CN104613898B - 检测仪、具有该检测仪的测量***以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测仪，该检测仪用于测量具有镜面反射特征的物体表面的三维形状，所述检测仪包括：支撑框架（5）；控制电机（4），所述控制电机固定在所述支撑框架上；面光源投影设备（3），所述面光源投影设备连接在所述控制电机的电机主轴上；和主控电脑，所述主控电脑与所述投影设备连接，其特征在于，所述投影设备显示黑白条纹，所述黑白条纹能够在被测物体表面上产生明暗反射条纹，通过所述控制电机调整所述投影设备的工作位置，从而根据所述投影设备相对于所述控制电机的位移关系并通过所述明暗反射条纹的变化来测量被测物体表面的三维形状。

Description

检测仪、具有该检测仪的测量***以及测量方法

技术领域

本发明涉及一种检测仪，具体而言，涉及一种测量具有镜面反射特征的物体表面的三维形状的检测仪，具有该检测仪的测量***以及利用该检测仪进行测量的测量方法。

背景技术

普通三维测量仪利用主动视觉技术，通过投影激光线或者正弦波谱在物体表面建立特征点，在相平面上通过参考基准面上的投影变形计算出物体表面的三维形状。这种技术的局限在于被测物体必须具有漫反射的表面特征，对带有镜面反射特征的物体表面无能为力。对于例如汽车玻璃的这类工业产品，目前只能采用接触式的测量方法，通过抽样调查，对产品的质量进行统计评估。这种方法不仅耗时耗力，也不能达到质量测量的工业要求，既提高了使用者的风险，又增加了汽车制造企业的成本和负担。因此，需要提供一种结构简单、测量精确、成本少且操作安全的测量仪。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种检测仪，所述检测仪用于测量具有镜面反射特征的物体表面的三围形状，所述检测仪包括：支撑框架；控制电机（4），所述控制电机固定在所述支撑框架上；面光源投影设备（3），所述面光源投影设备连接在所述控制电机的电机主轴上；和主控电脑，所述主控电脑与所述投影设备连接，其中所述投影设备显示黑白条纹，所述黑白条纹能够在被测物体表面上产生明暗反射条纹，通过所述控制电机调整所述投影设备的工作位置，从而根据所述投影设备相对于所述控制电机的位移关系并通过所述明暗反射条纹的变化来测量被测物体表面的三维形状，其中所述投影设备相对于控制电机的位移关系遵循以下公式：其中，d_o代表投影设备上的一个发光点到镜面的距离，为物距；d_i代表该发光点通过玻璃曲面成像后所得虚像点到镜面的距离，为像距；f是为此发光点成像所用到的该镜面的焦距，所述面光源投影设备相对于控制电机的位移变化是物距和像距之间的变化。

优选地，该检测仪还包括4个双目视觉仪，其中每一个双目视觉仪都包括至少2个相机，并且所述相机两两配对地固定在所述支撑框架的4个侧部。

优选地，所述相机的光学主轴与所述投影身边的光学主轴相交。

优选地，该检测仪还包括多个激光器，所述多个激光器中的至少一个定位在两两配对的相机之间，用于***校正。

优选地，该检测仪还包括点云融合模块，用于将在各个测量位置上取得的测量数据整合到被测物体的CAD坐标系中。

优选地，其中所述激光器的触发由所述主控电脑直接控制。

优选地，所述明暗反射条纹的变化包括明暗反射条纹的明暗变化、粗细变化以及方位变化；优选地，所述方位变化包括从横向条纹转变为竖向条纹。

本发明还公开了一种机器人测量***，包括：机器人平台；和如前所述的检测仪，所述检测仪通过接口与所述机器人平台相结合，从而能够在不同角度和高度测量被测物体的三维表面形状。

优选地，该测量***还包括：机器人路径规划模块，用以针对被测物体的表面选择最佳视觉测量点；和/或图形处理装置，所述图形处理装置能够实时进行表面缺陷检测；和/或无线数据报告模块，所述无线数据报告模块能够实时向生产质量控制中心报告被测物体的检测结果；和/或自校正模块，所述自校正模块能够校正所述检测仪和机器人平台的工作参数，并计算所述检测仪的各个部件之间的以及检测仪和机器人之间的坐标变换矩阵，所述坐标变换矩阵包括各个相机相对于所述检测仪的位置关系，以及各个相机相对于激光器的位置关系。

