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什么是机器人 CT？

机器人 CT（机器人计算机断层扫描）用工业机械臂代替舱内的转台，来移动 X 射线源、探测器或工件。扫描几乎可以沿任意轨迹跟随工件，因此对 CT 舱来说过大、过扁或过重的工件也能在原地扫描。

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机器人 CT 的工作原理

传统 CT 系统在固定的 X 射线源和固定的探测器之间，让转台上的工件旋转。机器人 CT 用机械臂取代这些固定轴。在最常见的双机器人 CT 中，一条机械臂握持射线源，另一条握持探测器，两者围绕静止的工件运动。也有系统用机器人握持工件，而射线源和探测器保持固定。

由于机械臂可以自由运动，扫描轨迹不再局限于圆周。机器人 CT 可以扫描大型结构内部的感兴趣区域、沿工件轮廓运动，或者像机器人分层成像那样让射线源和探测器平行于平板运动。

这种灵活性是有代价的。机械臂的定位精度低于实验室 CT 的轴系：振动、重力和机械臂的弯曲会使射线源和探测器偏离控制器报告的位置，偏差可达零点几毫米。在几微米的体素尺寸下，这些误差会使体数据模糊并产生双边缘。此外，大多数 CT 软件采用的标准算法滤波反投影是针对圆周扫描推导的，其常规实现无法直接重建机器人的自由轨迹。因此机器人 CT 通常既需要为每次扫描进行几何校准，也需要支持任意轨迹的重建软件。Voxray QRT 两者兼顾：它能重建任意轨迹，并直接根据扫描数据校正几何。

什么情况下机器人 CT 更合适

对 CT 舱来说过大或过重的工件，例如飞机壁板、车身段和大型铸件。
复合材料板和电路板等扁平工件，使用机器人分层成像扫描。
已装配结构内部的感兴趣区域，例如铆钉、焊缝和胶接接头，无需拆卸。
现场检测：由移动式机器人系统前往工件，而不是把工件送到实验室。
围绕工件规划的扫描轨迹：绕开夹具等障碍物，并从能清楚显示待检特征（例如焊缝）的方向采集更多投影。

案例研究中的主板在 Omni NDE 双机器人系统上的扫描过程：一条机械臂移动 X 射线源，另一条移动探测器。

机器人几何误差：校正前后对比

一把无线电钻的机器人 CT 扫描，分别用未校正的机器人位姿和 Voxray QRT 的几何校正重建。

未经几何校正重建的模糊无线电钻机器人 CT 切片 — 未经校正时，机械臂的定位误差会使电机、齿轮和电子元件变得模糊。QRT 在重建过程中校正每个投影的几何。

使用 Voxray QRT 几何校正重建的同一把无线电钻的清晰机器人 CT 切片 — 未经校正时，机械臂的定位误差会使电机、齿轮和电子元件变得模糊。QRT 在重建过程中校正每个投影的几何。

未经几何校正重建的无线电钻三维表面，粗糙且破碎 — 从同一次扫描中提取的表面。未经校正时，表面破碎成粗糙的外壳。使用 QRT 后，通风口、按键甚至外壳上的文字都清晰可见。

使用 Voxray QRT 几何校正重建的同一把无线电钻的三维表面，可见通风口、按键和外壳上的文字 — 从同一次扫描中提取的表面。未经校正时，表面破碎成粗糙的外壳。使用 QRT 后，通风口、按键甚至外壳上的文字都清晰可见。

未经几何校正重建的无线电钻内部三维体渲染，部件模糊 — 内部的体渲染。未经校正时，电机、线缆和电池芯相互模糊。使用 QRT 后，单颗螺钉、线缆和电池芯清晰可辨。

使用 Voxray QRT 几何校正重建的同一把无线电钻内部三维体渲染，可见螺钉、线缆和电池芯 — 内部的体渲染。未经校正时，电机、线缆和电池芯相互模糊。使用 QRT 后，单颗螺钉、线缆和电池芯清晰可辨。

