CN205426071U - 一种基于线结构光的三维视觉测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于线结构光的三维视觉测量装置，包括：机架；设于所述机架上的水平位置调整机构；设于所述水平位置调整机构上的竖直位置调整机构；以及设于所述竖直位置调整机构上的CMOS相机，其中，所述CMOS相机的下方旁侧设有激光发射器。本实用新型具有确保在保证测量精度的前提下尽可能地测量效率，同时能解决现阶段系统体积过大及测量误差过高的问题的有益效果。

Description

一种基于线结构光的三维视觉测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种非接触式视觉成像尺寸测量装置，更具体地，涉及一种基于线结构光的三维视觉测量装置。

背景技术

非接触式尺寸测量系统以光电、电磁、超声波等技术为基础，在仪器的测量元件不与被测物体表面接触的情况下，即可获得被测物体的各种外表或内在的尺寸数据特征。非接触式尺寸测量系统与传统的接触式测距系统相比精度更高、操作更方便、安全系数更高、洁净度高、测量过程中对被测物的污染程度小，从而被应用于工业生产及科学研究的多个领域。

典型的非接触式尺寸测量方法如激光三角法、电涡流法、超声测量法、视觉成像测量法、超声波测量法等等，其中视觉成像测量法是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS相机和CCD相机两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作，在测量缺陷和防止缺陷产品被配送到消费者的功能方面具有不可估量的价值。

线结构光三维视觉在景物或物体的三维视觉成像信息提取中占有重要地位，它以其大量程、大视场、较高的精度、光纹信息提取简单、实时性强和主动受控等特点，在三维物体重建、工业视觉测量和机器人自主导引中得到了愈来愈广泛的应用。

线结构光三维视觉测量是基于光学三角法原理，采用的是激光照明的线结构光传感器，通过把一片状激光束投射到被测物体表面，在物体表面形成一投射亮线，从与投影方向不同的另一个方向观察该线，由于受到物体高度的调制，该亮线发生变形，通过对像面上亮线像坐标的计算可以得到物面上一个剖面的高度数据。如果再加上一维扫描就可以得到三维面形分布，便可以重现物体表面形廓，构成三维视觉。

但是，现有市场上视觉成像测量系统功能单一，测量系统体积占用过大，对于尺寸结构复杂、待测量的尺寸特征繁多特别是对于具有曲面特征的尺寸测量花费时间过多，需要反复装卸待测物件，从而导致测量过程效率低下并且反复拆卸容易导致待测物件表面损伤。

实用新型内容

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型的目的是提供一种基于线结构光的三维视觉测量装置，对现有的非接触式视觉成像尺寸测量装置进行优化改进，确保在保证测量精度的前提下尽可能地测量效率，同时能解决现阶段系统体积过大及测量误差过高的问题。为了实现根据本实用新型的这些目的和其他优点，提供了一种基于线结构光的三维视觉测量装置，其特征在于，包括：

机架；

设于所述机架上的水平位置调整机构；

设于所述水平位置调整机构上的竖直位置调整机构；以及

设于所述竖直位置调整机构上的CMOS相机，其中，所述CMOS相机的下方旁侧设有激光发射器。

优选的是，所述水平位置调整机构包括在水平面内相互垂直的横向位置调整电机与纵向位置调整电机。

优选的是，所述竖直位置调整机构包括竖直支撑架以及竖直位置调整电机，其中，所述竖直支撑架的一端与所述水平位置调整机构相连，所述竖直支撑架的另一端与竖直位置调整电机相连。

优选的是，所述竖直位置调整机构的驱动方向所在平面与所述水平位置调整机构的驱动方向所在平面相互垂直。

优选的是，所述CMOS相机通过相机支撑架与所述竖直位置调整电机相连接。

优选的是，所述CMOS相机的镜头下方设有环形光源。

优选的是，所述基于线结构光的三维视觉测量装置还包括控制系统，所述横向位置调整电机、纵向位置调整电机、竖直位置调整电机、CMOS相机、环形光源以及激光发射器均与所述控制系统电连接

本实用新型与现有技术相比，其有益效果是：

1.由于所述尺寸测量装置环绕设置在所述回转平台组件的外周，所述尺寸测量装置包括顺时针依次环绕设置的第一尺寸测量装置、以及至少两个第二尺寸测量装置，从而使得大大缩小了系统占用体积，此外流水线式的测量方式使得连续不间断地测量多尺寸成为可能；

