一種基于線結構光的三維視覺測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于線結構光的三維視覺測量裝置，包括：機架；設于所述機架上的水平位置調(diào)整機構；設于所述水平位置調(diào)整機構上的豎直位置調(diào)整機構；以及設于所述豎直位置調(diào)整機構上的CMOS相機，其中，所述CMOS相機的下方旁側設有激光發(fā)射器。本發(fā)明具有確保在保證測量精度的前提下盡可能地測量效率，同時能解決現(xiàn)階段系統(tǒng)體積過大及測量誤差過高的問題的有益效果。
【專利說明】
一種基于線結構光的三維視覺測量裝置
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種非接觸式視覺成像尺寸測量裝置，更具體地，涉及一種基于線結 構光的三維視覺測量裝置。
【背景技術】
[0002] 非接觸式尺寸測量系統(tǒng)以光電、電磁、超聲波等技術為基礎，在儀器的測量元件不 與被測物體表面接觸的情況下，即可獲得被測物體的各種外表或內(nèi)在的尺寸數(shù)據(jù)特征。非 接觸式尺寸測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的接觸式測距系統(tǒng)相比精度更高、操作更方便、安全系數(shù)更高、 潔凈度高、測量過程中對被測物的污染程度小，從而被應用于工業(yè)生產(chǎn)及科學研究的多個 領域。
[0003] 典型的非接觸式尺寸測量方法如激光三角法、電渦流法、超聲測量法、視覺成像測 量法、超聲波測量法等等，其中視覺成像測量法是指通過機器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置， 分CMOS相機和CCD相機兩種)將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)， 根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數(shù)字化信號，圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算 來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結果來控制現(xiàn)場的設備動作，在測量缺陷和防止缺陷 產(chǎn)品被配送到消費者的功能方面具有不可估量的價值。
[0004] 線結構光三維視覺在景物或物體的三維視覺成像信息提取中占有重要地位，它以 其大量程、大視場、較高的精度、光紋信息提取簡單、實時性強和主動受控等特點，在三維物 體重建、工業(yè)視覺測量和機器人自主導引中得到了愈來愈廣泛的應用。
[0005]線結構光三維視覺測量是基于光學三角法原理，采用的是激光照明的線結構光傳 感器，通過把一片狀激光束投射到被測物體表面，在物體表面形成一投射亮線，從與投影方 向不同的另一個方向觀察該線，由于受到物體高度的調(diào)制，該亮線發(fā)生變形，通過對像面 上亮線像坐標的計算可以得到物面上一個剖面的高度數(shù)據(jù)。如果再加上一維掃描就可以得 到三維面形分布，便可以重現(xiàn)物體表面形廓，構成三維視覺。
[0006] 但是，現(xiàn)有市場上視覺成像測量系統(tǒng)功能單一，測量系統(tǒng)體積占用過大，對于尺寸 結構復雜、待測量的尺寸特征繁多特別是對于具有曲面特征的尺寸測量花費時間過多，需 要反復裝卸待測物件，從而導致測量過程效率低下并且反復拆卸容易導致待測物件表面損 傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述技術中存在的不足之處，本發(fā)明的目的是提供一種基于線結構光的三維 視覺測量裝置，對現(xiàn)有的非接觸式視覺成像尺寸測量裝置進行優(yōu)化改進，確保在保證測量 精度的前提下盡可能地測量效率，同時能解決現(xiàn)階段系統(tǒng)體積過大及測量誤差過高的問 題。為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其他優(yōu)點，提供了一種基于線結構光的三維視覺測 量裝置，其特征在于，包括：
[0008] 機架；
[0009] 設于所述機架上的水平位置調(diào)整機構；
[0010] 設于所述水平位置調(diào)整機構上的豎直位置調(diào)整機構；以及
[0011] 設于所述豎直位置調(diào)整機構上的CMOS相機，其中，所述CMOS相機的下方旁側設有 激光發(fā)射器。
[0012] 優(yōu)選的是，所述水平位置調(diào)整機構包括在水平面內(nèi)相互垂直的橫向位置調(diào)整電機 與縱向位置調(diào)整電機。
