一种自适应太赫兹三维层析成像装置及方法

技术领域

本发明属于太赫兹三维层析成像技术领域，尤其涉及一种自适应太赫兹三维层析成像装置及方法。

背景技术

太赫兹福射作为一种光源，与其他辐射(如可见光、射线、中近远红外和超声波等)一样可以作为物体成像的信号源。太赫兹时域光谱成像技术是领域中重要的信息探测技术之一。太赫兹时域光谱图像不仅包含了目标物的几何信息，而且还具有目标物对脉冲响应的强度、相位和时间等完整信息，这些信息提供了每个像素点处确定目标物的物理化学结构成分的必要信息，其在安全检查、环境监测、食品生产质量监控等诸多领域存在着巨大的应用潜力。

目前基于逐点扫描的太赫兹三维层析成像技术与二维扫描平台的组合仅在对平面被测物成像时具有良好的应用效果，当对具有弯曲表面的物体成像时，不能保证每一个探测点太赫兹镜头发出的太赫兹波都与该点法线方向一致且该探测点始终处于太赫兹镜头焦点位，从而确保检测的精度。

发明内容

针对上述问题，本发明第一方面提供了一种自适应太赫兹三维层析成像装置：包括上位机、太赫兹三维层析成像主机、太赫兹镜头、机械臂控制器、机械臂和双目视觉系统；所述上位机用于接收存储数据、分析处理数据和发送相应的控制指令；所述太赫兹三维层析成像主机分别与上位机和太赫兹镜头相连接，所述太赫兹三维层析成像主机用于接收上位机的控制指令，将飞秒脉冲激光与偏置电压传输给太赫兹镜头，并将获得的被测物信息数据上传给上位机；所述太赫兹镜头设置于机械臂的末端并可跟随机械臂末端同步运动，所述太赫兹镜头用于信号转化、信号发射和信号接收，并将被测物信息上传给太赫兹三维层析成像主机；所述双目视觉系统与上位机相连接，所述双目视觉系统用于将被测物3D模型传输给上位机，所述上位机对所述3D模型分析处理并生成机械臂运动轨迹的路径规划数据；所述机械臂控制器分别与上位机和机械臂相连接，所述机械臂控制器用于接收上位机下发的路径规划数据并转换成机械臂各个轴的运动指令下发给机械臂；所述机械臂控制器还用于获取代表机械臂各轴电机角度信息的旋转编码器信号，并计算机械臂执行末端的空间位置坐标上传给上位机。

优选的，所述太赫兹三维层析成像主机分别通过光纤、电源线、数据线连接与太赫兹镜头相连接，所述光纤与电源线用于将太赫兹三维层析成像主机内部的飞秒脉冲激光与偏置电压传输给太赫兹镜头，所述数据线用于将太赫兹镜头采集到的携带被测物信息的太赫兹反射回波以微弱电流的形式传输给太赫兹三维层析成像主机。

优选的，所述双目视觉系统用于向被测物体发射带有编码信息的结构光，通过双相机分别接收不同角度反射回的激光，利用重构算法测绘出被测物体的3D结构。

优选的，所述太赫兹镜头按照预定轨迹移动时太赫兹镜头的光轴始终位于每一个检测点的法线方向上，并向被测物体探测点发射太赫兹脉冲信号，所述太赫兹脉冲穿过物体后在交界面产生回波，并携带有被测物的内部信息，所述回波被太赫兹镜头接收。

优选的，所述机械臂为六轴机械臂。

本发明第二方面还提供了一种自适应太赫兹三维层析成像方法，采用如第一方面所述的自适应太赫兹三维层析成像装置，并包括以下步骤：

S1，采用双目视觉系统对被测物体上表面进行拍摄，所述双目视觉系统双目绕被测物体旋转，标定好位置后记录各个位置的双目图像，并生成被测物体的3D模型，将所述3D模型传送给上位机；

S2，上位机对所述3D模型分析处理并生成机械臂运动轨迹的路径规划数据，所述路径规划数据下发给机械臂控制器，所述机械臂控制器生成对应的运动指令；

S3，机械臂执行末端带动太赫兹镜头运动至轨迹初始点，上位机控制太赫兹三维层析成像主机将飞秒脉冲激光与偏置电压传输给太赫兹镜头，所述太赫兹镜头向被测物体初始点沿初始点法线方向发射太赫兹脉冲信号，并接收返回的太赫兹回波，转换成电流信号后传给太赫兹三维层析成像主机，确认探测到的初始点太赫兹信号正常；

