(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元測定器を用いて物体の表面形状の測定を行う３次元測定方法であって、
前記３次元測定器または前記物体の一方を固定し、他方を位置および支持姿勢が変更可能なように支持点において支持し、
前記支持点を第１の位置とし且つ第１の支持姿勢として第ｎ回の測定を行い、
前記支持点を第２の位置とし且つ第２の支持姿勢となるように位置および姿勢の変更を行い、その際に、前記第２の位置が、前記第ｎ回の測定における前記３次元測定器の測定可能領域内の基準位置を中心として、前記第１の支持姿勢から前記第２の支持姿勢への変化分と同じだけ反対側へ姿勢を変化させた位置となるようにし、
位置および姿勢の変更を行った後で第（ｎ＋１）回の測定を行う、
ことを特徴とする３次元測定方法。
【請求項２】
３次元測定器を用いて物体の表面形状の測定を順次行うに当たってのそれらの間の相対的な測定位置および測定姿勢の制御方法であって、
前記３次元測定器または前記物体の一方を固定し、他方をマニピュレータにより支持点において支持し、
前記支持点を第１の位置とし且つ第１の測定姿勢として第１の測定を行った後に前記支持点を第２の位置とし且つ第２の測定姿勢として第２の測定を行うために前記マニピュレータを駆動し、
前記マニピュレータの駆動に際し、前記第２の位置が、前記第１の測定における前記３次元測定器の測定可能領域内の基準位置を中心として、前記第１の姿勢から前記第２の姿勢への変化分と同じだけ反対側へ姿勢を変化させた位置となるように制御する、
ことを特徴とする３次元測定における測定位置姿勢の制御方法。
【請求項３】
３次元測定器を用いて物体の表面形状の測定を順次行うに当たっての、前記３次元測定器または前記物体のいずれか一方を支持点において支持するマニピュレータの制御方法であって、
前記支持点を第１の位置とし且つ第１の測定姿勢として行う第１の測定と前記支持点を第２の位置とし且つ第２の測定姿勢として行う第２の測定との間に、前記第２の位置が、前記３次元測定器の測定可能領域内における基準位置を中心として、前記第１の姿勢から前記第２の姿勢への変化分と同じだけ反対側へ姿勢を変化させた位置となるように、前記マニピュレータを制御する、
ことを特徴とする３次元測定におけるマニピュレータの制御方法。
【請求項４】
３次元測定器を用いて物体の表面形状の測定を順次行うに当たっての、前記３次元測定器または前記物体のいずれか一方を支持点において支持するマニピュレータの制御方法であって、
前記支持点を第１の位置Ｐとし且つ第１の姿勢角Ａとして行う第１の測定と前記支持点を第２の位置Ｐ’とし且つ第２の姿勢角Ａ’として行う第２の測定との間に、前記マニピュレータを次の関係が成り立つように制御する、
Ｐ’＝Ｒ（ｄＡ）＊（Ｐ−Ｃｆ）＋Ｃｆ  
但し、ｄＡ：第１の姿勢角Ａから第２の姿勢角Ａ’への変化角
Ｒ（ｄＡ）：変化角ｄＡから導かれる回転を表す行列
Ｃｆ：第１の測定における３次元測定器の測定可能領域内の基準位置
ことを特徴とする３次元測定におけるマニピュレータの制御方法。
【請求項５】
物体の表面形状の３次元測定を行うための３次元測定システムであって、
３次元測定器と、
前記３次元測定器または前記物体のいずれか一方を支持点において支持するためのマニピュレータと、
前記マニピュレータを制御して前記支持点の位置および前記支持点の支持姿勢を変化させる制御装置と、を有し、
前記制御装置は、
前記支持点を第１の位置とし且つ第１の支持姿勢として行う第１の測定と前記支持点を第２の位置とし且つ第２の支持姿勢として行う第２の測定との間に、前記第２の位置が、前記３次元測定器の測定可能領域内における基準位置を中心として、前記第１の支持姿勢から前記第２の支持姿勢への変化分と同じだけ反対側へ姿勢を変化させた位置となるように、前記マニピュレータを制御する、
ことを特徴とする３次元測定システム。
【請求項６】
物体の表面形状の３次元測定を行うための３次元測定システムであって、
３次元測定器と、
前記３次元測定器または前記物体のいずれか一方を支持点において支持するためのマニピュレータと、
前記マニピュレータを制御して前記支持点の位置および前記支持点の支持姿勢角を変化させる制御装置と、を有し、
前記制御装置は、
前記支持点を第１の位置Ｐとし且つ第１の支持姿勢角Ａとして行う第１の測定と前記支持点を第２の位置Ｐ’とし且つ第２の支持姿勢角Ａ’として行う第２の測定との間に、前記マニピュレータを次の関係が成り立つように制御する、
