CN110345866B - 一种用于手持扫描仪测孔的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于手持扫描仪测孔的测量装置和方法。该装置包括用于放置于待测工件孔位上的球体和平板，所述平板的一面面向所述球体且与所述球体固定连接，所述平板的另一面上设置有至少三个标识图形。本发明提供的技术方案可以有效提高对工件上“疑难孔”孔位的测量定位精度。

Description

一种用于手持扫描仪测孔的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及扫描仪技术领域，尤其涉及一种用于手持扫描仪测孔的测量装置和方法。

背景技术

在手持3D扫描仪对工件孔位进行测量时，通常需要要求包括孔位的采集图像满足“内黑外白”的条件，即，通过3D扫描仪采集的孔位图像，应当满足孔位内部为黑色，外部表面为白色，也就是如附图1所示。

但是，由于生锈、热处理、油渍、划痕和马克笔涂画等原因，将导致工件的金属材料表面偏暗，不满足“内黑外白”的条件，该种情况如附图2所示。同时，如果待测量的孔位较浅，其底部具有非常强烈的反光，也将不满足“内黑外白”的条件，该种情况如附图3所示。以上述两种情况为代表的孔位可称为“疑难孔”。

对于“疑难孔”，手持3D扫描仪在拍摄孔位图像时，即使将相机曝光值调至最大，也很难获取“内黑外白”的孔位图像。目前，主要是通过对原始获取的孔位图像进行图像预处理的方式以尽量使其满足“内黑外白”的条件。但是，一方面，造成“疑难孔”的原因较多，单一的图像预处理算法很难满足不同的情况，另一方面，图像预处理方式难免会对原始图像造成一定的改变，这将影响孔位测量定位的精度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于手持扫描仪测孔的测量装置和方法。

本发明提供一种用于手持扫描仪测孔的测量装置，包括用于放置于待测工件孔位上的球体和平板，所述平板的一面面向所述球体且与所述球体固定连接，所述平板的另一面上设置有至少三个标识图形。

本发明还提供一种用于手持扫描仪测孔的测量方法，采用如上所述的用于手持扫描仪测孔的测量装置，该方法包括如下步骤：

通过扫描仪对待测工件孔位所在平面进行扫描，获得所述平面的空间方程。

将所述用于手持扫描仪测孔的测量装置放置于所述待测工件孔位处，通过扫描仪对所述用于手持扫描仪测孔的测量装置进行扫描，获得平板上的标识图形的中心坐标信息。

通过所述标识图形的中心坐标信息与预先确定的所述用于手持扫描仪测孔的测量装置的标定信息，确定球体的空间方程，其中，所述标定信息包括所述平板上的所述标识图形与所述球体的球心的相对位置关系以及所述球体的直径。

根据所述平面的空间方程与所述球体的空间方程，确定所述待测工件孔位的空间方程。

本发明提供的用于手持扫描仪测孔的测量装置和方法的有益效果是，由于待测工件孔位横截面通常为圆形，将测量装置的球体部分放置于待测工件孔位处，特别是“疑难孔”孔位处，在手持3D扫描仪对待测工件孔位进行测量时，或者说，确定该孔位的空间方程时，可首先通过3D扫描仪测量计算得到未放置测量装置时的孔位所在平面的空间方程，然后基于平板上标识图形的标定信息和3D扫描仪对放置有测量装置的待测工件的扫描数据，计算得到此时测量装置的球体的空间方程。由于平面与球体的相交线便为待测工件孔位的准确轮廓，确定该相交线的空间方程便可确定待测工件孔位，特别是“疑难孔”孔位的空间位置信息，从而有效提高对工件上“疑难孔”孔位的测量定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为正常孔位图像的示意图；

图2为“疑难孔”孔位图像的示意图；

图3为“疑难孔”孔位图像的示意图；

图4为本发明实施例的用于手持扫描仪测孔的测量装置的结构示意图；

图5为本发明实施例的用于手持扫描仪测孔的测量装置的结构示意图；

图6为本发明实施例的用于手持扫描仪测孔的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图4和图5所示，本发明实施例提供的用于手持扫描仪测孔的测量装置包括用于放置于待测工件孔位4上的球体1和平板2，平板2的一面面向球体1且与球体1固定连接，平板2的另一面上设置有至少三个标识图形21。

