CN111223151A - 一种结构光三维扫描相机的标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构光三维扫描相机的标定装置及标定方法，包括底板、驱动装置、直线模组、升降机构、标定块、光源以及三轴微调装置，直线模组包括直线模组本体、滑块和丝杆，丝杆可转动地设置在直线模组本体上，滑块滑动设置在直线模组上，滑块的底部设置有丝杆螺母座，驱动装置与丝杆轴向连接，升降机构固定设置在滑块上，标定块设置在升降机构上，光源设置在三轴微调装置上。本发明的标定装置极大的提高相机标定效率，且无需接电，转场无需重新安装校准，只需一个工作台或是一个空地就能使用；本发明的标定方法能够快速准确的获取标定块的数据信息，从而传输到计算机进行读取换算，对于批量化相机标定有着提高效率和准确性的显著效果。

Description

一种结构光三维扫描相机的标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及相机标定技术领域，具体是涉及一种结构光三维扫描相机的标定装置及标定方法。

背景技术

结构光三维扫描技术由于其具有低成本、非接触、高精度、高效率等优点，已广泛应用于产品设计与制造、工业测量、质量检测、医学、影视娱乐等行业，被誉为最有前途的三维测量方法。结构光三维扫描技术通过主动控制光源来实现三维扫描，与其他三维扫描技术效果比具有更高的可靠度。在进行结构光三维重建前需先对结构光***进行标定，即获取结构光***中相机与投影设备的内部参数，以及两者之间的转换关系，亦成为外部参数，标定精度的高低直接影响三维重建的质量。

目前针对相机的标定技术业已成熟，可利用棋盘格标定板对齐进行标定，通过标定板前面设置相机以及光源，相机采集多幅标定板图像进而实施标定，这种方案有着成本低的优点，但也存在一些缺点。由于标定板一般体积较大使得照明不均匀，另外对于需要移动标定板的标定方案则同时也需要移动光源，移动光源需要额外接电移动设备，盖板大大地提升了标定的复杂度，最终导致标定精度差，标定时间长，并且取点不能实现大量可读数据转换，在批量化标定的情况下，效率和准确性得不到双重保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无需接电、标定精度高、标定效率快，且使用方便的结构光三维扫描相机的标定装置。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种结构光三维扫描相机的标定装置，包括底板、直线模组、驱动装置、升降机构、标定块、用于发射光束的光源和用于调整所述光源照射方向的三轴微调装置，所述直线模组和所述三轴微调装置分别设置在所述底板的两端，所述直线模组沿所述底板的长度方向设置，所述升降机构设置在所述直线模组上，所述直线模组包括直线模组本体、滑块和丝杆，所述丝杆可转动地设置在所述直线模组本体上，所述丝杆沿水平方向设置，所述滑块可滑动地设置在所述直线模组本体上，所述滑块的底部设置有供所述丝杆穿置的丝杆螺母座，所述驱动装置设置在所述直线模组远离所述三轴微调装置的一端，所述驱动装置与所述丝杆轴向连接，所述升降机构固定设置在所述滑块上，所述标定块设置在所述升降机构上，所述光源设置在所述三轴微调装置上。

作为本发明的一种优选方式，所述驱动装置包括伺服电机，所述伺服电机的转轴沿水平方向设置，所述伺服电机的转轴与所述丝杆轴向连接。

作为本发明的一种优选方式，所述驱动装置包括导向轴座、联轴器、指针、刻度手轮以及夹紧手柄，所述导向轴座设置在所述底板上，所述导向轴座为开口型导向轴座，所述联轴器具有与所述刻度手轮相连接的联轴器第一端和与所述丝杆相连接的联轴器第二端，所述联轴器第一端和所述联轴器第二端均沿水平方向设置，所述指针设置在所述导向轴座上；

所述导向轴座包括导向轴座上部、导向轴座下部、导向轴座开口以及设置在所述导向轴座上部和所述导向轴座下部之间的导向轴座通孔，所述导向轴座开口设置在所述导向轴座上部和所述导向轴座下部间的一侧上；

所述夹紧手柄设置在所述导向轴座上部上，所述夹紧手柄包括手持部和设置在所述手持部底部的连接部，所述导向轴座下部上相对所述连接部的位置上设置有与所述连接部相适配的螺孔，所述联轴器第一端穿过所述导向轴座通孔与所述刻度手轮轴向连接，所述联轴器第二端与所述丝杆轴向连接。

作为本发明的一种优选方式，所述升降机构包括升降底板、升降顶板、第一连杆、第二连杆、第一移动组件以及第二移动组件，所述升降底板设置在所述滑块上；

所述第一移动组件包括第一移动组件本体、转动手轮、第一光杆和第一移动螺母座，所述第一移动组件本体设置在所述升降顶板的底部的一端上，所述第一光杆设置在所述第一移动组件本体上，所述转动手轮设置在所述第一移动组件本体的一端，且位于所述升降顶板的一侧，所述第一光杆与所述转动手轮轴向连接，所述第一移动螺母座滑动地配设在所述第一光杆上；

所述第二移动组件设置在所述升降底板的一端上，所述第二移动组件包括第二移动组件本体、第二光杆以及第二移动螺母座，所述第二光杆设置在所述第二移动组件本体上，所述第二光杆沿水平方向设置，所述第二移动螺母座滑动设置在所述第二光杆上；

