JP2003505682A - 大きな物体の幾何学的形状を走査するシステム - Google Patents

大きな物体の幾何学的形状を走査するシステム

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JP2003505682A
JP2003505682A JP2001512250A JP2001512250A JP2003505682A JP 2003505682 A JP2003505682 A JP 2003505682A JP 2001512250 A JP2001512250 A JP 2001512250A JP 2001512250 A JP2001512250 A JP 2001512250A JP 2003505682 A JP2003505682 A JP 2003505682A
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ペターゼン，アルフ
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メトロノール・エイエスエイ
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Abstract

(57)【要約】 表面の幾何学的形状を局所的に一点毎に検出する装置（２）を備えたセンサーユニット（１）、および該センサーユニット（１）を動かすためのロボットユニット（４）を具備した物体（６）の表面の幾何学的形状を検出するシステムにおいて、該センサーユニット（１）は該物体の表面の幾何学的形状を非接触的に探査検出するための光学的スキャナーユニット（２）、および既知の位置にある基準点（９）のネットワーク（８）によって定義される全体的な座標系の中における該センサーユニット（１）の位置を決定するように設計された位置測定ユニット（３）を含にでいるシステム。さらに計算ユニット（５）が備えられ、該計算ユニット（５）はスキャナーユニット（２）および位置測定ユニット（３）からのデータを集め、スキャナーユニット（２）からのデータを全体的な座標系に関係付けるために変換するように設計されている。またさらに物体（６）の表面の幾何学的形状を検出する方法、およびセンサーユニット（１）を較正する方法が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は特許請求の範囲請求項１および１１の冒頭の部分に記載したような物
体の幾何学的形状を走査（スキャン）するシステムおよび方法に関する。
【０００２】 表面を測定するためのレーザーをベースにしたスキャナーは多数存在している
。これらの装置は制限された作動容積または制限された測定容積をもち、また該
表面から特定のずらされた位置に置かれることを必要とし、さらに表面に対して
特定の向きをもつことを必要とすることを特徴としている。従ってスキャナーは
正確な座標測定器の上に取り付けられ、スキャナーが表面を横切って一つの領域
から別の領域へと段階的に移動できるようにされていることが多い。座標測定器
は複雑で、融通性がなく、価格が高い。
【０００３】 もっと融通性に富み簡便な解決法が求められている。別法としては、スキャナ
ーをロボットに取り付け、物体を横切ってロボットによりスキャナーを動かす方
法がある。この場合各位置に対し表面の一部を走査する。この測定によってスキ
ャナーの位置に関する情報が記録され、この値はロボットによって提供される全
体的な座標系へ変換される。
【０００４】 大部分のロボットは精度が低い。従ってロボットの座標系に基づいてデータの
変換を行なっても物体の全体的な幾何学的形状を十分正確に記録することはでき
ない。ロボットの動きをもっと良く記述するためにロボットを較正することは改
善の助けになるが、摩耗のような効果および温度の変動のためにその効果はあま
り十分ではない。
【０００５】 本発明においてはノルウェー特許３０３．５９５号記載の位置測定装置を使用
してロボットとスキャナーとから成る解決法が組み合わされている。スキャナー
および位置測定装置は一体化された一つのスキャナー・ユニットになっている。
この解決法においては、位置測定装置がスキャナーの正確な位置に関する情報を
与える。ロボットは単にセンサー・ユニットを動かすためだけに使用される。
【０００６】 このシステムおよび方法の特徴はそれぞれ特許請求の範囲請求項１および１１
に記載され、他の具体化例は他の従属請求項に記載されている。
【０００７】 図１はシステムの形態の一例を示す。このシステムは原則として二つのユニッ
ト、即ちセンサー１とロボット４から成っている。ロボットは物体６の上の現在
測定される区域１２に対してセンサー１を位置させるのに使用される。センサー
１は物体の局所的な位置を記録し、それ自身の位置を全体的な座標系１３に対し
て測定する。
【０００８】 センサーユニット１は幾何学的形状を局所的に走査するスキャナーユニット２
および全体的な座標系１３に対しセンサーユニット自身の位置を測定するための
位置測定ユニット３から成っている。スキャナーユニット２、例えばレーザー・
スキャナーはレーザービーム１１を放射し、このビームは限定された区域１２を
走査する。位置測定ユニット３はそれ自身の位置を記録し、従って基準点９のネ
ットワーク８に対しセンサーユニット１の位置を記録する。基準点の位置は全体
的な座標系１３に対して既知である。
【０００９】 このシステムはまた、スキャナーユニット２および位置測定ユニット３からデ