在本实施例中，由于待测工件孔位4横截面通常为圆形，将测量装置的球体1部分放置于待测工件孔位4处，特别是“疑难孔”孔位处，在手持3D扫描仪对待测工件孔位4进行测量时，或者说，确定该孔位的空间方程时，可首先通过3D扫描仪测量计算得到未放置测量装置时的孔位所在平面5的空间方程，然后基于平板2上标识图形21的标定信息和3D扫描仪对放置有测量装置的待测工件的扫描数据，计算得到此时测量装置的球体1的空间方程。由于平面5与球体1的相交线便为待测工件孔位5的准确轮廓，确定该相交线的空间方程便可确定待测工件孔位5，特别是“疑难孔”孔位的空间位置信息，从而有效提高对工件上“疑难孔”孔位的测量定位精度。

优选地，标识图形21为环形结构，标识图形21的外圈和内圈之间设置有反光材料。

在本优选实施例中，在通过手持3D扫描仪进行扫描时，由于标识图形21可为贴设于平板2上的反光材料，可以快速确定标识图形21在扫描仪整体采集图像中的位置，进而对其进行边缘提取等操作，并确定其中心点坐标等定位信息。

优选地，标识图形21的内圈内设置为与所述反光材料颜色不同的颜色。

在本优选实施例中，由于在通常对工件平面进行扫描时，会通过平面上的常规标志图形进行辅助，而目前的常规标志图形通常为圆形的反光材料区域，为了区别于常规标志图形，将标识图形21设置环形结构，可以避免将常规标志图形和标识图形21误辨认，使二者分别准确发挥各自的作用。将标识图形21的内圈设置为例如黑色，可以增加标识图形21环内与内圈内的对比度，更易实现对标识图形21的识别。

优选地，该测量装置还包括连杆3，球体1与平板2通过连杆3固定连接。

优选地，连杆3与平板2垂直设置，且连杆2沿球体1的径向延伸。

在本优选实施例中，在对测量装置进行标定的过程中，由于平板2需要转动至不同位置，但需要满足其上的标识图形21均可被固定的扫描仪7拍摄到，通过在球体1与平板2之间设置连杆3，可以改变标识图形21与球体1球心的距离，使其更易出现于扫描仪7的视场内。

具体地，对于不同的孔位，可以将球体1设置为不同直径，例如15mm至40mm。标识图形21的数量也可根据实际需求设定，例如3个、4个或5个。

本发明实施例提供的用于手持扫描仪测孔的测量方法，采用如上所述的用于手持扫描仪测孔的测量装置，该方法包括如下步骤：

S1，通过扫描仪对待测工件孔位4所在平面5进行扫描，获得平面5的空间方程。

具体地，获得平面5的空间方程的过程具体包括：

通过扫描仪获得平面5的点云数据；根据所述点云数据，确定平面5的空间方程。

其中，在获得平面的点云数据后，可通过SVD(Singular Value Decomposition，奇异值分解)进行平面拟合，获得平面的空间方程。

另外，也可使用扫描仪的配套软件导入平面的空间方程。

S2，将所述用于手持扫描仪测孔的测量装置放置于待测工件孔位4处，通过扫描仪对所述用于手持扫描仪测孔的测量装置进行扫描，获得平板2上的标识图形21的中心坐标信息。

具体地，获得平板2上的标识图形21的中心坐标信息的过程具体包括：

通过扫描仪的不同相机分别获得包括标识图形21的图像，对所述图像进行边缘提取，获得标识图形21的边缘坐标信息；根据所述边缘坐标信息进行椭圆拟合，获得拟合椭圆图形；基于双目视觉原理，根据扫描仪的不同相机分别对应的所述拟合椭圆图形的中心，确定所述中心坐标信息。

其中，3D扫描仪通常包括两个相机，二者可分别采集包括标识图形21的图像。标识图形21实际轮廓为圆形，但如果扫描仪的拍摄方向与平板2并不完全垂直，则采集图像中的标识图形21将显示为椭圆形，通过边缘提取与椭圆拟合可获得椭圆的中心，也就是相当于各采集图像中实际为圆形的标识图形21的中心。随后通过匹配两个相机采集图像各自的中心，可获得标识图形21实际的中心坐标信息。

