JP2004518123A

JP2004518123A - 外部座標系に対して非接触形状測定センサーを較正する方法並びに装置

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Publication number: JP2004518123A
Application number: JP2002557747A
Authority: JP
Inventors: グリール、デール・アール; デール、グレゴリー・エー
Original assignee: Perceptron Inc
Current assignee: Perceptron Inc
Priority date: 2001-01-16
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2004-06-17
Also published as: EP1352212A1; US6460004B2; CA2434665A1; WO2002057712A1; US20010021898A1

Abstract

【課題】
【解決手段】この校正システムは、製造測量ステーション（２００）と関連した外部基準フレームに対してセンサーを校正するために設けられている。ターゲット校正装置（６００）が、外部基準フレームと関連したその基準フレームを検出して校正するように視点に配置されている。少なくとも３つの非共面の反射面を有する基準ターゲット（４０６）が、センサーから射出された構造光により照射される。このようにして、校正システムは、センサーに関連した基準ターゲットの空間位置と向きとを決定することができる。また、校正システムは、ターゲット校正装置と形状測定センサー（２４０）とからの測定データを座標化するための座標変換システムを有し、この結果、形状測定センサー（２４０）は、外部基準フレームに対して校正される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、１９９８年５月５日に特許になった米国特許Ｎｏ．５，７４８，５０５の継続出願である、１９９８年５月４日に出願された米国特許出願Ｎｏ．０９／０７３，２０５の一部継続出願である、１９９８年２月２５日に出願された米国特許出願Ｎｏ．０９／０３０，４３９の一部継続出願である、”ＭｅｔｈｏｄａｎｄＡｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒＣａｌｉｂｒａｔｉｎｇａＮｏｎ−ＣｏｎｔａｃｔＧａｕｇｉｎｇＳｅｎｓｏｒｗｉｔｈＲｅｓｐｅｃｔｔｏａｎＥｘｔｅｒｎａｌＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＳｙｓｔｅｍ”の名称で１９９９年８月１７日に出願された米国特許出願Ｎｏ．０９／３７８，４５１の一部継続出願である。これら出願は、同じ譲受人による。
【０００２】
本発明は、非接触形状測定システムに一般的に関する。特に、本発明は、非接触形状測定システムを校正するための装置システム並びに方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
自動車のような大量生産物品の製造者は、高品質への要求に対応するために、組立ラインでの製造は、最初に考えたときには、知られていない自動製造技術を使用しなければならない。現在、ロボット技術が、以前に可能であった製品を組立、溶接、仕上げ、計測、並びにテストするために使用されている。コンピュータ支援製造技術により、デザイナーは、コンピュータのワークステーシヨンにおいて新製品をグラフィック的に概念化して設計することが可能であり、また、自動製造プロセスは、デザインが仕様に従って精度良く忠実になされることを確実にしている。マシン視覚が、現在の製造環境ではキイポイントとなっている。マシン視覚システムは、ロボットと共に使用され、また、高品質を果たすコンピュータ支援デザインシステムが、最低の実質コストで果たされる。
【０００４】
高品質でパーツを製造することは、高精度で校正されたマシン視覚センサーを必要としている。センサーは、対象とする製造される形態を認識するように適当な解像度を有していなければならないだけではなく、センサーは、対象とする形態がワークピース上の他の形態に関連され得るように、基準の既知のフレームに正確に校正されなければならない。正確な校正がなくて、最も感度が良い場合には、高解像度のセンサーは、高品質の結果を得ることはできないであろう。
【０００５】
代表的な製造環境内には、ワークピースの製造、形状測定もしくはテストのステーション内の種々の所定の場所に配置された、光学センサーのような複数の異なる非接触センサーが設けられ得る。ワークピースは、このようなステーション内の所定の固定された位置に置かれて、ワークピースの種々の所定形態がセンサーで形状測定されることを可能にしている。好ましくは、センサーの全ては、適当に配置されて、ワークピースもしくはワークステーションの共通基準フレームのようなある種の共通固定フレームに対して注意深く校正されなければならない。