ータを集め、スキャナーユニットからのすべての情報を同じ全体的な座標系１３
へ変換する計算ユニット５を含んでいる。また計算ユニット５はデータをロボッ
ト４に送り、物体に対するロボットの動きを制御する。
【００１０】 図２は他の形態を示す。基準点９は物体６に取り付けられている。位置測定ユ
ニット３はこれらの基準点を見るために配置されている。
【００１１】 スキャナーユニット２は例えば次のような型の一つであることができるが、こ
れだけに限定されるものではない。
【００１２】 ・ 一点においてスキャナーユニットと物体との間の距離を測定するレーザー
距離計。
【００１３】 ・ 単一軸走査レーザーまたはレーザーライン投影機をベースにし、これをカ
メラ（例えばＣＣＤセンサー）と組み合わせた三角測量形式のセンサー。このよ
うなセンサーは各センサーの位置から１本の線の走査を行う。
【００１４】 ・ 二重軸走査レーザーまたはレーザー・ラスター投影機をベースにし、これ
をカメラ（例えばＣＣＤセンサー）と組み合わせた三角測量形式のセンサー。
【００１５】 ・ パターンの投影機をベースにし、これを１個またはそれ以上のカメラ（例
えばＣＣＤセンサー）と組み合わせたセンサー。
【００１６】 図３は三角測量形式センサーの原理を示す。このセンサーはレーザー・ビーム
１１またはレーザー面（線の投影）を放射するレーザー１４を含んでいる。レー
ザーは点１５または線を物体６に投影する。点１５はレンズ１６を通してセンサ
ー１７、例えばＣＣＤの配列の上に像を結ぶ。スキャナーユニット２は、それが
内部座標系１８に対して点１５の位置を測定するように較正されている。他の実
装においては、レーザー・ビームは二つの軸をもつ動き得るミラーを通って表面
に当たることができる。このようにして三角測量形式のセンサーの各点から表面
の区域を走査することができる。
【００１７】 このスキャナーの重要な特徴は、スキャナーの内部座標系に対し物体の局所的
な幾何学的形状を記録することである。スキャナーの各位置に対し点、線に沿っ
た点、または二次元のパターンの点について記録を行うことができる。
【００１８】 好適具体化例においては、位置測定装置３は図４に示すようなノルウェー特許
３０３．５９５号記載のような型の装置である。実質的にはこれはユニットの中
に一緒に取り付けられた１個またはそれ以上のカメラから成っている。各カメラ
は、点、線または他の容易に認識できる物体の形の基準パターンを見ている。セ
ンサーユニット１の各位置に対し、基準パターン８の点９はレンズ１９を通して
センサー２０の上に像を結ぶ。このデータは計算ユニット５へ送られる。計算ユ
ニットのソフトウエアによって基準パターン８に対し位置測定ユニット３の位置
および向きが計算される。図４の位置測定装置は手動操作のための運搬把手２１
および作動スイッチ２２が取り付けられているように示されている。また基準パ
ターン８を照らすための照明用光源２３およびノルウェー特許３０３．５９５号
記載のような物体に触ることによって各点を測定するための機械的なプローブ２
４も示されている。
【００１９】 物体の座標系の中における基準パターン８が知られているか、或いは基準パタ
ーン８が図２に示すように物体自身の一部である場合には利点が得られる。これ
は、位置測定装置によって認識できる孔を物体がもっているか、或いは例えば物
体の中の孔または凹部の中へ容易に認識できる標的を取り付けることによって基
準パターンを物体に付加することにより達成される。これらの標的は例えば純粋
に受動的な標識、光源、光反射体または同様物であることができる。
【００２０】 スキャナーユニット２と位置を測定するためのユニットとの間の幾何学的関係
が知られており且つ安定であることは重要である。このことは、安定で正確な公
知の機械的な構成物によって、また下記に説明するような較正法によってその一
部を達成することができる。
【００２１】 ロボット４の唯一の目的はセンサーユニット１を物体６の対して正しい位置お
よび方向で位置させることである。いくつかの型のロボット原理、例えばアーム
・ロボット、デカルト座標系ロボット、および１、２、３またはそれ以上の自由
度をもったロボットを使用することができる。ロボットは予め定められたプログ
ラムにより或いは物体に対するセンサーユニットの測定された位置を使用して制
御され、現在の位置に関する相対的な運動に対する指令を発行する。
【００２２】 各位置に対しセンサーユニット１からのデータは同じ全体的な座標系１３の中
で評価されなければならない。そのためにはスキャナーユニットの座標系ＸS、
ＹS、ＺSと位置を測定するユニットの座標系ＸC、ＹC、ＺCとの間の関係を知る
必要がある。図５はこの関係を決定する方法を示す。センサーユニット１は少な
くとも三つの基準点９が測定容積の内部に入るように配置されている。スキャナ
ーユニットの座標系に対する基準点の位置および基準点に対する位置測定ユニッ
トの位置を同時に記録することにより、これらの二つの座標系の間の変換を計算
するのに必要な情報が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 システムの解決法を示す図。
【図２】 他の形態を示す図。
【図３】 センサーユニットの一例、三角測量方式のセンサーを示す図。
【図４】 ノルウェー特許３０３．５９５号記載の位置測定装置の一例を示す図。
