(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の部分外形形状を形状測定手段により部分座標系で光学的に３次元測定すると共に、前記部分座標系との３次元位置関係が既知のターゲットを前記形状測定手段に設け、前記ターゲットを立方体状の３次元形状に形成し、かつ、前記ターゲットの３つの面にそれぞれこの面から突出させて形成した三角形状の平面の３つの頂点から基準点を形成し、前記ターゲットの前記基準点を位置測定手段により全体座標系で光学的に３次元測定し、前記ターゲットの前記部分座標系での３次元位置と前記ターゲットの前記全体座標系での測定値との関係に基づいて前記被測定物の前記部分座標系での測定値を前記全体座標系の測定値に変換し、前記形状測定手段を移動させて、前記被測定物の他箇所の部分外形形状の測定と、その位置での前記ターゲットの測定とを繰り返し、前記被測定物の外形形状を測定することを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項２】
前記位置測定手段は、前記ターゲットをモアレ縞を用いて測定することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。
【請求項３】
被測定物の部分外形形状を部分座標系で光学的に３次元測定する形状測定手段に、前記部分座標系との３次元位置関係が既知のターゲットを設け、
前記ターゲットを立方体状の３次元形状に形成し、かつ、前記ターゲットの３つの面にそれぞれこの面から突出させて形成した三角形状の平面の３つの頂点から基準点を形成し、
かつ、前記ターゲットの前記基準点を全体座標系で光学的に３次元測定する位置測定手段と、前記形状測定手段を移動する移動手段とを設け、
また、前記ターゲットの前記部分座標系での３次元位置と前記ターゲットの前記全体座標系での測定値との関係に基づいて前記被測定物の前記部分座標系での測定値を前記全体座標系の測定値に変換する変換手段を設け、前記移動手段により前記形状測定手段を移動させて、前記被測定物の他箇所の部分外形形状の測定と、その位置での前記ターゲットの測定とを繰り返し、前記被測定物の外形形状を測定することを特徴とする３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物の外形形状を３次元で測定する３次元形状測定方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、モアレトポグラフィに代表されるような縞を利用し、被測定物上に縞状パターンを投影し、被測定物の形状により変形した縞模様と基準の縞模様を重ね合わせ、その差周波数として生じる等高線を示すモアレ縞を解析することにより、被測定物の３次元形状を測定するものとして、例えば、特開昭５３−６８２６７号公報や特開昭６１−２６０１０７号公報にあるような装置が知られている。
【０００３】
このような装置では、被測定物上にできた縞模様をＣＣＤカメラにより撮像して、解析している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした従来のものでは、被測定物が小さい場合は、被測定物全体をＣＣＤカメラで撮像して解析しても、十分な測定精度が得られるが、被測定物が大きい場合、一度で被測定物全体を撮像したのでは、十分な解像度が得られない場合がある。
【０００５】
そのような場合には、被測定物の一部を撮像して３次元形状を測定し、次に、場所を変えて、被測定物の一部を撮像して３次元形状を測定し、これを繰り返して全体の３次元形状を測定しているが、分けて測定した測定値を一つの基準座標系の測定値に合成する作業が繁雑であるという問題があった。
【０００６】
本発明の課題は、大きな被測定物であっても容易に３次元測定できる３次元形状測定方法及びその装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の手段を取った。即ち、
