CN1176378A - 三维形状测量装置 - Google Patents

Abstract

一种三维形状测量装置包括一个被设置成围绕一测量区间并沿垂直方向移动的活动框架,一批被布置在活动框架的两对边上彼此相对,并被安排以实现光的水平扫描以测量到被测物体人体的距离的探测器,一个用来移动活动框架的驱动机构,一个根据相关探测器的输出信号计算到人体的距离以分析人体的表面位置的数据,即人体的三维形状的分析器,还有一个放置人体于其上的放置台。由于探测器被布置在人体的正面和背面,本装置也可测量腋下和两腿交叉处下的部位的形状。

Description

三维形状测量装置

本发明涉及一种三维形状测量装置，该装置用于测量被测物体(例如人体)表面的三维形状。

所知的一种传统的三维形状测量装置是日本专利公报No.Hei 5-71882中所描述的那种。这种三维形状测量装置具有如图13A和13B所示的结构，使其具有一个距离测量圆环120，在测量圆环120中成环状排列着一批用于测量到被测物体2表面的距离的探测头121，并且整个圆环可沿垂直方向移动，一个用于导引测量圆环120垂直移动的导引构件102，一个移动测量圆环120的驱动机构103。借助于该三维形状测量装置，将被测物体例如人体置于测量圆环120中，上下移动测量圆环120的同时操作探测头121，在测量圆环120的每一垂直位置处采集每一个探测头121测得的距离数据，随后处理这些数据，这样来测量被测量物体2的表面的三维形状。由于测量圆环120的重量是如此之大，由于惯性，这种三维形状测量装置在测量圆环120移动速度变得均匀前需要一段时间。为了在这段时间内能同样进行准确的形状测量，探测测量圆环120的位置并且使测量圆环120的操作定时和探测头121的相匹配，从而使被测物体2的形状测量准确。

然而，这种传统的三维形状测量装置具有如下所述的种种问题。

首先，为了准确测量被测物体的表面形状，需要许多探测头121，这样增加了费用。此外，探测头必须准确定位使其朝向一预定点(朝向中心)，这使调节困难。在安装后要求工程师进行长时间的调节，增加了初步费用。

其次，由于安装在测量圆环120中的每一个探测头121(距离探测器)指向测量圆环120的中心，当被测物体2的表面具有凸出部位和凹陷处时，例如，当被测物体是人体时，腋窝下和两腿分叉处下的凹陷部分被被测物体自身的其他部位所遮住，例如，被手臂或大腿股所遮住，这样对凸出或凹陷部分的形状就不能进行准确的测量。

第三、当被测物体是一种重量较重的物体，例如人体时，一旦将被测物体置于装置中准备测量时，将由于被测物体的重量使装置产生细微的变形。那么测量圆环和被测物体之间的相对位置将产生偏差，使测量不准确。为了解决这个问题，可以想到的是通过加固装置的框架将装置构筑于刚度增强的结构上。然而，这种结构极大地增加了整个装置的重量，将使装置的装配工作和安装工作困难，从而降低了它的可操纵性。另处，该装置只能安装在能够承受它的重量的地面上，安装地点受到限制。此外，这也成为增加该装置部件的费用的一个原因。

第四、测量物体被限定于比测量圆环的可移动范围小的物体。具体地说，如果被测物体是一个高大的物体，高于测量圆环的可移动范围，那么被测物体可被测量的形状部分自然就仅限于在测量圆环的可移动范围内的部分。也就是说，存在不能测量被测物体的上面和下面部位形状的情况。

第五、如果置于装置中准备测量的被测物体在测量过程中移动，测量将无效并且被测物体可能碰到测量圆环从而损坏测量圆环。

第六、由于测量圆环很重，需要安装一个大马力的电机作为驱动设备以驱动测量圆环，这进一步增加了整个装置的重量，同样也增加了运转电机所必须的电力。

为了解决上述问题完成了本发明。本发明的第一个目的是提供一种能够用少量的探测器准确测量三维形状的装置。本发明的第二个目的是提供一种当被测物体是人体时能够可靠地测量腋窝下和两腿之间的分叉处下的部位的形状的三维形状测量装置。本发明的第三个目的是提供一种轻型的能够测量重物体的装置。本发明的第四个目的是提供一种能够可靠地测量大尺度被测物体的整体形状的装置。本发明的第五个目的是提供一种确保探测器的保护和被测物体的安全的装置。最后，本发明的第六个目的是减少装置的工作电力。

根据本发明的三维形状测量装置是一种以无接触方式探测被置于测量区间中的被测物体的三维形状的装置，它包括：(1)一个活动框架，该活动框架安装在测量区间周围以便围绕通过测量区间中心的预定轴，并可沿预定轴的方向移动；(2)4个或4个以上的探测器，这些探测器用来测量到被测物体不同部位的表面的距离，探测器沿圆周方向被布置在活动框架上使多于一个的探测器主要被布置在活动框架的两对边的预定区域内；(3)用于沿轴的方向移动活动框架的驱动机构；(4)用于探测并输出沿轴的方向移动的活动框架的位置的位置探测设备；和(5)用于根据每个探测器和位置探测设备的输出结果计算活动框架在每一移动位置处时各个探测器到被测物体表面的距离数据，并根据距离数据分析被测物体的表面的三维形状的分析设备。

