(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各発光手段からそれぞれ複数のスリット光を測定対象物体に照射することによって該測定対象物体の表面に線状の切断線を形成し、該切断線を撮像手段で撮影して前記測定対象物体の形状を測定する三次元計測装置において、
互いにスリット光の放射パターンが異なる少なくとも２つの発光手段と、
該発光手段が時分割的に順次前記測定対象物体を照射するように制御する発光制御手段と、
各々の前記発光手段から照射されるスリット光が略平行に形成され、前記スリット光による切断線形成位置が前記スリット光の並び方向にずれて互いに異なるように調節する切断線形成位置調節手段と、
を具備し、
前記切断線形成位置調節手段は、複数の前記発光手段の間の距離を制御する発光位置間隔制御手段であることを特徴とする三次元計測装置。
【請求項２】
少なくとも２つの前記撮像手段を備え、
第１の前記撮像手段と前記発光手段との距離が、第２の前記撮像手段と当該発光手段との距離と異なるように、前記撮像手段および前記発光手段を配置したことを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
【請求項３】
第１の発光手段から複数のスリット光を測定対象物体に照射することによって該測定対象物体の表面に第１のパターンによる線状の切断線を形成し、この第１のパターンによる切断線を撮像手段で撮影して前記測定対象物体の形状を測定する第１の過程と、
第２の発光手段から複数のスリット光を照射することによって前記測定対象物体の表面に前記第１のパターンと略平行且つ前記スリット光の並び方向にずれた第２のパターンによる線状の切断線を形成し、この第２のパターンによる切断線を撮像手段で撮影して前記測定対象物体の形状を測定する第２の過程と、
前記第１の過程における測定結果に応じて、前記第２の過程における第２のパターンの前記切断線の位置を前記スリット光の並び方向にずらして異ならしめる過程と、
を有することを特徴とする三次元計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光切断法を用いて三次元形状を計測する三次元計測装置および三次元計測方法に関する。特に、ロボットなどの可動装置に取り付けられて使用される三次元計測装置および三次元計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
離れた場所にある三次元物体までの距離やその三次元物体の形状を測定するための一方法として光切断法が用いられている。この光切断法は、測定対象物体に対してスリット光を投影し、あたかも光の帯で物体を切断するかのようにして、別の方向からその光による切断面を観察するものである。
【０００３】
図６は、光切断法による測定の原理を示す断面図である。図６において、符号９０１は三次元計測装置に設けられたスリット光源、９０２は前記三次元計測装置に設けられている撮像のためのレンズ、９０３はレンズ９０２による像の結像面、９０５は結像面９０３の中心点であり、この中心点９０５は結像面９０３と撮像方向軸との交点である。また、９０１ａはスリット光源９０１から照射されるスリット光面、９１０は測定対象物体、９１１はスリット光面９０１ａが測定対象物体を照射している照射点の一つである。
【０００４】
ここで、スリット光源９０１とレンズ９０２の中心との距離をＬ（基線長）とする。また、図上の基準線は、スリット光源９０１とレンズ９０２とを結ぶ線を含む測定面（図６の断面に垂直な面）に垂直な方向を示している。また、スリット光の測定面に対する角度をθ、レンズ９０２の中心と照射点９１１とを結ぶ線の測定面に対する角度をφとする。ここで、測定面から測定対象物体９１０までの距離Ｚを求めるためには、次式のような計算を行えば良い。
【０００５】
Ｚ＝Ｌ・ｔａｎ（θ）・ｔａｎ（φ）／（ｔａｎ（θ）＋ｔａｎ（φ））
ただし、「ｔａｎ（）」は正接関数を表わす。
【０００６】
なお、上記φは、撮像方向（中心点９０５とレンズ９０２の中心とを結ぶ方向）の撮像面に対する角度φ０と撮像方向に対する照射点９１１の変位角φ１とを用いて、次式で表わされる。
