JP2009058503A - 非接触で対象表面の座標を測定する測定方法および測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】多数の基準マーキングを使用しないで、対象物体座標系における対象物体の対象表面を非接触で正確かつ迅速に座標測定することが可能な方法および装置を提供する。
【解決手段】対象物体座標系Oにおいて測定される対象物体１の対象表面２を非接触で座標測定するための測定方法および測定システムに関する。対象表面２の第１の区域S₁の第１の３次元画像P₁は、第１の位置x₁, y₁, z₁と第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁で、電子的に測定され、その第１の３次元画像P₁のデータは、深さの成分の情報を含む多数の第１の画素i₁から構成される。３次元画像記録装置３の画像座標系Bにおける第１の３次元画像座標のデータは、第１の画素i₁に割り当てられる。対象物体座標系Oにおける３次元画像記録装置の第１の位置x₁, y₁, z₁と第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁は、 対象物体座標系Oに結合された測定装置４ａ，４ｂにより測定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１および１３に示すように、対象物体座標系で測定される対象物体の対象表面を非接触で座標の測定をする測定方法および測定システムとに関する。

近接範囲内の対象物体の表面を非接触で写真測量によって座標測定をするために、画像データを対象物体座標系に変換することにより、様々な視野図から対象物体を再現する画像を用いて対象物体の寸法が導かれる。この目的のために、画像データが、データ処理装置で処理される。座標計算の基になるのは、関連する画像のカメラ方向の測定である。

先行技術から知られるように、単一のカメラによって、異なる視野から異なる時間で測定された対象物体の区域を測定し、いわゆる３次元画像を与えるように、画像処理システムによってそれぞれ２次元画像データを処理することができる。いずれの場合も、深さの情報を３次元画像の画素に含ませ、それにより、カメラとその視野から決定される画像座標系での３次元画像の座標が、検討されるそれぞれの画素、特に全ての画素に割り当てられる。異なる視野からの同じ画面を示す複数の２次元画像から３次元画像を生成するための異なる画像処理が、従来技術に開示されている。

同様に従来技術から知られるように、一つのカメラによる異なる時間での異なる視野からの区域を測定する代わりに、複数のカメラで、実質的に同時の測定を実行することが可能である。これには、区域の３次元の測定がカメラを移動させることなく可能であり、複数のカメラが互いに相対的に固定された方向と距離を有することができ、それぞれのカメラの方向の測定をしないで済ませる両方の利点がある。

先行技術は、それぞれ異なるが固定された相対視野からの画面を測定するための、共通のハウジング内にある、距離を離れて設けられた２つあるいは３つのカメラで構成された、別々の３次元画像記録装置を開示している。測定区域は、その画像を電子的に処理することができるような特有の画像の特徴を有しているので、その区域にマーキングを適用することができる。３次元画像記録装置からその区域上に投影する立体照明ビーム、特に、レーザービームによって、これらのマーキングが生成され、このビームは、光学的スクリーンあるいは光学的十字マークを投影するよう構成されている。通常、このような３次元画像記録装置は、事実上同時に測定された異なる視野からの複数の画像から３次元の画像を導く画像処理装置を備える。

このような３次元画像記録装置は、例えば、Optigo（商標）およびOptiCell（商標）で知られており、正三角形に配置された３つのカメラを備えている、CogniTens（商標）の画像記録システムがあり、並べて配置された２つの高解像度CCDカメラと、測定される区域へ立体照明光を投影するプロジェクタとを備えるActiCM（商標）のシステムAdvent（商標）がある。

測定され記録された画像要素の座標の決定は、その画像内の基準マーキングによる方法として有効であり、そのマーキングから、実際の三次元座標の測定が実行される。ここで、測定された３次元画像に関連し、３次元画像記録装置に基づく画像座標系は、対象物体が存在し、例えば、対象物体のCADモデルに基づく対象物体座標系に変換される。ここでは、0.5ミリメートル未満の精度が、従来技術から公知の３次元画像記録装置で達成される。

特に、区域内の深さスキャニングを実行し、点群を生成する３次元レーザースキャナの形での３次元スキャニングシステムは、もっと知られている。ここでは、レーザービームが一本ずつ区域をスキャンするシリアルシステムと、走査線がその区域全体を覆う並列システムと、区域内の多数の点を同時にスキャンし、その区域の深さの測定を実行するいわゆるRIMｓまたは範囲イメージングシステムとの間に区別がある。方法として、これらのシステムのすべてに共通するのは、その区域全体を移動する、少なくとも１つの距離測定のレーザービームによって、深さのスキャニングが有効であることである。特に、このようなシリアルシステムは、たとえば、ライカHDS6000、ライカScanStation２、トリンブルGX3 ３Dスキャナ、ゾラー＋フローリッヒIMAGER5003、 ゾラー＋フレーリッヒIMAGER5006の製品名称で、広く使われ、市販されている。

