利用三維形狀測量儀的物體測量方法及用於該測量方法的三維形狀測量儀與流程
2023-05-17 09:17:36
本發明涉及利用三維形狀測量儀的物體測量方法及用於該測量方法的三維形狀測量儀。具體地，利用可水平、垂直旋轉的三維測量儀向X軸掃描獲取物體的位置和物體的Y軸中心坐標，通過該坐標掃描Y軸，將物體和三維形狀測量儀設置高度、測量距離、測量角度轉換成數據，並演算出物體的X、Y、Z軸坐標值而提高將物體裝車、卸車時作業的準確性和便利性，且縮短作業時間的利用三維形狀測量儀的物體測量方法及用於該測量方法的三維形狀測量儀。
背景技術：
三維形狀測量方法一般包括使用價格高昂的形狀測量儀：或者在雷射測距儀的光軸上設置傾斜45度的旋轉鏡，根據鏡子旋轉角測定對象的距離，然後基於該測量值測量對象物體的三維形狀；或者將兩臺二維測距儀向X坐標、Y坐標方向設置，使之以測量物體為中心上下傾斜(Tilting)或者左右旋轉(Panning)，進而基於跟隨其移動角度的二維形狀測量儀距離值測量三維形狀的方法。
如今隨著工業界各個領域技術的迅猛發展，半導體、MEMS、平板顯示器、光配件等領域產生了微細加工需求，進一步對納米單位超精細製造技術產生了需求。
這些加工所需的加工形狀也從二維圖形向複雜的三維形狀變化，隨之三維微細形狀測量技術的重要性也日益突出。
下面先敘述傳統技術。
註冊編號10-0379948(專)涉及三維形狀測量方法，作為利用平行立體相機和雷射測量距離後將測量物體的形狀模型輸入電腦的方法，該方法包括：將雷射線束照射到被測量物體，然後使用並行模型獲得左側和右側圖像的第一步驟；在左側和右側圖像的極線中利用特徵信息找出雷射線的位置並求出匹配點的第二步驟；檢查匹配點的有效性的除去錯誤的匹配值，根據有效匹配值通過插值法演算無效匹配值的第三步 驟；用數式演算模型坐標，根據相鄰的模型坐標制定四邊形面(facet)信息和具有面屬性值的模型表的第四步驟；驅動步進電機使被測量物體旋轉一定角度的第五步驟；360度掃描完成以後儲存模型表，然後退出程序，否則反覆實施步驟1的第六步驟。
註冊編號10-0956854(專)涉及超高速形狀測量方法，作為利用以壓電驅動器驅動基準反射鏡而獲得基準光的幹涉儀的三維物體形狀測量方法，包括：由光源發出光的步驟；將所述發出的光分光，分為基準光和由所述物體反射的反射光的步驟；使所述基準光和反射光幹涉而獲得多個幹涉條紋的步驟；所述幹涉條紋獲得步驟是在驅動所述基準反射鏡的驅動時間內反覆實施輸出多個圖像捕捉指令的步驟而獲得多個幹涉條紋，所述圖像捕捉指令是在所述壓電驅動器驅動以後發生最大超調量之前首次到達穩定狀態(ds1至ds4)區段的時點輸出。
註冊編號10-0489431(專)是涉及掃描式相移三維形狀測量方法，作為利用相移的幹涉條紋測量對象三維形狀的方法，包括：使以測量光源和在對象上面形成圖像的至少一個以上的格柵以及經由所述至少一個以上格柵形成的幹涉條紋而測量對象三維形狀的多個單元圖像傳感器陣列結構組成的圖像傳感器包括在內的三維形狀測量裝置整體地移動，或者使所述對象移動並進行掃描的步驟；通過所述圖像傳感器測量使所述三維形狀測量裝置移動或者使對象移動而相移的幹涉條紋的步驟；利用通過所述圖像傳感器測量的幹涉條紋運算對象三維形狀信息的步驟。
從傳統技術上來看，大部分都是利用多個相機測量三維形狀，其成本比較高，結構多，使裝置的安裝費用增多而使經濟效率下降，並捕捉圖像作業而使內存的容量增大，且掃描物體即三維形狀進行測量的方法比較精細，但作業所需時間較多，故實際利用起來並不是很適用的一項技術。
因此，作為三維形狀的測量方法，需要開發一種可以迅速準確地測量，進一步縮短作業時間的技術。
技術實現要素：
技術問題
本發明要解決的技術問題是，提供一種利用可垂直、水平旋轉的三維形狀測量儀測量物體的方法，以準確地掌握裝在車輛上的物體形狀、數量和位置並迅速準確地卸下物體，進而掌握車輛的裝載空間，將物體準確地裝到所需的位置，同時提供用於測 量物體方法的三維形狀測量儀。
