ES2857587T3

ES2857587T3 - Escáner 3D con sensor giroscópico

Info

Publication number: ES2857587T3
Application number: ES17158105T
Authority: ES
Inventors: Loris Maccaferri; Andrea Grandi; Valerio Zaminato
Original assignee: Kulzer GmbH; Kulzer and Co GmbH
Current assignee: Kulzer GmbH
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2037-02-27
Also published as: KR101985724B1; CN108507461A; KR20180099497A; US20180246210A1; US10459083B2; EP3367053B1; JP2018183562A; EP3367053A1; JP6793632B2; DK3367053T3

Abstract

Escáner 3D que comprende al menos un módulo de exploración (2, 7) para adquirir las coordenadas tridimensionales (3D) de una superficie de un objeto (9) y un dispositivo de posicionamiento (1) en el que el objeto (9) se puede colocar o fijar, por lo que el dispositivo de posicionamiento (1) se puede mover con relación al al menos un módulo de exploración (2, 7), comprendiendo además el escáner 3D al menos un sensor giroscópico (26), que está configurado para medir un cambio de la posición del dispositivo de posicionamiento (1) con respecto al módulo de exploración (2, 7), y una primera unidad de procesamiento que está conectada al al menos un módulo de exploración (2, 7) y al dispositivo de posicionamiento (1) para recibir los datos, caracterizado por que un sensor giroscópico (26) del al menos un sensor giroscópico (26) se encuentra en el dispositivo de posicionamiento (1), y el dispositivo de posicionamiento (1) es una mesa esférica transportada en una estructura de soporte en la que la mesa esférica puede girar alrededor de tres ejes.

Description

DESCRIPCION

Escáner 3D con sensor giroscópico

La invención se refiere a un escáner 3D que comprende al menos un módulo de exploración para adquirir las coordenadas de una superficie de un objeto. La invención también se refiere a un método para escanear una superficie de un objeto para adquirir las coordenadas tridimensionales (3D) de la superficie.

Los escáneres tridimensionales (escáneres 3D) para escanear las superficies 3D de objetos se utilizan ampliamente. Los escáneres 3D son dispositivos que miden las coordenadas (X, Y, Z) para cada punto o multitud de puntos de la superficie de un objeto. El documento EP 3081 980 A1 describe un dispositivo de exploración óptica y un dispositivo de iluminación que usa un eje giratorio para hacer girar una superficie de difusión anisotrópica mientras se ilumina un haz de luz coherente sobre la superficie de difusión anisotrópica. Un método y sistema para adquirir las coordenadas 3D de una superficie de un objeto mediante el uso de un láser se describe en el documento US 2016/169659 A 1. Un escáner láser que mide las coordenadas 3D desde dos posiciones que incluye al menos un acelerómetro y un giroscopio se conoce por el documento US 2016/245918 A1. Estos escáneres 3D son y pueden usarse solo para escanear un objeto alejado en un entorno. No es posible una medición precisa de una superficie de un objeto y, por lo tanto, tales escáneres no pueden usarse para escanear con precisión la estructura fina de una superficie de un objeto. Un escáner 3D que comprende un proyector de luz estructurada se conoce por el documento US 2016/173 855 A1. Este escáner 3D es capaz de medir exactamente la superficie del objeto sin contacto con una alta precisión mediante el uso de una descomposición espectral. Sin embargo, aunque la configuración es costosa y todas las piezas necesitan un servicio para trabajar superficies complicadas, no se pueden medir fácilmente con esta configuración.

El resultado de tal medición puede considerarse como un mapa llamado de "profundidad" de la superficie como una imagen, ya que la profundidad (o distancia) Z generalmente se expresa sobre la base de la posición (X, Y) en un sistema de coordenadas Cartesianas. Los mapas de profundidad así recopilados se pueden utilizar para construir imágenes sintéticas tridimensionales (objetos digitales) para diversos fines.

El documento US 2011/270562 A1 describe un sensor giroscópico configurado para medir los cambios de posición de una unidad de medición de perfiles. Los documentos US 2013/133168 A1 y EP 3 023 736 A1 describen dispositivos de medición que tienen dispositivos de posicionamiento movibles. El documento EP 2 400 261 A1 describe un módulo de exploración capaz de evitar errores tales como inestabilidad y desenfoque por el movimiento durante una medición de una imagen individual, resultante de vibraciones rápidas y movimientos del objeto escaneado en relación con la cámara y el proyector durante una exploración de una imagen individual.

Los escáneres 3D sin contacto son, por ejemplo, sistemas estereoscópicos basados en el uso de dos cámaras como módulos de exploración, estando las cámaras ligeramente separadas y apuntando hacia la misma escena, para lo cual la profundidad se deduce de la deformación geométrica entre las dos imágenes.

Los denominados escáneres 3D de "luz estructurada" son una familia específica de escáneres 3D sin contacto. Estos escáneres están constituidos por un proyector de luz, generalmente producido en el principio de un videoproyector o constituido por un sistema láser que genera franjas de interferencia (para la técnica llamada "desplazamiento de fase"), y al menos una cámara como módulo de exploración que está geométricamente desplazada con respecto al proyector para producir una configuración estereoscópica. El proyector proyecta un patrón de luz llamado "estructurado", que tiene una o dos dimensiones geométricas (por ejemplo, una línea o una imagen), posiblemente coloreadas, sobre la superficie a medir. La cámara, colocada a una distancia del proyector denominada “base estéreo”, adquiere y graba una imagen de la escena. El patrón estructurado proyectado está constituido por patrones elementales (también llamados “elementos estructurados”) elegidos apropiadamente para que sea posible detectarlos en la imagen adquirida.

Una desventaja de estos sistemas es que son en su mayoría complicados de usar y se necesitan una multitud de exploraciones desde diferentes ángulos para obtener coordenadas si una gran proporción de un objeto a escanear se registra en 3D o si se deben escanear superficies complicadas, incluyendo concavidades. El objeto debe reposicionarse manualmente o el módulo de exploración debe moverse alrededor del objeto o el escáner 3D tiene que comprender una multitud de módulos de exploración que escaneen el objeto desde diferentes ángulos.