Ｐ’＝Ｒ（ｄＡ）＊（Ｐ−Ｃｆ）＋Ｃｆ  
但し、ｄＡ：第１の支持姿勢角Ａから第２の支持姿勢角Ａ’への変化角
Ｒ（ｄＡ）：変化角ｄＡから導かれる回転を表す行列
Ｃｆ：第１の測定における３次元測定器の測定可能領域内の基準位置
ことを特徴とする３次元測定システム。
【請求項７】
３次元測定器を用いて物体の表面形状の測定を順次行うための、前記３次元測定器または前記物体のいずれか一方を支持点において支持するマニピュレータの制御装置であって、
今回の測定における姿勢角Ａ’または前回の測定における姿勢角からの変化角ｄＡを入力するための手段と、
次の式に基づいて今回の測定における支持点の位置Ｐ’を演算する手段と、
Ｐ’＝Ｒ（ｄＡ）＊（Ｐ−Ｃｆ）＋Ｃｆ  
但し、Ｐ：前回の測定における支持点の位置
Ｒ（ｄＡ）：変化角ｄＡから導かれる回転を表す行列
Ｃｆ：前回の測定における３次元測定器の測定可能領域内の基準位置
入力された姿勢角Ａ’または変化角ｄＡ、および演算された支持点の位置Ｐ’を前記マニピュレータの駆動制御のために出力する手段と、
を有することを特徴とするマニピュレータの制御装置。
【請求項８】
３次元測定器を用いて物体の表面形状の測定を順次行うに当たっての、前記３次元測定器または前記物体のいずれか一方を支持点において支持するマニピュレータの制御のためのコンピュータプログラムであって、
今回の測定における姿勢角Ａ’または前回の測定における姿勢角からの変化角ｄＡを入力するための処理と、
次の式に基づいて今回の測定における前記支持点の位置Ｐ’を演算する処理と、
Ｐ’＝Ｒ（ｄＡ）＊（Ｐ−Ｃｆ）＋Ｃｆ  
但し、Ｐ：前回の測定における前記支持点の位置
Ｒ（ｄＡ）：変化角ｄＡから導かれる回転を表す行列
Ｃｆ：前回の測定における３次元測定器の測定可能領域内の基準位置
入力された姿勢角Ａ’または変化角ｄＡ、および演算された支持点の位置Ｐ’を出力する処理と、
をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式などの非接触式の３次元測定器を用いて物体の表面形状の測定を行う３次元測定方法およびシステム並びにマニピュレータの制御方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、物体の外観検査などのために、光切断法などの光学式の３次元測定器を用いて物体の表面形状（３次元形状）を測定することが行われている。そのような測定に当たって、物体または３次元測定器のいずれか一方を固定し、他方をロボットのアームなどの多関節のマニピュレータによって保持し、マニピュレータを制御することによって物体と３次元測定器との相対的な位置および姿勢を変更する（特許文献１）。
【０００３】
例えば、図１０に示すように、３次元測定器ＶＤを床面ＦＬ上に設置しておき、物体ＱをマニピュレータＭＰにより治具ＪＧを介して保持してその位置および姿勢を決定する。マニピュレータＭＰを制御して物体Ｑの位置および姿勢を種々変更し、３次元測定器によって物体Ｑの全周を測定する。マニピュレータＭＰは、関節ＫＳ１〜３において相対回転移動が可能である。物体Ｑが、例えば開発過程や工場における量産試作品などである場合に、同一形状の物体Ｑに対して同じ測定を繰り返すこととなるので、測定のための全ての位置および姿勢をマニピュレータにティーチングしておく必要が生じる。
【０００４】
従来において、マニピュレータへのティーチングに際し、オペレータが手動操作でマニピュレータＭＰを移動させて物体Ｑの位置および姿勢を決定し、測定を行い、測定の結果を見て、それが悪ければ再度マニピュレータＭＰを操作して物体Ｑの位置および姿勢を変更し、これを繰り返して試行錯誤的に適正な位置および姿勢を決定していた。
【特許文献１】特開２００４−１９５６２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上に述べたような試行錯誤的な方法で３次元測定器の位置および姿勢を決定したのでは、そのために多くの時間と労力を要する。
【０００６】
例えば図１０に実線で示す状態で測定を行った後、物体Ｑの凹部Ｂを測定するために、凹部Ｂの底が３次元測定器ＶＤの正面を向くように物体Ｑの姿勢を変更したいとする。その場合に、図１０に鎖線で示すように、物体Ｑの正面を下方に傾くように関節ＫＳ１を回転させて姿勢を変更したとする。そうすると、これによって凹部Ｂの底が正面を向くが、姿勢の変更によって位置も変更してしまい、凹部Ｂが３次元測定器ＶＤの測定可能領域ＫＲから外れてしまうことになる。これでは測定ができないので、凹部Ｂが３次元測定器ＶＤの正面を向き且つ測定可能領域ＫＲに入るように、マニピュレータＭＰの複数の関節ＫＳ１〜４の回転方向および回転角度を微調整しなければならない。これには多くの時間を要する。
