TWI464365B - 提供一物品之三維表示之方法及提供一物件之三維表示之裝置 - Google Patents

Description

提供一物品之三維表示之方法及提供一物件之三維表示之裝置

本發明大致上係關於複合材料之量測的非破壞性技術領域。更明確言之，本發明係關於三維複合物品量測之改良技術。

近幾年來，複合材料已越來越多地用於航空及其他商用產業中。複合材料在效能上提供顯著之改良，然而其等難以製造且因此在製造期間需要嚴格之品質控制程序。此外，複合材料對於具有不規則形狀之零件的製造有幫助。已發展非破壞性評估(「NDE」)技術作為一種用以識別複合結構中缺陷之方法，舉例而言，諸如內含物、分層性及多孔性的偵測。習知之NDE方法通常係緩慢的、勞力密集的且昂貴的。結果，測試程序不利地增加了與複合結構關聯的製造成本。

對於具有不規則表面之零件，較佳地使量測資料係與位置三維資料相關。對於此等零件，決定零件之形狀對於使量測與零件上之一位置相關係關鍵的。用於掃描具有不規則形狀之複合零件的先前技術方法需要將被掃描之零件安置於一工作台上並固定在一已知位置中，藉此為掃描提供一起始參考點。對於大的及/或不規則形狀之物件，安置一零件所需要的工作台或其他構件係昂貴的且經常特定用於唯一一個零件。

根據先前技術方法，掃描複雜形狀之零件需要從若干不同姿態或視角進行多重掃描。決定一物件三維形狀之此等掃描經常緩慢。因此，存在對於一種用以快速擷取三維位置資料之方法及裝置的需求。

本發明提供一種用於決定一物件之形狀的非接觸式方法。

本發明之一項態樣中，描述一種分析一物品並提供三維結構之方法。該方法包括以下步驟：(a)定位一物品以用於評估；(b)利用一光束掃描該物品；(c)利用一攝影機偵測該物品上之光束；(d)執行一第一電腦實施程序，以捕捉並處理藉由該攝影機所偵測之來自該物品之光線；及(e)執行一第二電腦實施程序，以獲得關於該物品形狀之三維資料，其中當該物品正被掃描時，同時掃描該物品及偵測該光束。

在某些實施例中，光線具有一已知波長及圖案。在某些實施例中，攝影機包括一CCD影像感測器。在某些實施例中，掃描該物品包括：操作一平移與傾斜(pan-and-tilt)單元，其中該平移與傾斜單元包括該光束來源及該光偵測攝影機。在某些實施例中，一第三電腦實施程序指示該攝影機偵測在預選位置處該物品上之該光束，其中該第三電腦實施程序控制該平移與傾斜單元。在某些實施例中，一第三電腦實施程序記錄該平移與傾斜單元之位置，並使該平移與傾斜單元之位置與關於該物品形狀之三維資料進行關聯。而在某些實施例中，該方法進一步包括在利用該光束掃描該物品之前校準該光源及該攝影機。

另一態樣中提供一種用以量測一物件之三維表示的裝置。該裝置包括：一光束來源；一光偵測攝影機；用於控制該光束來源與該光偵測攝影機之移動的構件；一中央處理單元；及一動作控制系統，其中該光束來源與該光偵測構件相互耦合。

在某些實施例中，該裝置進一步包括一鉸接型機械臂，該鉸接型機械臂具有該光束來源、該光偵測構件及控制該光束來源與該光偵測攝影機之移動之該構件。在某些實施例中，用於控制該光束來源與該光偵測攝影機之移動的該構件包括一平移與傾斜單元。在某些實施例中，該裝置進一步包括一中央處理單元及使用者介面，其中該中央處理單元係可操作以控制用於控制該光束來源與光偵測攝影機之移動的該構件。在某些實施例中，該中央處理單元係經組態以記錄由該光偵測構件而來之資訊。在某些實施例中，該中央處理單元係經組態以處理由該光偵測構件記錄之資訊。而在某些實施例中，該中央處理單元係經組態以利用由該攝影機獲得之資訊而產生一物件之三維表示。

本發明包括多個不同形式之實施例。在瞭解本揭示內容將視為本發明之原理之一例示，且不希望其將本發明限制於本文所繪示及描述的實施例中，特定實施例係經詳細描述且顯示於圖式中。應充分認識到在本文所討論之實施例的各種教示可分開利用或以任何適當組合利用以產生所需結果。熟悉此項技術者在閱讀以下實施例之詳細描述並藉由參考附圖之後，以上提及之各種特性及在下文更詳細描述之其他特徵及特性將係顯而易見的。

本文所描述的係一種用於決定一物品之形狀及三維座標的非接觸方法及裝置。決定該物品之三維量測之後，可掃描零件，且實體及光譜(spectroscopic)資料可與該物品上之特定定位進行關聯。