【図５】 センサーユニットの内部幾何学的形状を決定する方法を示す図。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年１０月８日（２００１．１０．８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項３】 基準点（９）のネットワーク（８）は該物体の上にあり、該
ネットワークの中の各基準点に対する位置は該物体に関する座標系に対して既知
であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】 ロボットユニット（４）は物体（６）の上方でセンサーユニ
ット（１）を段階的に動かすようにに設計されていることを特徴とする請求項１
記載のシステム。
【請求項５】 スキャナーユニット（２）は、レーザー・スキャナー、単一
点距離計、カメラと組み合わされたレーザーをベースにした三角測量方式のセン
サー、二軸走査レーザーを備えた三角測量方式センサー、カメラと組み合わされ
たレーザー・ラスター投影機を備えた三角測量方式センサー、少なくとも１個の
カメラと組み合わされたパターン投影をベースにしたセンサーから成る群から選
ばれることを特徴とする請求項１〜５記載のシステム。
【請求項７】 位置測定ユニット（３）の該カメラはＣＣＤカメラであるこ
とを特徴とする請求項１〜７記載のシステム。
【請求項８】 基準点（９）は物体（６）の表面にある孔または凹部である
ことを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項９】 基準点（９）は物体（６）の上にあるかまたは該物体（６）
の表面の孔または凹部にあるいわゆる「標的」であることを特徴とする請求項３ または８ 記載のシステム。
【請求項１０】 表面の幾何学的形状を局所的に一点毎に検出する装置（２
）を備えたセンサーユニット（１）、既知の位置にある基準点（９）のネットワ
ーク（８）に関するセンサーユニットの位置を全体的な座標系に対して決定する
位置測定ユニット（３）、および該センサーユニット（１）を動かすためのロボ
ットユニットを使用して物体（６）の表面の幾何学的形状を検出する方法におい
て、 該物体（６）の表面の区域が該装置（２）の測定容積の内部に入るようにセン サーユニット（１）を配置し、 該装置（２）によって該区域を光学的に走査し、 同時に該位置測定ユニット（３）によって該ネットワーク（８）の座標系に対 する光学的走査装置（２）の位置を決定し、 走査装置（２）からのデータを計算ユニット（５）へ送り、ここで該データを ネットワーク（８）の座標系へ変換して保存する工程から成ることを特徴とする 方法。
【請求項１１】 ロボットユニット（４）によりセンサーユニット（１）を
段階的に動かすことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】 表面の幾何学的形状を局所的に検出する装置（２）、およ
び既知の位置にある基準点（９）のネットワーク（８）に関し全体的な座標系の
中におけるセンサーユニット（１）の位置を決定するための位置測定ユニット（
３）を具備し、且つ物体に対して動くようにロボットユニット（４）に取り付け
られているセンサーユニット（１）を較正する方法において、 ａ）少なくとも三つの基準点（９）が該装置（２）の測定容積の内部に入るよ うにセンサーユニット（１）を配置し、ここで該装置（２）は光学的に捜査を行 うことが でき、 ｂ）該光学的に走査を行う装置（２）に対する該基準点（９）の位置を決定し 、 ｃ）同時に位置測定ユニット（３）によってネットワーク（８）の座標系に対 するセンサー（１）の位置を決定し、 ｄ）光学的走査装置の座標系に対し少なくとも３個の基準点（９）の位置が決 定されるまでａ〜ｃまたはｂ、ｃを繰り返し、 ｅ）走査装置（２）および位置測定ユニット（３）によって記録されたデータ に基づいて該二つのユニットの相互関係を記述する変換マトリックスを計算する 工程から成ることを特徴とする方法。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2F065 AA01 AA04 AA06 AA19 AA20 AA53 AA56 BB02 BB05 BB27 DD19 FF01 FF02 FF04 FF09 FF23 FF41 FF61 GG04 HH04 JJ02 JJ03 JJ05 JJ25 JJ26 LL04 LL12 LL62 MM16 PP04 PP25 QQ25 QQ28 QQ31 RR07 RR09 RR10

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 表面の幾何学的形状を局所的に一点毎に検出する装置（２）
    を備えたセンサーユニット（１）、および該センサーユニット（１）を動かすた
    めのロボットユニット（４）を具備した物体（６）の表面の幾何学的形状を検出
    するシステムにおいて、該センサーユニット（１）は該物体の表面の幾何学的形
    状を非接触的に探査検出するための光学的スキャナーユニット（２）、および既
    知の位置にある基準点（９）のネットワーク（８）によって定義される全体的な
    座標系の中における該センサーユニット（１）の位置を決定するように設計され
    た位置測定ユニット（３）を含み、さらに計算ユニット（５）が備えられ、該計
    算ユニット（５）はスキャナーユニット（２）および位置測定ユニット（３）か
    らのデータを集め、スキャナーユニット（２）からのデータを全体的な座標系に