所述第一连杆和所述第二连杆交叉设置，所述升降底板远离所述第二移动组件的一侧上设置有所述底板固定螺母座，所述第一连杆的下端与所述底板固定螺母座相铰接，所述第一连杆的上端与所述第一移动螺母座相铰接，所述第二连杆远离所述第一移动组件的一侧上设置有顶板固定螺母座，所述第二连杆的上端与所述顶板固定螺母座相铰接，所述第二连杆的下端与所述第二移动螺母座相铰接；

所述升降顶板的顶部设置有定位销，所述定位销的水平横截面为异性截面。

作为本发明的一种优选方式，所述标定块包括用于标定相机用的齿形标定板和盖板，所述齿形标定板通过所述定位销设置在所述升降顶板上，所述盖板通过所述定位销设置在所述齿形标定板上方，所述齿形标定板和所述盖板之间还设置垫圈；

所述齿形标定板的两侧均分别设置有第一锯齿和第二锯齿，所述第一锯齿和所述第二锯齿形沿水平方向的截面均为等腰三角形，所述第一锯齿和所述第二锯齿均由若干个锯齿单元组成，各所述锯齿单元均具有齿根和齿尖；

所述第一锯齿的所述锯齿单元相邻的两所述齿尖的距离与所述第二锯齿的所述锯齿单元相邻的两所述齿尖的疏密程度度不一致。

作为本发明的一种优选方式，定义所述底板的长度方向为X轴，所述底板的宽度方向为Y轴，垂直于所述底板的方向为Z轴；

所述三轴微调装置设置在所述底板上，所述三轴微调装置包括微调底板、Y轴转板、Z轴转板、Z轴联动板、X轴转板、第一转轴、第二转轴、第三转轴、第一压缩弹簧、第二压缩弹簧、第三压缩弹簧、第一压板、第二压板、第三压板、用于调节所述Y轴转板与所述微调底板之间的间隙的第一球面微分关、用于调节所述Y轴转板与所述X轴转板之间的间隙的第二球面微分关以及用于调节所述X轴转板与所述Z轴转板之间的间隙的第三球面微分关；

所述微调底板沿X轴的方向上设置有所述Y轴转板，所述微调底板的一侧与所述Y轴转板相对的一侧通过所述第一转轴相铰接，所述第一转轴沿Y轴方向设置，所述第一压板设置在所述微调底板远离所述第一转轴的一侧上，所述第一压板的一端固定设置在所述微调底板上，所述第一压板延伸至所述Y轴转板的上方，所述第一球面微分关设置在所述第一压板的上方，且所述第一球面微分关的伸缩杆穿过所述第一压板抵靠在所述Y轴转板上，所述第一压缩弹簧的一端抵靠在所述微调底板上，所述第一压缩弹簧的另一端抵靠在所述轴转板上；

所述Y轴转板沿Z轴的方向上设置有所述X轴转板，所述Y轴转板的一侧与所述X轴转板相对的一侧通过所述第二转轴相铰接，所述第二转轴沿X轴方向设置，所述第二压板设置在所述Y轴转板远离所述第二转轴的一侧上，所述第二压板的一端固定设置在所述Y轴转板上，所述第二压板延伸至所述X轴转板的上方，所述第二球面微分关设置在所述第二压板的上方，且所述第二球面微分关的伸缩杆穿过所述第二压板抵靠在所述X轴转板上，所述第二压缩弹簧的一端抵靠在所述Y轴转板上，所述第二压缩弹簧的另一端抵靠在所述X轴转板上；

所述Z轴联动板垂直设置在所述X轴转板上，所述Z轴联动板的一侧设置有所述Z轴转板，所述Z轴联动板竖直方向设置，所述Z轴联动板的一侧与所述Z轴转板相对的一侧通过所述第三转轴相铰接，所述第三转轴沿Z轴方向设置，所述第三压板设置在所述Z轴联动板远离所述第三转轴的一侧上，所述第三压板的一端固定设置在所述Z轴联动板上，所述第三压板延伸至所述Z轴转板的上方，所述第三球面微分关设置在所述第三压板的上方，且所述第三球面微分关的伸缩杆穿过所述第三压板抵靠在所述Z轴转板上，所述第三压缩弹簧的一端抵靠在所述X轴转板上，所述第三压缩弹簧的另一端抵靠在所述Z轴联动板上。

作为本发明的一种优选方式，所述三轴微调装置上设置有供所述光源和所述相机放置的壳体，所述壳体为中空壳体，所述壳体的内腔设置有供所述光源和所述相机放置的容置空间，所述光源设置在所述相机的上方。

作为本发明的一种优选方式，所述直线模组本体上设置有刻有距离刻度的标尺。

作为本发明的一种优选方式，所述光源包含发光二极管、激光光源中的至少一种。

本发明还提供了另一种目的，在于提供一种可以快速准确的获取标定的数据信息，从而进行读取换算的结构光三维扫描相机的标定方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种采用一种结构光三维扫描相机的标定装置的一种结构光三维扫描相机的标定方法，包括下述步骤：