【０００７】
物体の全表面の測定を行うためには、通常、最低でも５ヵ所において測定することが必要であり、多いときには２０数カ所において測定を行うこともある。物体の表面形状が複雑になればなるほど、その部分の測定のための位置および姿勢の決定に時間を要する。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、マニピュレータなどを用いて３次元測定器による物体の測定を行う際に、３次元測定器と物体との相対的な位置および姿勢を容易に決定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る方法は、３次元測定器を用いて物体の表面形状の測定を行う３次元測定方法であって、前記３次元測定器または前記物体の一方を固定し、他方を位置および支持姿勢が変更可能なように支持点において支持し、前記支持点を第１の位置とし且つ第１の支持姿勢として第ｎ回の測定を行い、前記支持点を第２の位置とし且つ第２の支持姿勢となるように位置および姿勢の変更を行い、その際に、前記第２の位置が、前記第ｎ回の測定における前記３次元測定器の測定可能領域内の基準位置を中心として、前記第１の支持姿勢から前記第２の支持姿勢への変化分と同じだけ反対側へ姿勢を変化させた位置となるようにし、位置および姿勢の変更を行った後で第（ｎ＋１）回の測定を行う。
【００１０】
本発明に係る制御方法は、３次元測定器を用いて物体の表面形状の測定を順次行うに当たってのそれらの間の相対的な測定位置および測定姿勢の制御方法であって、前記３次元測定器または前記物体の一方を固定し、他方をマニピュレータにより支持点において支持し、前記支持点を第１の位置とし且つ第１の測定姿勢として第１の測定を行った後に前記支持点を第２の位置とし且つ第２の測定姿勢として第２の測定を行うために前記マニピュレータを駆動し、前記マニピュレータの駆動に際し、前記第２の位置が、前記第１の測定における前記３次元測定器の測定可能領域内の基準位置を中心として、前記第１の姿勢から前記第２の姿勢への変化分と同じだけ反対側へ姿勢を変化させた位置となるように制御する。
【００１１】
また、前記支持点を第１の位置とし且つ第１の測定姿勢として行う第１の測定と前記支持点を第２の位置とし且つ第２の測定姿勢として行う第２の測定との間に、前記第２の位置が、前記３次元測定器の測定可能領域内における基準位置を中心として、前記第１の姿勢から前記第２の姿勢への変化分と同じだけ反対側へ姿勢を変化させた位置となるように、前記マニピュレータを制御する、
また、前記支持点を第１の位置Ｐとし且つ第１の姿勢角Ａとして行う第１の測定と前記支持点を第２の位置Ｐ’とし且つ第２の姿勢角Ａ’として行う第２の測定との間に、前記マニピュレータを次の関係が成り立つように制御する、
Ｐ’＝Ｒ（ｄＡ）＊（Ｐ−Ｃｆ）＋Ｃｆ  
但し、ｄＡ：第１の姿勢角Ａから第２の姿勢角Ａ’への変化角
Ｒ（ｄＡ）：変化角ｄＡから導かれる回転を表す行列
Ｃｆ：第１の測定における３次元測定器の測定可能領域内の基準位置
本発明に係る３次元測定システムは、３次元測定器と、前記３次元測定器または前記物体のいずれか一方を支持点において支持するためのマニピュレータと、前記マニピュレータを制御して前記支持点の位置および前記支持点の支持姿勢を変化させる制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記支持点を第１の位置とし且つ第１の支持姿勢として行う第１の測定と前記支持点を第２の位置とし且つ第２の支持姿勢として行う第２の測定との間に、前記第２の位置が、前記３次元測定器の測定可能領域内における基準位置を中心として、前記第１の支持姿勢から前記第２の支持姿勢への変化分と同じだけ反対側へ姿勢を変化させた位置となるように、前記マニピュレータを制御する。
【００１２】
本発明に係る制御装置は、今回の測定における姿勢角Ａ’または前回の測定における姿勢角からの変化角ｄＡを入力するための手段と、次の式に基づいて今回の測定における支持点の位置Ｐ’を演算する手段と、
Ｐ’＝Ｒ（ｄＡ）＊（Ｐ−Ｃｆ）＋Ｃｆ  
但し、Ｐ：前回の測定における支持点の位置
Ｒ（ｄＡ）：変化角ｄＡから導かれる回転を表す行列
Ｃｆ：前回の測定における３次元測定器の測定可能領域内の基準位置