2.由于所述回转平台组件包括圆盘状的回转盘、至少五个等间距地设置在所述回转盘的径向且呈放射状分布的待测物固定槽、以及安装在所述回转盘下表面用于驱动所述回转盘旋转的传动机构，从而使得在所述传动机构的驱动下，所述待测物固定槽可随所述回转盘的旋转而旋转；

3.由于所述第一尺寸测量装置包括驱动器、竖直设置且在所述驱动器的驱动下可绕其轴线旋转的支撑圆柱、以及与所述支撑圆柱固接的CMOS相机，从而使得所述第一尺寸测量装置的CMOS相机可在驱动器的驱动作用下绕支撑圆柱旋转，从而完成水平方向的位置调整；

4.由于所述第二尺寸测量装置包括机架、设于所述机架上的水平位置调整机构、设于所述水平位置调整机构上的竖直位置调整机构、以及设于所述竖直位置调整机构上的CMOS相机，从而使得第二尺寸测量装置的CMOS相机可在所述水平位置调整机构及竖直位置调整机构的作用下完成水平及竖直方向的位置调整；

5.由于所述激光发射器设置在所述第二尺寸测量装置的CMOS相机的下方旁侧，从而可实现系统的激光三角法测量功能；

6.由于所述CMOS相机的镜头下方均设有环形光源，使得可通过环形光源对待测物表面进行补光，从而获得成像效果较好的尺寸照片，提高测量精度，减少测量误差。

本实用新型的其他优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是根据本实用新型的一实施例中的基于线结构光的三维视觉回转式测量系统的轴测图；

图2是根据本实用新型的一实施例中的基于线结构光的三维视觉回转式测量系统除去壳体后的轴测图；

图3是根据本实用新型的一实施例中的基于线结构光的三维视觉回转式测量系统除去壳体后的正视图；

图4是根据本实用新型的一实施例中的基于线结构光的三维视觉回转式测量系统除去壳体后的俯视图；

图5是根据本实用新型的一实施例中的基于线结构光的三维视觉回转式测量系统的回转平台组件与尺寸测量装置的爆炸图；

图6是根据本实用新型的一实施例中的基于线结构光的三维视觉回转式测量系统的回转平台组件与尺寸测量装置的另一视角的爆炸图；

图7是根据本实用新型的一实施例中的基于线结构光的三维视觉回转式测量系统的第一尺寸测量装置的正视图；

图8是根据本实用新型的一实施例中的基于线结构光的三维视觉回转式测量系统中的基于线结构光的三维视觉测量装置即第二尺寸测量装置的轴测图；

图9是根据本实用新型的一实施例中的基于线结构光的三维视觉回转式测量系统中的基于线结构光的三维视觉测量装置即第二尺寸测量装置的正视图；

图10是根据本实用新型的基于线结构光的三维视觉测量系统的一实施例中的待测物的正视图；

图11是根据本实用新型的基于线结构光的三维视觉测量系统的一实施例中的待测物的正视图；

图12是激光三角测距系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，本实用新型的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

参照图1及图2，一实施例中的基于线结构光的三维视觉回转式测量系统100包括：控制系统(略画)、壳体组件110、尺寸测量装置120、回转平台组件130以及料盘组件140，其中，壳体组件110包括工作台111以及设于工作台111上的具有一定内部空间的防护壳体112，尺寸测量装置120环绕设置在回转平台组件130的外周，回转平台组件130设于工作台111上且位于防护壳体112内，料盘组件140包括待测品料盘143、合格品料盘141与不合格品料盘142。

参照图2至图4，尺寸测量装置120包括顺时针依次环绕设置的第一尺寸测量装置121、以及至少两个第二尺寸测量装置，回转平台组件130与尺寸测量装置120分别与所述控制系统电连接。作为一种方式，第一尺寸测量装置121设有1个，第二尺寸测量装置设有3个，其中至少一个第二尺寸测量装置中设有激光发射器，如图2中所示，第二尺寸测量装置为122、123及124，激光发射器124a仅设于第二尺寸测量装置124中。

参照图5及图6，回转平台组件130包括圆盘状的回转盘131、至少五个等间距地设置在回转盘131的径向且呈放射状分布的待测物固定槽132、以及安装在回转盘131下表面用于驱动回转盘131旋转的传动机构，其中所述传动机构包括传动电机133、换向器135以及设于换向器135旁侧的转速传感器134，作为一种实施方式，传动电机133的传动轴133a与换向器135的传动轴135a通过以传输皮带连接，转速传感器134的连接端134a与所述控制系统电连接。