    関係付けるために変換するように設計されていることを特徴とするシステム。
  2. 【請求項２】 ロボットユニット（４）はセンサーユニット（１）を段階的
    に動かすように設計されていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
  3. 【請求項３】 位置測定ユニット（３）はカメラをベースにしたセンサー（
    ７）から成り、該ユニット（３）は既知の位置にある基準点（９）から成るネッ
    トワーク（８）の像を記録するように設計されていることを特徴とする請求項１
    記載のシステム。
  4. 【請求項４】 基準点（９）のネットワーク（８）は該物体の上にあり、該
    ネットワークの中の各基準点に対する位置は該物体に関する座標系に対して既知
    であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
  5. 【請求項５】 ロボットユニット（４）は物体（６）の上方でセンサーユニ
    ット（１）を段階的に動かすように設計されていることを特徴とする請求項１記
    載のシステム。
  6. 【請求項６】 スキャナーユニット（２）は、レーザー・スキャナー、単一
    点距離計、カメラと組み合わされたレーザーをベースにした三角測量方式のセン
    サー、二軸走査レーザーを備えた三角測量方式センサー、カメラと組み合わされ
    たレーザー・ラスター投影機を備えた三角測量方式センサー、少なくとも１個の
    カメラと組み合わされたパターン投影をベースにしたセンサーから成る群から選
    ばれることを特徴とする請求項１〜５記載のシステム。
  7. 【請求項７】 ロボットユニット（４）はアームをベースにしたロボット、
    デカルト座標系ロボット、１、２またはそれより多くの自由度をもつロボット、
    プログラムにより制御されるロボット、被測定物体に関しセンサーユニット（１
    ）の記録された位置および現在の位置に対する運動の指令に基づく実時間位置制
    御ロボットから成る群から選ばれることを特徴とする請求項１〜６記載のシステ
    ム。
  8. 【請求項８】 位置測定ユニット（３）の該カメラはＣＣＤカメラであるこ
    とを特徴とする請求項１〜７記載のシステム。
  9. 【請求項９】 基準点（９）は物体（６）の表面にある孔または凹部である
    ことを特徴とする請求項４記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 基準点（９）は物体（６）の上にあるかまたは該物体（６
    ）の表面の孔または凹部にあるいわゆる「標的」であることを特徴とする請求項
    ４または９記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 表面の幾何学的形状を局所的に一点毎に検出する装置（２
    ）を備えたセンサーユニット（１）、既知の位置にある基準点（９）のネットワ
    ーク（８）に関するセンサーユニットの位置を全体的な座標系に対して決定する
    位置測定ユニット（３）、および該センサーユニット（１）を動かすためのロボ
    ットユニットを使用して物体（６）の表面の幾何学的形状を検出する方法におい
    て、 該物体（６）の表面の区域がスキャナーユニット（２）の測定容積の内部に入
    るようにセンサーユニット（１）を配置してこの区域を走査し、位置測定ユニッ
    ト（３）が該ネットワーク（８）の座標系に対するスキャナーの位置を同時に決
    定し、スキャナーユニット（２）からのデータを計算ユニット（５）へ送り、こ
    こで該データはネットワーク（８）の座標系へ変換されて保存されることを特徴
    とする方法。
  12. 【請求項１２】 ロボットユニット（４）によりセンサーユニット（１）を
    段階的に動かすことを特徴とする請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 表面の幾何学的形状を局所的に検出する装置（２）、およ
    び既知の位置にある基準点（９）のネットワーク（８）に関し全体的な座標系の
    中におけるセンサーユニット（１）の位置を決定するための位置測定ユニット（
    ３）を具備し、且つ物体に対して動くようにロボットユニット（４）に取り付け
    られているセンサーユニット（１）を較正する方法において、 少なくとも三つの基準点（９）がスキャナーユニット（２）の測定容積の内部
    に入るようにセンサーユニット（１）を配置し、スキャナー（２）に対する基準
    点（９）の位置を決定し、同時に位置測定ユニット（３）によってネットワーク
    （８）の座標系に対するセンサー（１）の位置を決定し、スキャナーユニットの
    座標系に対し少なくとも３個の基準点（９）の位置が決定されるまでこれを繰り
    返し、スキャナーユニット（２）および位置測定ユニット（３）によって記録さ
    れたデータに基づいて該二つのユニットの間の関係を記述する変換マトリックス
    を計算することを特徴とする方法。
JP2001512250A 1999-07-13 2000-07-10 大きな物体の幾何学的形状を走査するシステム Pending JP2003505682A (ja)

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