入力された姿勢角Ａ’または変化角ｄＡ、および演算された支持点の位置Ｐ’を前記マニピュレータの駆動制御のために出力する手段と、を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、マニピュレータなどを用いて３次元測定器による物体の測定を行う際に、３次元測定器と物体との相対的な位置および姿勢を容易に決定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
〔第１の実施形態〕
図１は本発明の第１の実施形態に係る３次元測定システム１を示す図、図２は制御装置ＣＵの構成の例を示す図、図３は３次元測定システム１におけるマニピュレータＭＰによる物体Ｑの位置および姿勢の制御状態を示す図、図４はマニピュレータＭＰによる物体Ｑの位置および姿勢の制御方法を説明する図である。
【００１５】
図１において、３次元測定システム１は、３次元測定器ＶＤ、マニピュレータＭＰ、および制御装置ＣＵからなっている。３次元測定器ＶＤが床面ＦＬ上に設置され、物体ＱがマニピュレータＭＰにより治具ＪＧを介して保持され、その位置および姿勢を変更して全周形状が測定される。
【００１６】
３次元測定器ＶＤは、制御装置ＣＵからの指令信号Ｓ２またはオペレータの操作に基づいて、光切断法によって対象物の３次元形状を測定する。３次元測定器ＶＤは、視野角Ｇの範囲にあって且つ測定可能領域ＫＲの範囲内にある物体Ｑの表面形状を測定することが可能である。したがって、物体Ｑの測定すべき部分の表面がそれらの範囲内に存在するように、マニピュレータＭＰを制御して物体Ｑの位置および姿勢を決める必要がある。なお、視野角Ｇは、主として測定のためのスリット光（検出光）の偏向範囲やＣＣＤなどの撮像素子の受光領域などによって決定される。測定可能領域ＫＲは、スリット光の到達距離やレンズ光学系の合焦範囲または被写界深度などによって決定される。
【００１７】
また、測定可能領域ＫＲの範囲内に基準位置Ｃｆが定義される。本実施形態においては、測定可能領域ＫＲの中央位置であって且つ視野角Ｇの中心の軸線ＧＣ上の位置を基準位置Ｃｆとする。したがって、基準位置Ｃｆは、３次元測定器ＶＤの光学系の中心位置（原点）Ｈから軸線（視線方向）ＧＣに沿って基準位置Ｃｆまでの距離ＤＣで示される。
【００１８】
３次元測定器ＶＤで測定された物体Ｑの各部の３次元画像（３次元形状データ）は、適当なインタフェースまたは記録媒体を介して制御装置ＣＵに送られる。３次元画像は、制御装置ＣＵにおいて、マニピュレータＭＰの位置および姿勢についての情報などに基づいて所定の座標系に変換され、統合される。なお、このような３次元画像の処理を、制御装置ＣＵ以外の処理装置またはコンピュータ、または３次元測定器ＶＤ自体で行うようにしてもよい。
【００１９】
マニピュレータＭＰは、多関節のアームを有したロボットである。図１の例では、３つのアームＡＭ１〜３および３つの関節ＫＳ１〜４を有する。それぞれの関節ＫＳ１〜４において、３次元方向に回動可能である。アームＡＭ１の先端には、例えば関節ＫＳ１を介して取り付け用のフランジが設けられており、そのフランジに治具ＪＧがボルトなどによって取り付けられている。関節ＫＳ１が本発明の「支持点」に相当する。
【００２０】
マニピュレータＭＰによって、物体Ｑの位置および姿勢が変更され、位置決めされる。物体Ｑの位置は、関節ＫＳ１の位置Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）で示され、物体Ｑの姿勢はＡ（θｘ，θｙ，θｚ）で示される。つまり、位置Ｐは、３次元測定システム１における適当な三次元空間Ｋ内における関節ＫＳ１の位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）で示され、姿勢Ａは、三次元空間Ｋ内における物体Ｑの基準軸の角度（θｘ，θｙ，θｚ）で示される。姿勢Ａを、「姿勢角Ａ」または「支持姿勢Ａ」と記載することがある。位置Ｐまたは姿勢Ａが変化した場合に、その変化分を、変化位置ｄＰ、変化角ｄＡと表す。
【００２１】
なお、マニピュレータＭＰとして公知の種々の形式のマニピュレータ、ロボットなどを用いることができる。関節ＫＳおよびアームＡＭの数は上に述べたものに限られない。
【００２２】
制御装置ＣＵは、制御指令によってマニピュレータＭＰを制御し、支持点である関節ＫＳ１の位置および関節ＫＳ１による物体Ｑの支持姿勢を変化させる。つまり、関節ＫＳ１〜４の回動角度を自在に制御し、それによって、それぞれ、治具ＪＧ、アームＡＭ１〜３を回動させ、物体Ｑの位置Ｐおよび姿勢Ａを任意に制御する。
