(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二足歩行の手段で移動する自律移動ロボットである移動体に搭載されて計測対象物体までの距離を計測する三次元計測装置であって、
スリット光を計測対象物体に対して照射する発光手段と、
前記スリット光が前記計測対象物体表面に形成する光切断線を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段による撮像方向において前記撮像手段と前記計測対象物体との間に配置された偏光フィルターと、
前記移動体の姿勢の変化に応じて前記偏光フィルターの回転を制御するフィルター制御手段と、
前記移動体の複数の関節の状態を個別に検出できる位置に設けられた複数のセンサーと、
前記複数のセンサーからの出力に基づいた移動体の姿勢とこの姿勢に応じた前記偏光フィルターの角度との関係を保持するフィルター角度記憶手段を備え、
このフィルター角度記憶手段から読み出された角度情報に基づいて前記フィルター制御手段が前記偏光フィルターの回転を制御することにより、前記撮像手段によって撮像された像を基に前記計測対象物体までの距離を正確に求めることを特徴とする三次元計測装置。
【請求項２】
前記移動体に設けられたセンサーからの出力を基に当該移動体の姿勢を推定する姿勢推定手段を備えており、この姿勢推定手段が推定した姿勢を基に前記フィルター制御手段が前記偏光フィルターの回転を制御することを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光切断法を用いた三次元計測装置に関する。特に、二足歩行等の手段で移動する自律移動ロボットにおいて外部環境を計測する目的で設けられる三次元計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触で対象物体までの距離やその形状を測定する三次元計測装置の代表的なもののひとつに、光切断法を用いる方式がある。この光切断法を用いた三次元計測装置は、対象物体に対してスリット光を照射する発光手段と、このスリット光が対象物体の表面上に形成する光切断線を撮像する撮像手段とを有しており、これら発光手段と撮像手段との間の距離と、スリット光の照射角度と、撮像手段と対象物体表面上の光切断線が形成されている位置とを結ぶ直線の角度とを基に、幾何学的計算により、該対象物体表面までの距離を計測するものである。また、スリット光の照射角度を逐次変えたり、複数パターンのスリット光を一度に照射したりすることにより、単一の光切断線上だけでなく、対象物体上を面的な広がりをもって計測することができる。
【０００３】
このようなマルチスリット光による光切断法を使った計測装置において、照射されるスリット光以外の光が測定対象物にあたってその反射光が撮像手段に写り込むと、光切断線をうまく検出できず、計測が行えなくなるため、不要な光が入り込まないように対象物体の周りを囲ったり、照明の位置や向きを調整したりするということが行われていた。
【０００４】
また、特許第３０１８８８７号公報には、光切断法を用いて被測定物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、光切断線を撮像するカメラと被測定物との間に配置された偏光フィルターと、カメラの光軸を中心としてこの偏光フィルターを回転させる回転手段と、撮像された光切断線の光量分布の非正規度が最小となるようにこの回転手段を制御する回転手段を設ける技術が示されている。この特許公報に示された技術によれば、偏光フィルターを回転させて光切断線の光量分布が正規分布に最も近付くように制御して測定するため、測定時のノイズを少なくすることができるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば二足歩行などの手段によって移動する人型の自律移動ロボットにおいては、スロープや階段等をスムースに歩行させるには、床面の状態を正確に測定することが最も重要となる。しかし、上記従来技術で述べた三次元計測装置を搭載し、移動範囲周辺の床面や障害物や壁面などを計測しようとした場合には、次のような問題が生じる。
【０００６】
つまり、自律移動ロボットに設けられた三次元計測装置によって床面までの距離などを計測する場合、ロボットは自由空間内を移動し、向きも自由に変えるため、反射光の写り込みを抑えるために対象物に囲いを設けたり照明の方向を調整したりすることは非常に困難である。
【０００７】
また、上で説明した特許第３０１８８８７号の技術のように、撮像された結果を用いて偏光フィルターの回転角を調整するというフィードバック制御を用いた場合、偏光フィルターの最適角度に収束するまでに複数回の撮像および光量分布解析を繰り返さなければならず、計測に時間がかかるという問題がある。
【０００８】
