CN107941166A - 一种视场可调的复合式三维扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种视场可调的复合式三维扫描装置及方法，属于三维反求技术领域，所述的一种视场可调的复合式三维扫描装置，能够搭载于机械臂末端进行三维数据采集，它包括：扫描仪外壳、激光测距模块、可摇摆线激光模块、数据采集模块、控制板卡以及对外接口，所述的一种视场可调的复合式三维扫描方法，包括：根据待扫描物体的体积调整视场、根据所需数据采集精度调整线激光扫描速度、通过双目综合视场高效地采集数据、通过双目交叉视场进行数据拼接和关键区域的数据校准，本发明能够减少扫描过程中扫描仪相对物体的运动量，降低运动控制难度，进而提高数据采集效率，减少数据采集误差和整体数据拼接运算量，灵活性高、适应性强、效率高、成本低。

Description

一种视场可调的复合式三维扫描装置及方法

技术领域

本发明涉及三维反求技术领域，具体是指一种视场可调的复合式三维扫描装置及方法。

背景技术

反求工程是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程，是一个从样品生成产品数字化信息模型，并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。该技术被广泛应用于航空航天、美学设计、快速成型以及文物保护等领域。

反求工程的测量方法可分成接触式测量与非接触式测量两大类，其中，基于光学的非接触式测量方法因具有结构简单、成本低廉、数据采集快速且便于移动、操作方便等优点而使用最为广泛，已形成了多种相关产品。

根据原理的不同，当前市面上基于光学的三维扫描产品可分为三维照相式扫描仪和三维激光扫描仪两种主要形式。三维照相式扫描仪是利用光栅投影单元将一组具有相位信息的光栅条纹投影到被测物体表面，由两个工业相机同步测量，然后通过立体视觉原理计算出三维信息；三维激光扫描仪是向被测物体发射一束激光，再由接收器/图像传感器接收反射光，然后通过脉冲测距/三角测距法计算出三维信息。这两种形式的三维扫描仪均采用不可调整的刚性结构，导致它们的视场和扫描精度无法根据需求而灵活调整。三维拍照式扫描仪受限于光栅的精度，不擅长扫描大型物体；三维激光扫描仪细节度差，不擅长扫描很小的物体，而扫描大型物体时，又需要相对被测物体做大量的位姿变换运动，导致了很大的采集误差量和数据运算量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种视场可调的复合式三维扫描装置，能够搭载于机械臂末端进行三维数据采集，它包括：

扫描仪外壳，用于承载并保护内部的电子设备；

激光测距模块，用于测定物距，为工业摄像头的位置调整和对焦提供依据；

可摇摆线激光模块，用于生成速度可调的扫描式线激光，为工业摄像头采集到的数据点提供深度信息；

数据采集模块，用于采集数据，该模块可通过调整两个工业摄像头的间距来调整扫描仪的视场；

控制板卡，用于控制电子设备；

对外接口，为扫描仪提供电源和对外数据接口。

进一步地，所述扫描仪外壳包括玻璃镜片、前板、框架以及后板；

所述框架为两侧具有开口的中空结构，所述框架开口处设有凹坑组，所述框架两侧分别通过螺栓与前板和后板固定，所述前板和后板上还设有与框架上的凹坑组对应卡接的凸台组，所述前板上指定位置卡接有玻璃镜片，所述框架底部还设有三个用于连接机械臂末端的螺纹孔。

进一步地，所述玻璃镜片为两片表面带功能性镀层的透明玻璃片。

进一步地，所述可摇摆线激光模块包括舵机、舵机固定件、舵机一字臂、线激光器以及线激光器固定件；

所述舵机固定件为L型且一端与前板螺栓固定，另一端与舵机机体螺栓固定，所述舵机的输出轴与舵机一字臂中部紧配合并通过螺栓固定，所述舵机一字臂两端与线激光器固定件螺栓固定，所述线激光器固定件的中心通孔中插入线激光器且通过螺栓组锁紧，所述线激光器在舵机输出转矩的作用下通过线激光器固定件绕舵机输出轴的轴线摇摆，使得线激光依次扫过待扫描表面。