【０００７】
φ＝φ０＋φ１
【０００８】
また、変位角φ１は、レンズ９０２と結像面９０３との間の距離ｌと、結像面９０３における照射点９１１の像の中心点９０５からの変位Δｘを用いて、次式で表わされる。
【０００９】
φ１＝ａｒｃｔａｎ（Δｘ／ｌ）
ただし、「ａｒｃｔａｎ（）」は正接逆関数を表わす。
【００１０】
以上、断面図を用いて説明したが、スリット光は当該断面だけではなく、測定対象物体９１０の表面に線状の切断線を形成するように照射されるため、測定面からその切断線上の各箇所までの距離を測定することができる。
【００１１】
上記の原理を用いて、様々な角度（θ）によるスリット光面９０１ａを用いて、測定対象物体９１０の三次元形状を計測することが可能となる。従来技術においては、計測密度を上げるためにスリット光源９０１の照射角度を連続的に可変となるようにスリット光を機械的にスキャンさせることが行われていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば二足歩行ロボットのようにそれ自体が移動するとともに移動時に断続的に衝撃が加わるような装置に、上記三次元計測装置を搭載するためには、従来技術で述べたような機械スキャン方式には問題がある。なぜならば、移動時の衝撃によってスキャン機能に障害が生じないような防震対策を施すことは、サイズや耐久性の点から高コスト化を招くものであるからである。特に、脚式移動ロボットは振動が多く、機械スキャン方式にはモータ等の駆動部が破損しやすい。
【００１３】
また、スキャン方式をとる代わりに、単純にスリットビーム本数を増やすことは、ビームパワーの低下による検出限界の低下と、スリット間隔の減少による検出距離レンジの低下を招くという問題があった。
【００１４】
また、特開平１０−６８６０７号公報には、複数本の光切断線を基準平面上で互いに平行かつ一定間隔になるように形成し、各光切断線は互いに異なる複数の光色とし、カラーＴＶカメラよりなる画像入力装置により撮像した光切断線を色信号別に取り出して距離を求めるようにするという技術が開示されている。しかしながら、このような手法では、カラーＴＶカメラを用いることが必須となり、高コスト化あるいは装置設計上の制約につながるという問題があった。また、測定対象の色と光切断線の色との関係によっては、正しい色として判断できず、光切断線を正しく認識できないという問題があった。
【００１５】
本発明は、上記のような事情を考慮してなされたものであり、マルチスリット光による光切断法を用いた三次元測定において、スリット光を機械的にスキャンさせたりスリット間隔の減少による不都合を招いたりすることなく、計測密度を向上させることのできる三次元計測装置および三次元計測方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、各発光手段からそれぞれ複数のスリット光を測定対象物体に照射することによって該測定対象物体の表面に線状の切断線を形成し、該切断線を撮像手段で撮影して前記測定対象物体の形状を測定する三次元計測装置において、互いにスリット光の放射パターンが異なる少なくとも２つの発光手段と、該発光手段が時分割的に順次前記測定対象物体を照射するように制御する発光制御手段と、各々の前記発光手段から照射されるスリット光が略平行に形成され、前記スリット光による切断線形成位置が前記スリット光の並び方向にずれて互いに異なるように調節する切断線形成位置調節手段と、を具備し、前記切断線形成位置調節手段は、複数の前記発光手段の間の距離を制御する発光位置間隔制御手段であることを特徴とする三次元計測装置を要旨とする。
ここで、発光手段としては、例えば、レーザ光源と複数のスリット孔を有するスリット板とを組み合わせたものを用いるようにする。レーザ光源としては、例えばレーザダイオードなどを用いる。また、撮像手段としては、例えば、デジタル静止画カメラあるいはデジタル動画カメラなどを用いるようにする。また、発光制御手段としては、例えば、各発光手段の発光強度をそれぞれ独立に制御するためのパルス信号を出力する装置などを用いるようにする。