【０００６】
適当に配置並びに校正されたセンサーを維持するためには、幾つかの問題がある。代表的な製造環境において、センサー並びにこれらに関連した装着構造体は、当てられて、センサーをアラインメントから外してしまう。また、センサーは、時々交換される必要があり、この場合にはほとんど再配向並びに再校正が要求される。全く単純なセンサーの位置付け、アラインメント並びに校正は、代表的な製造プラントにおいて、注意深くすることが必要である。
【０００７】
適切なセンサーの位置付け、アラインメント並びに校正は、かなりの時間と労力とを必要とする。即ち、所定の部品もしくは組立品に対して、全体の製造組立ラインをシャットダウンしてワークステーションを始めに戻してから、センサーは、位置付け、アラインメント並びに校正される。ある場合には、このことは、部品もしくは組立品を高精度で非常に高価なフルスケールモデルでワーンステーションに位置させることが必要となる。このような独立して測定された部品は、度々、マスター部品と称されている。このマスター部品は、ワークステーションの外部座標系を用いた注意深い表示で配置され、また、各センサーは、割り当てられた形態（例えば、孔しくはエッジ）上を移動される。そして、位置付けられると、センサーは、その位置なロックされて校正され、また、マスター部品は除去される。この後に、組立ラインは、オンラインに戻される。
【０００８】
前記マスタ部品を使用する異なる方法として、ターゲットをセンサーに装着し、センサーにより発生される構造光の面を使用してターゲットを照明することにより形状測定センサーを校正することが可能である。セオドライトのような１対の光学的視覚装置が、ワークスペース内の異なる視点に配置される。これらセオドライトは、ターゲットの位置の独立した読み取りを果たすように、照明されたターゲットを三角法で測定する。これらセオドライトは、外部の基準フレームに対して注意深く定められた場所に配置される。構造光をターゲット上に投影する形状測定センサーを使用して、セオドライトは、照明されたターゲットに手動で照準されて、読み取りがなされる。これらセオドライトと形状測定センサーとの夫々の読み取りは、外部の基準フレームに対してセンサーを校正するように、座標にプロットされると共に送られる。それは、トライアル並びにエラープロセスである。センサーが、再配向されることが必要であると（度々あるように）、セオドライトは、各センサーの位置調節の後に、ターゲット上に手動で保持されなければならない。校正技術での多くの情報に対しては、Ｄｅｗａｒｅｔａｌに対しての米国特許Ｎｏ．４，８４１，４６０により判る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記両校正技術をする場合に、より効率良くかつ容易に果たし、かつ高価なマスタ部品に頼ることを減じる校正技術で対象物を考えられ得る。このために、本発明は、時間に代わって分のレベルで使用され得、高精度で製造されるマスター部品の必要性をなくした校正システムを提供する。本発明の主な効果の１つは、ラインをシャットダウンして期間を延長する必要がない、ライン間でのチェックもしくは再配置されるようにセンサーを校正することが可能であることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
校正システムは、製造もしくは組立て領域、もしくは測量ステーションの外部基準フレームと固定の関係で配置された基準指標を使用している。ターゲット校正装置が、視点、代表的には測量ステーションの上方に配置されており、この結果、前記基準指標は、ターゲット校正装置の視野内にある。このターゲット校正装置は、測量ステーション内の携帯可能な基準ターゲットの空間位置と向きとを決定するように動作する。一例のターゲット校正装置は、これに限定されることはないが、写真測量システム、セオドライトシステム、もしくはレーザ追跡システムを含み得る。
【００１１】
校正システムは、更に、ターゲット校正装置の観察視野内と、また、形状測定センサーの感知領域内とに配置された携帯可能な基準ターゲットを使用している。現在の好ましい携帯可能な基準ターゲットは、形状測定センサーから射出される構造光により照射され得る少なくとも３つの非共面の反射構造体（例えば、真直ぐなエッジ）を与える三次元のフレームワークである。本発明の一部として、形状測定センサーは、これに限定されることはないが、構造光の三角法形状測定センサーを含む。前記非共面の反射構造体は、携帯可能な基準ターゲットの位置と向きとを測定するための空間データを形状測定センサーに与えるけれども、本発明は、可視ドットパターンもしくは光感知結像アレイ装置（例えば、ＣＣＤ）を支持するターゲットを適用することにより、測定データの精度を改善している。このようにして、携帯可能な基準ターゲットは、明瞭な空間データをこれの位置と向きとを測定するために与える。
