(57)【要約】【課題】様々な方向から３次元計測を行い全体を３次元計測できるように、計測した３次元データを共通の座標系のデータ変換することを可能とする。【解決手段】３次元計測ヘッド部の位置と姿勢を関節部から計測できるようセンサーを取り付け、その関節部を固定部から位置と姿勢を計測できるようにすることで、基準となる固定した固定部からの３次元計測ヘッド部の位置と姿勢を計算し、計測した３次元データを固定部の座標系へ座標変換を行い記録する。そして、ヘッド部と関節部を移動しながら３次元計測を繰り返すことで、全体の３次元計測を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の表面の３次元形状を計測する手段を持つ計測ヘッド部と、そのヘッド部の３次元位置と姿勢を計測する手段を持つ少なくとも１つの間接部と、さらにその間接部の３次元位置と姿勢を計測する手段を持つ固定部を持ち、前記計測したそれぞれの位置と姿勢データから固定部からの相対的な計測ヘッド部の３次元位置、姿勢を算出する手段を持ち、計測ヘッド部で計測した３次元データを固定部の座標系を基本とした座標系へ変換することを特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】
請求項１におてい、関節部と固定部の間に、さらに前記関節部の位置と姿勢を計測する手段をもつ少なくとも１つの関節部を持ち、その関節部の位置と姿勢を計測する手段を持つ固定部を持ち、２つ以上の座標変換により、固定部の座標系を基本とした座標系へ計測ヘッドで計測した３次元データを座標変換する手段を持つことを特徴とする３次元計測装置。
【請求項３】
請求項１において、関節部を複数持ち、固定部から複数の関節部の位置と姿勢を計測する手段を持ち、さらに、複数の経路によりヘッド部の位置と姿勢を計測する手段を持ち、固定部からの相対的なヘッド部の位置と姿勢を、関節部を介して得られた複数の位置と姿勢計測データから最適化により計測ヘッド部の位置と姿勢を高精度に求める手段をもつことを特徴とする３次元計測装置。
【請求項４】
請求項１において、ヘッド部、関節部の３次元位置と姿勢が計測できたことを示すための表示部あるいは音源を持っており、座標変換が使用可能であることを容易に確認できることを特徴とする３次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容易に広い範囲を３次元計測するための方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
３次元形状計測には、多様な方法がある。多くの場合光切断法やパターン投影法が用いられるが、一度に計測できる範囲は限られており、また入り組んだところや測定物の裏側を一度に計測することは困難である。そのため広い範囲や裏側を計測するためには、計測装置を移動するか、測定物を回転ステージに載せたりして動かす必要があり、計測装置や測定物が移動した場合、座標系が変わってしまうため、異なる場所から計測したデータの位置合わせをするために多大な労力を要していた。
【０００３】
この問題を解決するために、従来は、測定物を回転ステージにのせたり、ロボットアームの先に３次元計測装置を取り付けたり、あるいはデジタルカメラとマーカーを用いグローバルな３次元座標系を作成して３次元計測装置で計測した３次元データの座標変換を行い位置合わせを行っていた。
【０００４】
回転ステージを用いる場合、回転ステージをあらかじめキャリブレーションし、回転軸を算出し回転角度だけ座標変換を行うものである。また、ロボットアームを使用する場合では、ロボットアームの関節の動きを高精度に読み取り、その回転量からアームの先に取り付けた計測機の３次元的な位置と姿勢を算出し、アームの座標系への３次元座標変換を行うことで、すべての３次元データを同一座標系に変換していた。また、デジタルカメラとマーカーを用いた場合では、測定対象物及びその周辺にマーカーを設置し、複数の場所から高解像度のデジタルカメラにて撮影を行い、マーカーの３次元座標値の算出を行い、次に３次元計測装置で対象物の計測を行い、共通するマーカーの計測結果から、３次元計測装置にて計測した３次元座標値をデジタルカメラにより得られた３次元座標系へ変換をおこなうことですべての３次元計測データを同一座標系のデータとして得ていた。
【０００５】
しかし、回転ステージを用いた場合、測定対象物が回転ステージにのるものでなくてはならず、また頭上などの計測にはまた別途座標変換を求める手段を設ける必要があった。そして、ロボットアームを用いた場合には、ロボットアームを設置する場所が限定され、測定物のある場所に３次元計測装置を持っていき計測することは困難であり、ロボットアームが設置されている場所に測定物も持ってくる必要があった。また、デジタルカメラを用いた場合は、マーカー設置やデジタルカメラでの撮影など手間が多くかかり、画像処理などの計算量も多くなるためリアルタイムに結果をえることが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特願２００５−１５４８２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、測定対象物の裏側など広い範囲を３次元計測するとき、計測装置を移動させると、座標系が移動するため、同一の座標系で計測することができない点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、自由に移動できる３次元計測部と、その計測部の３次元位置と姿勢を計測する手段を持ち自由に移動できる関節部を設け、さらにその関節部の３次元位置と姿勢を計測する手段をもつ固定部を設け、３次元計測部が自由に移動でき尚且つ固定部からの位置と姿勢を計算でき、計測した３次元データの固定した座標系への座標変換パラメータを求めることができるようにしたことを主な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の３次元計測装置は、３次元計測部および関節部の位置・姿勢から３次元計測データを常に同一の座標系になるように座標変換することができ、３次元計測部を移動させ測定対象物を広い範囲で、様々な方向から計測することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態を示す３次元計測装置の説明図である。