在该装置中，被测物体被置于测量区间中，在沿预定轴的方向移动活动框架时，用布置在活动框架上的多个探测器来测量被测物体表面和探测器之间的距离。这些探测器被集中布置在活动框架上相对于测量区间的两对边上。因此，布置在一侧的探测器和布置在另一侧的探测器彼此相对。在被测物体表面有凸出部分和凹陷处的情况下，测量是在凸出和凹陷表面对着任一探测器的情况下进行的，从而实现到凸出和凹陷表面的距离的可靠测量。在探测器进行距离测量之际，表示处于距离测量情况下的活动框架的位置同样由位置探测设备测量。表示处于距离测量情况下的相关探测器位置三维坐标的位置数据可从活动框架的位置得到。那么从这种位置数据和随着活动框架的移动而探测到的探测器和被测物体之间的距离数据就是表示在测量区间内的被测物体的表面位置的三维坐标。这种位置数据的集合就是表示被测物体表面形状的三维数据。通过这种方法，具有凸出部分和凹陷处的物体的表面的三维形状可被准确地测量。

在另一种可选安排中，根据本发明的一种三维形状测量装置包含有，用(2a)一批沿圆周方向布置在活动框架上的探测器来代替上面所说的(2)来测量到被测物体的不同位置的表面的距离，其特点是相关探测器的光轴并不交于轴方向上的投影面上的一点。

由于本装置中所布置的探测器的方向各不相同从而可避免所有的探测器都对着测量区间的某一特定点(或者在探测器被布置在轴方向上的不同位置的情况下，对着平行于轴方向的一特定直线)，即使被测物体表面有凸出部分和凹陷处，通过布置被测物体使它的凸出和凹陷表面对着任一探测器，即可对到凸出和凹陷表面的距离进行可靠的测量，如同在前述的装置中一样。这样可准确地测量物体表面的三维形状。

此外，本装置被安排成这样，探测器通过三角测量法探测到被测物体的距离，各个探测器具有一个用来向被测物体投射光的光投射部分和布置在距离光投射部分一预定距离的用来接收从被测物体来的散射光或反射光的光接收部分，其中光投射部分实现在垂直于轴方向的方向上的一预定角度内的光扫描。

这种布置使从光投射部分投射来的光在被测物体表面被无规则地反射(散射)，部分反射光入射到被布置在距离光投射部分预定距离的光接收部分中。从光投射部分经由被测物体表面到光接收部分的光的光路形成一个三角形并且三角形的形状取决于被测物体上的位置。其结果是，根据三角测量得到的到被测物体表面的距离的不同，角度或进入光接收部分的反射光的入射位置就不同。此外，垂直于轴方向的光扫描使一个探测器能够测量对应于被测物体上的一批不同的表面位置的距离数据，从而允许以较小数量的探测器得到准确的测量，简化了调节并且减少了制造成本及调节费用或在安装中的类似费用。

装置也可被这样安排，即布置在活动框架同一侧的彼此相邻的探测器的相关光投射部分的扫描中心互相交于距离探测器比距离测量区间的中心更远的地方。

由于这种安排使每个探测器对着对面的探测器，在被测物体表面具有凸出部分和凹陷处的情况下，当凸出和凹陷表面对着任一探测器时进行测量，这种安排更便于从光投射部分到凹陷表面的光的入射，并且使光接收部分更易于接收散射光。从而可以可靠地测量，例如腋下和两腿分叉处下的部分的形状。

装置可被这样安排，即将各个光接收部分布置在沿轴的方向距离布置在该探测器对面的其它探测器的光投射部分一预定距离的地方。这种安排甚至在被测物体没有挡住各个探测器的光接收部分和布置在该探测器对面的探测器的光投射部分之间的空间的情况下，也可避免光投射部分的照射光直接进入相关探测器的光接收部分。即，可获得低噪音、高度准确的测量。

活动框架可为U形或马蹄形。这样的话，活动框架的一面是开放的，开口部分可被用来供被测物体或类似物进出。

本装置在测量区间中还可包含一个放置台，被测物体被放置在其上。这种安排使对被测物体最低部分的测量成为可能。放置台可拆卸使高大的被测物体的三维形状也能被可靠地测量。

本装置还可包含一个用于将测量区间和活动框架的移动空间分隔开的内墙罩。内墙罩可将测量区间和活动框架的移动空间可靠地分隔开，从而保证了安全的测量。

本装置还可包含一个用于将测量区间和活动框架的移动空间分隔开的内墙罩，该内墙罩具有在探测器和被测物体之间透射光的窗口。这种内墙罩可将测量区间和活动框架的移动空间可靠地分隔开并且避免探测器的输入/输出光被挡住。

本装置可这样安排，即轴的方向实质上就是重力的方向，三维形状测量装置还包含一个安装在测量区间上面的旋转件，一个一端连着活动框架，另一端连着重量基本上和活动框架一样的一个配重的柔韧细长的部件，所述柔韧细长部件挂在所述旋转件上，其中驱动机构旋转该旋转件并通过该柔韧细长的部件来移动活动框架。

这种安排利用和柔韧细长的部件相连的配重来基本上平衡活动框架，从而减小了旋转旋转件以移动活动框架所需要的力。这样增强了活动框架的移动能力并降低了装置的电力消耗。

借助于后面的详细说明和附图将更全面地了解本发明，但它们只是本发明的例证，并不能认为是对本发明的限定。

借助于后面的详细说明，本发明进一步的可应用范围将是很明显的。但是，需要了解的是详细说明和在表示本发明的最佳实施例时的给出的具体例子只是本发明的例证，因为根据这个详细说明，对本领域内的有经验的人员来说，在本发明的精神和范围内的各种各样的改变和修改都是很明显的。

