摘 要

三维扫描技术是一种可以实时获得被测物体的外形、尺寸数据并将获得的数据转化为可供计算机处理的数字信号的新兴技术。UR5机器人工作敏捷、定位快速而准确，以UR5机器人为运动载体并对机器人运动机理进行分析，找出机器人坐标与实验平台标定之间的关系，能够使之后的测量工作更加快速。最后，在Geomagic Studio软件中处理得到的三维点云数据，即可获得较好的模型。本论文主要工作如下:

1、对UR5机器人的运动学分析并利用机器人机械臂坐标与线结构光、转台平面的关系，了解标定的原理。

2、三维扫描系统方案的选择以及所需要的主要零部件的选择，并根据选择的零部件，在UR5机器人的基础上搭建三维扫描系统实验平台。

3、在选择的三维扫描系统中对摄像机内参数、光平面、转台平面进行标定，对被测物体进行扫描得到初步的结果后，根据缺陷对实验的方法、环境、参数等条件进行优化，经过多次实验后得到了令人满意且精度较高的三维点云数据。

4、在Geomagic Studio软件中对得到的三维扫描点云数据进行处理与优化，对于从多个角度扫描得到的某一物体的点云数据进行手动拼接，得到最后的三维模型。

关键词：三维扫描；UR5机器人；Huros；Geomagic Studio

Abstract

Three-dimensional scanning technology is a new technology which can obtain the shape and size data of the measured object in real time and convert the obtained data into digital signals that can be processed by computer. The UR5 robot works uickly and accurately. Taking the UR5 robot as the motion carrier and analyzing the motion mechanism of the robot, the relationship between the robot coordinates and the calibration of the experimental platform can be found out, which can make the subsequent measurement work faster.Finally, using Geomagic Studio to process the obtained 3D scan data, a better model can be obtained. This thesis is mainly divided into the following aspects:

1、Analyze the kinematics of the UR5 robot and use the relationship between the robot arm coordinates and the line structure light and the turntable plane to understand the principle of calibration.

2、The choice of 3D scanning system solution and the design or the selection of the main components required. Based on the selected components, build a 3D scanning system experimental platform based on the UR5 robot.

3、Calibrate the parameters of the camera, the light plane and the plane of the turntable in the selected 3D scanning system, and scan the measured object to obtain preliminary results, then optimize the experimental method, environment, parameters and other conditions according to the defects, finally obtain high-precision, satisfactory 3D scan data that can be used in the next ste

4、Processe the obtained 3D scan data in the Geomagic Studio software, and the data of the same object obtained from multiple angles is spliced and integrated to obtain the final 3D model.

Key words: 3D scanning; UR5 robot; Huros; Geomagic Studio

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文的主要工作 2

第2章 三维扫描系统设计及实验平台的搭建 4

2.1引言 4

2.2 三维扫描系统硬件与软件选择 4

2.2.1 摄像机的选择 4

2.2.2 开发板及扫描仪主板的选择 4

2.2.3 激光器与转台的选择 5

2.2.4 三维扫描系统软件的选择 6

2.3 基于Solidworks的实验平台设计 6

第3章 机器人运动分析及标定原理 10

3.1 引言 10

3.2 UR5机器人运动学分析 10

3.3扫描系统标定原理及其与机器人坐标的关系 12

第4章 基于Huros软件的三维扫描数据获取与优化 14

4.1 引言 14

4.2 各参数标定及与计算参数的比较 14

4.2.1 摄像机内参数的确定 14

4.2.2 激光平面的确定 14

4.2.3 转台平面的标定 15

4.2.4 计算参数与实际参数的比较 16

4.3 初次扫描结果与调整方法 17

4.4 最终获得的多角度扫描结果 19

第5章 基于Geomagic Studio的三维扫描数据处理 21

5.1 引言 21

5.2 Geomagic Studio软件简介 21

5.3 单个角度扫描数据的处理 21

5.4 多个角度扫描数据的拼接整合 23

第6章 总结与展望 26

6.1 全文总结 26

6.2 环境影响及经济性分析 26

6.3 展望 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

常用的3D扫描仪，例如MakerBot数字转换器和物质和表格3D扫描仪，使用一个或多个固定摄像机捕获在转盘上旋转的物体。 由于转盘的振动引起的物体的刚性或非刚性运动可能产生不准确的3D模型^[1]。而利用UR5机械臂设计扫描系统围绕被测物体旋转可以实现多个角度、大范围的扫描，获得的图像会更具层次感精度也相应的提高，并结合单目视觉与线结构光扫描实现三维测量扫描与数据处理。首先要对机器人进行运动机理分析^[2]找到标定的原理、三维扫描系统方案及主要零部件的设计选型与三维扫描系统实验平台的搭建。最终实现在所建立的实验平台上进行三维扫描实例测量，利用Geomagic等相关软件对所测得的三维数据进行处理，并获得实验结果与结论。

随着CAD/CAM、虚拟现实技术、计算机动画等技术在生活、制造、科研等各大领域的快速发展和广泛应用，如何快速而又准确地建模显得越来越重要。日益激烈的竞争对制造业提出了名为“TQCS”要求：即最短时间（Time）、最优质量（Quality）、最低成本（Cost）和最好售后（Service）。为迎合客户和市场，诞生了许多先进的制造加工技术，逆向工程便是其中之一^[3]。逆向工程在设施管理、运营领域中起着至关重要的作用，可以将对象精确得数字化并表示为计算机模型，逆向工程主要基于三种技术：三坐标测量机（CMM）、激光扫描系统、数字摄影扫描系统^[4-5]。

在物体识别定位、历史文物保护、物理学术探讨等领域的应用需求下，三维点云数据的获取与处理技术应声而来并持续获得多方关注。现在市面上已经存在许多种可获取三维点云数据的方法，并且也能对点云数据进行特殊的处理与优化。为了能够更好地对三维数据点云进行前期的预处理，首先通过摄像机加线结构光获取物体的点云数据，然后对点云数据进行预处理，接着使用逆向工程软件进行描述，这样便可得到一个与实际物体十分接近的点云图像，由此可以证明该点云数据的处理方法技术是有效且可靠的^[6]。