すべての3次元画像記録装置の一つの問題は、必要とされる分解能で画像測定できる測定範囲が、設計から制限されることである。比較的大きな対象物体の３次元測定の場合、３次元画像記録装置の異なる位置と方向からの複数の個々の３次元測定をすることが避けられない。より大きな３次元の全画像を生成するために、測定区域内のマーキングの支援により、画像領域を重ねて、合わせることによって、多数のより小さな画像が組み合わせられる。この目的を達成するさまざまな方法が、従来例に開示されている。これらの方法の一般的な問題は、より大きな画像を得るために結合される個々の３次元画像が重複領域を有する必要があることである。少なくとも一つの基準点を有する第１の区域から、その第１の区域から距離が離れ、そして基準点を有しない第２の区域への、３次元画像記録装置の位置の不連続な変化は、たとえ二つの区域に結合された画像が測定されているとしても、画像処理装置によって対応することができない。したがって、測定し、結合した画像の処理をすることができるよう、離れた二つの区域を光学的に結合することが必要とされる。直接の測定内容を有しない多数の３次元画像を測定することによって、全体の測定法は遅くなり、メモリや計算リソースが消費されてしまう。また、小さな測定誤差と必然的に係る画像測定の座標測定は、多数の画像の結合、特にリモート基準点の場合での測定精度に非常に大きな影響を及ぼす。

さらに、３次元画像記録装置が工業用ロボットのヘッドあるいは門形座標測定装置によって支持され、調整可能である測定システムおよび測定方法は、従来例より知られている。高品質で高解像度の３次元画像記録装置はときに１０Kgを超えるため、画像測定の精度に適合した必要とされる精度を有する３次元画像記録装置の位置を正確に規定することは、不可能であり、これは、操作装置の安定構造を必要とし、３次元画像記録装置の使用範囲が固定システムに制限するからである。そのため、たとえば、車両の内部での使用は、複雑であるか、あるいは、不可能である。正確な３次元画像記録装置よりも非常に低い精度の測定のため、産業用ロボットは、外部基準として適していない。門形の座標測定装置は、重い負荷を支持するようには設計されておらず、高い機械的負荷の下では、基準に使用することができるような測定結果を得ることができない。この理由により、操作装置により得られ、３次元画像記録装置の絶対的および／または相対位置についての情報を与える任意の測定位置の値は、画像測定、特に、異なる、結合していない区域の複数の３次元画像の測定の基準のために使用することができない。

本発明の目的は、したがって、避けられない測定すべき多数の基準マーキングを使用することなしに、対象物体座標系で測定される対象物体の対象表面を、非接触で、正確かつ迅速に座標測定することが可能な方法および装置を提供することである。

この目的は、本発明の独立した請求項の特徴を実現することにより達成される。本発明の代替やさらに展開した特徴が従属の請求項に記載されている。

本発明によるこの方法は、対象表面の区域の３次元画像を電子的に測定するために、公知の３次元画像記録装置を使用して実行される。この３次元画像記録装置は、３次元画像を測定するための、カメラ、レンズ、電子部品および／または距離測定器の要素を備える単一の装置である。特に、これらすべての要素は、３次元画像記録装置の単一のハウジング内に納められている。この３次元画像は、それぞれ深さ情報の成分が連結された多数の画素で構成されている。これらの画素は、使用される光学的測定素子、例えばCCDセンサの、垂直および水平分解能で生じる。このような３次元画像記録装置は、従来例から知られており、例えば、ブランド名Optigo（商標）とOptiCell（商標）で販売されて、単一のハウジングに正三角形に配列された３つのカメラを備えるCogniTens（商標）という画像記録装置や、同様に、並べて配置された二つの高解像度CCDカメラと、測定される区域に立体照明光を投影するプロジェクタとを備えたActiCM（商標）のシステムAdvent（商標）がある。このため、より詳しい説明を、ここでは省略する。

カメラは、 ３次元画像記録装置の単一のハウジング内に互いに連結し固定し、このカメラが相対的な光学的な方向、すなわち互いに固定された相対的視野と距離とを有することが好ましい。

この３次元画像記録装置は、第１の位置と方向に配置され、そこで測定される対象表面の第一の区域の第１の３次元画像が電子的に測定される。この３次元画像が、３次元画像記録装置によって、複数のカメラによって測定され、異なる視野からの第１の区域のマップを生成する複数の個々の画像から生成される。第１の３次元画像は、深さ情報の成分が、それぞれ連結している多数の画素から構成される。

