配合手持式3D扫描仪测量杆式模型形貌特征的装置及方法

配合手持式3d扫描仪测量杆式模型形貌特征的装置及方法
技术领域
1.本发明涉及3d扫描技术领域，尤其涉及一种测量杆式模型形貌特征的装置和测量方法。


背景技术：

2.通过数字化测量设备获取已有物体表面的空间数据是目前非常成熟的技术，其中手持式3d扫描仪以非接触式3d扫描方式工作，灵活轻便，高效易用，配合计算机软件，模型可全自动拼接，具有高效率、高精度、高寿命、高解析度、对物体表面不损伤等优点，适用于复杂自由表面的逆向建模，在土木工程、室内设计、建筑监测、灾害评估等诸多方面都存在应用。其主要工作原理是利用激光测距，三维扫描仪发射激光带，通过固定的标识点，确定扫描模型的位置信息，激光带照射到被测物体上并在被测物体上移动时，获得反射的光信号，通过计算机软件就可以创建扫描物几何表面的点云，这些点可用来插补成物体的表面形状，点云越密集创建的模型就越精密。
3.然而手持式3d扫描仪的视线范围多为圆锥状，信息的搜集皆限定在一定的范围内，且在视线范围内，每一次采集都需至少识别出三个标记点作为拼接数据的依据，才能确定被测物体表面的空间3d坐标。常见的标识点布置方法有三种，一是在待测模型表面粘贴标识点；二是在工作台面密布标识点；三是在工作台面上加设参照立面，在立面上增布标识点。对于具有复杂表面的杆式模型，如锈蚀后的钢筋，若采用常规的三种标识点布置方法，均存在一定的问题，依然难以快速，准确地还原待测模型的形貌特征。以锈蚀钢筋为待测模型，第一种方法是在钢筋表面布置标识点，但由于锈蚀后的钢筋表面形状不规则，很难通过后处理软件修复还原标识点所覆盖区域的形状特征；第二种方法是在工作台面上布置更多的标识点，但当钢筋长度较大时(大于200mm)，扫描仪距离标识点距离过远，扫描仪很难识别到台面上的标识点，而且对于完好带肋钢筋，沿钢筋长度方向扫描，采用俯视视角，从上至下扫描时，受横肋的影响，扫描仪的激光很难照射到横肋的背光侧，采用仰视视角，从下至上扫描时，又因模型上方没有足够的参考标识点，导致3d扫描仪依然无法计算钢筋横肋背光侧表面的空间坐标；第三种方法则是沿钢筋长度方向设置参照立面，在参照立面上布置标识点，这种方法虽然可以解决钢筋某一方向表面的扫描建模，但钢筋作为一个圆柱形模型，仍需要扫描仪环绕钢筋表面一周才能完成扫描，除此之外，由于扫描过程中标识点不可随意挪动，每次扫描之前，参照立面与模型之间的间距，都需根据模型尺寸进行调整固定，参照立面与模型距离过近时，难以手持扫描仪进行扫描操作，而距离过远时，扫描仪又难以识别标识点。
4.因此，采用手持式3d扫描仪测量杆式模型的形貌特征亟需解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，而提出的一种配合手持式3d扫描仪测量杆式模型形貌特征装置及测试方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种配合手持式3d扫描仪测量杆式模型形貌特征的装置，包括固定装置、测试装置及数据采集装置；
8.固定装置包括十字固定架、台钳，待测杆式模型夹持固定在台钳上，台钳通过橡胶吸盘底座吸附固定在十字固定架的中心位置，十字固定架由四条长度相同的滑轨拼接而成；
9.测试装置包括手持式3d扫描仪、移动支架、标识板，十字固定架的四条滑轨上分别设有一个移动支架，移动支架可沿滑轨移动，标识板立式安装于移动支架上，标识板和十字固定架上上分布有标试点；
10.数据采集装置包括计算机和数据传输线，手持式3d扫描仪通过数据传输线连接至计算机。
11.作为更进一步的优选方案，台钳的钳口带有黑色橡胶保护套。
12.作为更进一步的优选方案，待测杆式模型的长度与其横截面的回转半径之比大于等于8。
13.作为更进一步的优选方案，标识板的高度大于等于待测杆式模型长度与台钳高度之和，标识板的宽度为100mm-300mm，厚度大于等于10mm。
14.作为更进一步的优选方案，台钳通过万向滚珠任意调整旋转方向。
15.作为更进一步的优选方案，标识点应随机布置，且其中部分标识点应布置在靠近标识板长边的两侧，相邻两个标识点之间的距离为50mm至200mm。
16.一种配合手持式3d扫描仪测量杆式模型形貌特征装置的测试方法，包括以下步骤：
17.步骤一：固定；将台钳固定在十字固定架的中心位置，调整台钳的万向滚珠，使得台钳的夹持方向满足实际需要，调节台钳钳口的大小，对待测模型进行预处理(对透明或者反光件需要喷上显像剂，使得3d扫描仪的激光能在表面正常反射并被扫描仪捕捉)，将待测模型牢牢固定在台钳上；