图1为根据本发明的一个实施例得到的三维形状测量装置的总的简图；

图2为图1II-II方向的断面图；

图3为表示图1装置中的探测器的布置情况的透视简图；

图4为表示图3中的探测器的测量原理的说明图；

图5为表示和图2相联系的探测器的光接收元件的另一具体例子的图；

图6为图1的三维形状测量装置的的水平断面简图；

图7为图1的三维形状的处理系统的说明图；

图8为图1所示装置中的控制板及其外围装置的框图；

图9到图11为表示图1的三维形状装置中探测器的优选位置的几个例子的图，其中各图中的探测器的数目分别为6、4、5和8；

图12为表示一个不可取的定位例子图，在该例子中4个探测器被布置在图1的三维装置中，用以和图9到图11的例子作比较；

图13A和图13B为传统的三维形状测量装置的结构图。

根据本发明的三维形状测量装置的实施例将根据附图来描述。在附图中同一部件用同一符号来表示，重复的说明将被略去。另外要指出的是附图的尺寸和比例并不总是和说明书中的一致。

图1为本发明的一个实施例的三维形状测量装置的总的简图，图2为该三维形状测量装置1的水平断面图。如图1所示，根据本实施例的三维形状测量装置是一种当被测物体是人体时，用来测量人体形状的装置(物体的轮廓，局部形状等)。在装置中有一测量区间11和一个被安排为可沿测量区间11垂直移动的活动框架3。活动框架3被用来沿垂直方向依次测量人体2的形状，沿活动框架3的圆周方向布置一批探测器4。活动框架3的形状是能够围绕测量区间的那种，例如，如图2所示的马蹄形。亦即，如果活动框架3的形状是马蹄形，在活动框架3的一个部位就有一切口部分31，无论活动框架3位于什么位置，人都可随时进出测量区间，尽管活动框架围绕着测量区间11。

探测器4是用来探测到位于测量区间内的人体2的距离的，并被布置以便能在朝向人体2的不同方向探测到人体表面上不同位置的距离。在图2中，所示的活动框架带有6个探测器4₁到4₆，但是探测器4的数目可能是7个或更多，或者为5个或少于5个，如果在人体2的整个周边内形状能被测量。但是，很明显的是为了准确测量人体2的整个外部形状必须需要3个探测器4，为了可靠地测量整个外部形状，最好是布置4个或更多的探测器4。

探测器4被分成两组布置(4₁到4₃和4₄到4₆)，每组3个，分别被布置在马蹄形活动框架3的两对边上。关于探测器4布置的细节将在后面描述，首先说明各个探测器的结构。这些探测器可以是，例如通过光学三角测量来探测距离的反射型光电探测器。

例如，探测器4具有一个光投射部分45和两个光接收部分46，光接收部分46对称地分别位于光投射部分45的上边和下边，如图3所示。在光投射部分45中，用来将发散光转变为平行光的光学投射透镜43被布置在光发射部分41的前面，在光发射部分41上沿水平方向成线性排列着由LED芯片组成的光发射元件41b。这些光发射元件41b被控制以便按顺序发射光，从而从光发射元件41b中发射出并且射向人体的光束41a在通过光学投射透镜43后成扇形扫描。光束41a的这种水平扫描扩展了一个探测器4中光束41a的照射区域，也即扩展了探测器4可探测距离的范围，这样可允许减少每组探测器中探测器的数目。

另一方面，每个光接收部分46具有一个光接收元件42和一个被布置在它的前面用来接收反射光并聚集光于光接收元件42的表面上的光学接收透镜44。光接收元件42是，例如，一个PSD(对位置灵敏的设备)。具体地说，光接收元件42具有由一电阻薄层构成的光接收表面42a及分别被设置在光接收表面41a的上下侧面的电极42b和42c。光接收元件42被布置以便当光入射到光接收表面42a时，在光接收位置产生光电流，该光电流被分成两个电流分别流向电极42b、42c。那样的话，根据光接收位置和每个电极42b、42c之间的电阻，光电流被分成两个电流并分别流向电极42b、42c。因此，流向各自的电极42b、42c的电流的比例随入射到光接收元件的入射光的光接收位置的不同而不同，这样就可以探测光接收位置。

光投射部分45和光接收部分46被置于适当位置以便使它们的光轴能够彼此一致。即，光发射部分41、光接收元件42、光学投射透镜43及光接收透镜44被安排成彼此平行。

现在来简要地说明探测器4的测量原理。图4表示出了探测器的测量原理。从LED芯片41a中发出的光穿过光学投射透镜43，被被测物体人体2的表面无规则地反射，部分反射光被光学接收透镜所聚集，入射到光接收元件42的光接收表面42a上的光接收位置SP。这里，假定L为光学投射透镜43到人体2之间的距离，B为基宽，它是光学投射透镜43的光轴中心和光学接收透镜的光轴中心之间的距离，f为光学接收透镜44的焦距，即光学接收透镜44和光接收元件42之间的距离，C是电极42b和42c之间的距离，x1是光接收位置SP到光学接收透镜44的光轴中心的距离。那么下面公式成立：

      x₁＝Bf/L                      (1)

此外，假定I₀是分别从光接收元件42的电极42b、42c输出的电流I_A、I_B的总和。由于输出电流I_A、I_B和光接收位置SP与每个电极之间的距离成反比，输出电流I_A、I_B可用下式来表示，其中x是光接收位置SP和电极42c之间的距离。

   I_A＝I₀x/C

   I_B＝I₀(C-x)/C           (2)

并且

x＝x₀+x₁                   (3)