本发明还公开了一种测量具有镜面反射特征的物体表面的三维形状的方法，所述方法包括：控制投影设备显示黑白条纹；使黑白条纹在被测物体表面上通过镜面反射形成反射条纹；操作控制电机来调整投影设备的工作位置；和根据所述投影设备相对于所述控制电机的位移关系并通过在玻璃表面上产生的明暗反射条纹的变化来测量被测物体表面的三维形状，其中所述投影设备显示黑白条纹，所述黑白条纹能够在被测物体表面上通过镜面反射在相机平面形成具有映射关系的反射条纹，通过所述控制电机调整所述投影设备的工作位置，从而根据所述投影设备相对于所述控制电机的位移关系并通过在玻璃表面上产生的明暗反射条纹的变化来测量被测物体表面的三维形状，其中所述投影设备相对于控制电机的位移关系遵循以下公式：其中，d_o代表投影设备上的一个发光点到镜面的距离，为物距；d_i代表该发光点通过玻璃曲面成像后所得虚像点到镜面的距离，为像距；f是为此发光点成像所用到的该镜面的焦距，所述面光源投影设备相对于控制电机的位移变化是物距和像距之间的变化。

优选地，该方法还包括以下步骤的一种或多种：调整激光器的投射角，使所述投射角同与所述激光器相配合的双目视觉仪的主轴相交；和/或校正所述检测仪；和/或校正检测仪相对于机器人手腕的位移；和/或融合各个测量点的点云数据，从而获得完整的三维点云数据。

优选地，该方法还包括步骤：将测量结果与被测物体的设计进行比较；评估被测物体的形状质量；寻找被测物体的表面缺陷；汇报检测结果；和对不合格产品进行回收处理。

附图说明

图1示出了用于测量具有镜面反射特征的物体表面的三维形状的检测仪的立体图。

图2是图1的检测仪的仰视图。

图3是图1的检测仪的俯视图。

图4是根据本发明实施例的检测***的工作原理方框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的检测仪、具有该检测仪的测量***以及测量方法进行详细描述。

以下参照图1对本发明实施例进行具体说明。

图1示出了用于测量具有镜面反射特征的物体表面的三维形状的检测仪1的立体图；图2是图1的仰视图；图3是图1的俯视图。以下参照图1-3对检测仪的结构进行说明。

检测仪包括支撑框架5、控制电机4、面光源投影设备3、该控制电机固定到支撑框架5、主控电脑、和至少一个视觉装置7。将在下面具体描述这些部件的功能和结构。

控制电机4固定在支撑框架5上，面光源投影设备3连接在控制电机4的电机主轴上，从而由主控电脑通过控制控制电机4来控制面光源投影设备3的位置（工作位置）。当然，本发明不局限于此，可以使用其它任何手动或电动控制设备来控制面光源投影设备的工作位置。

支撑框架5用于保证检测仪能够固定在机器人手腕上，而控制电机4直接固定在支撑框架5上。

该面光源投影设备3可以是平板电视、平板电脑、显示器等等中的任何一种。该面光源投影设备显示一组预编码的图片产生明暗条纹，这些明暗条纹能够在被测物体表面上产生明暗反射条纹，通过变换不同的图片以及针对投影设备相对于控制电机的位移来获得明暗条纹的变化，并由此产生明暗反射条纹的变化。该明暗反射条纹的变化包括明暗反射条纹的明暗变化、粗细变化以及方位变化（例如从横向条纹转变为竖向条纹）。因此，根据该面光源投影设备3相对于控制电机的位移关系并通过明暗反射条纹的变化来测量被测物体表面的三维形状。投影设备显示的是一组预编码的图片，明暗条纹的变化是通过变换不同图片得到的。

视觉装置7被固定至支撑框架5，用于采集在被测物体表面上的明暗反射条纹，并将采集的明暗反射条纹的图像数据传送到主控电脑。该视觉装置可以是单个相机1也可以是包含两个以上相机1的相机组，该视觉装置还可以是具有相机1的双目视觉仪，或者可以是能够获得被测物体表面上的明暗反射条纹的任何设备。