18.步骤二：布置标识点；在标识板和十字固定架上以及工作台面上布置标识点,工作台面指装置所放置的水平表面，在标识板上布置标识点时，应当靠近标识板长边的两侧；
19.步骤三：调整距离；通过数据传输线将手持式3d扫描仪连接至计算机，使用手持式3d扫描仪对待测杆式模型开始进行预扫描测试，选择任意两个标识板之间的空间，将3d扫描仪从下至上扫掠待测杆式模型，通过计算机实时检查待测杆式模型的3d点云，若3d扫描仪不能识别标识板上的标识点，则应通过移动支架拉近标识板和被测模型之间的距离，直至3d扫描仪可以正常工作；
20.步骤四：扫描；使用3d扫描仪在两个标识板之间的空间内从下至上扫掠待测杆式模型，待测杆式模型其中一面的扫描后，依次移动3d扫描仪，重复此法，完成剩余三个方向的扫描；
21.步骤五：编辑扫描；通过计算机对步骤四：的3d点云进行编辑，删除冗余杂点，最终完成扫描，得到待测杆式模型完整的3d数字模型。
22.有益效果：
23.本发明通过设置4个可调节距离的标识板，为手持式3d扫描仪工作过程中提供了
更多的参考标识点，减少了扫描仪在扫描过程中对工作台面以及待测模型上标识点的依赖，而且可以通过自由调节4块标识板之间的距离，能保证3d扫描仪能够识别到标识点的同时又有足够空间便于操作，从而解决了手持式3d扫描仪在测量复杂杆式模型时的不便，大大提高了扫描仪的工作效率。整个测试装置的特点是组装简单，可重复使用，操作方便，测量工作所需仪器少，能准确测量杆式模型的形貌特征，便于后续3d数字建模。
附图说明
24.图1为本发明装置结构示意图；
25.图2为本发明的使用状态示意图；
26.附图标记名称如下：1、十字固定架；2、橡胶吸附底盘；3、万向滚珠；4、台钳；5、待测杆式模型；6、标识点；7、标识板；8、移动支架；9、手持式3d扫描仪；10、数据传输线；11、计算机。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
28.下面结合附图，待测模型以一根长400mm直径16mm锈蚀钢筋为例，对本发明的技术方案作进一步说明，不同于形状规则的杆形，氯盐锈蚀导致该钢筋表面生成了形状不规则且随机分布的锈坑，因此不能在模型表面布置标识点，否则会导致标识点处数据缺失，另外钢筋横肋和部分锈坑需要从下往上的仰视视角扫描，因此必须要依靠标识板上的标识点。
29.如图1所示：一种配合手持式3d扫描仪测量杆式模型形貌特征的装置，包括锈蚀钢筋5、固定装置、测试装置及数据采集装置。
30.所述的装置包括十字固定架1、台钳4，台钳4通过橡胶吸盘底座2吸附在十字固定架1上，台钳4夹具可根据扫描模型需要通过螺纹丝杆调节钳口大小，通过万向滚珠3任意调整旋转方向。
31.试装置包括手持式3d扫描仪9、移动支架8、标识板7、标识点6，标试点6贴在标识板7以及十字固定架1上，标识板7通过螺栓固定在移动支架8上，标识板7与锈蚀钢筋5之间的距离可通过移动支架8调节。
32.数据采集装置包括一台计算机11、数据传输线10，3d扫描仪9通过数据传输线10连接至计算机11。
33.具体测量方法：
34.第一步、将台钳4通过橡胶吸附底盘2固定在十字固定架1的中心位置，调整万向滚珠3，使得台钳的夹持方向与台面水平，对锈蚀钢筋5进行除锈处理，喷显像剂，然后通过调节台钳4钳口的大小，将锈蚀钢筋5牢牢固定在台钳上；
35.第二步、在标识板7和十字固定架1上以及工作台面上布置标识点6，标识点应随机布置，且其中部分标识点应布置在靠近标识板长边的两侧，两个标识点之间的距离应当在50mm到200mm之间，在标识板7上布置标识点6时，应当靠近标识板7长边的两侧，如图1所示；
36.第三步、通过数据传输线10将手持式3d扫描仪9连接至计算机11，开始进行扫描测试，选择任意一个角度，上下左右移动手持式3d扫描仪9，尤其是仰视视角，将3d扫描仪从下
至上扫掠锈蚀钢筋5，通过计算机11检查锈蚀钢筋的3d点云，若3d扫描仪9不能完整识别到锈蚀钢筋5，则应通过移动支架8调整标识板和锈蚀钢筋5之间的距离，以便于3d扫描仪9工作；
37.第四步、开始正式扫描，如图2所示，将3d扫描仪9在两个标识板7之间的空间内从下至上扫掠，待完成锈蚀钢筋5其中一面的扫描后，重复此法，依次移动3d扫描仪9完成剩余三个面的扫描；
38.第五步、编辑扫描，通过计算机11对得到的锈蚀钢筋5的3d点云进行编辑，删除冗余的杂点，最终完成扫描，得到锈蚀钢筋5的完整3d模型。