S1：安装待标定的所述相机，将要标定的所述相机安装在所述三轴微调装置上，通过螺丝紧固；

S2：调整校准所述齿形标定块的位置，所述第一锯齿背向所述三轴微调装置设置，所述第二锯齿面向所述三轴微调装置设置；

S3：调整激光平面，打开所述相机，让所述光源的激光束发射出来，转动所述转动手轮，使得所述升降机构的所述齿形标定板与所述盖板之间的缝隙上升/下降到与所述光源的激光平面大致重合；

S4：通过调整所述三轴微调装置，调节所述Y轴转板、所述Z轴转板以及所述X轴转板的转角，使得所述光源的激光平面透过所述齿形标定板与所述盖板间的缝隙，从而使得所述光源的激光平面与所述标定齿形板处于平行状态；

S5：将所述升降机构上升，使得所述光源的激光平面照射在所述标定齿形板的所述第二锯齿上，通过所述直线模组，将所述标定齿形板移动至所述光源的激光平面的有效距离中，通过调整让齿形物体在三维扫描所述相机的景深范围中，增加精度；

S6：固定所述齿形标定板在所述直线模组的某一范围中，设置最任一一个所述第二锯齿的所述锯齿单元的所述齿尖为基准原点(0,0)，由于标定齿形板的齿形物理量已知，可推算出所述第二锯齿任一所述锯齿单元的所述齿尖和所述齿根的坐标点(X1,Y1),(X2,Y2)…(Xn,Yn)，

S7:开启所述相机的软件，开始获取所述相机视野范围内所述第二锯齿的任一所述锯齿单元的所述齿尖和所述齿根的像素点位置(A1,B1),(A2,B2)…(An，Bn)，采用线性代数方式确定基准参考面上实际物理坐标值与所述相机软件的像素值的坐标换算方式。

采用上述技术方案，本发明的有益是：

本发明的标定装置可以极大的提高相机标定效率，且无需接电，转场无需重新安装校准，只需一个工作台或是一个空地就能使用；当光源发出光束时，调整升降机构的高度、移动升降机构沿直线模组上滑动，进而通过三轴微调装置调整光束，使得光束沿水平方向均匀地照射在标定板上，校准相机与标定块的相对位置，本发明的标定方法可以快速准确的获取标定块的数据信息，从而传输到计算机进行读取换算，对于批量化相机标定有着提高效率和准确性的显著效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明中直线模组的结构示意图；

图4为本发明中升降机构的结构示意图；

图5为本发明中三轴微调装置的结构示意图；

图6为本发明中三轴微调装置的部分剖视图；

图7为本发明中手摇装置的结构示意图。

图中：

底板1、直线模组2、直线模组本体21、滑块22、丝杆23、丝杆螺母座24、标尺25、升降机构3、升降底板31、底板固定螺母座311、升降顶板32、顶板固定螺母座321、第一连杆33、第二连杆34、第一移动组件35、第一移动组件本体351、转动手轮352、第一光杆353、第一移动螺母座354、第二移动组件36、第二移动组件本体361、第二光杆362、第二移动螺母座363、定位销37、标定块4、齿形标定板41、第一锯齿411、第二锯齿412、盖板42、三轴微调装置5、微调底座50、微调底板51、第一卡槽511、Y轴转板52、第二卡槽521、Z轴转板53、Z轴联动板54、第三卡槽541、X轴转板55、第一转轴561、第三转轴563、第一压板581、第二压板582、第三压板583、第一球面微分关591、第二球面微分关592、第三球面微分关593、光源6、手摇装置7、导向轴座71、导向轴座通孔711、导向轴座开口712、导向轴座上部713、导向轴座下部714、联轴器72、联轴器第一端721、联轴器第二端722、指针73、刻度手轮74、夹紧手柄75、手持部751、相机8、壳体9、容置空间91、遮光套92、镜头93、透明玻璃94。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

本发明将用来改进现有技术中的不足，尤其是在相机8出厂时或在实际的使用当中要对其进行标定参考物，往往以实际使用中的实物作为参考，但这样不太标准，影响使用。

为了方便叙述，我们定义底板1(下面会详细介绍)的长度方向为X轴，底板1的宽度方向为Y轴，垂直于底板1的方向为Z轴。

如图1-图3所示：

本发明提供了一种结构光三维扫描相机的标定装置，包括底板1、驱动装置、直线模组2、升降机构3、标定块4、用于发射光束的光源6、用于调整光源6照射方向的三轴微调装置5以及相机8，底板1作为固定各相关机构和部件安装的载体，相机8可采用常规的CCD相机。

优选的，本实施例中光源6包含发光二极管、激光光源中的至少一种。

直线模组2和三轴微调装置5沿底板的长度方向(X轴方向)分别设置在底板1的两端，升降机构3设置在直线模组2上。

直线模组2包括直线模组本体21、滑块22和丝杆23，丝杆23可转动地设置在直线模组本体21上，丝杆23沿水平方向设置，滑块22可滑动地设置在直线模组本体21上，滑块22的底部设置有供丝杆23穿置的丝杆螺母座24。本实施例中，直线模组2可以进行X轴方向的线性运动，通过丝杆23安装在直线模组本体21上，丝杆23的两端采用轴承固定支撑，丝杆螺母座24安装在丝杆23上，可以进行X轴方向的线性滑动，滑块22安装在丝杆螺母座24上，可以跟随丝杆螺母座24运动。

