三 关节臂扫描仪

1．发展历史

关节臂扫描属于高精度三维扫描，是一种利用三维激光雷达获取某目标空间三维点坐标及灰度信息的一种高新测绘技术。它利用激光扫描装置自动、系统、快速地获取对象表面的三维坐标，是一种高精度的测量手段，其单点定位精度可达到亚毫米级。

关节臂扫描仪是在关节臂测量机上添加激光扫描仪，可以进行非接触式扫描，弥补了关节臂测量机的缺陷。Cimcore 公司在1986年推出第一台关节臂式坐标测量机，成为便携式关节臂测量机的创始人，该测量机能够在车间或实验室环境下进行检测、测量和逆向工程的企业设计。目前，该公司的制造机构位于法国和美国，并专长于在全球范围内提供技术先进、功能优异、质量稳定的关节臂式坐标测量机。国内关节臂式坐标测量机的研究工作起步较晚，目前研制出的样机屈指可数，且其性能也与国外产品差距较大。哈尔滨工业大学是国内最早从事关节臂式坐标测量机研究的单位，叶东等在20世纪90年代末期研制出一种关节臂式坐标测量机，并对运动学建模和标定进行了研究。随后，合肥工业大学、天津大学、华中科技大学、浙江大学也相继对关节臂式坐标测量机进行了研究。

如图1.53所示，意大利RPS Metrology公司的EVO-X关节臂扫描仪建立了新一代关节臂测量机的标准。它自带接触式测头，并整合了激光扫描仪的便携式关节臂测量机，用于检测和逆向工程。由于极其稳定的机械结构设计、轻量化的结构以及采用自动温度补偿，其不需要校准及预热。任何人都不需要长时间培训就可使用EVO-X。它内置高容量电池，可进行12小时的接触式测量或8小时的激光扫描，内置无线Wi-Fi，可直接用于车间测量。EVO-X高品质激光扫描技术可扫描高亮、反光、黑色及复合材料表面，不用在被扫描表面做任何处理。

图1.53 EVO-X关节臂扫描仪

2．技术简介

1个6自由度配置的关节臂扫描仪由基座、3个测量臂、6个活动关节和1个扫描测头组成。3个测量臂互相连接，可在空间无限旋转和摆动，以适应测量需要。下面根据D-H方法建立测量机坐标系统，如图1.54所示。根据D-H方法可知，相邻坐标系(xi, yi, zi)与坐标系(xi-1, yi-1, zi-1)的齐次变换矩阵为：

式中，i=1,2,…,6，其中li、di均是由机械结构所确定的已知参数。通过依次前乘前一个坐标系的变换矩阵可以得到全局变换矩阵，即测头所在坐标系(x6, y6, z6)与基座所在坐标系(x0, y0, z0)的变换矩阵：

设测头所在坐标系中的坐标为(lx , ly , lz )，则测头在基坐标系中的空间三维坐标为：

图1.54 关节臂坐标系统

这种关节臂扫描仪符合人体工程学的经典轻巧设计，使得单人就能完成扫描工作，并且扫描时无须贴点，能够节约时间及耗材成本，精度高且稳定。但对于规模较大的扫描件，使用关节臂扫描仪扫描耗时较长，甚至需要移动基座进行多次扫描。

3．典型案例

以青州博物馆藏龙纹玉壶春瓶为例，该瓶在1985年4月出土于山东省青州市粮食中转库铁路西侧元代墓葬。口径8.8厘米，底径9.3厘米，高30.0厘米。圈足略外撇，器底轮旋纹明显。胎质较薄，胎体坚致细密。釉质细腻而莹润，白中泛青。器底施薄釉，通体没有明显的积釉之处。胎与釉交接处呈现火石红色。器纹饰上下分八层，口沿内绘卷草纹一圈，颈部饰蕉叶纹、变形回纹，肩部及近底处饰莲瓣纹、卷草纹各一圈，腹部主体纹饰为龙纹。借助于关节臂扫描仪的高精度扫描，釉面下青花颜料得以纤毫毕现。图1.55、图1.56和图1.57为部分结果图。

图1.55 “元青花玉壶春瓶”（青州博物馆藏）正射影像图

注：左为高清自动纹理映射正射影像图，右为FARO关节臂扫描仪扫描素模正射影像图。

图1.56 使用FARO关节臂扫描仪扫描的“元青花玉壶春瓶”（局部，青州博物馆藏）正射影像图

图1.57 使用FARO关节臂扫描仪扫描的“元青花玉壶春瓶”（局部，青州博物馆藏）高清自动纹理 映射正射影像图