【図２】本発明の実施形態を示す３次元計測装置のヘッド部の説明図である。
【図３】本発明の実施形態を示す３次元計測装置の関節部の説明図である。
【図４】本発明の実施形態を示す３次元計測装置の関節部を直列に並べた説明図である。
【図５】本発明の実施形態を示す３次元計測装置の関節部を並列に並べた説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
測定対象物を様々な方向から３次元計測を可能とする目的を、固定部から複数の位置と姿勢を計測できる移動部を介し、計測ヘッド部を移動しても固定部からの相対的な位置と姿勢を計算できるようにし、常に固定部の座標系で３次元計測できるようにすることで実現した。
【実施例】
【００１２】
図１は、本発明装置の１実施例の全体図であって、１は３次元計測ヘッド部、２は関節部、３は固定部となり、それぞれ４のコンピュータに接続している。３の固定部は固定されており２の関節部の３次元位置と姿勢を計測し、２の関節部で１のヘッド部の３次元位置と姿勢を計測する。それぞれの関係を掛け合わすことで、３の固定部から見た１のヘッド部の３次元位置と姿勢が計算でき、従って、固定部を基準座標とする座標系に１のヘッド部で計測した３次元データを座標変換することが可能になり、ヘッド部を動かしながら３次元計測したデータを同一の座標系へ変換することで全体の３次元計測が可能となる。
【００１３】
下記の数式１は、座標の変換を表しており、式（２）は、ヘッド部で計測した３次元データを関節部の座標系に変換する式。式（１）は、関節部の座標系を固定部の座標系へ変換する式である。それぞれの式のＲとＴはそれぞれ回転マトリックスと並進ベクトルであり、３次元位置と姿勢を計測することで得られる。最終的に、計測した３次元データは、式（３）に示す計算により、固定部の座標系へ変換される。
【００１４】
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【００１５】
図２は、図１のヘッド部の詳細図である。５はレーザースリット光を測定対象物上に照射するものであり、６はＣＣＤカメラであり、前記レーザースリット光の反射光を受光し、その位置から高さを計測するものである。具体的には、レーザー光とカメラの視線との交点を計算し、物体面上の３次元座標値を得る。そして、９はヘッド部の背面であり、８はその背面に取り付けられている複数のマーカーである。同一平面上に所定の間隔で取り付けてあり、左下のマーカーを３次元計測ヘッドの原点としている。
【００１６】
図３は、図１の関節部および固定部の詳細図である。１０はそれぞれカメラであり、ヘッド部のマーカーを撮影する。それぞれのカメラで撮影した２枚の画像からマーカーの中心座標値を算出し、ステレオにより対応するマーカーから３次元座標値を計算する。すべてのマーカーの３次元位置を計算し、左下のマーカーを原点とすることで、ヘッド部の３次元位置が計測できる。さらに、すべてのマーカーからさん出される平面と、原点からのマーカーの位置からヘッド部の姿勢が算出される。このようにして、関節部からみたヘッド部の位置と姿勢が算出される。そして、１２に示すように関節部の背面および側面にも同様のマーカー１１が取り付けてあり、固定部からの２台のカメラにより撮影することで、同様に固定部からの関節部の３次元位置と姿勢を算出する。
【００１７】
計測は、図２の７に示すヘッド部のボタンを押すと接続しているコンピュータに信号が送られ、コンピュータからヘッド部、関節部、固定部に計測指令が出される。指令に従い、ヘッド部でレーザースリット光による計測対象部の３次元計測が行われ、同時にヘッド部及び関節部の位置と姿勢が計測される。そして、レーザースリット光により計測された３次元データは、固定された固定部の座標系へ変換され記録される。ヘッド部のボタンを押す毎に、基礎部の座標系へ変換された３次元データが追加され、コンピュータのディスプレイに表示され、測定対象物の計測した状況が把握できる。ユーザーは、計測したい部分がすべて計測できるまで、ヘッド部と関節部を移動させながら、ボタンを押し計測を続ける。
【００１８】
図４は、関節部を複数個直列に繋げたものである。固定部に対するヘッド部の３次元座標変換、前記数式１の式（２）を追加し掛け合わせることで算出できる。このように、多段にすることで、複雑に回り込んだ部分も計測することが可能となる。
【００１９】
図５は、関節部を複数個並列につなげたものである。この場合、固定部に対するヘッド部の３次元座標変換は、誤差を含むため２つのルートでは完全に一致しない。並列に接続したすべてのルートを使って最小自乗などにより最適化を行うことで、精度を高めることが可能となる。
【００２０】
実施例では、関節部にカメラとマーカーを使って３次元位置と姿勢を計測しているが、これは超音波やレーザーレーダーなどを使って座標値を算出する手法を使っても同様の効果を得ることができる。また、ヘッド部にレーザースリット光による３次元計測手法を用いているが、パターン投影法や位相シフト法、共焦点法あるいはプローブを使った接触式など他の３次元計測手法を使用しても同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００２１】
１  ３次元計測ヘッド部
２  関節部
３  固定部
４  コンピュータ
５  レーザースリット光照射部
６  ＣＣＤカメラ
７  計測用シャッターボタン
８  ３次元計測ヘッド部のマーカー
９  ３次元計測ヘッド部背面
１０  関節部のＣＣＤカメラ
１１  関節部のマーカー
１２  関節部の背面および側面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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