CN102213584A

CN102213584A - 一种牙颌模型测量装置

Info

Publication number: CN102213584A
Application number: CN 201110088369
Authority: CN
Inventors: 尹周平; 宋俊; 吴谋虎; 姚金树; 黄信达; 李文龙
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: CN102213584B

Abstract

本发明公开了一种基于光栅投影的牙颌模型测量装置，用于牙颌模型的非接触式测量，包括牙模定位模块、光路调整模块和视觉测量模块，其中，所述牙模定位模块用于装夹待测量的牙颌模型，并实现对牙颌模型的姿态调整；所述视觉测量模块设置在所述光路调整模块上，用于对牙颌模型进行扫描测量；所述光路调整模块用于对视觉测量模块的测量角度进行调整，在光路调整模块和牙模定位模块的作用下，确定出牙颌模型的测量姿态和角度，从而实施对牙颌模型的扫描测量。该测量装置可便捷地调节微型投影仪与工业相机的位置，实现光路的快速调整；可便捷可靠地装夹牙颌模型，实现测量过程的稳定操作；可便捷地进行非接触式测量，实现牙颌模型点云数据的精确获取。

Description

一种牙颌模型测量装置

技术领域

本发明涉及机器视觉领域，具体涉及一种牙颌模型测量装置。

背景技术

随着我国人民物质生活水平的提高和人口老龄化发展，需要进行口腔修复的人群在不断增长，而传统的修复体制造技术由于设计制作周期长，修复体质量难以保证，已无法满足临床需要，国外在上世纪70年代开始将数字化口腔CAD/CAM技术引入口腔修复体的设计与制作中来，并已经有成熟的商品化系统投入使用，极大地提高了修复质量与效率。然而我国在这方面起步相对较晚，目前国内还没有实用化的产品，口腔CAD/CAM技术被国外垄断。因此，开发具有自己知识产权的口腔CAD/CAM系统是一个亟需解决的问题。建立牙齿的三维数字化模型是实现牙齿修复体数字化设计加工的前提，是口腔CAD/CAM技术的重要组成部分，修复体的设计加工精度很大程度上取决于牙齿数字模型的测量精度。基于光栅投影的牙颌模型三维点云测量系统的研制正是为了解决这一问题，它采用非接触拍照式测量技术，可以快速获得高精度的牙颌模型三维点云数据，建立牙齿的三维数字化模型，为后续的计算机口腔辅助设计制造提供基础。

由于建立牙颌三维数字化模型，对于精度、速度和稳定性有较高的要求，牙颌模型测量装置需要有相应的机构和结构来保证这些要求的实现。但现有牙齿三维光学测量设备存在以下问题：(1)光路相对固定，难以大范围调节，可实现的测量角度有限；(2)光路多采用悬臂结构支撑，测量系统刚性不够好，难以保持系统定标后长时间有效；(3)测量完整的牙模需要从多个角度获取点云数据进行拼合，现有设备多采用在待测物上贴标记点的方式来进行特征匹配实现拼合，操作较繁琐，且会影响到牙模表面的原貌。

发明内容

本发明的目的在于提供一种牙颌模型测量装置，基于光栅投影，对牙颌模型的三维形貌进行测量。本发明可实现光路的快速调整、牙颌模型的可靠装夹和测量过程的操作稳定、以及点云的精确获取。

实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：

一种牙颌模型测量装置，包括牙模定位模块、光路调整模块和视觉测量模块三个模块。所述牙模定位模块由牙模夹具与两自由度旋台组成，两自由度旋台由轴线正交的翻转台和水平旋转台组成，手动定位后可通过螺钉锁紧；光路调整模块由底座、两自由度龙门结构横梁、夹持微调装置组成，龙门横梁安装在底座的两根竖直导向轴上并能上下移动，夹持微调装置安装在横梁的两根水平导向轴上并能水平移动；视觉测量模块由微型投影仪及夹具、工业相机及夹具组成。

本发明的技术效果体现在：该测量设备采用精密导向轴与支座组成龙门结构的支架支撑光路系统，保证测量系统具有很好的刚性，标定结果可以长时间保持稳定；通过调整竖直和水平方向的滑块可以实现测量光路在竖直平面内两自由度的大范围移动，通过调整4自由度的投影仪及相机夹持装置，可以小范围调整拍摄角度，从而实现光路的灵活调整；牙模定位模块中，夹具上设计有圆孔阵列，不仅可以减重，还可以用于特征匹配，因此无需在牙模上贴标记点就可以实现多角度点云的拼合，简化操作，实现牙颌模型点云数据的精确获取，提高了测量效率和质量。