S4，通过所述上位机向机械臂控制器发送控制指令，所述机械臂控制器控制机械臂按照规划路径运动，并将每个轨迹点的坐标信息通过机械臂控制器上传给上位机进行记录；同时，所述太赫兹三维层析成像主机将采集到的太赫兹信号同步上传给上位机；

S5，所述上位机结合接收的空间坐标信息与对应的太赫兹信号生成曲面多层物体的三维层析图像。

优选的，所述S2中生成机械臂运动轨迹的方法为：

S21，在所述上位机中提前输入太赫兹镜头焦点在默认机械臂执行末端坐标系中的坐标值，将该坐标设置为机械臂执行末端坐标系的新原点，该新原点的运动轨迹即为所述机械臂的运动轨迹；

S22，在所述上位机中提前输入太赫兹镜头光轴与默认机械臂执行末端坐标系Z轴的夹角，并将该光轴定义为机械臂执行末端坐标系新的Z轴；

S23，将被测物体3D模型的表面曲面置于机械臂基座坐标系的xy平面内，自动搜寻物体表面曲面的某一边角的点，以此为原点生成用户坐标系(T，R，W)，初始的T轴平行于x轴，R轴平行于y轴，W轴垂直于xy平面；

S24，在0～180度的范围内变换T轴方向，按照一定间隔生成若干平行于TW平面的切面，计算每一个切面与被测物体表面曲面的交线的曲率变化率，将曲率变化率最小的方向设为最终T轴方向，相应的R轴垂直于T轴；

S25，沿着W轴生成被测物体表面曲面在TR平面内的投影，根据预设的间隔在该投影面上生成点阵，以(T，R，W)坐标系原点的投影点为初始点，轨迹方向由初始点出发，沿着T轴蛇形前进；

S26，将投影面上的点阵与轨迹方向沿着W轴反向投影至被测物体表面曲面，生成曲面上的点阵，对应的曲面上每个点在机械臂基座坐标系(x，y，z)中的包含欧拉角的坐标值(x，y，z，α，β，γ)也将得到；

S27，将一系列的(x，y，z，α，β，γ)传递给机械臂控制器，并设置机械臂执行末端坐标系的新Z轴平行于每个轨迹点的法线，所述机械臂控制器自动规划出机械臂的运动轨迹，其中(x，y，z)作为轨迹点的位置，(α，β，γ)可通过计算得到该点的法线方向。

与现有技术相比，本发明中提出的自适应太赫兹三维层析成像装置及方法可以产生如下有益效果：

本发明将机械臂与太赫兹三维层析成像系统的组合可以有效解决曲面物体的成像问题，采用机械臂代替常用的二维扫描平台，来带动太赫兹镜头实现逐点扫描成像，将太赫兹三维层析成像系统的工作维度由二维提升至三维，极大增强了该系统的实用性。将太赫兹三维层析成像系统与六轴机械臂、双目视觉系统结合起来，一方面机械臂使得太赫兹镜头在空间上具备6个自由度，可以有效解决目前太赫兹系统针对曲面物体成像效果不佳的问题，提高成像质量，另一方面双目视觉系统可以作为整个装置的眼睛，对被测物体进行非接触式3D测量并将模型导入上位机用于自动生成机械臂运动轨迹，从而实现了针对不同物体时的自适应测量；同时，本发明提出了一种适用于太赫兹三维层析成像的机械臂自动轨迹规划方法，可以根据双目视觉系统测量得到的被测物体3D模型自动生成机械臂的运动轨迹，极大提升了太赫兹三维层析成像系统在进行多外形种类物体成像时的效率。

附图说明

图1为本发明成像装置的整体结构示意图。

图2为本发明成像方法的流程框图。

图3为机械臂运动轨迹生成的示意图。

1.太赫兹镜头；2.被测物体3D模型；3.蛇形运动轨迹。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明进行进一步说明。

