CN108507461A - 具有加速度计的3d扫描仪 - Google Patents

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A·格兰迪
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Abstract

具有加速度计的3D扫描仪。本发明涉及一种3D扫描仪，包括：至少一个扫描模块(2,7)，其用于获取对象(9)的表面的三维(3D)坐标；以及定位装置(1)，对象(9)可放置或可固定在该定位装置(1)上，由此定位装置(1)可相对于所述至少一个扫描模块(2,7)移动，并且所述3D扫描仪还包括：至少一个加速度计(26)，其被配置为测量定位装置(1)相对于扫描模块(2,7)的位置变化；以及第一处理单元，其连接到所述至少一个扫描模块(2,7)和定位装置(1)以用于接收数据。本发明还涉及一种用于扫描对象(9)的表面以获取所述表面的三维(3D)坐标的方法。

Description

具有加速度计的3D扫描仪
技术领域
本发明涉及一种包括用于获取对象表面的3D坐标的至少一个扫描模块的3D扫描仪。本发明还涉及一种用于扫描对象的表面以获取表面的三维(3D)坐标的方法。
背景技术
用于扫描对象的3D表面的三维扫描仪(3D扫描仪)被广泛使用。3D扫描仪是测量对象表面的各个点或许多点的坐标(X,Y,Z)的装置。EP 3081980 A1公开了一种光学扫描装置和照明装置，其在相干光束照射在各向异性漫射表面上的同时使用旋转轴来旋转各向异性漫射表面。US 2016/169959 A1公开了一种利用激光来获取对象表面的3D坐标的方法和系统。从US 2016/245918 A1已知一种包括至少一个加速度计和陀螺仪的从两个位置测量3D坐标的激光扫描仪。这些3D扫描仪用于并且只能用于扫描环境中的远处对象。对象表面的精确测量是不可能的，因此，这些扫描仪无法用于精确地扫描对象表面的精细结构。从US2016/173855 A1已知一种包括结构化光投影仪的3D扫描仪。此3D扫描仪能够利用频谱分解以高精度无接触地准确测量物体表面。然而，即使该设备昂贵并且所有部件都需要维护以工作，也无法通过此设备容易地测量复杂表面。
由于深度(或距离)Z通常基于笛卡尔坐标系中的位置(X,Y)来表示，所以这种测量的结果可被视为作为图像的表面的所谓“深度”映射。如此收集的深度映射然后可用于构建三维合成图像(数字对象)以用于各种目的。
例如，无接触3D扫描仪是基于使用两个相机作为扫描模块的立体系统，由此相机略微间隔开并指向相同的场景，从两个图像之间的几何变形推导该场景的深度。
所谓的“结构化光”3D扫描仪是特定系列的无接触3D扫描仪。这些扫描仪由通常根据视频投影仪的原理制造的光投影仪构成，或者由生成干涉条纹(用于所谓的“相移”技术)的激光系统以及作为在几何上相对于投影仪偏移以便生成立体构造的扫描模块的至少一个相机构成。投影仪将具有一个或两个几何尺寸(例如，线或图像)的所谓的“结构化”光图案(可能为彩色的)投射到表面上以进行测量。位于距投影机(称为“立体基础”)一定距离处的相机获取并记录场景的图像。所投射的结构化图案由被适当选择以使得可在所获取的图像中检测它们的基本图案(也称为“结构化元素”)构成。
这些系统的缺点在于它们大多使用复杂，并且如果要扫描的对象的大部分将以3D被记录或者如果将扫描包括底切的复杂表面，则需要来自不同角度的许多扫描以获得坐标。对象必须被手动地重新定位，或者扫描模块围绕对象移动，或者3D扫描仪包括从不同角度扫描对象的许多扫描模块。
发明内容
因此，本发明的问题在于克服现有技术的缺点。具体地，将找到一种3D扫描仪，通过其可详细扫描相对较小的对象的表面的大部分，即使该表面复杂。该3D扫描仪应该易于使用且设置简单并且价格低廉(如果可能的话)。另外，3D扫描仪将能够灵活地使用并满足用户的个体要求。
本发明的问题通过一种3D扫描仪来解决，该3D扫描仪包括：
至少一个扫描模块，其用于获取对象表面的三维(3D)坐标，以及