技術方案
本發明採用的技術方案是提供利用將物體裝、卸到車輛時使用的可垂直、水平旋轉的三維形狀測量儀的物體測量方法，該方法包括：將所述三維形狀測量儀固定安裝在擬測量的物體所處位置上部的步驟(S100)；使所述物體位於所述三維形狀測量儀下部以後，使所述三維形狀測量儀的水平方向保持0°的狀態下向垂直方向旋轉掃描X軸而演算物體Y軸中心坐標的X軸測量步驟(S200)；使所述三維形狀測量儀向水平方向旋轉90°以後，通過所述X軸測量步驟(S200)求出中演算的物體Y軸中心坐標向垂直方向旋轉而掃描Y軸的Y軸測量步驟(S300)；將在所述X、Y軸測量步驟(S200，S300)獲取的物體和三維形狀測量儀的設置高度、測量距離、測量角度轉換成數據並演算物體的X、Y、Z軸坐標值的演算步驟(S400)。
本發明採用的技術方案是提供用於所述物體測量方法的三維形狀測量儀，包括：水平旋轉裝置(10)，下部形成有第一旋轉軸(12)，內部形成有使所述第一旋轉軸(12)旋轉的第一電機(11)；水平旋轉導板(20)，上部連接於所述水平旋轉裝置(10)的第一旋轉軸(12)，兩側形成貫通槽(21)；垂直旋轉裝置(30)，連接形成於所述水平旋轉導板(20)的一側端部，且一側形成有第二電機(31)，並且，形成有在所述貫通槽(21)兩側夾入結合併連接於所述第二電機(31)而旋轉的第二旋轉軸(32)；雷射指示器(45)，形成於所述水平旋轉導板(20)的一側，且在未連接於所述第二電機(31)的第二旋轉軸(32)的外周面上形成；垂直旋轉導板(40)，形成於所述水平旋轉導板(20)的內部，兩側形成連接槽(41)而與所述第二旋轉軸(32)結合，並且，內部形成空間部(42)；二維測距儀(50)，在所述垂直旋轉導板(40)的內部夾入結合；控制裝置(60)，形成於所述水平旋轉裝置(10)的內部，並分別控制所述水平旋轉裝置(10)、垂直旋轉裝置(30)、雷射指示器(46)、二維測距儀(50)。
有益效果
根據本發明的利用三維形狀測量儀的物體測量方法及用於該測量方法的三維形狀測量儀，其有益效果在於，讀取物體時向X軸方向掃描三次，按物體的數量向Y軸方向分別進行掃描而縮短作業時間，使用可垂直、水平旋轉的旋轉裝置不需要設置多個二維測距儀而節省成本，利用所述旋轉裝置可以精確地控制旋轉角度而精密性高，且準確測量物體而提升裝、卸物體時的便利性的同時擴大經濟效率。
附圖說明
圖1是顯示本發明優選實施例的順序圖；
圖2是顯示本發明優選實施例的結構圖；
圖3是本發明的物體被裝到車上的狀態下測量X、Y軸的示意圖；
圖4是本發明的物體未被裝到車上的狀態下測量X、Y軸的示意圖；
圖5是顯示本發明的掃描X軸和Y軸測量的2D形狀的示意圖；
圖6是本發明的求物體長度的示意圖；
圖7是本發明的求物體長度的示意圖；
圖8是本發明的演算物體(測量對象)高度(厚度T)的示意圖；
圖9是顯示本發明的演算物體(測量對象)高度(厚度T)的示意圖；
圖10是顯示本發明優選實施例的透視圖；
圖11是顯示本發明優選實施例的透視圖；
圖12是顯示本發明優選實施例的分解圖；
圖13是顯示本發明優選實施例的剖視圖；
圖14是顯示本發明優選實施例的運行狀態圖；
圖15是顯示本發明優選實施例的運行狀態圖；
圖16是顯示本發明優選實施例的運行狀態圖。
符號說明
10:水平旋轉裝置 11:第一電機
12:第一旋轉軸 20:水平旋轉導板
21:貫通槽 22:結合槽
30:垂直旋轉裝置 31:第二電機
32:第二旋轉軸 40:垂直旋轉導板
41:連接槽 42:空間部
50:2維測距儀 45:雷射指示器
60:控制裝置 S100:設置步驟
S200:X軸掃描步驟 S300:Y軸掃描步驟
S400:演算步驟
具體實施方式
