JP2002162208A - 三次元計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反射光などの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。 【解決手段】 センサー１からの出力を基に、姿勢推定
部２がロボットの姿勢を推定する。フィルター角度決定
部４は、姿勢推定部２によって推定された姿勢を基に姿
勢／フィルター角度記憶部３を参照してフィルターの角
度を決定する。この決定に基づき、フィルター制御部５
の制御により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の角度を調節する。こ
のように最適な角度に調整された偏光フィルター１３が
不要な光成分をカットすることにより、撮像部１４は光
切断線を鮮明に撮像することができる。

Description

【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、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
とを備えることにより、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。

【００１１】また、本発明の三次元計測装置において
は、前記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
段を備えており、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を特徴とす
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５
０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Ｓ
２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（１
３）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（登録商標）デ
ィスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯ
Ｍ、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

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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、 を備えることにより、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。
2. 【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。
3. 【請求項３】 前記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ており、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を
   特徴とする請求項１または２に記載の三次元計測装置。