其中x₀是光学接收透镜44的光轴中心和电极42c之间的距离。从公式(1)到(3)中消去x和x₁，得到下式。

 L＝Bf/(I_AC/(I_A+I_B)-x₀)    (3a)

这样，到被测物体人体2的距离L可从电流I_A和I_B得到。

在另一种可选安排中，光接收元件42可以是如图5所示的两段型的对位置敏感的设备。在这种两段型的对位置敏感的设备中，具有预定形状的分离层42d将光接收面42a隔绝成两个光接收面42e、42f，这样隔开的每一个光接收面分别具有电极42b、42c。这样，当平行于电极42b、42c的光带入射到光接收面42a时，根据各侧光接收面的面积从相应电极上得到电流。因此，如上所述的根据距离L得到线性输出的光接收元件42可通过调节曲线的形状来构造。

能够如上所述得到与距离L成线性关系的输出的光接收元件的分离部分的形状需要满足如下所示的条件：

    H(x)+W(x)+I＝W

    W(x)＝ax/(x+b)             (4)

其中H(x)是距离光源x位置处光源一侧的光接收面的宽度，W(x)是光源对面的光接收面的宽度，I是分离层的宽度，W是整个光接收面的宽度，常数a、b满足下述条件。

a＝L_f(W-1)/(L_f-L_n)

b＝fB/L_f                         (5)

其中L_f和L_n分别表示远距离边和近距离边的测量限度。

如前所述，光发射部分41包含有沿水平直线排列的光发射元件41b，这些光发射元件逐次发光实现从光学投射透镜43照射人体2的光束41a的水平扫描。通过光接收元件42探测每一光束的散射光，根据前面提到的原理就可测量到被测物体人体2的距离。扫描光的反射光在光接收元件42的光接收面42a上的水平入射位置和发射出扫描光的光发射元件41b的水平位置一致。因此，光接收元件42的水平宽度需要大于光发射元件41b的水平阵列的长度。

由于探测器4被设置以使光接收元件42对称地位于光发射部分41的上边和下边，如图3所示，因此即使人体表面具有在该处垂直改变的凸出部和凹陷处，上边和下边的光接收元件42都能接收照射人体2表面的光束41a的散射光，从而这样的凸出部和凹陷处的表面位置也可得到确定的测量。

下面将说明探测器4的组的布置。探测器4的详细布置情况如图6所示。在本实施例中，探测器4相对于测量区间的中心对称地布置在人体2的正面和背面，在任何一边三个探测器在围绕测量区间中心约成70度的角度范围内均匀地分布。探测器4₁到4₃(或4₄到4₆)的光轴(水平扫描的中心轴)在离测量区间的中心200mm处相交。即探测器被集中布置，使每一个探测器对着人体2的正面或背面。这些探测器4的每一个都有一约为30度的水平扫描角。因而，各个探测器4的扫描范围彼此重叠，从而腋窝下和两腿分叉下的部位由于在任何一个探测器4的视线上而能被准确地测量，这些部位可能被被测物体自身所遮住而看不见。

此外，布置于活动框架3一侧的探测器组4₁到4₃中的每一个光接收部分46最好布置在不同于布置于活动框架3另一侧的探测器组4₄到4₆的光投射部分45的高度上，最好高度差为光学投射透镜43(或光学接收透镜44)的直径或更大。这将防止从一侧的各探测器4的光投射部分45发射出的光和散射光进入布置于对面的另一侧的探测器4的光接收部分46，从而可防止由于干扰光的入射而导致噪音的产生。

返回图1，接着说明本实施例的整体。活动框架3借助于驱动机构5可在垂直方向移动。驱动机构5被布置以使一线材52钩住卷轴51，该线材为一柔韧细长的物体，卷轴51是一可旋转的旋转件，线材52的一端连接着活动框架3，另一端连接一个重量和活动框架3重量相近的金属体配重53或类似物体。卷轴51在立于底座13上的柱体14的上部水平卷动。卷轴51被布置为这样的结构以便电机55的旋转力通过传送带54传送过来使卷轴51按照电机55的驱动旋转。由于配重53和活动框架3由线材52悬挂并且基本上平衡，因而用来移动活动框架3的动力小并且活动框架3的移动平稳。这样，一个小转矩电机可用来作为驱动活动框架3的电机55，因而可降低操作装置1所需的电力。

置于装置1的外墙部分12底面上的底座13是一个普通的U形板件。放置底座13使它的开口部分13a朝着人体2进出测量区间的进出口，类似于前面所说的活动框架3的切口部分31。柱体14位于底座13的中部，在柱体14上面对测量区间11的面上沿垂直方向，即沿着活动框架3的移动方向有一狭缝15。狭缝15是导引活动框架3的导孔，并且活动框架3的啮合部分32啮合于狭缝15，因此活动框架3只能沿狭缝15的方向移动(沿纵向方向)。虽然图1图解说明中只有立在底座13上的柱体14，但所需的结构除柱体14外还有一个垂直地立于底座13上的辅助柱体和一个使柱体14上部和辅助柱体的上部互相连接以增强装置1刚度的水平件。活动框架3可啮入包括导轨和滑动器的一个滑动器部分，而不用狭缝15。

一个控制板16附着在外墙部分12上，并且具有对装置1切换电源供应/中断的主电源开关16a，启动或停止测量的启动/停止开关16b，指示不正常操作的错误显示LED16c及设置装置1为测量状态的设置开关16d。驱动机构5带有一个旋转编码器17用来随着活动框架3的移动时根据移动的数量输出脉冲信号。旋转编码器17是，例如，一种和卷轴51的旋转轴同步旋转的旋转件。旋转编码器17可检测卷轴51的旋转状态以输出和活动框架3的移动数量同步的脉冲信号。