[0013] 優(yōu)選的是，所述豎直位置調(diào)整機構包括豎直支撐架以及豎直位置調(diào)整電機，其中， 所述豎直支撐架的一端與所述水平位置調(diào)整機構相連，所述豎直支撐架的另一端與豎直位 置調(diào)整電機相連。
[0014] 優(yōu)選的是，所述豎直位置調(diào)整機構的驅動方向所在平面與所述水平位置調(diào)整機構 的驅動方向所在平面相互垂直。
[0015] 優(yōu)選的是，所述CMOS相機通過相機支撐架與所述豎直位置調(diào)整電機相連接。
[0016] 優(yōu)選的是，所述CMOS相機的鏡頭下方設有環(huán)形光源。
[0017]優(yōu)選的是，所述基于線結構光的三維視覺測量裝置還包括控制系統(tǒng)，所述橫向位 置調(diào)整電機、縱向位置調(diào)整電機、豎直位置調(diào)整電機、CMOS相機、環(huán)形光源以及激光發(fā)射器 均與所述控制系統(tǒng)電連接
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其有益效果是：
[0019] 1.由于所述尺寸測量裝置環(huán)繞設置在所述回轉平臺組件的外周，所述尺寸測量裝 置包括順時針依次環(huán)繞設置的第一尺寸測量裝置、以及至少兩個第二尺寸測量裝置，從而 使得大大縮小了系統(tǒng)占用體積，此外流水線式的測量方式使得連續(xù)不間斷地測量多尺寸成 為可能；
[0020] 2.由于所述回轉平臺組件包括圓盤狀的回轉盤、至少五個等間距地設置在所述回 轉盤的徑向且呈放射狀分布的待測物固定槽、以及安裝在所述回轉盤下表面用于驅動所述 回轉盤旋轉的傳動機構，從而使得在所述傳動機構的驅動下，所述待測物固定槽可隨所述 回轉盤的旋轉而旋轉；
[0021] 3.由于所述第一尺寸測量裝置包括驅動器、豎直設置且在所述驅動器的驅動下可 繞其軸線旋轉的支撐圓柱、以及與所述支撐圓柱固接的CMOS相機，從而使得所述第一尺寸 測量裝置的CMOS相機可在驅動器的驅動作用下繞支撐圓柱旋轉，從而完成水平方向的位置 調(diào)整；
[0022] 4.由于所述第二尺寸測量裝置包括機架、設于所述機架上的水平位置調(diào)整機構、 設于所述水平位置調(diào)整機構上的豎直位置調(diào)整機構、以及設于所述豎直位置調(diào)整機構上的 CMOS相機，從而使得第二尺寸測量裝置的CMOS相機可在所述水平位置調(diào)整機構及豎直位置 調(diào)整機構的作用下完成水平及豎直方向的位置調(diào)整；
[0023] 5.由于所述激光發(fā)射器設置在所述第二尺寸測量裝置的CMOS相機的下方旁側，從 而可實現(xiàn)系統(tǒng)的激光三角法測量功能；
[0024] 6.由于所述CMOS相機的鏡頭下方均設有環(huán)形光源，使得可通過環(huán)形光源對待測物 表面進行補光，從而獲得成像效果較好的尺寸照片，提高測量精度，減少測量誤差。
[0025]本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本 發(fā)明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。
【附圖說明】
[0026] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一實施例中的基于線結構光的三維視覺回轉式測量系統(tǒng)的軸 測圖；
[0027] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一實施例中的基于線結構光的三維視覺回轉式測量系統(tǒng)除去 殼體后的軸測圖；
[0028] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一實施例中的基于線結構光的三維視覺回轉式測量系統(tǒng)除去 殼體后的正視圖；
[0029] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一實施例中的基于線結構光的三維視覺回轉式測量系統(tǒng)除去 殼體后的俯視圖；
[0030] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的一實施例中的基于線結構光的三維視覺回轉式測量系統(tǒng)的回 轉平臺組件與尺寸測量裝置的爆炸圖；
[0031] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的一實施例中的基于線結構光的三維視覺回轉式測量系統(tǒng)的回 轉平臺組件與尺寸測量裝置的另一視角的爆炸圖；
[0032] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的一實施例中的基于線結構光的三維視覺回轉式測量系統(tǒng)的第 一尺寸測量裝置的正視圖；