Por tanto, el problema de la invención es superar las desventajas de la técnica anterior. En particular, se encontrará un escáner 3D, mediante el cual se puede escanear en detalle una gran fracción de la superficie de un objeto relativamente pequeño, incluso si la superficie es complicada. El escáner 3D debe ser fácil de usar y de configuración simple y de bajo precio, si es posible. Además, el escáner 3D se podrá utilizar de forma flexible y cumplir los requisitos individuales del usuario.

Los problemas de la invención se resuelven mediante un escáner 3D que comprende al menos un módulo de exploración para adquirir las coordenadas tridimensionales (3D) de una superficie de un objeto y un dispositivo de posicionamiento en el que el objeto se puede colocar o fijar, por lo que el dispositivo de posicionamiento se puede mover con respecto al al menos un módulo de exploración, y el escáner 3D comprende además al menos un sensor giroscópico, que está configurado para medir un cambio de la posición del dispositivo de posicionamiento con respecto al módulo de exploración, y una primera unidad de procesamiento que está conectada al al menos un módulo de exploración y al dispositivo de posicionamiento para recibir los datos, en el que un sensor giroscópico del al menos un sensor giroscópico está situado en el dispositivo de posicionamiento y siendo el dispositivo de posicionamiento una mesa esférica transportada en una estructura de soporte en la que la mesa esférica puede girar alrededor de los tres ejes.

Preferiblemente, el al menos un sensor giroscópico es un sensor giroscópico (en el sentido de un solo sensor giroscópico). Este sensor giroscópico está situado en el dispositivo de posicionamiento movible para detectar el movimiento del dispositivo de posicionamiento en relación con las otras partes estacionarias del escáner 3D. Los datos son recibidos por la primera unidad de procesamiento desde el módulo de exploración y desde el sensor giroscópico.

El al menos un sensor giroscópico puede ser parte de una unidad de medición inercial (IMU) que comprende además al menos un acelerómetro. Sin embargo, preferiblemente solo se necesita un sensor giroscópico para mantener el simple escáner 3D.

De acuerdo con la invención, el dispositivo de posicionamiento está montado giratoriamente alrededor de los tres ejes diferentes (X, Y, Z), preferiblemente tres ejes perpendiculares (X, Y, Z), con respecto al módulo de exploración y el al menos un sensor giroscópico está configurado para medir la rotación del dispositivo de posicionamiento alrededor de estos ejes (X, Y) o (X, Y, Z) con respecto al módulo de exploración.

De este modo, es posible escanear el objeto desde diferentes lados sin mover el módulo de exploración y aún escanear casi toda la superficie del objeto y también las estructuras superficiales complicadas del objeto.

Se propone además que un sensor giroscópico del al menos un sensor giroscópico esté situado en el módulo de exploración.

Esto asegura medir con precisión el movimiento relativo entre el módulo de exploración y el dispositivo de posicionamiento. Por lo tanto, se puede determinar la perspectiva exacta del módulo de exploración sobre el módulo en el objeto y se pueden calcular las coordenadas de la superficie del objeto a partir de las diferentes exploraciones. Además, puede estar previsto que el al menos un sensor giroscópico esté configurado para medir cualquier cambio de la posición del dispositivo de posicionamiento con respecto al módulo de exploración a lo largo de grados de libertad definidos y establecidos.

Mediante el uso de grados de libertad definidos y establecidos para el movimiento relativo, es posible determinar fácil y exactamente el cambio de la posición relativa del dispositivo de posicionamiento con respecto al módulo de exploración.

Un desarrollo adicional de la invención también propone que, la primera unidad de procesamiento o una segunda unidad de procesamiento esté configurada para correlacionar las coordenadas 3D adquiridas del módulo de exploración con los datos de posición recibidos del al menos un sensor giroscópico y/o esté configurada para correlacionar las coordenadas 3D de diferentes posiciones del objeto entre sí y/o esté configurada para calcular una combinación de coordenadas 3D superponiendo las coordenadas 3D adquiridas del objeto en diferentes posiciones y teniendo en cuenta el cambio de posición del objeto.

De este modo, el cálculo de las coordenadas de la superficie total resultante puede ser ampliamente automatizado y realizado mediante el escáner 3D de acuerdo con la invención. El escáner 3D así construido no solo brinda la oportunidad de calcular las coordenadas 3D, sino que también calcula y presenta fácilmente las coordenadas de superficie 3D resultantes del objeto.

Dichos escáneres 3D de acuerdo con la invención pueden diseñarse además para comprender un elemento de memoria en el que se almacenen los datos correlacionados y la primera o segunda unidad de procesamiento pueden estar configuradas para calcular una superficie total del objeto haciendo coincidir las coordenadas adquiridas de la superficie del objeto con respecto al cambio de los datos de posición medidos por el sensor giroscópico.

De esta manera se completa aún más la posibilidad de calcular completamente las coordenadas de la superficie del objeto mediante el escáner 3D.

En otra realización del escáner 3D, el dispositivo de posicionamiento se puede desplazar en dos direcciones diferentes o en tres direcciones diferentes con respecto al módulo de exploración y el escáner 3D comprende un acelerómetro, estando configurado el acelerómetro para medir el cambio de posición del dispositivo de posicionamiento provocado por la traslación del dispositivo de posicionamiento con respecto al módulo de exploración. Preferiblemente, el escáner 3D comprende una IMU que contiene el sensor giroscópico y el acelerómetro.

De este modo, los objetos más grandes o los objetos largos también se pueden escanear mediante un escáner 3D compacto de acuerdo con la invención.

En un desarrollo adicional de la invención, se propone que el objeto del escáner 3D sea un escáner dental 3D y al menos uno de un diente protésico, de un conjunto de dientes protésicos, de una dentadura postiza parcial, de una dentadura postiza completa, de una base de dentadura postiza, de una impresión dental y de un modelo de una parte de la cavidad bucal de un paciente y que se pueda colocar o fijar en el dispositivo de posicionamiento.

