CN103017679A - 一种基于激光测距传感器的内腔扫描*** - Google Patents

一种基于激光测距传感器的内腔扫描*** Download PDF

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李德玉
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Abstract

本发明提供了一种基于激光测距传感器的内腔扫描***，包括内腔扫描控制***和激光测距传感器（激光位移传感器）两部分。内腔扫描控制***包括用于调节激光测距传感器扫描高度的直线运动单元，以及用于控制激光测距传感器扫描方向的旋转运动单元。激光测距传感器则用于扫描被测物体。本发明能够自动、快速地实现对各种内腔轮廓的准确扫描。本发明所采用的方法和设备结构简单，成本较低，且有很强的鲁棒性。利用所得到的数据对被测量的物体进行三维轮廓建模和处理，在不同领域都有很大的应用价值。典型的，在临床上对人体进行取模之后，所述***能够用于对人体阴模内轮廓的扫描，从而实现对人体体表轮廓的扫描和建模。

Description

一种基于激光测距传感器的内腔扫描***
技术领域
本发明涉及康复、医疗、机械等各种领域，更具体地说是涉及一种内腔扫描***。 
背景技术
内腔扫描是指获取腔体内部轮廓三维数据的过程，内腔扫描***能够应用在很多领域中，用于获得被测量物体（腔体）的内径和内轮廓等；进而利用所得到的数据对被测量物体进行三维轮廓的建模、进一步处理以及其它不同领域方面的应用。 
常规的内腔扫描技术包括切开扫描、内部灌注硅胶等物质后扫描、CT扫描等，上述方法存在需要破坏被测物体、操作复杂或者成本较高等问题。因此设计基于非接触式测量技术，配合自动控制装置的内腔扫描***，实现自动、快速、准确的内腔扫描， 
利用这种非接触式内腔扫描***测量，能够获得各种内腔轮廓的几何数据。例如，在机械领域方面，能够利用内腔扫描***获得不规则（复杂）零件的内腔轮廓等，便于对零件的进一步处理和加工；在生物医学方面，配合人体取型技术，能够用于对人体轮廓（包括各个部分肢体）的三维扫描和建模，实现人体上身轮廓的重建。 
发明内容
为了更自动、快速、准确的获得人类需要的各种内腔轮廓的几何数据，本发明提供了一种基于激光测距传感器的内腔扫描***。所述***能够对各种内腔轮廓进行准确的扫描，进而利用所得到的数据对被测量的物体进行三维轮廓的建模、进一步处理以及其它不同领域方面的应用。 
本发明的基于激光测距传感器的内腔扫描***，其本体部分包括：直线运动***、旋转运动***和用于扫描的激光测距传感器（激光位移传感器）。其控制采集部分包括：上位计算机、下位单片机、电机控制***等，用于实现对本 体部分运动***的控制和对传感器数据的采集。 
直线运动***使用步进电机驱动，通过直线运动单元实现激光测距传感器的升降运动，实现对扫描高度的调整。旋转运动***使用步进电机驱动，通过步进电机输出轴直接带动激光测距传感器做旋转运动，实现对内腔轮廓一周数据的采集。 
控制采集部分采用上、下位机的结构，上位机使用PC，用于实现人机交互界面、控制指令发送和扫描数据采集处理；下位机使用单片机，实现将控制指令转换为实际的控制脉冲以驱动步进电机运动，同时将传感器输出数据进行A/D转换，传输给上位PC；上、下位机之间使用串口进行通讯。 
扫描开始时，将被测物体放在***外壳上侧，使物体内腔中心线基本与传感器上升轨迹重合。通过上位PC控制单片机发送的脉冲个数来控制直线运动单元的上升距离，使其到达到合适的初始扫描高度。扫描时，通过单片机控制旋转电机带动转台沿顺时针旋转一周，使激光测距传感器完成一个平面轮廓的测量；然后直线运动单元上升固定的距离（层间距）后停止；之后转台再逆时针旋转一周，完成下一个平面轮廓的测量。如此反复，转台始终顺时针旋转一周，再逆时针旋转一周，以防止激光测距传感器的线缆缠绕。直到完成整个内腔的扫描。通过控制直线运动单元每次上升的距离，即可调整测量的层间距。 
本发明利用激光测距传感器扫描，从而得到物体几何表面的点云，这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云能够创建更精确的模型。通过调整旋转电机的转速，即可调整每个平面轮廓的采样点数。 
本发明设计的基于激光测距传感器的内腔扫描***，具有结构简单、使用方便、成本较低的优点，能够方便地获得各种内腔轮廓的数据，具有较好的使用和推广价值。 
附图说明
图1是本发明的一种基于激光测距传感器的内腔扫描***结构示意图； 
图2是本发明的一种基于激光测距传感器的内腔扫描***的控制***原理图。 
具体实施方式
如图1所示的，本发明提出的基于激光测距传感器的内腔扫描***包括外 框1、直线导轨2、丝杠3、直线滑块4、直线单元电机5、支撑杆6、传感器通过口7、旋转单元电机8、横板9、传感器底座10、激光测距传感器11。外框1由金属材料构成立方形框体，内部用于容纳其它部件，上表面可用于放置待扫描的内腔。直线导轨2竖直安装在外框1内部，两端与外框1内部上下表面固定。丝杠3两端固定在直线导轨2上。直线滑块4联接丝杠3上，可随丝杠3的转动沿直线运动。直线单元电机5固定在直线导轨2上，输出轴与丝杠3联接，可带动丝杠3旋转从而使直线滑块4运动。支撑杆6固定在直线滑块4上，并且与直线导轨2平行。外框1上表面开有传感器通过口7，可使支撑杆6带着激光测距传感器11从外框1里升出，实现轮廓扫描。支撑杆6上端有横板9，旋转单元电机8固定在横板9上。传感器底座10与旋转单元电机8的输出轴联接，可由旋转单元电机8带动旋转。激光测距传感器11安装在传感器底座10上，可随传感器底座10一起旋转。 
如图2所示，上位计算机201通过串口与下位单片机202进行通讯，下位单片机能够向直线单元电机驱动器203和旋转单元电机驱动器204分别发送控制脉冲，来控制电机的运动速度和旋转角度，直线单元电机驱动器203接受控制脉冲后转换为驱动信号，控制直线单元步进电机205完成运动；旋转单元电机驱动器204接受控制脉冲后转换为驱动信号，控制旋转单元步进电机206完成运动。下位单片机202还通过A/D转换接口采集激光测距传感器207的测量信号，再通过串口通讯将采集到的数据传输给上位计算机201用于后续的轮廓建模等处理。 
实施例使用本发明提出的基于激光测距传感器的内腔扫描***对人体躯干轮廓进行扫描及测量分析 
对人体躯干轮廓进行扫描能够建立人体躯干的个性化三维模型，对某些尺寸参数进行精确测量，可为个性化的躯干矫形器设计提供依据，在康复工程领域有重要的意义和广泛的用途。 
扫描开始前应先获得人体躯干阴模（可通过石膏绷带或真空抽型等方法获取）。扫描时将人体躯干阴模放在***外框1上表面，使人体躯干阴模中心基本与***外框1上表面的传感器通过口7中线对齐。通过上位计算机控制下位单片机发送控制脉冲，从而控制直线单元电机5转过合适的角度，使直线滑块4上升到合适的初始扫描高度。然后，同样通过上位计算机控制下位单片机发送 控制脉冲，使得旋转单元电机8带动激光测距传感器11顺时针旋转一周，使激光测距传感器11完成一个平面轮廓的扫描；然后再控制直线单元电机5带动直线滑块4上升固定的距离（层间距）后停止；之后再使旋转单元电机8带动激光测距传感器11逆时针旋转一周，完成下一个平面轮廓的测量。如此反复，旋转单元电机8始终顺时针旋转一周，再逆时针旋转一周，以防止激光测距传感器11的线缆缠绕，直到完成整个内腔的扫描。通过控制直线单元电机5每次旋转的角度，即可调整两个相邻轮廓之间的层间距。 
通过多层的平面扫描，能够得到人体轮廓的表面点云数据，之后通过轮廓建模能够得到人体轮廓的三维模型，在所述模型上能够进行各种尺寸的精确测量。越密集的点云能够创建更精确的模型，因此通过调整旋转单元电机8的转速，即可调整每个平面轮廓的采样点数，通过调整直线单元电机5每次的转动角度，能够控制层间距，从而对点云的密度进行调整。 
附图标号说明
1、外框            2、直线导轨            3、丝杠 
4、直线滑块        5、直线单元电机        6、支撑杆 
7、传感器通过口    8、旋转单元电机        9、横板 
10、传感器底座     11、激光测距传感器。 