S3，通过标识图形21的中心坐标信息与预先确定的所述用于手持扫描仪测孔的测量装置的标定信息，确定球体1的空间方程，其中，所述标定信息包括平板2上的标识图形21与球体1的球心的相对位置关系以及球体1的直径。

具体地，需要事先对所述用于手持扫描仪测孔的测量装置进行标定，以获得其标定信息。

确定所述用于手持扫描仪测孔的测量装置的标定信息的过程具体包括：

如图6所示，通过扫描仪7对放置于支座6上的所述用于手持扫描仪测孔的测量装置进行扫描，获得扫描数据，其中，所述扫描数据包括各标识图形21的中心坐标；保持球体1与支座6的相对位置不变，并转动球体1，以使平板2与支座6的相对位置发生变化，当平板2与支座6的相对位置发生变化时，获得至少三组不同的所述扫描数据，也就是说，即使球体1发生转动，但其球心位置不动，且扫描仪7依然可以拍摄到平板2上的标识图形21并获取其中心坐标等扫描数据；根据至少三组所述扫描数据，确定平板2上的至少三个标识图形21与球体1的球心的相对位置关系以及球体1的直径。球体1的直径也可直接测量获得。

其中，以平板2上具有五个标识图形21为例。首先将测量装置置于支座6的初始位置，使各标识图形21均位于扫描仪7的视场范围内，通过扫描仪7分别获得初始位置的五个标识图形21的中心坐标(P_a1，P_a2，P_a3，P_a4，P_a5)，并将此时的扫描仪7的坐标系作为测量装置的坐标系。

然后将测量装置的球体1进行转动，使各标识图形21的位置发生变化，但依然均位于扫描仪7的视场范围内，通过扫描仪7再次分别获得五个标识图形21在此位置的中心坐标(P_i1，P_i2，P_i3，P_i4，P_i5)。由于在标定过程中，需要将平板2，或者更具体而言，将标识图形21转动至不同位置，换言之，需要获取标识图形21位于n(n≥3)个位置处的中心坐标，i可从第一个位置一直取至第n个位置，即，i＝[1，2，…，n]。P_a为初始位置处的中心坐标，P_i则为转动过程中第i个位置处的中心坐标。标识图形21在不同位置下的中心坐标之间符合刚体变换关系：

P_i＝R_iP_a+T_i。

其中，R_i为旋转矩阵，T_i为平移向量。

假设球体1的球心坐标在测量装置的坐标系下的坐标为P_{a_sph}，在扫描仪7的坐标系下的坐标为P_{s_sph}，则其在两个坐标系下同样满足刚体变换关系：

P_{s_sph}＝R₁P_{a_sph}+T₁；

P_{s_sph}＝R₂P_{a_sph}+T₂；

…

P_{s_sph}＝R_nP_{a_sph}+T_n。

将上式两两相减，获得下式：

(R₁-R₂)P_{a_sph}＝T₂-T₁；

(R₂-R₃)P_{a_sph}＝T₃-T₂；

…

(R_n-1-R_n)P_{a_sph}＝T_n-T_n-1。

由于P_{a_sph}表示X、Y、Z三个方向的未知坐标，且不同位置处的旋转矩阵和平移向量可以通过测量获得，则上式中相当于仅有三个未知数，通过测量获得标识图形21转动在至少三个(也就是n≥3)不同位置处的中心坐标，即可计算获得球体1的球心坐标在测量装置的坐标系下的坐标P_{a_sph}。

将测量装置的坐标系原点平移至P_{a_sph}坐标处，坐标轴方向通过主成分分析确定，便可获得各标识图形21的中心坐标与球体1的球心的相对位置关系。

S4，根据平面5的空间方程与球体1的空间方程，确定待测工件孔位4的空间方程。

具体地，确定待测工件孔位4的空间方程的过程具体包括：

根据平面5的空间方程与球体1的空间方程，确定平面5与球体1的相交线的空间方程，将所述相交线的空间方程作为待测工件孔位4的空间方程。

其中，由于球体1与平面5的相交线便是准确的圆形孔位的轮廓线，通过平面5的空间方程与球体1的空间方程便可确定相交线的空间方程，也就是待测工件孔位4的空间位置信息，特别是“疑难孔”孔位的空间位置信息，从而有效提高对工件上“疑难孔”孔位的测量定位精度。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于手持扫描仪测孔的测量方法，其特征在于，采用用于手持扫描仪测孔的测量装置，所述方法包括如下步骤：