定位装置，对象可被放置或固定在该定位装置上，由此该定位装置可相对于所述至少一个扫描模块移动，并且该3D扫描仪还包括：
至少一个加速度计，其被配置为测量定位装置相对于扫描模块的位置的变化，
第一处理单元，其连接到所述至少一个扫描模块和定位装置以用于接收数据，
所述至少一个加速度计中的一个加速度计位于定位装置中，或者所述至少一个加速度计中的一个加速度计位于定位装置中并且另一个加速度计位于扫描模块中。
优选地，所述至少一个加速度计是一个加速度计(在单个加速度计的意义上)。特别优选地，这一个加速度计位于可移动的定位装置中以检测定位装置相对于3D扫描仪的其它固定部分的移动。由第一处理单元从扫描模块以及从加速度计接收数据。进一步优选的是，所述至少一个加速度计是至少一个陀螺仪传感器。陀螺仪传感器不昂贵并且易于在根据本发明的扫描仪中实现。此外，陀螺仪传感器传送足够的数据，以允许以良好且足够的精度测量传感器部分的位置。
所述至少一个加速度计可以是惯性测量单元(IMU)的一部分。然而，优选地，仅需要一个加速度计以保持3D扫描仪简单。
根据本发明，优选的是，定位装置相对于扫描模块绕两个不同的轴线(X,Y)(优选两个垂直轴线(X,Y))或者绕三个不同的轴线(X,Y,Z)(优选三个垂直轴线(X,Y,Z))可旋转地安装，并且所述至少一个加速度计被配置为测量定位装置相对于扫描模块绕这些轴线(X,Y)或(X,Y,Z)的旋转。
由此可在不移动扫描模块并且仍扫描对象的几乎完整表面的情况下从不同侧扫描对象以及对象的复杂表面结构。
提出了至少一个加速度计中的一个加速度计位于定位装置中，或者所述至少一个加速度计中的一个加速度计位于定位装置中并且另一个加速度计位于扫描模块中。
这确保了精确地测量扫描模块与定位装置之间的相对移动。由此可确定扫描模块在对象上的准确视角，并且可从不同的扫描计算对象表面的坐标。
此外，可设置所述至少一个加速度计被配置为沿着定义和设定的自由度测量定位装置相对于扫描模块的位置的任何变化。
通过针对相对移动使用定义和设定的自由度，可容易地且准确地确定定位装置相对于扫描模块的相对位置的变化。
本发明的进一步发展还提出了第一处理单元或第二处理单元被配置为将从扫描模块获取的3D坐标与从所述至少一个加速度计接收的位置数据相关联，和/或被配置为将对象的不同位置的3D坐标彼此相关联，和/或被配置为通过将在不同位置获取的对象的3D坐标叠加并通过考虑对象的位置的变化来计算3D坐标的组合。
由此，所得总表面坐标的计算可由根据本发明的3D扫描仪广泛地自动化并执行。如此构建的3D扫描仪不仅给予计算3D坐标的机会，而且容易地计算和呈现对象的所得3D表面坐标。
根据本发明的这些3D扫描仪可进一步被设计为包括存储有相关联的数据的存储器元件，并且第一处理单元或第二处理单元被配置为通过相对于由加速度计测量的位置数据的变化匹配所获取的对象的表面的坐标来计算对象的总表面。
通过这种手段，由3D扫描仪全面计算对象表面的坐标的可能性进一步完善。
在3D扫描仪的另一实施方式中，定位装置可相对于扫描模块沿着两个不同的方向或沿着三个不同的方向移位，并且3D扫描仪包括线性加速度计和陀螺仪传感器作为所述至少一个加速度计，线性加速度计被配置为测量由定位装置相对于扫描模块的平移导致的定位装置的位置的变化，陀螺仪传感器被配置为测量由定位装置相对于扫描模块的旋转导致的定位装置的旋转角度的变化。优选地，3D扫描仪包括包含陀螺仪传感器和线性加速度计的IMU。
由此，较大的对象或长的对象也可通过根据本发明的紧凑的3D扫描仪来扫描。
在本发明的进一步发展中，提出了3D扫描仪是3D牙科扫描仪，并且假牙、一套假牙、局部义齿、全口义齿、义齿基托、牙印模以及患者口腔的一部分的模型中的至少一个是对象并且可被放置在定位装置上或者可固定到定位装置。
根据本发明的3D扫描仪特别可用于扫描牙列或假牙，因为其紧凑并且仍能够从各种位置扫描对象。口腔的一部分通常是具有或不具有要放置义齿基托、或者要放置牙冠或牙桥、或者插入牙种植体的残余牙列的口腔粘膜的模型。