实施例1：

机械臂是机器人技术领域中使用最广泛的自动机械装置，其在工业制造、医疗、娱乐服务、军事、半导体制造和航空航天等领域具有广泛应用。在不同的应用场景下，机械臂具有不同的外观形态，但它们都具有共同的特征，即它们可以接受指令并准确地定位三维(或二维)空间中的点以进行操作。其中，六轴机械臂由六个关节组成，每个关节由一个伺服电机驱动做旋转运动，这样机械臂将获得最大自由度，其执行末端可以达到操作空间内的任一位置。将六轴机械臂与太赫兹三维层析成像系统结合起来，可以使太赫兹镜头在空间中获得六个自由度，突破二维扫描方式仅能对平面物体成像的局限，在对任意外形物体成像时，都可以保证每一个探测点都位于太赫兹镜头焦点处且太赫兹镜头的出射光轴方向都与该点法线方向一致。但是，另一方面，机械臂带动太赫兹镜头对待测物体成像时，机械臂执行末端的运动轨迹依赖于手动逐点示教或者事先将待测物体三维模型导入机械臂编程软件进行离线编程，检测效率相对较低。

为此本发明提出了一种基于机械臂和双目视觉的自适应太赫兹三维层析成像装置，机械臂与太赫兹三维层析成像系统的组合可以有效解决曲面物体的成像问题。同时，引入双目视觉系统，可以对被测物的3D外形进行非接触式快速测量，然后将其自动导入上位机软件并根据预设的策略进行自动轨迹编程，从而解决机械臂针对不同形状物体路径规划效率低下的问题，实现在对不同外形的物体成像时，自适应的轨迹生成。

如图1所示，本装置主要由上位机、太赫兹三维层析成像主机、太赫兹镜头、机械臂控制器、六轴机械臂、双目视觉系统组成。上位机作为指令收发与数据处理的中枢，可以为笔记本电脑，安装有太赫兹三维层析成像软件及机械臂编程控制软件；太赫兹三维层析成像主机与上位机通过交互数据线连接，实现指令下发与数据上传，同时作为太赫兹泵浦激光、偏置电压与探测激光的发射源及太赫兹脉冲光电转换后电信号的采集处理器；太赫兹镜头与太赫兹三维层析成像主机通过光纤、电源线、数据线连接，其中光纤与电源线将太赫兹三维层析成像主机内部的泵浦探测激光与偏置电压传输给太赫兹镜头，数据线将太赫兹镜头采集到的携带被测物信息的太赫兹反射回波以微弱电流的形式传输给太赫兹三维层析成像主机；机械臂控制器与上位机通过交互数据线连接，实现路径规划程序的下发与机械臂执行末端位置信息的上传；机械臂控制与六轴机械臂通过交互数据线连接，控制器将路径规划程序转换成机械臂各个轴的运动指令下发给机械臂，同时代表机械臂各轴电机角度信息的旋转编码器信号也会实时上传给机械臂控制器，用于计算机械臂执行末端的空间位置坐标；六轴机械臂的执行末端与太赫兹镜头之间通过螺钉固定连接，保证执行末端可以带动太赫兹镜头同步运动，六轴机械臂，其工作半径达1.8m，末端负载能力不低于20kg，带动太赫兹镜头在三维空间内移动与转动，完成曲面物体的扫描成像；太赫兹镜头内部包含主动式太赫兹脉冲发射源与太赫兹探测器，可以在太赫兹三维层析成像主机的激发下完成太赫兹波的发射与探测，其发射的太赫兹波束与接收的回波波束的光轴一致，且垂直于探测点表面，即与其探测端法线方向一致。

双目视觉系统与上位机通过单向数据线连接，双目视觉系统具有一个激光发射源及双照相机，可以主动向被测物体发射带有编码信息的结构光，并通过双照相机记录不能角度漫反射回来的激光，利用重构算法生成被测物体的3D结构，并将其3D信息上传给笔记本电脑用于机械臂自动轨迹坐标数据；太赫兹镜头主动向被测物体探测点发射太赫兹脉冲信号，太赫兹脉冲穿过物体后在交界面产生回波，并携带有被测物的内部信息，回波被太赫兹镜头接收，用于该探测点的三维层析成像。其中被测物体，其为3层结构，上下表面与空气各有一个交界面，内部具有2个交界面，每个交界面都可以产生一个反射回波，在一个探测点的一次采样中，所有的反射回波都会被探测到，其强度和相位信息可以反映出每一层的厚度及缺陷信息，这也是太赫兹三维层析成像中被重点关注的信息。

