(57)【要約】      （修正有）【課題】三次元形状の測定方法に関し、測定精度を確保する測定方法を提供する。【解決手段】不規則な凹凸が連続的に形成されたマーカをスキャナで走査されるように配置するステップＡ１０。続いて、スキャナで測定対象を走査するステップＡ２０。そして、スキャナで走査された複数の領域を合成するステップＡ３０より構成される。【選択図】図２
2017096637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不規則な凹凸が連続的に形成されたマーカをスキャナで走査されるように配置し、
前記スキャナで測定対象を走査し、
前記スキャナで走査された複数の領域を合成する
ことを特徴とする三次元形状の測定方法。
【請求項２】
前記測定対象を携帯型の前記スキャナで走査する
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元形状の測定方法。
【請求項３】
互いに離隔する一対の測定部を有する前記測定対象の測定方法であって、
前記一対の測定部に亘って延びるように前記マーカを配置し、
前記スキャナで前記測定対象を走査するときに、
前記一対の測定部のうちの一方を含んで前記マーカを走査してから、
前記一対の測定部の一方と他方との間の前記マーカを走査したのちに、
前記一対の測定部のうちの他方を含んで前記マーカを走査する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状の測定手法。
【請求項４】
シート状に形成された前記マーカを前記スキャナで走査されるように配置する
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の三次元形状の測定方法。
【請求項５】
前記マーカは紙である
ことを特徴とする請求項４に記載の三次元形状の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マーカを用いてスキャナで三次元形状を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、立体の三次元形状を測定対象として、スキャナで走査（スキャン）する技術が知られている。測定される形状の精度を確保するためには、スキャナの仕様により、測定対象に対するスキャナの距離が所定の範囲に制限され、スキャナによって走査される領域も所定の領域に抑えられる。そのため、長い測定対象や大きい測定対象は、スキャナの走査領域に収まらない場合がある。
【０００３】
そこで、測定対象に沿って走査された複数の領域を合成することにより、測定対象の全体形状を得る技術が開発されている。さらに、複数の走査領域を精度よく合成するために、位置合わせ用のマーカを配置することが提案されている。
たとえば、十字状の目印をマーカとして測定対象に沿って格子状に配置し、隣接する走査領域の双方に同じマーカが含まれるように走査したうえで、マーカを基準にして隣接する走査領域どうしの位置を合わせることが開示されている（特許文献１参照）。そのほか、発光ダイオードをマーカとして用いることも開示されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2006-338584号公報
【特許文献２】WO2005/100910号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、十字状の目印や発光ダイオードのように単純な形状をなす複数のマーカを位置合わせに用いる場合には、複数の走査領域を合成するときにマーカを取り違えるおそれがあり、測定される形状の精度を確保することができないおそれがある。
【０００６】
本件の三次元形状の測定方法は、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、測定精度を確保することを目的の一つとする。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用および効果であって、従来の技術では得られない作用および効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）ここで開示する三次元形状の測定方法では、不規則な凹凸が連続的に形成されたマーカをスキャナで走査されるように配置する。続いて、前記スキャナで測定対象を走査する。そして、前記スキャナで走査された複数の領域を合成することを特徴としている。
この場合には、一つ（単品）の前記マーカを配置することが好ましい。たとえば、一枚のシート状のマーカを配置することが好ましい。
【０００８】
（２）この測定方法では、前記測定対象を携帯型の前記スキャナで走査することが好ましい。