在优选的3D扫描仪中，定位装置相对于扫描模块可手动旋转或者可旋转且可线性移动，或者定位装置相对于扫描模块沿着预设自由度可手动旋转或者可旋转且可线性移动。
由此，可在手动移动对象的同时使用固定扫描模块以从不同角度扫描对象。3D扫描仪的操作者常常最知道需要哪些视角或者特别有助于快速且高效地测量相关表面。因此，可手动移动的定位装置可从用户的理解获益。扫描处理由此更容易且省时。
进一步提出了3D扫描仪不包括用于使定位装置相对于扫描模块移动的像电机那样的致动器。
通过使得不使用像电机那样的致动器，3D扫描仪不太昂贵，但仍适合于全面扫描对象的所有可接近表面。此外，在扫描处理期间可导致问题并且可能发生故障并需要修理的部件较少。
此外，根据本发明，可设置3D扫描仪还包括定时器，并且第一处理单元被配置为通过确定由所述至少一个加速度计或包括所述至少一个加速度计的IMU测量的位置的变化来确定是否存在定位装置相对于扫描模块的移动或者该移动是否超过预定角速度和/或线速度极限。
由此，3D扫描仪能够判定所执行的扫描是否可用。另选地或另外地，已移动对象的扫描可被计算校正以得到更精确的结果。
在3D扫描仪的优选实施方式中，第一处理单元被配置为基于定位装置的移动的确定，开始和停止扫描处理和/或确定对象的3D坐标是否被存储在存储器中。
由此，3D扫描仪能够判定是否可开始扫描处理。另选地或另外地，已移动对象的扫描可被计算校正以得到更精确的结果。
根据本发明的特别优选的实施方式，可设置扫描模块是结构化光扫描模块。
结构化光扫描模块通过将窄带光投射到三维形状的表面上并生成从投影仪以外的视角看起来失真的照明线来工作。其可根据本发明用于获得对象的表面形状的准确几何重构。更快更通用的方法是一次投影由许多条纹组成的图案或者任意条纹，因为这允许同时获取许多样本。从不同的角度看，图案由于对象的表面形状而看起来几何上失真。尽管结构化光投影的许多其它变体是可能的并且被认为在本发明的范围内，但是本发明优选使用平行条纹或网格的图案。条纹或网格的位移允许对象表面上的任何细节的3D坐标的准确检索。
也可设置，定位装置的质量分布被平衡，以使得定位装置的的质心、或者定位装置和对象系统的质心位于定位装置可绕其水平旋转的至少两个轴线交叉的交叉点中，或者在该交叉点的定位装置的最大直径的约10％内。
通过这种手段，当处于移动或旋转位置时可在没有或仅较低的所得扭矩作用于定位装置上的情况下使定位装置旋转。通过此设定来使定位装置的旋转位置在机械上被稳定。
根据本发明的另一优选实施方式，定位装置包含重物或可更换的重物，通过重物来使定位装置的质心、或定位装置和对象系统的质心移动到或靠近定位装置可绕其旋转的至少两个轴线交叉的交叉点。
通过这种手段，即使要扫描的对象被更换，也可在没有所得扭矩作用于处于移动或旋转位置的定位装置上的情况下使定位装置旋转。通过此设定来使旋转位置机械稳定。
优选地，来自所述至少一个加速度计的位置数据通过无线技术被传送到第一处理单元。因此，可设置3D扫描仪包括用于无线数据传送的模块，其被连接到所述至少一个加速度计并且被设置为将来自加速度计的位置数据无线传送到所连接的接收器并由此传送到连接到接收器的第一处理单元。接收器可被设置在承载第一处理单元的主板上。
第一处理单元优选是中央处理单元。
根据本发明，定位装置可被实现为被承载在支撑结构中的球形台，该球形台可在支撑结构中绕三个轴线旋转。球形台的底侧通过可相对于球体的中心旋转的球面(具体地，通过半球体)来实现。当然，球形台的球面只是球形区域，类似球形区段或扇区的球面。
根据本发明的优选实施方式，定位装置由球轴承或至少一个球脚轮支撑。球轴承或至少一个球脚轮可通过支撑结构或者通过定位装置本身来实现。
本发明的目的还通过一种优选地利用根据本发明的3D扫描仪来扫描对象的表面以获取表面的三维(3D)坐标的方法来实现，该方法包括以下按时间顺序的步骤
A)将对象放置在定位装置上或固定到定位装置；
B)借助于至少一个加速度计来测量定位装置的第一位置；
C)通过扫描模块扫描对象的表面；
D)优选通过对象或定位装置的手动移动，来使定位装置相对于扫描模块至少旋转一次到至少一个第二位置；