此外，三个限位开关61到63附着于柱体14上，如图7所示。这些限位开关61到63用来检测活动框架的移动位置的，它们是，例如，光电开关。每一个限位开关被构造为当沿柱体14移动的活动框架3通过限位开关61-63时可输出一个电信号。限位开关61安装在柱体14的上部，从最高点向下移动的活动框架3开始以均匀速度移动时的位置。限位开关62被安装在柱体14的下部低于测量最低位置的一个地方。限位开关63安装在柱体14的最下部。

现在再来看图1，一个控制台7被安装在底座13上。控制台7用来控制装置1的驱动和分析被测物体2的三维形状，它具有作为测量设备的信号处理电路71和驱动控制电路72，如图8所示。信号处理电路71和每一个探测器4相连，根据每个探测器4的输出信号计算到人体2表面的距离，从而测量人体2的三维形状。旋转编码器17和信号处理电路71连接，从而信号处理电路71接收根据活动框架3的移动得到的脉冲信号。由于信号处理电路71可根据旋转编码器17的脉冲输出获得每个探测器4的空间位置，根据每个探测器4的距离数据可得到人体2的各个表面位置，从而计算出人体2的三维形状。另一方面，驱动控制电路72和主电源开关16a、启动开关16b、错误显示LED16c、设置开关16d及限位开关61到63相连接，根据每个开关的命令信号或输出信号控制驱动电机55。主电源开关16a、启动开关16b、错误显示LED16c及设置开关16d被布置在附着在外墙12表面上的控制板16上，如图1所示。需要注意是是图1图解说明省略了控制台7和相关部分之间的电线电缆。

此外，一个放置台8被放置在测量区间11的下面。放置台8用来升高作为被测物体的人体2的测量位置，在放置台8中，在以台阶方式形成的中央顶端表面上形成一测量面81。当活动框架3处于最低位置时，所形成的测量面81必须至少位于比各个控制器4探测位置高的位置上。当人体2站在测量面81上时，人体2可被设置在活动框架3的移动范围内，在该移动范围内肯定能对人体2的下部，例如到人体的踝关节部分进行测量。通过这种安排，即以台阶的方式将测量面81升起高于两侧部分，在人体2的前后方向可可靠地进行定位。把手18悬挂在顶板上。人体2抓住把手就可在人体2的左右方向可靠地定位。此外，在放置台8的前面低于测量面81的位置上有一个垫板82，这样利用这个垫板82人体2可容易地进入测量台11。

此外，如图2所示，放置台8是和底座13分离的独立件并位于侧板13b之间，侧板13b是底座13的一部分而不是位于底座13上。因而，即使很重的人体2踏上放置台8也能防止由人体重量引起的放置台8的变形传递给驱动机构5和活动框架3。因而，这样的变形对测量没有影响，可进行准确的测量。

此外，放置台8可从测量区间11中拆卸下来。通过装配/拆卸放置台能够对超出活动框架3的移动范围的高大的人体2进行测量。具体地说，在放置台8被放置在测量区间的情况下(图1)，当人体2站在测量面81上时测量人体2的下半部分；随后从测量区间11中拿走放置台8，人体2站在没有放置台8的测量区间11中时测量人体2的上半部分。随后合并两部分数据块(上半部分的数据块和下半部分的数据块)，这样来测量人体2的总的形状。

如图1和图2所示，在活动框架3的内侧设置了一个内墙罩9(在测量区间11侧)。内墙罩9是一平板件，它将活动框架3的移动空间和测量区间11分开，它沿着活动框架3的内表面设置。然而在对应于活动框架3切口部分的地方没有设置内墙罩9，以便人体2可由该部分进入测量区间11。提供内墙罩9可防止人体2接触移动中的活动框架3，即使在测量过程中人体在测量区间中移动。

内墙罩9带有如图2所示的半透明窗口91。半透明窗口91由半透明的器材制成，例如由烟色丙烯板制成以透射探测器4的光发射部分41发出的光，将半透明窗口沿活动框架3的移动方向，即垂直方向设置在相应的探测器4的前面。从而，内墙罩9可防止人体2进入活动框架3的移动空间，又可允许从探测器4发出的光投射到人体2和由探测器4接收人体2的反射光。

如图2所示，内墙罩9的内表面所形成的角度被限定为这样的角度以便当从任意探测器4发出的光被对面的内墙罩内表面反射时，反射光不能直接入射到相应的控制器4，角度的这种安排避免错误地探测到对面内表面的距离。

下面来说明三维形状测量装置1的使用方法和操作。

在如图1所示的装置中，打开主电源开关16a以向三维形状测量装置1的各个部分供电。在主电源开关16a打开后立刻设定装置1的一个预热时间段，其目的是在该时间段内不接受其它开关的任何触发或类似动作。在预热阶段，设定开关16d闪烁(开关16d内的发光设备在闪烁)，经过预热阶段后，设定开关16d从闪烁状态转为照明状态，它确认装置1的预热完成。

