CN111758013A - 用于采集物体表面特性的数据和信息的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于收集物体表面特性的信息和数据的系统，该系统包括投影仪、工作台、第一照相机和第二照相机。投影仪悬挂在工作台的上方，并布置成将光学指示符的随机图案投影到工作台上。光学指示符可以是点、线或其他此类指示符。工作台布置成固定待检查的物体。第一照相机定位在工作台的上方且定位至工作台的一侧，并与工作台成一定角度。第二照相机定位在工作台的上方定位至工作台的相对的一侧，并与工作台成一定角度。第一照相机和第二照相机布置成捕捉投影到物体上的光学指示符的图像。该系统进一步布置成从捕捉的图像中采集信息和数据，并从所采集的信息和数据中确定物体表面特性。

Description

用于采集物体表面特性的数据和信息的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月27日提交的标题为“用于采集物体表面特性的数据和信息的系统和方法(System and Method for Gathering Data and Information onSurface Characteristics of an Object)”的美国临时专利申请号62/577,991的优先权，通过引用将其全部内容明确地并入本文。

技术领域

本公开一般涉及用于采集信息和数据以计算物体的表面轮廓、边缘和特征的系统和方法。更具体地说，本公开涉及用于将光学指示符投影到物体的表面上并且从两个或更多个视点检测这种光学指示符以计算物体的表面轮廓、边缘和特征的系统和方法。

背景技术

在许多应用中，准确地确定物体表面特性是有用的。这种表面特性包括表面的轮廓、表面的边缘以及表面的特征(例如孔、槽)等。关于表面的轮廓，该术语是指表面的形状，包括曲线、高度的变化、尖锐的过渡等。对于例如孔和槽的特征，确定此类特征包括确定特征在表面上的位置以及特征的尺寸。在许多商业活动中(例如制造多种类型的部件和组件、将部件组装到系统中、检查部件和系统的质量等)，准确地确定此类表面特性是有用的，甚至是至关重要的。表面特性的确定在工业研发、产品开发和学术研究中也是重要的。

在许多制造应用中，可再生产地制造复杂部件的能力对于制造和组装优质产品是至关重要的。当部件具有复杂的表面时，重要的是确保这些表面是按照规格进行制造的。例如，当尺寸公差较小时，甚至与规格的微小偏差也可导致在产品的组装过程中出现失配或不合适的部件。这种确保是典型地通过部件和组件的制造后检查来实现的。典型地，部件的表面特性是通过质量控制人员的视觉检查来评估的。这种视觉检查可以通过简单地在视觉上将部件的表面与模板进行比较，或将该模板与部件的表面进行物理接触来完成。随后，质量控制人员可以评估部件的表面与模板的匹配程度，并对部件的质量作出判断。在另一种方法中，质量控制人员可使用测量设备来直接测量某些尺寸、特征和轮廓，以评估部件的质量。

将理解的是，质量控制人员所采用的典型视觉和手动检查技术可能是费时的以及导致结果不一致。需要对现有技术进行改进以提供用于采集信息和数据的系统和方法，以准确地和精确地计算物体的表面轮廓、边缘和特征。

发明内容

在一个实施例中，一种用于采集物体表面特性的信息和数据的系统包括：投影仪、支撑被检查的物体的表面(例如工作台)、第一照相机和第二照相机。投影仪悬挂在工作台的上方，并布置成将随机的光学指示符的图案投影到工作台上。光学指示符可以是点、线、两者的结合或任何此类的指示符。第一照相机定位在工作台的上方和一侧，并与工作台成一定角度。第二照相机定位在工作台的上方和相对的一侧，并与工作台成一定角度。第一照相机和第二照相机布置成捕捉投影到物体上的光学指示符的图像。该系统进一步布置成从捕捉的图像中采集信息和数据，并从所采集的信息和数据中确定物体表面特性。

在另一实施例中，一种用于采集物体表面特性的信息和数据的系统包括：投影仪、光楔、支撑被检查的物体的表面(例如工作台)、第一照相机和第二照相机。投影仪悬挂在工作台的上方，并布置成将随机的光学指示符的图案投影到工作台上。在投影场内，光楔定位在投影仪附近。楔布置成折射从投影仪投影的图案，并且进一步布置成围绕投影场的轴线周期性地旋转。第一照相机定位在工作台的上方和一侧，并与工作台成一定角度。第二照相机定位在工作台的上方和相对的一侧，并与工作台成一定角度。第一照相机和第二照相机布置成当光楔旋转时捕捉投影到物体上的光学指示符的图像。该系统进一步布置成从捕捉的图像中采集信息和数据，并从所采集的信息和数据中确定物体表面特性。