通常將卸下車輛上裝載的物體或將需裝載的物體裝到車輛的貨廂時，為加快速度和提高準確性和作業效率，先測量物體後進行裝卸。
從傳統技術上來看，大致利用三維形狀測量儀測量物體(車輛上裝載的物體或者車輛的貨廂)，而且為了提高準確性，連非常細微的部分也進行測量而導致所消耗時間較大的問題。
為此本發明提供利用三維形狀測量儀的物體測量方法及用於該測量方法的三維形狀測量儀。根據本發明，利用可水平、垂直旋轉的三維測量儀向X軸掃描獲得物體的位置和物體的Y軸中心坐標，通過該坐標掃描Y軸，將物體和三維形狀測量儀設置高度、測量距離、測量角度轉換成數據演算出物體的X、Y、Z軸的坐標值，從而在車輛的貨廂上裝、卸物體時可以提高作業的準確性和便利性並縮短作業時間。
為實現上述目的，下面結合圖1至圖16說明將車輛貨廂的物體卸車或裝車時本發明優選的物體測量方法。
首先敘述本發明的以將物體準確裝、卸車為目的的物體測量方法的各個步驟，如圖1至圖2所示實施將所述三維形狀測量儀固定設置在擬測量的物體所處位置上部的步驟(S100)，根據所述設置步驟(S100)，三維形狀測量儀一般被設置在建築物的室內上部面，對停下來的車輛(平板掛車、ET車、普通車輛、其它)貨廂上裝的物體或車輛貨廂(物體)的X軸和Y軸進行掃描。
所述設置步驟(S100)以後，如圖2至圖3所示實施使所述物體被裝上的車輛位於所述三維形狀測量儀的下部，使三維形狀測量儀的水平方向保持0°，然後使所述三維形狀測量儀向垂直方向旋轉掃描物體的X軸而演算物體Y軸中心坐標的X測量步驟(S200)。
如上所述，實施X軸測量步驟(S200)以後實施如圖2或圖5所示使所述三維形狀測量向水平方向旋轉90°，然後通過X軸測量步驟(S200)中求出的物體Y軸中心坐標使三維形狀測量儀向垂直方向旋轉掃描Y軸的Y軸測量步驟(S300)，就可以如圖5所示獲取物體X軸和Y軸的2D形狀。
在所述X軸測量步驟(S200)如圖3所示，將所述三維形狀測量儀的垂直方向角度分別設定為0°、10°、-10°，通過三次掃描掌握物體的位置和數量，並根據所 述Y軸測量步驟(S300)獲取的物體的位置和數量掃描各個Y軸，掌握物體的準確位置，可以迅速準確地測量車輛貨廂上裝的物體而實現迅速卸車。
按上述方法將物體裝到車輛貨廂時，如圖4所示，所述貨廂(擬測量的物體)的X軸以0°、10°、-10°分別掃描1-1、1-2、1-3Line，就是說，從車輛上卸貨同時掃描X軸測量，所述Y軸也是一同測量，迅速掌握車輛的貨廂結構，然後操作三維形狀測量儀準確掌握擬裝物體的貨廂，因此裝車時可以使物體準確位於任意位置。
重複地說，通常是，為了提高作業的便利性和準確性，在建築物內部畫出車輛停放的線條，但為了彌補決由於車輛駕駛人員的習慣或駕駛技術不熟練等原因無法準確停在所述線條上的問題，所述X軸測量步驟(S200)共經過三次掌握物體的位置和準確數量。
就是說，測量物體時，從0°、10°、-10°的角度掃描三次，求出車輛扭曲角度以後，如果扭曲嚴重，因無法掃描而使車輛重新停放，而且車輛在扭曲誤差範圍以內時，通過演算物體的中心位置獲取物體的Y軸中心坐標。
實施上述步驟以後，如圖5至圖9所示，實施將在所述X、Y軸測量步驟(S200,S300)獲取的物體和三維形狀測量儀的設置高度、設置距離、測量角度轉換成數據並演算物體X、Y、Z軸坐標值的演算步驟(S400)。所述演算步驟(S400)如圖6所示，用三維形狀測量儀掃描X軸和Y軸即可算出三維形狀測量儀和地面成垂直的角度，並以地面基準高度值轉換數據而使地面高度成為0，然後通過與如圖7至圖9所示的同樣方法和過程求出物體的厚度和物體的長度。
在所述演算步驟(S400)轉換成數據的方法是，通過與三維形狀測量儀連接並互連的普通電腦實現。