[0033] 圖8是根據(jù)本發(fā)明的一實施例中的基于線結構光的三維視覺回轉式測量系統(tǒng)中的 基于線結構光的三維視覺測量裝置即第二尺寸測量裝置的軸測圖；
[0034] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的一實施例中的基于線結構光的三維視覺回轉式測量系統(tǒng)中的 基于線結構光的三維視覺測量裝置即第二尺寸測量裝置的正視圖；
[0035] 圖10是根據(jù)本發(fā)明的基于線結構光的三維視覺測量系統(tǒng)的一實施例中的待測物 的正視圖；
[0036] 圖11是根據(jù)本發(fā)明的基于線結構光的三維視覺測量系統(tǒng)的一實施例中的待測物 的正視圖；
[0037]圖12是激光三角測距系統(tǒng)原理圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，本發(fā)明的前述和其它目的、特征、方 面和優(yōu)點將變得更加明顯，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。
[0039]參照圖1及圖2,一實施例中的基于線結構光的三維視覺回轉式測量系統(tǒng)100包括： 控制系統(tǒng)（略畫）、殼體組件110、尺寸測量裝置120、回轉平臺組件130以及料盤組件140，其 中，殼體組件110包括工作臺111以及設于工作臺111上的具有一定內(nèi)部空間的防護殼體 112,尺寸測量裝置120環(huán)繞設置在回轉平臺組件130的外周，回轉平臺組件130設于工作臺 111上且位于防護殼體112內(nèi)，料盤組件140包括待測品料盤143、合格品料盤141與不合格品 料盤142。
[0040] 參照圖2至圖4,尺寸測量裝置120包括順時針依次環(huán)繞設置的第一尺寸測量裝置 121、以及至少兩個第二尺寸測量裝置，回轉平臺組件130與尺寸測量裝置120分別與所述控 制系統(tǒng)電連接。作為一種方式，第一尺寸測量裝置121設有1個，第二尺寸測量裝置設有3個， 其中至少一個第二尺寸測量裝置中設有激光發(fā)射器，如圖2中所示，第二尺寸測量裝置為 122、123及124,激光發(fā)射器124a僅設于第二尺寸測量裝置124中。
[0041]參照圖5及圖6,回轉平臺組件130包括圓盤狀的回轉盤131、至少五個等間距地設 置在回轉盤131的徑向且呈放射狀分布的待測物固定槽132、以及安裝在回轉盤131下表面 用于驅動回轉盤131旋轉的傳動機構，其中所述傳動機構包括傳動電機133、換向器135以及 設于換向器135旁側的轉速傳感器134,作為一種實施方式，傳動電機133的傳動軸133a與換 向器135的傳動軸135a通過以傳輸皮帶連接，轉速傳感器134的連接端134a與所述控制系統(tǒng) 電連接。
[0042] 參照圖7,第一尺寸測量裝置121包括驅動器121a、豎直設置且在驅動器121a的驅 動下可繞其軸線旋轉的支撐圓柱121b、以及通過固定架121c與支撐圓柱121b固接的CMOS相 機121d。作為一種實施方式，CMOS相機121d的鏡頭下方設有環(huán)形光源121e，通過控制系統(tǒng)對 環(huán)形光源121e進行調(diào)節(jié)可對待測物表面進行適當補光，從而提高拍攝精度，最終提高測量 精度。
[0043]參照圖8及圖9,作為一種實施方式，根據(jù)本發(fā)明的基于線結構光的三維視覺測量 裝置即為基于線結構光的三維視覺回轉式測量系統(tǒng)100中的第二尺寸測量裝置124,其中第 二尺寸測量裝置124包括機架124j、設于機架124j上的水平位置調(diào)整機構、設于所述水平 位置調(diào)整機構上的豎直位置調(diào)整機構、以及設于所述豎直位置調(diào)整機構上的CMOS相機 124e，作為一種實施方式，所述水平位置調(diào)整機構包括在水平面內(nèi)相互垂直的橫向位置調(diào) 整電機124i與縱向位置調(diào)整電機124h，所述豎直位置調(diào)整機構包括豎直支撐架124g以及豎 直位置調(diào)整電機124f，CM0S相機124e通過相機支撐架124d與豎直位置調(diào)整電機124f相連 接，CMOS相機124e的鏡頭下方設有環(huán)形光源124b，通過控制系統(tǒng)對環(huán)形光源124b進行調(diào)節(jié) 可對待測物表面進行適當補光，從而提高拍攝精度，最終提高測量精度。其中至少一個第二 尺寸測量裝置中設有激光發(fā)射器124a，如圖2中所示，第二尺寸測量裝置為122、123及124， 激光發(fā)射器124a僅設于第二尺寸測量裝置124中，作為一種實施方式，激光發(fā)射器124a通過 固定架124c設于CMOS相機124e的下方旁側。