附图说明

图1是本发明牙颌模型测量装置较佳实施方式的立体组合图；

图2是本发明牙颌模型测量装置中光路调整模块的立体组合图；

图3是本发明牙颌模型测量装置中牙模定位模块的立体分解图；

图4是本发明牙颌模型测量装置中视觉测量模块中工业相机及夹具的立体图；

图5是本发明牙颌模型测量装置中视觉测量模块中微型投影仪及夹具的立体图。

具体实施方式

本发明的牙颌模型测量装置包括光路调整模块、牙模定位模块和视觉测量模块三个模块。图1为本发明的一种具体实施方式的总体结构示意图，下面结合图1～5对其进行详细介绍。

如图1、2所示，光路调整模块包括底座11，龙门横梁12，夹持微调装置13。

其中，底座由底板111、导向轴支座112、内六角螺钉113、竖直导向轴114组成。导向轴支座112通过内六角螺钉113与底板111联接，竖直导向轴114插入导向轴支座112内，并通过内置定位销固定。

龙门横梁12由支柱固定架121、锁紧螺钉122、123、导向轴124、125组成。支柱固定夹121通过轴线空间正交的通孔分别与竖直导向轴114、水平导向轴124、125配合，构成龙门横梁，可在竖直方向的大范围移动，调好位置后通过锁紧螺钉123抱死滑动副，实现竖直方向摩擦锁紧。夹持微调装置13是联接视觉测量模块与龙门横梁12的桥梁，由支柱固定架131、悬臂型支柱固定夹132、锁紧螺钉133、134、135、带螺纹导向轴136、转接块137、螺钉138组成。支柱固定架131通过轴线空间正交的通孔分别与水平导向轴124、125、悬臂型支柱固定夹132的轴端配合构成移动副，可实现水平方向的大范围移动和竖直方向的小范围调整。带螺纹导向轴136与悬臂型支柱固定夹132上的通孔配合，可实现垂直纸面方向的局部调整。位置调整结束后通过锁紧螺钉133、134、135抱死滑动副实现摩擦锁紧。导向轴136通过末端螺纹与转接块137联接，转接块则通过螺钉138与视觉测量模块的转接板(如图4、图5所示的311、322)联接，从而支撑起视觉测量模块。

如图1、3所示，牙模定位模块包括支座21、定位盘22、翻转台23、水平旋转台24、牙模夹具25。其中，支座21由带座轴承211、螺钉212、213、216、导向轴支座214、转轴215组成。带座轴承211通过螺钉212与图1所示的底板111联接构成定位模块的支座，并通过轴承与转轴215配合形成转动副，可实现翻转。导向轴支座214的通孔与转轴215配合，通过螺钉213锁紧与转轴215固结，通过螺钉216与翻转台23联接。定位盘22由定位片221、固定环222、螺钉223、塑料滚花螺钉224组成。固定环222的通孔与转轴215配合，并通过内置螺钉锁紧固结，通过螺钉223将固定环222与定位片221联接，由此定位盘与翻转台23固结。定位片221上有圆弧槽，滚花螺钉224穿过圆弧槽旋入带座轴承211的螺纹孔中。操作时转动固定环222，调整到合适的翻转角度后旋转滚花螺钉224使之与定位片221摩擦锁紧，实现定位。翻转台23由翻转平台231、塑料滚花螺钉232、旋转定位块233、螺钉234组成。翻转平台231通过螺钉216与支座214联接，通过螺钉234与旋转定位块233联接，滚花螺钉232旋入定位块233，用于水平旋转台24的锁紧，翻转平台231上有轴承安装孔。水平旋转台24由弹性卡圈241、推力轴承242、旋转平台243、铰链销244组成。旋转平台243通过铰链销244、弹性卡圈241、推力轴承242与翻转平台231连接。牙模夹具25由夹具底座251、螺钉252、带螺纹导向轴253、紧定螺钉254、螺杆255、夹具调整块256组成。夹具底座251通过螺钉252与旋转平台243联接，带螺纹导向轴253与夹具底座251上的盲孔配合形成移动副，并通过末端螺纹与夹具调整块256联接，紧定螺钉254与调整块256联接。螺杆255与夹具底座251上的螺纹孔形成螺旋副，通过旋转螺杆255实现夹具调整块256的开合运动，完成牙模的装夹。夹具底座251上设计有圆孔阵列特征，扫描时阵列特征与牙模固结在一起，利用该阵列完成特征匹配，从而实现多角度点云拼合，无需贴标记点。