（３）また、互いに離隔する一対の測定部を有する前記測定対象の測定方法であれば、前記一対の測定部に亘って延びるように前記マーカを配置することが好ましい。前記スキャナで前記測定対象を走査するときには、前記一対の測定部のうちの一方を含んで前記マーカを走査してから、前記一対の測定部の一方と他方との間の前記マーカを走査したのちに、前記一対の測定部のうちの他方を含んで前記マーカを走査することが好ましい。
【０００９】
（４）さらに、シート状に形成された前記マーカを前記スキャナで走査されるように配置することが好ましい。
（５）なお、前記マーカは紙であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本件の三次元形状の測定方法によれば、不規則な凹凸が連続的に形成されたマーカがスキャナで走査されるように配置することで、走査領域の合成時にマーカを取り違えにくくすることができる。よって、測定精度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、三次元形状の測定対象として例示される治具，マーカおよびスキャナを示す斜視図である。
【図２】図２は、三次元形状の測定方法の手順を例示するフローチャートである。
【図３】図３は、図２のステップＡ２０の詳細を示すフローチャートである。
【図４】図４は、図１のマーカを従来のマーカに替えて示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面を参照して、実施形態としての三次元形状の測定方法を説明する。以下に示す実施形態はあくまで例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。
【００１３】
本実施形態では、三次元形状の測定方法として、マーカを用いてスキャナで走査される測定対象の三次元形状を測定する方法について説明する。
測定対象には、立体の製品や設備といった種々の物体が挙げられるものの、以下の説明では、車両の生産ラインで用いられる治具を例示する。
なお、下記の実施形態では、Ｘ方向およびＹ方向が水平面で直交するものとする。さらに、生産ラインで組み立てられる車両が移動する方向をＸ方向とし、このＸ方向と車両の前方（前進する方向）とが一致しているものとする。また、車両の左側に向かう方向をＹ方向とする。そのため、Ｙ方向は車両の幅方向に沿っており、Ｙ方向を左方または左側とも言う。なお、高さ方向（鉛直方向）をＺ方向とする。
【００１４】
［１．機器の構成］
まず、図１を参照して、本実施形態の測定方法に用いられる機器の構成について、スキャナ１，治具２，マーカ３の順に説明する。
〈スキャナ〉
スキャナ１は、三次元デジタイザ，３Ｄスキャナなどとも呼ばれ、測定対象の凹凸（三次元形状）を検知する装置である。このスキャナ１には、測定対象に接触せずに走査する非接触型のものを用いる。
走査時のスキャナ１は、測定対象に対して走査光あるいは走査波（以下、単に「走査光」という）を照射あるいは放射（以下、単に「照射」という）する出力装置としての機能に加えて、測定対象に反射された走査光を検知する入力装置（センサ）としての機能をもつ。反射された走査光を検知することにより、測定対象の各部位までの距離および方向が算出され、測定対象の三次元的な形状（座標）が検知される。
【００１５】
ここでは、測定者が手に持って測定対象を走査する携帯型のスキャナ（いわゆる「ハンディスキャナ」）１を例示する。なお、スキャナ１は、単位時間あたり所定回数（たとえば１秒あたり２０回）の走査を実行する。
また、測定される形状の精度を確保するためには、スキャナ１の仕様により、測定対象に対するスキャナ１の入力装置までの距離が所定の範囲（たとえば３０ｃｍ〜８０ｃｍ）に制限される。そのため、スキャナ１によって一回で走査される領域（以下、「走査領域」と呼ぶ）Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3も所定の領域に抑えられる。以下の説明では、スキャナ１の形状測定精度が確保される距離を精度確保距離Ｌと呼ぶ。
【００１６】
図１では、走査される領域として、Ｙ方向に沿って並ぶ三つの走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3を例示する。これらの走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3については、最も左側で測定対象を含む領域を第一走査領域Ｓ1と呼び、最も右側で測定対象を含む領域を第三走査領域Ｓ3と呼び、測定対象を含んでいない領域を第二走査領域Ｓ2と呼ぶ。この第二走査領域Ｓ2の左側は、第一走査領域Ｓ1の右側と重複しており、第二走査領域Ｓ2の右側は、第三走査領域Ｓ3の左側と重複している。
【００１７】
〈治具〉