[0044] 參照圖5及圖6,待測物固定槽131的數(shù)目為六個，第一尺寸測量裝置121的CMOS相 機與第二尺寸測量裝置122、123、124的CMOS相機的鏡頭正下方均相對應地設置有待測物固 定槽131。
[0045] 再次參照圖1至圖3,作為一種實施方式，料盤組件140-直排開地設于工作臺111 上且位于防護殼體112的開口內(nèi)側。
[0046]工作原理:激光三角法位移測量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被測物 體表面，然后從另一角度對物體表面上的激光光斑進行成像，物體表面激光照射點的位置 高度不同，所接受散射或反射光線的角度也不同，用CMOS抓取光斑像的位置，就可以計算出 主光線的角度，從而計算出物體表面激光照射點的位置高度。具體地，可參照圖12,如圖12 所示，激光照在A點，反射到CMOS光敏面上的a點，A'點反射到CMOS光敏上的a '點，當所測距 離Y不同時反映在光敏器件上的光點像位置X也隨之不同，三角關系公式可得兩者之間的關 系為： X./2+/·/、[
[0047] Y =----- I-f-X-L
[0048] 式中Y為被測距離，f為成像系統(tǒng)焦距，1為激光發(fā)射口到成像系統(tǒng)中心對應的距 離，即基線長度，L為某一已知距離，通常取光敏面接收器中心對應的距離，即基準距離，X 為該被測距離在光敏面接收器上與已知距離在光敏面接受上像點的距離，有正負之分。
[0049] 上式中：X =(MXx-157) X 0.015mm，MXx為光斑圓心坐標。因此只要找出光斑圓心 坐標位置，就能利用上式直接求出被測距離Y。
[0050] 現(xiàn)通過對一待測物的尺寸測量步驟的說明來解釋本發(fā)明中基于線結構光的三維 視覺測量裝置100的工作方式，參照圖10及圖11，待測物200大體為長方體形狀的殼體結構， 包括:長方形主體210、設于主體210兩端的凸起部240、250,其中，主體210上開設有矩形槽 230,主體210的裙壁與矩形槽230之間設有往矩形槽230內(nèi)部逐漸下降的過渡圓弧曲面220， 矩形槽230的底部設有由圓孔01、02連通而成的環(huán)形孔，矩形槽230的右側設有關于對稱中 心Y軸對稱的兩個安裝孔。參照圖4、圖7、圖10及圖11，具體測量步驟如下：（1)當待測物200 位于第一尺寸測量裝置121的CMOS相機121d的鏡頭下的待測物固定槽132內(nèi)時，CMOS相機 121d測量待測物200的兩端突起物LI、L2之間的距離以及待測物200上下兩側邊界L3、L4的 寬度；（2)完成第一步測量后，待測物200在回轉盤131的帶動下轉動到第二測量裝置122的 CMOS相機的鏡頭下方，此時的CMOS相機先是測量待測物200左右兩側邊界L5、L6之間的距 離，接著測量待測物200的主體210的裙壁的外側L7、L8之間的距離以及L9、L10之間的距離， 然后測量待測物200的矩形槽230的內(nèi)側上下邊界L11、L12之間的距離；（3)完成第二部測量 后，待測物200在回轉盤131的帶動下轉動到第二測量裝置123的CMOS相機的鏡頭下方，此時 的CMOS相機先是通過測量待測物200的矩形槽230的內(nèi)側邊界Cl來確定待測物200橫向及縱 向的對稱中心X軸、Y軸，接著測量待測物200的環(huán)形通孔的上邊界Dl與Y軸之間的距離，然后 測量環(huán)形孔兩端的圓孔01、〇2在X軸方向上的距離以及在Y軸方向的距離，接著測量環(huán)形孔 的上下兩側Dl、D2之間的距離，最后測量安裝孔在X軸及Y軸方向上的距離；（4)通過測量Pl ~P6點的高度位置來獲得曲面Sl的位置數(shù)據(jù)，通過測量P7~P9的高度位置來獲得曲面S2的 位置數(shù)據(jù)，從而獲得曲面Sl與S2之間的位置數(shù)據(jù)，最后測量待測物200的矩形槽230的深度 數(shù)據(jù)。將以上步驟測得的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的合格品數(shù)據(jù)進行對比，看待測物200的尺寸數(shù) 據(jù)是否滿足尺寸要求，若不滿足，控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號將不合格品放置于不合格品料盤 142中等待回收;反之則將合格品放置于合格品料盤141中等待裝箱或下一個步驟。
[0051] 這里說明的設備數(shù)量和處理規(guī)模是用來簡化本發(fā)明的說明的。對本發(fā)明的應用、 修改和變化對本領域的技術人員來說是顯而易見的。