进一步，直线模组2上还设置有刻有距离刻度的标尺25。

所述驱动装置设置在直线模组2远离三轴微调装置5的一端，所述驱动装置驱动丝杆23转动，从而带动滑块22沿X轴的方向在直线模组本体21上滑动，实现调整相机8与标定块4之间的距离。

具体的，在本实施例中，所述驱动装置可以为电动驱动装置，所述电动驱动装置包括伺服电机(图中未示出)，所述伺服电机的转轴轴向连接丝杆23，所述伺服电机的转轴沿X轴方向设置。当丝杆23相对于丝杆螺母座24转动时，两者之间发生轴向位移，滑块22固定连接在丝杠螺母座24上，并在丝杆螺母座24带动下沿着X轴方向做往返运动。

如图7所示，在本实施例中，所述驱动装置也可以为手动驱动装置，所述手动驱动装置可以采用手摇装置7，手摇装置7包括导向轴座71、联轴器72、指针73、刻度手轮74以及夹紧手柄75，导向轴座71设置在底板1上，导向轴座71为开口型导向轴座，联轴器72具有与刻度手轮74轴向连接的联轴器第一端721和与丝杆23轴向连接的联轴器第二端722，联轴器第一端721和联轴器第二端722均沿X轴方向设置。

导向轴座71的中部设置有供联轴器第一端721穿置的导向轴座通孔711，导向轴座71的一侧设置有导向轴座开口712。为了方便描述，这边将导向轴座71分为导向轴座上部713和导向轴座下部714，导向轴座通孔711设置在导向轴座上部713和导向轴座下部714之间，导向轴座开口712设置在导向轴座上部713和导向轴座下部714间的一侧上。

夹紧手柄75设置在导向轴座上部713上，夹紧手柄75包括手持部751和设置在手持部751底部的连接部(图中未示出)，导向轴座下部714上相对夹紧手柄75的所述连接部的位置上设置有与所述连接部相适配的螺孔；联轴器第一端721穿过导向轴座71的导向轴座通孔711与刻度手轮74轴向连接。当调整好选择的角度时，转动夹紧手柄75的所述手持部，使得所述连接部与所述螺孔相螺紧，即导向轴座上部713向导向轴座下部714方向移动，以缩小导向轴座开口712的间距，以此夹紧联轴器第一端721，即将联轴器第一端721固定在导向轴座通孔711上。

指针73设置在导向轴座71上，指针73指向刻度手轮74的刻度，方便读取数据。

本发明的手摇装置7结构简单，设计紧凑，通过刻度手轮74、联轴器72以及丝杠23的轴向连接，可以实现对滑块22的微调操作，方便灵活，调节精度高。

如图4所示：

升降机构3包括升降底板31、升降顶板32、第一连杆33、第二连杆34、第一移动组件35以及第二移动组件36，升降底板31固定设置在滑块22上。

第二移动组件36设置在升降底板31的一端上，第二移动组件36包括第二移动组件本体361、第二光杆362以及第二移动螺母座363，第二光杆362设置在第二移动组件本体361上，第二光杆362沿Y轴方向设置，第二移动螺母座363滑动设置在第二光杆362上。

第一移动组件35包括第一移动组件本体351、转动手轮352、第一光杆353和第一移动螺母座354，第一移动组件本体351设置在升降顶板32的底部的一端上，第一移动组件本体351相对第二移动组件本体361的位置设置，第一光杆353设置在第一移动组件本体351上，第一光杆353沿Y轴方向设置，转动手轮352设置在第一移动组件本体351的一端，且位于升降顶板32的一端，第一光杆353与转动手轮352轴向连接，第一移动螺母座354滑动设置在第一光杆353上。

第一连杆33和第二连杆34交叉设置，升降底板31远离第二移动组件36的一侧上设置有底板固定螺母座311，第一连杆33的下端与底板固定螺母座311相铰接，第一连杆33的上端与第一移动螺母座354相铰接。

第二连杆34远离第一移动组件35的一侧上设置有顶板固定螺母座321，第二连杆34的上端与顶板固定螺母座321相铰接，第二连杆34的下端与第二移动螺母座363相铰接。

进一步，升降顶板的顶部还设置有定位销37，定位销37的横截面为异形截面，异形截面的定位销37的设计方便操作者在使用过程中，调整齿形标定板4的固定方向，同时实现第一锯齿411(下面会详细介绍)和第二锯齿412(下面会详细介绍)的切换。

标定块4随升降机构3沿Z轴方向上下升降，第一连杆33与第二连杆34组成双叉臂升降组合，通过第一光杆353轴向连接转动手轮352，转动转动手轮352，即转动第一光杆353转动，使得第一移动螺母座354在第一光杆353上做往返运动，从而实现得第一连杆33的上端可以在第一光杆353移动。通过交叉原理，可以进行第一连杆33和第二连杆34关节联动升级，即当第一连杆33的上端在第一光杆353上移动时，第二连杆34的下端则在第二光杆362上做相对应的移动，从而实现升降顶板32上下升降。