E)通过所述至少一个加速度计来确定所述至少一个第二位置；
F)在所述至少一个第二位置中的每一个通过扫描模块扫描对象的表面；以及
G)通过使至少两个位置中的表面扫描与通过所述至少一个加速度计确定的位置相关联来获得对象的表面的3D坐标数据。
所述至少一个第二位置不同于第一位置。优选地，相关联的数据被存储在存储器中。
在优选的方法中，通过将不同位置处的表面扫描的相关联的坐标叠加来计算对象的总3D坐标表面数据。
由此，使用一种计算对象的表面的所得总3D坐标的简单方式。
优选地，该方法通过根据本发明的3D传感器来执行。
本发明基于这样一个令人惊讶的发现：通过确定固定有要扫描的对象或者放置有要扫描的对象的定位装置相对于可被设计为静态的扫描模块的位置，可通过使用加速度计确定定位装置的任何旋转，从而测量对象表面的大部分来以不同的角度扫描对象表面的3D坐标。另一优点在于扫描模块不需要是可移动的，从而可被固定到3D扫描仪的静态主体。本发明另外允许构建可手动移动的定位装置，其使得3D扫描仪的用户能够通过测量定位装置相对于3D扫描仪的其它部分或者相对于静态扫描模块的位置变化来判定将以哪些角度扫描对象。由此，可构建低成本的3D扫描仪。对于较小的对象，类似假牙或者局部或全口义齿或者牙印模或者患者口腔的模型，根据本发明优选的是仅允许定位装置仅旋转并且仅借助于至少一个加速度计绕对象或定位装置的两个或三个或更多轴线以不同的旋转角度分别相对于扫描模块测量。为此，优选将所述至少一个加速度计设置为定位装置的一部分。即使表面具有复杂的形状(类似底切或孔)，也可测量对象的表面的3D坐标。
根据本发明的3D传感器和方法具有减小机械结构的复杂度的优点以及可用附加第三移动轴的益处，其改进了对象的扫描精度。如果定位装置可在所有方向上自由地旋转，即使一些方向受到限制，此效果也会产生很大影响。如果手动地驱动运动而非使用电机和控制电子器件，则与全自动的3D扫描仪相比，制造、驱动和维护3D扫描仪所需的成本显著降低。另外，根据本发明的3D扫描仪允许针对扫描处理单独地选择视角，因此允许可适于要扫描的对象的外形和/或要扫描的局部表面的优化的扫描过程。
根据本发明的优选实施方式，使用可移动球形台来实现根据本发明的3D扫描仪的定位装置。准确地说，可使用球体的可自由移动的区段来实现定位装置。用于定位装置的该可移动球形或区段球形台实现了平台，如果承载球形台的支撑结构可在所有三个方向上移位，则该平台原则上针对六个自由度(绕X、Y和Z轴的旋转以及沿着X、Y和/或Z方向的平移)具有无限数量的静止位置。当扫描对象时，软件程序需要定义的起始点以及每一个附加扫描的各个后续位置，以正确地对齐所得网格数据以计算所测量的对象表面的3D坐标。
传统的机械安装式传感器(类似霍尔效应传感器、一些光学传感器等)既无法安装也无法使用，因为球形台的位置是无限的并且球形台的移动需要台的不间断的球形几何表面以正确地起作用。增加用于在扫描期间跟踪位置定位的惯性系统允许将球形几何形状用于扫描模型的移动，从而与传统的两轴移动相比获得附加旋转轴。然后通过线缆、WIFI、蓝牙或者任何其它技术来将位置数据(单次扫描所测量的3D坐标)传递到在第一处理单元中运行的采集软件以用于网格数据的对齐。球形台可被手动地致动，或者使用步进电机或其它类似的技术被自动地致动。
另选地，测量位置的目标可通过两个基本方法来实现。首先，机械：针对可移动台的各个自由度使用特定传感器(编码器)。这些实施方式机械上复杂。其次，光学：将一些特殊标签添加到可移动台。扫描模块(例如，立体扫描仪相机)识别任何台位置的标签，并且特定软件计算机计算台位置。这些标签需要被清洁并且在任何条件下对扫描模块可见。要扫描的对象会遮挡标签并且灰尘会将其完全地或部分地隐藏起来，从而阻碍测量。因此，这两种方法具有使用根据本发明的加速度计克服的某些缺点。
根据优选实施方式，一系列集成电子电路板被安装在球形台的内部，其无线地或经由线缆将3D空间中的位置定位发送到扫描计算机。此数据用于在后续扫描中正确地对齐所测量的坐标的网格数据。
附图说明
