专利名称：一种基于激光测距传感器的内腔扫描系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及康复、医疗、机械等各种领域，更具体地说是涉及ー种内腔扫描系统。
背景技术：
内腔扫描是指获取腔体内部轮廓三维数据的过程，内腔扫描系统能够应用在很多领域中，用于获得被測量物体(腔体)的内径和内轮廓等；进而利用所得到的数据对被測量物体进行三维轮廓的建摸、进ー步处理以及其它不同领域方面的应用。常规的内腔扫描技术包括切开扫描、内部灌注硅胶等物质后扫描、CT扫描等，上述方法存在需要破坏被测物体、操作复杂或者成本较高等问题。因此设计基于非接触式測量技术，配合自动控制装置的内腔扫描系统，实现自动、快速、准确的内腔扫描，利用这种非接触式内腔扫描系统测量，能够获得各种内腔轮廓的几何数据。例如，在机械领域方面，能够利用内腔扫描系统获得不规则(复杂)零件的内腔轮廓等，便于对零件的进ー步处理和加工；在生物医学方面，配合人体取型技术，能够用于对人体轮廓(包括各个部分肢体)的三维扫描和建摸，实现人体上身轮廓的重建。
发明内容
为了更自动、快速、准确的获得人类需要的各种内腔轮廓的几何数据，本发明提供了一种基于激光测距传感器的内腔扫描系统。所述系统能够对各种内腔轮廓进行准确的扫描，进而利用所得到的数据对被测量的物体进行三维轮廓的建摸、进ー步处理以及其它不同领域方面的应用。本发明的基于激光测距传感器的内腔扫描系统，其本体部分包括直线运动系统、旋转运动系统和用于扫描的激光测距传感器(激光位移传感器)。其控制采集部分包括上位计算机、下位单片机、电机控制系统等，用于实现对本体部分运动系统的控制和对传感器数据的采集。直线运动系统使用步进电机驱动，通过直线运动单元实现激光测距传感器的升降运动，实现对扫描高度的调整。旋转运动系统使用步进电机驱动，通过步进电机输出轴直接带动激光测距传感器做旋转运动，实现对内腔轮廓一周数据的采集。控制采集部分采用上、下位机的结构，上位机使用PC，用于实现人机交互界面、控制指令发送和扫描数据采集处理；下位机使用单片机，实现将控制指令转换为实际的控制脉冲以驱动步进电机运动，同时将传感器输出数据进行A/D转换，传输给上位PC ;上、下位机之间使用串ロ进行通讯。扫描开始时，将被测物体放在系统外壳上侧，使物体内腔中心线基本与传感器上升轨迹重合。通过上位PC控制单片机发送的脉冲个数来控制直线运动単元的上升距离，使其到达到合适的初始扫描高度。扫描时，通过单片机控制旋转电机带动转台沿顺时针旋转一周，使激光测距传感器完成ー个平面轮廓的測量；然后直线运动単元上升固定的距离(层间距)后停止；之后转台再逆时针旋转一周，完成下ー个平面轮廓的測量。如此反复，转台始終顺时针旋转一周，再逆时针旋转一周，以防止激光测距传感器的线缆缠绕。直到完成整个内腔的扫描。通过控制直线运动单元每次上升的距离，即可调整测量的层间距。本发明利用激光测距传感器扫描，从而得到物体几何表面的点云，这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云能够创建更精确的模型。通过调整旋转电机的转速，即可调整每个平面轮廓的采样点数。本发明设计的基于激光测距传感器的内腔扫描系统，具有结构简单、使用方便、成本较低的优点，能够方便地获得各种内腔轮廓的数据，具有较好的使用和推广价值。
图1是本发明的一种基于激光测距传感器的内腔扫描系统结构示意图；图2是本发明的一种基于激光测距传感器的内腔扫描系统的控制系统原理图。
具体实施例方式如图1所示的，本发明提出的基于激光测距传感器的内腔扫描系统包括外框1、直线导轨2、丝杠3、直线滑块4、直线单元电机5、支撑杆6、传感器通过ロ 7、旋转单元电机8、横板9、传感器底座10、激光测距传感器11。外框I由金属材料构成立方形框体，内部用于容纳其它部件，上表面可用于放置待扫描的内腔。直线导轨2竖直安装在外框I内部,两端与外框I内部上下表面固定。丝杠3两端固定在直线导轨2上。直线滑块4联接丝杠3上，可随丝杠3的转动沿直线运动。直线单元电机5固定在直线导轨2上，输出轴与丝杠3联接，可带动丝杠3旋转从而使直线滑块4运动。支撑杆6固定在直线滑块4上，并且与直线导轨2平行。外框I上表面开有传感器通过ロ 7，可使支撑杆6带着激光测距传感器11从外框I里升出，实现轮廓扫描。支撑杆6上端有横板9,旋转单兀电机8固定在横板9上。传感器底座10与旋转单元电机8的输出轴联接，可由旋转单元电机8带动旋转。激光测距传感器11安装在传感器底座10上，可随传感器底座10 —起旋转。如图2所示，上位计算机201通过串ロ与下位单片机202进行通讯，下位单片机能够向直线单元电机驱动器203和旋转单元电机驱动器204分别发送控制脉冲，来控制电机的运动速度和旋转角度，直线单元电机驱动器203接受控制脉冲后转换为驱动信号，控制直线单元步进电机205完成运动；旋转单元电机驱动器204接受控制脉冲后转换为驱动信号，控制旋转单元步进电机206完成运动。下位单片机202还通过A/D转换接ロ采集激光测距传感器207的測量信号，再通过串ロ通讯将采集到的数据传输给上位计算机201用于后续的轮廓建模等处理。