附图说明

在附图中，示出了结合下面提供的详细描述一起来描述所公开的系统、方法和仪器的示例性实施例的结构。在适当的地方，相同的元件用相同或相似的附图标记来标识。显示为单个部件的元件可以被多个部件替换。显示为多个部件的元件可以被单个部件替换。附图可能未按比例绘制。为了说明的目的，某些元件的比例可能被放大。

图1示意性地示出了示例性系统的透视图，该示例性系统用于使用一般为圆形的光学指示符来采集物体表面特性的信息和数据。

图2示意性地示出了图1的系统的俯视图。

图3示意性地示出了另一示例性系统的透视图，该另一示例性系统用于使用大体上平行的线性光学指示符来采集物体表面特性的信息和数据。

图4示意性地示出了又一示例性系统的透视图，该又一示例性系统用于使用第一组大体上平行的线性光学指示符和大体上垂直于第一组线性光学指示符的第二组大体上平行的线性光学指示符来采集物体表面特性的信息和数据。

图5示意性地示出了与本文所公开的系统一起使用的定位在投影仪附近的光楔。

图6示意性地示出了另一示例性系统的透视图，该另一示例性系统用于采集物体表面特性的信息和数据，特别是用于确定物体表面的孔的深度。

图7示意性地示出了与本文所公开的系统一起使用的照相机的正视图。

具体实施方式

通过示例以及参考附图详细描述了本文所公开的仪器、系统、布置和方法。应当理解，所公开和描述的示例、布置、配置、部件、元件、仪器、方法、材料等可进行修改，并可期望用于特定应用。在本公开中，对特定技术、布置、方法等的任何标识或与所呈现的特定示例有关，或仅仅是对此类技术、布置、方法等的一般描述。除非明确指定，否则特定细节或示例的标识不旨在且不应解释为是强制或限制。下文中将参考图1至图7公开并详细描述用于准确地采集物体表面特性的信息和数据的仪器、布置和方法的所选示例。

图1示意性地示出了用于采集物体20的表面特性的信息和数据的系统10的透视图。系统10包括用于支撑物体的表面(例如工作台30)、投影仪40、第一照相机50和第二照相机60。投影仪40定位在工作台30的正上方，并且投影显示在工作台30上的一系列随机定位的光学指示符(例如一般为圆形的点70)。将理解的是，当把物体20放置在工作台30上，会将多个点70投影到并显示在物体20上。投影仪40的投影场80足够宽，使得可以将点70投影在工作台30的所有区域上。在图1示出的系统10中，穿过投影场80的中心轴线(未示出)垂直于工作台30。将理解的是，在此类布置中，将光学指示符(例如点70)投影到工作台30上，而没有由于投影角度引起的任何实质性的变形。将进一步理解的是，如果投影场的中心轴线与工作台成一定角度，则投影到工作台上的点将经历一些变形(即，呈现椭圆形或其他长方形)。然而，将理解的是，在本文描述的任何算法和方法中可以考虑这样的角度和变形。在本公开，光学指示符以某种布置和间隔示出；然而，将理解的是，此类图示以非限制的方式呈现，以便于系统和方法的理解。投影的光学指示符的替代布置和间隔在本文中也是预期的，并且是本公开的一部分。

如图1所示出，物体20的表面具有轮廓，并且出于演示的目的，物体20包括许多特征，包括一对孔90、100和槽110。第一照相机50定位在工作台30的上方且定位在工作台30的一侧，第二照相机60定位在工作台30的上方且定位至工作台30相对的一侧。第一照相机50和第二照相机60成角度地向下朝向工作台30，使得第一照相机50的视场120捕捉整个工作台30，并且第二照相机60的视场130也捕捉整个工作台30。

当将随机系列的圆点70投影到物体20上时，可以将第一照相机50布置成从第一视点捕捉物体20的第一图像，并且可以将第二照相机60布置成从第二视点捕捉物体20的第二图像。图2是从系统10正上方看的系统10的示意图。如图所示，第一照相机50、第二照相机60以及投影仪40沿着线140共线对准。而且，如图1所示，第一照相机50和第二照相机60可以定位在与工作台30相同的上方距离处并且与工作台30横向间隔开，并且以相同(但相对)的角度朝向工作台30。因此，将理解的是，第一照相机50的第一视点正对第二照相机60的第二视点。尽管图1所示的系统10将第一照相机50、第二照相机60和投影仪40描绘为共线，并且将第一照相机50和第二照相机60定位在与工作台30相同的上方距离处并且与工作台30横向间隔开(即，以相同但相对的角度)，部件的其他布置也是可以预期的。第一照相机50和第二照相机60可以定位在工作台30的不同距离处以及相对于工作台30成不同的角度。然而，在每种布置中，投影仪40将光学指示符投影到物体20上，并且一对照相机从两个不同的视角捕捉光学指示符的图像。