【００１２】
校正システムは、更に、ターゲット校正装置と形状測定センサーとから測定データを座標化するための座標変換システムを有する。更に、この校正システムは、ターゲット校正装置と形状測定センサーとからデータを集めるようになっている。前記変換システムは、ターゲット校正装置と外部基準フレームとの間の第１の関係を確立する。また、この変換システムは、ターゲット校正装置の基準フレームと形状測定センサーの基準フレームとの間の第２の関係を確立する。最後に、この変換システムは、形状測定センサーの基準フレームと外部基準フレームとの間の第３の関係を決定し、かくして、形状測定センサーは、外部基準フレームに対して校正される。
【００１３】
本発明のシステムと技術とは、形状測定センサーの簡単な校正を可能とする。ターゲット校正装置は、基準指標によって外部基準フレームに最初に校正される。次に、携帯可能な基準ターゲットは、ターゲット校正装置と形状測定センサーとの視野内に配置される。そして、この携帯可能な基準ターゲットは、ターゲット校正装置の基準フレームに対して校正される。かくして、形状測定センサーは、形状測定センサーから携帯可能な基準ターゲットへ構造光を投影することにより校正される。この構造光は、ターゲットと交差し、形状測定センサーに読み取られるターゲットのエッジでの反射光パターンを発生させる。前記座標変換システムは、どこで構造光がターゲットと関連した光感知結像アレイ装置もしくはドットパターンに当たるかに関する測定データを同じに受ける。かくして、この座標変換システムは、外部基準フレームに戻す形状測定センサーのデータをマップ付けする適当な座標変換を果たす。全校正シーケンスは、非常に迅速になされ得る。
【００１４】
本発明と、この目的と、効果との完全な理解のために、添付図面を参照した以下の説明がなされる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１には、他の自動車構成部品と組合わされる前で、所定のキーポイントの測量が必要である代表的な自動車の車体の一部が示されている。図１のワークピース１００上の対象物の種々のポイントがポイント１１０−１ないし１１０−ｎとして示されている。車体の左側面１００Ｌと車体の右側面１００Ｒとは、図１では便宜のために折り曲げられていない“ｕｎｆｏｌｄｅｄ”で示されている。これらポイントの代表的な使用もしくはこれらポイントが選択される方法は、例えば、ワークピース１００に対して組立プロセスを確実に果たさせることにより導かれる。例えば、自動車の前側のボンネットキャビテイの上方には、まだボンネットが組立てられていないことを仮定している。かくして、ポイント１１０−６，１１０−７，１１０−８，１１０−９でのようなポイントの周辺の測定については、車体へのボンネットの組立を果たすことが、組立てられる部品間の許容され得る状態でなされ得るか否かを決定するようになされる得る。
【００１６】
本発明の譲受人に与えられたＤｅｗａｒｅｔａｌへの米国特許Ｎｏ．４，６４５，３４８に開示されている光学的配置を含む多くのセンサーの配置が知られているが、如何なる所望の基準フレームに対する大型のワークピースの周り目標の全ての所望のポイントでのセンサー読取りを較正するのにはかなりの時間を必要としている。本発明は、比較的早い較正に対する必要性に向けられている。
【００１７】
図１に示されるような自動車の部品のための代表的な測量ステーションは、図２に示す形態を取り得る。測量ステーション２００で測定されるワークピースが、搬送パレット２２０上に乗っている。これら搬送パレットは、これらのガイドチャンネル２３１を通るパレットガイド２３０により、組立ラインに沿って移動される。測量ステーション２００で、センサー装着フレーム２１０（これの半分のみが図２で斜視図で示されている）が、測定されるワークピース１００を囲んでおり、例えば、各々が米国特許Ｎｏ．４，６４５，３４８の説明に従ってデザインされた一連の光学形状測定センサー、即ち、非接触形状測定センサー２４０−１ないし２４０−ｎに対する複数の装着場所を与えている。明確にするために、図２には特に示されていない伝送ケーブルが、センサー２４０をマシン視覚コンピュータ２５０に接続している。このコンピュータは、ＣＲＴ、即ち、陰極線管ディスプレイ２５１を備えている。代表的なマシン視覚コンピュータは、オプションとしてプリンター２６０を有する。本発明の装置並びに方法は、例えば、測定されるワークピース１００と関連した所定の外部座標系、即ち、基準フレームに対してか、測量ステーション自身に関連した外部基準フレームに対して、非接触センサー２４０の各々の較正を果たすのに使用され得る。
【００１８】