参照图7，第一尺寸测量装置121包括驱动器121a、竖直设置且在驱动器121a的驱动下可绕其轴线旋转的支撑圆柱121b、以及通过固定架121c与支撑圆柱121b固接的CMOS相机121d。作为一种实施方式，CMOS相机121d的镜头下方设有环形光源121e，通过控制系统对环形光源121e进行调节可对待测物表面进行适当补光，从而提高拍摄精度，最终提高测量精度。

参照图8及图9，作为一种实施方式，根据本实用新型的基于线结构光的三维视觉测量装置即为基于线结构光的三维视觉回转式测量系统100中的第二尺寸测量装置124，其中第二尺寸测量装置124包括机架124j、设于机架124j上的水平位置调整机构、设于所述水平位置调整机构上的竖直位置调整机构、以及设于所述竖直位置调整机构上的CMOS相机124e，作为一种实施方式，所述水平位置调整机构包括在水平面内相互垂直的横向位置调整电机124i与纵向位置调整电机124h，所述竖直位置调整机构包括竖直支撑架124g以及竖直位置调整电机124f，CMOS相机124e通过相机支撑架124d与竖直位置调整电机124f相连接，CMOS相机124e的镜头下方设有环形光源124b，通过控制系统对环形光源124b进行调节可对待测物表面进行适当补光，从而提高拍摄精度，最终提高测量精度。其中至少一个第二尺寸测量装置中设有激光发射器124a，如图2中所示，第二尺寸测量装置为122、123及124，激光发射器124a仅设于第二尺寸测量装置124中，作为一种实施方式，激光发射器124a通过固定架124c设于CMOS相机124e的下方旁侧。

参照图5及图6，待测物固定槽131的数目为六个，第一尺寸测量装置121的CMOS相机与第二尺寸测量装置122、123、124的CMOS相机的镜头正下方均相对应地设置有待测物固定槽131。

再次参照图1至图3，作为一种实施方式，料盘组件140一直排开地设于工作台111上且位于防护壳体112的开口内侧。

工作原理：激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CMOS抓取光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。具体地，可参照图12，如图12所示，激光照在A点，反射到CMOS光敏面上的a点，A'点反射到CMOS光敏上的a'点，当所测距离Y不同时反映在光敏器件上的光点像位置X也随之不同，根据上图所示三角关系公式可得两者之间的关系为：

$Y=\frac{X\·l^2+l\·f\·L}{l\·f-X\·L}$

式中Y为被测距离，f为成像系统焦距，l为激光发射口到成像系统中心对应的距离，即基线长度，L为某一已知距离，通常取光敏面接收器中心对应的距离，即基准距离，X为该被测距离在光敏面接收器上与已知距离在光敏面接受上像点的距离，有正负之分。

上式中：X＝(MAXx-157)×0.015mm，MAXx为光斑圆心坐标。因此只要找出光斑圆心坐标位置，就能利用上式直接求出被测距离Y。

现通过对一待测物的尺寸测量步骤的说明来解释本实用新型中基于线结构光的三维视觉测量装置100的工作方式，参照图10及图11，待测物200大体为长方体形状的壳体结构，包括：长方形主体210、设于主体210两端的凸起部240、250，其中，主体210上开设有矩形槽230，主体210的裙壁与矩形槽230之间设有往矩形槽230内部逐渐下降的过渡圆弧曲面220，矩形槽230的底部设有由圆孔O1、O2连通而成的环形孔，矩形槽230的右侧设有关于对称中心Y轴对称的两个安装孔。参照图4、图7、图10及图11，具体测量步骤如下：(1)当待测物200位于第一尺寸测量装置121的CMOS相机121d的镜头下的待测物固定槽132内时，CMOS相机121d测量待测物200的两端突起物L1、L2之间的距离以及待测物200上下两侧边界L3、L4的宽度；(2)完成第一步测量后，待测物200在回转盘131的带动下转动到第二测量装置122的CMOS相机的镜头下方，此时的CMOS相机先是测量待测物200左右两侧边界L5、L6之间的距离，接着测量待测物200的主体210的裙壁的外侧L7、L8之间的距离以及L9、L10之间的距离，然后测量待测物200的矩形槽230的内侧上下边界L11、L12之间的距离；(3)完成第二部测量后，待测物200在回转盘131的带动下转动到第二测量装置123的CMOS相机的镜头下方，此时的CMOS相机先是通过测量待测物200的矩形槽230的内侧边界C1来确定待测物200横向及纵向的对称中心X轴、Y轴，接着测量待测物200的环形通孔的上边界D1与Y轴之间的距离，然后测量环形孔两端的圆孔O1、O2在X轴方向上的距离以及在Y轴方向的距离，接着测量环形孔的上下两侧D1、D2之间的距离，最后测量安装孔在X轴及Y轴方向上的距离；(4)通过测量P1～P6点的高度位置来获得曲面S1的位置数据，通过测量P7～P9的高度位置来获得曲面S2的位置数据，从而获得曲面S1与S2之间的位置数据，最后测量待测物200的矩形槽230的深度数据。将以上步骤测得的数据与数据库中的合格品数据进行对比，看待测物200的尺寸数据是否满足尺寸要求，若不满足，控制系统发出控制信号将不合格品放置于不合格品料盘142中等待回收；反之则将合格品放置于合格品料盘141中等待装箱或下一个步骤。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本实用新型的说明的。对本实用新型的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