El escáner 3D de acuerdo con la invención es particularmente útil para escanear la dentición o dientes protésicos, ya que es compacto y puede escanear el objeto desde diversas posiciones. La parte de una cavidad bucal suele ser un modelo de la mucosa bucal con o sin dentición residual sobre la que se coloca una base de dentadura, o una corona o puente dental, o en la que se insertan los implantes dentales.

En los escáneres 3D preferidos, el dispositivo de posicionamiento se puede rotar manualmente o puede rotar y se puede mover de forma lineal con respecto al módulo de exploración o el dispositivo de posicionamiento se puede rotar manualmente o puede rotar y se puede mover de forma lineal con un grado de libertad preestablecido en relación con el módulo de exploración.

De este modo, se puede usar un módulo de exploración estacionario mientras el objeto se mueve manualmente para escanear el objeto desde diferentes ángulos. El operador del escáner 3D a menudo sabe mejor qué perspectivas se necesitan o son particularmente útiles para medir las superficies relevantes, rápida y eficientemente. Por tanto, un dispositivo de posicionamiento movible manualmente puede resultar útil para beneficiarse de la comprensión del usuario. De este modo, el proceso de exploración es más fácil y ahorra tiempo.

Se propone además que el escáner 3D no tenga que comprender un actuador tal como un motor para mover el dispositivo de posicionamiento con relación al módulo de exploración.

Al no hacer uso de un actuador tal como un motor, el escáner 3D es menos costoso pero aún así es adecuado para escanear completamente todas las superficies accesibles del objeto. Además, hay menos piezas que pueden causar problemas durante el proceso de exploración y que puedan fallar y necesiten ser reparadas.

Además, de acuerdo con la invención, se puede prever que el escáner 3D además comprenda un temporizador y que la primera unidad de procesamiento esté configurada para determinar si hay un movimiento del dispositivo de posicionamiento con respecto al módulo de exploración o si este movimiento excede un límite de velocidad angular y/o lineal predefinido al determinar el cambio de la posición medida por el al menos un sensor giroscópico o una IMU que comprenda el al menos un sensor giroscópico.

De este modo, el escáner 3D puede decidir si se puede utilizar una exploración realizada. Alternativa o adicionalmente, se podría corregir mediante el cálculo, para obtener un resultado más preciso, una exploración durante la cual el objeto se ha movido.

En realizaciones preferidas del escáner 3D, la primera unidad de procesamiento está configurada para iniciar y detener un proceso de exploración y/o para determinar si las coordenadas 3D del objeto están almacenadas o no en una memoria, basándose en una determinación de un movimiento del dispositivo de posicionamiento.

De este modo, el escáner 3D puede decidir si se puede iniciar un proceso de exploración. Alternativa o adicionalmente, se podría corregir mediante el cálculo, para obtener un resultado más preciso, una exploración durante la cual el objeto se ha movido.

De acuerdo con una forma de realización particularmente preferida de la invención, se puede prever que el módulo de exploración sea un módulo de exploración de luz estructurada.

Un módulo de exploración de luz estructurada funciona proyectando una banda estrecha de luz sobre una superficie de forma tridimensional y produce una línea de iluminación que parece distorsionada desde otras perspectivas distintas de las del proyector. Puede utilizarse de acuerdo con la invención para obtener la reconstrucción geométrica exacta de la forma de la superficie del objeto. Un método más rápido y versátil es la proyección de patrones que constan de muchas franjas a la vez, o de franjas arbitrarias, porque esto permite la adquisición de una multitud de muestras simultáneamente. Visto desde diferentes puntos de vista, el patrón aparece geométricamente distorsionado debido a la forma de la superficie del objeto. Aunque son posibles muchas otras variantes de proyecciones de luz estructuradas y se considera que están dentro del alcance de la invención, se utilizan preferiblemente los patrones de rayas paralelas o una cuadrícula para la presente invención. El desplazamiento de las rayas o la cuadrícula permite una recuperación exacta de las coordenadas 3D de cualquier detalle en la superficie del objeto.

También puede estar previsto que el dispositivo de posicionamiento esté equilibrado en su distribución de masa de modo que el centro de la masa del dispositivo de posicionamiento o del dispositivo de posicionamiento del sistema y el objeto esté en un punto de cruce donde se cruzan al menos dos ejes alrededor de los cuales el dispositivo de posicionamiento puede girar horizontalmente o dentro de aproximadamente el 10% del diámetro máximo del dispositivo de posicionamiento de este punto de cruce.

De este modo, es posible girar el dispositivo de posicionamiento sin o solo un bajo momento resultante del par que actúa sobre el dispositivo de posicionamiento cuando está en una posición desplazada o girada. La posición girada del dispositivo de posicionamiento se estabiliza mecánicamente mediante este ajuste.

De acuerdo con otra realización preferida de la invención, el dispositivo de posicionamiento contiene un peso o un peso intercambiable mediante el cual el centro de la masa del dispositivo de posicionamiento o del dispositivo de posicionamiento del sistema y el objeto se mueve hacia o cerca de un punto de cruce donde al menos se cruzan dos ejes alrededor de los cuales puede girar el dispositivo de posicionamiento.

De este modo, es posible girar el dispositivo de posicionamiento sin que un momento resultante del par que actúa sobre el dispositivo de posicionamiento en una posición desplazada o girada incluso si se intercambia el objeto a escanear. La posición girada se estabiliza mecánicamente mediante este ajuste.

Preferiblemente, los datos de posición del al menos un sensor giroscópico se transfieren por medio de una técnica inalámbrica a la primera unidad de procesamiento. Por lo tanto, puede estar previsto que el escáner 3D comprenda un módulo para la transferencia inalámbrica de datos que esté conectado al al menos un sensor giroscópico y esté dispuesto para transferir los datos de posición desde el sensor giroscópico de forma inalámbrica a un receptor conectado y, por lo tanto, a la primera unidad de procesamiento que está conectada al receptor. El receptor puede estar incorporado en un placa base que porta la primera unidad de procesamiento.

La primera unidad de procesamiento es preferiblemente una unidad de procesamiento central.