【００２３】
その制御に当たって、関節ＫＳ１を第１の位置Ｐ１とし且つ第１の支持姿勢Ａ１として行う第１の測定と、関節ＫＳ１を第２の位置Ｐ２とし且つ第２の支持姿勢Ａ２として行う第２の測定との間に、第２の位置Ｐ２が、３次元測定器ＶＤの基準位置Ｃｆを中心として、第１の支持姿勢Ａ１から第２の支持姿勢Ａ２への変化分と同じだけ反対側へ姿勢を変化させた位置となるように、マニピュレータＭＰを制御する。
【００２４】
換言すれば、関節ＫＳ１を第１の位置Ｐとし且つ第１の姿勢角Ａとして行う第１の測定と、関節ＫＳ１を第２の位置Ｐ’とし且つ第２の姿勢角Ａ’として行う第２の測定との間に、マニピュレータＭＰを次の（１）式の関係が成り立つように制御する。
【００２５】
Ｐ’＝Ｒ（ｄＡ）＊（Ｐ−Ｃｆ）＋Ｃｆ  ……（１）
但し、ｄＡ：第１の姿勢角Ａから第２の姿勢角Ａ’への変化角
Ｒ（ｄＡ）：変化角ｄＡから導かれる回転を表す行列
Ｃｆ：第１の測定における３次元測定器の測定可能領域内の基準位置
すなわち、制御装置ＣＵは、図２に示すように、処理装置２１、表示装置２２、キーボード２３、マウス２４、および制御駆動部２５などからなる。
【００２６】
処理装置２１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、磁気記憶装置、媒体ドライブ装置、および、ＲＳ−２３２ＣやＵＳＢなどの種々のインタフェースなどを備えている。ＣＰＵがＲＯＭまたはＲＡＭに記憶された適当な処理プログラムを実行することによって、記憶部３１、入力部３２、演算部３３、出力部３４、および測定指令部３５などが設けられる。
【００２７】
記憶部３１には、位置（第一の位置）Ｐ、姿勢角（第１の姿勢角）Ａ、基準位置Ｃｆが記憶される。位置Ｐおよび姿勢角Ａは、前回（または第ｎ回）の測定におけるものであり、制御駆動部２５からインタフェースを介して入力されるが、前回に演算によって求めたものであってもよい。基準位置Ｃｆは、キーボード２３またはマウス２４などの入力装置、ＣＤ−ＲＯＭまたはメモリチップなどの記録媒体ＢＴ、または適当なインタフェースまたは通信回線を介して処理装置２１に入力された３次元測定器ＶＤの仕様情報から得られる。基準位置Ｃｆのみを別個に入力して記憶することも可能である。
【００２８】
入力部３２は、オペレータが入力装置の操作によって入力した変化角ｄＡを記憶する。入力部３２は、また、オペレータに変化角ｄＡの入力を促すための画面を表示装置２２の表示面ＨＧに表示させるための処理を行い、その画面において入力されたデータを変化角ｄＡとして取得して記憶するものであってもよい。または、オペレータがマニピュレータＭＰを手動で操作し、物体Ｑの姿勢のみを変更することによって変化角ｄＡを入力するようにしてもよい。なお、変化角ｄＡの入力に代えて、今回の測定における姿勢角Ａ’を直接に入力するようにしてもよい。今回〔または第（ｎ＋１）回〕の測定における姿勢角Ａ’が入力された場合には、
ｄＡ＝Ａ’−Ａ  ……（２）
によって変化角ｄＡを求めることができる。
【００２９】
演算部３３は、変化角ｄＡ、位置Ｐ、および基準位置Ｃｆに基づいて、上の（１）式を適用して今回の目標となる位置Ｐ’を演算する。
【００３０】
出力部３４は、入力された姿勢角Ａ’または変化角ｄＡ、および演算された位置Ｐ’を、適当なインタフェースを介して信号Ｓ１として制御駆動部２５に出力する。
【００３１】
測定指令部３５は、制御駆動部２５から入力された信号Ｓ１、入力装置から入力された指令などに基づいて、３次元測定器ＶＤに対して測定を実行するための信号Ｓ２を出力する。
【００３２】
表示装置２２は、上に述べたようなオペレータに変化角ｄＡの入力を促すための画面、３次元測定器ＶＤの仕様を示す画面、マニピュレータＭＰにティーチングしたデータの内容を示す画面、３次元測定器ＶＤで測定して得た３次元画像、それらを統合した３次元画像、その他の画面や画像を表示面ＨＧに表示することが可能である。
【００３３】
キーボード２３およびマウス２４などの入力装置は、オペレータの操作によって種々の指令やデータなどを入力する。
【００３４】
制御駆動部２５は、オペレータの操作によって、オペレータまたは処理装置２１から出力された信号Ｓ１によりによりティーチングされた内容によって、または処理装置２１から出力された信号Ｓ１などによって、マニピュレータＭＰを数値制御によって駆動し制御する。また、マニピュレータＭＰの動作にともなう位置Ｐおよび姿勢Ａなどを信号Ｓ１として処理装置２１に入力する。