測定対象の治具２は、土台（床）９から立った状態に設けられる。この治具２は、生産ラインにおいて車両の左右それぞれに取り付けられる部材を適切な位置に導くためのものである。そのため、生産ラインを流れる車両に対して、左方および右方に治具２が設けられる。左方の治具２については第一治具２Ａと呼び、右方の治具２については第二治具２Ｂと呼ぶ。
【００１８】
第一治具２Ａの上部には、車両に取り付けられる部材を支持する第一支持部（測定部）２０Ａが設けられ、また、第一治具２Ａの下部には、土台（床）９から上方に延びる第一支柱２１Ａが設けられる。同様に、第二治具２Ｂには、上部の第二支持部２０Ｂ（測定部）と下部の第二支柱２１Ｂとが設けられる。支持部２０Ａ，２０Ｂに支持される部材としては、ホイールやサイドドアなどが挙げられる。
ここでは、第一支持部２０Ａが第一走査領域Ｓ1に含まれ、第二支持部２０Ｂが第三走査領域Ｓ3に含まれる。
【００１９】
第一治具２Ａと第二治具２Ｂとの間には、生産ラインで車両を移動させるための複数の構造物２９がＹ方向に沿って設けられている。これらの構造物２９は、支柱２１Ａ，２１Ｂよりも低く形成されている。
そのため、治具２には、互いに離隔する一対の支持部２０Ａ，２０Ｂが設けられている。すなわち、生産ラインの車両が無ければ、第一支持部２０Ａに対して右方であって第二支持部２０Ｂに対して左方には、空間Ｅが形成される。この空間Ｅは、第二走査領域Ｓ2よりも大きい。言い換えれば、第二走査領域Ｓ2に対して左方および右方のそれぞれに支持部２０Ａ，２０Ｂが配置されている。
【００２０】
また、土台９に対する支持部２０Ａ，２０Ｂの距離は、精度確保距離Ｌよりも大きい。そのため、上方から支持部２０Ａ，２０Ｂをスキャナ１で走査する場合には、土台９の周辺にある背の低い立体の形状を精度よく測定することはできない。
ここでは、第一支持部２０Ａおよび第二支持部２０Ｂの三次元形状が測定される。このように支持部２０Ａ，２０Ｂの三次元形状を測定する理由としては、支持部２０Ａ，２０Ｂが適切な位置に設けられているかを確認することが挙げられる。たとえば、支持部２０Ａ，２０Ｂの三次元的な設計データと測定された三次元的な形状データとを照合することで、実際の支持部２０Ａ，２０Ｂが設計された箇所から許容される誤差の範囲内に配置されているか否かが計測される。
【００２１】
〈マーカ〉
マーカ３は、複数の走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3を合成するときの位置決めに用いられる目印である。このマーカ３には、不規則な凹凸３０が連続的に形成されている。言わば、マーカ３は、複雑な形状をなしている。ここでは、シート状であって帯状に延びる一枚（単品）のマーカ３を用いる。
ここでいう不規則な凹凸３０は、格子状や千鳥状といったパターンの規則や繰り返しの規則が無い凹凸を意味する。更に言えば、不規則とは、マーカ３から切り出された二つの部分を照合したときに、各部位に形成された凹凸３０の稜線や谷線がさまざまな角度から見たとしても一致しないことを意味する。
【００２２】
このように不規則な凹凸３０が形成されるマーカ３には、皺くちゃの紙を用いる。このマーカ３には、スキャナ１で測定対象を走査しているときに変形あるいは変位しないことが求められることから、普通紙よりも厚みや張り（剛性）のある紙が用いられる。たとえば、クラフトペーパやこれにラミネート加工を施したクラフトラミネートペーパなどの紙を皺くちゃにしたものがマーカ３に用いられる。
【００２３】
［２．測定方法の手順］
つぎに、本実施形態の測定方法を説明する。
ここでは、図１に二重の矢印で示すように、スキャナ１の走査光を下向きに照射しつつ第一支持部２０Ａから第二支持部２０Ｂにスキャナ１をＹ方向に沿って移動させて、支持部２０Ａ，２０Ｂの形状を測定する方法を述べる。
本測定方法では、図２に示すように、配置工程（ステップＡ１０），走査工程（ステップＡ２０）および合成工程（ステップＡ３０）の順に三つの工程が実施される。
【００２４】
〈配置工程〉
配置工程では、スキャナ１で走査されるように、Ｙ方向に沿ってマーカ３を配置する。
詳細には、図１に示すように、マーカ３の一端部３ａを第一支持部２０Ａに載置し、マーカ３の他端部３ｂを第二支持部２０Ｂに載置することで、マーカ３の中間部３ｃが空間ＥをＹ方向に沿って横切るように延びる。このようにして、支持部２０Ａ，２０Ｂに亘って延びるようにマーカ３を配置する。そのため、第一支持部２０Ａから第二支持部２０Ｂにスキャナ１を移動させて走査するときに、マーカ３が必ず走査される。
【００２５】
〈走査工程〉
走査工程では、スキャナ１で測定対象の支持部２０Ａ，２０Ｂを走査する。
具体的には、図３に示すように、第一支持部２０Ａを含んでマーカ３の一端部３ａを走査する（ステップＡ２２）。続いて、第一支持部２０Ａと第二支持部２０Ｂとの間に配置されたマーカ３の中間部３ｃを走査する（ステップＡ２４）。その後、第二支持部２０Ｂを含んでマーカ３の他端部３ｂを走査する（ステップＡ２６）。