De acuerdo con la invención, el dispositivo de posicionamiento se realiza como una mesa esférica transportada en una estructura de soporte en la que la mesa esférica se puede girar alrededor de tres ejes. La parte inferior de la mesa esférica está realizada por una superficie esférica, en particular por un hemisferio, que se puede girar con respecto al centro de la esfera. Por supuesto, la superficie esférica de la mesa es solo un área esférica, tal como la superficie esférica de un segmento o sector esférico.

De acuerdo con una realización preferida de la invención, el dispositivo de posicionamiento está soportado por un cojinete de bolas o al menos una bola loca. El rodamiento de bolas o la al menos una bola loca puede estar realizado mediante la estructura de soporte o por el propio dispositivo de posicionamiento.

Los objetivos de la invención también se logran mediante un método para escanear una superficie de un objeto para adquirir las coordenadas tridimensionales (3D) de la superficie, preferiblemente haciendo uso de un escáner 3D de acuerdo con la presente invención, que comprende las siguientes etapas cronológicas.

A) el objeto se coloca o se fija a un dispositivo de posicionamiento, en el que el dispositivo de posicionamiento es una mesa esférica transportada en una estructura de soporte en la que la mesa esférica puede girar alrededor de tres ejes;

B) se mide una primera posición del dispositivo de posicionamiento por medio de al menos un sensor giroscópico, que se encuentra en el dispositivo de posicionamiento;

C) una superficie del objeto es escaneada por un módulo de exploración;

D) el dispositivo de posicionamiento se hace girar al menos una vez con respecto al módulo de exploración hasta al menos una segunda posición, preferiblemente mediante un movimiento manual del objeto o del dispositivo de posicionamiento;

E) la al menos una segunda posición queda determinada por el al menos un sensor giroscópico;

F) el módulo de exploración escanea una superficie del objeto en cada una de las al menos una segunda posición; y

G) los datos de las coordenadas 3D de la superficie del objeto se obtienen correlacionando los exploraciones de la superficie en las al menos dos posiciones con las posiciones determinadas por el al menos un sensor giroscópico.

La al menos una segunda posición es diferente a la primera posición. Preferiblemente, los datos correlacionados se almacenan en una memoria.

En los métodos preferidos, un total de datos de la superficie de coordenadas 3D del objeto se calcula superponiendo las coordenadas correlacionadas de las exploraciones de la superficie en las diferentes posiciones.

De este modo, se utiliza una forma sencilla de calcular las coordenadas 3D totales resultantes de la superficie del objeto.

Preferiblemente, el método se realiza mediante un sensor 3D de acuerdo con la invención.

La invención se basa en el sorprendente hallazgo de que, al determinar la posición de un dispositivo de posicionamiento, al que está fijado el objeto a escanear o sobre el que se coloca el objeto a escanear, en relación con un módulo de exploración, que puede diseñarse estático, es posible escanear coordenadas 3D de la superficie del objeto en diferentes ángulos utilizando un sensor giroscópico para determinar cualquier rotación del dispositivo de posicionamiento y midiendo así una gran proporción de la superficie del objeto. Una ventaja adicional es que el módulo de exploración no necesita ser movible y, por lo tanto, puede fijarse al cuerpo principal estático del escáner 3D. Además, la invención permite construir un dispositivo de posicionamiento manualmente movible, que permite al usuario del escáner 3D decidir en qué ángulos se debe escanea el objeto, midiendo el cambio de posición del dispositivo de posicionamiento con respecto a las otras partes del escáner 3D o con respecto al módulo de exploración estático. De este modo, se puede construir un escáner 3D de bajo costo. Para objetos pequeños, como dientes protésicos o dentaduras postizas parciales o completas o impresiones dentales o modelos de una cavidad bucal de un paciente, se prefiere de acuerdo con la invención permitir solo la rotación del dispositivo de posicionamiento y solo medir en diferentes ángulos de una rotación alrededor de dos o tres o más ejes del objeto o del dispositivo de posicionamiento respectivamente con relación al módulo de exploración por medio de al menos un sensor giroscópico. Para este propósito, el al menos un sensor giroscópico se encuentra como una parte del dispositivo de posicionamiento. Es posible medir las coordenadas 3D de la superficie del objeto incluso si la superficie tiene una forma compleja como cavidades u orificios.

El sensor 3D y el método de acuerdo con la presente invención tienen la ventaja de una complejidad reducida de la estructura mecánica y el beneficio de un tercer eje de movimiento adicional utilizable, que mejora la precisión de exploración del objeto. Este efecto tiene un gran impacto si el dispositivo de posicionamiento se puede girar libremente en todas las direcciones, incluso si algunas están limitadas. Si el movimiento se acciona manualmente en lugar de utilizar motores y dispositivos electrónicos de control, el costo necesario para producir, manejar y reparar el escáner 3D se reduce significativamente en comparación con los escáneres 3D totalmente automatizados. Además, el escáner 3D de acuerdo con la presente invención permite perspectivas seleccionadas individualmente para el proceso de exploración y por lo tanto se pueden adaptar procedimientos de exploración optimizados a la forma externa del objeto a escanear y/o a la superficie parcial a escanear.

De acuerdo con la invención, se utiliza una mesa esférica móvil para realizar un dispositivo de posicionamiento de un escáner 3D de acuerdo con la presente invención. Para ser precisos, se puede utilizar una sección de una esfera que se pueda mover libremente para realizar el dispositivo de posicionamiento. Esta mesa esférica movible o esférica seccionada para el dispositivo de posicionamiento conforma una plataforma que en principio tiene un número infinito de posiciones de reposo con respecto a seis grados de libertad, que son la rotación alrededor de los ejes X, Y y Z junto con la traslación en sentido X, Y y/o Z, si la estructura de soporte que soporta la mesa esférica se puede desplazar en las tres direcciones. Al escanear un objeto, el software del programa necesita un punto de partida definido y cada posición subsiguiente para cada exploración adicional para alinear correctamente los datos de la cuadrícula resultantes para calcular las coordenadas 3D de la superficie medida del objeto.