如图1所示：

标定块4包括用于标定相机8用的特殊构型的齿形标定板41和盖板42，齿形标定板41和盖板42上均设置有供定位销37穿过的定位销通孔，齿形标定板41的所述定位销通孔穿过定位销37设置在升降顶板32上，盖板42通过的所述定位销通孔穿过定位销37设置在齿形标定板41的上方，盖板42和齿形标定板41之间还设置有精密性垫圈(图中未示出)，让盖板42与齿形标定板41之间有0.1-0.3mm的缝隙。

齿形标定板41的两侧分别设置有第一锯齿411和第二锯齿412，第一锯齿411和第二锯齿412沿水平方向的截面均为等腰三角形，第一锯齿411和第二锯齿412均由若干个锯齿单元组成，每个所述锯齿单元均具有齿根和齿尖。在使用过程中，操作者将所需的锯齿面面向光源6照射方向。为了方便叙述，本实施例中，我们将第一锯齿411背向光源6照射方向设置，第二锯齿412则面向光源6照射方向设置。

进一步，第一锯齿411的所述锯齿单元相邻的两所述齿尖的距离与第二锯齿412的所述锯齿单元相邻的两所述齿尖的距离不一致，即第一锯齿411的各所述锯齿单元与第二锯齿412的各所述锯齿单元的疏密程度度不一致，第一锯齿411和第二锯齿412用于不同类型相机标定。

如图5-图6所示：

三轴微调装置5设置在底板1上，三轴微调装置5能够调整相机8XYZ三轴角度自由度，以此来调整相机8与齿形标定板41的位置。

三轴微调装置5包括微调底座50、微调底板51、Y轴转板52、Z轴转板53、Z轴联动板54、X轴转板55、第一转轴561、第二转轴(图中未示出)、第三转轴563、第一压缩弹簧(图中未示出)、第二压缩弹簧(图中未示出)、第三压缩弹簧(图中未示出)、第一压板581、第二压板582、第三压板583、第一球面微分关591、第二球面微分关592以及第三球面微分关593。

具体的，在本实施例中，第一球面微分关591、第二球面微分关592以及第三球面微分关593均采用市面上型号为S65-1Q的球面微分关。第一压板581、第二压板582以及第三压板583均为富有弹性的压板。

微调底座50设置在底板1远离手摇装置7的一端，微调底座50上固定设置有微调底板51，微调底板51沿X轴方向上设置有Y轴转板52，微调底板51此时充当Y轴联动板，微调底板51的一侧与Y轴转板52相对的一侧通过第一转轴561相铰接，第一转轴561沿Y轴方向设置，微调底板51远离第一转轴561的一侧上第一卡槽511，第一压板581的一端固定设置在第一卡槽511上，第一压板581的另一端设置在Y轴转板52的上方，第一球面微分关591设置在第一压板581的上方，且第一球面微分关591的伸缩杆穿过第一压板581抵靠在Y轴转板52上，所述第一压缩弹簧的一端抵靠在微调底板51上，所述第一压缩弹簧的另一端抵靠在Y轴转板52上。第一球面微分关591用于调节Y轴转板52与微调底板51之间间隙。通过调整第一球面微分关591，使得Y轴转板52绕着第一转轴561远离/靠近微调底板51，以此调整光源6在Y轴方向的照射方向。

Y轴转板52沿Y轴方向上设置有X轴转板55，Y轴转板52此时充当X轴联动板，Y轴转板52的一侧与X轴转板55相对的一侧通过所述第二转轴相铰接，所述第二转轴沿X轴方向设置。Y轴转板52远离所述第二转轴的一侧上第二卡槽521，第二压板582的一端固定设置在第二卡槽521上，第二压板582的另一端设置在X轴转板55的上方，第二球面微分关592设置在第二压板582的上方，且第二球面微分关592的伸缩杆穿过第二压板582抵靠在X轴转板55上，所述第二压缩弹簧的一端抵靠在Y轴转板52上，所述第二压缩弹簧的另一端抵靠在X轴转板55上。第二球面微分关592用于调节Y轴转板52与X轴转板55之间间隙。通过调整第二球面微分关592，使得X轴转板55绕着所述第二转轴远离/靠近Y轴转板52，以此调整光源6在X轴方向的照射方向。

Z轴联动板54垂直设置在X轴转板55上，Z轴联动板54的一侧设置有Z轴转板53，Z轴联动板54竖直方向设置，Z轴联动板54的一侧与Z轴转板53相对的一侧通过第三转轴563相铰接，第三转轴563沿Z轴方向设置。Z轴联动板54远离第三转轴563的一侧上第三卡槽541，第三压板583的一端固定设置在第三卡槽523上，第三压板583的另一端设置在Z轴转板53远离Z轴联动板54的一侧，第三球面微分关593设置在第三压板583远离Z轴转板53的一侧，所述第三压缩弹簧的一端抵靠在X轴转板55上，所述第三压缩弹簧的另一端抵靠在Z轴联动板54上。第三球面微分关593用于调节Z轴联动板54与Z轴转板53之间间隙。通过调整第三球面微分关593，使得Z轴转板53绕着第三转轴563远离/靠近Z轴联动板54，以此调整光源6在Z轴方向的照射方向。

本发明的三轴微调装置5结构简单，设计紧凑，通过调节Y轴转板52、Z轴转板53以及X轴转板55，可以实现光源6的三维位置的微调操作，方便灵活，调节精度高，同时通过对光源6位置进行微调，可以有效减小相机8与标定块4之间的距离误差，提高相机8的标定精度。