经过预热阶段后如果设定开关16d被打开，电机55转动，从而活动框架3向上移动。更为具体地说，如果设定开关16d被打开，从驱动控制电路72输出一驱动信号给电机55，如图8所示，从而驱动电机55。电机55的驱动力通过传送带54被传送给卷轴51以旋转卷轴51，从而通过线材52提升活动框架3。那样的话，由于悬挂在线材52另一端的配重53的重量和活动框架3基本一样，提升活动框架3不需要大的动力。因此，电机55消耗的电力是很小的。由于提升活动框架3很容易没有负担，因而活动框架3移动平稳。如果经过预热阶段后活动框架3已经被向上定位，那么即使设定开关16d开着，活动框架3也被禁止移动。

在图1中，活动框架3向上移动后，被测物体人体2进入测量区间11中。在测量区间11中站在放置台8的测量面81上，抓住把手18，从而使人体2处于一种宜于测量的状态。在如上所述的向上设定活动框架3之前或在设定过程中也可允许将人体2安排在测量面81上。

接下来，打开启动开关16b。随后接受了从驱动控制电路72传来的命令信号的电机55被驱动并且电机55的驱动力通过传送带54、卷轴51和线材52被传送给活动框架3，从而活动框架3从装置1的上部向下移动，如图7所示。当活动框架3从限位开关61前经过时，限位开关61输出一个测量启动信号给图8中的驱动控制电路72，通过驱动控制电路72测量启动信号被送给信号处理电路71。在将测量启动信号输入到信号处理电路71中的同时，信号处理电路71开始计算从旋转编码器17输出的脉冲数，在活动框架3向下移动的同时信号处理电路71连续地计数间歇脉冲。

例如，旋转编码器17被安排为活动框架3每移动5mm时输出一个脉冲，从而通过计数脉冲数可测定活动框架3的垂直位置(位置信息)。各个探测器4的工作和脉冲信号同步。具体地说，每输入来自旋转编码器17的一个脉冲的同时，信号处理电路71输出一个操作命令信号给各个探测器4。其结果如图2所示，各个探测器4的光投射部分41的光发射元件41b依次发出光来投射射向被测物体人体2的光(光束41a)。即，光的水平扫描由探测器4来实现。随后各个探测器4的光接收元件42接收照射人体2时被人体2表面散射的光(反射光)，从而根据前述公式3输出对应于从探测器4到人体2表面的距离的电信号(距离探测信号)并将电信号送给信号处理电路71。从旋转编码器17来的每个脉冲输入时，探测器4重复上述操作。

例如，假定垂直方向的测量范围(活动框架3的移动范围)为170cm，在一次测量中，旋转编码器17间歇地输出341个脉冲，这样对于每个光发射部分41，在垂直间隔为5mm的位置上一共得到341个到人体2表面的距离数据块。

探测器4的光发射部分41实现的光束41a的扫描并不局限于采用复合光发射元件41b来完成，也可采用其它技术；例如，一种用布置在光轴上的旋转棱镜或旋转反光镜来反射从单个光发射设备发出的光束41a的方法。此外，探测器4也可是除了前述的反射型光电探测器以外的任何其它探测设备，只要它们能测量到人体2的距离。

由于探测器4被按如图6所示布置，从任何一个探测器4发出的辐照光可到达被人体2自身遮住的部位，例如腋下和两腿分叉处下的部位，这样对这些部位可进行准确的测量。从而能够对人体2的三维形状进行准确的测量。

图9到图11表示了最优布置的例子，其中探测器4的数目为4、5或8。在图9所示的4个探测器4的布置中，两个探测器4₁，4₂(4₃，4₄)被布置在人体2的正面和背面的任何一侧约为32度的一狭窄的角度范围的的两极端处并且相关探测器4₁，4₂(4₃，4₄)的光轴在距离测量区间中心大约467mm处相交。在图10所示的5个探测器4的布置中，在人体正面的三个探测器4₁到4₃的位置和图6中所示的探测器4₁到4₃一样，在人体背面的两个探测器4₄，4₅的位置和图9所示的探测器4₃，4₄一样。在图11所示的8个探测器的布置中，4个探测器几乎均匀地布置在人体正面和背面的任何一侧约为70度的角度范围内。最外侧的探测器4₁，4₄(4₅，4₈)的光轴在距离测量区间中心约710mm处相交，中间的探测器4₃，4₄(4₆，4₇)的光轴在距离测量区间中心约900mm处相交。在任何一种情况下，由于探测器4被布置成面对人体的正面和背面，对腋下和两腿分叉处下的部位也可用图6所示的6个探测器的布置例子中同样的方法来进行准确的测量。

为了比较，这里说明一个例子，如图12所示，在该例子中4个探测器4被布置成距人体2中心的距离相同，彼此间的间隔也相同。在这种情况下，探测器4的照射光被手臂、腿、躯干或类似的部分所挡住，从而不能到达腋下和两腿分叉处下的背面部分。这样就不能测量这些部分的表面位置，也不能对表面形状作准确测量。为了克服这个缺点，一种可能的方法是通过增加探测器4的数目来扩大扫描范围，但是这样又具有由于重复的测量位置而引起的无用测量的增加，费用增加，由于探测器数目的增加而导致散射光增加及加大了调整的复杂性等问题。与此相对比的是，图9所示的探测器4的布置可允许用较少数目(4)的探测器4来对腋下和两腿分叉处下的部位进行准确测量。

为了将探测器4定位于面对人体2以便准确测量腋下和两腿分叉处下的部位，最优的布置方法是将探测器4集中布置在预定区域内。当然，为了保证对侧面的测量，在预定区域外可提供辅助的探测器。