被測定物の部分外形形状を形状測定手段により部分座標系で光学的に３次元測定すると共に、前記部分座標系との３次元位置関係が既知のターゲットを前記形状測定手段に設け、前記ターゲットを立方体状の３次元形状に形成し、かつ、前記ターゲットの３つの面にそれぞれこの面から突出させて形成した三角形状の平面の３つの頂点から基準点を形成し、前記ターゲットの前記基準点を位置測定手段により全体座標系で光学的に３次元測定し、前記ターゲットの前記部分座標系での３次元位置と前記ターゲットの前記全体座標系での測定値との関係に基づいて前記被測定物の前記部分座標系での測定値を前記全体座標系の測定値に変換し、前記形状測定手段を移動させて、前記被測定物の他箇所の部分外形形状の測定と、その位置での前記ターゲットの測定とを繰り返し、前記被測定物の外形形状を測定することを特徴とする３次元形状測定方法がそれである。
【０００８】
前記位置測定手段は、前記ターゲットをモアレ縞を用いて測定してもよい。
【０００９】
また、被測定物の部分外形形状を部分座標系で光学的に３次元測定する形状測定手段に、前記部分座標系との３次元位置関係が既知のターゲットを設け、
前記ターゲットを立方体状の３次元形状に形成し、かつ、前記ターゲットの３つの面にそれぞれこの面から突出させて形成した三角形状の平面の３つの頂点から基準点を形成し、
かつ、前記ターゲットの前記基準点を全体座標系で光学的に３次元測定する位置測定手段と、前記形状測定手段を移動する移動手段とを設け、
また、前記ターゲットの前記部分座標系での３次元位置と前記ターゲットの前記全体座標系での測定値との関係に基づいて前記被測定物の前記部分座標系での測定値を前記全体座標系の測定値に変換する変換手段を設け、前記移動手段により前記形状測定手段を移動させて、前記被測定物の他箇所の部分外形形状の測定と、その位置での前記ターゲットの測定とを繰り返し、前記被測定物の外形形状を測定することを特徴とする３次元形状測定装置がそれである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、１は被測定物であり、例えば、乗用車の車体等の大型の３次元形状の外形を有するものである。この被測定物１の３次元形状を測定する形状測定器２を備え、この形状測定器２は、被測定物１の部分外形形状を光学的に測定するものである。形状測定器２は、図２に示すように、ＣＣＤカメラ４とフリンジプロジェクター６とを備えている。
【００１１】
形状測定器２は、フリンジプロジェクター６が複数の格子を被測定物１の表面に投影し、ＣＣＤカメラ４がこの被測定物１の外形形状に応じて変形した格子を撮像する。そして、形状測定器２は、この変形格子と基準格子とに基づいて、被測定物１の３次元形状を測定するものである。
【００１２】
形状測定器２は、ＣＣＤカメラ４により撮像する領域Ｓが広くなれば測定精度が粗くなり、撮像する領域Ｓが狭くなれば測定精度が精密になる。従って、必要な測定精度を得ようとすると、ＣＣＤカメラ４により撮像する領域Ｓの面積が限定され、被測定物１の部分外形形状を測定することになる。形状測定器２は、３次元の部分座標系に基づいた測定値を出力する。部分座標系は、形状測定器２が有する座標系であり、形状測定器２を移動させたときには、部分座標系も同時に移動する。
【００１３】
図１に示すように、形状測定器２には、ターゲット８が一体的に設けられており、ターゲット８は、多角形状の３次元形状に形成されている。ターゲット８は、本実施形態では、立方体状に形成されており、このターゲット８の左側面８Ｌ、正面８Ｆ、右側面８Ｒは、それぞれ特徴のある形状に形成されている。例えば、図４に示すように、左側面８Ｌには、三角形状の平面８Ｌａが突出形成されており、この三角形状の平面８Ｌａから傾斜した３つの斜面８Ｌｂ，８Ｌｃ，８Ｌｄが形成されている。
【００１４】
正面８Ｆ及び右側面８Ｒについても同様に、三角形状の平面８Ｆａ，８Ｒａが突出形成されており、この三角形状の平面８Ｆａ，８Ｒａから傾斜した３つの斜面８Ｆｂ，８Ｒｂ，８Ｆｃ，８Ｒｃ，８Ｆｄ，８Ｒｄが形成されている。但し、各左側面８Ｌ、正面８Ｆ、右側面８Ｒでは三角形状の平面８Ｌａ，８Ｆａ，８Ｒａの方向がそれぞれ異なり、この形状から左側面８Ｌ、正面８Ｆ、右側面８Ｒの違いを判別できるように形成されている。
【００１５】
また、左側面８Ｌでの三角形状の平面８Ｌａの頂点である第１〜第３基準点αＬ，βＬ，γＬは予め部分座標系における３次元位置関係が測定されて、部分座標系での位置座標ＰｃαＬ，ＰｃβＬ，ＰｃγＬが既知となっている。正面８Ｆ、右側面８Ｒでの三角形状の平面８Ｆａ，８Ｒａの各頂点αＦ，αＲ，βＦ，βＲ，γＦ，γＲも予め部分座標系における３次元位置関係が測定されて、部分座標系での３次元位置座標ＰｃαＦ，ＰｃαＲ，ＰｃβＦ，ＰｃβＲ，ＰｃγＦ，ＰｃγＲが既知となっている。また、各三角形状の平面８Ｌａ，８Ｆａ，８Ｒａの形状も予め測定されて既知となっている。