现在将参照下面的五个示意图来说明本发明的另外的实施方式，然而不限制本发明。附图中：
图1示出根据本发明的3D扫描仪的示意性俯视图；
图2示出包括根据图1的3D扫描仪的主体的横截面图的示意性正面视图；
图3示出根据图1和图2的3D扫描仪的示意性侧视图；
图4示出沿着切割平面B穿过图1的3D扫描仪的定位装置的示意性横切视图；以及
图5示出沿着切割平面A穿过图1的3D扫描仪的定位装置的示意性横切视图。
具体实施方式
图1、图2和图3示出根据本发明的3D扫描仪的示意性俯视图、正面视图和侧视图。3D扫描仪包括用作定位装置的球形台1。球形台1的外形实际上不是整个球体，而是半球或半球体，其可相对于3D扫描仪的其余部分绕三个垂直轴线自由旋转。最大旋转角度由球形台1的上端(在图2至图5中上面，在图1中在观看者的方向上在图像平面外侧)限定。台板超出球形表面，从而防止球形台1绕两个水平轴线旋转超过最大值90°。3D扫描仪还包括两个相机2，其能够从球形台1的顶部记录立体图像。主体3包含3D扫描仪的电子部件。支撑臂4和板5从主体3保持并定位相机2。优选地，相机2以及因此支撑臂4和板5刚性地连接到主体3。另选地，支撑臂4也可能可线性移位和/或可旋转地安装到主体3，以使扫描角度适应扫描目的。
球形台1由支撑结构22承载(参见图2和图3)，支撑结构22经由支柱6刚性地连接到主体3。球形台1可相对于支撑结构22绕三个轴线旋转。投影仪7连接到支撑臂4。投影仪7利用结构化光照射球形台1的顶部。相机2和投影仪7经由支撑臂4和板5彼此刚性地固定。两个相机2和投影仪7构建根据本发明的3D扫描仪的扫描模块2、7。当投影仪7发送结构化光时，扫描模块2、7被理解为结构化光扫描模块2、7。
支柱6与另外两个支架8一起承载或支撑球形台1。第三支架8被固定到3D扫描仪的主体3。因此，整个3D扫描仪可被稳定地放置或安装在平坦表面上的三个支架8上。略微的不平可通过调整支架8的脚的高度来变平。为此，脚优选地经由螺钉和内螺纹连接到支架8的臂。
要扫描的对象9被放置在球形台1上或固定到球形台1，并且其上可被投影仪7的结构化光照射。可通过立体相机2来测量结构化光的反射，从而创建对象9的表面的立体图像。固定装置(未示出)或磁台1可用于将对象9固定到球形台1以避免当球形台1在支撑结构22中相对于扫描模块2、7移动时对象9相对于球形台1移动。
图形卡10用于评估来自相机2的图形信号以生成对象9的扫描表面的3D坐标。为此，图形卡10包括3D图形芯片。图形卡10位于主体3的壳体内。实际上，类似于图1所示，只有在图形卡10的区域中主体3的壳体顶部透明的情况下才可看到图形卡10。
第一开关12设置在3D扫描仪的背面，以用于打开和关闭3D扫描仪。第二开关14设置在投影仪7上，以用于单独地打开和关闭投影仪7或者包括投影仪7和相机2的扫描模块2、7。
设置在相机2之间的支撑臂4上的反射镜15用于改变来自投影仪7的光路，以利用结构化光从期望的角度照射对象9。由此，投影仪7可相对于相机2被设置在不导致从不利的角度照射对象9的实际位置。
图2示出包括3D扫描仪的主体3的横截面图的示意性正面视图。这允许看到主体3内部以及其中的所有电子器件。除了图形卡10之外，主体还包含电源16、主板18以及硬盘20或固态盘20作为电子部件。主板18承载至少一个中央处理单元(CPU)，其被编程以执行根据本发明的方法，或者换句话说，组合来自不同位置的3D坐标以计算对象9的表面的所得总3D坐标集合。
图4示出用于3D扫描仪的定位装置1的示意性横切视图。切割平面B在图1中示出为线B。图5示出穿过图1的3D扫描仪的定位装置的示意性横切视图。切割平面A在图1中示出为线A。
球形台1包含重物24，其将球形台1的质心向下(在图2至图5中下面，在图1中到图像平面中)转移。由此，使球形台1的所示的中心位置和所有其它可能的位置稳定。该中心位置由使放置有对象9或固定有对象9的顶表面与地面平行的平面表征。换言之：台1的表面垂直于重力对齐。重物24可被其它重物代替和/或侧向移动以使质心适应要扫描的不同对象。为此，重物24通过螺钉38固定到球形台1。通过更换重物24，可确保其上具有对象9的球形台1的质心保持在独立于球形台1的位置的地方。换言之：通过调整重物24，可使台1和对象9系统的质心移动到由球形台1的球面限定的球体的中心，从而避免在球形台旋转的情况下任何扭矩作用在球形台1上。由此，球形台1的质心、或者球形台1和对象9系统的质心移动到或靠近球形台1可绕其旋转的三个轴线的交叉点。