【００３５】
このような処理装置２１、表示装置２２などとして、パーソナルコンピュータを用いることが可能である。記憶部３１、入力部３２、演算部３３、出力部３４、測定指令部３５などを処理装置２１内に実現するためのプログラムは、適当な記録媒体ＢＴを介して、または適当なインタフェースまたは通信回線を介してインストールすることができる。
【００３６】
次に、制御装置ＣＵによるマニピュレータＭＰの制御について、図３および図４を参照して説明する。
【００３７】
図３には図１における物体Ｑの近辺が拡大して示されている。図３において、鎖線で示す物体Ｑｎは、前回の測定における物体を示し、同じく鎖線で示す物体Ｑｍは、物体Ｑｎを変化角ｄＡだけ姿勢Ａを変化させた仮想的な物体を示す。なお、実線で示す物体Ｑは、今回の測定における物体を示す。
【００３８】
図３において、物体Ｑｎは、前回の測定において適正に測定が行われたときの位置Ｐおよび姿勢Ａを示している。しかし、図１０において説明したように、物体Ｑｎの位置Ｐおよび姿勢Ａによる前回の測定では、凹部Ｂが正確に測定できないので、凹部Ｂの底が３次元測定器ＶＤの正面を向くように物体Ｑの姿勢を変更して今回の測定を行いたい。そこで、オペレータは、前回の姿勢Ａに対して、今回の変化角ｄＡまたは姿勢Ａ’を指定する。この指定は、制御装置ＣＵの入力装置によって入力してもよいし、マニピュレータＭＰを操作して適当な姿勢になるように物体Ｑを傾けてその状態を指定して入力してもよい。姿勢Ａだけが姿勢Ａ’に変更された状態が、物体Ｑｍとして示されている。
【００３９】
この状態で、制御装置ＣＵは、今回の位置Ｐ’を演算する。
【００４０】
図４に示すように、位置Ｐと基準位置Ｃｆとを結ぶ線Ｌ１を想定し、この線Ｌ１を姿勢Ａの物体Ｑｎにおける基準軸と考える。姿勢Ａに対して変化角ｄＡだけ姿勢が変化した後の姿勢Ａ’の仮想的な物体Ｑｍの基準軸は、図４に示す線Ｌ２となる。
【００４１】
そこで、基準位置Ｃｆを中心として、位置Ｐを、線Ｌ１に対して変化角ｄＡと同じだけ反対側へ回転させ、その位置を位置Ｐ’とする。その位置Ｐ’が求める今回の位置Ｐ’である。つまり、基準位置Ｃｆを中心として線Ｌ１に対し変化角ｄＡと同じだけ反対側へ回転した線Ｌ３が、今回の物体Ｑｎ＋1 の基準軸となる。位置Ｐと位置Ｐ’とは、基準位置Ｃｆから同じ距離にある。図４から分かるように、線Ｌ３は線Ｌ２と平行である。
【００４２】
このようにして、前回または第ｎ回の物体Ｑｎの位置Ｐおよび姿勢Ａから、今回または第（ｎ＋１）回の物体Ｑｎ＋1 の位置Ｐ’および姿勢Ａ’が求められる。
【００４３】
図３に示すように、今回の位置Ｐ’および姿勢Ａ’によると、凹部Ｂの底が３次元測定器ＶＤの正面を向いており、且つ凹部Ｂが測定可能領域ＫＲ内であって前回の測定時の位置とほぼ同じ位置となっている。前回の位置Ｐおよび姿勢Ａにおいて正確にまたは明瞭に測定を行えたのであれば、今回の位置Ｐ’および姿勢Ａ’においても同様に正確にまたは明瞭に測定を行えることとなる。
【００４４】
したがって、第ｎ回の測定（第１の測定）において位置Ｐおよび姿勢Ａを合わせておき、上に述べたように求めた位置Ｐ’および姿勢Ａ’で第（ｎ＋１）回の測定（第２の測定）を行うことを繰り返すことにより、順次、物体Ｑの各部の測定を行うことができる。つまり、オペレータは、最初の測定時において物体Ｑの位置Ｐおよび姿勢Ａが適切となるように決めておけば、その後は、物体Ｑの測定したい部分が３次元測定器ＶＤの方を向くように変化角ｄＡまたは姿勢Ａ’を指定することによって、適切な位置Ｐ’が処理装置２１によって自動的に求められ、それに合わせてマニピュレータＭＰが制御される。なお、ｎは適当な整数である。
【００４５】
このような制御装置ＣＵによる制御を上に述べた（１）式に沿って説明すると、基準位置Ｃｆから位置Ｐに向かうベクトル（Ｐ−Ｃｆ））に対して、変化角ｄＡから導かれる回転を表す行列Ｒ（ｄＡ）を乗じて回転させ、それに基準位置Ｃｆを加算することによって位置Ｐ’が得られる。ベクトル（Ｐ−Ｃｆ））は線Ｌ１に対応し、これを回転させたものが線Ｌ３に対応する。基準位置Ｃｆを加算することはベクトルを三次元空間Ｋに戻すことに対応する。
【００４６】
ここで、位置Ｐ，Ｐ’、姿勢Ａ，Ａ’、変化角ｄＡなどは、上に述べたように三次元空間Ｋ内において任意に定義されるものであり、したがって、三次元空間Ｋにおける物体Ｑの全表面に対して適用できるものである。
〔第２の実施形態〕