【００１７】
このような構成により、各発光手段から照射されるスリット光による切断線形成位置を異ならしめ、測定対象物体の表面上の異なる位置を計測することとなり、結果として計測密度を向上させることとなる。
【００１９】
また、本発明の三次元計測装置では、少なくとも２つの前記撮像手段を備え、第１の前記撮像手段と前記発光手段との距離が、第２の前記撮像手段と当該発光手段との距離と異なるように、前記撮像手段および前記発光手段を配置したことを特徴とする。
これにより、発光手段との距離が相対的に小さい方の撮像手段を用いて広い距離レンジの測定対象物体を捕捉するとともに、発光手段との距離が相対的に大きい方の撮像手段を用いてより高精度な三次元計測を行うことが可能となる。
【００２０】
また、本発明は、第１の発光手段から複数のスリット光を測定対象物体に照射することによって該測定対象物体の表面に第１のパターンによる線状の切断線を形成し、この第１のパターンによる切断線を撮像手段で撮影して前記測定対象物体の形状を測定する第１の過程と、第２の発光手段から複数のスリット光を照射することによって前記測定対象物体の表面に前記第１のパターンと略平行且つ前記スリット光の並び方向にずれた第２のパターンによる線状の切断線を形成し、この第２のパターンによる切断線を撮像手段で撮影して前記測定対象物体の形状を測定する第２の過程と、前記第１の過程における測定結果に応じて、前記第２の過程における第２のパターンの前記切断線の位置を前記スリット光の並び方向にずらして異ならしめる過程と、を有することを特徴とする三次元計測方法を要旨とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しこの発明の第１の実施形態について説明する。図１は、同実施形態による三次元計測装置の構成を示すブロック図である。この三次元計測装置は二足歩行ロボットに搭載され、ロボットの移動経路上の床面を計測対象物体としてその距離を測定し、二足歩行時の足の着地位置が適切になるようにロボットの脚を制御することを目的とするものである。
【００２３】
図１において、符号１ａおよび１ｂは、所定の間隔をおいて設けられ、それぞれ計測対象物体に対してマルチスリット光を照射するレーザ光源（発光手段）である。また、２は、レーザ光源１ａおよび１ｂによるスリット光が照射された計測対象物体を撮像するカメラ（撮像手段）である。また、３は、レーザ光源１ａおよび１ｂとカメラ２とに対するタイミング信号を出力することにより、レーザ光源１ａおよび１ｂの発光のタイミングとカメラ２による撮像のタイミングとを制御する発光制御部（発光制御手段）である。
【００２４】
また、４はカメラ２によって撮像された画像を取り込みＡ／Ｄ変換（アナログ／デジタル変換）して画像メモリに記憶する画像取り込み部であり、５は画像取り込み部４によって取り込まれた画像を基に計測対象物体までの距離を算出する距離推定部である。また、８はロボットの移動経路を決定する移動経路決定部、６は移動経路決定部８が決定した経路情報と距離推定部５による距離算出結果とを基にロボットの足の着地位置を決定する着地位置決定部、７は着地位置決定部６が決定した着地位置に足を持っていくようにロボットのバランスを取りながらロボットの脚を駆動するモータを制御する脚制御部である。
【００２５】
図２は、発光制御部３が出力するタイミング信号の波形を示すタイミングチャートである。図２の（ａ）は、レーザ光源１ａによるレーザＡのビーム強度を制御するための信号である。図２の（ｂ）は、レーザ光源１ｂによるレーザＢのビーム強度を制御するための信号である。また、図２の（ｃ）は、カメラ２による撮像のタイミングを制御するための垂直同期信号である。図２に示すような制御信号により、レーザ光源１ａおよび１ｂは交互にそれぞれのマルチスリット光を照射し、カメラ１は各レーザ光源によって照射されている測定対象物体を撮像することとなる。
【００２６】