在球形台1内部安装有作为加速度计的陀螺仪传感器26。陀螺仪传感器26可以是包括至少一个陀螺仪传感器26和线性加速度计的惯性测量单元(IMU)的一部分。陀螺仪传感器26能够测量球形台1的任何旋转。此外，电源28和WIFI模块30被设置在球形台1内。WIFI模块30连接到陀螺仪传感器26并且能够将所测量的球形台1的位置变化发送到主体3的主板18上的CPU。
球形台1具有单独的开关32，可通过该开关32单独地打开和关闭台1的电源。球形台1由具有中空凹陷的支撑件34承载，球形台1的球面可在该中空凹陷中绕三个轴线自由地旋转。支撑件34由支架8和支柱6中的两个承载。用于球形台1的支撑件34通过两个螺钉36固定到支柱6。重物24通过螺钉38固定到球形台1的内表面。用于球形台1的至少一个球脚轮40偏心地安装以可移动地支撑球形台1。如果球脚轮40可由电机(未示出)驱动，则所述至少一个球脚轮40还可用于测量和/或驱动球形台1在支撑结构22内的旋转。
主体3的电源16向所有其它电子部件、向投影仪7、相机2和球形台1连同支撑结构22的电源28供电。球形台1的电源可独立于电源16构建，以避免限制或干扰可移动球形台1的旋转。为此，电池或蓄电池可用作电源。主板18承载至少一个处理控制单元(CPU)，并且将所述至少一个CPU连接到图形卡10和硬盘20或固态盘20，并间接地连接到球形台1的相机2、投影仪7和WIFI模块30。硬盘20或固态盘20允许暂时地和永久地存储所有数据。该数据例如可以是来自相机2的原始数据、以及由CPU考虑由陀螺仪传感器26测量的旋转对齐或者由IMU测量的旋转和线性对齐从这些原始数据计算的对象的经处理的3D坐标。因此，主体3可被视为3D扫描仪的计算机系统。
对象9的表面的测量可根据下面的示例来进行：将对象9放置在球形台1的上平坦表面上或固定到该上平坦表面。对象9和球形台1的位置先保持不变并限定对象9的第一位置。通过陀螺仪传感器26或者包含至少一个陀螺仪传感器26的IMU测量起始位置，并且通过由WIFI模块将数据发送到连接到主板18的接收器(未示出)从而发送到在主板18上的CPU，来传送信息。投影仪7利用结构化光照射对象9。相机2接收来自两个不同角度的反射光。图形卡10计算在球形台1的第一位置下对象9的照射表面的3D坐标。这些3D坐标与位置数据一起被存储到硬盘20或固态盘20。
通过使球形台1枢转、倾斜或旋转来改变球形台1的位置以及由此改变球形台1上的对象9的位置。通过陀螺仪传感器26或IMU来测量位置的变化。位置的变化可手动地驱动，或者通过驱动至少一个球脚轮40或使用电机(未示出)来驱动。一旦台1停止移动或者通过手动或自动创建的信号被启动，就到达球形台1和在球形台1上的对象9的第二位置并通过陀螺仪传感器26或IMU测量该第二位置，并且如上所述由WIFI模块30传送数据。通过投影仪7照射处于第二位置的对象9的表面并且由相机2记录来自对象9的反射光，并且处于第二位置的对象9的表面坐标如上所述生成并与新的位置数据一起存储在硬盘20或固态盘20上。可针对台1和对象9的一个或更多个附加位置同样地重复测量。
主板18上的CPU通过组合存储在硬盘20或固态盘20上的3D坐标并考虑对象的不同位置来计算对象表面的最终组合的3D坐标集合，如同扫描模块2、7同样地围绕对象9移动一样。该组合的3D坐标集合被保存到硬盘20或固态盘20和/或被发送到外部计算机(未示出)以供继续使用。优选地，组合的3D坐标集合按照可用于CAD-CAM系统的CAD格式被存储和/或发送。
在以上描述、权利要求书、附图和示例性实施方式中公开的本发明的特征可单独地以及按照任何组合为实现本发明的各种实施方式所必要的。