一旦第一照相机50捕捉了第一图像并且第二照相机60捕捉了第二图像，则可以分析这两个图像以确定物体20的表面特性。通过使用嵌套在软件代码中并在服务器、计算机或其他计算设备上运行的算法和其他方法，来进行分析第一图像和第二图像。分析第一图像和第二图像的过程开始于识别第一图像和第二图像中单个的点。点70的随机图案有助于识别每个单个的点70。可以在第一图像中识别出具有多个点的图案，并且可以在第二图像中识别出相同的图案。因此，可以将第一图像和第二图像中识别出的图案的对应点进行配对并视为相同的点。通过在第一图像和第二图像中识别许多图案的过程，投影到物体上的每个点均可以在第一图像和第二图像中被识别。一旦在第一图像和第二图像中识别出每个点，就可以比较该点的两个图像以帮助确定物体的表面特性。

尽管本文所述的测定表面特性的方法主要依赖于随机光学指示符在待检查的物体上的投影，但是这种方法可以使用附加的数据和信息。例如，由于系统10的布置，可以将许多“已知”因素与从第一图像和第二图像中采集的数据和信息一起使用以确定物体的表面特性。例如，已知投影仪40的位置，已知投影点70的特性，并且已知第一照相机50和第二照相机60的位置。这就是说，从投影仪40投影的点的尺寸(因此，已知在距投影仪的每个增量距离处投影的点的尺寸)是已知的，从投影仪40到工作台30的距离是已知的，第一照相机50相对于工作台30的距离和角度是已知的，第二照相机60相对于工作台30的距离和角度是已知的。

通过将已知因素的列表与每个点在第一图像和第二图像上出现的形状和位置相结合，可以确定物体表面特性。在一个示例中，如果第一图像和第二图像仅捕捉点的一部分，则可以确定该点跨越物体20的物体的边缘或物体20的特征的边缘(例如孔或槽的边缘)。在另一个示例中，如果由第一图像和第二图像捕捉的点是非圆形的，即椭圆形或其他长方形，则可以确定该点投影到相对于工作台的表面成角度的物体的表面上。通过考虑圆点的投影尺寸、投影仪到工作台的距离以及第一照相机50和第二照相机60的距离和角度，可以确定在该点投影处物体表面的轮廓。将理解的是，评估大量的点，特别是大量邻近的点，可用于确定表面的轮廓、物体的边缘和表面的特征。

在一个实施例中，投影仪布置成将大约40,000个点投影到工作台的工作区域上。在此实施例中，工作台大约为450毫米X450毫米。在另一实施例中，投影仪可以投影随机或系统地散布在多个点上的多个高强度点。这样的高强度点可以容易地在捕捉的图像中被识别，并且可以用于指引第一照相机和第二照相机捕捉的图像上的多个点。在另一个实施例中，投影仪与工作台的距离约在0.4米至0.5米之间。在这样的距离下，投影点的直径约为300微米。

在另一实施例中，投影仪可固定在机械臂的末端，并且可在投影点到物体上时相对于物体移动。这样的布置可以增加被检查物体的表面积，并且可以在物体的侧面以及物体的顶部上采集信息和数据。这样的布置可以进一步用于固定物体的任何表面的多个图像，因此，可以增加该表面上的信息和数据，从而可以进一步提高确定物体尺寸和轮廓的准确性。如本文所述，可以结合到分析中的其他已知因素是投影仪在机械臂上的位置和角度，以及当机械臂移动以改变物体上的光学指示符的投影时，位置和角度如何变化。在另一个实施例中，投影仪可以首先投影要分析的物体的轮廓的模板。可以将物体放置在模板上，以确保在采集信息和数据期间，其以最佳方式放置在工作台上。

图3示意性地示出了用于采集物体20的表面特性的信息和数据的另一系统200的透视图。图3的系统200类似于图1和图2的系统10；然而，光学指示符是一系列平行线210。工作台30、投影仪40、第一照相机50以及第二照相机60分别如图1和图2的系统10中所示和如本文先前所述定位。图3的物体220包括三个孔230、240、250。由第一照相机50捕捉的第一图像和由第二照相机60捕捉的第二图像可以用于确定物体220中的孔230、240、250的位置和尺寸。平行线210中的中断可以指示孔的边缘。在一个实施例中，可以在工作台30上的不同位置投影多次线210，并且第一照相机50和第二照相机60可以在每个不同的位置捕捉图像。可以集中考虑所有捕捉的图像以确定孔230、240、250的位置和尺寸。