図３で、前記測量ステーション２００は、本発明の較正システムと関連して示されている。図示を簡単にするために、１つの形状測定センサー２４０のみが示されている。本発明の一部として、この形状測定センサー２４０は、構造光の三角法センサーを含むが、これには限定されることはない。この形状測定センサー２４０は、符号２７０の所で測量ステーションのフレームに調節可能に装着されている。かくして、形状測定センサー２４０は、位置が調節され得、かくして、対象のワークピース形態が位置付けされるスペース（ｘ，ｙ，ｚ）内のポイントで適当に照準されると共に正確な姿勢（ピッチ、横揺れ角、ロール）で適当に配向されると、その位置に締めつけもしくはロックされる。この非接触形状測定センサー２４０は、感知領域と、これに関連したセンサー基準フレーム並びに座標系を有する。
【００１９】
本発明の較正システムは、また、携帯可能な基準ターゲット４００を有する。この携帯可能な基準ターゲット４００は、これが較正動作のために形状測定センサー２４０の前に位置されることを可能にする適当な固定物に装着され得る。この場合、携帯可能な基準ターゲット４００は、カンチレーバアーム４０４を備えた簡単な三脚スタンド４０２に装着されて示されている。他の支持構造体が、本発明の範囲内で使用され得ることが想定される。さらに、携帯可能な基準ターゲット４００は、形状測定センサー２４０から出る構造光により照明され得る少なくとも３つの非共面の反射部材４０６を与える三次元フレームワークとして規定されている。これら非共面の反射部材４０６は、形状測定センサー２４０に、携帯可能な基準ターゲット４００の位置と向きとを測定するための空間データを与えるけれども、測定データの精度は、光感知結像アレイ装置もしくは受動反射ドットを支持するように携帯可能な基準ターゲット４００を適合させることにより改善される。
【００２０】
図４に示されるように、一形式の携帯可能な基準ターゲット４００は、平坦なベース４０８に結合された少なくとも３つの起立コーナ部材４０６により構成されている。各部材４０６の外側コーナエッジ４０５は、形状測定センサー２４０からの構造光面のための反射面として機能する。光感知電荷結合装置（ＣＣＤ）もしくは他の光感知結像アレイ装置が、各部材４０６の外側コーナエッジ４０５に沿ってアラインメントされている。このようにして、ＣＣＤは、非接触センサー２４０からの構造光が携帯可能な基準ターゲット４００のコーナ部材４０６の各々のどこに入射しているかに関する位置データを与える。このＣＣＤは、１ｘＮ（リニアー）装置であることが想定される。ここで、Ｎは、適当な解像度（例えば、４０９６ピクセル）を与えるように選定される。この分野の者は、少なくとも３つの非共面の反射面を与える他の幾何学的形態が携帯可能な基準ターゲットのために使用され得ることが容易に認識するであろう。
【００２１】
図３に示すように、較正システムは、さらに、ターゲット較正装置６００を有する。この装置は、測量ステーション２００でワークピースが占めているスペースの上方のような適切な視点ポイントに配置され得る。代わって、ターゲット較正装置６００は、これを測量ステーションフレームから吊り下げるか、これを移動可能なスタンドに装着するなど、所定の場所に一時的に位置され得る。この結果、ターゲット較正装置６００は、製造施設内の位置間で移動可能となる。
【００２２】
本発明の一態様に係われば、写真測量システム６００が、ターゲット較正装置として機能する。この写真測量システムは、写真測量ターゲットとして光のドットもしくはポイントの良く知られた原理で動作する。一般的に、対として較正される少なくとも２つのカメラ６０４，６０５が、三次元座標フレームで写真測量ターゲットを測定するために使用され得る。この写真測量システム６００は、携帯可能な基準ターゲットに添えられる既知の座標で、少なくとも３つの非共面のポイントのＸＹＺ座標を測定することができる。かくして、形状測定センサー２４０と写真測量システム６００との間に６自由度（ｆｕｌｌｓｉｘ−ｄｅｇｒｅｅ−ｏｆ−ｆｒｅｅｄｏｍ）のリンクが形成される。幾つかの商業的に入手可能な写真測量システムが、センサーのリアルタイム位置フイードバックを与えるように速い充分な応答時間を与えることができる。一例の写真測量システムは、スエーデンのサベダレンにあるＱｕａｌｉｓｙｓにより販売されているＰｒｏＲｅｆｌｅｓＭｏｔｉｏｎＣａｐｔｕｒｅＳｙｓｔｅｍ、もしくはノールウエイのネスブルにあるＭｅｔｒｏｎｏｒＡＳＡにより販売されているＭｅｔｒｏｎｏｒＳｙｓｔｅｍである。
【００２３】
前記２つの写真測量カメラ６０４，６０５は、測量ステーション２００でワークピースが占めているスペースの上方並びに／もしくは隣のような適切な視点ポイントに配置されている。複数の非共面写真測量ターゲット（特別には図示せず）が、また、携帯可能な基準ターゲット４００のベース中に組み込まれている。この好ましい実施の形態において、発光ダイオード（ＬＥＤ）が、写真測量ターゲットとして機能する。単一のスイッチングＬＥＤが、実施するのに容易であり、このために、現在では好ましいが、他の形式の能動もしくは受動写真測量ターゲット（例えば、ドット、孔、もしくは逆反射体）が、本発明に使用され得る。携帯可能な基準ターゲットの前記起立部材にアラインメントされた一連のドット（後述するように）が、また、写真測量ターゲットとして機能し得ることが想定される。携帯可能な基準ターゲット４００が、写真測量カメラ６０４，６０５の視野内にある限りは、これら写真測量カメラは、携帯可能な基準ターゲット４００の位置の正確な決定を与える。特に、３つ以上の非共線の写真測量（ｎｏｎ−ｃｏｌｌｉｎｅａｒｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｉｃ）ターゲット測定は、携帯可能な基準ターゲット４００の６自由度位置と向きとを得るであろう。