进一步，三轴微调装置5上设置有供光源6和相机8放置的壳体9，壳体9为中空壳体，壳体9的内腔设置有供光源6和相机8放置的容置空间91，光源6设置在相机8的上方。

本发明使用的相机8为激光扫描相机，相机8安装于容置空间91上，壳体9内腔还安装遮光套92，防止漏光，遮光套92的前端安装有镜头93，镜头93前端装有滤光镜(图中未示出)，可以过滤除激光外不同波长的光束，相机8与光源6发射的光源光束成一定角度关系。壳体9的外壳上装有透明玻璃94，透明玻璃94与相机8的外壳上装有密封圈(图中未示出)，可以防止灰尘进入相机8的内部，相机8的外壳与容置空间91之间也设置有O型圈的胶条槽(图中未示出)，整机组成达到IP67的密封性能。

本发明还提供了一种结构光三维扫描相机的标定方法，具体操作步骤如下：

S1：安装待标定的相机8，将要标定的三维扫描相机8安装在三轴微调装置5上的壳体9的的容置空间91上，通过螺丝紧固；

S2：调整校准齿形标定块41的位置；由于齿形标定板41本身的齿面与侧面加工时有存在垂直度关系，可以用百分表校准侧面移动时的平面跳动量。使得第二锯齿412的若干个所述锯齿单元均面向着三轴微调装置5。(校准只需校准一次后，锁紧固定好齿形标定板41后，后续使用无需再校准，除非更换齿面，才需再校准一次)

S3：调整激光平面；打开相机8，让光源6的激光束发射出来，将升降机构3上的齿形标定板41与盖板42间的缝隙，上升/下降到与光源6的激光平面大致重合的高度；

S4：通过调整三轴微调装置5，调节Y轴转板52、Z轴转板53以及X轴转板55的转角，使得光源6的激光平面可以贴合齿形标定板41与盖板42间的缝隙，从而使得光源6的激光平面与标定齿形板41处于平行状态；

S5：将升降机构3上升，使得光源6的激光平面照射在标定齿形板41的第二锯齿412上，通过直线模组2，将标定齿形板41移动至光源6的激光平面的有效距离中，通过调整，让齿形物体在三维扫描相机的景深范围中，增加精度；

S6：固定齿形标定板41在直线模组2的某一范围中，设置任一一个第二锯齿412的所述锯齿单元的所述齿尖为基准原点(0,0)，由于标定齿形板41的齿形物理量已知，可推算出第二锯齿412的所述锯齿单元的任一所述齿尖和第二锯齿412的所述锯齿单元的任一所述齿根的坐标点，为了方便叙述，我们假设第二锯齿412的任一所述锯齿单元的所述齿尖和所述齿根的坐标点为(X1,Y1),(X2,Y2)…(Xn,Yn)；

S7:开启相机8软件，开始获取相机视野范围内第二锯齿412的任一所述锯齿单元的所述齿尖和所述齿根的的像素点位置(A1,B1),(A2,B2)…(An，Bn)，由于映入相机软件的视野会产生一段折线，该折线是由第二锯齿412的任一所述锯齿单元的所述齿尖和所述齿根的坐标点相连的一条线段，第二锯齿412的任一所述锯齿单元的所述齿尖和所述齿根的坐标点相连一条线的平面为基准参考面，以此基准参考面，采用线性代数方式确定基准参考面上实际物理坐标值与相机软件的像素值的坐标换算方式。

换算方程式：(这边我们以4个点为例)

实际第二锯齿412的4个所述锯齿单元的所述齿尖和所述齿根的物理点坐标：(X1,Y1),(X2,Y2)，(X3,Y3),(X4,Y4)

相机软件内第二锯齿412的4个所述锯齿单元的所述齿尖和所述齿根对应像素点坐标：(A1,B1),(A2,B2)，(A3,B3),(A4,B4)

