第五届计算机科学与教育国际会议
合肥，中国 2010年8月24-27日
基于切片图像的机械零件实体模型重构与特征识别
Yuqiang Feng
School of Mechanical Engineering, Jimei University
厦门，中国 fyq64@163.com
摘要：本文提出了一种基于机械零件的切片图像重构三维实体模型及其特征识别的算法。包括一下几步流程：
第1步：首先根据切片的轮廓边缘对表面的几何类型与参数进行识别；
第2步：通过构建体积微元，分裂体积微元的端面一级结合体积微元来重建零件的三维实体模型；
第3步：在实体模型重建的过程中通过识别与组合积极的特征，甲类和乙类负面的特征来实现特征的识别。
最后，通过一个例子展示该方法的有效性。
索引术语：切片图像，逆向工程，3D模型重构，特征识别
一、简介
有两种数据格式可以用于逆向工程：点云数据和切片图像数据。点云数据可以通过坐标测量仪（CMM）、三维激光扫描仪和其他仪器获取，它适用于可见表面重建，重建的几何模型是NURBS提出来的表面模型。切片图像可以通过医学CT或者工业CT获取，因为内部结构可以获得，所以它更适用于具有复杂内部结构的对象重建。
在机械零件的反向建模技术中，3D实体模型可以提供比表面模型更加丰富的有用信息。
现代CAD系统就是基于特征的实体建模系统。由于基于特征的实体建模系统使得快速修改几何模型成为可能，因此使用切片图像信息来实现逆向工程成为了机械零件特征识别的一个课题。
本文研究了基于切片图像的机械零件3D实体模型重建方法和特征识别技术。主要步骤包括表面识别、3D实体模型重建和特征识别。
二、表面识别
本文中将表面分为平面、圆柱体、圆锥体、椭圆柱体，球体，巡回和自由曲面等，假设几何类型（分为直线、圆弧、椭圆）和每条边的几何参数已经被识别，构成切片上相同表面的所有边缘已经被检测到。
- 直线边缘的表面识别
根据方向和移动路径的不同，直线边缘可以构成不同的表面。如果直线边缘的方向不相同，那么表面就是自由形式的表面。如果方向相同，那么表面类型由移动路径决定。移动路径可以通过交叉拟合交点得到这些边缘具有垂直于这些边缘的平面。如果移动路径是线性或者圆形或者椭圆弧，或者自由曲线，那么曲面就是一个平面，圆柱体，椭圆柱体或者自由形式的表面。
- 弧边的表面识别
根据半径和移动路径的不同，圆弧边缘可以组成不同的表面。
如果这些圆弧有相同的半径，那么移动路径就可以决定表面类型。圆弧的移动路径可以用圆弧中心点来描述，表面可以是圆柱体，椭圆柱体或者自由形式的表面。
如果这些圆弧的半径不同，那么根据圆弧中心点描述的圆弧移动路径不同，表面可以是圆锥体，球体，环面或者是自由形式的表面。
- 椭圆边缘的表面识别
如果这些椭圆边缘有这相同的长轴和短轴大小，那么根据椭圆中心点刻画的移动路径，表面可以是圆柱体，椭圆柱体或者是自由形式的表面。
如果长轴和短轴的大小不同，当这些椭圆符合以下情形时，表面会是圆锥面，否则会是自由形式的表面。1）长轴短轴的比值是一个定值； 2）所有的椭圆有着相同的轴向量； 3)相邻2个椭圆弧的高度差和长轴差的比值是一个定值；4）椭圆中心点都在一条直线上。
三、实体模型的重建
实体模型包括:体积微元的重建，体积微元端面分割，体积微元结合以及边界重构。
- 体积微元构建
定义：如果封闭轮廓E1和E2边缘数量、边缘连接点数量、边缘表面的数量完全相同，那么那么E1和E2是几何相容的，否则几何不相容。
VC可以从每个片上的材料域（由一个外部循环和几个内部循环构造而成）构造出来，首先构造VC的两个端面轮廓，它们是由相交的两个平面P1和P2的两个闭环在材料边缘所在的已识别表面所在的平面P1和P2平行于切片平面，它们的Z坐标是切片加Z坐标的结果或减去两个切片的1/2间距。
B.端面分割和VC结合
当两个VC粘合在端面时，如果两个端面的轮廓是非几何相容性的，那就需要将端面分割为两个端面，划分为兼容和不兼容的区域。