如图4、图5所示，视觉测量模块包括相机模块31、投影仪模块32。其中相机模块31由相机转接板311、相机夹具侧板312、螺钉313、塑料滚花螺钉314、螺钉315、工业相机316组成。相机转接板311通过图2所示的螺钉138与转接块137联接，工业相机316通过螺钉313与转接板311联接。相机夹具侧板312通过螺钉313与转接板311联接。滚花螺钉314旋入夹具侧板312，可以通过旋转滚花螺钉314锁紧其他型号的工业相机。投影仪模块32由微型投影仪321、投影仪转接板322、螺钉323、塑料滚花螺钉324、投影仪夹具侧板325、紧定螺钉326、投影仪夹具挡板327、橡胶垫328组成。投影仪转接板322通过图2所示的螺钉138与转接块137联接，投影仪夹具侧板325分别通过螺钉323、329分别与投影仪转接板322、投影仪挡板327联接。塑料滚花螺钉324旋入投影仪侧板325和投影仪挡板327，在橡胶垫328的配合下用于锁紧微型投影仪321。紧定螺钉326与投影仪转接板322联接，用于防止微型投影仪321意外松脱跌落。

该装置的支撑部件包括底座11、两自由度龙门结构横梁12和牙模定位模块支座21；底座11是整个系统的基础，龙门横梁12是支撑光路系统的核心部件，龙门横梁12安装在底座11的两根竖直导向轴上并能上下移动，视觉测量模块的夹持微调装置13安装在横梁12的两根水平导向轴上并能水平移动。操作时，通过上下移动横梁12，水平移动夹持微调装置13实现视觉测量模块在竖直平面内大范围调整，夹持微调装置13具有4个自由度，可以作局部的角度调整；牙模定位模块的支座21通过螺钉与底座11联接，翻转平台23通过螺钉与支座21的转轴固结，通过带圆弧槽的定位盘22定位和锁紧；水平旋转台24通过轴承和铰链销与翻转平台23连接；牙模夹具25通过螺钉固结在水平旋转台24之上。操作时，将牙模装夹在牙模夹具25上，调整水平旋转台和翻转台的角度后锁紧，实现牙模的姿态调整。整个牙模定位模块置于视觉测量模块之下，牙模姿态调整好后，视觉测量模块与牙模的相对位置固定了，可以开始结构光扫描测量。

Claims

1.一种牙颌模型测量装置，用于牙颌模型的非接触式测量，该测量装置包括牙模定位模块、光路调整模块和视觉测量模块，其中，所述牙模定位模块用于装夹待测量的牙颌模型，并实现对牙颌模型的姿态调整；所述视觉测量模块设置在所述光路调整模块上，用于对牙颌模型进行扫描测量；所述光路调整模块用于对视觉测量模块的测量角度进行调整，在所述光路调整模块和牙模定位模块的作用下，确定出所述牙颌模型的测量姿态和角度，从而实施对牙颌模型的扫描测量。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的牙模定位模块包括支座（21）、定位盘（22）、翻转台（23）、水平旋转台（24）和牙模夹具（25），所述翻转台（23）安装在支座（21）上，可在该支座（21）上作轴向翻转，并通过所述定位盘（22）锁紧固定，所述水平旋转台（24）设置在该翻转台（23）上，能够实现在翻转台（23）上的旋转，所述牙模夹具（25）固设在该翻转台（23）上，其在翻转台（23）和水平旋转台（24）的作用下实现多自由度的运动，实现对牙颌模型的姿态调整。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述的支座（21）包括带座轴承（211）、导向轴支座（214）和转轴（215），带座轴承（211）通过螺钉（212）固定安装在光路调整模块的底板上，所述导向轴支座（214）安装在该带座轴承（211）上，该导向轴支座（214）通过其上的通孔与转轴（215）配合形成转动副，所述翻转台（23）固定设置在该转轴（215）上，从而实现翻转台（23）在支座（21）上的转动。