根据以上建立方程组

X1＝HA1+IB1+J-KX1A1-LA1Y1

Y1＝MA1+NB1+O-KY1A1-LB1Y1

X2＝HA2+IB2+J-KX2A2-LA2Y2

Y2＝MA2+NB2+O-KY2A2-LB2Y2

X3＝HA3+IB3+J-KX3A3-LA3Y3

Y3＝MA3+NB3+O-KY3A3-LB3Y3

X4＝HA4+IB4+J-KX4A4-LA4Y4

Y4＝MA4+NB4+O-KY4A4-LB4Y4

最后求解：H,I,J,K,L,M,N,O值

解得H,I,J,K,L,M,N,O的值

经过换算，确定了基准参考面上实际物理坐标值与相机软件的像素值的坐标换算。

采用上述技术方案，本发明的有益是：手动即可调节固定相机8的标定微调机构，当光源6发出光束时，调整升降机构3的高度、移动升降机构3沿直线模组本体21上滑动，进而通过三轴微调装置5调整光束，使得光束沿水平方向均匀地照射在齿形标定板41与盖板42之间的缝隙上，进而读取标尺25上的数据，对相机8进行位移检测，减少位移误差，校准相机8与标定块4的相对位置，就可以快速准确的获取标定块41的数据信息，从而传输到计算机进行读取换算，对于批量化相机标定有着提高效率和准确性的显著效果，本发明极大的提高相机标定效率，且无需接电，转场无需重新安装校准，只需一个工作台或是一个空地就能使用。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种结构光三维扫描相机的标定装置，其特征在于：包括底板、直线模组、驱动装置、升降机构、标定块、用于发射光束的光源和用于调整所述光源照射方向的三轴微调装置，所述直线模组和所述三轴微调装置分别设置在所述底板的两端，所述直线模组沿所述底板的长度方向设置，所述升降机构设置在所述直线模组上，所述直线模组包括直线模组本体、滑块和丝杆，所述丝杆可转动地设置在所述直线模组本体上，所述丝杆沿水平方向设置，所述滑块可滑动地设置在所述直线模组本体上，所述滑块的底部设置有供所述丝杆穿置的丝杆螺母座，所述驱动装置设置在所述直线模组远离所述三轴微调装置的一端，所述驱动装置与所述丝杆轴向连接，所述升降机构固定设置在所述滑块上，所述标定块设置在所述升降机构上，所述光源设置在所述三轴微调装置上。

2.根据权利要求1所述的一种结构光三维扫描相机的标定装置，其特征在于：所述驱动装置包括伺服电机，所述伺服电机的转轴沿水平方向设置，所述伺服电机的转轴与所述丝杆轴向连接。

3.根据权利要求1所述的一种结构光三维扫描相机的标定装置，其特征在于：所述驱动装置包括导向轴座、联轴器、指针、刻度手轮以及夹紧手柄，所述导向轴座设置在所述底板上，所述导向轴座为开口型导向轴座，所述联轴器具有与所述刻度手轮相连接的联轴器第一端和与所述丝杆相连接的联轴器第二端，所述联轴器第一端和所述联轴器第二端均沿水平方向设置，所述指针设置在所述导向轴座上；

所述导向轴座包括导向轴座上部、导向轴座下部、导向轴座开口以及设置在所述导向轴座上部和所述导向轴座下部之间的导向轴座通孔，所述导向轴座开口设置在所述导向轴座上部和所述导向轴座下部间的一侧上；

所述夹紧手柄设置在所述导向轴座上部上，所述夹紧手柄包括手持部和设置在所述手持部底部的连接部，所述导向轴座下部上相对所述连接部的位置上设置有与所述连接部相适配的螺孔，所述联轴器第一端穿过所述导向轴座通孔与所述刻度手轮轴向连接，所述联轴器第二端与所述丝杆轴向连接。

4.根据权利要求2-3任一项所述的一种结构光三维扫描相机的标定装置，其特征在于：所述升降机构包括升降底板、升降顶板、第一连杆、第二连杆、第一移动组件以及第二移动组件，所述升降底板设置在所述滑块上；

所述第一移动组件包括第一移动组件本体、转动手轮、第一光杆和第一移动螺母座，所述第一移动组件本体设置在所述升降顶板的底部的一端上，所述第一光杆设置在所述第一移动组件本体上，所述转动手轮设置在所述第一移动组件本体的一端，且位于所述升降顶板的一侧，所述第一光杆与所述转动手轮轴向连接，所述第一移动螺母座滑动地配设在所述第一光杆上；

所述第二移动组件设置在所述升降底板的一端上，所述第二移动组件包括第二移动组件本体、第二光杆以及第二移动螺母座，所述第二光杆设置在所述第二移动组件本体上，所述第二光杆沿水平方向设置，所述第二移动螺母座滑动设置在所述第二光杆上；

所述第一连杆和所述第二连杆交叉设置，所述升降底板远离所述第二移动组件的一侧上设置有所述底板固定螺母座，所述第一连杆的下端与所述底板固定螺母座相铰接，所述第一连杆的上端与所述第一移动螺母座相铰接，所述第二连杆远离所述第一移动组件的一侧上设置有顶板固定螺母座，所述第二连杆的上端与所述顶板固定螺母座相铰接，所述第二连杆的下端与所述第二移动螺母座相铰接；

所述升降顶板的顶部设置有定位销，所述定位销的水平横截面为异性截面。

5.根据权利要求4所述的一种结构光三维扫描相机的标定装置，其特征在于：所述标定块包括用于标定相机用的齿形标定板和盖板，所述齿形标定板通过所述定位销设置在所述升降顶板上，所述盖板通过所述定位销设置在所述齿形标定板上方，所述齿形标定板和所述盖板之间还设置垫圈；

所述齿形标定板的两侧均分别设置有第一锯齿和第二锯齿，所述第一锯齿和所述第二锯齿形沿水平方向的截面均为等腰三角形，所述第一锯齿和所述第二锯齿均由若干个锯齿单元组成，各所述锯齿单元均具有齿根和齿尖；

所述第一锯齿的所述锯齿单元相邻的两所述齿尖的距离与所述第二锯齿的所述锯齿单元相邻的两所述齿尖的疏密程度度不一致。

6.根据权利要求5所述的一种结构光三维扫描相机的标定装置，其特征在于：定义所述底板的长度方向为X轴，所述底板的宽度方向为Y轴，垂直于所述底板的方向为Z轴；

所述三轴微调装置设置在所述底板上，所述三轴微调装置包括微调底板、Y轴转板、Z轴转板、Z轴联动板、X轴转板、第一转轴、第二转轴、第三转轴、第一压缩弹簧、第二压缩弹簧、第三压缩弹簧、第一压板、第二压板、第三压板、用于调节所述Y轴转板与所述微调底板之间的间隙的第一球面微分关、用于调节所述Y轴转板与所述X轴转板之间的间隙的第二球面微分关以及用于调节所述X轴转板与所述Z轴转板之间的间隙的第三球面微分关；