进一步地，所述的数据采集模块包括丝杠电机、电机固定件、摄像头承载件、摄像头移动驱动件、直线滑轨、工业摄像头、直线滑块、丝杠轴承固定件以及丝杠带边轴承；

所述电机固定件、直线滑轨以及丝杠轴承固定件均通过螺栓固定在框架上，所述丝杠电机和丝杠带边轴承分别通过螺栓与电机固定件和丝杠轴承固定件固定，所述摄像头承载件一端与工业摄像头和直线滑块螺栓固定，另一端与摄像头移动驱动件螺栓固定，所述摄像头移动驱动件的内圈与丝杠电机的输出轴螺纹配合，从而构成滚珠丝杠传动机构，所述丝杠电机为定制产品，其输出轴上有等长反向的两段螺纹，分别对应于两个工业摄像头，所述两个工业摄像头在丝杠电机输出轴的转动与滚珠丝杠传动的作用下可沿直线滑轨轴线相向或相背运动，从而实现扫描仪视场的灵活调整。

进一步地，所述的工业摄像头为定焦距、大光圈的标准镜头，可根据物距信息自动对焦。

本发明还提供了一种视场可调的复合式三维扫描方法，工作流程为：

1)给定扫描仪相对待扫描物体的初始位姿和工业摄像头的初始间距；

2)通过激光测距控制工业摄像头对焦；

3)在双目综合视场内检测物体边界，根据检测结果，调整工业摄像头的间距和扫描仪位姿，在摄像头的景深限制范围内，使得待扫描面尽可能多地被综合视场覆盖；

4)调整物距，使得交叉视场能够达到双目视觉拼接的需求；

5)对工业摄像头的间距进行微调，保证综合视场和交叉视场都能满足条件；

6)根据所需精度设定线激光扫描速度，对待扫描面进行三维数据采集；

7)机械臂携带扫描仪相对物体运动，完成待扫描物体的全部数据采集。

更进一步地，所述的可摇摆线激光模块中的线激光器，根据所需精度的不同选择不同的扫描角速度。

采用以上结构和方法后，本发明具有如下优点：本发明是一种视场可调的复合式三维扫描装置及方法，通过视场调整能够适应不同尺寸物体的数据采集，通过双目综合视场高效地采集数据，通过双目交叉视场进行数据拼接和关键区域的数据校准，通过调整线激光扫描速度能够实现不同的数据采集精度，从而减少扫描过程中扫描仪相对物体的运动量，降低运动控制难度，进而提高数据采集效率，减少数据采集误差和整体数据拼接运算量；该装置及方法灵活性高、适应性强、效率高、成本低。

附图说明

图1是本发明一种视场可调的复合式三维扫描装置提供的结构示意图。

图2是本发明一种视场可调的复合式三维扫描装置提供的扫描仪外壳的结构示意图。

图3是本发明一种视场可调的复合式三维扫描装置提供的可摇摆线激光模块的结构示意图。

图4是本发明一种视场可调的复合式三维扫描装置提供的线激光扫描效果示意图。

图5是本发明一种视场可调的复合式三维扫描装置提供的数据采集模块的结构示意图。

图6是本发明一种视场可调的复合式三维扫描装置提供的视场调整示意图。

图7是本发明一种视场可调的复合式三维扫描方法提供的工作流程图。

图8是本发明一种视场可调的复合式三维扫描方法提供的理想扫描路径示意图。

如图所示：1、扫描仪外壳，1.1、玻璃镜片，1.2、前板，1.3、框架，1.4、后板，2、激光测距模块，3、可摇摆线激光模块，3.1、舵机，3.2、舵机固定件，3.3、舵机一字臂，3.4、线激光器，3.5、线激光器固定件，4、数据采集模块，4.1、丝杠电机，4.2、电机固定件，4.3、摄像头承载件，4.4、摄像头移动驱动件，4.5、直线滑轨，4.6、工业摄像头，4.7、直线滑块，4.8、丝杠轴承固定件，4.9、丝杠带边轴承，5、控制板卡，6、对外接口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合附图1，是本发明提供的一种视场可调的复合式三维扫描装置的结构示意图，它包括：扫描仪外壳1，用于承载并保护内部的电子设备；激光测距模块2，用于测定物距，为工业摄像头的位置调整和对焦提供依据；可摇摆线激光模块3，用于生成速度可调的扫描式线激光，为工业摄像头采集到的数据点提供深度信息；数据采集模块4，用于采集数据，该模块可通过调整两个工业摄像头的间距来调整扫描仪的视场；控制板卡5，用于控制电子设备；对外接口6，为扫描仪提供电源和对外数据接口。