标号列表
1 定位装置/球形台
2 相机/扫描模块
3 主体
4 支撑臂
5 板
6 支柱
7 投影仪/扫描模块
8 支架
9 对象
10 图形卡/电子器件
12 开关
14 开关
15 反射镜
16 电源
18 主板
20 硬盘/固态盘
22 支撑结构
24 重物
26 陀螺仪传感器/加速度计
28 电源模块
30 WIFI模块
32 开关
34 用于传感器的支撑件
36 螺钉
38 螺钉
40 用于定位装置的球脚轮

Claims (18)

1.一种3D扫描仪，该3D扫描仪包括：
至少一个扫描模块(2,7)，所述至少一个扫描模块(2,7)用于获取对象(9)的表面的三维3D坐标，以及
定位装置(1)，所述对象(9)能放置或能固定在该定位装置(1)上，由此所述定位装置(1)能相对于所述至少一个扫描模块(2,7)移动，并且所述3D扫描仪还包括：
至少一个加速度计(26)，所述至少一个加速度计(26)被配置为测量所述定位装置(1)相对于所述扫描模块(2,7)的位置变化，以及
第一处理单元，该第一处理单元连接到所述至少一个扫描模块(2,7)和所述定位装置(1)以用于接收数据，由此
所述至少一个加速度计(26)中的一个加速度计(26)位于所述定位装置(1)中，或者所述至少一个加速度计(26)中的一个加速度计(26)位于所述定位装置(1)中并且另一个加速度计(26)位于所述扫描模块(2,7)中。
2.根据权利要求1所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述定位装置(1)相对于所述扫描模块(2,7)绕两个不同的轴线(X,Y)，优选两个垂直轴线(X,Y)，或者绕三个不同的轴线(X,Y,Z)，优选三个垂直轴线(X,Y,Z)能旋转地安装，并且所述至少一个加速度计(26)被配置为测量所述定位装置(1)相对于所述扫描模块(2,7)绕这些轴线(X,Y)或(X,Y,Z)的旋转。
3.根据权利要求1或2所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述至少一个加速度计(26)是至少一个陀螺仪传感器(26)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述至少一个加速度计(26)被配置为沿着定义和设定的自由度测量所述定位装置(1)相对于所述扫描模块(2,7)的任何位置变化。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述第一处理单元或第二处理单元：
被配置为使从所述扫描模块(2,7)获取的3D坐标与从所述至少一个加速度计(26)接收的位置数据相关联，和/或
被配置为使所述对象(9)的不同位置的3D坐标彼此相关联，和/或
被配置为通过将在不同位置获取的所述对象(9)的3D坐标叠加并且通过考虑所述对象(9)的位置变化来计算3D坐标的组合。
6.根据权利要求5所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述3D扫描仪还包括存储有相关联的数据的存储器元件(20)，并且所述第一处理单元或所述第二处理单元被配置为通过相对于由所述加速度计(26)测量的位置数据的变化匹配所获取的所述对象(9)的所述表面的坐标来计算所述对象(9)的总表面。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述定位装置(1)相对于所述扫描模块(2,7)能沿着两个不同的方向或者沿着三个不同的方向移位，并且所述3D扫描仪包括线性加速度计以及作为所述至少一个加速度计(26)中的一个的陀螺仪传感器(26)，所述线性加速度计被配置为测量由所述定位装置(1)相对于所述扫描模块(2,7)的平移引起的定位装置(1)的位置变化，所述陀螺仪传感器(26)被配置为测量由所述定位装置(1)相对于所述扫描模块(2,7)的旋转引起的所述定位装置(1)的角度变化。