上に述べた第１の実施形態では、マニピュレータＭＰによって物体Ｑを保持し、物体Ｑの位置Ｐおよび姿勢Ａを変更して測定を行った。これは、物体Ｑが比較的小さい場合や、物体Ｑが位置や姿勢を変更できる場合に好適である。これに対して、物体Ｑが比較的大きい場合や、物体Ｑが位置や姿勢を変更できない場合には、物体Ｑを床面上または適当な台の上に設置し、３次元測定器ＶＤをマニピュレータＭＰによって保持して移動させるのが好適である。第２の実施形態ではこのような場合について説明する。
【００４７】
図５は本発明の第２の実施形態に係る３次元測定システム１Ｂを示す図、図６は３次元測定システム１ＢにおけるマニピュレータＭＰによる３次元測定器ＶＤの位置および姿勢の制御状態を示す図、図７はマニピュレータＭＰによる３次元測定器ＶＤの位置および姿勢の制御方法を説明する図である。なお、これらの図において、第１の実施形態と同じ機能を有する部分には同じ符号を付して説明を簡略化しまたは省略する。
【００４８】
図５において、３次元測定システム１Ｂは、３次元測定器ＶＤ、マニピュレータＭＰ、および制御装置ＣＵからなっている。物体Ｑが床面ＦＬ上に設置され、３次元測定器ＶＤがマニピュレータＭＰにより治具ＪＧを介して保持され、その位置および姿勢を変更して物体Ｑの全周形状が測定される。
【００４９】
３次元測定器ＶＤは、視野角Ｇの範囲にあって且つ測定可能領域ＫＲの範囲内にある物体Ｑの表面形状を測定することが可能である。３次元測定器ＶＤが移動するので、その移動に応じて、測定可能領域ＫＲの位置、光学系の中心位置Ｈ、軸線ＧＣ、基準位置Ｃｆなどが変化する。３次元測定器ＶＤの位置は、関節ＫＳ１の位置Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）で示され、３次元測定器ＶＤの姿勢はＡ（θｘ，θｙ，θｚ）で示される。
【００５０】
図６には図５における３次元測定器ＶＤの近辺が拡大して示されている。図６において、鎖線で示す３次元測定器ＶＤｎは、前回の測定における３次元測定器ＶＤを示し、同じく鎖線で示す３次元測定器ＶＤｍは、３次元測定器ＶＤｎを変化角ｄＡだけ姿勢Ａを変化させた仮想的な位置を示す。なお、実線で示す３次元測定器ＶＤは、今回の測定における位置を示す。
【００５１】
図６において、３次元測定器ＶＤｎは、前回の測定において適正に測定が行われたときの位置Ｐおよび姿勢Ａを示している。しかし、３次元測定器ＶＤｎの位置Ｐおよび姿勢Ａによる前回の測定では、凹部Ｂが正確に測定できないので、凹部Ｂの底が３次元測定器ＶＤの正面を向くように３次元測定器ＶＤの姿勢を変更して今回の測定を行いたい。そこで、オペレータは、前回の姿勢Ａに対して、今回の変化角ｄＡまたは姿勢Ａ’を指定する。姿勢Ａだけが姿勢Ａ’に変更された状態が、３次元測定器ＶＤｍとして示されている。
【００５２】
この状態で、制御装置ＣＵは、今回の位置Ｐ’を演算する。
【００５３】
図７に示すように、位置Ｐと基準位置Ｃｆとを結ぶ線Ｌ１を想定し、この線Ｌ１を姿勢Ａの３次元測定器ＶＤｎにおける基準軸と考える。姿勢Ａに対して変化角ｄＡだけ姿勢が変化した後の姿勢Ａ’の仮想的な３次元測定器ＶＤｍの基準軸は、図７に示す線Ｌ２となる。
【００５４】
そこで、基準位置Ｃｆを中心として、位置Ｐを、線Ｌ１に対して変化角ｄＡと同じだけ反対側へ回転させ、その位置を位置Ｐ’とする。その位置Ｐ’が求める今回の位置Ｐ’である。つまり、基準位置Ｃｆを中心として線Ｌ１に対し変化角ｄＡと同じだけ反対側へ回転した線Ｌ３が、今回の３次元測定器ＶＤｎ＋1 の基準軸となる。位置Ｐと位置Ｐ’とは、基準位置Ｃｆから同じ距離にある。図７から分かるように、線Ｌ３は線Ｌ２と平行である。
【００５５】
このようにして、前回または第ｎ回の３次元測定器ＶＤｎの位置Ｐおよび姿勢Ａから、今回または第（ｎ＋１）回の３次元測定器ＶＤｎ＋1 の位置Ｐ’および姿勢Ａ’が求められる。
【００５６】
図６に示すように、今回の位置Ｐ’および姿勢Ａ’によると、３次元測定器ＶＤが凹部Ｂの底の正面を向いており、且つ凹部Ｂが測定可能領域ＫＲ内であって前回の測定時の位置とほぼ同じ位置となっている。前回の位置Ｐおよび姿勢Ａにおいて正確にまたは明瞭に測定を行えたのであれば、今回の位置Ｐ’および姿勢Ａ’においても同様に正確にまたは明瞭に測定を行えることとなる。
【００５７】