[0052]如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以獲得如下有益效果：
[0053] 1.由于尺寸測量裝置120環(huán)繞設置在回轉平臺組件130的外周，尺寸測量裝置120 包括順時針依次環(huán)繞設置的第一尺寸測量裝置121、以及至少兩個第二尺寸測量裝置122， 從而使得大大縮小了系統(tǒng)占用體積，此外流水線式的測量方式使得連續(xù)不間斷地測量多尺 寸成為可能；
[0054] 2.由于回轉平臺組件120包括圓盤狀的回轉盤131、至少五個等間距地設置在回轉 盤131的徑向且呈放射狀分布的待測物固定槽132、以及安裝在回轉盤131下表面用于驅動 回轉盤131旋轉的傳動機構，從而使得在所述傳動機構的驅動下，待測物固定槽132可隨回 轉盤131的旋轉而旋轉；
[0055] 3.由于所述第一尺寸測量121裝置包括驅動器121a、豎直設置且在驅動器121a的 驅動下可繞其軸線旋轉的支撐圓柱121b、以及與支撐圓柱121a固接的CMOS相機121d，從而 使得第一尺寸測量裝置121的CMOS相機121d可在驅動器121a的驅動作用下繞支撐圓柱121b 旋轉，從而完成水平方向的位置調(diào)整；
[0056] 4.由于第二尺寸測量裝置124包括機架124j、設于機架124j上的水平位置調(diào)整機 構124i和124j、設于水平位置調(diào)整機構124i和124j上的豎直位置調(diào)整機構124f和124g、以 及設于豎直位置調(diào)整機構124f和124g上的CMOS相機124e，從而使得第二尺寸測量裝置124 的CMOS相機124e可在所述水平位置調(diào)整機構及豎直位置調(diào)整機構的作用下完成水平及豎 直方向的位置調(diào)整；
[0057] 5.由于激光發(fā)射器124a設置在第二尺寸測量裝置124的CMOS相機124e的下方旁 側，從而可實現(xiàn)系統(tǒng)的激光三角法測量功能；
[0058] 6.由于所述CMOS相機的鏡頭下方均設有環(huán)形光源，使得可通過環(huán)形光源對待測 物表面進行補光，從而獲得成像效果較好的尺寸照片，提高測量精度，減少測量誤差。
[0059]盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅限于說明書和實施方式中所列運 用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實 現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于 特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。
【主權項】
1. 一種基于線結構光的三維視覺測量裝置，其特征在于，包括： 機架； 設于所述機架上的水平位置調(diào)整機構； 設于所述水平位置調(diào)整機構上的豎直位置調(diào)整機構；以及 設于所述豎直位置調(diào)整機構上的CMOS相機，其中，所述CMOS相機的下方旁側設有激光 發(fā)射器。2. 如權利要求1所述的基于線結構光的三維視覺測量裝置，其特征在于，所述水平位置 調(diào)整機構包括在水平面內(nèi)相互垂直的橫向位置調(diào)整電機與縱向位置調(diào)整電機。3. 如權利要求2所述的基于線結構光的三維視覺測量裝置，其特征在于，所述豎直位置 調(diào)整機構包括豎直支撐架以及豎直位置調(diào)整電機，其中，所述豎直支撐架的一端與所述水 平位置調(diào)整機構相連，所述豎直支撐架的另一端與豎直位置調(diào)整電機相連。4. 如權利要求3所述的基于線結構光的三維視覺測量裝置，其特征在于，所述豎直位置 調(diào)整機構的驅動方向所在平面與所述水平位置調(diào)整機構的驅動方向所在平面相互垂直。5. 如權利要求4所述的基于線結構光的三維視覺測量裝置，其特征在于，所述CMOS相機 通過相機支撐架與所述豎直位置調(diào)整電機相連接。6. 如權利要求5所述的基于線結構光的三維視覺測量裝置，其特征在于，所述CMOS相機 的鏡頭下方設有環(huán)形光源。7. 如權利要求5所述的基于線結構光的三維視覺測量裝置，其特征在于，所述基于線結 構光的三維視覺測量裝置還包括控制系統(tǒng)，所述橫向位置調(diào)整電機、縱向位置調(diào)整電機、豎 直位置調(diào)整電機、CMOS相機、環(huán)形光源以及激光發(fā)射器均與所述控制系統(tǒng)電連接。
【文檔編號】G01B11/00GK105841606SQ201610147888
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月16日
【發(fā)明人】吳加富, 繆磊, 趙此洋
【申請人】蘇州富強科技有限公司