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述3D扫描仪是3D牙科扫描仪，并且假牙、一套假牙、局部义齿、全口义齿、义齿基托、牙印模以及患者口腔的一部分的模型中的至少一个是所述对象(9)并且能放置在所述定位装置(1)上或者能固定到所述定位装置(1)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述定位装置(1)相对于所述扫描模块(2,7)能手动地旋转或者能旋转并且能线性移动，或者所述定位装置(1)相对于所述扫描模块(2,7)沿着预设自由度能手动地旋转或者能旋转并且能线性移动。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述3D扫描仪不包括用于使所述定位装置(1)相对于所述扫描模块(2,7)移动的像电机那样的致动器。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述3D扫描仪还包括定时器，并且所述第一处理单元被配置为通过确定由所述至少一个加速度计(26)或包括所述至少一个加速度计(26)的IMU所测量的位置的变化来确定所述定位装置(1)相对于所述扫描模块(2,7)是否移动或者该移动是否超过预定角速度和/或线速度极限。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述第一处理单元被配置为基于所述定位装置(1)的移动的确定来开始和停止扫描处理和/或确定所述对象(9)的3D坐标是否被存储在存储器中。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述扫描模块(2,7)是结构化光扫描模块(2,7)。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述定位装置(1)的质量分布被平衡，以使得所述定位装置(1)的质心、或者所述定位装置(1)和所述对象(9)系统的质心处于至少两个轴线交叉的交叉点处，或者在该交叉点的、所述定位装置(1)的最大直径的约10％内，所述定位装置(1)能绕该至少两个轴线水平地旋转。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的3D扫描仪，其特征在于，
所述定位装置(1)包含重物(24)或能更换的重物(24)，通过所述重物(24)或所述能更换的重物(24)使所述定位装置(1)的质心、或者所述定位装置(1)和对象(9)系统的质心移动到或靠近至少两个轴线交叉的交叉点，所述定位装置(1)能绕该至少两个轴线旋转。
16.一种用于扫描对象(9)的表面以获取所述表面的三维3D坐标的方法，该方法包括以下按时间顺序的步骤：
将所述对象(9)放置在定位装置(1)上或固定到定位装置(1)；
借助于至少一个加速度计(26)来测量所述定位装置(1)的第一位置；
通过扫描模块(2,7)来描述所述对象(9)的表面；
优选地通过所述对象(9)或所述定位装置(1)的手动移动，使所述定位装置(1)相对于所述扫描模块(2,7)旋转至少一次到至少一个第二位置；
通过所述至少一个加速度计(26)来确定所述至少一个第二位置；
在所述至少一个第二位置中的每一个处通过所述扫描模块(2,7)扫描所述对象(9)的表面；以及
通过使在至少两个位置处的表面扫描与由所述至少一个加速度计(26)确定的位置相关联来获得所述对象(9)的所述表面的3D坐标数据。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，
通过将在不同位置处的表面扫描的相关联的坐标叠加来计算所述对象(9)的总3D坐标表面数据。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，
通过根据权利要求1至15中的任一项所述的3D扫描仪来执行所述方法。
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