实施例使用本发明提出的基于激光测距传感器的内腔扫描系统对人体躯干轮廓进行扫描及測量分析对人体躯干轮廓进行扫描能够建立人体躯干的个性化三维模型，对某些尺寸參数进行精确测量，可为个性化的躯干矫形器设计提供依据，在康复工程领域有重要的意义和广泛的用途。扫描开始前应先获得人体躯干阴模(可通过石膏绷带或真空抽型等方法获取)。扫描时将人体躯干阴模放在系统外框I上表面，使人体躯干阴模中心基本与系统外框I上表面的传感器通过ロ 7中线对齐。通过上位计算机控制下位单片机发送控制脉冲，从而控制直线单元电机5转过合适的角度，使直线滑块4上升到合适的初始扫描高度。然后，同样通过上位计算机控制下位单片机发送控制脉冲，使得旋转单元电机8带动激光测距传感器11顺时针旋转一周，使激光测距传感器11完成ー个平面轮廓的扫描；然后再控制直线单元电机5带动直线滑块4上升固定的距离(层间距)后停止；之后再使旋转单元电机8带动激光测距传感器11逆时针旋转一周，完成下ー个平面轮廓的測量。如此反复，旋转单元电机8始終顺时针旋转一周，再逆时针旋转一周，以防止激光测距传感器11的线缆缠绕，直到完成整个内腔的扫描。通过控制直线单元电机5毎次旋转的角度，即可调整两个相邻轮廓之间的层间距。通过多层的平面扫描，能够得到人体轮廓的表面点云数据，之后通过轮廓建模能够得到人体轮廓的三维模型，在所述模型上能够进行各种尺寸的精确测量。越密集的点云能够创建更精确的模型，因此通过调整旋转单元电机8的转速，即可调整每个平面轮廓的采样点数，通过调整直线单元电机5毎次的转动角度，能够控制层间距，从而对点云的密度进行调整。附图标号说明1、外框2、直线导轨3、丝杠4、直线 滑块5、直线单元电机6、支撑杆7、传感器通过ロ 8、旋转单元电机9、横板10、传感器底座 11、激光测距传感器。
权利要求
1.一种基于激光测距传感器的内腔扫描系统，其特征在于包括内腔扫描控制系统和激光测距传感器，即激光位移传感器；内腔扫描控制系统包括直线运动系统，用于调节激光测距传感器的扫描高度；旋转运动系统，用于控制激光测距传感器进行圆周扫描；激光测距传感器，用于扫描被测物体；所述的基于激光测距传感器的内腔扫描系统包括外框(I)、直线导轨(2)、丝杠(3)、直线滑块(4)、直线单元电机(5)、支撑杆(6)、传感器通过口(7)、旋转单元电机(8)、横板(9)、传感器底座(10)、激光测距传感器(11)。外框(I)由金属材料构成立方形框体，内部用于容纳其它部件，上表面可用于放置待扫描的内腔；直线导轨(2)竖直安装在外框I内部，两端与外框(I)内部上下表面固定；丝杠(3)两端固定在直线导轨(2)上；直线滑块(4)联接丝杠(3)上，可随丝杠(3)的转动沿直线运动；直线单元电机(5)固定在直线导轨(2)上，输出轴与丝杠(3)联接，可带动丝杠(3)旋转从而使直线滑块4运动；支撑杆(6)固定在直线滑块(4)上，并且与直线导轨(2)平行；外框(I)上表面开有传感器通过口( 7 )，可使支撑杆(6 )带着激光测距传感器(11)从外框(I)里升出，实现轮廓扫描；支撑杆(6)上端有横板(9),旋转单兀电机(8)固定在横板(9)上；传感器底座(10)与旋转单元电机(8)的输出轴联接，可由旋转单元电机(8)带动旋转；激光测距传感器(11)安装在传感器底座(10)上，可随传感器底座(10) —起旋转。
2.根据权利要求1所述的基于激光测距传感器的内腔扫描系统，其特征在于上位计算机(201)通过串口与下位单片机(202)进行通讯，下位单片机能够向直线单元电机驱动器(203)和旋转单元电机驱动器(204)分别发送控制脉冲，来控制电机的运动速度和旋转角度，直线单元电机驱动器(203)接受控制脉冲后转换为驱动信号，控制直线单元步进电机(205)完成运动；旋转单元电机驱动器(204)接受控制脉冲后转换为驱动信号，控制旋转单元步进电机(206)完成运动。下位单片机(202)还通过A/D转换接口采集激光测距传感器(207)的测量信号，再通过串口通讯将采集到的数据传输给上位计算机(201)用于后续的轮廓建模等处理。
全文摘要
本发明提供了一种基于激光测距传感器的内腔扫描系统，包括内腔扫描控制系统和激光测距传感器(激光位移传感器)两部分。内腔扫描控制系统包括用于调节激光测距传感器扫描高度的直线运动单元，以及用于控制激光测距传感器扫描方向的旋转运动单元。激光测距传感器则用于扫描被测物体。本发明能够自动、快速地实现对各种内腔轮廓的准确扫描。本发明所采用的方法和设备结构简单，成本较低，且有很强的鲁棒性。利用所得到的数据对被测量的物体进行三维轮廓建�：痛恚诓煌煊蚨加泻艽蟮挠τ眉壑�。典型的，在临床上对人体进行取模之后，所述系统能够用于对人体阴模内轮廓的扫描，从而实现对人体体表轮廓的扫描和建模。
文档编号G01B11/24GK103017679SQ201210483678
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者王豫, 曹萌, 樊渝波, 李德玉, 蒲放, 夏旭光, 舒雪燕 申请人:北京航空航天大学
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