Sensores tradicionales montados mecánicamente como sensores de efecto Hall, algunos sensores ópticos y otros no se pueden montar ni utilizar porque, las posiciones de la mesa esférica son infinitas y el movimiento de la mesa esférica requiere una superficie geométrica esférica ininterrumpida para que la mesa funcione correctamente. La adición de un sistema inercial para rastrear la localización de la posición durante las exploraciones permite usar una geometría esférica para el movimiento del modelo de exploración ganando un eje adicional de rotación sobre el movimiento tradicional de dos ejes. Los datos de la posición (las coordenadas 3D medidas de una sola exploración) se pasan por cable, WIFI, bluetooth o cualquier otra tecnología a un software de adquisición que se ejecuta en la primera unidad de procesamiento para la alineación de los datos de la cuadrícula. La mesa esférica se puede accionar manual o automáticamente mediante motores paso a paso u otra tecnología similar.

El objetivo de medir la posición podría haberse logrado alternativamente mediante dos métodos básicos. Primero, mecánicos: se utilizan sensores específicos (codificadores) para cada grado de libertad de la mesa móvil. Tales realizaciones son mecánicamente complejas. En segundo lugar, ópticos: se agregan algunas etiquetas especiales a la mesa móvil. El módulo de exploración, tales como las cámaras de exploración estéreo, reconoce las etiquetas para cualquier posición de la mesa y un ordenador con software calcula la posición de la mesa. Estas etiquetas deben limpiarse y ser visibles en cualquier condición por el módulo de exploración. El objeto a escanear puede ocluir las etiquetas y el polvo puede ocultarlas total o parcialmente, impidiendo la medición. Por tanto, ambos métodos tienen ciertos inconvenientes que se superan con el uso del sensor giroscópico de acuerdo con la presente invención.

De acuerdo con la realización preferida, se montan una serie de placas de circuitos electrónicos integrados dentro de la mesa esférica que transmiten la localización de la posición en el espacio 3D al ordenador de exploración, ya sea de forma inalámbrica o mediante cable. Estos datos se utilizan para alinear correctamente los datos de la cuadrícula de las coordenadas medidas en la exploración siguiente.

Se explicarán ahora más realizaciones de la invención con referencia a cinco figuras esquemáticas a continuación, sin limitar no obstante la invención. En las que:

La figura 1 muestra una vista superior esquemática de un escáner 3D de acuerdo con la invención;

La figura 2 muestra una vista lateral frontal esquemática que incluye una vista en sección transversal del cuerpo principal del escáner 3D de acuerdo con la figura 1;

La figura 3 muestra una vista lateral esquemática del escáner 3D de acuerdo con las figuras 1 y 2;

La figura 4 muestra una vista esquemática en corte transversal a través del dispositivo de posicionamiento para el escáner 3D de la figura 1, a lo largo del plano de corte B; y

La figura 5 muestra una vista esquemática en corte transversal a través del dispositivo de posicionamiento para el escáner 3D de la figura 1, a lo largo del plano de corte A.

Las figuras 1, 2 y 3 muestran una vista superior esquemática, una vista lateral frontal y una vista lateral de un escáner 3D de acuerdo con la invención. El escáner 3D comprende una mesa esférica 1 que sirve como dispositivo de posicionamiento. La forma exterior de la mesa esférica 1 no es, de hecho, una esfera completa, sino una media esfera o hemisferio, que puede girar libremente en relación con el resto del escáner 3D alrededor de tres ejes perpendiculares. El ángulo máximo de rotación está definido por el extremo superior (en las figuras 2 a 5 arriba, en la figura 1 fuera del plano de la imagen en sentido del observador) de la mesa esférica 1. Una placa de mesa sobresale de la superficie esférica evitando así que la mesa esférica 1 pueda girar un máximo de 90° alrededor de los dos ejes horizontales. El escáner 3D también comprende dos cámaras 2 que pueden grabar imágenes estéreo desde la parte superior de la mesa esférica 1. Un cuerpo principal 3 contiene componentes electrónicos del escáner 3D. Desde el cuerpo principal 3, un brazo de soporte 4 y una placa 5 sostienen y colocan las cámaras 2. Preferiblemente, las cámaras 2 y por lo tanto el brazo de soporte 4 y la placa 5 están unidos rígidamente al cuerpo principal 3. Alternativamente, el brazo de soporte 4 podría también se puede desplazar linealmente y/o rotar montado en el cuerpo principal 3, para adaptar el ángulo de exploración al propósito de exploración.

La mesa esférica 1 está soportada por la estructura de soporte 22 (véanse figuras 2 y 3) que está rígidamente unida al cuerpo principal 3 por medio de una estructura de unión 6. La mesa esférica 1 puede girar alrededor de tres ejes con respecto a la estructura de soporte 22. Un proyector 7 está conectado al brazo de soporte 4. El proyector 7 ilumina la parte superior de la mesa esférica 1 con luz estructurada. Las cámaras 2 y el proyector 7 están unidas rígidamente entre sí mediante el brazo de soporte 4 y la placa 5. Las dos cámaras 2 y el proyector 7 conforman un módulo de exploración 2, 7 del escáner 3D de acuerdo con la invención. Como el proyector 7 envía luz estructurada, se entiende que el módulo de exploración 2, 7 es un módulo de exploración 2, 7 de luz estructurada La estructura de unión 6 transporta o soporta la mesa esférica 1 junto con dos patas adicionales 8. Una tercera pata 8 está unida al cuerpo principal 3 del escáner 3D. Por tanto, todo el escáner 3D puede colocarse o montarse de forma estable sobre las tres patas 8 sobre una superficie uniforme. Se pueden compensar ligeros desniveles ajustando la altura de los pies de las patas 8. Para ello, los pies están sujetos preferentemente a los brazos de las patas 8 mediante tornillos y rosca interior.

Un objeto 9 a escanear se coloca o se fija a la mesa esférica 1 y se puede iluminar con la luz estructurada del proyector 7 sobre el mismo. La reflexión de la luz estructurada se puede medir con las cámaras estéreo 2 creando una imagen estéreo de la superficie del objeto 9. Se pueden usar medios de fijación (no mostrados) o una mesa magnética 1 para fijar el objeto 9 a la mesa esférica 1 para evitar el movimiento del objeto 9 con respecto a la mesa esférica 1 cuando se mueve la mesa esférica 1 con respecto al módulo de exploración 2, 7 en la estructura de soporte 22.