【００１６】
更に、本実施形態では、ＣＣＤカメラ２０とフリンジプロジェクター２２とを備えた位置測定器２４が設けられている。ＣＣＤカメラ２０とフリンジプロジェクター２２とは、前述した形状測定器２のＣＣＤカメラ４とフリンジプロジェクター６と同様のものである。位置測定器２４は、ターゲット８を撮像することができる位置に配置され、固定されている。位置測定器２４は、全体座標系でターゲット８を撮像して、その３次元測定値を出力する。
【００１７】
図１に示すように、形状測定器２、位置測定器２４は、変換制御装置１６に接続されており、変換制御装置１６に形状測定器２からの部分座標系による形状測定値が入力されると共に、位置測定器２４からターゲット８の全体座標系における測定値が入力される。前述した形状測定器２は、本実施形態では、図３に示すように、多関節型のロボットを用いた移動装置１８に取り付けられている。
【００１８】
この移動装置１８により形状測定器２を移動させて、形状測定器２により被測定物１の外形形状を測定できる。移動装置１８は、形状測定器２を平行移動させるものに限らず、形状測定器２により被測定物１の外形形状を測定できるように移動できればよい。
【００１９】
次に、変換制御装置１６で行われる測定処理について、図５のフローチャートによって説明する。
まず、測定を開始するのか否かを判断する（ステップ１００）。測定をするのであれば、次に、形状測定器２により被測定物１の部分外形形状を測定する（ステップ１１０）。形状測定器２は、図１に示すように、被測定物１の領域Ｓ１の部分外形形状を部分座標系で３次元測定する。その測定値Ｐｓ１（ｓ１ｘｎ，ｓ１ｙｎ，ｓ１ｚｎ）を変換制御装置１６に出力する。添字ｎはｎ個の測定点があることを示す。
【００２０】
続いて、形状測定器２がステップ１１０の処理により測定したときにおけるターゲット８を位置測定器２４により撮像する（ステップ１２０ａ）。そして、その撮像結果から、形状測定器２の姿勢を判定する（ステップ１２０ｂ）。姿勢の判定は、撮像したターゲット８の各三角形状の平面８Ｌａ，８Ｆａ，８Ｒａの形状に基づいて行われる。
【００２１】
例えば、図１に示すように、正面８Ｆの三角形状の平面８Ｆａが、位置測定器２４のほぼ正面にある場合には、位置測定器２４は、正面８Ｆの三角形状の平面８Ｆａの形状を正確に測定することができる。また、左側面８Ｌの三角形状の平面８Ｌａが、位置測定器２４のほぼ正面にある場合には、位置測定器２４は、左側面８Ｌの三角形状の平面８Ｌａの形状を正確に測定することができる。右側面８Ｒの三角形状の平面８Ｒａの場合も同様である。これにより、形状測定器２の姿勢を判定して、後述するステップの処理による基準点を抽出する三角形状の平面８Ｌａ，８Ｆａ，８Ｒａを決定する。
【００２２】
次に、ターゲット８から第１〜第３基準点α，β，γを抽出する（ステップ１２０ｃ）。抽出する第１〜第３基準点α，β，γは、ステップ１２０ｂの処理により判定された形状測定器２の姿勢から決定され、位置測定器２４からほぼ正面となるターゲット８の左側面８Ｌ、正面８Ｆ、右側面８Ｒから選ばれる。
【００２３】
選ばれた左側面８Ｌ、正面８Ｆ、右側面８Ｒの三角形状の平面８Ｌａ，８Ｆａ，８Ｒａの頂点である第１〜第３基準点α，β，γが抽出され、その３次元座標が算出される。例えば、正面８Ｆの三角形状の平面８Ｆａの頂点である第１〜第３基準点αＦ，βＦ，γＦが抽出され、全体座標系での３次元座標値ＰｇαＦ，ＰｇβＦ，ＰｇγＦが算出される。
【００２４】
次に、ステップ１２０ｃの３次元座標値ＰｇαＦ，ＰｇβＦ，ＰｇγＦに基づいて、座標変換係数Ｒ１を算出する（ステップ１３０）。座標変換係数Ｒ１は、部分座標系での既知の正面８Ｆの第１〜第３基準点αＦ，βＦ，γＦの位置座標ＰｃαＦ，ＰｃβＦ，ＰｃγＦと、ステップ１２０ｃの処理により測定した全体座標系での第１〜第３基準点αＦ，βＦ，γＦの位置座標ＰｇαＦ，ＰｇβＦ，ＰｇγＦとに基づいて下記式により算出される。
【００２５】
ＰｇαＦ＝［Ｒ１］×ＰｃαＦ
ＰｇβＦ＝［Ｒ１］×ＰｃβＦ
ＰｇγＦ＝［Ｒ１］×ＰｃγＦ
ここで、［Ｒ１］はマトリックスである。
【００２６】