ステレオスコープを基にした複数のカメラを使用する代わりに、第１の３次元画像を測定するための３次元画像記録装置として、３次元スキャニングシステム、例えば、適切な３次元レーザースキャナを使用することが可能である。この３次元レーザースキャナは、上述のように、対応するシステムを用い、可動レーザービームによって第１の位置と方向から、区域をシリアルまたはパラレルか、または完全にパラレルにスキャンする。このレーザースキャニングシステムに加えるに、 ３次元レーザースキャナが、２次元画像を測定するために、画像カメラ、例えばCCDカメラを備えてもよい。カメラによって測定された画素の深さ情報は、レーザー距離測定器により得られる。３次元レーザースキャナは、第１の３次元画像を測定する全ての要素、特に、レーザー距離計、アクチュエータ、角度検出器、および光学カメラを、好ましくは１つのハウジング内に備える単一の装置である。

第１の３次元画像が測定され、位置あるいは方向の避けられない変化なしに、単一の第１の位置と方向から生成される。３次元画像記録装置および測定された区域に関連する画像座標系における３次元画像座標は、３次元画像にある画素に割り当てられ、第１の区域を測定するために調べられる。たとえば、その座標は、その３次元画像内の画素の水平および垂直位置と、３次元画像録装置の測定面からの距離とで構成される。この割り当ては、例えば、３次元画像記録装置またはデータが伝送される外部のデータ処理装置によって実施される。

区域が測定され、および、測定される対象物体が固定された対象物体座標系内での３次元画像記録装置の第１の位置と方向は、測定装置による第１の３次元画像を測定する時刻で測定される。この測定装置は、対象物体座標系に結合されている。これは、測定されるその対象物体と、位置と方向の測定を実行する測定装置のベースが、測定プロセスの過程で、互いに結合され、３次元画像記録装置が、自身の可動性のために、そのベースと対象物体とに関して、結合されないことを意味している。表現を簡単にすると、測定装置のベースと対象物体が関連する共通の座標系は、たとえ対象物体が他の座標系、例えば、CADモデルで定義された座標系で測定されたとしても、対象物体座標系として扱われる。しかし、測定装置と対象物体の異なる座標系が、固定された共通の基準を有することが可能で、そのために結合され、あるいは、互いに結合することができる。

次のステップとして、対象物体座標系における第１の３次元対象物体の座標は、３次元画像座標および、３次元画像記録装置の第１の位置と方向の情報からそれぞれの画素に割り当てられる。この割り当ては、従来技術から知られた座標変換によって実行される。このように、３次元画像の座標は、外部の座標系、すなわち対象物体座標系に関連する。

本発明の利点は、３次元画像記録装置の位置と方向を測定する外部の測定システムのかたちで、対象物体座標に対する３次元画像座標の関係によって、画像の測定内の多数の基準点の使用を避けることが可能となることである。３次元画像記録装置が、第２の区域を測定し記録するために、第２の位置と方向に移動したとき、測定システムにより測定された第２の位置と方向で、第２の３次元画像を基準にする。画像処理によって先に測定された画像を基準にし、そこに現在のものをマーキングすることを省略することが可能となる。

第１の区域に第２の区域をリンクした中間の測定を作成しないで、対象物体の対象表面の二つ以上の非結合の区域を順に測定することができる。その結果、この測定方法はより迅速でかつ正確に実行することができる。データ処理装置によって、互いに重複し測定した複数の３次元画像をリンクさせ、それらを結合し、結合画面を与えることができる。各３次元画像の測定を外部の基準によることで、結合誤差無く、高精度な方法で実行することができる。

本発明のさらなる展開において、この測定装置は、３次元画像記録装置を保持している間に作用する保持力から実質的に切り離されている。これは、測定装置が、３次元画像記録装置を保持するためのいかなる保持力を受けない、したがって、３次元画像記録装置の重さによるねじれや曲げ力が測定装置に作用することがないことを意味する。その結果、３次元画像記録装置の位置と方向を規定している間の測定精度は非常に増大し、３次元画像記録装置の高い光学的測定精度に対応する。さらに、測定装置をコンパクトで可搬型に設計することが可能となる。特に、これは、不充分なアクセス可能空間内、例えば、自動車の車体内での測定に、３次元画像記録装置を使用するのに、利点となる。

この３次元画像記録装置は、画像の測定中、例えば、保持力を緩衝する保持装置によって保持される。この保持装置は、例えば、測定装置から分離された関節型の保持アームによって構成される。あるいは、 ３次元画像記録装置は、ハンドルにより、手で保持される。

本発明によると、測定装置は、調整可能な機械的関節型の３次元座標測定アームで構成することが可能である。このような関節型の３次元座標測定アームは、従来技術から知られている。同等のシステムが、多関節アームまたはポータブルCMM（商標）の名称で、Romer社からSigma（商標）、Flex（商標）あるいはOmega（商標）として利用可能で、CimCore（商標）のInfinite（商標）あるいはStinger（商標）が利用可能である。