所述微调底板沿X轴的方向上设置有所述Y轴转板，所述微调底板的一侧与所述Y轴转板相对的一侧通过所述第一转轴相铰接，所述第一转轴沿Y轴方向设置，所述第一压板设置在所述微调底板远离所述第一转轴的一侧上，所述第一压板的一端固定设置在所述微调底板上，所述第一压板延伸至所述Y轴转板的上方，所述第一球面微分关设置在所述第一压板的上方，且所述第一球面微分关的伸缩杆穿过所述第一压板抵靠在所述Y轴转板上，所述第一压缩弹簧的一端抵靠在所述微调底板上，所述第一压缩弹簧的另一端抵靠在所述轴转板上；

所述Y轴转板沿Z轴的方向上设置有所述X轴转板，所述Y轴转板的一侧与所述X轴转板相对的一侧通过所述第二转轴相铰接，所述第二转轴沿X轴方向设置，所述第二压板设置在所述Y轴转板远离所述第二转轴的一侧上，所述第二压板的一端固定设置在所述Y轴转板上，所述第二压板延伸至所述X轴转板的上方，所述第二球面微分关设置在所述第二压板的上方，且所述第二球面微分关的伸缩杆穿过所述第二压板抵靠在所述X轴转板上，所述第二压缩弹簧的一端抵靠在所述Y轴转板上，所述第二压缩弹簧的另一端抵靠在所述X轴转板上；

所述Z轴联动板垂直设置在所述X轴转板上，所述Z轴联动板的一侧设置有所述Z轴转板，所述Z轴联动板竖直方向设置，所述Z轴联动板的一侧与所述Z轴转板相对的一侧通过所述第三转轴相铰接，所述第三转轴沿Z轴方向设置，所述第三压板设置在所述Z轴联动板远离所述第三转轴的一侧上，所述第三压板的一端固定设置在所述Z轴联动板上，所述第三压板延伸至所述Z轴转板的上方，所述第三球面微分关设置在所述第三压板的上方，且所述第三球面微分关的伸缩杆穿过所述第三压板抵靠在所述Z轴转板上，所述第三压缩弹簧的一端抵靠在所述X轴转板上，所述第三压缩弹簧的另一端抵靠在所述Z轴联动板上。

7.根据权利要求1所述的一种结构光三维扫描相机的标定装置，其特征在于：所述三轴微调装置上设置有供相机和所述光源放置的壳体，所述壳体为中空壳体，所述壳体的内腔设置有供所述光源和所述相机放置的容置空间，所述光源设置在所述相机的上方。

8.根据权利要求1所述的一种结构光三维扫描相机的标定装置，其特征在于：所述直线模组本体上设置有刻有距离刻度的标尺。

9.根据权利要求1所述的一种结构光三维扫描相机的标定装置，其特征在于：所述光源包含发光二极管、激光光源中的至少一种。

10.一种采用权利要求6所述的一种结构光三维扫描相机的标定装置的标定方法，其特征在于：包括下述步骤：

S1：安装待标定的所述相机，将要标定的所述相机安装在所述三轴微调装置上，通过螺丝紧固；

S2：调整校准所述齿形标定块的位置，所述第一锯齿背向所述三轴微调装置设置，所述第二锯齿面向所述三轴微调装置设置；

S3：调整激光平面，打开所述相机，让所述光源的激光束发射出来，转动所述转动手轮，使得所述升降机构的所述齿形标定板与所述盖板之间的缝隙上升/下降到与所述光源的激光平面大致重合；

S4：通过调整所述三轴微调装置，调节所述Y轴转板、所述Z轴转板以及所述X轴转板的转角，使得所述光源的激光平面透过所述齿形标定板与所述盖板间的缝隙，从而使得所述光源的激光平面与所述标定齿形板处于平行状态；

S5：将所述升降机构上升，使得所述光源的激光平面照射在所述标定齿形板的所述第二锯齿上，通过所述直线模组，将所述标定齿形板移动至所述光源的激光平面的有效距离中，通过调整让齿形物体在三维扫描所述相机的景深范围中，增加精度；

S6：固定所述齿形标定板在所述直线模组的某一范围中，设置最任一一个所述第二锯齿的所述锯齿单元的所述齿尖为基准原点(0,0)，由于标定齿形板的齿形物理量已知，可推算出所述第二锯齿任一所述锯齿单元的所述齿尖和所述齿根的坐标点(X1,Y1),(X2,Y2)…(Xn,Yn)，

S7:开启所述相机的软件，开始获取所述相机视野范围内所述第二锯齿的任一所述锯齿单元的所述齿尖和所述齿根的像素点位置(A1,B1),(A2,B2)…(An，Bn)，采用线性代数方式确定基准参考面上实际物理坐标值与所述相机软件的像素值的坐标换算方式。

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