【００２４】
本発明の原理を説明するために、形状測定センサー２４０が、固定測量ステーション２００と関連した基準の外部フレームに対して較正されるようになっていることが想定されるであろう。このことについて、外部基準フレームＲ_Ｅが、図３に図式的に示されている。複数の非同線の基準指標２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃが、測量ステーション２００の構造に組み込まれている。
【００２５】
図５に示すように、携帯可能な基準ターゲット４０１のための第２の異なる好ましい実施の形態は、各光感知結像アレイ装置の代わりに一連のドット４１４を使用している。この携帯可能な基準ターゲット４０１は、一般的に、少なくとも３つの非共面の反射面を与える三次元フレームワークである。特に、このフレームワークは、平坦なベース４１２に結合された少なくとも３つの起立部材４１０により構成されている。一連の視覚ドット４１４が、各起立部材４１０の表面に沿って垂直に並べられている。これら視覚ドット４１４は、能動（例えば、発光ダイオード）でも受動（ドット、孔、もしくは逆反射体）でも良いことが想定される。
【００２６】
携帯可能な基準ターゲット４０３の第３の他の実施の形態が、図６に示されている。再び、この携帯可能な基準ターゲット４０３は、各光感知結像アレイ装置の代わりに一連のドット４１４を使用している。この携帯可能な基準ターゲット４０３は、また、少なくとも３つの非共面の反射面を与える三次元フレームワークである。この場合、このフレームワークは、固体Ｔ字形基台４１１に形成された少なくとも３つの起立面４１０により構成されている。そして、この基台４１１は、平坦なベース４１２に取着されている。一連の視覚ドット４１４が、各起立面４１０に沿って垂直に並べられている。これら視覚ドット４１４は、好ましくは、白い背景に対しての受動黒ドットである。しかし、これら視覚ドット４１４は、孔もしくは逆反射体を含む他の形式の受動形体でも良いし、また、発光ダイオードのような能動装置でも良い。ターゲット較正装置が、レーザ追跡装置であれば、逆反射体８０２が、前記Ｔ字形基台の上面に装着され得る。しかし、この逆反射体８０２は、携帯可能な基準ターゲット４０１の他の場所にも装着され得る。
【００２７】
動作において、携帯可能な基準ターゲット４０１，４０３は、非接触形状測定センサー２４０から射出された構造光により照射される。受動視覚ドットもしくは孔の場合には、補助光が、レーザ線の上方もしくは下方の視覚ドット４１４もしくは孔を照明するために使用され得る。形状測定センサー２４０を動作させる較正システムは、携帯可能な基準ターゲット４０１，４０３の視覚ドット４１４の空間位置に基づいて形状測定センサー２４０を較正することができる。センサーからの射出構造光は、起立部材４１０の２つのドット４１４間の領域に入射する。１つの形式の非接触形状測定センサー２４０は、構造光面内の測定のみを果たすようにデザインされている。このため、この場合には、矯正が必要である。ドット４１４は、センサー２４０の測定面内にはないけれども、図７に示されるように、面内に見える。この場合、単一の幾何学的投影が、視覚ドット４１４の物理的位置を、かくして、形状測定センサー２４０に対する携帯可能な基準ターゲット４０１，４０３の位置を決定するように、三次元空間でなされる。
【００２８】
以下に、図８を参照して、本発明の較正技術が説明される。第１に、ターゲット較正装置６００が、外部基準フレームに対して、この正確な位置が外部基準フレーム内で知られるように、較正される。そして、この位置は、メモリーにストアされる。ターゲット較正装置に接続された座標変換系が、この工程のために使用され得る。好ましくは、この座標変換系は、図２のマシン視覚コンピュータ２５０のプロセッサー形成部である。工程７０１で、携帯可能な基準ターゲット４００が、ターゲット較正装置の較正フイールド内に位置される。かくして、ターゲット較正装置６００は、ターゲット較正装置６００の基準フレームと携帯可能な基準ターゲット４０１との間の関係を確立する。
【００２９】