関節式３次元座標測定アームは、大きな柔軟性、簡単な取扱、コンパクトなデザイン、低重量および可搬使用の可能性により特徴つけられる。関節式３次元座標測定アームに取り付けられた３次元画像記録装置によって、アクセスの悪い地域でも、曲げることができるので、関節式３次元座標測定アームのベースへ向かう線が直線にならずに、３次元画像の測定を行うことができる。したがって、外部座標系に高精度に関連付けることが、自動車の内部においても可能となる。

さらに代替の実施例では、測定装置は、対象物体座標装置、特にレーザー追跡装置に結合された光学レーザー測定装置として形成される。対象物体座標系内の３次元画像記録装置の位置と方向が、非接触方式で、レーザー測定装置によって、３次元画像記録装置の間接または直接の観察により、測定される。この目的に適したレーザー計測装置は、たとえば、ライカ・ジオシステムズ（商標）のレーザー追跡装置T-Cam（商標）である。この装置は、プローブホルダT-Probe（商標）の位置と方向を光学的に決定し、このプローブホルダにおいては、６自由度の全てに高精度に３次元画像記録装置を配置することができる。このレーザー追跡装置T-Cam（商標）は、対象物体座標系に基準を置き、３次元画像記録装置の位置と方向を正確に測定することができる。使用に際し、この測定装置も、３次元画像記録装置の保持力から分離されている。たとえば、３次元画像記録装置は、関節式保持アームあるいは手によって保持することが可能である。

対象物体座標系Oにおいて測定される対象物体１の対象表面２を非接触で座標測定するための、図１に図示された測定システムおよび測定方法は、３次元画像記録装置を備えている。この３次元画像記録装置は、対象表面２の第１の区域S₁の第１の３次元画像P₁を電子的に測定するように構成されている。３次元画像記録装置３は、３つの電子カメラ３ａ、３ｂ、３ｃ（図２参照）を備え、この３つの電子カメラは、３次元画像P₁を生成するために、３つの異なった測定角度から第１の区域S₁を測定する。この３つの電子カメラ３ａ、３ｂ、３ｃは、３次元画像記録装置３の単一のハウジング内に固定され、互いに固定的に結合され、互いに相対的に固定された光学的な距離と方向を有する。このようなシステムには、例えば、CogniTens（商標）のシステムOptigo（商標）がある。三次元画像記録装置３を用いて、対象表面２の第１の区域S₁の第１の３次元画像P₁が、第１の位置x₁, y₁, z₁と第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁について電子的に測定され、この第１の３次元画像P₁はそれぞれ深さ情報成分を含む多数の第１の画素i₁から構成されている。３次元画像記録装置３の画像座標系Bにおける第１の３次元画像座標u_1i, v_1i, w_1iは、第１の画素i₁に割り当てられる。３次元画像記録装置３は、これらの第１の３次元画像座標u_1i, v_1i, w_1iを電子的に出力する。

対象物体座標系Oにおける３次元画像記録装置３の第１の位置x₁, y₁, z₁と第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁は、この対象物体座標系Oに結合された測定装置４ａによって測定される。この測定装置は、調整可能な機械的関節式３次元座標測定アーム４ａで構成され、たとえば、Romer社の製品名Sigma、Flex、あるいはOmegaに対応する。この関節式３次元座標測定アーム４ａは、対象物体座標系Oに固定された一端６および反対側の可動測定端７を有する。ピボットジョイント８により互いに旋回自由におよび／あるいは回転可能に結合された複数のアーム部９は、可動測定端７が第１の空間区域R₁（図２）内で移動自在になるよう、端部６、７の間に配置される。さらに、このピボットジョイント８に設けられた角度センサ１０は、それぞれのピボットジョイント８の角度位置αを測定するために備えられている。可動測定端７は、３次元画像記録装置３がこの測定端７に取り付けられるように、３次元画像記録装置３と結合される。対象物体座標系Oにおける３次元画像記録装置の第１の位置x₁, y₁, z₁および第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁は、ピボットジョイント８の角度位置αおよびアーム部９の固定あるいは柔軟な長さの情報から決定される。３次元画像記録装置３に結合された可動測定端７は、６自由度で可動である。関節式３次元座標測定アーム４ａは、３次元画像記録装置３の測定された第一の位置x₁, y₁, z₁と第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁ を電子的に出力する。

３次元画像記録装置３の第１の３次元画像座標u_1i, v_1i, w_1iおよび、３次元画像記録装置３の第１の位置x₁, y₁, z₁と第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁は、関節式３次元座標測定アーム４ａからデータ処理装置１５に伝送される。

