基于線結構光的散熱器三維重構與點膠定位系統

李 曉，李 博

（1.深圳大學 機電與控制工程學院，深圳518060；2.電子科技大學中山學院 機電工程學院，中山528402）

在空調等制冷設備中，為了更好地實現散熱器與外界環境充分快速的熱交換，散熱器的表面往往設計的十分復雜，一般由薄片狀結構層層疊加而成，不便于對其進行表面信息的提取和處理。

針對大型工件，文獻[8]提出了一種基于單目結構光三維掃描方法，能夠有效準確地對工件表面進行三維重構；為實現針對深孔內表面幾何形狀的高精度三維重構，文獻[9]搭建了一套基于結構光的三維檢測系統，針對深孔模型實物以及對應內表面展開成平面模型分別進行結構光檢測，驗證了方案的可行性；為了獲取某種型號內燃機工件的三維形貌數據，文獻[10]設計了線結構光非接觸方式的移動掃描測量系統，采用逆向工程軟件對工件進行表面重構，結果與實際表面特征信息吻合良好。

1 系統結構與工作原理

1.1 系統結構

散熱器三維重構與點膠定位操作系統主要由上料機構Ⅰ、點膠定位機構Ⅱ、下料機構Ⅲ組成，如圖1所示。上料機構主要進行散熱器的位置調整，并將散熱器推送至點膠定位機構；點膠定位機構主要進行散熱器表面數據的采集、濾波、表面重建以及機械臂點膠定位操作；下料機構對完成點膠操作后的散熱器進行收集整理。

圖1 系統整體結構圖Fig.1 System overall structure diagram

1.2 工作原理

調整并保持上料機構Ⅰ、點膠定位機構Ⅱ中的傳送帶速度。散熱器經上料機構傳送至柔性擋板處，經氣缸推桿推至點膠定位機構Ⅱ的傳送帶上；經激光掃描和相機數據采集后，機械臂根據采集后的數據進行點膠操作；完成點膠操作后，散熱器進入下料機構Ⅲ，散熱器有序落入收納箱中，對散熱器進行收集，當收納箱收集滿后，由氣缸推桿推出，進而完成散熱器的收集工作。

2 主要部件設計

2.1 上料機構

上料機構的主要作用是對散熱器進行位姿調整，使其能夠規整有序地進入點膠定位機構。主要由傳送平臺、限位釘、柔性擋板、活塞桿、氣缸等組成，如圖2所示。根據實際需求，平臺設計長為180 cm，寬度為60 cm；散熱器經傳送平臺傳送至柔性擋板，柔性擋板防止散熱器掉落平臺，同時限位釘對散熱器的位置進行限定；當散熱器到達柔性擋板后，氣缸動作，由活塞桿將散熱器推至下一平臺裝置，進而完成散熱器的上料過程。

圖2 上料機構簡圖Fig.2 Schematic diagram of feeding mechanism

2.2 點膠定位機構

點膠定位機構的主要作用為獲取散熱器表面數據信息，對表面進行三維重構、定位測量與點位點膠操作。主要由調整氣缸、限位板、激光發生器、相機、六自由度機器人、點膠噴頭等組成，如題3所示。散熱器經傳送平臺傳送至調整氣缸處，調整氣缸開始動作，通過活塞桿與限位板相互作用，進而調整散熱器的位姿，保證其能夠與傳送平臺保持水平；散熱器經傳送平臺傳送至數據采集機構處，激光發射器投射激光至散熱器表面，相機采集視差圖像，經后臺數據處理，完成對散熱器表面重建與定位；散熱器經傳送平臺傳送至機器人點膠機構處，六自由度機器人根據數據處理后獲取的散熱器位置信息，帶動點膠噴頭對散熱器表面進行涂膠操作。

圖3 點膠定位機構簡圖Fig.3 Schematic diagram of dispensing positioning mechanism

2.3 下料機構

下料機構的主要作用是對已進行點膠操作后的散熱器進行收集整裝。主要結構由收集臺、收集箱、限位擋板、氣缸等結構組成，如圖4所示。點膠操作后的散熱器經傳送平臺傳送至限位擋板處，通過限位擋板的限制，進入收集箱中；當收集箱裝滿后，氣缸動作，氣缸活塞桿伸出，將已裝滿散熱器的收集箱推出收集臺，待裝的收集箱滑至預裝工位。綜上，完成散熱器的收集與整裝操作。

圖4 下料機構簡圖Fig.4 Schematic diagram of dispensing positioning mechanism

3 結構光三維重構原理

3.1 結構光三維重構硬件原理

試驗主要介紹點膠定位機構中的散熱器表面數據采集與數據處理。如圖5所示為散熱器表面數據采集裝置。相機與激光發射器前后分布，激光發生器與被測物體成一定角度，相機與傳送平臺表面垂直，傳送平臺帶動散熱器保持勻速移動，激光發射器投射激光到散熱器表面，在散熱器表面形成激光條紋，相機按照一定幀率不斷采集光條紋圖像，進而獲取一張張不同的視差圖像，如圖6所示線結構光成像原理與過程[11]。基于線結構光三維成像過程涉及小孔成像與三角測量原理。相機獲取調制后的光條條紋圖像，該光條條紋圖像的變化間接顯示被測物體高度的變化，進而可以得到散熱器表面的點云數據。

