(57)【要約】【課題】計測対象物の表面に光ビームにより焦点位置に合った計測範囲を表示し得る非接触式三次元形状計測装置を提供する。【解決手段】計測装置は、焦点距離位置で対面した計測対象物の形状を形状センサとしてレーザ光を照射する三次元走査式の三次元位置センサ１０により検知し、その検知信号を処理することにより計測対象物の三次元形状を計測する。三次元位置センサ１０の正面部に、光ビームの照射方向を偏向制御することにより表示を行う一対の表示器３０，３１を互いに離間して配置し、この表示器により、計測対象物における焦点距離位置に合った計測範囲を指示するマークをそれぞれ表示させる。これにより、焦点距離位置に在る計測対象物の表面に、計測範囲が双方のマークが重なった状態で表示される。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点距離位置で対面した計測対象物の形状を形状センサにより光学式に検知し、その検知信号を処理することにより計測対象物の三次元形状を計測する非接触式三次元形状計測装置において、
形状センサの正面部に、光ビームの照射方向を偏向制御することにより表示を行う一対の表示器を互いに離間して配置し、この表示器により、計測対象物における焦点距離位置に合った計測範囲を指示するマークをそれぞれ表示させることを特徴とする非接触式三次元形状計測装置。
【請求項２】
マークが、計測範囲に対応する円形の線であることを特徴とする請求項１記載の非接触式三次元形状計測装置。
【請求項３】
マークが、計測範囲に対応する方形の線であることを特徴とする請求項１記載の非接触式三次元形状計測装置。
【請求項４】
非接触式三次元形状計測装置が、基部に立設された関節アームの先端部に形状センサを取付け、計測場所に持運んで前記形状センサの三次元位置及び姿勢を手動操作で設定した状態で、計測対象物の三次元形状を非接触状態で計測するようになった可搬式であることを特徴とする請求項１記載の非接触式三次元形状計測装置。
【請求項５】
非接触式三次元形状計測装置が、ロボットの関節アームの先端部に形状センサが取付けられ、この形状センサの三次元位置及び姿勢をティーチングにより逐次制御して計測対象物の三次元形状を計測するロボット走査式であることを特徴とする請求項１記載の非接触式三次元形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焦点距離位置で対面した計測対象物の形状を形状センサにより光学式に検知し、その検知信号を処理することにより計測対象物の三次元形状を計測する非接触式三次元形状計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学式に非接触状態で三次元形状を計測する装置としては、光切断法、レーザ光切断法、レーザ光走査法、光包絡線法等の断面計測方式によるもの、或はモアレトポグラフィ法、干渉縞法、ホログラフィ法等の等高線計測方式によるのものが汎用されている。
【０００３】
このような非接触式三次元形状計測装置の面形状センサを手動設定して計測範囲を順にずらして計測する場合、焦点距離を外さないように、また計測範囲を意識して計測している。また、面形状センサをロボットにより自動走査させる場合、計測精度が低下しないように、正確なティーチングが必要になる。これらの対策として、計測対象物に対して焦点距離を保持させるように、形状センサに走査開始時に計測対象物間の距離を計測させて焦点距離から外れると自動警報させることは行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、距離の監視により、焦点距離は保持し得るとしても所定の計測精度を確保できる焦点距離に合った計測範囲は正確に確認できないことにより、計測走査或はティーチング走査に際して計測範囲間に空きを生じたり、或は逆に重複による無駄を生じる可能性があり、能率的な作業が難しく、またやり直しにつながることがある。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みて、計測対象物の表面に光ビームにより焦点位置に合った計測範囲を表示し得る非接触式三次元形状計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この目的を達成するために、請求項１により、焦点距離位置で対面した計測対象物の形状を形状センサにより光学式に検知し、その検知信号を処理することにより計測対象物の三次元形状を計測する非接触式三次元形状計測装置において、形状センサの正面部に、光ビームの照射方向を偏向制御することにより表示を行う一対の表示器を互いに離間して配置し、この表示器により、計測対象物における焦点距離位置に合った計測範囲を指示するマークをそれぞれ表示させることを特徴とする。