データ処理装置１５は、第１の３次元画像座標u_1i, v_1i, w_1iおよび３次元画像記録装置３の第１の位置x₁, y₁, z₁と第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁の情報から、対象物体座標系Oにおける第１の３次元対象物体座標x_li, y_li, z_liが第１の画素i₁に割り当てられるように構成されている。データ処理装置１５は、この第１の画素i₁に割り当てられた第１の３次元対象物体座標x_li, y_li, z_liを含む信号を出力する。この信号は、コンピュータによってさらに処理され、モニター上に画像として光学的に表示され、あるいは、それ以降のさらなる処理のために測定される。

この３次元画像記録装置３は、第１の位置x₁, y₁, z₁と第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁から図１に破線で示すように、第１の空間R1内（図２）の別の位置x₂, y₂, z₂と別の方向ψ₂,ω₂,κ₂に運ばれる。３次元画像記録装置３が別の位置x₂, y₂, z₂と別の方向ψ₂,ω₂,κ₂にあるので、対象表面２の別の区域S₁の別の３次元画像P₂が、第１の位置と方向として電子的に測定される。対象物体座標系Oにおける３次元画像記録装置３の別の位置x₂, y₂, z₂と別の方向ψ₂,ω₂,κ₂また、いわゆる関節式３次元座標測定アーム4aである測定装置4aにより、測定される。対象物体座標Oにおける別の３次元対象物体座標x_2i, y_2i, z_2iは、別の３次元画像P2の別の３次元画像座標u_2i, v_2i, w_2iおよび３次元画像記録装置３の別の位置x₂, y₂, z₂と別の方向ψ₂,ω₂,κ₂の情報から第１の画像測定の場合として、別の３次元画像P₂の罰の画素i₂に割り当てられる。したがって、３次元画像P₁とP₂の両方を独立かつ高精度に外部基準にすることが実行される。

また、第１の画像を測定する場合も同様に、対応する信号がデータ処理装置１５に送信され、このデータ処理装置１５は、データの処理の後、第２の画素i₂に割り当てられた第２の３次元対象物体座標x_2i, y_2i, z_2iを含む信号を出力する。

図1に示すように、第１の区域S₁と、対象表面２の別の区域S₂は、部分的に互いに重なり合う。第１の３次元対象物体座標x_li, y_li, z_liを有する第１の３次元画像P₁と別の３次元対象物体座標x_2i, y_2i, z_2iを有する別の３次元画像P₂は、結合された３次元画像P₁₊₂を与え、別の信号として出力するように、データ処理装置１５によって電子的に結合される。

この３次元画像記録装置３は、それぞれの位置と方向で画像を測定している間、保持力を緩衝する保持装置１１により保持されている。この保持装置１１は、図１に示すように、３次元画像記録装置３上の保持部分で概略的にしめされている。保持装置１１は、例えば、図示はされていない関節式保持アームで構成され、３次元画像記録装置３をその位置に保持する。他の方法として、保持装置１１は、３次元画像記録装置３がその位置と方向に保持されるようなハンドルであってもよい。ここでは、比較的長い時間、位置と方向を一定に維持することはあまり重要ではなく、むしろ、画像を測定する時に、位置と方向が測定装置により高精度で測定されることである。

保持装置１１を用いて、測定装置４ａ、すなわち、関節式３次元座標測定アーム４ａが、３次元画像記録装置３を保持している間に作用する保持力から分離される。このように、３次元画像記録装置３から関節式３次元座標測定アーム４ａに曲げやねじりの力が作用しないので、このアームで高精度に測定することが可能となる。

図２は、関節式３次元座標測定アーム４ａの移動の自由範囲が３次元画像記録装置３の移動を許す範囲の空間区域R₁で測定できない別の区域S₂を測定するための、別の方法と、測定システムを図示している。したがって、関節式３次元座標測定アーム４ａの位置の変更が必要となる。対象物体座標系Oに結合された一端６は、第１の位置x₁, y₁, z₁と第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁が第１の空間区域R₁内で測定された３時限画像記録装置３によって、第１の区域S₁の第１の３次元画像P₁を測定するための第１の位置A₁に位置決めされている。この画像の測定は、図１に記載されているように、実行される。３次元画像記録装置３により別の区域S₂の別の３次元画像P₂を測定するため、結合する一端６を備える関節式３次元座標測定アーム４ａは、第２の位置A₂に位置決めされ、それにより、３次元画像記録装置３を、第２の空間区域R₂内の別の位置x₂, y₂, z₂と別の方向ψ₂,ω₂,κ₂に運ぶことが可能となる。この別の位置と別の方向は、別の区域S₂の測定を可能とする。この第２の画像の測定も、図１に記載されているように実行される。関節式座標測定アームをコンパクトで可搬型に設計することができるので、第１の位置A₁から第２の位置A₂への位置の変更が簡単な方法で可能である。