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、反射光などといったノイズが存在する自由空間を移動する場合においても、その空間内の照明の調整を必要とせず、また撮像結果に基づくフィードバック制御を必要とせず短時間で対象物体を計測することのできる三次元計測装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、二足歩行の手段で移動する自律移動ロボットである移動体に搭載されて計測対象物体までの距離を計測する三次元計測装置であって、スリット光を計測対象物体に対して照射する発光手段と、前記スリット光が前記計測対象物体表面に形成する光切断線を撮像する撮像手段と、前記撮像手段による撮像方向において前記撮像手段と前記計測対象物体との間に配置された偏光フィルターと、前記移動体の姿勢の変化に応じて前記偏光フィルターの回転を制御するフィルター制御手段と、前記移動体の複数の関節の状態を個別に検出できる位置に設けられた複数のセンサーと、前記複数のセンサーからの出力に基づいた移動体の姿勢とこの姿勢に応じた前記偏光フィルターの角度との関係を保持するフィルター角度記憶手段を備え、このフィルター角度記憶手段から読み出された角度情報に基づいて前記フィルター制御手段が前記偏光フィルターの回転を制御することにより、前記撮像手段によって撮像された像を基に前記計測対象物体までの距離を正確に求めることを特徴とする三次元計測装置を要旨とする。
【００１０】
また、本発明の三次元計測装置においては、前記移動体に設けられたセンサーからの出力を基に当該移動体の姿勢を推定する姿勢推定手段を備えており、この姿勢推定手段が推定した姿勢を基に前記フィルター制御手段が前記偏光フィルターの回転を制御することを特徴とする。
ここで、センサーとは、移動体の各部分の位置を検出するために設けられている単一または複数のセンサーである。このセンサーは、例えばアブソリュート型エンコーダであり、これによりモーターの駆動量と絶対位置とを同時に測定できるので、移動体の各部分の位置と角度を得ることができる。ただし、ここで用いるセンサーはアブソリュート型エンコーダに限定されず、例えばＧセンサーやレートセンサーや６軸センサーなどを用いることもできる。そして、姿勢推定手段は、移動体の各部分の位置の相互関係を基に移動体の姿勢を推定する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しこの発明の一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、二足歩行を行う人間型ロボット（移動体）に搭載され、このロボットの移動先の床面や壁面や障害物等を計測することができる。図１において、符号５０はこの計測対象物体（床面など）、１０は計測対象物体までの距離を測定する測定部である。測定部１０は、制御部１１と、発光部１２（発光手段）と、偏光フィルター１３と、撮像部１４（撮像手段）とを有しており、制御部１１の制御により、発光部１２が照射したマルチスリット光が計測対象物体５０上に形成する光切断線を、偏光フィルター１３を通して撮像部１４で撮像するようになっている。
【００１３】
また、１はロボットに設けられた複数のセンサー、２はセンサー１からの出力に基づきこのロボットの現在の姿勢を推定する姿勢推定部、３はロボット姿勢と偏光フィルター１３の角度との関係を保持する姿勢／フィルター角度記憶部（フィルター角度記憶手段）、４は姿勢推定部２によって推定されたロボット姿勢に基づき姿勢／フィルター角度記憶部３を読み出すことによってその姿勢に適したフィルター角度を決定するフィルター角度決定部、５はフィルター角度決定部４が決定した角度に基づきフィルターの角度を制御するフィルター制御部（フィルター制御手段）、６はフィルター制御部５の制御により偏光フィルター１３の角度を変えるフィルター駆動用モーターである。
【００１４】
なおここで、センサー１とは、具体的には、例えばロータリーエンコーダやレートセンサーやＧセンサーや６軸センサーなどであり、センサーに作用する力やトルクの各方向成分を検出することができるものである。そして、これらのセンサー１をロボットの要所各部に設けることによって、ロボットの複数の関節の状態を個別に直接検出することができる。そして、姿勢推定部２は、ロボット各部の位置情報の関係からロボットの姿勢を推定する。
【００１５】
次に、本実施形態における偏光フィルター１３の作用について説明する。図２は、光切断線の撮像状況を示す断面図である。図２の（ａ）および（ｂ）に示すように、偏光フィルター１３は、撮像方向において撮像部１４の計測対象物体５０側に設けられている。また、発光部１２は撮像部１４から所定の距離をおいた箇所に設けられている。
【００１６】
図２（ａ）は、外部からのノイズ光（Ａ）が計測対象物体５０に反射してこの反射光（Ｂ）が偏光フィルター１３を通過して撮像部１４に入射する状況を示している。このとき、上記ノイズ光（Ａ）はすべての偏波面を有しているが、計測対象物体５０からの反射光（Ｂ）は単一の偏波面を有する。特に、測定対象物体５０に対する入射角および反射角がブリュースター角となった場合には完全偏波となる。床面の場合には入射角および反射角がおおよそ４５度程度で完全偏波となる。
一方、図２（ｂ）は、発光部１２からの照射されたスリット光（Ｃ）が計測対象物体５０に反射してこの反射光（Ｄ）が偏光フィルター１３を通過して撮像部１４に入射する状況を示している。このような反射光（Ｄ）は、偏光していないという特徴がある。
【００１７】
そこで、単一の偏波面を有する反射光（Ｃ）のみをカットするように偏光フィルター１３の角度を調節することにより、ノイズ成分を除去し、発光部１２によって照射された光切断線（Ｄ）を鮮明に撮像することが可能となる。また、ロボットの姿勢によって撮像部１４による撮像方向が変わるため、それぞれの姿勢に応じた最適なフィルター角度を姿勢／フィルター角度記憶部３に予め記憶しておき、この記憶内容に基づいてフィルター角度決定部４が決定したフィルター角度になるように、フィルター駆動用モーター６を作動させて偏光フィルター１３の角度を調節するようにする。
【００１８】
