CN109746943A - 3d结构光扫描装置及智能制造机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能制造技术领域，尤其是涉及一种3D结构光扫描装置及智能制造机器人。本发明提供一种3D结构光扫描装置，包括：扫描组件和支座组件；支座组件与智能制造机器人连接；扫描组件包括摄像机和至少一个发射座，一个发射座上设有一个发射头，摄像机和发射座并列设置在支座组件上，发射座与支座组件活动连接，以调节发射头发射轴线与摄像机摄像轴线之间的夹角。本发明提供的3D结构光扫描装置缓解了相关技术中3D扫描常造成的扫描数据模糊的问题，以及在智能制造机器人上集成3D结构光扫描装置，使3D结构光扫描装置与3D打印等功能结合，更加智能方便。

Description

3D结构光扫描装置及智能制造机器人

技术领域

本发明涉及智能制造技术领域，尤其是涉及一种3D结构光扫描装置及智能制造机器人。

背景技术

20世纪虚拟现实(VR)技术作为一门崭新的综合性信息技术出现，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术的技术分支，同时诞生的还有3D立体扫描技术，3D扫描技术的目标是解决虚拟现实技术的实现真实场景过程中的数据获取的难题。

特别是对于机器视觉和机器人技术而言，它们都得益于精确和自适应的3D捕捉功能。其它针对3D扫描的应用包括生物识别、安防、工业检查、质量控制、医疗、牙科和原型设计等等。

3D扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，能够通过提取一个物体的表面和物理测量，获得该物体的表面的空间坐标，这些数据被采集为一个由X，Y和Z坐标(表示物体外部表面)组成的点云，进而通过分析确定被扫描物体的表面积、体积、表面形状、外形和特征尺寸，最终实现将实物的立体信息转换为计算机能够直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当快捷的手段。

3D扫描技术根据双目测距法的特性，要想得到被扫描物体的360°完整截面图，必须使被扫描物体旋转一周，摄像机全方位测距后，才能得到完整的截面，否则将会由于某一部分扫描数据的残缺而无法开始建立完整的3D模型。

3D扫描技术可以分为被动方式和主动方式，被动方式是不需要特定的光源，完全依靠物体所处的自然光条件进行扫描，常采用双目技术，但是精度低，只能扫描出有几何特征的物体，不能满足很多领域的要求。

主动方式是向物体投射特定的光，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢。

同时由于扫描得到的点云越密集越可以创建更精确的模型，现有的3D扫描常由于被扫描物体的转动造成扫描数据模糊不清，得到的截面图不精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D结构光扫描装置及智能制造机器人，以缓解相关技术中3D扫描常造成的扫描数据模糊的问题，以及在智能制造机器人上集成3D结构光扫描装置，使3D结构光扫描装置与3D打印等功能结合，更加智能方便。

本发明提供一种3D结构光扫描装置，包括：扫描组件和支座组件；所述支座组件与智能制造机器人连接；

所述扫描组件包括摄像机和至少一个发射座，一个所述发射座上设有一个发射头，所述摄像机和所述发射座并列设置在所述支座组件上，所述发射座与所述支座组件活动连接，以调节所述发射头发射轴线与所述摄像机摄像轴线之间的夹角。

进一步的，

所述支座组件设有连接组件；

所述连接组件包括第一螺钉，所述第一螺钉连接所述发射座与所述支座组件。

进一步的，

所述连接组件包括两个所述第一螺钉；

两个所述第一螺钉沿所述发射头轴线方向排布。

进一步的，

所述连接组件包括导向槽，所述导向槽沿所述发射头轴线方向延伸；

所述第一螺钉和所述第二螺钉均设于所述导向槽中，所述发射头能够沿着导向槽延伸方向移动。

进一步的，

所述发射座与所述摄像机接触处为向靠近所述摄像机方向凸起的圆弧结构。

进一步的，

所述发射座为两个，两个所述发射座设置在所述摄像机轴线两侧，两个所述发射座上均设有所述发射头。

进一步的，

所述支座组件为直角结构。

进一步的，

所述摄像机为COMS摄像机模组。

本发明提供一种智能制造机器人，包括智能机器人主轴和所述的3D结构光扫描装置；

所述3D结构光扫描装置设于所述智能机器人主轴上。

更进一步的，

所述智能制造机器人包括控制系统，所述控制系统与所述3D结构光扫描装置的摄像机和发射头电连接。

本发明提供的3D结构光扫描装置，包括：扫描组件和支座组件；支座组件与智能制造机器人连接；扫描组件包括摄像机和至少一个发射座，一个发射座上设有一个发射头，摄像机和发射座并列设置在支座组件上，发射座与支座组件活动连接，以调节发射头发射轴线与摄像机摄像轴线之间的夹角。