设A，B为粘接端面，分割A本质上是将A的固体区域分割为若干基于B的区域，分割操作可以分为交叉和轮廓的重组，如图1所示：
图1 面分割
端面分割完成后，两个VC可以结合成一个新的VC，兼容的区域消失而不兼容的区域组成新的VC中的各个方面如图2所示：
图2 VC结合
C、边界重组
在连接两个VC之后，端面上的不兼容区域被保留为模型中的方面，但这些方面在原型部分中并不一定是真实的，所以有必要检查这些方面的有效性。如果一个方面无效，那么它必须从模型中移除并重新构造边界如图3所示：
图3 一个无效的方面
VC端面上的方面可以分为两类：由粘合剂端面上的不兼容区域构造的端面和VC的非粘合端面上的端面。
（1）对不兼容区域构面的有效性检查
这样的构面位于VC的一个端面，它的外部和内部循环是由VC的边缘和其他VC上复制的边缘组成的。显然在这个构面至少有一个分割边缘
假设构面位于一个Z坐标为Zk的切片层的材料域构成的VC上，然后在这里创建一个方程为Z=hk的平面，在这里如果构面位于上端面则有hk=Zk 1，如果构面位于下端面则有hk=Zk-1。
在这个面的分割边的所有邻面F中，如果平面与面F相交，则面是一个有效的面; 否则是无效的方面。
（2）对非粘结剂端面构面的有效性检查
该面是VC的非粘结端面，上下端面的边界是几何相容的。设这个面的面积为S1，另外一个非粘结端面的面积是S2，如果则这个端面是有效的，否则定义一个函数如下：
这里的d是两个相邻切片的距离。如果d是一个比较小的数值，当时，这个面是一个无效的平面；如果，那么这个面有效。而当d较大时，给定一个阈值，如果，则表示该面是一个有效的平面，否则无效。
（3）删除无效的平面并重新排列边界
如果这一平面是无效的平面，那么必须将其从模型里移除，而且模型的拓扑结构需要重新安排，改编的操作只是本地操作，不需要调整整个数据结构。根据消失的面，有如下三种情况：平面完全消失，平面退化为定点或者退化为边缘，如图4所示：
图4 面的退化
通过构建VC，分割端面和粘合VC，并逐步重新排列边界，一个平稳正确的实体模型可以由此重建。通过上述提到的方法，重建复杂的部分可以很容易地完成。
四、特征识别
许多学者研究了特征识别。仅从识别的表面提取特征是比较困难的，特征识别是在实体模型的重建过程中进行的。在本文中，特征分为三类：积极的特征，由片上内闭环构建的A类消极特征和B类消极特征。
- 对正面特征和A类消极特征的识别
对于正面的特征和A类消极特征的识别是相对简单的。在基于VC粘结的实体模型重建过程中，VC和其他曲面的两个端面在相邻切片的外匹配轮廓边缘的位置构成了正特征。积极的特征是一个VC或者几个闭合的VC粘结实体。相邻切片的内匹配轮廓边缘的表面位于A类负面特征的构造上。A类负面特征是一个几个表面的开放特征，如图5所示。公认的正面特征是FA,FB,FC,A类负面特征是孔特征FD。
图5 特征识别
- B类负面特征的识别
在绑定2个VC时，端面上不兼容区域在模型中保留为小平面。B类负面特征由这个小平面和和其他有分割边缘的表面组成。B类负面特征也是有多个表面的开放特征。如图5所示，FE是一个确定的B类负面特征，由三个表面构成。图6中B类负面特征是FG，仅有一个表面组成。
图6 特征识别
- 特征组合
如果相互联系的两个特征至少有一个共同的表面，那么它们可以结合形成一个新的特征。对于两个正特征的组合，如果至少有一个表面也是B类负面特征的表面，那么B类的负面特征是一个有效的特征，并且将参与特征建模。如图5所示，由于正面特征FA,FB，FC的正特征可以合并成一个单一的特征，B类负特征FE是一个有效的特征。在图6中，由于FC和FD的正特性不能结合，所以B类负面特征FG是一个无效的特征并且不会参与特征建模。
- 从正面特征删除表面和关闭负面特征