したがって、第ｎ回の測定（第１の測定）において位置Ｐおよび姿勢Ａを合わせておき、上に述べたように求めた位置Ｐ’および姿勢Ａ’で第（ｎ＋１）回の測定（第２の測定）を行うことを繰り返すことにより、順次、物体Ｑの各部の測定を行うことができる。つまり、オペレータは、最初の測定時において３次元測定器ＶＤの位置Ｐおよび姿勢Ａが適切となるように決めておけば、その後は、３次元測定器ＶＤが物体Ｑの測定したい部分に向くように変化角ｄＡまたは姿勢Ａ’を指定することによって、適切な位置Ｐ’が処理装置２１によって自動的に求められ、それに合わせてマニピュレータＭＰが制御される。
【００５８】
次に、３次元測定システム１，１Ｂにおける制御の流れをフローチャートに基づいて説明する。
【００５９】
図８は３次元測定システム１，１Ｂにおける制御の流れを示すフローチャート、図９は処理装置２１における処理の流れを示すフローチャートである。
【００６０】
図８において、マニピュレータＭＰによって物体Ｑまたは３次元測定器ＶＤを保持した状態で、第１の測定のための位置Ｐおよび姿勢Ａを調整し（＃１１）、測定を行う（＃１２）。このとき、その位置Ｐおよび姿勢Ａのデータは制御装置ＣＵにおいて記憶され、以降における処理に用いられる。また、そのデータをティーチングデータとして用い、後でデータを読み出しプレイバックすることにより、マニピュレータＭＰによる位置決めや測定を全自動で行うことが可能である。
【００６１】
第２の測定のために姿勢Ａを変更する（＃１３）。これによって新たな姿勢Ａ’が設定され、または変化角ｄＡが指定される。処理装置１１において第２の測定のための位置Ｐ’が演算される（＃１４）。演算結果に基づいて、マニピュレータＭＰが駆動され、位置決めされ（＃１５）、測定が行われる（＃１６）。ステップ＃１３からステップ＃１６が繰り返され、物体Ｑの全周が測定されれば（＃１７でイエス）、終了する。
【００６２】
図９において、前回の測定における位置Ｐおよび姿勢Ａを取得する（＃２１）。今回の測定のための変化角ｄＡまたは姿勢Ａ’を入力する（＃２２）。今回の位置Ｐ’を演算し（＃２３）、演算結果などを出力する（＃２４）。
【００６３】
上に述べた第１および第２の実施形態において、処理装置２１の構成、処理内容、処理順序、処理のタイミング、画面の構成などは種々変更することができる。物体Ｑの全周の測定に当たって、手動操作による姿勢Ａおよび位置Ｐの調整を最初の１回のみでなく、途中においても適当に行うようにしてもよい。つまり、物体Ｑの全周を複数回に分割して測定し、後でそれぞれの３次元画像群を統合してもよい。例えば、物体Ｑまたは３次元測定器ＶＤをマニピュレータＭＰによって保持し直したり、床面ＦＬ上に設置した物体ＱまたはマニピュレータＭＰの位置または姿勢を途中で変更してもよい。また、必ずしも物体Ｑの全周の３次元測定を行う必要はない。
【００６４】
その他、３次元測定器ＶＤ、マニピュレータＭＰ、制御装置ＣＵ、または３次元測定システム１，１Ｂの全体または各部の構造、形状、寸法、形式、方式、個数、材質、位置関係などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る３次元測定システムを示す図である。
【図２】制御装置の構成の例を示す図である。
【図３】マニピュレータによる物体の位置および姿勢の制御状態を示す図である。
【図４】マニピュレータによる物体の位置および姿勢の制御方法を説明する図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る３次元測定システムを示す図である。
【図６】３次元測定器の位置および姿勢の制御状態を示す図である。
【図７】３次元測定器の位置および姿勢の制御方法を説明する図である。
【図８】３次元測定システムにおける制御の流れを示すフローチャートである。
【図９】処理装置における処理の流れを示すフローチャートである。
【図１０】従来における３次元測定の例を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１，１Ｂ  ３次元測定システム
２１  処理装置
２５  制御駆動部
３１  記憶部
３２  入力部
３３  演算部
３４  出力部
ＶＤ  ３次元測定器
ＫＲ  測定可能領域
Ｃｆ  基準位置
ＣＵ  制御装置
ＭＰ  マニピュレータ
ＫＳ１  関節（支持点）
Ｑ  物体
Ｐ  位置（第１の位置）
Ｐ’  位置（第２の位置）
Ａ  姿勢（第１の支持姿勢）
Ａ’  姿勢（第２の支持姿勢）
ｄＡ  変化角（姿勢の変化分）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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