通过扫描仪对待测工件孔位（4）所在平面（5）进行扫描，获得所述平面（5）的空间方程；

将所述用于手持扫描仪测孔的测量装置放置于所述待测工件孔位（4）处，通过扫描仪对所述用于手持扫描仪测孔的测量装置进行扫描，获得平板（2）上的标识图形（21）的中心坐标信息；

通过所述标识图形（21）的中心坐标信息与预先确定的所述用于手持扫描仪测孔的测量装置的标定信息，确定球体（1）的空间方程，其中，所述标定信息包括所述平板（2）上的所述标识图形（21）与所述球体（1）的球心的相对位置关系以及所述球体（1）的直径；

根据所述平面（5）的空间方程与所述球体（1）的空间方程，确定所述待测工件孔位（4）的空间方程；

所述用于手持扫描仪测孔的测量装置，包括用于放置于待测工件孔位（4）上的球体（1）和平板（2），所述平板（2）的一面面向所述球体（1）且与所述球体（1）固定连接，所述平板（2）的另一面上设置有至少三个标识图形（21）。

2.根据权利要求1所述的用于手持扫描仪测孔的测量方法，其特征在于，获得所述平面（5）的空间方程的过程具体包括：

通过扫描仪获得所述平面（5）的点云数据；

根据所述点云数据，确定所述平面（5）的空间方程。

3.根据权利要求1所述的用于手持扫描仪测孔的测量方法，其特征在于，获得平板（2）上的标识图形（21）的中心坐标信息的过程具体包括：

通过扫描仪的不同相机分别获得包括所述标识图形（21）的图像，对所述图像进行边缘提取，获得所述标识图形（21）的边缘坐标信息；

根据所述边缘坐标信息进行椭圆拟合，获得拟合椭圆图形；

基于双目视觉原理，根据扫描仪的不同相机分别对应的所述拟合椭圆图形的中心，确定所述中心坐标信息。

4.根据权利要求1所述的用于手持扫描仪测孔的测量方法，其特征在于，确定所述用于手持扫描仪测孔的测量装置的标定信息的过程具体包括：

通过扫描仪（7）对放置于支座（6）上的所述用于手持扫描仪测孔的测量装置进行扫描，获得扫描数据，其中，所述扫描数据包括各所述标识图形（21）的中心坐标；

保持所述球体（1）与所述支座（6）的相对位置不变，并转动所述球体（1），以使所述平板（2）与所述支座（6）的相对位置发生变化，当所述平板（2）与所述支座（6）的相对位置发生变化时，获得至少三组不同的所述扫描数据；

根据至少三组所述扫描数据，确定所述平板（2）上的至少三个所述标识图形（21）与所述球体（1）的球心的相对位置关系以及所述球体（1）的直径。

5.根据权利要求1至4任一项所述的用于手持扫描仪测孔的测量方法，其特征在于，确定所述待测工件孔位（4）的空间方程的过程具体包括：

根据所述平面（5）的空间方程与所述球体（1）的空间方程，确定所述平面（5）与所述球体（1）的相交线的空间方程，将所述相交线的空间方程作为所述待测工件孔位（4）的空间方程。

6.根据权利要求1所述的一种用于手持扫描仪测孔的测量方法，其特征在于，所述标识图形（21）为环形结构，所述标识图形（21）的外圈和内圈之间设置有反光材料。

7.根据权利要求6所述的一种用于手持扫描仪测孔的测量方法，其特征在于，所述标识图形（21）的内圈内设置为与所述反光材料颜色不同的颜色。

8.根据权利要求1、6、7任一项所述的一种用于手持扫描仪测孔的测量方法，其特征在于，还包括连杆（3），所述球体（1）与所述平板（2）通过所述连杆（3）固定连接。

9.根据权利要求8所述的一种用于手持扫描仪测孔的测量方法，其特征在于，所述连杆（3）与所述平板（2）垂直设置，且所述连杆（2）沿所述球体（1）的径向延伸。

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