结合附图2，是本发明提供的扫描仪外壳的结构示意图，它包括玻璃镜片1.1、前板1.2、框架1.3以及后板1.4；所述前板1.2和后板1.4均与框架1.3螺栓固定，所述前板1.2和后板1.4上有凸台组，可嵌入框架1.3上的凹坑组，便于安装，并增强外壳的结构稳定性；所述玻璃镜片1.1为表面带功能性镀层的透明玻璃片，共有两块，分别嵌入前板1.2指定位置，以便于扫描仪的光线发射与接收；所述框架1.3底部有三个螺纹孔，用于扫描仪和机械臂末端的连接。

结合附图3，是本发明提供的可摇摆线激光模块的结构示意图，它包括舵机3.1、舵机固定件3.2、舵机一字臂3.3、线激光器3.4以及线激光器固定件3.5；所述舵机固定件3.2为L型且一端与前板1.2螺栓固定，另一端与舵机3.1机体螺栓固定，所述舵机3.1的输出轴与舵机一字臂3.3中部紧配合并通过螺栓固定，所述舵机一字臂3.3两端与线激光器固定件3.5螺栓固定，所述线激光器固定件3.5的中心通孔中插入线激光器3.4且通过螺栓组锁紧，所述线激光器3.4在舵机3.1输出转矩的作用下通过线激光器固定件3.5绕舵机3.1输出轴的轴线摇摆，使得线激光依次扫过待扫描表面。

结合附图4，是本发明提供的线激光扫描效果示意图。线激光依次扫过待扫描表面，使得工业摄像头采集到的平面照片上具有了一系列的畸变条纹，条纹的畸变信息对应于待扫描面的起伏变换信息，从而获得待扫描面的三维点云信息。

结合附图5，是本发明提供的数据采集模块的结构示意图，它包括丝杠电机4.1、电机固定件4.2、摄像头承载件4.3、摄像头移动驱动件4.4、直线滑轨4.5、工业摄像头4.6、直线滑块4.7、丝杠轴承固定件4.8以及丝杠带边轴承4.9；所述的工业摄像头4.6采用定焦距、大光圈的标准镜头，可根据物距信息自动对焦；所述电机固定件4.2、直线滑轨4.5以及丝杠轴承固定件4.8均通过螺栓固定在框架1.3上，所述丝杠电机4.1和丝杠带边轴承4.9分别通过螺栓与电机固定件4.2和丝杠轴承固定件4.8固定，所述摄像头承载件4.3一端与工业摄像头4.6和直线滑块4.7螺栓固定，另一端与摄像头移动驱动件4.4螺栓固定，所述摄像头移动驱动件4.4的内圈与丝杠电机4.1的输出轴螺纹配合，从而构成滚珠丝杠传动机构，所述丝杠电机4.1为定制产品，其输出轴上有等长反向的两段螺纹，分别对应于两个工业摄像头4.6，所述两个工业摄像头4.6在丝杠电机4.1输出轴的转动与滚珠丝杠传动的作用下可沿直线滑轨4.5轴线相向或相背运动，从而实现扫描仪视场的灵活调整。

结合附图6，是本发明提供的视场调整示意图。

结合附图7-附图8，是本发明提供的一种视场可调的复合式三维扫描方法工作流程图及理想扫描路径图，工作流程为：

1)给定扫描仪相对待扫描物体的初始位姿和工业摄像头的初始间距；

2)通过激光测距控制工业摄像头对焦；

3)在双目综合视场内检测物体边界，根据检测结果，调整工业摄像头的间距和扫描仪位姿，在摄像头的景深限制范围内，使得待扫描面尽可能多地被综合视场覆盖；

4)调整物距，使得交叉视场能够达到双目视觉拼接的需求；

5)对工业摄像头的间距进行微调，保证综合视场和交叉视场都能满足条件；

6)根据所需精度设定线激光扫描速度，对待扫描面进行三维数据采集；

7)机械臂携带扫描仪相对物体运动，完成待扫描物体的全部数据采集。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种视场可调的复合式三维扫描装置，能够搭载于机械臂末端进行三维数据采集，其特征在于，它包括：

扫描仪外壳(1)，用于承载并保护内部的电子设备；

激光测距模块(2)，用于测定物距，为工业摄像头的位置调整和对焦提供依据；

可摇摆线激光模块(3)，用于生成速度可调的扫描式线激光，为工业摄像头采集到的数据点提供深度信息；

数据采集模块(4)，用于采集数据，该模块可通过调整两个工业摄像头的间距来调整扫描仪的视场；

控制板卡(5)，用于控制电子设备；

对外接口(6)，为扫描仪提供电源和对外数据接口。

2.根据权利要求1所述的一种视场可调的复合式三维扫描装置，其特征在于：所述扫描仪外壳(1)包括玻璃镜片(1.1)、前板(1.2)、框架(1.3)以及后板(1.4)；