第１の位置A₁は、対象物体座標系Oで基準とされ、結合される一端６が取り外し可能に固定される第１のグランドアンカー１２によって規定される。また、第２の位置A₂も、対象物体座標系Oで基準とされ、結合される一端６が取り外し可能に固定される第２のグランドアンカーによって規定される。このように、第１の位置x₁, y₁, z₁と第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁を測定するための第１のグランドアンカー１２により、そして、少なくともひとつの他の位置x₂, y₂, z₂と他の方向ψ₂,ω₂,κ₂を測定するための第２のグランドアンカー１３により、関節式３次元座標測定アーム４ａを対象物体座標系Oに結合することが可能となる。グランドアンカー１２あるいは１３は、通常、規定された機械的基準点、例えば機械的受け部および／あるいは光学的あるいは他の基準点、例えばマーキングあるいは磁場の基準点を意味するものとして理解される。

その代わりに、またはグランドアンカー１２、１３の使用に加えて、光学基準レーザー測定システム１４が設けられる。第１の位置A₁と第２の位置A₂は、対象物体座標系Oで基準とされる光学基準レーザー測定システム１４によって、光学的に測定される。関節式３次元座標測定アーム４ａは、第１の位置x₁, y₁, z₁と第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁を測定するため、そして、少なくともひとつの他の位置x₂, y₂, z₂と他の方向ψ₂,ω₂,κ₂を測定するための光学基準レーザー測定システム１４によって、対象物体座標系Oに結合されている。関節式３次元座標測定アーム上の規定された点を測定し、結合された一端６の現在の位置を基準にするレーザー追跡装置は、基準レーザー測定システム１４として使用することが可能である。このタイプとして適切なレーザー追跡装置が、従来技術から知られている。

図３は、図１の測定方法および測定システムの他の代替の実施例を示す。ここで、図１の関節式３次元座標測定システム４ａの代替として、対象物体座標系Oに結合された光学レーザー測定装置４ｂ、特にレーザー追跡装置が、測定装置として使用されている。対象物体座標系Oにおける３次元画像記録装置３の第１の位置x₁, y₁, z₁と第１の方向ψ₁,ω₁,κ₁および、他の位置x₂, y₂, z₂と他の方向ψ₂,ω₂,κ₂が、その３次元画像記録装置３を見ることによって、レーザー測定装置４ｂによる非接触方式で測定される。６自由度すべての測定に適しているレーザー計測装置は、例えば、ライカ・ジオシステムズのレーザー追跡システム“T-Cam"であり、それは、３次元画像記録装置３に結合され、６自由度全てに高精度に、受信機１６”T-Probe"の位置と方向を光学的に測定する。レーザー測定装置４ｂを構成しているこのレーザー追跡装置“T-Cam"は、対象物体座標系Oにおいて基準とされ、３次元画像記録装置３の位置と方向を正確に測定することが可能である。この装置を使用するとき、測定装置４ｂは、３次元画像記録装置３の保持力から分離されている。この３次元画像記録装置３は、保持装置１１、たとえば関節式保持アームあるいは手によって、保持される。

測定装置としての関節式３次元座標測定アームおよび３次元画像記録装置の第１の位置と方向、他の位置と方向を有する、本発明による測定システムと測定方法を示す概略図である。 第１と第２の位置に位置決めされた関節式３次元座標測定アームを有する、本発明による測定システムと測定方法を示す概略図である。 測定装置として光学レーザー測定装置および３次元画像記録装置の他の位置と他の方向とを有する測定システムと測定方法を示す概略図である。

符号の説明

１ 対象物体
２ 対象表面
３ ３次元画像記録装置
４ａ，４ｂ 測定装置

Claims (21)