次に、工程７０２で、形状測定センサー２４０は、携帯可能な基準ターゲット４００上に構造光を投影し、また、この携帯可能な基準ターゲット４００から反射された光データを集める。前に説明されたように、起立面の位置が、確かめられ、そして、非接触形状測定センサー２４０の基準フレーム内の携帯可能な基準ターゲット４００の空間位置を記述するために使用される。この携帯可能な基準ターゲット４００の向きを決定するために、本発明の較正システムは、非接触センサー２４０からのデータと、ターゲット較正装置６００からのデータとを同時に集める。基準ターゲットの第１の実施の形態の場合には、較正システムは、また、基準ターゲットの撮像アレイ装置からのデータも集める。工程７０３で、これら測定データは、外部基準フレームに対して非接触センサー２４０を位置させかつ較正させるために、組み合わされる。これらデータが集められると、形状測定センサー２４０は、固定基準フレームＲ_Ｅに対して部分的に較正される。この測定は、外部基準フレーム並びに座標系に対して非接触センサー２４０の完全な位置と向きとを決定するように、センサーの視野内で好ましくは４つの異なる場所で繰り返すことが必要であろう。非接触センサー２４０の完全な位置と向きとを決定するための上記工程は、座標変換系をつくるプロセッサーにより実行され得る。
【００３０】
上記実施の形態では、ターゲット較正装置６００が、最初に較正され、次に、携帯可能な基準ターゲット４０１の位置が較正され、そして、次に、非接触センサー２４０が校正されている。しかし、これら操作は、別のシーケンスでもなされ得、かくして、同じ最終結果となることは、自明である。
【００３１】
写真測量システムに加えて、他のターゲット較正装置が、本発明の較正システムに関連して使用され得る。別の実施の形態において、サーボ従動レーザ追跡装置が、ターゲット較正装置として機能する。図９には、サーボ従動レーザ追跡装置８００が、ワークピースが占めているスペースの上方のような測量ステーション内の適切な視点ポイントに配置され得る。代わって、レーザ追跡装置は、これを測量ステーションフレームから吊り下げるか、これを移動可能なスタンドに装着するなど、所定の場所に一時的に位置され得る。
【００３２】
前記サーボ従動レーザ追跡装置８００は、射出レーザビームを放射し、かつ入射レーザビームを検出する。このレーザ追跡装置８００は、逆反射体８０２により反射されるような入射ビームの方向にレーザ追跡装置を向ける閉ループコントローラを有するサーボ駆動機構を有する。このレーザ追跡装置が、逆反射体の４５ないし６０°の視野内にある限りは、レーザ追跡装置８００は、逆反射体８０２の位置を正確に追跡し、たどる。本発明においては、逆反射体は、基準ターゲット４０３の上面に、好ましくは固定されている。かくして、このレーザ追跡システムは、逆反射体が測量ステーション内で移動するのに従って、常時逆反射体の中心を精度良く追跡することができる。
【００３３】
操作において、レーザ追跡装置のサーボシステム並びに閉ループコントローラは、逆反射体の中心を通る視線の信号表示を与え、適当な干渉計測定が、逆反射体の中心とレーザ追跡装置との間の距離を正確に確立するために使用され得る。しかし、レーザ追跡装置は、外部基準フレームとの部分的なリンクのみを与える。これは、逆反射体のＸ，Ｙ，Ｚ位置を発生させるであろう。６自由度（ピッチ、横揺れ角、ロールと同様にＸ，Ｙ，Ｚ）の全て得るために、基準ターゲットは、データを得ている間、３もしくはこれ以上の位置に移動され得る。好ましくは、４もしくはこれ以上の非共線の位置ポイントが、使用される。これがなされると、データが、基準ターゲットのために６自由度の位置と向きに対して三角測量法が使用され得る。この較正技術を用いてレーザ追跡システムを使用するための更なる情報は、“ＭｅｔｈｏｄａｎｄＡｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒＣａｌｉｂｒａｔｉｎｇａＮｏｎ−ＣｏｎｔａｃｔＧａｕｇｉｎｇＳｅｎｓｏｒｗｉｔｈＲｅｓｐｅｃｔｔｏａｎＥｘｔｅｒｎａｌＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＳｙｓｔｅｍ”の名称で１９９８年２月２５日付けで出願された米国出願Ｎｏ．０９／０３０，４３９に見られる、これは、参照として組入れられる。
【００３４】
他の好ましい実施の形態において、セオドライトシステム９００が、ターゲット較正装置として機能する。このセオドライトシステム９００は、原理的に遷移と同様に、水平角度と垂直角度とを測定するための、商業的に入手可能な測量装置（ｓｕｒｖｅｙｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）システムである。セオドライトの同作の基本的な数学上の原理は、セオドライトが、選択されたターゲットに対して水平角度と垂直角度とを測定することが可能なように、三角測量法に基づいている。この発明で使用するための一例のセオドライトシステムは、ＰＣｒｕｎｎｉｎｇＡｘｙｚソフトウエアにより支援された、ＬｅｉｃａからのＴ１０５Ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅｈｅａｄを含む。
【００３５】