結構化光是用於三維複合材料之映射的一種例示性非接觸式技術，其包括以一已知角度將一光圖案(例如，一平面、柵格或其他更複雜之形狀)投射於一物件上。此技術對於各種形狀之物件的成像及擷取三維資訊是有用的。通常，藉由將一光束擴散或散射為一片光而產生該光圖案。一個例示性光源係一雷射。當該片光與一物件相交時，在該物件之表面上可看見一亮光。藉由從一角度(通常以一不同於入射雷射光之角度的偵測角度)觀察該光線，可將光線中的畸變轉變為被觀測之物件上的高度變化。多重視角(經常稱為姿態)掃描可經組合以提供整個物件的形狀。用光掃描一物件可提供與該物件之形狀有關的三維資訊。此有時稱為主動三角量測。

因為結構化光可用於決定一物件之形狀，其亦可有助於在一環境中辨識及定位一物件。此等特徵使得結構化光成為在實施程序控制及品質控制的裝配線中使用的有用技術。物件可經掃描以提供一物品的形狀，接著其可與存檔資料相比較。此優點可允許進一步自動化裝配線，藉此大體上減少總成本。

可用光偵測構件(諸如一攝影機或類似物)觀察投射於該物件上之光束。例示性光偵測構件包括一CCD攝影機或類似物。儘管對於精確性及可靠性而言一雷射係較佳的，但可將多種不同光源用作掃描源。

結構化光束來源將一光圖案投射於待掃描物件上並查看受測物上之圖案的變形，其對應於物件表面變化。該圖案可為一維或二維。一維圖案之一實例係線。該線係使用一LCD投影機或一掃掠雷射之任一者投射於該受測物上。該偵測構件(諸如一攝影機)查看該線之形狀並使用類似於三角量測之一技術計算線上每點的距離。在一單線圖案之情況下，使該線掃掠整個可視範圍以一次收集一條帶的距離資訊。

一結構化光三維掃描器之一個優勢係掃描速度。取代每次掃描一個點，某些結構化光掃描器能夠同時掃描多個點或整個可視範圍。此減少或消除由掃描運動引起的畸變問題。某些現有系統能夠即時掃描移動中物件。

在某些實施例中，結構化光系統偵測攝影機包括一濾光器，該濾光器經設計以傳遞僅對應於一特定波長(諸如掃描雷射之波長)的光。偵測攝影機可操作以偵測並記錄光影像，並利用多種演算法決定影像之對應座標值。在某些實施例中，該雷射及偵測攝影機自不同角度觀測物件。

結構化光系統亦可包括稱為織構攝影機(texture camera)之一第二攝影機，其係可操作用以提供物件之一全影像。

在一較佳實施例中，決定掃描一零件之最佳方式，包括最佳化(例如最小化)每一完整掃描所需之視角或「姿態」數量，藉此有效地最小化掃描之重疊，並且亦最小化重新建構後續掃描或進行附加掃描。在某些實施例中，可根據量測之資料而最佳化姿態之數量。在其他某些實施例中，可根據預先存在之CAD資料而最佳化姿態之數量。在其他實施例中，可在掃描物件之前分析CAD資料，以程式化並且最小化待掃描給定物品或零件的所必需之掃描次數。

在某些實施例中，結構化光系統提供一系列資料點以產生對應於物件之形狀及掃描中零件之特定視角的一點雲(point cloud)。接著可將每一視角或姿態之點雲合併以組合該整個物件或零件的一複合點雲。接著可將個別之點雲資料變換為特定之單元座標系統。

一旦每一零件之量測姿態已被組合以提供該整個零件的一點雲，且已決定該零件之相對座標，則可登記該零件對應的資料集。登記該零件對應的資料集為該零件提供座標點的一完整補充，且允許在空間方面操縱資料，藉此允許在隨後的掃描中容易地識別相同之零件。一旦已登記一零件，則藉由比較一後續掃描與先前之掃描或經確認之CAD資料，可更加容易地識別及確認相同之零件。可收集已登記之掃描以提供一資料庫。

一項態樣中，本發明提供一種用以擷取物品之三維位置資料的自動化非破壞技術及裝置。結構化光裝置之一例示性實施例包括至少一個光源及用於光偵測的至少一個光學構件。在某些實施例中，光學構件可包括一光學掃描器、一攝影機、一CCD陣列或類似物。

在一較佳實施例中，結構化光系統可包括用以提供結構化光信號之一雷射、用於提供受掃描物件之全景影像的一選擇性之織構攝影機，及具有一CCD陣列的一結構化光攝影機。在某些實施例中，該結構化光攝影機可包括一濾光器，該濾光器經設計以將除由雷射產生之光波長以外的任何光波長濾除。