在智能制造机器人原油功能上集成3D结构光扫描装置，通过发射头提供定位照明功能，通过摄像机采集发射头照射的线性带状区域数据计算被照射工件的坐标，由于摄像机和工件位置不变，可通过调整发射头照射角度改变照射区域，避免摄像机或工件的运动造成拍摄模糊的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的3D结构光扫描装置的整体结构正面示意图；

图2为本发明实施例提供的3D结构光扫描装置的整体结构的侧面示意图；

图3为本发明实施例提供的3D结构光扫描装置的整体结构的俯视示意图。

图标：100－扫描组件；110－摄像机；120－发射座；130－发射头；200－支座组件；210－连接组件；211－第一螺钉；212－导向槽；300－智能制造机器人。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的3D结构光扫描装置的整体结构正面示意图；

图2为本发明实施例提供的3D结构光扫描装置的整体结构的侧面示意图；

图3为本发明实施例提供的3D结构光扫描装置的整体结构的俯视示意图。

本发明实施例中提供一种3D结构光扫描装置，包括：扫描组件100和支座组件200；支座组件200与智能制造机器人300连接；

扫描组件100包括摄像机110和至少一个发射座120，一个发射座120上设有一个发射头130，摄像机110和发射座120并列设置在支座组件200上，发射座120与支座组件200活动连接，以调节发射头130发射轴线与摄像机110摄像轴线之间的夹角。

也即，摄像机110和发射座120并列设置在距离工件一定范围的圆周上，发射座120上设有发射头130，并且发射头130和摄像机110的镜头方向均朝向工件方向，发射座120与支座组件200为活动连接，也即，发射座120能够在支座组件200上活动，发射座120的作用是支撑发射头130，使发射头130能够发射光束，为摄像机110的摄像提供照明。

3D结构光扫描装置工作时，首先在支座组件200上固定摄像机110和发射座120的位置，调整摄像机110和发射头130的镜头角度，再将工件固定在智能制造机器人300的自动夹紧装置上，使工件能够在自动夹紧装置上实现转动，并且保持工件的旋转中心与摄像机110之间的距离不变，保持发射头130发射的光束经过该工件的旋转轴线后照射到工件的表面上，则摄像机110在发射头130提供的光束照明下能够采集发射头130照射的区域后根据成像原理和摄像机110与工件之间的固定距离计算出工件照射区域内的XYZ坐标，并且将该XYZ坐标传输至计算机，随着工件的360°旋转，发射头130依次照射工件上的每一带状区域，摄像机110完成工件全部表面的计算扫描工作，并将全部数据传输至计算机，由计算机软件完成对扫描数据的处理。

由于本实施例中固定了摄像机110和发射头130的位置，使摄像机110固定不动，使得工件定心转动，则当摄像机110摄像轴线和发射头130发射轴线均能通过工件的旋转中心时，即能够保证摄像完整，又能避免扫描过程中容易出现的扫描数据模糊不清的情况。

并且，由于发射头130与摄像机110并未设置在通过被扫描工件的同一延长线上，也即发射头130与摄像机110之间存在以被扫描工件为圆心形成的圆形周向上的距离。

如若发射头130的发射轴线与摄像机110摄像轴线为平行关系，则发射头130发射光线和摄像机110取景方向为平行关系，则会导致发射头130阻挡摄像机110摄像或摄像机110阻挡光源等情况，使发射头130的作用减半或失效，因此发射头130的发射轴线与与摄像机110摄像轴线之间具有角度。