Se utiliza una tarjeta gráfica 10 para evaluar las señales gráficas de las cámaras 2 para generar las coordenadas 3D de la superficie escaneada del objeto 9. La tarjeta gráfica 10 incluye un circuito integrado gráfico 3D para este propósito. La tarjeta gráfica 10 está situada dentro de una carcasa del cuerpo principal 3. De hecho, la tarjeta gráfica 10 solo se puede ver si la carcasa del cuerpo principal 3 es transparente en la parte superior en el área de la tarjeta gráfica 10, como se muestra en la figura 1.

Un primer interruptor 12 está dispuesto en la parte trasera del escáner 3D para conectar y desconectar el escáner 3D. Un segundo interruptor 14 está dispuesto en el proyector 7 para conectar y desconectar por separado, alternativamente, el proyector 7 o el módulo de exploración 2, 7, que comprende el proyector 7 y las cámaras 2. Un espejo 15 que está dispuesto en el brazo de soporte 4 entre las cámaras 2 se utiliza para cambiar la trayectoria de la luz del proyector 7 para iluminar el objeto 9 desde un ángulo deseado con luz estructurada. De este modo, el proyector 7 puede disponerse en una posición práctica sin provocar una iluminación del objeto 9 desde un ángulo desfavorable con respecto a las cámaras 2.

La figura 2 muestra una vista lateral frontal esquemática que incluye una vista en sección transversal del cuerpo principal 3 del escáner 3D. Esto permite mirar dentro del cuerpo principal 3 y todos los componentes electrónicos que contiene. Además de la tarjeta gráfica 10, el cuerpo principal contiene una fuente de alimentación 16, una placa base 18 y un disco duro 20 o un disco de estado sólido 20 como componentes electrónicos. La placa base 18 lleva al menos una unidad central de procesamiento (CPU), que está programada para ejecutar un método de acuerdo con la invención o, en otras palabras, para combinar las coordenadas 3D de diferentes posiciones para calcular un conjunto resultante de coordenadas 3D totales de la superficie del objeto 9.

La figura 4 muestra una vista esquemática en sección transversal a través del dispositivo de posicionamiento 1 para el escáner 3D. El plano de corte B se muestra como la línea B en la figura 1. La figura 5 muestra una vista esquemática en sección transversal a través del dispositivo de posicionamiento para el escáner 3D de la figura 1. El plano de corte A se muestra como la línea A en la figura 1.

La mesa esférica 1 contiene un peso 24 que transfiere el centro de masa de la mesa esférica 1 hacia abajo (en las figuras 2 a 5 debajo, en la figura 1 dentro del plano de imagen). De ese modo, se estabilizan la posición central mostrada y todas las demás posiciones posibles de la mesa esférica 1. Esta posición central se caracteriza por una superficie superior plana paralela, sobre la que se coloca el objeto 9 o en la que se fija el objeto 9, al nivel del suelo. En otras palabras: la superficie de la mesa 1 está alineada perpendicularmente a la fuerza gravitacional. El peso 24 puede reemplazarse por otros pesos y/o moverse hacia los lados para adaptar el centro de la masa a un objeto diferente a escanear. Para ello, el peso 24 se fija mediante un tornillo 38 a la mesa esférica 1. Al intercambiar el peso 24 se puede asegurar que el centro de masa de la mesa esférica 1 con el objeto 9 sobre la misma permanece en su lugar independientemente de la posición de la mesa esférica 1. En otras palabras: adaptando el peso 24, el centro de masa de la mesa del sistema 1 y el objeto 9 se pueden mover dentro del centro de la esfera definida por la superficie esférica de la mesa esférica 1, evitando así momentos de torsión en el mesa esférica 1 si se gira la mesa esférica. Por ello, el centro de masa de la mesa esférica 1 o del sistema de mesa esférica 1 y el objeto 9 se mueven hasta o cerca del punto de cruce de los tres ejes alrededor del cual la mesa esférica 1 puede girar.

Dentro de la mesa esférica 1 está montado un sensor giroscópico 26. El sensor giroscópico 26 puede formar parte de una unidad de medición inercial (IMU) que comprende al menos un sensor giroscópico 26 y un acelerómetro. El sensor giroscópico 26 es capaz de medir cualquier rotación de la mesa esférica 1. Además, una fuente de alimentación 28 y un módulo WIFI 3D están dispuestos dentro de la mesa esférica 1. El módulo WIFI 3D está conectado al sensor giroscópico 26 y es capaz de enviar los cambios medidos de la posición de la mesa esférica 1 a la CPU en la placa base 18 del cuerpo principal 3.

La mesa esférica 1 tiene un interruptor 32 separado por el cual se puede conectar y desconectar separadamente la energía a la mesa 1. La mesa esférica 1 está soportada por un soporte 34 que tiene un rebajo hueco en el que la superficie esférica de la mesa esférica 1 puede girar libremente alrededor de los tres ejes. El soporte 34 es portado por dos de las patas 8 y la estructura de unión 6. El soporte 34 para la mesa esférica 1 se fija mediante dos tornillos 36 a la estructura de unión 6. El peso 24 se fija mediante el tornillo 38 a la superficie interior de la mesa esférica 1. Al menos una bola loca 40 para la mesa esférica 1 está montada de forma acéntrica para soportar de forma móvil la mesa esférica 1. La al menos una bola loca 40 también se puede utilizar para la medición y/o para generar una rotación de la mesa esférica 1 dentro de la estructura de soporte 22, si la bola loca 40 puede ser accionada por un motor (no mostrado).