下面参考图2继续说明本实施例的装置的操作。在测量中，活动框架3继续沿测量区间11向下移动。由于内墙罩9把测量区间11和活动框架3的移动空间分开，因而即使人体2由于某些原因而移动，人体2也不能和活动框架3相接触。因而，在这种情况下，人体2被禁止接触活动框架3，从而避免受伤，活动框架3、驱动机构5等等避免被损坏，保证了操作非常安全。

随后，随着活动框架3向下移动而得到的从探测器4到人体2的距离的探测信号被送给信号处理电路71并和根据前述的活动框架3的位置信息得到的探测器4的空间位置一块被处理，转换为人体2表面的空间位置信息。通过这种空间位置信息的组合，可最终获得立体的人体2的三维形状。

当活动框架3通过限位开关62时，如图7所示，驱动控制电路72降低活动框架3的下降速度，以便在活动框架通过限位开关63后活动框架3能够很快地停下来。此时，由于放置台8使人体2的放置位置保持升高状态，活动框架3的停止位置低于人体2的放置位置(测量面81)。因而，随着活动框架的移动可对人体直至脚部进行完全的测量。如果活动框架由于某些原因停在中途或者如果装置不能得到所要求范围内的形状数据，错误显示LED16c打开，从而可快速地识别装置1的异常情况。那样的话，打开设定开关16d以重新开始测量。

如图8所示，当监视器19和信号处理电路71相连接时，通过计算机制图或类似方式，人体2的三维形状将以立体图象的形式显示在监视器上，计算机制图使形状的捕捉更为简便。同时，在监视器上显示基于表示形状数值处理后得到的尺寸的数值。

下面说明的是被测的人体2高大时三维形状测量装置1的使用方法和它的操作。

在图1中，首先以如前所述的同样方式打开主电源开关16a向三维形状测量装置1的各个部分供电。随后经过预热阶段后，打开设定开关16d，从而向上移动活动框架3。在活动框架3向上移动结束后，使被测物体人体2进入测量区间11内。在测量区间11中使人体2站在测量面81上，并抓住把手18，从而使人体2处于宜于测量的状态。对人体2的安排可在前述的设定活动框架3处于上位之前或在设定过程中进行。

随后打开启动开关16b以如前所述的同样方式进行人体2的三维形状的测量。在那种情况下，由于人体2高大，得不到人体2上部的三维形状，即头部和身体上半部的三维形状。

接下来，进行初次测量，此后设定开关16d再次被打开，使装置1处于准备测量状态。在此之前或之后，拿走放置在测量区间11中的放置台8。然后使人体2进入测量区间11。此时，人体2所处位置比初次测量时所处的位置低，高度差为放置台8的高度。在这种情况下打开启动开关16b以测量人体2的头部和上半部的三维形状。

完成两次测量工作后(下半部的测量和下半部的测量)，信号处理电路71在每次的测量数据中寻找重复的数据部分，并重叠重复的数据以综合测量数据。

这样，即使人体2的高度超出装置1的测量范围(活动框架3的移动范围)，两次测量工作及各数据的综合也允许对总的三维形状进行可靠的测量。

如上所述，由于本实施例的三维形状测量装置1中用于水平扫描的探测器4被安排成两组，彼此相对，这样就可对人体表面上的凹陷部分，例如腋下和两腿分叉处下的部分进行准确测量。特别地，将各个探测器布置在不同于对面的探测器的高度上，这样对面的探测器发出的光不能直接进入与之相关联的探测器中，从而可避免产生噪音。此外，活动框架为U形或马蹄形使人体2进入测量区间更为方便。放置台8的提供使对被测物体人体2的下部的三维形状进行可靠的测量成为可能。此外，把放置台8和活动框架3、驱动机构5等分开使准确测量成为可能。放置台8可拆卸使得甚至对于高大的人体2的总的三维形状也能够进行可靠的测量。另外，设置内墙罩9保证了安全的测量。驱动机构5中配重53的提供提高了活动框架3的移动能力，从而减少了装置的电力消耗。

本实施例所描述的三维形状测量装置1是作为测量人体2的三维形状的装置，但是被测物体并不局限于人体2。该装置也可用于测量其它被测物体。

本实施例的三维形状装置是通过高度方向的移动来实现三维形状的测量的，但是测量方向并不局限于此。只要探测器被布置在沿任意轴的方向，例如水平方向移动的活动框架上即可进行测量。

虽然上面的说明针对的是本实施例，其中探测器被集中布置在活动框架的两个对边上，但是探测器的布置并不局限于此。为了可靠地测量被测物体表面上的凸出部分和凹陷处的形状，相关探测器的光轴(在具有扫描角度的情况下，是中心线)不交于一点仍然是必要的(在相关的探测器的轴的位置不同的情况下，轴向方向上的投射面上的线不交于一点)。探测器如上所述被布置后，放置被测物体使被测物体表面上的每一凸出部分和凹陷处对着任一探测器，随后进行测量，从而可准确地测量表面上的凸出部分和凹陷处的形状。根据所描述的发明，很明显本发明可以以多种方式进行改变。这些改变不能被认为是脱离了本发明的精神和范围，所有对本领域内有经验的人员来说显而易见的改变都被包含在下面的权利要求的范围内。

日本申请No.8-228632(228632/1996)，申请日1996年8月29日，和No.9-184043(184043/1997)，申请日1997年7月9日在此作为参考文献。

Claims (18)

1.一种用于以非接触方式测量置于测量区间内的被测物体三维形状的三维形状测量装置，它包括：

一个活动框架，该活动框架安装在所述的测量区间周围以便围绕通过所述测量区间中心的预定轴，并可沿所述轴的方向移动；

4个或4个以上的探测器，这些探测器用来测量到所述被测物体的不同部位的表面的距离，所述的探测器沿圆周方向被布置在活动框架上使多于一个的探测器主要被布置在所述的活动框架的两对边的预定区域内；