4.根据权利要求2或3所述的测量装置，其特征在于，所述的定位盘（22）安装在支座（21）端面，包括定位片（221）、固定环（222）和塑料滚花螺钉（224），该固定环（222）与定位片（221）联接，所述转轴（215）穿过定位片（221）并套装在所述固定环（222）的通孔内，旋转该固定环（222）即可调整转轴（215）的旋转角度，所述定位片（221）上有圆弧槽，滚花螺钉（224）穿过该圆弧槽旋入所述带座轴承（211）的螺纹孔中，用于锁定转轴（215）的旋转角度。

5.根据权利要求2-4之一所述的测量装置，其特征在于，所述的翻转台（23）包括翻转平台（231）、塑料滚花螺钉（232）和旋转定位块（233），所述翻转平台（231）通过螺钉（216、234）分别与支座（214）的转轴（215）和旋转定位块（233）联接，所述滚花螺钉（232）旋入定位块（233），该旋转定位块（233）用于调整水平旋转台（24）的旋转角度并所述滚花螺钉（232）锁定。

6.根据权利要求2-5之一所述的测量装置，其特征在于，所述的水平旋转台（24）包括弹性卡圈（241）、推力轴承（242）、旋转平台（243）和铰链销（244），所述旋转平台（243）通过铰链销（244）、弹性卡圈（241）和推力轴承（242）与翻转平台231连接。

7.根据权利要求2-6之一所述的测量装置，其特征在于，所述的牙模夹具（25）包括夹具底座（251）、带螺纹导向轴（253）、紧定螺钉（254）、螺杆（255）和夹具调整块（256），所述夹具底座（251）通过螺钉与旋转平台（243）联接，带螺纹导向轴（253）与夹具底座（251）上的盲孔配合形成移动副，并通过末端螺纹与夹具调整块（256）联接，紧定螺钉（254）与调整块（256）联接，用于固定牙颌模型，所述螺杆（255）与夹具底座（251）上的螺纹孔形成螺旋副，通过旋转螺杆（255）实现夹具调整块（256）在带螺纹导向轴（253）上的移动，实现开合运动，完成牙模的装夹。

8.根据权利要求1-7之一所述的测量装置，其特征在于，所述的光路调整模块包括底座（11），龙门横梁（12），夹持微调装置（13），其中，

所述底座（11）包括底板（111）、两个导向轴支座（112）和两个竖直导向轴（114），所述导向轴支座（112）通过螺钉（113）对称固设在底板（111）上，两个竖直导向轴（114）分别插入两导向轴支座（112）内；

所述龙门横梁（12）包括支柱固定夹（121）和水平导向轴（124、125），支柱固定夹（121）为两个，分别夹持设置在两个竖直导向轴（114）上，水平导向轴（124、125）两端分别套接在所述支柱固定夹（121）上；

所述夹持微调装置（13）设置在到水平导向轴（124、125）上，包括支柱固定架（131）、悬臂型支柱固定夹（132）、带螺纹导向轴（136）和转接块（137），支柱固定架（131）通过轴线空间正交的通孔分别与水平导向轴（124、125）、悬臂型支柱固定夹（132）的轴端配合构成移动副，可实现水平方向和竖直方向的移动，带螺纹导向轴（136）与悬臂型支柱固定夹（132）上的通孔配合，通过末端螺纹与转接块（137）联接，所述转接块（137）用于与视觉测量模块联接，以支撑视觉测量模块。

9.根据权利要求1-8之一所述的测量装置，其特征在于，所述的视觉测量模块包括相机模块（31）和投影仪模块（32），其中，

所述相机模块（31）包括相机转接板（311）、相机夹具侧板（312）、塑料滚花螺钉（314）和工业相机（316），所述相机转接板（311）与光路调整模块的转接块（137）联接，所述工业相机（316）与相机转接板（311）联接，所述相机夹具侧板（312）与转接板（311）联接，滚花螺钉（314）旋入夹具侧板（312），用于锁紧工业相机（316）；

所述投影仪模块（32）包括微型投影仪（321）、投影仪转接板（322）、塑料滚花螺钉（324）、投影仪夹具侧板（325）、投影仪夹具挡板（327）和橡胶垫（328），所述投影仪转接板（322）与光路调整模块的转接块（137）联接，所述投影仪夹具侧板（325）与投影仪转接板（322）和投影仪挡板（327）联接，所述塑料滚花螺钉（324）旋入投影仪侧板（325）和投影仪挡板（327），在橡胶垫（328）的配合下用于锁紧微型投影仪（321）。