实施例2：

本发明同时提供了一种自适应太赫兹三维层析成像方法，如图2所示，可以采用如实施例1所述的自适应太赫兹三维层析成像装置，并包括以下步骤：

S1，采用双目视觉系统对被测物体上表面进行拍摄，双目视觉系统双目绕被测物体旋转，标定好位置后记录各个位置的双目图像，并生成被测物体的3D模型，将3D模型传送给上位机；双目视觉系统其双目的视场范围大于120°，因此需要将双目视觉系统绕被测物体旋转至至少3个位置。

S2，上位机对所述3D模型分析处理并生成机械臂运动轨迹的路径规划数据，路径规划数据下发给机械臂控制器，机械臂控制器生成对应的运动轨迹指令；设置运动轨迹点密度一般为1～3mm。

S3，机械臂执行末端带动太赫兹镜头运动至轨迹初始点，上位机控制太赫兹三维层析成像主机将飞秒脉冲激光与偏置电压传输给太赫兹镜头，太赫兹镜头向被测物体初始点沿初始点法线方向发射太赫兹脉冲信号，并接收返回的太赫兹回波，转换成电流信号后传给太赫兹三维层析成像主机，确认探测到的初始点太赫兹信号正常；

S4，通过上位机中的软件向机械臂控制器发送控制指令，机械臂控制器控制机械臂按照规划路径运动，并将每个轨迹点的坐标信息通过机械臂控制器上传给上位机进行记录；同时，所述太赫兹三维层析成像主机将采集到的太赫兹信号同步上传给上位机；

S5，上位机结合接收的空间坐标信息与对应的太赫兹信号生成曲面多层物体的三维层析图像。

需要特别说明的是，该运动轨迹中，每个轨迹点都能保证太赫兹镜头可以聚焦于被测物体表面，且垂直入射。

其中，本方法S2中生成机械臂运动轨迹的方法，结合图3，进行进一步的说明：

S21，在上位机中提前输入太赫兹镜头焦点在默认机械臂执行末端坐标系中的坐标值，将该坐标设置为机械臂执行末端坐标系的新原点，该新原点的运动轨迹即为所述机械臂的运动轨迹；

S22，在上位机中提前输入太赫兹镜头光轴与默认机械臂执行末端坐标系Z轴的夹角，并将该光轴定义为机械臂执行末端坐标系新的Z轴；

将太赫兹镜头的光轴方向定义为机械臂执行末端运动坐标系的Z轴方向，运动轨迹生成时，每一个轨迹点处的法线方向与Z轴保持一致，保证太赫兹镜头的光轴始终垂直每一个检测点；

S23，将被测物体3D模型的表面曲面置于机械臂基座坐标系的xy平面内，自动搜寻物体表面曲面的某一边角的点，以此为原点生成用户坐标系(T，R，W)，初始的T轴平行于x轴，R轴平行于y轴，W轴垂直于xy平面；

S24，在0～180度的范围内变换T轴方向，按照一定间隔生成若干平行于TW平面的切面，计算每一个切面与被测物体表面曲面的交线的曲率变化率，将曲率变化率最小的方向设为最终T轴方向，相应的R轴垂直于T轴；

S25，沿着W轴生成被测物体表面曲面在TR平面内的投影，根据预设的间隔在该投影面上生成点阵，以(T，R，W)坐标系原点的投影点为初始点，轨迹方向由初始点出发，沿着T轴蛇形前进；

S26，将投影面上的点阵与轨迹方向沿着W轴反向投影至被测物体表面曲面，生成曲面上的点阵，对应的曲面上每个点在机械臂基座坐标系(x，y，z)中的包含欧拉角的坐标值(x，y，z，α，β，γ)也将得到；

S27，将一系列的(x，y，z，α，β，γ)传递给机械臂控制器，并设置机械臂执行末端坐标系的新Z轴平行于每个轨迹点的法线，所述机械臂控制器自动规划出机械臂的运动轨迹，其中(x，y，z)作为轨迹点的位置，(α，β，γ)可通过计算得到该点的法线方向。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。