图4示意性地示出了用于采集物体20的表面特性的信息和数据的另一系统260的透视图。图3的系统260类似于图3的系统200；然而，光学指示符是两个系列平行线270，其中第一系列平行线垂直于第二系列平行线。工作台30、投影仪40、第一照相机50以及第二照相机60分别如图3的系统200中所示进行定位。

图5示出了另一实施例，其中旋转的光楔300定位在投影仪40和物体(未示出，但是类似于图1至图4中示出的物体)之间。这样的布置有助于通过捕捉物体的多个连续图像来确定物体表面特性。在这样的布置中，投影仪40通过光楔300投影光学指示符(例如一系列点)，该光楔在将点投影到物体上之前折射一系列点。当楔围绕轴线310旋转时，一系列点在物体上移动位置，并且当这些点以不同的方式落在物体的表面的各种轮廓、特征和边缘上时提供附加信息。可以通过马达和带组件(未示出)旋转和指引光楔300。也就是说，光楔300可以旋转多次，每次旋转特定的角度增量。随着每一次旋转，第一照相机和第二照相机捕捉物体上的点的图像。利用已知的角度增量，可以将该信息与从多个捕捉的图像中采集的信息和数据和其他已知因素进行组合，以准确地和精确地确定物体表面特性。

在一个实施例中，光楔300的旋转角度增量大约为2度。光楔300可以旋转大约100毫秒，并且第一照相机和第二照相机在大约一秒钟内捕捉每次旋转的图像。在这样的布置中，典型地，五组捕捉的图像足以准确地和精确地确定物体表面特性。因此，确定表面特性的过程是高效的。

图6示意性地示出了另一系统400的透视图，该系统用于采集物体410的表面特性的信息和数据，以及具体地采集包括孔420的深度的孔420的位置和尺寸。系统400包括工作台30、投影仪40、第一照相机50和第二照相机60。在此实施例中，相对于工作台30以微小的角度投影点。如图所示，结果是一系列点430投影到孔420的壁上。如果孔是贯穿物体的整个厚度来形成的，或者如果该孔是埋头孔(即，该孔是不贯穿物体的整个厚度来形成的)，则也可以通过孔或在孔的底部上投影点430。第二照相机60可以捕捉投影在孔420的壁或埋头孔的底部上的点430。根据捕捉的图像和投影仪40的位置和角度的已知因素，可以确定孔420的特性(包括深度)。

图7示意性地示出了照相机500的实施例。照相机500包括由一系列光源520围绕的光圈510。光源520可以增强照相机500捕捉图像的质量和细节。在一个实施例中，光源是发光二极管(LED)。

为了说明和描述的目的，已经给出示例的上述描述。这并不旨在详尽或限制于所描述的形式。根据上述教导，许多修改是可能的。其中一些修改已经进行了讨论，其他修改将由该领域的技术人员理解。选择和描述示例是为了最好地说明适合于预期的特定用途的各种示例的原理。当然，范围不限于本文所述的示例，而是可由本领域普通技术人员用于任何数量的应用和等效设备中。

Claims (8)

1.一种用于采集物体表面特性的信息和数据的系统，所述系统包括：

工作台，其布置成支撑物体；

投影仪，其悬挂在工作台的上方，并布置成向工作台投影光学指示符的图案；

第一照相机，其定位在工作台的上方且定位至工作台的一侧并与工作台成一定角度，以及布置成捕捉投影到物体上的光学指示符；以及

第二照相机，其定位在工作台的上方且定位至工作台的相对的一侧并与工作台成一定角度，以及布置成捕捉投影到物体上的光学指示符；

其中，所述系统进一步布置成从捕捉的图像中采集信息和数据，并从所采集的信息和数据确定物体表面特性。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学指示符为随机分布的点。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学指示符为第一系列平行线。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述光学指示符进一步为垂直于所述第一系列平行线的第二系列平行线。

5.一种用于采集物体表面特性的信息和数据的系统，所述系统包括：

工作台，其布置成支撑物体；

投影仪，其悬挂在工作台的上方，并布置成向在投影场中的工作台投影光学指示符的图案；

光楔，其定位在投影场中靠近投影仪处，并布置成绕投影场的轴线周期性地旋转；

第一照相机，其定位在工作台的上方且定位至工作台的一侧并与工作台成一定角度，以及布置成当光楔旋转时捕捉投影到物体上的光学指示符的图像；以及

第二照相机，其定位在工作台的上方且定位至工作台的相对的一侧并与工作台成一定角度，以及布置成当光楔旋转时捕捉投影到物体上的光学指示符的图像；

其中，所述系统进一步布置成从捕捉的图像中采集信息和数据，并从所采集的信息和数据中确定物体表面特性。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述光学指示符为随机分布的点。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述光学指示符为第一系列平行线。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述光学指示符进一步为垂直于所述第一系列平行线的第二系列平行线。

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