主控电脑与面光源投影设备3连接，并至少具有以下功能：控制投影设备3显示明暗条纹、控制视觉装置采集图像数据、对采集的图像数据进行处理、与其它设备之间的通讯。

主控电脑的功能包括但不限于管理机器人运动，投影屏显示明暗条纹，激光投影，控制相机采集图像，图像处理，数据后处理，和其它设备的通讯。

以下以双目视觉仪为例进一步具体地说明视觉装置。

双目视觉仪可以包括至少两个相机1，相机1的光学主轴可以与面光源投影设备的主轴相交也可以不与面光源投影设备的主轴相交，只要能够完成检测仪的测量即可。

在本发明的优选实施例中包括4个双目视觉仪，每个双目视觉仪包括两个相机1，优选地，该相机可以是具有速度快，体积小，价格合理，***简单等优点的GigE相机。该相机两两配对地固定在所述支撑框架的4个侧部，从而从不同的方位获得被测物体表面上的明暗反射条纹图像数据。

在本发明的优选实施例中，双目视觉仪还可以包括多个激光器2，多个激光器中的至少一个定位在两两配对的GigE相机之间，在工作时，可以调整激光器的投射角，使该投射角与同该激光器相配合的双目视觉仪的主轴相交，从而可以在通过双目视觉仪获得明暗反射条纹的图像数据时，使双目视觉仪所获得的数据更为精确。所述激光器的触发可以由所述主控电脑直接控制，也可以具有单独的控制器。在镜面反射测量中，不同观测点（工作位置）所测量的物体表面是不同的，利用双目视觉原理和激光器可以同时实现主动视觉***和被动视觉***，充分利用测量设备功能，扩大了被测物体的范畴。

双目视觉仪7还具有辅助功能：双目视觉仪7可以利用被测物体表面可能存在的可见特征点进行被动测量（对需要投影形成的特征点进行测量称为主动测量）。也就是说，即使在没有产生明暗反射条纹的被测物体表面的位置处，也可以利用双目视觉仪获得被测物体表面的图像数据。

此外，主控电脑还可以包括点云融合模块，该点云融合模块可以将在各个工作位置上取得的测量数据（三维测量点的坐标云图）整合到被测物体的CAD坐标系中，从而形成整个的被测物体表面坐标云图，由此计算完整的被测物体表面的三维形状。

根据本实施例的检测仪在计算被测物体表面的三维形状时利用的是凸面镜成像的原理公式：

其中，d_o代表投影屏上的一个发光点到镜面的距离（物距），d_i代表该发光点通过玻璃曲面成像后所得虚像点到镜面的距离（像距）。f是为此发光点成像所用到的该段镜面的焦距。面光源投影设备3相对于控制电机的位移变化是物像距（物距和像距之间）的变化。

在实际应用中，玻璃曲面是一个自由曲面，但是可以利用有限元的方法假设成为多个凸面镜。由电机引导的投影屏位置变化，造成物距d_o的改变。通过观察其像点的位置变化，可以计算出镜面成像点曲率，并进一步推算出成像点的三维空间坐标。

这样，就可以通过投影设备相对于控制电机的位移关系和明暗反射条纹的变化来测量被测物体的三维形状。

在本发明的实施例中，检测仪还包括用于与外部设备相连接的接口。该接口可以是机器人手腕接口，而外部设备可以是机器人或其它多自由度机械运动平台。机器人手腕上一般有4-6个螺孔用来安装各类工具，支架就属于工具的一种。与这4-6个螺孔相配合的连接件一般称为机器人手腕接口（robot end effector interface）。该检测仪通过该接口与机器人相结合，构成测量***。

在本实施例中，所有部件都固定在支架上，而整个检测仪***的坐标系建立在机器人坐标系中，从这个角度来说，机器人的工作点就是测量仪的工作位置。当然，每个相机，激光器，包括投影仪都有自己的坐标系，这个可以通过坐标变换计算得到。