【０００７】
双方の表示器は、焦点距離位置で計測範囲を表示するように光ビームの照射方向をそれぞれ偏向制御する。これにより、焦点距離位置に在る計測対象物の表面に、計測範囲が双方のマークが重なった状態で表示される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を基に本発明の実施の形態の一例による非接触式三次元形状計測装置を説明する。この可搬式形状計測装置は、基部２１に立設された関節アーム２０の先端部のユニバーサルジョイント式の関節２２ａに、形状センサとしてレーザ光を照射する三次元走査式の三次元位置センサ１０を取付けて構成されている。関節アーム２０は、基部２１に垂直回転軸を中心に回転自在に支持された支柱２４と、この支柱に関節２３ａを介して上下に回動自在に支持されたアーム２３と、このアームに関節２３ｂを介して上下に回動自在に支持され、かつ先端部に関節２２ａが設けられたたアーム２２とを備えている。
【０００９】
三次元位置センサ１０は、図２に示すように、そのハウジング１０ａの正面部１０ｂの照射窓１６からレーザビームを発射する光半導体レーザ１１と、その入射光を反射してＸ軸方向に走査するように、モータＭｘにより垂直回転軸線を中心に往復回転するガルバノミラー１２と、Ｘ軸方向の走査ライン上の入射光を検知するＣＣＤラインセンサ１５と、計測対象物１で反射されて入射窓１７から入射するたレーザ光のガルバノミラー１２による反射散乱光を結像レンズ１４に入射させる微調整用の離隔調整ミラー１３とをハウジング１０ａ内のＸ軸走査ユニット１９に収納させている。
【００１０】
このＸ軸走査ユニットはガルバノミラー１２の縦方向中間位置で水平回転軸線を中心にＸ軸方向に直角にモータＭｙにより往復回転させられることにより、レーザ光に対してＸ軸方向のライン走査させつつ徐々にＹ軸方向にシフトさせ、ラスタ走査式に面走査を行わせるようになっている。その際、ＣＣＤラインセンサ１５は、三角測量の原理を基に計測物対象物１の反射レーザ光の入射ライン位置により距離を検知すると共に、ガルバノミラー１２及びＸ軸走査ユニット１９の回転位置により三次元位置が解析される。
【００１１】
三次元位置センサ１０の三次元のローカル座標系は、関節アーム２０のグローバル座標系と一致するようにキャリブレーションにより設定されている。関節アーム２０からは、支柱２４の回転位置、アーム２２、２３の回動位置で規定される関節２２ａの座標値データ（Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏ）及び三次元位置センサ１０の姿勢を規定する関節２２ａの法線ベクトル（ｉ１、ｊ１、ｋ１）及び方向ベクトル（ｉ２、ｊ２、ｋ２）がパソコンに送出される。三次元位置センサ１０からは三次元位置形状データがローカル座標系の三次元座標値（ｘ、ｙ、ｚ）としてパソコンに送出される。
【００１２】
図１に示すように、ハウジング１０ａの正面部１０ｂにおける照射窓１６の上方の両側には、互いに離間した照射窓３３，３４が設けられると共に、その内部に光ビームの照射方向を偏向制御することにより表示を行う一対の表示器３０，３１が収納されている。即ち、これらの表示器は、基準照射方向が三次元位置センサ１０の照射光の焦点位置に向かうように、内側下方へ配向されて設けられると共に、所属の偏向鏡等を備えたそれ自体周知の偏向器を備えている。この偏向器には、所定の精度で焦点位置が合っている計測範囲を指示する同一直径の円形のマーク３８，３９（図４）を表示するように、偏向制御信号を供給し、かつ三次元位置センサ１０の計測ビームと干渉しないように、計測時の直前に瞬間的に光照射を中断させる制御回路３６が付属している（図３）。偏向制御信号は、計測対象物１の焦点方向に面直で、かつ焦点距離位置の表面に斜め方向から円形のマーク３８，３９を表示するように、光ビームを互いに対称的に楕円状に偏向制御するように作成されている。
【００１３】
このように構成された非接触式三次元形状計測装置の動作は次の通りである。
例えば自動車のボデー部分である計測対象物１の近辺に装置を運んで基部２１を据え置く。三次元位置センサ１０を計測対象物１に対してアーム２２、２３、支柱２４の操作により例えば１０×１０ｃｍの範囲を計測するのに必要な標準的な距離位置に設定し、関節２２ａにより姿勢を設定する。
【００１４】