次に、センサーからの出力を基にフィルターの角度を調節する手順について説明する。図３は、本実施形態において、センサー１の出力を基にフィルターの角度を調節し計測を行うまでの一連の処理手順を示すフローチャートである。以下、図３を参照しながら順を追って説明する。
【００１９】
まず、ステップＳ１において、ロボットの各部に設けられた各種センサー（１）からの出力を取り込む。
次に、ステップＳ２において、ステップＳ１で取り込まれたセンサー値に基づき、ロボット全身の姿勢の推定を行う。
次に、ステップＳ３において、ステップＳ２で推定されたロボット姿勢に対応したフィルター角度を姿勢／フィルター角度記憶部（３）から読み出す。
次に、ステップＳ４において、ステップＳ３で取得したフィルター角度にするため、偏光フィルター（１３）の現在の角度位置からの移動角度量を決定する。
【００２０】
次に、ステップＳ５において、フィルター駆動用モーター（６）を作動させることにより偏光フィルター（１３）を回転させる。
次に、ステップＳ６において、偏光フィルター（１３）の角度位置を検出する。
そして、ステップＳ７において、偏光フィルター（１３）の移動角度がステップＳ４で決定された移動角度量に達したかどうかを判定する。達していれば次のステップＳ８に進み、達していなければステップＳ５に戻る。
このようにして、偏光フィルター（１３）の角度の調節が完了すると、ステップＳ８において、光切断法を用いて計測対象物体の計測を行う。
【００２１】
本実施形態によると、上で説明したように、ロボットの姿勢に応じて偏光フィルターを回転させて角度を調節するため、外部からの反射光の移りこみの影響を極小化して、常に正確な計測を行うことが可能となる。
また、本実施形態によると、例えば、撮像された像の解析結果に基づいて偏光フィルターの角度を調節するフィードバック制御を用いる必要がなく、センサーによる検知結果に基づいてロボットの姿勢を推定し、その姿勢に応じて記憶されたフィルター角度を読み出して偏光フィルターの角度の調節を行うフィードフォワード制御であるため、フィルター角度の決定に要する時間が短くて良いという利点がある。従って、本実施形態による三次元計測装置は、移動しながら作業するロボットのように、リアルタイムな計測を必要とする用途において特に有効である。
【００２２】
なお、上述の三次元計測装置は、コンピュータシステムを用いて実現しても良い。その場合、上述した姿勢推定部、フィルター角度決定部、およびフィルター制御部などの処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録し、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理を行うようにする。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、フロッピーディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、磁気ハードディスク、半導体メモリ等をいう。
【００２３】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、三次元計測装置は、撮像手段による撮像方向において撮像手段と計測対象物体との間に配置された偏光フィルターと、移動体の姿勢の変化に応じて偏光フィルターの回転を制御するフィルター制御手段とを備えているため、上記偏光フィルターによって、外部から発せられ計測対象物体に反射して写り込む反射光をカットし、光切断線を鮮明に検知することができ、正確な計測を行うことができる。また、移動体の姿勢が変わっても、その姿勢の変化に応じてフィルター角度を適切に調節することができるため、常に、正確な計測を行うことができる。さらに、この調節はフィードフォワード制御で行われるため、撮像結果を用いたフィードバック制御を行う場合のような時間を要せず短時間でフィルター角度を最適位置に合わせることができる。
【００２５】
また、この発明によれば、移動体に設けられたＧセンサーやレートセンサーや６軸センサーなどといった各種センサーからの出力を基に当該移動体の姿勢を推定する姿勢推定手段を備えているため、移動体の姿勢の変化を具体的に検出することが可能となる。
【００２６】
また、この発明によれば、移動体の姿勢とこの姿勢に応じた偏光フィルターの角度との関係を保持する姿勢／フィルター角度記憶手段を備えているため、特に複雑な計算処理等を行わなくても、短時間で、偏光フィルターの角度の目標値を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一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。
【図２】  同実施形態による三次元計測装置を用いた計測状況を示す断面図であり、（ａ）は撮像部に写り込む外部からの反射光のパスを示し、（ｂ）は発光部が照射するマルチスリット光のパスを示す。
【図３】  同実施形態により、センサーの出力を基にフィルターの角度を調節する処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  センサー
２  姿勢推定部
３  姿勢／フィルター角度記憶部
４  フィルター角度決定部
５  フィルター制御部
６  フィルター駆動用モーター
１０  測定部
１１  制御部
１２  発光部
１３  偏光フィルター
１４  撮像部
【図１】
0004381593.tif 000002
【図２】
0004381593.tif 000003
【図３】
0004381593.tif 000004