用于沿所述轴的方向移动活动框架的驱动机构；

探测并输出沿所述轴的方向移动的活动框架的位置的位置探测设备；

根据所述的各个探测器和位置探测设备的输出结果计算所述活动框架在各个移动位置处各个所述探测器到所述被测物体表面的距离数据，并根据距离数据分析所述被测物体的表面的三维形状的分析设备。

2.如权利要求1所述的一种三维形状测量装置，其特征在于所述的探测器根据三角测量法探测到被测物体的距离，各个探测器具有一个用来向被测物体投射光的光投射部分和一个被布置在距离所述的光投射部分预定距离的接收从被测物体散射或反射的光的光接收部分，其中所述的光投射部分实现在和所述轴的方向相垂直的方向上的一预定角度内的光的扫描。

3.如权利要求2所述的一种三维形状测量装置，其特征在于所述的被布置在所述活动框架同一侧的彼此靠近的探测器的所述的相关的光投射部分的扫描中心互相交于距离探测器比距离所述测量区间的中心更远的地方。

4.如权利要求2所述的一种三维形状测量装置，其特征在于所述的各探测器的光接收部分被布置在所述轴的方向上距离被布置在对边上的其它探测器的所述光投射部分一预定距离的地方。

5.如权利要求1所述的一种三维形状测量装置，其特征在于所述的活动框架是U形或马蹄形。

6.如权利要求1所述的一种三维形状测量装置，其特征在于还包含有在所述测量区间中的一个放置台，所述的被测物体被放置在它的上面。

7.如权利要求1所述的一种三维形状测量装置，其特征在于还包含有将所述测量区间和所述活动框架的移动空间分隔的内墙罩。

8.如权利要求2所述的一种三维形状测量装置，其特征在于还包含有将所述测量区间和所述活动框架的移动空间分隔的内墙罩，所述的内墙罩具有在所述探测器和所述被测物体之间的部分透射光的窗口。

9.如权利要求1所述的一种三维形状测量装置，其特征在于所述轴的方向实质上是重力的方向，所述的三维形状测量装置还包含有一被布置在所述测量区间上的旋转件和一个柔韧细长的部件，该柔韧细长部件的一端和所述的活动框架相连，另一端和一个和活动框架重量基本相同的配重相连，所述的柔韧细长部件被套在所述的的旋转件上，

其中所述的驱动机构旋转所述的旋转件，通过所述的柔韧细长部件来移动所述的活动框架。

10.一种用于以非接触方式测量置于测量区间内的被测物体三维形状的三维形状测量装置，它包括：

一个活动框架，该活动框架安装在所述的测量区间周围以便围绕通过所述测量区间中心的预定轴，并可沿所述轴的方向移动；

一批用来测量到所述被测物体的不同部分的表面的距离，沿圆周方向被布置在所述活动框架上的探测器；

用于沿所述轴的方向移动活动框架的驱动机构；

探测并输出所述轴的方向上移动的活动框架的位置的位置探测设备；

根据所述的各个探测器和位置探测设备的输出结果计算所述活动框架在各个移动位置处各个所述探测器到所述被测物体表面的距离数据，并根据距离数据分析所述被测物体的表面的三维形状的分析设备，

其中，所述的相关的探测器的光轴并不相交于在所述轴的方向上的投影面上的一点。

11.如权利要求10所述的一种三维形状测量装置，其特征在于所述的探测器根据三角测量法探测到被测物体的距离，各个探测器具有一个用来向被测物体投射光的光投射部分和一个被布置在距离所述的光投射部分预定距离的接收从被测物体散射或反射的光的光接收部分，其中所述的光投射部分实现在和所述轴的方向相垂直的方向上的一预定角度内的光的扫描。

12.如权利要求11所述的一种三维形状测量装置，其特征在于所述的被布置在所述的活动框架同一侧的彼此靠近的探测器的所述的相关的光投射部分的扫描中心互相交于距离探测器比距离所述测量区间的中心更远的地方。

13.如权利要求11所述的一种三维形状测量装置，其特征在于所述的各探测器的光接收部分被布置在所述轴的方向上距离被布置在对边上的其它探测器的所述光投射部分一预定距离的地方。

14.如权利要求10所述的一种三维形状测量装置，其特征在于所述的活动框架是U形或马蹄形。

15.如权利要求10所述的一种三维形状测量装置，其特征在于还包含有在所述测量区间中的一个放置台，所述的被测物体被放置在它的上面。

16.如权利要求10所述的一种三维形状测量装置，其特征在于还包含有将所述测量区间和所述活动框架的移动空间分隔的内墙罩。

17.如权利要求11所述的一种三维形状测量装置，其特征在于还包含有将所述测量区间和所述活动框架的移动空间分隔的内墙罩，所述的内墙罩具有在所述探测器和所述被测物体之间的部分透射光的窗口。

18.如权利要求10所述的一种三维形状测量装置，其特征在于所述轴的方向实质上是重力的方向，所述的三维形状测量装置还包含有一被布置在所述测量区间上的旋转件和一个柔韧细长的部件，该柔韧细长部件的一端和所述的活动框架相连，另一端和一个和活动框架重量基本相同的配重相连，所述的柔韧细长部件被套在所述的的旋转件上，

其中所述的驱动机构旋转所述的旋转件，通过所述的柔韧细长部件来移动所述的活动框架。

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