図３は、レーザ光源１ａおよび１ｂによるスリット光の照射パターンを示す断面図である。図３では、レーザ光源１ａによるスリット光の照射パターンは実線で示され、レーザ光源１ｂによるスリット光の照射パターンは破線で示されている。図２のタイミングチャートで示したように、レーザ光源１ａおよび１ｂは交互に照射を行うため、それぞれの照射タイミングにおいて、図３の実線または破線のパターンによるスリット光を用いた距離の測定が行われる。例えば図３に示す符号２１の領域（距離が１．１〜１．２のあたりの領域）では、レーザ光源１ａと１ｂとのスリット光の照射箇所が近接しているため、トータルな計測密度は、レーザ光源１ａあるいは１ｂのいずれか単一のレーザ光源を用いる場合の計測密度と大して変わらない。しかしながら、例えば図３に示す符号２２の領域（距離が１．４〜１．６あたりの領域）では、レーザ光源１ａと１ｂとが互いに補完しあうことにより、単一のレーザ光源を用いる場合に比べて、トータルな計測密度が最大で２倍となっている。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、同実施形態による三次元計測装置の構成を示すブロック図である。この図４に示す構成の特徴は、光源間隔制御部１１（切断線形成位置調節手段、発光位置間隔制御手段）を設け、この光源間隔制御部１１の制御に応じてレーザ光源１ａと１ｂとの間隔を可変としていることである。これ以外の構成は、図１に示したものと同様である。
【００２８】
このように、レーザ光源１ａと１ｂとの間隔を可変とすることにより、両光源によるマルチスリット光のパターンの関係を変えることが可能となる。例えば、図３に示した断面図においては、領域２２においては単一レーザ光源を用いる場合に比べて計測密度が上がっているが、領域２１においてはそれほど効果的には計測密度が向上しない。ところが、この第２の実施形態のようにレーザ光源１ａと１ｂとの間隔を可変とすることにより、計測密度を上げることのできる領域を移動させることが可能となる。
【００２９】
つまり、各々のレーザ光源から照射されるスリット光による切断線形成位置が互いに異なるように調節することが可能となる。従って、例えば、まず計測対象物体までの距離を低密度で計測し、その計測結果に応じて、高密度計測が可能となるように光源間隔制御部１１がレーザ光源１ａと１ｂとの距離を制御するようにする。これにより、いかなる距離帯においても高密度計測を行うことが可能となる。
【００３０】
つまり、第１の発光手段から複数のスリット光を測定対象物体に照射することによって該測定対象物体の表面に第１のパターンによる線状の切断線を形成し、この第１のパターンによる切断線を撮像手段で撮影して前記測定対象物体の形状を測定する第１の過程と、第２の発光手段から複数のスリット光を照射することによって前記測定対象物体の表面に前記第１のパターンとは異なる第２のパターンによる線状の切断線を形成し、この第２のパターンによる切断線を撮像手段で撮影して前記測定対象物体の形状を測定する第２の過程とを有する三次元計測方法において、前記第１の過程における測定結果に応じて、前記第２の過程における第２のパターンを異ならしめることとしている。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図５は、同実施形態による三次元計測装置の構成を示すブロック図である。この図５に示す構成の特徴は、狭基線長カメラ２ａと広基線長カメラ２ｂの２つのカメラを設けており、狭基線長カメラ２ａは相対的にレーザ光源１ａおよび１ｂの近くに設け、広い基線長カメラ２ｂは相対的にレーザ光源１ａおよび１ｂから離れた位置に設けていることである。つまり、本実施形態では、少なくとも２つのカメラを備え、第１のカメラとレーザ光源との距離が、第２のカメラと当該レーザ光源との距離と異なるように、カメラおよびレーザ光源を配置している。これ以外の構成は、図１に示したものと同様である。
【００３２】
