在支架的设计中开放了靶球包络3的前方区域，以靶球中心为原点，以Z方向为轴的左右270度范围，和以Y方向为轴的上下90度是无遮挡的光路入射及反射区域。

为确保可以实现对于激光的主动相应，本装置在抵撑机构1的支撑架11的顶端和侧面分别安装了转动电机，可以控制Y、Z方向的转动自由度。转动电机通过线路和安装于支撑架11上的控制模块5连接，控制模块5通过无线网路或者蓝牙模块接收控制信息并反馈角度位置信息，达到远程控制的目的。

转动电机连接转动平台即定位柱，转动平台上有深度为6mm的内六角凹腔，内六角凹腔的间隔面上分布三个螺钉孔。靶球包络3的侧面及安装座21的顶端同样有六角凸柱及螺钉孔，装配过程中，由于内六角的贴合效应及螺钉孔的固定可以确保靶球包络的球心位置不会因为震动、更换等因素发生偏离进而影响测量精度，如附图2所示。考虑到应用场景的不同，靶球大小存在有多种规格，因此靶球包络3的型号也存在多种，便于随时进行替换操作。

本装置的底座4与抵撑机构1有两个联络位置：一个是通过弹簧14拉力连接，确保Z向移动的自由度；第二个是支撑架11与底座4上的导引槽42的契合，通过凹凸衔接(如附图2显示)，形成导引效果同时固定支撑架11的X、Y移动自由度和X、Y、Z转动自由度。底座4的四角有长条圆角穿孔槽410，用于固定或柔性连接其他装置机构，如辅助运动机构等。

在实际测量过程中，计算机可以根据激光当前的发射角度以及本装着相对于激光发射器的位置计算出靶球包络3的合适方位可以有效反射激光，同时，通过无线网络或蓝牙连接获取当前靶球包络3的方位，计算Y、Z转动调节角度进而发送调节信息给控制模块5以驱动转动电机进行相应调节。

综上所述，本发明的优势如下：

1.采用抵撑机构(即具有弹性件的支撑座)确保装置自适应实时与被测对象表面的接触，并利用同心、圆弧形的抵撑探针确保底部任意点与被测表面接触均不影响测量结果；

2.利用控制盒搜集、反馈数据，并采用伺服电机控制Y、Z轴的转动，保证靶球反射面可以实时在激光发射的线路上，不会产生光路脱靶问题；

3.转动机构采用内六角设计，在保证靶球包络机构可以快速更换规格的情况下，不会引起经常更换导致的球心偏移问题；

4.支撑座内部用弹簧与放置底板连接，利用弹簧的拉力将支架及放置在支架上的靶球机构向Z轴法向移动，同时利用导引槽设计解决Z向移动过程中的晃动问题；

5.靶球包络设计的工作角度为，Y轴绕向-30○～60○、Z轴绕向45○～315○，可以确保装置在绝大多数的放置位置不会发生激光无法发射到反射球上的情况；

6.利用无线控制(wifi或者蓝牙技术)，在控制盒内接受光路信号，并通过实时计算可以提前预判并控制伺服电机的转动，从而确定靶球反射面应面向的方位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光反射靶球主动自适应调节装置，其特征在于：其包括抵撑机构、转向机构、靶球包络、底座；其中，

所述底座开设有通孔；

所述抵撑机构包括支撑架和安装在所述支撑架底部的抵撑探针，所述支撑架用若干弹性件支撑在所述通孔的边缘；所述抵撑探针呈球冠形的一侧经由所述通孔穿透所述底座以与被测对象表面接触；

所述靶球包络安装在所述支撑架上并位于所述抵撑探针的上方，用于安放一个靶球，并保证所述靶球的球心与所述抵撑探针同心；

所述转向机构安装在所述支撑架上，用于在Y轴方向、Z轴方向上分别旋转调节所述靶球包络的方位，使所述靶球包络上的靶球的反射面与激光接触、反射；定义X轴方向为垂直于所述靶球包络的圆形截面的方向，Y轴方向为平移于所述靶球包络的圆形截面的方向，Z轴方向为垂直于X轴方向、Y轴方向，三轴方向建立直角坐标系。

2.如权利要求1所述的激光反射靶球主动自适应调节装置，其特征在于：所述弹性件为弹簧。

3.如权利要求2所述的激光反射靶球主动自适应调节装置，其特征在于：所述底座上设置有与若干弹簧相对的若干导引柱，每个导引柱上套一个弹簧。

4.如权利要求1所述的激光反射靶球主动自适应调节装置，其特征在于：所述底座还开设若干导引槽，每个导引槽与所述通孔相通，所述支撑架设置有收容在所述若干导引槽内且由相应若干导引槽导引的若干滑条。

5.如权利要求1所述的激光反射靶球主动自适应调节装置，其特征在于：所述转向机构包括安装座，所述靶球包络的两端分别采用一个定位柱一通过插接的方式安装在所述安装座上。

6.如权利要求5所述的激光反射靶球主动自适应调节装置，其特征在于：所述转向机构还包括驱动所述定位柱一转动的转动电机一。

7.如权利要求6所述的激光反射靶球主动自适应调节装置，其特征在于：所述安装座的顶部采用一个定位柱二通过插接的方式安装在所述支撑架上。

8.如权利要求7所述的激光反射靶球主动自适应调节装置，其特征在于：所述转向机构还包括驱动所述定位柱二转动的转动电机二。

9.如权利要求8所述的激光反射靶球主动自适应调节装置，其特征在于：两个转动电机分别通过六角凸台结构连接相应的定位柱。

10.如权利要求1所述的激光反射靶球主动自适应调节装置，其特征在于：所述靶球辅助自适应响应装置还包括控制模块，所述控制模块通过无线网络或者蓝牙模块接收控制信息并反馈所述靶球包络的角度位置信息。