所述框架(1.3)为两侧具有开口的中空结构，所述框架(1.3)开口处设有凹坑组，所述框架(1.3)两侧分别通过螺栓与前板(1.2)和后板(1.4)固定，所述前板(1.2)和后板(1.4)上还设有与框架(1.3)上的凹坑组对应卡接的凸台组，所述前板(1.2)上指定位置卡接有玻璃镜片(1.1)，所述框架(1.3)底部还设有三个用于连接机械臂末端的螺纹孔。

3.根据权利要求2所述的一种视场可调的复合式三维扫描装置，其特征在于：所述玻璃镜片(1.1)为两片表面带功能性镀层的透明玻璃片。

4.根据权利要求1所述的一种视场可调的复合式三维扫描装置，其特征在于：所述可摇摆线激光模块(3)包括舵机(3.1)、舵机固定件(3.2)、舵机一字臂(3.3)、线激光器(3.4)以及线激光器固定件(3.5)；

所述舵机固定件(3.2)为L型且一端与前板(1.2)螺栓固定，另一端与舵机(3.1)机体螺栓固定，所述舵机(3.1)的输出轴与舵机一字臂(3.3)中部紧配合并通过螺栓固定，所述舵机一字臂(3.3)两端与线激光器固定件(3.5)螺栓固定，所述线激光器固定件(3.5)的中心通孔中插入线激光器(3.4)且通过螺栓组锁紧，所述线激光器(3.4)在舵机(3.1)输出转矩的作用下通过线激光器固定件(3.5)绕舵机(3.1)输出轴的轴线摇摆，使得线激光依次扫过待扫描表面。

5.根据权利要求1所述的一种视场可调的复合式三维扫描装置，其特征在于：所述的数据采集模块(4)包括丝杠电机(4.1)、电机固定件(4.2)、摄像头承载件(4.3)、摄像头移动驱动件(4.4)、直线滑轨(4.5)、工业摄像头(4.6)、直线滑块(4.7)、丝杠轴承固定件(4.8)以及丝杠带边轴承(4.9)；

所述电机固定件(4.2)、直线滑轨(4.5)以及丝杠轴承固定件(4.8)均通过螺栓固定在框架(1.3)上，所述丝杠电机(4.1)和丝杠带边轴承(4.9)分别通过螺栓与电机固定件(4.2)和丝杠轴承固定件(4.8)固定，所述摄像头承载件(4.3)一端与工业摄像头(4.6)和直线滑块(4.7)螺栓固定，另一端与摄像头移动驱动件(4.4)螺栓固定，所述摄像头移动驱动件(4.4)的内圈与丝杠电机(4.1)的输出轴螺纹配合，从而构成滚珠丝杠传动机构，所述丝杠电机(4.1)为定制产品，其输出轴上有等长反向的两段螺纹，分别对应于两个工业摄像头(4.6)，所述两个工业摄像头(4.6)在丝杠电机(4.1)输出轴的转动与滚珠丝杠传动的作用下可沿直线滑轨(4.5)轴线相向或相背运动，从而实现扫描仪视场的灵活调整。

6.根据权利要求5所述的一种视场可调的复合式三维扫描装置，其特征在于：所述的工业摄像头(4.6)为定焦距、大光圈的标准镜头，可根据物距信息自动对焦。

7.一种视场可调的复合式三维扫描方法，其特征在于，工作流程为：

1)给定扫描仪相对待扫描物体的初始位姿和工业摄像头的初始间距；

2)通过激光测距控制工业摄像头对焦；

3)在双目综合视场内检测物体边界，根据检测结果，调整工业摄像头的间距和扫描仪位姿，在摄像头的景深限制范围内，使得待扫描面尽可能多地被综合视场覆盖；

4)调整物距，使得交叉视场能够达到双目视觉拼接的需求；

5)对工业摄像头的间距进行微调，保证综合视场和交叉视场都能满足条件；

6)根据所需精度设定线激光扫描速度，对待扫描面进行三维数据采集；

7)机械臂携带扫描仪相对物体运动，完成待扫描物体的全部数据采集。

8.根据权利要求4或7任一项权利要求所述的一种视场可调的复合式三维扫描装置及方法，其特征在于：所述的可摇摆线激光模块(3)中的线激光器(3.4)，根据所需精度的不同选择不同的扫描角速度。