在某些實施例中，該系統可耦合至一鉸接式機械臂，該鉸接式機械臂具有圍繞該臂的一旋轉軸。在某些實施例中，該系統可包括一平移與傾斜單元，該平移與傾斜單元將結構化光系統耦接至機械臂。該平移與傾斜單元能使該零件待掃描，同時該機械臂保持固定不動。該機械臂較佳地包括感測器，該等感測器允許該系統瞭解該臂及所附接之攝影機及光源之位置，藉此提供一自我意識絕對定位系統並消除將受掃描之零件定位於一參考工具台上的需要。另外，該自我意識機器人系統係適合用於掃描可能過大而無法在一工具台上分析的大物件。該系統係可耦接至一電腦，該電腦包括可操作用以控制各種攝影機並收集資料之軟體。在某些實施例中，該系統可為一固定之系統。在某些其他實施例中，可將該系統耦接至一線性軌。在某些其他實施例中，該系統可安裝至一可移動基座或一運載工具。該運載工具可有利地用於將該系統運輸至各種位置以及用於較大物件(諸如飛行器)的評估。

例如，在某些實施例中，用以移動結構化光系統之構件(包括鉸接式機械臂或用於移動該臂之任何構件)亦可包括用於防止與一般區域中之物件(舉例而言諸如工作台或類似物)碰撞的構件。可藉由各種構件達成碰撞避免，包括將所有固定項目及物件之位置程式化於該機械臂的控制系統中，或透過使用置於受檢查物品或零件所在的一般區域中之物件上的各種感測器。較佳地，用於移動結構化光裝置之構件被禁止佔用待掃描零件所佔用之空間。

現在參照圖1，提供用於掃描一零件以獲得位置資料之一例示性方法的步驟。在第一步驟102中，將一零件安置於一預定位置中以利用一結構化光系統進行掃描。該系統包括一經校準之結構化光系統及機器人定位系統。一般而言，如先前技術中所必須的，儘管將零件定位於一已界定位置中係有利的，但是該零件卻無須定位於一已知區域中。在第二步驟104中，用一結構化光系統掃描一零件。在某些實施例中，該結構化光系統沿循一預定路徑以相對於該結構化光系統量測該零件表面之絕對位置。典型地，結構化光攝影機包括一濾光器並僅量測雷射光。此可藉由將除由雷射產生之波長以外的任何波長濾除而實現。該系統移動並重新定位以獲得零件之其餘影像，以確保掃描零件之整個表面。在步驟106中，攝影機收集藉由用雷射光掃描物品而產生之信號。該攝影機經組態以於掃描該零件之同時在預先決定位置進行光量測。步驟108中，由攝影機攝取之光資料提供至一電腦，用於進一步處理。一線偵測演算法為物件表面上的每一個別掃描決定座標。此外，提供光源及光偵測器之位置的相關資料給該電腦。步驟110中，該電腦使用攝影機獲得之光資料與關於該光源及攝影機位置的位置資料關聯。在第六步驟112中，已掃描零件之整個表面之後，處理資料以提供經掃描物品之三維影像。在某些實施例中，可使三維影像與用織構攝影機獲得之影像關聯。

在某些實施例中，CAD資料可能可用於受分析之物件。在此等實施例中，由結構化光系統所產生之三維位置資料可與該CAD資料相比較及/或與其重疊。可將此作為一品質控制程序使用以驗證該製程。在其他實施例中，該結構化光資料可與該CAD資料重疊以提供該零件的確認。由該結構化光系統所收集之資料可用以提供對應於該物件之三維結構的一資料雲。基於對該系統所使用之校準技術，可產生一絕對資料雲。接著該資料雲可被定向至CAD製圖上，藉此提供該結構化光資料與該CAD資料之間的相關性。

在某些實施例中，該裝置可包括一第二攝影機，即一所熟知之織構攝影機。該織構攝影機一般擷取該物件之全影像，並可用於零件辨識目的。與結構化光攝影機不同，該織構攝影機影像係未加以過濾以從該影像移除物件。在該結構化光資料提供零件的一虛擬表面之同時，該織構攝影機可提供該物件的一真實影像，其可結合該結構化光及雷射超音波資料使用。以此方式，該結構化光資料及該CAD資料二者均可與由該織構攝影機所提供的視覺影像相比較。另外，該織構攝影機可對操作者提供受掃描零件的一視圖或用於存檔目的。

較佳地，在執行物件之掃描之前校準該結構化光系統。校準是必要的以確保量測之準確性及準備好與受掃描物件相關之座標資料。藉由用該結構化光系統掃描一具有已知形狀之物件，局部校準該系統，即，相對於傾斜及樞軸機構。