図１０に示されるように、少なくとも２つのセオドライト装置９０２，９０４が、測量ステーション２００でワークピースが占めているスペース内の適切な視点ポイントに配置されている。特に示されていないけれど、複数の非共線のセオドライトで観察可能なターゲットが、形態可能な基準ターゲット４０１のベースの中に組み込まれている。これらセオドライトで観察可能なターゲットは、記述マーク（ｓｃｒｉｂｅｍａｒｋ）、ステッキドット（ｓｔｉｃｋ−ｏｎｄｏｔ）、マシーンで形成された孔、もしくは他の既知の形式のセオドライトで観察可能なターゲットを含み得る。再び、基準ターゲット４０１が、セオドライト装置９０２，９０４の視野内にある限りは、基準ターゲット４０１の位置の正確な決定が、セオドライトシステム９００により与えられる。２つのセオドライト装置９０２，９０４を使用して、少なくとも３つ非共線のセオドライト観察可能ターゲット測定が、形態可能な基準ターゲット４０１の６自由度の位置と向きとを決定するために、各セオドライト装置によりなされなければならない。本発明の較正システムは、他の方法では、３つの異なるターゲット較正装置の何れかのための前述された実施の形態に従って動作する。
【００３６】
上記ターゲット較正装置は、現在では好ましいけれども、これは、本発明の広い範囲に対する制限としては意図されていない。反対に、商業的に利用可能で形態可能な測定アームが、また、ターゲット校正装置として使用され得る。この場合、基準ターゲットは、アームのエンドエフェクターに組み合わされる。このアームは、自由度が６の測定具なので、校正システムは、測定アームにより位置付けられるように、センサーの正確な位置を導き出すことができる。一例としての測定アームは、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＣａｒｉｓｂａｄのＲｏｍｅｒで製造されている。
【００３７】
本発明は、現在の好ましい形態で説明されたけれども、本発明は、請求項に記された本発明の精神から逸脱しないで変形可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】測量ステーションでの複数の非接触形状測定センサーの視野内に位置されるであろう対象物の代表的なポイントを示す、自動車の車体の一部の上面かつ側面図である。
【図２】本発明の原理に従って校正される複数の非接触形状測定センサーを備えた自動車組立ラインでの代表的な測量ステーションの斜視図である。
【図３】本発明の教示に従った校正システムの側面図である。
【図４】結像アレイＣＣＤ装置を使用した本発明の一実施の形態に係わる携帯可能な基準ターゲット本体の斜視図である。
【図５】本発明に係わる携帯可能な基準ターゲット本体の第２の異なる実施の形態の斜視図である。
【図６】本発明に係わる携帯可能な基準ターゲット本体の第３の実施の形態の斜視図である。
【図７】本発明に係わる形状測定センサーにより決定され得る基準ターゲット上にどのように見ることが可能なドットが配置されているかを示す図である。
【図８】本発明の校正方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】ターゲット校正装置としてレーザ追跡システムを使用した本発明の好ましい実施の形態の斜視図である。
【図１０】ターゲット校正装置としてセオドライトを使用した本発明の好ましい他の実施の形態の斜視図である。

Claims

センサー基準フレームと関連した感知領域を有する非接触センサーを外部基準フレームに対して校正するためのセンサー校正システムであって、
校正装置の基準フレームに関連した校正観察フイールドを有するターゲット校正装置と、
このターゲット校正装置の観察視野内と形状測定センサーの前記感知領域内とに位置し、少なくとも３つの非共面の反射面を有する基準ターゲットとを具備するシステム。
前記基準ターゲットの各反射面は、結像アレイを支持するようになされている請求項１の校正システム。
前記形状測定センサーは、構造光を射出する能動光学センサーであり、また、各結像アレイは、形状測定センサーからの構造光を検出するように動作可能であり、かくして、形状測定センサーに関連した基準ターゲットの位置を決定する請求項２の校正システム。
各反射面部材は、反射面上に沿って並べられた一連の可視ドットを有する請求項１の校正システム。
前記校正システムは、この校正システムが、各反射面上の可視ドットの少なくとも１つの位置を決定するように動作可能なように、構造光を射出して、その反射光を検出し、かくして、形状測定センサーに関連した基準ターゲットの位置を決定する請求項４の校正システム。
基準指標が校正フイールド内にある視点に前記ターゲット校正装置が位置され得るように、前記外部基準フレームに対して所定の関係で位置された基準指標と、
前記基準指標からのデータを集めて、校正装置の基準フレームと外部基準フレームとの間の第１の関係を確立するように、前記ターゲット校正装置に組み合わされる座標変換システムとを更に具備し、