その際、表示器３０，３１から光照射されて、計測対象物１の表面に表示される一対のマーク３８，３９（図４参照）を確認する。三次元位置センサ１０及び計測対象物１間の距離が焦点距離より短いと、双方のマーク３８，３９が計測範囲の中心よりも所属の表示器３０，３１側に互いに位置ずれし（同図Ｂ）、一致すると互いに重なり（同図Ａ）、さらに長くなると相手側の表示器３０，３１側に移動して互いに離反する方向へずれる。即ち、マーク３８，３９が互いに重なるように、三次元位置センサ１０の距離或は姿勢を微調整する。
【００１５】
このように、計測範囲の外周が双方のマーク３８，３９で重なって線で囲まれた表示状態で、三次元位置センサ１０に付属の始動スイッチにより計測が行われると、マーク３８，３９が瞬間的に消えて、関節２２ａの座標値データ（Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏ）及びその姿勢のベクトルデータ（ｉ１、ｊ１、ｋ１）、（ｉ２、ｊ２、ｋ２）と、三次元位置センサ１０でレーザー反射光によりＸ軸及びＹ軸に沿って逐次検知された計測面の三次元座標値データ（ｘ、ｙ、ｚ）が、形状解析ソフトを備えたパソコンに送出される。これにより、関節アーム２０の操作で設定された三次元位置センサ１０の原点位置及び姿勢を基準にした計測範囲の三次元形状データが作成される。
【００１６】
次いで、焦点方向に面直な直前の計測面の円形のマーク３８，３９に対して所定量だけ隣にずらして双方の円形のマーク３８，３９を重ねた状態で、次の隣合う計測範囲内の計測を行う。計測範囲内で曲面が変化してマーク３８，３９が部分的にずれる場合は、相応にこのマーク内を分割してマークが重なった領域を計測する。
【００１７】
以上、面直の計測面に対して円形になるマークとして説明したが、計測範囲を走査し易くするように、許容できる計測精度の範囲内を正方形のマークで表示して、その一辺を順に重ねるようにずらして、順に隣の計測範囲に移動させることもできる。その他の長方形もしくは計測範囲に対応した非円形もしくは非方形で線表示することも考えられる。また、線に限らず、ハッチングで表示して双方をクロスさせることも考えられる。さらに、計測ビームの波長を表示器のビームの波長と別にして、三次元位置センサにフィルタ等を用いて検知されないようにして、計測中も表示器の光ビームを中断させないようにもできる。
【００１８】
以上、三次元位置センサを順に手動操作でずらして走査する非接触式三次元形状計測装置に本発明を適用した場合について説明したが、ロボットの関節アームの先端部に形状センサを取付け、その三次元位置及び姿勢を予めティーチングするロボット走査式の非接触式三次元形状計測装置にも適用できる。この場合、双方の表示器のそれぞれのマークが、計測対象物の表面に重なって表示される形状センサの三次元位置及び姿勢をロボットに教示し、二重マークを隣合う領域にずらしつつ逐次教示する。これにより、ティーチングが素早く行われると共に、計測精度の向上も期待できる。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、形状センサの三次元位置及び姿勢を計測対象物の表面に二重マークが表示されるように調整することにより、計測範囲の走査を要する計測作業或はティーチング作業が短時間で高精度に行われる。また、その際請求項２又は請求項３の発明により、円形又は方形の線のマークが表示されることにより重なりが容易に確認できる。特に円形マークにより所定の精度を保証する計測範囲が正確に指示され、また方形マークにより計測範囲のシフトが正確に行われ易くなる。
【００２０】
請求項４の発明によれば、形状センサの三次元位置及び姿勢を設定しつつ計測範囲をずらす場合の計測作業が、短時間で高精度に行われる。請求項５の発明によれば、形状センサの三次元位置及び姿勢を自動的に設定しつつ計測範囲を自動走査する場合のロボットに対するティーチング作業が短時間で高精度に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による表示器付の非接触式三次元形状計測装置の斜視図である。
【図２】同非接触式三次元形状計測装置のレーザー光による三次元走査を行う構成を説明する斜視図である。
【図３】同表示器の回路構成を説明する図である。
【図４】同表示器の動作を説明する図である。
【符号の説明】
１０  三次元位置センサ
２０  関節アーム
２２、２３  アーム
３０，３１  表示器
３８，３９  マーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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