すなわち、Ｙ方向に沿ってマーカ３を連続的に走査するときに、走査開始時には第一支持部２０Ａが走査され、走査終了時には第二支持部２０Ｂが走査される。
【００２６】
図１を参照して言えば、スキャナ１で第一走査領域Ｓ1を走査するときには、第一支持部２０Ａに加えてマーカ３の一端部３ａが走査される（ステップＡ２２）。続いて、スキャナ１で第二走査領域Ｓ2を走査するときには、測定対象が走査されないもののマーカ３の中間部３ｃが走査される（ステップＡ２４）。その後、スキャナ１で第三走査領域Ｓ3を走査するときには、第二支持部２０Ｂに加えてマーカ３の他端部３３が走査される（ステップＡ２６）。
【００２７】
〈合成工程〉
図２に示すように、合成工程では、複数の走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3を合成する。この合成工程では、隣接する走査領域Ｓ1，Ｓ2および走査領域Ｓ2，Ｓ3で重複して走査されたマーカ３の凹凸３０を基準にして走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3の位置を合わせたうえで、これらの走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3を合成する。
【００２８】
たとえば、第一走査領域Ｓ1で走査されたマーカ３における右側の凹凸３０と第二走査領域Ｓ2で走査されたマーカ３における左側の凹凸３０とで、山折りされた線（稜線）と谷折りされた線（谷線）とを合致させることで走査領域Ｓ1，Ｓ2の位置や角度が調整され、走査領域Ｓ1，Ｓ2の位置が合わせられる。
このように走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3を合成して支持部２０Ａ，２０Ｂの三次元形状が測定される。
【００２９】
［３．作用および効果］
本実施形態の三次元形状の測定方法は、上述のように構成されるため、以下のような作用および効果を得ることができる。
（１）不規則な凹凸３０が連続的に形成された複雑な形状のマーカ３をスキャナ１で走査されるように配置することで、単純な形状のマーカを用いる場合に比較して、走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3の合成時にマーカ３を取り違えにくくすることができる。よって、測定精度を確保することができる。
【００３０】
さらに、複雑なマーカ３の形状を利用して、走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3の位置合わせ精度を向上させることができる。よって、測定精度も向上させることができる。
そのうえ、マーカ３の不規則な凹凸３０は、走査光を確実にスキャナ１へ反射させることができる。よって、マーカ３が確実に走査される。このことからも、測定精度を向上させることができる。
【００３１】
（２）携帯型のスキャナ１で走査するときには、測定者の体勢が安定しにくいことから、走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3どうしのＸ方向位置や角度がずれやすい。たとえば、隣接する走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3で重複するマーカ３の領域が小さくなりやすい。このように位置合わせに用いるマーカ３の領域が小さかったとしても、不規則な凹凸３０によって走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3の位置を確実に合わせることができる。
【００３２】
（３）ここで、従来の測定方法に対して本測定方法を比較する。
図４に示すように、従来の測定方法では、複数のマーカ３１，３２，３３，３４，３５が用いられる。これらのマーカ３１，３２，３３，３４，３５は、治具２および構造物２９に沿って間欠的に載置される。さらに、マーカ３１，３２，３３，３４，３５のそれぞれは、単純な形状（図４では球状）に形成されている。
【００３３】
ここでは、第一支持部２０Ａと第一支柱２１Ａとの間に第一マーカ３１が載置され、第一支柱２１Ａの近傍に第二マーカ３２が載置され、構造物２９の近傍に第三マーカ３３が載置され、第二支柱２１Ｂの近傍に第四マーカ３４が載置され、第二支持部２０Ｂと第二支柱２１Ｂとの間に第五マーカ３５が載置されている。
【００３４】
第一支持部２０Ａから第二支持部２０Ｂに走査する場合には、図４に二重の矢印で示すように、次のような走査経路を辿ることになる。
測定者は、第一マーカ３１を含んで第一支持部２０Ａを走査してから、第二マーカ３２を含んで第一支柱２１Ａを走査する。続いて、第三マーカ３３を含んで構造物２９を走査し、第四マーカ３４を含んで第二支柱２１Ｂを走査する。そして、第五マーカ３５を含んで第二支持部２０Ｂを走査する。このように走査される領域は、高さ位置の変動が大きい。