1. それぞれ深さ情報の成分を有する複数の第一の画素（i₁）を含む第一の３次元画像（P₁）を測定する素子を、単一のハウジング内に備える単一の装置である３次元画像記録装置（３）を使用して、対象物体（１）の対象表面（２）を対象物体座標系（O）について計測する、非接触による座標の測定方法であって、
   上記対象表面（２）の第一の区域（S₁）の上記第一の３次元画像（P₁）を、第一の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）について、上記３次元画像記録装置（３）によって電子的に測定し、
   上記３次元画像記録装置（３）の画像座標系（B）における第一の３次元画像座標（u_1i, v_1i, w_1i）のデータを、上記第一の画素（i₁）に当てはめ、
   上記対象物体座標系（Ｏ）における上記３次元画像記録装置（３）の上記第一の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）を、上記対象物体座標系（Ｏ）に関係付けられた測定装置（４ａ，４ｂ）により測定し、
   上記対象物体座標系（Ｏ）における上記第一の３次元対象物体座標（x_li, y_li, z_li）を、上記第一の３次元画像座標（u_1i, v_1i, w_1i）および上記３次元画像記録装置（３）の上記第一の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）のデータに基づいて、上記第一の画素（i₁）に当てはめ、
   上記３次元画像記録装置（３）を、上記第一の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）から、少なくとも一つの他の位置（x₂, y₂, z₂）と方向（ψ₂,ω₂,κ₂）に移動させ、
   上記対象表面（２）の少なくとも一つの他の区域（S₂）の少なくとも一つの他の３次元画像（P₂）を、上記他の位置（x₂, y₂, z₂）と方向（ψ₂,ω₂,κ₂）に置かれた上記３次元画像記録装置（３）によって電子的に測定し、
   上記対象物体座標系（Ｏ）における上記３次元画像記録装置（３）の上記他の位置（x₂, y₂, z₂）と方向（ψ₂,ω₂,κ₂）を、上記測定装置（４ａ，４ｂ）により測定し、
   上記対象物体座標系（Ｏ）における他の３次元対象物体座標（x_2i, y_2i, z_2i）を、上記他の３次元画像（P₂）の上記他の３次元画像座標（u_2i, v_2i, w_2i）および上記３次元画像記録装置（３）の上記他の位置（x₂, y₂, z₂）と方向（ψ₂,ω₂,κ₂）のデータに基づいて、上記他の３次元画像（Ｐ₂）の他の画素（i₂）に当てはめて、上記対象物体座標系（Ｏ）における対象物体（１）の対象表面（２）の座標を得るようにした
   ことを特徴とする非接触による座標の測定方法。
2. 上記対象表面（２）の上記第一の区域（S₁）および上記少なくとも一つの他の区域（S₂）を、部分的に重ね、
   上記第一の３次元対象物体座標（x_li, y_li, z_li）を有する上記第一の３次元画像（P₁）と、上記他の３次元対象物体座標（x_2i, y_2i, z_2i）を有する上記少なくとも一つの他の３次元画像（Ｐ₂）とを、結合３次元画像（P₁₊₂）を与えるように結び付ける
   ことを特徴する請求項１記載の測定方法。
3. 上記測定装置（４ａ，４ｂ）が、上記３次元画像記録装置（３）を保持する保持力から分離されていることを特徴とする請求項１あるいは２記載の測定方法。
4. 上記３次元画像記録装置（３）が、画像を測定している間、上記保持力を緩衝する保持装置（１１）により保持されていることを特徴とする請求項３記載の測定方法。
5. 上記測定装置が、
   上記対象物体座標系（Ｏ）に関連付けらてる一端（６）と、上記一端（６）と反対側の可動測定端（７）と、上記一端（６）と上記可動測定端（７）との間に配置され、そして、上記可動測定端（７）が第１の空間部分（Ｒ１）内で移動自在になるように、複数のピボットジョイント（８）によって回転可能に互いに結合されている複数のアーム部（９）と、上記ピボットジョイント（８）のそれぞれの角度位置（α）を測定するため上記ピボットジョイント（８）に備えられた角度計測器（１０）とを有し、上記可動測定端（７）を上記３次元記録装置（３）に規定されるように連結された、調整可能な機械関節式の３次元座標測定アーム（４ａ）を備え、
   上記対象物体座標系（Ｏ）における上記３次元画像記録装置（３）の上記第一の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）および上記他の位置（x₂, y₂, z₂）と方向（ψ₂,ω₂,κ₂）を、上記ピボットジョイント（８）の上記角度位置（α）と上記アーム部（９）の長さ（ａ）の情報とから決定する
   ことを特徴とする請求項３あるいは４記載の測定方法。
6. 上記３次元画像記録装置（３）に連結された上記可動測定端（７）が、６自由度で移動自在であることを特徴とする請求項５記載の測定方法。
7. 上記対象物体座標系（Ｏ）における上記一端（６）を、
   上記第１の空間区域（R₁）内で上記第一の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）が測定されるような上記３次元画像記録装置（３）によって、上記第１の区域（S₁）の上記第１の３次元画像（P₁）を測定するために、第１の地点（A₁）に位置決めをし、そして
   上記第２の空間区域（R２）内で上記少なくとも一つの他の位置（x₂, y₂, z₂）と方向（ψ₂,ω₂,κ₂）にある上記３次元画像記録装置（３）によって、上記少なくとも一つの他の区域（S₂）の上記少なくとも一つの３次元画像（P₂）を測定するために、第２の地点（A₂）に位置決めをする