傳統的為了在車輛上裝、卸物體而分別掃描X軸和Y軸的方法是採用將物體的整體面積全部掃描的方式，因此掃描和將掃描信息轉換成數據的作業所需時間較長，而且車輛駕駛人員在任意場所而非所需之處裝、卸車時，如果不是正常車輛，則裝、卸車時會存在一定困難。
但本發明是，讀取(測量)車輛的裝車、卸車位置(車輛貨廂)時，向X軸方向掃描三次，向Y軸方向掃描兩次，由此準確測量車輛貨廂(物體)的形態和位置。
通過所述方法，可以掌握車輛上裝載的物體位置和形態和數量，從而迅速、準確地實施裝車或卸車。
下面按物體卸車->物體裝車順序說明如上所述利用本發明的具備水平、垂直旋轉功能的三維形狀測量儀測量裝在車輛上的物體的方法將物體卸到準確位置或裝到所需位置的實施例。
首先，物體的卸車方法是，如圖2所示，在建築物的上部設置三維形狀測量儀以後，使其與普通電腦連接並可互連地組成，而且雖然無圖示，但優選地組成可以自動控制所述三維形狀測量儀和卸物體的裝置(吊車等)的控制部，並具備可以分別控制所述控制部的有線或無線遙控裝置。
將物體卸車時，如圖3所示，先確認車輛是否進入車輛進入線，然後由作業人員運行控制部會由三維形狀測量儀自動並分別測量車輛貨廂上裝的物體的X軸和Y軸，並考慮車輛可能沒有位於準確位置的可能性，在0°測量1-1Line，在10°測量1-2Line，在-10°測量1-3Line而掌握車輛位置是否異常。
然後，掃描所述X軸以後使所述三維形狀測量儀向水平方向旋轉90°，將Y軸(2-1line)也測量兩次而分別掌握被測量物體的準確位置和數量，同時如圖5所示獲取擬卸車的各物體的X軸和Y軸的2D形狀，並通過電腦接收物體的X、Y軸信息後，如圖6至圖9所示，應用三角函數並利用設置高度、測量距離、測量角度演算各物體的X、Y、Z軸坐標值而準確掌握物體的位置和形狀，並實現迅速卸車。
物體的裝車方法是，車輛位於車輛停放線的狀態下，由作業人員操作所述遙控裝置，使三維形狀測量儀選擇性地移動至擬裝車的車輛貨廂中所需位置，然後通過本發明的物體測量方法演算該位置的X、Y、Z坐標而使物體被準確地裝到相應的位置。
重複地說，根據將物體裝車或卸物體時測量物體的方法，可以同時進行，並掌握準確位置，可以迅速地實施裝車和卸車。
下面說明如上所述的利用三維形狀測量儀的物體測量方法上使用的三維測量儀的結構。
首先，如圖10至圖12所示，其組成包括：下部形成有第一旋轉軸(12)，內部形成有使所述第一旋轉軸(12)旋轉的第一電機(11)的水平旋轉裝置；上部連接於所述水平旋轉裝置(10)的第一旋轉軸(12)連接，兩側形成貫通槽(21)的水平旋轉導板(20)；連接形成於所述水平旋轉導板(20)的一側端部，且一側形成第二電機(31)，並且，形成有在所述貫通槽(21)的兩側夾入結合併連接於所述第二電機(31)而旋轉的第二旋轉軸(32)的垂直旋轉裝置(30)；形成於所述水平旋轉導板 (20)的一側，並在未連接於所述第二電機(31)的第二旋轉軸(32)的外周面上形成的雷射指示器；形成於所述水平旋轉導板(20)的內部，兩側形成連接槽(41)而與所述第二旋轉軸(32)結合，並且，內部形成空間部(42)的垂直旋轉導板(40)；在所述垂直旋轉導板(40)內部夾入結合的二維測距儀(50)；形成於所述水平旋轉裝置(10)的內部並分別控制所述水平旋轉裝置(10)、垂直旋轉裝置(30)、雷射指示器(45)、二維測距儀(50)的控制裝置(60)。
水平旋轉裝置(10)是如圖10、12、13所示，呈長方形形狀，一般設置在擬測量的形狀的上部(牆面)，內部中央部形成通過外部電力驅動的第一電機(11)。所述第一電機(11)上內置可以獲知旋轉角度的編碼器，並裝配有可以精確控制角度的齒輪，並以0.01°的Resolution可旋轉360°地形成。
此外形成與所述第一電機(11)連接形成旋轉且貫通水平旋轉導板(20)的結合槽(22)同時結合的第一旋轉軸(12)而使所述水平旋轉導板(20)旋轉。重複說，所述旋轉軸(12)被第一電機(11)旋轉以後，所述水平旋轉導板(20)在0°旋轉-90°～90°並測量形狀。