Claims (2)

1.一种基于激光测距传感器的内腔扫描***，其特征在于包括：内腔扫描控制***和激光测距传感器，即激光位移传感器；内腔扫描控制***包括直线运动***，用于调节激光测距传感器的扫描高度；旋转运动***，用于控制激光测距传感器进行圆周扫描；激光测距传感器，用于扫描被测物体；所述的基于激光测距传感器的内腔扫描***包括外框（1）、直线导轨（2）、丝杠（3）、直线滑块（4）、直线单元电机（5）、支撑杆（6）、传感器通过口（7）、旋转单元电机（8）、横板（9）、传感器底座（10）、激光测距传感器（11）。外框（1）由金属材料构成立方形框体，内部用于容纳其它部件，上表面可用于放置待扫描的内腔；直线导轨（2）竖直安装在外框1内部，两端与外框（1）内部上下表面固定；丝杠（3）两端固定在直线导轨（2）上；直线滑块（4）联接丝杠（3）上，可随丝杠（3）的转动沿直线运动；直线单元电机（5）固定在直线导轨（2）上，输出轴与丝杠（3）联接，可带动丝杠（3）旋转从而使直线滑块4运动；支撑杆（6）固定在直线滑块（4）上，并且与直线导轨（2）平行；外框（1）上表面开有传感器通过口（7），可使支撑杆（6）带着激光测距传感器（11）从外框（1）里升出，实现轮廓扫描；支撑杆（6）上端有横板（9），旋转单元电机（8）固定在横板（9）上；传感器底座（10）与旋转单元电机（8）的输出轴联接，可由旋转单元电机（8）带动旋转；激光测距传感器（11）安装在传感器底座（10）上，可随传感器底座（10）一起旋转。
2.根据权利要求1所述的基于激光测距传感器的内腔扫描***，其特征在于：上位计算机（201）通过串口与下位单片机（202）进行通讯，下位单片机能够向直线单元电机驱动器（203）和旋转单元电机驱动器（204）分别发送控制脉冲，来控制电机的运动速度和旋转角度，直线单元电机驱动器（203）接受控制脉冲后转换为驱动信号，控制直线单元步进电机（205）完成运动；旋转单元电机驱动器（204）接受控制脉冲后转换为驱动信号，控制旋转单元步进电机（206）完成运动。下位单片机（202）还通过A/D转换接口采集激光测距传感器（207）的测量信号，再通过串口通讯将采集到的数据传输给上位计算机（201）用于后续的轮廓建模等处理。 
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