在本实施例中，可以通过检测仪中的主控电脑控制机器人的运动，从而能够在不同角度和不同高度测量物体的三维表面形状，大大地提高了检测仪的工作效率，改善了测量结果的精确度，并极大地扩展了检测仪的工作范围，使之基本能够适用于各种工作环境。

在本发明的实施例中，测量***还可以包括以下部件中的一种或多种：机器人路径规划模块，用以针对被测物体的表面选择最佳测量位置；和/或图形处理装置，所述图形处理装置能够实时进行表面缺陷检测；和/或无线数据报告模块，所述无线数据报告模块能够实时向生产质量控制中心报告被测物体的检测结果；和/或自校正模块，所述自校正模块能够校正检测仪和机器人平台的工作参数，其中工作参数可以包括所述GigE相机相对于所述检测仪的位置关系、所述GigE相机相对于所述激光器的位置关系、和/或所述GigE相机相对于所述机器人平台的位置关系。自校正模块还可以计算检测仪的各个部件之间的以及检测仪和机器人之间的坐标变换矩阵，该坐标变换矩阵包括各个相机相对于所述检测仪的位置关系，以及各个相机相对于激光器的位置关系等等（即，计算各坐标系之间的位移和旋转变换矩阵）。

以下，参照图4说明利用本发明实施例的检测仪检测被测物体表面的三维形状的方法。该方法包括：首先大致了解被测物体的形状（可省略）；然后对机器人测量位置进行最优估计（可省略）；然后控制机器人到达第i号工作位置，这里，通过控制电机控制面光源投影设备的工作位置；然后，在该工作位置上通过所述面光源投影设备显示所述明暗条纹，将所述明暗条纹反射到被测物体表面上，在被测物体表面上形成明暗反射条纹；接下来，通过至少一个视觉装置获得明暗反射条纹的图像数据（图中显示的是使用4组双目视觉仪进行测量，但是本发明不局限于此，可以使用更多或更少的双目视觉仪进行测量）；然后，将所述明暗反射条纹的图像数据传输到主控电脑、通过主控电脑获得明暗反射条纹的变化和所述面光源投影设备相对于所述控制电机的位移关系、和根据所述投影设备相对于所述控制电机的位移关系并通过获得的明暗反射条纹的变化来获得被测物体表面的三维形状。

优选地，该方法还可以包括以下步骤：将装配好的检测仪与机器人手腕接口接合，从而允许外接机器人根据机器人路径规划模块针对被测物体表面选择检测仪的最佳测量位置（工作位置），以在不同角度和高度测量被测物体的三维表面形状；和/或调整激光器的投射角，使得该投射角同与所述激光器相配合的双目视觉仪的主轴相交，从而获得更精确的测量结果；和/或校正所述检测仪；和/或校正检测仪相对于机器人手腕的位移；和/或融合各个测量点的点云数据，获得完整的三维点云数据，从而根据获得的三维点云数据计算被测物体的三维表面形状。

优选地，上述测量方法还可以包括以下步骤：将测量结果与被测物体的设计进行比较；评估被测物体的形状质量；寻找被测物体的表面缺陷；汇报检测结果；和对不合格产品进行回收处理。

虽然在附图和上述说明中已经详细地显示和说明了本发明的实施例，但是这种图解和说明在性质上将被认为是示例性且不具有限制性，能够理解的是已经显示和说明了(一个或多个)说明性实施例，并且在公开的精神的范围内的所有变化和修改都要被保护。将要注意的是本公开的可选实施例可能未包括仍然受益于这种特征的至少一些优点的还未说明的所有特征。本领域的技术人员可以容易地想到其自己的实施方式，该实施方式包括本公开的特征的一个或多个并落入所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内。

Claims (13)

1.一种检测仪，所述检测仪用于测量具有镜面反射特征的物体表面的三维形状，所述检测仪包括：

支撑框架(5)；

控制电机(4)，所述控制电机固定在所述支撑框架上；

面光源投影设备(3)，所述面光源投影设备连接在所述控制电机的电机主轴上；和

主控电脑，所述主控电脑与所述投影设备连接，

其中所述投影设备显示黑白条纹，所述黑白条纹能够在被测物体表面上产生明暗反射条纹，通过所述控制电机调整所述投影设备的工作位置，从而根据所述投影设备相对于所述控制电机的位移关系并通过所述明暗反射条纹的变化来测量被测物体表面的三维形状，