39.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种配合手持式3d扫描仪测量杆式模型形貌特征的装置，其特征在于：包括固定装置、测试装置及数据采集装置；所述固定装置包括十字固定架(1)、台钳(4)，待测杆式模型(5)夹持固定在台钳(4)上，台钳(4)通过橡胶吸盘底座(2)吸附固定在十字固定架(1)的中心位置，十字固定架(1)由四条长度相同的滑轨拼接而成；所述测试装置包括手持式3d扫描仪(9)、移动支架(8)、标识板(7)，十字固定架(1)的四条滑轨上分别设有一个移动支架(8)，移动支架(8)可沿滑轨移动，标识板(7)立式安装于移动支架(8)上，标识板(7)和十字固定架上(1)上分布有标试点(6)；数据采集装置包括计算机(11)和数据传输线(10)，手持式3d扫描仪(9)通过数据传输线(10)连接至计算机(11)。2.根据权利要求1所述的一种配合手持式3d扫描仪测量杆式模型形貌特征的装置，其特征在于：所述台钳(4)的钳口带有黑色橡胶保护套。3.根据权利要求1所述的一种配合手持式3d扫描仪测量杆式模型形貌特征的装置，其特征在于：所述待测杆式模型(5)的长度与其横截面的回转半径之比大于等于8。4.根据权利要求1所述的一种配合手持式3d扫描仪测量杆式模型形貌特征的装置，其特征在于：所述标识板(7)的高度大于等于待测杆式模型(5)长度与台钳高度之和，标识板(7)的宽度为100mm-300mm，厚度大于等于10mm。5.根据权利要求1所述的一种配合手持式3d扫描仪测量杆式模型形貌特征的装置，其特征在于：所述台钳(4)通过万向滚珠(3)任意调整旋转方向。6.根据权利要求1所述的一种配合手持式3d扫描仪测量杆式模型形貌特征的装置，其特征在于：其特征在于，所述标识板(7)上的相邻两个标识点(6)之间的距离为50mm至200mm。7.根据权利要求1-6中任一所述的一种配合手持式3d扫描仪测量杆式模型形貌特征的装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：固定；将台钳(4)固定在十字固定架(1)的中心位置，调整台钳(4)的万向滚珠(3)，使得台钳(4)的夹持方向满足实际需要，调节台钳(4)钳口的大小，若待测杆式模型(5)为透明件或反光件，需要喷涂显像剂，将待测杆式模型(5)牢牢固定在台钳(4)上；步骤二：布置标识点(6)；在标识板(7)和十字固定架上(1)以及工作台面上布置标识点，在标识板(7)上布置标识点(6)时，应当靠近标识板(7)长边的两侧；步骤三：调整距离；通过数据传输线(10)将手持式3d扫描仪(9)连接至计算机(11)，使用手持式3d扫描仪(9)对待测杆式模型(5)开始进行预扫描测试，选择任意两个标识板(7)之间的空间，将3d扫描仪(9)从下至上扫掠待测杆式模型(5)，通过计算机(11)实时检查待测杆式模型(5)的3d点云，若3d扫描仪(9)不能识别标识板(7)上的标识点(6)，则应通过移动支架(8)拉近标识板(7)和被测模型(5)之间的距离，直至3d扫描仪可以正常工作；步骤四：扫描；使用3d扫描仪(9)在两个标识板(7)之间的空间内从下至上扫掠待测杆式模型(5)，待测杆式模型(5)其中一面的扫描后，依次移动3d扫描仪(9)，重复此法，完成剩余三个方向的扫描；步骤五：编辑扫描；通过计算机(11)对步骤四：的3d点云进行编辑，删除冗余杂点，最终完成扫描，得到待测杆式模型完整的3d数字模型。

技术总结
本发明公开了一种配合手持式3D扫描仪测量杆式模型形貌特征的装置及方法，包括杆式模型、固定装置、测试装置及数据采集装置。固定装置包括十字固定架、台钳，台钳通过橡胶吸盘底座吸附在十字固定架上，台钳夹具可通过螺纹丝杆调节钳口大小，通过万向滚珠调整方向，测试装置包括手持式3D扫描仪、移动支架、标识板、标识点，标试点贴在标识板和移动支架上，标识板通过螺栓固定在移动支架上，标识板与模型之间的距离可通过移动支架调节，数据采集装置包括计算机、数据传输线，3D扫描仪通过数据传输线连接至计算机。本发明测试装置的特点是组装拆卸简单，操作方便，试验所需仪器较少，可重复使用，能快速准确的对杆式模型进行3D扫描，建立其3D模型。其3D模型。其3D模型。


技术研发人员：缪志伟 耿祥东 施吉祥 刘一凡 蒋超
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2022/3/8