如果一个负面特征是有效的，它将参与到特征建模中。否则的话它将从已识别特征的列表中删除。一个有效的负面特征是一个开放的特征，它的表面必须是其他正面特征的表面，所以需要删除正面特征的表面，这也是有效的负面特征的表面，在特征建模之前关闭有效的负面特征。
五、结论
在本文的研究工作中提出了一种基于切片图像的机械部件的重构和特征识别算法。该方法首先识别表面边缘的几何参数，之后通过构建体细胞、逐步分裂端面和结合体细胞来重建三维实体模型，最后在实体模型重建过程中通过识别正面特征、A级负面特征和B级负面特征来完成特征模型。图7是一个3D实体和特征模型重建的实例。
图7 实体和特征模型重建的实例
参考文献
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[5] C.-F. and S.-S. Yang,”Automatic Feature Recognition from EngineeringDrawings”. Advanced Manufacturing Technology, 1998,14:495-507
基于灵巧的手臂系统视觉辅助拆卸：一个例子和实验结果
ALEXANDRA WEIGL and MATTHIAS SEITZ
Darnstadt University of Technology ,Department of Contorl Systems Theoty and Robotics,Landgarf-Georg-Str.4,D-64283 Darnstadt,Germany
摘要：将来在非破坏性拆卸过程自动化中的应用（对于组件的重新使用非常重要且是必要的）需要高度灵敏且灵巧的机器人系统。所提出系统的主要部件是一个使用特殊的基本拆卸步骤的拆卸序列规划器，一个有15个自由度的冗余手臂系统（自由度由一个六轴机器人和一个三指夹具提供）和一个用于线下抓取和动作规划以及线上监管视觉系统。除了对整个系统结构的描述和对拆卸动作底层思想的解释外，本文还将着重讨论第一组实验结果的展示以及从拆卸一个视频录像机的一些部件收获的经验。
关键词：手臂系统；抓取规划；手臂协调；拆卸；视觉
- 简介
出于对环境因素和经济因素的考量，未来自动化方面的应用将着力于多种不同电子产品的拆卸，主要目的是其中一些有价值器件和模块的恢复和重新使用。使再利用成为可能会提高回收工业的附加值，而且可以减少废弃电子器件对环境造成的负面影响。尤其是针对高度集成的电子器件的非破坏性拆卸工作是一项需要复杂拆卸流程的非常艰巨的任务，因为目前为止致力于拆卸便利化的工作在产品的设计阶段还相当少。由于这些产品的压缩结构导致缺少间隙，导致要拆卸的各个部件几乎是无法接触和抓取的。而且，紧固件和其他连接件需要移除，在不产生破坏的条件下这是很难实现的。
除此之外， 拆卸工作不能被简单视为组装工作的逆序，因为增加了很多的不确定性。要拆卸部件的状态在生命周期内可能会发生变化，因此会带来由于使用时间增加、不专业的维修带来的拆卸困难。基于产品组装状态的目标模型不能在无限制的条件下或者它们无法获得的条件下使用，因此丰富的传感器信息对于获取适当的对象信息是必须的。由于不确定的目标状态和抓取难度、获取难度，使用视觉系统完成线下抓取和路径规划以及线上的监管是合理的。为了处理另一个主要难题即待拆卸部件之间的碰撞和楔入，基于力/扭矩的传感器信息的策略是必要的。另外，也需要制定一些策略来处理电子产品中的大量线路。
由于拆卸是柔性机器人操作过程中一个相对新的任务，因此文献中只能找到很少几个直接的方法。但是在大多数的案例中没有考虑真实的条件，主题限制非常严格，正如案例[Woo和Dutta91]或者[hoffman89]中，仅仅考虑了平移机器人的动作，刚性部件以及无紧固件。存在用于规划精细局部运动的几种常用方法，但
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