通过所述投影设备相对于控制电机的位移关系来检测三维形状：

其中，d_o代表投影设备上的一个发光点到镜面的距离，为物距；d_i代表该发光点通过玻璃曲面成像后所得虚像点到镜面的距离，为像距；f是为此发光点成像所用到的该镜面的焦距。

2.根据权利要求1所述的检测仪，还包括4个双目视觉仪，其中每一个双目视觉仪都包括至少2个相机(1)，并且所述相机两两配对地固定在所述支撑框架的4个侧部。

3.根据权利要求2所述的检测仪，其中，所述相机的光学主轴与所述投影设备的光学主轴相交。

4.根据权利要求2所述的检测仪，还包括多个激光器(2)，所述多个激光器中的至少一个定位在两两配对的相机之间，用于***校正。

5.根据权利要求1所述的检测仪，还包括点云融合模块，用于将在各个测量位置上取得的测量数据整合到被测物体的CAD坐标系中。

6.根据权利要求4所述的检测仪，其中所述激光器的触发由所述主控电脑直接控制。

7.根据权利要求6所述的检测仪，其中，所述明暗反射条纹的变化包括明暗反射条纹的明暗变化、粗细变化以及方位变化。

8.根据权利要求7所述的检测仪，其中，所述方位变化包括从横向条纹转变为竖向条纹。

9.一种机器人测量***，包括：

机器人平台；和

如权利要求1-5中任一项所述的检测仪，所述检测仪通过接口与所述机器人平台相结合，从而能够在不同角度和高度测量被测物体的三维表面形状。

10.根据权利要求9所述的测量***，还包括：

机器人路径规划模块，用以针对被测物体的表面选择最佳视觉测量点；和/或

图形处理装置，所述图形处理装置能够实时进行表面缺陷检测；和/或

无线数据报告模块，所述无线数据报告模块能够实时向生产质量控制中心报告被测物体的检测结果；和/或

自校正模块，所述自校正模块能够校正所述检测仪和机器人平台的工作参数，并计算所述检测仪的各个部件之间的以及检测仪和机器人之间的坐标变换矩阵，所述坐标变换矩阵包括各个相机相对于所述检测仪的位置关系，以及各个相机相对于激光器的位置关系。

11.一种测量具有镜面反射特征的物体表面的三维形状的方法，所述方法包括：

控制投影设备显示黑白条纹；

使黑白条纹在被测物体表面上通过镜面反射形成反射条纹；

操作控制电机来调整投影设备的工作位置；和

根据所述投影设备相对于所述控制电机的位移关系并通过在玻璃表面上产生的明暗反射条纹的变化来测量被测物体表面的三维形状，

其中所述投影设备显示黑白条纹，所述黑白条纹能够在被测物体表面上通过镜面反射在相机平面形成具有映射关系的反射条纹，通过所述控制电机调整所述投影设备的工作位置，从而根据所述投影设备相对于所述控制电机的位移关系并通过在玻璃表面上产生的明暗反射条纹的变化来测量被测物体表面的三维形状，

其中所述投影设备相对于控制电机的位移关系遵循以下公式：

其中，d_o代表投影设备上的一个发光点到镜面的距离，为物距；d_i代表该发光点通过玻璃曲面成像后所得虚像点到镜面的距离，为像距；f是为此发光点成像所用到的该镜面的焦距，所述投影设备相对于控制电机的位移变化是物距和像距之间的变化。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤的一种或多种：

调整激光器的投射角，使所述投射角同与所述激光器相配合的双目视觉仪的主轴相交；和/或

校正所述检测仪；和/或

校正检测仪相对于机器人手腕的位移；和/或

融合各个测量点的点云数据，从而获得完整的三维点云数据。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括步骤：

将测量结果与被测物体的设计进行比较；

评估被测物体的形状质量；

寻找被测物体的表面缺陷；

汇报检测结果；和

对不合格产品进行回收处理。