如上所述，根据本实用新型，可以获得如下有益效果：

1.由于尺寸测量装置120环绕设置在回转平台组件130的外周，尺寸测量装置120包括顺时针依次环绕设置的第一尺寸测量装置121、以及至少两个第二尺寸测量装置122，从而使得大大缩小了系统占用体积，此外流水线式的测量方式使得连续不间断地测量多尺寸成为可能；

2.由于回转平台组件120包括圆盘状的回转盘131、至少五个等间距地设置在回转盘131的径向且呈放射状分布的待测物固定槽132、以及安装在回转盘131下表面用于驱动回转盘131旋转的传动机构，从而使得在所述传动机构的驱动下，待测物固定槽132可随回转盘131的旋转而旋转；

3.由于所述第一尺寸测量121装置包括驱动器121a、竖直设置且在驱动器121a的驱动下可绕其轴线旋转的支撑圆柱121b、以及与支撑圆柱121a固接的CMOS相机121d，从而使得第一尺寸测量装置121的CMOS相机121d可在驱动器121a的驱动作用下绕支撑圆柱121b旋转，从而完成水平方向的位置调整；

4.由于第二尺寸测量装置124包括机架124j、设于机架124j上的水平位置调整机构124i和124j、设于水平位置调整机构124i和124j上的竖直位置调整机构124f和124g、以及设于竖直位置调整机构124f和124g上的CMOS相机124e，从而使得第二尺寸测量装置124的CMOS相机124e可在所述水平位置调整机构及竖直位置调整机构的作用下完成水平及竖直方向的位置调整；

5.由于激光发射器124a设置在第二尺寸测量装置124的CMOS相机124e的下方旁侧，从而可实现系统的激光三角法测量功能；

6.由于所述CMOS相机的镜头下方均设有环形光源，使得可通过环形光源对待测物表面进行补光，从而获得成像效果较好的尺寸照片，提高测量精度，减少测量误差。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种基于线结构光的三维视觉测量装置，其特征在于，包括：

机架；

设于所述机架上的水平位置调整机构；

设于所述水平位置调整机构上的竖直位置调整机构；以及

设于所述竖直位置调整机构上的CMOS相机，其中，所述CMOS相机的下方旁侧设有激光发射器。

2.如权利要求1所述的基于线结构光的三维视觉测量装置，其特征在于，所述水平位置调整机构包括在水平面内相互垂直的横向位置调整电机与纵向位置调整电机。

3.如权利要求2所述的基于线结构光的三维视觉测量装置，其特征在于，所述竖直位置调整机构包括竖直支撑架以及竖直位置调整电机，其中，所述竖直支撑架的一端与所述水平位置调整机构相连，所述竖直支撑架的另一端与竖直位置调整电机相连。

4.如权利要求3所述的基于线结构光的三维视觉测量装置，其特征在于，所述竖直位置调整机构的驱动方向所在平面与所述水平位置调整机构的驱动方向所在平面相互垂直。

5.如权利要求4所述的基于线结构光的三维视觉测量装置，其特征在于，所述CMOS相机通过相机支撑架与所述竖直位置调整电机相连接。

6.如权利要求5所述的基于线结构光的三维视觉测量装置，其特征在于，所述CMOS相机的镜头下方设有环形光源。

7.如权利要求5所述的基于线结构光的三维视觉测量装置，其特征在于，所述基于线结构光的三维视觉测量装置还包括控制系统，所述横向位置调整电机、纵向位置调整电机、竖直位置调整电机、CMOS相机、环形光源以及激光发射器均与所述控制系统电连接。