La fuente de alimentación 16 del cuerpo principal 3 suministra energía a todos los demás componentes electrónicos, al proyector 7, a las cámaras 2 y a la fuente de alimentación 28 de la mesa esférica 1 junto con la estructura de soporte 22. La fuente de alimentación de la mesa esférica 1 puede construirse independientemente de la fuente de alimentación 16 para evitar una limitación o perturbación de la rotación de la mesa esférica móvil 1. Para ello, se puede utilizar una batería o un acumulador como fuente de alimentación. La placa base 18 lleva al menos una unidad de control de procesamiento (CPU) y conecta la al menos una CPU a la tarjeta gráfica 10 y al disco duro 20 o al disco de estado sólido 20, e indirectamente a las cámaras 2, al proyector 7 y al módulo WIFI 3D de la mesa esférica 1. El disco duro 20 o el disco de estado sólido 20 permiten almacenar todos los datos de forma temporal y permanente. Estos datos pueden ser, por ejemplo, datos sin procesar de las cámaras 2, así como coordenadas 3D procesadas del objeto calculadas por la CPU a partir de estos datos sin procesar, tomando la alineación rotacional medida por el sensor giroscópico 26 o la alineación rotacional y lineal medida por la IMU dentro de la cuenta. Por lo tanto, el cuerpo principal 3 se puede considerar como un sistema de ordenador del escáner 3D.

Se puede realizar una medición de la superficie del objeto 9 de acuerdo con el siguiente ejemplo: El objeto 9 se coloca o se fija a la superficie plana superior de la mesa esférica 1. La posición del objeto 9 y de la mesa esférica 1 permanece sin cambios al principio y define la primera posición del objeto 9. La posición inicial la mide el sensor giroscópico 26 o la IMU que contiene al menos un sensor giroscópico 26 y la información se transfiere transmitiendo los datos mediante el módulo WIFI a un receptor (no mostrado) que está conectado a la placa base 18 y por lo tanto a la CPU en la placa base 18. El proyector 7 ilumina el objeto 9 con luz estructurada. Las cámaras 2 reciben la luz reflejada desde dos diferentes ángulos. La tarjeta gráfica 10 calcula las coordenadas 3D de la superficie iluminada del objeto 9 en la primera posición de la mesa esférica 1. Estas coordenadas 3D se almacenan junto con los datos de posición en el disco duro 20 o en el disco de estado sólido 20.

La posición de la mesa esférica 1 se cambia pivotando, inclinando o girando la mesa esférica 1 y, por tanto, el objeto 9 sobre ella. El cambio de posición se mide mediante el sensor giroscópico 26 o la IMU. El cambio de posición puede realizarse manualmente o accionando la al menos una bola loca 40 o utilizando motores (no mostrados). Tan pronto como la mesa 1 deja de moverse o se pone en marcha mediante una señal creada manual o automáticamente, se alcanza una segunda posición de la mesa esférica 1 y el objeto 9 sobre ella y el sensor giroscópico 26 o la IMU mide la segunda posición y los datos son transferidos por el módulo WIFI 3D como se describió anteriormente. La superficie del objeto 9 en la segunda posición es iluminada por el proyector 7 y la luz reflejada desde el objeto 9 es registrada por las cámaras 2 y las coordenadas de la superficie del objeto 9 en la segunda posición se generan como se describió anteriormente y se almacenan en el disco duro 20 o en el disco de estado sólido 20 junto con los nuevos datos de posición. La medición se puede repetir igualmente para una o más posiciones adicionales de la mesa 1 y el objeto 9.

La CPU de la placa base 18 calcula un conjunto combinado y final de las coordenadas 3D de la superficie del objeto combinando las coordenadas 3D almacenadas en el disco duro 20 o en el disco de estado sólido 20 y teniendo en cuenta las diferentes posiciones del objeto, como si el módulo de exploración 2, 7 se hubiera movido igualmente alrededor del objeto 9. El conjunto combinado de coordenadas 3D se guarda en el disco duro 20 o en el disco de estado sólido 20 y/o se transmite a un ordenador externo (no mostrado) para uso continuo. Preferiblemente, el conjunto combinado de coordenadas 3D se almacena y/o se envía en un formato CAD que puede usarse para sistemas CAD-CAM.

Lista de símbolos de referencia

1 Dispositivo de posicionamiento/Mesa esférica

2 Cámara/Módulo de exploración

3 Cuerpo principal

4 Brazo de soporte

5 Placa

6 Estructura de unión

7 Proyector/Módulo de exploración

8 Pata

9 Objeto

10 Tarjeta gráfica/Conjunto electrónico

12 Interruptor

14 Interruptor

15 Espejo

16 Fuente de alimentación

18 Placa base

20 Disco duro/Disco de estado sólido

22 Estructura de soporte

24 Peso

26 Sensor giroscópico

28 Módulo de fuente de alimentación

3D Módulo WIFI

32 Interruptor

34 Soporte para sensor

36 Tornillo

38 Tornillo

40 Bola loca para el dispositivo de posicionamiento

Claims

REIVINDICACIONES

1. Escáner 3D que comprende

al menos un módulo de exploración (2, 7) para adquirir las coordenadas tridimensionales (3D) de una superficie de un objeto (9) y

un dispositivo de posicionamiento (1) en el que el objeto (9) se puede colocar o fijar, por lo que el dispositivo de posicionamiento (1) se puede mover con relación al al menos un módulo de exploración (2, 7), comprendiendo además el escáner 3D al menos un sensor giroscópico (26), que está configurado para medir un cambio de la posición del dispositivo de posicionamiento (1) con respecto al módulo de exploración (2, 7), y

una primera unidad de procesamiento que está conectada al al menos un módulo de exploración (2, 7) y al dispositivo de posicionamiento (1) para recibir los datos, caracterizado por que un sensor giroscópico (26) del al menos un sensor giroscópico (26) se encuentra en el dispositivo de posicionamiento (1), y

el dispositivo de posicionamiento (1) es una mesa esférica transportada en una estructura de soporte en la que la mesa esférica puede girar alrededor de tres ejes.

2. Escáner 3D de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que

el dispositivo de posicionamiento (1) girable montado alrededor de tres ejes diferentes (X, Y, Z), preferiblemente tres ejes perpendiculares (X, Y, Z), con respecto al módulo de exploración (2, 7) y al al menos un sensor giroscópico (26) está configurado para medir la rotación del dispositivo de posicionamiento (1) alrededor de estos ejes (X, Y) o (X, Y, Z) con respecto al módulo de exploración (2, 7).