本发明实施例提供的3D结构光扫描是结构光式的扫描，也属于主动方式，通过投射同时多条光线，就可以采取物体的一个表面，只需要几个面的信息就可以完成扫描，是扫描速度快，而且可编程实现对扫描图像的显现。

本实施例中采用的摄像机110为COMS摄像机110模组，具体的是，采用的COMS高清免驱最小USB电脑微型监控摄像机110模组采集被扫描工件的图像。

CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor(互补金属氧化物半导体)的缩写，是一块可读写的RAM芯片，因为可读写的特性，所以能够用来保存BIOS设置参数后的数据，并且COMS摄像机110模组中通过使用COMS镜头，利用photodiode进行光与电的转换，经光电转换后直接产生电流(或电压)信号，信号读取十分简单，COMS还可以将所有逻辑和控制环都放在同一个硅芯片块上，可以使摄像机110变得简单并易于携带，因此CMOS摄像机110可以做得非常小。

由于CMOS图像传感器的应用，高集成单芯片CMOS图像传感器使有关图像的应用更容易实现，增加和改善了许多功能，如自动增益控制、自动曝光控制、伽玛校正、背景补偿和自动黑点校正。

在其他实施例中还可使用CCD图像传感器，CCD图像传感器能输出模拟电信号，输出的电信号需经后续地址译码模数转化图像信号处理器处理。

本实施例中采用的发射头130为一字激光头二极管模组水平定位灯，一字型激光发射头130能够智能反馈控制电路，并且具有高效透过率光学系统和高效的能光功率输出。

进一步的，本发明的其他实施例中还提供一种智能制造机器人300，该智能制造机器人300包括智能机器人主轴和上述3D结构光扫描装置。

本实施例通过在智能制造机器人300原有功能上集成3D结构光扫描装置，使智能制造机器人300功能更加丰富，也使3D结构光扫描装置能够与智能制造机器人300上的3D打印等功能结合，对工件完成从夹紧到扫描成图像，最终打印出来的完整过程。

智能制造机器人300包括控制系统，控制系统与3D结构光扫描装置的摄像机110和发射头130电连接。

控制系统能够控制摄像机110和发射头130的开关，以及控制工件的旋转。

具体是将3D结构光扫描装置通过支座组件200固定在智能制造机器人300的主轴上，使扫描组件100固设于支座组件200远离智能制造机器人300主轴一侧，扫描组件100中包括摄像机110和至少一个发射座120，一个发射座120上设有一个发射头130，使摄像机110的镜头对准工件方向，发射座120上的发射头130也对准工件方向。

在本发明的其他实施例中可设置发射座120为两个，两个发射座120设置在摄像机110轴线两侧，两个发射座120上均设有发射头130。

两个发射座120设置在摄像机110的两侧，能够从摄像路线的两侧全面的照射工件，使工件坐标更加清晰。则摄像机110轴线两侧分别设置一个发射头130，两个发射头130能够更加完整清楚的对工件照明，本实施例中两个发射头130沿摄像机110轴线对称设置，并且优选发射座120转动角度相同。

进一步的，支座组件200设有连接组件210；

连接组件210包括第一螺钉211，第一螺钉211连接发射座120与支座组件200。

第一螺钉211垂直贯穿发射座120和支座组件200连接的端面，将发射座120和支座组件200连接。

在其它实施例中，连接组件210包括两个第一螺钉211；

两个第一螺钉211沿发射头130轴线方向排布。

也即，两个第一螺钉211均垂直贯穿发射座120和支座组件200连接的端面，并且，两个第一螺钉211沿发射头130发射轴线方向排布。

更进一步的是，连接组件210包括导向槽212，导向槽212沿发射头130轴线方向延伸；

两个第一螺钉211均设于导向槽212中，发射头130能够沿着导向槽212延伸方向移动。

也即，两个第一螺钉211贯穿导向槽212后与支座组件200连接，且导向槽212为沿发射头130发射轴线方向延伸的凹槽，则发射座120能够在两个第一螺钉211的限制下，沿着导向槽212的方向转动。

当连接组件210中为一个第一螺钉211时，导向槽212可设置为多种形状，如可设置为沿发射头130发射轴线方向延伸的直线型，则发射座120能够沿着直线型的导向槽212靠近或远离被扫描工件，还可为垂直发射头130发射轴线方向延伸的直线型，则发射座120能够沿着导向槽212左右移动靠近或远离摄像机110，还可为弧线形等多种形状，可通过改变导向槽212的形状和长度对发射头130进行调整。