狭基線長カメラ２ａと広基線長カメラ２ｂの画角が互いに等しい場合、狭基線長カメラ２ａで撮った画像は、広基線長カメラ２ｂで撮った画像に比べて、より広い距離レンジに存在する測定対象物体を捉えることができる。一方、光切断法の原理から明らかなように、広基線長カメラ２ｂで撮った画像を用いることにより、狭基線長カメラ２ａで撮った画像を用いる場合よりも高精度な距離測定を行うことができる。つまり、狭基線長カメラ２ａと広基線長カメラ２ｂとを適宜使い分けることにより、より広い範囲の測定対象物体までの距離をより高精度に測定することが可能となる。つまり、例えば、まず狭基線長カメラ２ａを用いて測定対象物体までの距離を大まかな精度で測定し、この距離測定結果に応じて必要な場合には広基線長カメラ２ｂの撮像方向を調整し、次に広基線長カメラ２ｂを用いて測定対象物体までの距離を高精度で測定するようにする。これにより、広い距離レンジの測定対象物体を高精度に測定することが可能となる。
【００３３】
なお、上記第１〜第３の実施形態においては、レーザ光源１ａおよび１ｂの２つの光源を用いることとしたが、光源の数は２に限定されず、より多くの光源を用いて、それらを用いたマルチスリット光の照射を順次行い、測定対象物体までの距離を測定するようにしても良い。これにより、さらに高密度な測定を行ったり、光源間の距離を固定としたまま様々な距離レンジにおける高密度測定を行ったりすることも可能となる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、互いにスリット光の放射パターンが異なる少なくとも２つの発光手段と、該発光手段が時分割的に順次前記測定対象物体を照射するように制御する発光制御手段とを備え、その切断線を撮像手段で撮影して前記測定対象物体の形状を測定するため、例えば、二足歩行ロボットに取り付ける場合など動作中に衝撃が加わる環境においても、低コストで高密度な測定を行うことが可能となる。また、複数の発光色を用いる必要もないため、装置構成が簡単になり、低コスト化が可能となる。また、複数の発光手段を時分割的に駆動するため、消費電力の低減が可能となる。
【００３５】
また、この発明によれば、各々の発光手段から照射されるスリット光による切断線形成位置が互いに異なるように調節するため、測定対象物体の表面上の異なる位置を計測することが可能となり、広い測定領域を高密度で測定できるようになる。
【００３６】
また、この発明によれば、少なくとも２つの撮像手段を備え、第１の撮像手段と発光手段との距離が、第２の撮像手段と当該発光手段との距離と異なるように、撮像手段および発光手段を配置するため、発光手段との距離が相対的に小さい方の撮像手段を用いて広い距離レンジの測定対象物体を捕捉するとともに、発光手段との距離が相対的に大きい方の撮像手段を用いてより高精度な三次元計測を行うことが可能となる。よって、より広い測定領域を高精度で測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の第１の実施形態による三次元測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】  同実施形態による三次元測定装置における発光および撮像のタイミングを制御するタイミング信号を示すタイミングチャートである。
【図３】  同実施形態による三次元測定装置における２つのレーザ光源から照射されるスリット光のパターンを示す断面図である。
【図４】  この発明の第２の実施形態による三次元測定装置の構成を示すブロック図である。
【図５】  この発明の第３の実施形態による三次元測定装置の構成を示すブロック図である。
【図６】  この発明の基礎となる光切断法を用いた距離測定の原理を示す断面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ  レーザ光源
２  カメラ
２ａ  狭基線長カメラ
２ｂ  広基線長カメラ
３  発光制御部
４  画像取り込み部
５  距離推定部
６  着地位置決定部
７  脚制御部
８  移動経路決定部
１１  光源間隔制御部
【図１】
0004767403.tif 000002
【図２】
0004767403.tif 000003
【図３】
0004767403.tif 000004
【図４】
0004767403.tif 000005
【図５】
0004767403.tif 000006
【図６】
0004767403.tif 000007