3. Escáner 3D de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que

en el módulo de exploración (2, 7) se encuentra otro sensor giroscópico.

4. Escáner 3D de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

el al menos un sensor giroscópico (26) está configurado para medir cualquier cambio de la posición del dispositivo de posicionamiento (1) con respecto al módulo de exploración (2, 7) a lo largo de definidos y establecidos grados de libertad.

5. Escáner 3D de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

la primera unidad de procesamiento o una segunda unidad de procesamiento está configurada para correlacionar las coordenadas 3D adquiridas del módulo de exploración (2, 7) con los datos de posición recibidos del al menos un sensor giroscópico (26) y/o

está configurada para correlacionar las coordenadas 3D de diferentes posiciones del objeto (9) entre sí y/o está configurada para calcular una combinación de coordenadas 3D superponiendo las coordenadas 3D adquiridas del objeto (9) en diferentes posiciones y teniendo en cuenta el cambio de posición del objeto (9).

6. Escáner 3D de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que

el escáner 3D comprende además un elemento de memoria (20) en el que se almacenan los datos correlacionados y la primera o segunda unidad de procesamiento está configurada para calcular una superficie total del objeto (9) haciendo coincidir las coordenadas adquiridas de la superficie del objeto (9) con respecto al cambio de los datos de posición medidos por el sensor giroscópico (26).

7. Escáner 3D de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

el dispositivo de posicionamiento (1) es desplazable a lo largo de dos direcciones diferentes o a lo largo de tres direcciones diferentes con respecto al módulo de exploración (2, 7) y el escáner 3D comprende un acelerómetro que está configurado para medir el cambio de posición del dispositivo de posicionamiento (1) provocado por la traslación del dispositivo de posicionamiento (1) con respecto al módulo de exploración (2, 7).

8. Escáner 3D de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

el escáner 3D es un escáner dental 3D y al menos uno de un diente protésico, un juego de dientes protésicos, una dentadura parcial, una dentadura completa, una base de dentadura, una impresión dental y un modelo de una parte de la cavidad bucal de un paciente es el objeto

(9) y se puede colocar o fijar en el dispositivo de posicionamiento (1) 9. Escáner 3D de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

el dispositivo de posicionamiento (1) es manualmente girable o girable y movible linealmente con respecto al módulo de exploración (2, 7) o el dispositivo de posicionamiento (1) es manualmente girable o girable y movible linealmente a lo largo de grados de libertad preestablecidos con respecto al módulo de exploración (2, 7).

10. Escáner 3D de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

el escáner 3D no comprende un actuador a modo de motor para mover el dispositivo de posicionamiento (1) con respecto al módulo de exploración (2, 7).

11. Escáner 3D de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

el escáner 3D comprende además un temporizador y la primera unidad de procesamiento está configurada para determinar si existe un movimiento del dispositivo de posicionamiento (1) con respecto al módulo de exploración (2, 7) o si este movimiento supera unos límites de velocidad angular y/o lineal predefinidos determinando el cambio de posición medido por el al menos un sensor giroscópico (26) o una IMU que comprende el al menos un sensor giroscópico (26).

12. Escáner 3D de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

la primera unidad de procesamiento está configurada para iniciar y detener un proceso de exploración y/o para determinar si las coordenadas 3D del objeto (9) están almacenadas o no almacenadas en una memoria, basándose en la determinación de un movimiento del dispositivo de posicionamiento (1).

13. Escáner 3D de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

el módulo de exploración (2, 7) es un módulo de exploración de luz estructurada (2, 7).

14. Escáner 3D de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

el dispositivo de posicionamiento (1) está equilibrado en su distribución de masa de modo que el centro de masa del dispositivo de posicionamiento (1) o del dispositivo de posicionamiento del sistema (1) y el objeto (9) está en un punto de cruce donde al menos dos ejes alrededor de los cuales el dispositivo de posicionamiento (1) es girable horizontalmente, se cruzan o dentro de aproximadamente el 10% del diámetro máximo del dispositivo de posicionamiento (1) de este punto de cruce.

15. Escáner 3D de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que

el dispositivo de posicionamiento (1) contiene un peso (24) o un peso intercambiable (24) por el cual el centro de masa del dispositivo de posicionamiento (1) o del dispositivo de posicionamiento del sistema (1) y el objeto (9) se mueven hacia o cerca de un punto de cruce donde se cruzan al menos dos ejes alrededor de los cuales puede girar el dispositivo de posicionamiento (1).

16. Método para escanear una superficie de un objeto (9) para adquirir las coordenadas tridimensionales (3D) de la superficie que comprende cronológicamente las siguientes etapas:

el objeto (9) se coloca o se fija a un dispositivo de posicionamiento (1), en el que el dispositivo de posicionamiento (1) es una mesa esférica transportada en una estructura de soporte en la que la mesa esférica puede girar alrededor de tres ejes;

una primera posición del dispositivo de posicionamiento (1) se mide por medio de al menos un sensor giroscópico (26), que se encuentra en el dispositivo de posicionamiento (1);

una superficie del objeto (9) es escaneada por un módulo de exploración (2, 7);

al dispositivo de posicionamiento (1) se le hace girar al menos una vez con respecto al módulo de exploración (2, 7) hasta al menos una segunda posición, preferiblemente mediante un movimiento manual del objeto (9) o del dispositivo de posicionamiento (1);

la al menos una segunda posición está determinada por el al menos un sensor giroscópico (26);

una superficie del objeto (9) es escaneada por el módulo de exploración (2, 7) en cada una de las al menos una segunda posición; y

los datos de las coordenadas 3D de la superficie del objeto (9) se obtienen correlacionando las exploraciones de la superficie en las al menos dos posiciones con las posiciones determinadas por el al menos un sensor giroscópico (26).

17. Método de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado por que

se calcula un total de datos de la superficie de las coordenadas 3D del objeto (9) superponiendo las coordenadas correlacionadas de las exploraciones de la superficie en las diferentes posiciones.

18. Método de acuerdo con la reivindicación 16 o la reivindicación 17, caracterizado por que

el método se realiza mediante un sensor 3D de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.