水平旋轉導板(20)是以字形狀形成，上側形成結合槽(22)，兩側形成貫通槽(21)，而所述結合槽(22)是以所述第一旋轉軸(12)可貫通的大小形成，並有第一旋轉軸(12)貫通同時結合。所述貫通槽(21)是如圖12所示，有第二旋轉軸(32)被夾入。
垂直旋轉裝置(30)是如圖10至圖12所示，形成於所述水平旋轉導板(20)的一側，上側形成第二電機(31)，並形成在所述貫通槽(21)的兩側夾入結合併連接於所述第二電機(31)而旋轉的第二旋轉軸(32)。
所述第二電機(31)也與所述第一電機(11)相同，內置可獲知旋轉角度的編碼器，可精確控制角度地裝配有齒輪，並以0.01°的Resolution可旋轉360°地形成，因此隨著第二電機(31)的驅動，第二旋轉軸(32)旋轉，隨之垂直旋轉裝置(30)的軸旋轉，由連接形成的垂直旋轉導板(40)和二維形狀測量儀(50)如圖15所示，在0°旋轉-90°～90°。
所述垂直旋轉導板(40)如圖12或14所示，比所述水平旋轉導板(20)更小地形成，形成字狀，並形成於所述水平旋轉導板(20)的內部，兩側形成連接槽(41)而所述第二旋轉軸(32)貫通所述連接槽(41)並結合，中央部形成空間部(42)， 二維測距儀(50)被夾入固定在所述空間部(42)。
就是說，所述垂直旋轉導板(40)的連接槽(41)與所述貫通槽(21)形成於一條直線上，使所述第二旋轉軸(32)貫通水平旋轉導板(20)的兩側貫通槽(21)和所述連接槽(41)而結合，在所述空間部(42)夾入結合的二維測距儀(50)是通過所述水平旋轉導板(20)和垂直旋轉導板(40)如圖14至16所示水平、垂直旋轉同時測量三維形狀。
所述二維測距儀(50)為通常使用的設備，可以在0°～180°之間以0.25度間隔測量距離，因此，為了使用所述二維測距儀(50)測量形狀之後掌握測量對象的實際位置，在所述水平旋轉導板(20)的一側形成的垂直旋轉裝置(30)的另一側在第二旋轉軸(32)的外周面形成雷射指示器(45)，從而可以用肉眼正確識別當前測量位置。
測量形狀之後，可以將雷射指示器(45)準確地移動至特定位置，使形狀的實際位置和所述雷射指示器(45)的位置一致，並移動所述雷射指示器(45)顯示特定位置以後會自動測量該地點的X、Y、Z而使擬裝車的物體被準確地裝到準確位置。
可以將所述雷射指示器(45)的與下述控制裝置(60)連動的遙控裝置以有線或無線方式組成運行。
控制裝置(60)是如圖12或圖13所示，形成於水平旋轉裝置(10)的內部，通過外部的傳輸電源運行，並控制水平旋轉裝置(10)和垂直旋轉裝置(30)，重複說，是驅動第一電機(11)和第二電機(31)，同時也控制二維測距儀(50)和雷射指示器(45)。
根據傳統技術，因使用價格高昂的形狀測量儀，或者在雷射測距儀的光軸上設置傾斜45度的旋轉鏡，根據鏡子旋轉角測定對象的距離，然後基於該測量值測量對象物體的三維形狀，或者將兩臺二維測距儀向X坐標、Y坐標方向設置，使之以測量物體為中心上下傾斜(Tilting)或者左右旋轉(Panning)，進而基於跟隨其移動角度的二維形狀測量儀距離值測量三維形狀的方法，導致成本上升的問題。
但，本發明是只配置一臺二維測距儀(50)，並組成可垂直、水平旋轉的旋轉裝置來測量三維形狀，從而提升精確性，節省成本和提高經濟性，可徹底地改進傳統的簡單、效率低的三維形狀測量方法。
根據本發明的利用三維形狀測量儀的物體測量方法及用於該測量方法的三維形 狀測量儀，讀取物體時向X軸方向掃描三次，按物體的數量向Y軸方向分別進行掃描而縮短作業時間，使用可垂直、水平旋轉的旋轉裝置不需要設置多個二維測距儀而節省成本，利用所述旋轉裝置可以精確地控制旋轉角度而精密性高，準確測量物體而提升裝、卸物體時的便利性，並擴大經濟效率。