如熟悉此項技術者所瞭解，具有複雜形狀之零件的掃描可能需要多重掃描。在一實施例中，該等掃描係經引導使得掃描在零件之接縫或邊緣處重疊。另一實施例中，執行掃描。

該結構化光資料的登記及其與CAD資料或類似或相同零件之先前掃描的比較可能有助於保證以最小重疊或以在零件之臨界區域中重疊而100%地掃描該表面區域。另外，登記允許跨多重零件掃描及比較特徵及/或缺陷。此允許有問題之區域受到分析及開發出解決方案以防止未來之缺陷。另外，資料之儲存允許比較正被修復之零件與「已構建之」資料集。

對於具有一複雜形狀之較小零件，可使用一工具台，其包括栓釘及柱以為結構化光系統提供必要的對準提示。然而，將該工具台用作受檢驗之零件的一基座及支撐需要預先知道該零件之形狀及該零件的一個起始參考點。

如本文所使用，應將術語「約(about)」及「約(approximately)」解釋為包括在所敘述值之5%內的任何值。此外，應將相對於一個範圍之值所敘述的術語「約(about)」及「約(approximately)」解釋為包括該所敘述範圍的上限及下限。

雖然本發明係僅在其一些實施例中顯示及描述，但熟悉此項技術者應明白其並不受此限制，而在不脫離本發明之範疇下其可受到多種改變。

圖1提供一根據本發明之一實施例的邏輯流程圖。

Claims (17)

1. 一種提供一物品之三維表示之方法，其包括以下步驟：定位一物品以用於評估；利用來自結構化光源之一光束掃描該物品，該光束具有一已知波長及圖案；利用一結構化光之攝影機偵測該物品上之該光束；執行一第一電腦實施程序以處理藉由該攝影機所偵測之來自該物品之光線；及執行一第二電腦實施程序以獲得關於該物品形狀之三維資料；其中當該物品正被掃描時，掃描該物品的步驟及偵測在該物品上之光束的步驟同時發生。
2. 如請求項1之方法，其中該結構化光之攝影機包括一CCD影像感測器。
3. 如請求項1之方法，其中掃描該物品包括：操作一平移與傾斜單元，該平移與傾斜單元提供該光束來源及該光偵測攝影機之移動。
4. 如請求項3之方法，其中一第三電腦實施程序指示該攝影機偵測在預選位置處該物品上之該光束，該第三電腦實施程序控制該平移與傾斜單元。
5. 如請求項4之方法，其中一第三電腦實施程序記錄該平移與傾斜單元之位置，並使該平移與傾斜單元之該位置與關於該物品形狀之該三維資料進行關聯。
6. 如請求項1之方法，其中掃描該物品之步驟包括將一單 一線光或一片光投射在該物件上以提供用於收集至該物品個別點之距離資訊。
7. 如請求項1之方法，進一步包括將對應被掃描之該物品之形狀之一複合點雲與CAD資料關聯。
8. 如請求項1之方法，進一步包括下列步驟：利用一織構攝影機擷取該物品之影像；及將關聯於該物品之形狀之結構化光資料與該物品之影像比較。
9. 一種用於提供一物件之三維表示之裝置，其包括：一光束來源，其將一已知形狀之光學圖案及一已知波長投射在該物件上；一光偵測攝影機，其耦合至該光束來源；用於控制該光束來源與該光偵測攝影機之移動的構件，其包括一平移與傾斜單元；一中央處理單元，其可操作而控制該用於控制該光束來源與該光偵測攝影機之移動的構件；及一動作控制系統；其中該光束來源及該光偵測攝影機彼此耦合。
10. 如請求項9之裝置，其進一步包括：一結構化光系統，包括該光束來源及該光偵測攝機；及一鉸接型機械臂，具有一圍繞該臂旋轉之軸，其中，該鉸接型機械臂耦接至該光束來源、該光偵測攝影機及該用於控制該光束來源與該光偵測攝影機之移 動的構件。
11. 如請求項10之裝置，其中該結構化光系統進一步包括一織構攝影機以擷取該物件之影像。
12. 如請求項9之裝置，其中該光偵測攝影機具有一可視範圍，該可視範圍包圍來自該物件之一反射圖案的至少一部分，其中該光偵測攝影機可操作以捕捉該等反射。
13. 如請求項9之裝置，其中該中央處理單元進一步包括一使用者介面，其中該中央處理單元係可操作以控制用於控制該光束來源與該光偵測攝影機之移動的該構件。
14. 如請求項13之裝置，其中該中央處理單元係經組態以記錄來自該光偵測攝影機之資訊。
15. 如請求項9之裝置，其中該中央處理單元係經組態以處理由該光偵測攝影記錄之資訊。
16. 如請求項9之裝置，其中由該物件對該光束之攔截產生對於該物件之結構化光表面資訊。
17. 如請求項9之裝置，其中該中央處理單元係經組態以利用由該光偵測攝影機獲得之資訊而產生該物件的三維表示。