当连接组件210中包括两个第一螺钉211时，导向槽212可设置还可设置为沿发射头130发射轴线方向延伸或垂直发射头130发射轴线方向延伸的直线型，此时可通过逐渐扩大两个第一螺钉211之间的距离渐渐锁紧发射座120，当两个第一螺钉211之间的距离为直线型导向槽212的长度时，发射座120不能在支座组件200上移动。

本发明实施例中提供的导向槽212的形状为圆弧形，且圆弧半径与发射座120和摄像机110接触处的圆弧半径相同，则两个第一螺钉211能够起到限定转动的作用，使发射座120在一定的范围内进行转动，进一步调整发射头130发射光束的角度和范围。发射座120与摄像机110接触处为凸起方向向摄像机110方向的圆弧结构。

也即，发射座120与摄像机110接触处为向靠近摄像机110方向凸起的圆弧结构。发射座120靠近摄像机110一侧为圆弧结构，圆弧凸出方向朝向摄像机110方向，圆弧结构的发射座120能够方便转动，减少转动中对摄像机110的影响。

支座组件200为直角结构，直角结构的支座组件200的一侧壁上设置扫描组件100，另一侧壁与智能制造机器人300连接，则能够将3D结构光扫描装置固定在智能制造机器人300上。

本发明实施例还提供一种智能制造机器人300，该智能制造机器人300包括以上的3D结构光扫描装置。

该智能制造机器人300还可包括控制系统、3D打印装置、工件自动装夹装置、切削加工装置等，控制系统与摄像机110、发射头130等电连接。

具体的是，工件自动装夹装置将工件固定，通过3D结构光扫描装置扫描工件的XYZ坐标后将扫描数据上传至计算机，由计算机软件将扫描数据生成工件的立体图，并进一步将立体图切片生成有关工件的层片图案，将该层片图案传输至3D打印装置中，由3D打印装置将工件打印成型。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种3D结构光扫描装置，其特征在于，包括：扫描组件和支座组件；所述支座组件与智能制造机器人连接；

所述扫描组件包括摄像机和至少一个发射座，一个所述发射座上设有一个发射头，所述摄像机和所述发射座并列设置在所述支座组件上，所述发射座与所述支座组件活动连接，以调节所述发射头发射轴线与所述摄像机摄像轴线之间的夹角。

2.根据权利要求1所述的3D结构光扫描装置，其特征在于，所述支座组件设有连接组件；

所述连接组件包括第一螺钉，所述第一螺钉连接所述发射座与所述支座组件。

3.根据权利要求2所述的3D结构光扫描装置，其特征在于，所述连接组件包括两个所述第一螺钉；

两个所述第一螺钉沿所述发射头轴线方向排布。

4.根据权利要求3所述的3D结构光扫描装置，其特征在于，所述连接组件包括导向槽，所述导向槽沿所述发射头轴线方向延伸；

两个所述第一螺钉均设于所述导向槽中，所述发射头能够沿着导向槽延伸方向移动。

5.根据权利要求1所述的3D结构光扫描装置，其特征在于，所述发射座与所述摄像机接触处为向靠近所述摄像机方向凸起的圆弧结构。

6.根据权利要求1所述的3D结构光扫描装置，其特征在于，所述发射座为两个，两个所述发射座设置在所述摄像机轴线两侧，两个所述发射座上均设有所述发射头。

7.根据权利要求1所述的3D结构光扫描装置，其特征在于，所述支座组件为直角结构。

8.根据权利要求1所述的3D结构光扫描装置，其特征在于，所述摄像机为COMS摄像机模组。

9.一种智能制造机器人，其特征在于，包括智能机器人主轴和权利要求1－8任一项所述的3D结构光扫描装置；

所述3D结构光扫描装置设于所述智能机器人主轴上。

10.根据权利要求9所述的智能制造机器人，其特征在于，所述智能制造机器人包括控制系统，所述控制系统与所述3D结构光扫描装置的摄像机和发射头电连接。