【００３５】
上記のように走査する測定者は、第一支持部２０Ａを走査するときにはスキャナ１を持ち上げ、支柱２１Ａ，２１Ｂや構造物２９を走査するときには屈む体勢あるいは手を下に伸ばす体勢をとり、第二支持部２０Ｂを走査するときには再びスキャナ１を持ち上げることになる。
このような体勢変化は、測定者にとって負担になるおそれがある。更に言えば、測定者が体勢変化させつつ走査するため、所望の走査領域に対して実際の走査領域がずれやすくなる。
【００３６】
一方、本実施形態の測定方法では、第一支持部２０Ａを含んでマーカ３の一端部３ａを走査してから、第一支持部２０Ａと第二支持部２０Ｂとの間に配置されたマーカ３の中間部３ｃを走査し、その後、第二支持部２０Ｂを含んでマーカ３の他端部３ｂを走査する。このときの走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3は、高さ位置の変動が小さい。
上記のように走査する測定者は、スキャナ１を持ち上げたままＹ方向に移動させるだけでよい。そのため、走査時における測定者の体勢変化が抑えられ、測定者への負担を軽減させることができる。
【００３７】
また、従来の測定方法では、複数のマーカ３１，３２，３３，３４，３５を用いるのに対して、本測定方法では、一枚のマーカ３を用いればよい。そのため、マーカ３を容易に配置することができ、配置工程の作業効率を向上させることができる。さらに、マーカ３の仕入れコストあるいは製造コストを抑えることができる。
【００３８】
（４）シート状のマーカ３は、重量が抑えられるため、マーカ３を容易に配置することができる。さらに、シート状のマーカ３によれば、測定対象を覆う領域が抑えられ、測定効率を向上させることができる。
（５）測定対象を測定しないときには、紙のマーカ３を折り畳んだり丸めたりすることで、コンパクトに収納することができる。測定対象を測定するときには、マーカ３を展開して用いることができる。
【００３９】
［４．変形例］
最後に、本実施形態の測定方法の変形例について述べる。
マーカには、紙に限らず、シート状（薄板状）の樹脂材や金属材を用いてもよい。更に言えば、マーカはシート状でなくてもよい。たとえば、ブロック状や厚板状の樹脂材や金属材をマーカに用いてもよい。樹脂材や金属材をマーカに用いる場合には、紙のマーカ３に比較して剛性が向上するため、マーカを折り畳んだり丸めることはできないものの、測定時の定形性を向上させることができる。よって、測定効率の向上に寄与する。
【００４０】
そのほか、連続的な凹凸が走査領域に収まっていれば、複数のマーカを用いてもよい。たとえば、上記の支持部２０Ａ，２０Ｂの形状を測定する場合には、隣接するマーカどうしがＹ方向に重複するように配置したうえで、三つの走査領域Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3に対応する三つのマーカを用いてもよい。
【００４１】
スキャナには、少なくとも移動させられて複数の領域を走査するタイプのものが用いられる。すなわち、複数の走査領域を合成して形状測定することを前提としたスキャナであればよい。たとえば、ガイドレールやアクチュエータといった機械設備によって移動させられるスキャナを用いてもよい。このようなスキャナによれば、携帯型のスキャナ１に比較して、走査領域どうしのずれが抑えられる。そのため、走査領域どうしを高い精度で位置合わせすることが求められる。このような場合であっても、連続的に不規則な凹凸が形成されたマーカによって、走査領域どうしの位置をより高い精度で合わせることができる。
【００４２】
測定対象は、互いに離隔する一対の支持部２０Ａ，２０Ｂに限らず、複数の走査領域に跨るような長い物体や大きい物体であってもよい。このような物体が測定対象の場合においても、測定対象に沿ってマーカを配置することにより、測定精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１    スキャナ
２    治具（測定対象）
２Ａ    第一治具
２Ｂ    第二治具
２０Ａ    第一支持部
２０Ｂ    第二支持部
２１Ａ    第一支柱
２１Ｂ    第二支柱
２９    構造物
３    マーカ
３０    凹凸
３ａ    一端部
３ｂ    他端部
３ｃ    中間部
３１，３２，３３，３４，３５    従来のマーカ
９    土台
Ｅ    空間
Ｌ    精度確保距離
Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3    走査領域
【図１】
2017096637.tif 000003
【図２】
2017096637.tif 000004
【図３】
2017096637.tif 000005
【図４】
2017096637.tif 000006