圖5 數據采集裝置Fig.5 Data acquisition device

圖6 線結構光成像原理與過程Fig.6 Principle and process of line structured light imaging

3.2 結構光三維重構與定位原理

3.2.1 點云數據預處理

1.1一般資料2015年2月至2017年2月我院對70例股骨粗隆間骨折患者開展了分析,均是老年患者,為患者進行了術后的針對性護理。全部患者中,最小的是55歲,最大的是82歲,平均63.5歲。共有45例男性患者和25例女性患者,患者的骨折原因包括了跌倒、車禍等。患者還合并其他疾病,有11例冠心病,14例高血壓,4例營養不良,6例慢性支氣管炎等等。

在獲取散熱器表面點云數據時，由于掃描設備的精度、環境因素以及被測物體表面性質的變化，點云數據中將不可避免地出現一些噪聲點，嚴重影響表面重構的精度和可視化效果，因此需要對點云數據進行濾波處理[12]。

結合PCL（point cloud library）點云數據庫[13]，對原始點云數據進行濾波處理，盡可能地減少噪聲點和離群點。體素化網格濾波算法既可以減少點云數量，又能保持點云的形狀特征。通過創建三維體素網格，使網格內的重心點近似代表網格內的所有點，假設網格內存在個點，該網格的重心點表示為

半徑濾波算法以某點為中心創建一個范圍，統計該范圍內點的個數，當點數大于給定閾值時保留，反之刪除，如圖7所示。

圖7 半徑濾波原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of radius filtering principle

統計濾波算法主要是剔除離群噪聲點，對每個點進行統計，分析并去除不滿足設定閾值的點。根據數據中心與相鄰點之間的距離分布，給定范圍刪除不在范圍內的點。u 表示距離均值，σ 表示距離均值方差：

設定閾值T，保留滿足閾值條件的點n（xn，yn，zn）。

濾波處理過程如圖8所示，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別表示3 種不同的濾波方式。原始點云數據經過直通濾波算法處理后，可大量去除不在范圍內的點。經過體素化網格，實現數據地壓縮，半徑濾波和統計濾波能夠有效地剔除噪聲點，進而獲得較為優質的表面點云數據，如圖9所示為點云數據處理前后的數據可視化顯示。

圖8 點云數據濾波處理過程Fig.8 Point cloud data filtering process

圖9 點云數據濾波處理可視化顯示Fig.9 Point cloud data filtering processing visual display

3.2.2 數據表面重建

數據重構技術在逆向工程、機器視覺、虛擬視覺、醫療技術等領域具有廣泛的應用。點云數據庫中常用的點云曲面重構算法有：凸包算法、貪婪投影三角化算法、移動立方體算法、泊松曲面重構算法等[14]。使用不同的重構算法對經濾波處理后獲得點云數據進行重構，比較以上算法的重構效果，可得出貪婪三角化網格重構效果相對較好。不斷的優化參數，獲得散熱器型槽最佳的重構效果，表面重構如圖10（a）所示，為了更好地顯示表面重構效果，如圖10（b）所示散熱器局部點云數據重構可視化。

圖10 散熱器點云數據重構可視化Fig.10 Radiator point cloud data reconstruction visualization

3.3 機器人點膠定位原理

在進行機械臂點膠操作之前，需要進行系統標定，獲取相機與初始位置下的機械臂末端膠槍之間的位姿關系。

為了獲取位于移動平臺上的散熱器相對于膠槍的位姿，需要創建一套以膠槍位置為參考，在理想點膠操作狀態下的散熱器模型點云數據集。利用點云數據配準算法實現散熱器模板點云數據與獲取的場景散熱器點云數據進行配準，進而得到實際情況下散熱器相對于膠槍的位姿。

為了提高數據配準的快速性和準確性，數據配準過程分為粗配準和精配準過程，粗配準采用4PCS配準算法[15]，精配準通過ICP 配準算法[16]實現。

ICP 精配準算法實現過程如下：

（1）經點云數據粗配準后的點集P′=｛pi∣i=1，2，3，…，n｝，模型點云集合Q=｛qi∣i=1，2，3，…，n｝，對于P′中每一個點pi，尋找距離最近的小于距離閾值d 的qi作為初始點對。

（2）對于得到的初始點對，利用方向向量閾值剔除錯誤點對，從而使配準更精確。

4 系統實驗

點云數據中蘊含了大量的數據信息。眾多點組成的點云數據，可以傳達其具有的整體特征信息。獲取上文處理后的點云數據，可以對點云數據進行數據提取，獲取信息[17]。通過提取散熱器表面的目標點，計算目標點之間的相對位置關系，從而得到散熱器的形狀尺寸。

如表1所示為目標點提取后測量的數據與實際測量數據。比較顯示，長度方向的誤差較大。為了降低長度方向上的誤差，在實驗過程中應盡可能提高實驗平臺的穩定性，并且保證移動平臺保持恒定的移動速度。該方法的在進行尺寸測量時具有一定的快速性和較高的準確率。

表1 散熱器輪廓參數測量結果Tab.1 Radiator profile parameter measurement results

5 結語

本文主要介紹了基于線結構光的散熱器三維重構與點膠定位系統中的機械結構設計與數據處理部分，通過上料機構、點膠定位機構、下料機構的設計，可以完成對散熱器的上料、點膠操作、收集整理等操作，可以有效提高點膠操作效率和準確率，降低對人工的依賴和使用。

通過對獲取的點云數據進行定位測量，可以準確獲取點云數據表面尺寸。針對無法用測量工具進行測量的結構和區域，可以采用該方法進行尺寸測量。