続いて、被測定物１の領域Ｓ１の全体座標系における測定値Ｐ１を算出する（ステップ１４０）。全体座標系における測定値Ｐ１は、前記ステップ１１０の処理により測定した部分座標系の測定値Ｐｓ１を、ステップ１３０の処理により算出した座標変換係数Ｒ１に基づいて変換することにより下記式により算出される。
【００２７】
Ｐ１＝Ｐｓ１×［Ｒ１］
次に、測定が終了したか否かを判断し（ステップ１５０）、引き続いて測定する場合には、前記ステップ１００以下の処理を繰り返す。そして、本実施形態では、移動装置１８により、被測定物１の次の測定箇所に形状測定器２を移動する。移動の際は、平行移動でなくてもよく、位置測定器２４によりターゲット８を撮像することができるように移動すればよい。そして、前述したと同様に、形状測定器２により被測定物１の領域Ｓ２の部分外形形状を部分座標系で測定する（ステップ１１０）。その測定値Ｐｓ２（ｓ２ｘｎ，ｓ２ｙｎ，ｓ２ｚｎ）を変換制御装置１６に出力する。
【００２８】
次に、移動後のターゲット８を撮像し（ステップ１２０ａ）、その結果から位置測定器２４の姿勢を判定すると共に（ステップ１２０ｂ）、全体座標系における第１〜第３基準点α，β，γを抽出する（ステップ１２０ｃ）。例えば、図１に示すように、位置測定器２４のほぼ正面にターゲット８の左側面８Ｌがある場合、左側面８Ｌの第１〜第３基準点αＬ，βＬ，γＬを抽出する。
【００２９】
続いて、この３次元座標値ＰｇαＬ，ＰｇβＬ，ＰｇγＬに基づいて、座標変換係数Ｒ２を算出する（ステップ１３０）。
ＰｇαＬ＝［Ｒ２］×ＰｃαＬ
ＰｇβＬ＝［Ｒ２］×ＰｃβＬ
ＰｇγＬ＝［Ｒ２］×ＰｃγＬ
続いて、被測定物１の領域Ｓ２の全体座標系における測定値Ｐ２を算出する（ステップ１４０）。
【００３０】
Ｐ２＝Ｐｓ２×［Ｒ２］
前述した測定処理を繰り返し、ｋ回目の測定でも同様に、形状測定器２により被測定物１の領域Ｓｋの部分外形形状を部分座標系で測定する（ステップ１１０）。その測定値Ｐｓｋ（ｓｋｘｎ，ｓｋｙｎ，ｓｋｚｎ）を変換制御装置１６に出力する。
【００３１】
次に、移動後のターゲット８を位置測定器２４により撮像し、形状測定器２の姿勢を判定して、第１〜第３基準点α，β，γの３次元座標値Ｐｇα，Ｐｇβ，Ｐｇγを抽出する（ステップ１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ）。続いて、座標変換係数Ｒｋを算出する（ステップ１３０）。
【００３２】
Ｐｇα（Ｌ，Ｆ，Ｒ）ｋ＝［Ｒｋ］×Ｐｃα（Ｌ，Ｆ，Ｒ）
Ｐｇβ（Ｌ，Ｆ，Ｒ）ｋ＝［Ｒｋ］×Ｐｃβ（Ｌ，Ｆ，Ｒ）
Ｐｇγ（Ｌ，Ｆ，Ｒ）ｋ＝［Ｒｋ］×Ｐｃγ（Ｌ，Ｆ，Ｒ）
続いて、被測定物１の領域Ｓｋの全体座標系における測定値Ｐｋを算出する（ステップ１４０）。
【００３３】
Ｐｋ＝Ｐｓｋ×［Ｒｋ］
ステップ１４０の処理により、同じ座標系での測定値となり、ステップ１００以下の処理を被測定物１の全体を測定するまで繰り返し行うことにより、被測定物１の全体の外形形状を３次元で測定することができる。
【００３４】
以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の３次元形状測定方法及びその装置によると、被測定物が大きなものであっても、容易にその３次元形状を測定できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての３次元形状測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】本実施形態の形状測定器の概略構成を示す説明図である。
【図３】本実施形態の形状測定装置を移動する移動装置の正面図である。
【図４】本実施形態のターゲットの説明図である。
【図５】本実施形態の変換制御装置において行われる測定処理の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…被測定物 ２…形状測定器
４，２０…ＣＣＤカメラ
６，２２…フリンジプロジェクター
８…ターゲット
１６…変換制御装置
１８…移動装置
２４…位置測定器
【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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