この座標変換システムは、基準ターゲットからのデータを集めて、校正装置の基準フレームと形状測定センサーの基準フレームとの間の第２の関係を確立するように、前記ターゲット校正装置と形状測定センサーとに組み合わされるようになっており、また、
前記座標変換システムは、外部基準フレームと形状測定センサーの基準フレームとの間の第３の関係を決定し、かくして、前記形状測定センサーは、外部基準フレームに対して校正されている、請求項１の校正システム。
前記ターゲット校正装置は、更に、レーザ追跡装置として構成されている請求項６の校正システム。
前記基準ターゲットは、基準ターゲットに固定された逆反射体を更に有する請求項７の校正システム。
前記レーザ追跡装置は、少なくとも３つの非共線位置での前記逆反射体の中心位置を追跡して、前記校正装置の基準フレームと形状測定センサーの基準フレームとの間の第２の関係を確立する請求項８の校正システム。
前記ターゲット校正装置は、前記基準指標が校正フイールド内にあるように、少なくとも２つの視点に配置可能な少なくとも２つの写真測量カメラにより更に構成されている請求項６の校正システム。
前記ターゲットは、複数の写真測量ターゲットを更に有する請求項１０の校正システム。
前記写真測量カメラは、少なくとも２つの非共線位置の、前記基準ターゲットの位置を測定して、前記校正装置の基準フレームと形状測定センサーの基準フレームとの間の前記第２の関係を確立する請求項１１の校正システム。
前記ターゲット校正装置は、前記基準指標が校正フイールド内にあるように、少なくとも２つの視点に配置可能な少なくとも２つのセオドライト装置により更に構成されている請求項６の校正システム。
前記基準ターゲットは、更に、複数のセオドライトターゲットを有する請求項１３の校正システム。
前記セオドライト装置は、少なくとも３つの位置で、前記基準ターゲットの位置を測定して、前記校正装置の基準フレームと形状測定センサーの基準フレームとの間の前記第２の関係を確立する請求項１４の校正システム。
ワークピースを測量するための測量ステーションを更に具備し、前記形状測定センサーは、ワークピース上の位置を決定するように、測量ステーションに接続されている請求項１の校正システム。
前記ワークピースは、自動車である請求項１４の校正システム。
前記校正システムは、自動車製造システム内で動作する請求項１の校正システム。
第１の関係に従って外部基準フレームに対する固定位置を有するターゲット校正装置を使用して外部基準フレームに対して形状測定センサーを校正するための方法であって、
前記ターゲット校正装置の観察視野内と形状測定センサーの前記感知領域内とに、ベースに接続された少なくとも３つの非共線起立反射部材を有する基準ターゲットを位置させる工程と、
前記ターゲット校正装置と基準ターゲットとを使用して、外部基準フレームに対する基準ターゲットの位置を規定する、基準ターゲットと外部基準フレームとの間の第２の位置を決定する工程と、
前記形状測定センサーと基準ターゲットとを使用して、基準ターゲットの位置に対する形状測定センサーの位置を規定する、基準ターゲットと形状測定センサーとの間の第３の位置を決定する工程と、
前記第１、第２、並びに第３の関係に基づいて前記外部基準フレームに対して形状測定センサーを校正する工程とを具備するセンサー校正方法。
前記第２の関係は、前記外部基準フレームに対する基準ターゲットの位置と向きとを決定する請求項１９のセンサー校正方法。
前記第３の関係は、前記形状測定センサーの位置と向きとに対する前記基準ターゲットの位置と向きとを決定する請求項１９のセンサー校正方法。
前記第３の関係を決定する工程は、
前記形状測定センサーの視野内に、前記基準ターゲットを位置させることと、
前記形状測定センサーから、前記基準ターゲットに構造光を投光することと、
前記基準ターゲットから形状測定センサーに反射された構造光に基づいて、前記形状測定センサーに対する基準ターゲットの位置を決定することとを含む請求項１９のセンサー校正方法。
前記ターゲット校正装置は、更に、レーザ追跡装置として構成されている請求項１９のセンサー校正方法。
前記基準ターゲットは、基準ターゲットに固定された逆反射体を更に有する請求項２３のセンサー校正方法。
前記レーザ追跡装置は、少なくとも３つの非共線位置での前記逆反射体の中心位置を追跡して、前記校正装置の基準フレームと形状測定センサーの基準フレームとの間の第２の関係を確立する請求項２４のセンサー校正方法。
前記ターゲット校正装置は、前記基準指標が校正フイールド内にあるように、少なくとも２つの視点に配置可能な少なくとも２つの写真測量カメラにより更に構成されている請求項１９のセンサー校正方法。
前記ターゲットは、複数の写真測量ターゲットを更に有する請求項２６のセンサー校正方法。
前記写真測量カメラは、少なくとも３つの非共線位置の、前記基準ターゲットの位置を測定して、前記校正装置の基準フレームと形状測定センサーの基準フレームとの間の前記第２の関係を確立する請求項２７のセンサー校正方法。