机器人 CT 的系统构型

机器人 CT 系统的区别在于机器人移动的是什么。构型决定了可行的扫描轨迹，以及重建需要校正的误差。

单个机器人移动工件

原理: 机械臂在固定的射线源和探测器之间握持工件，并让它在射线束中旋转，通常在辐射屏蔽外壳内进行。射线源与探测器之间的距离保持不变。

局限: 工件必须足够小、足够轻，机器人才能握持，而且机器人的定位误差仍会影响每个投影。

双机器人 CT

原理: 一个机器人携带 X 射线源，第二个机器人携带探测器。两者围绕静止的工件运动，因此几何可以随投影变化。

局限: 两条机械臂各自带来定位误差。机器人必须同步运动，并避免与工件或彼此发生碰撞。

机器人分层成像

原理: 两个机器人在扁平工件两侧平行移动射线源和探测器，使每条射线都斜向穿过工件。这适用于圆周扫描无法穿透的复合材料板和电路板。

局限: 与所有分层成像一样，沿工件平面方向的射线永远不会被测量，因此体数据在深度方向上不如平面内清晰。

多机器人系统

原理: 大型设备使用两个以上的机器人来覆盖超大工件。Fraunhofer 的 RoboCT 系统自 2018 年起在宝马投入使用，用四个机器人检测原型车身的连接部位。

局限: 这类系统体积大、成本高，每增加一个机器人，重建需要处理的几何误差就会增加。

规划机器人 CT 扫描

当扫描轨迹可以自由选择时，轨迹本身决定了体数据能达到的质量。

数据完整

目标: 让射线从足够多的方向穿过您想看到的每个结构。一般来说，穿过感兴趣区域的每个平面都应至少与射线源轨迹相交一次（Tuy 条件）。

注意事项: 缺少某一方向范围的轨迹会使沿缺失射线方向的边缘变得模糊。扁平工件总是缺少沿其平面的方向。

可达范围与碰撞

目标: 让射线源靠近工件以获得高放大倍数，同时两条机械臂都保持在可达范围内的轨迹。

注意事项: 夹具、工件本身和另一台机器人都会限制可用位姿。请在第一次扫描前模拟轨迹。

大型工件与截断投影

目标: 即使工件比探测器更宽，也只以所需的放大倍数扫描所需的区域。

注意事项: 当工件超出探测器范围时，投影会被截断。滤波反投影随后会在视野边缘产生亮边和杯状伪影。

投影数量

目标: 投影数量要足以支撑所需的体素尺寸。机器人 CT 系统通常采集数千张投影，下文的主板扫描为 17,689 张。

注意事项: 每个位姿都需要时间移动和稳定。减少投影可缩短扫描时间，但滤波反投影会因此产生欠采样条纹。

Voxray QRT 如何重建机器人 CT

QRT 根据每个投影时射线源和探测器的位置进行重建。机器人能走的任何轨迹，无论是圆周、螺旋、分层成像轨迹，还是围绕工件规划的轨迹，都使用同一种算法。

机器人控制器报告的位姿足以作为起点。QRT 在重建过程中根据测量数据校正每个投影的几何，因此机器人 CT 既不需要校准体模，也不需要单独的校准扫描。

无需校准扫描

QRT 根据扫描数据校正每个投影中射线源和探测器的位姿。无需校准体模。

任意机器人，任意轨迹

Robot CT 模块支持单机器人、双机器人和多机器人系统以及任意扫描轨迹。

机器人分层成像

同一种重建也能处理复合材料板、电路板等扁平工件的分层成像轨迹，下文的主板扫描就是一例。

开放的数据格式

机器人 CT 系统以 Voxray 投影格式把投影及每个投影的位姿传给 QRT。

案例研究

机器人 CT 分层成像扫描主板

Omni NDE 使用其双机器人 CT 系统，以分层成像轨迹扫描了整块主板：30 µm 下共 17,689 张投影。QRT 校正了机械臂的定位误差，重建了整块电路板，从 CPU 插座到单个焊点。

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关于机器人 CT 的常见问题