   ことを特徴とする請求項５あるいは６記載の測定方法。
8. 上記第１の地点（A₁）を、上記対象物体座標系（Ｏ）を基準にして、連結された上記一端（６）が固定された第１の基礎アンカー（１２）により規定し、
   上記第２の地点（A₂）を、上記対象物体座標系（O）を基準にして、連結された上記一端（６）が固定された第２の基礎アンカー（１３）により規定し、
   関節連結された上記３次元座標測定アーム（４ａ）を、上記第１の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）を規定する上記第１の基礎アンカー（１２）と、上記少なくとも一つの他の位置（x₂, y₂, z₂）と方向（ψ₂,ω₂,κ₂）を規定する上記第２の基礎アンカー（１３）とによって、上記対象物体座標系（Ｏ）に関連付ける
   ことを特徴とする請求項７記載の測定方法。
9. 上記第１の地点（A₁）および上記第２の地点（A₂）を、上記対象物体座標系（Ｏ）を基準にした光学基準レーザー測定装置（１４）によって光学的に測定し、
   上記第１の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）を測定するため、そして、上記少なくとも一つの他の位置（x₂, y₂, z₂）と方向（ψ₂,ω₂,κ₂）を測定するため、上記光学基準レーザー測定装置（１４）によって、関節連結された上記３次元座標測定アーム（４ａ）を上記対象物体座標系（O）に関連付ける
   ことを特徴とする請求項７記載の測定方法。
10. 上記測定装置が、上記対象物体座標系（Ｏ）に関連付けられた光学レーザー装置（４ｂ）、特にレーザー追跡装置で形成され、
    上記対象物体座標系（Ｏ）における３次元画像記録装置（３）の第１の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）を、上記３次元画像記録装置（３）の間接あるいは直接の観測によって、上記レーザー測定装置（４ｂ）により非接触で測定する
    ことを特徴とする請求項３あるいは４記載の方法。
11. 上記３次元画像記録装置（３）が、３次元画像（P₁）を生成するために、少なくとも二つの異なる測定角度からの第１の区域（S₁）を測定する少なくとも二つの電子カメラ（３ａ，３ｂ，３ｃ）を備えていることを特徴とする請求項１から１０記載のいずれか一項に記載の方法。
12. 上記少なくとも二つの電子カメラ（３ａ，３ｂ，３ｃ）が、３次元画像記録装置（３）の単一のハウジング内に互いに連結されて固定され、互いに固定された相対的光学的方向と距離とを有していることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 対象物体座標系（Ｏ）について測量される対象物体（１）の対象表面（２）を非接触で座標を計測するための測定システムであって、
    それぞれ深さ情報の成分を含む複数の第１の画素（i₁）を有するよう構成され、そして、上記対象表面（２）の第１の区域（S₁）にある第１の３次元画像（P₁）を電子的に測定し、画像座標系（B）の上記第１の画素（i₁）に対応する上記第１の３次元画像座標（u_1i, v_1i, w_1i）を電子的に出力し、上記第１の３次元画像（P₁）を測定する素子を備え、単一のハウジング内に納められた、単一の装置である３次元画像記録装置（３）と、
    上記対象物体座標系（Ｏ）に関連付けられ、上記対象物体座標系（Ｏ）について上記３次元画像記録装置（３）の第１の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）を測定するよう構成された測定装置（４ａ，４ｂ）と、
    上記第１の３次元画像座標（u_1i, v_1i, w_1i）を上記３次元画像記録装置（３）から導出し、上記第１の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）を上記測定装置（４ａ，４ｂ）から導出し、上記対象物体座標系（Ｏ）における第１の３次元対象物体座標（x_li, y_li, z_li）を、上記第１の３次元画像座標（u_1i, v_1i, w_1i）および上記画像記録装置（３）の上記第１の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）の情報から、第１の画素（i₁）に当てはめるように構成し、上記第１の画素（i₁）と関連付けられた上記３次元対象物体座標（x_li, y_li, z_li）を含む信号を出力する、データ処理装置と、を備えている
    ことを特徴とする測定システム。
14. 上記測定装置（４ａ，４ｂ）が、上記３次元画像記録装置（３）を保持している間に作用する保持力から分離されていることを特徴とする請求項１３記載の測定システム。
15. 上記画像を測定中に上記３次元画像記録装置（３）を保持している間に作用する保持力を緩衝する保持装置（１１）を備えていることを特徴とする請求項１４記載の測定システム。
16. 上記測定装置が、
    上記対象物体座標系（Ｏ）に連結された一端（６）と、上記一端（６）と反対側の可動測定端（７）と、上記一端（６）と上記可動測定端（７）との間に配置され、上記可動測定端（７）が第１の空間区域（Ｒ１）内で移動自在になるように、複数のピボットジョイント（８）によって回転可能に互いに結合された複数のアーム部材（９）と、上記ピボットジョイント（８）のそれぞれの角度位置（α）を測定するため上記ピボットジョイント（８）に設けられた角度計測器（１０）と、を備えた、調整可能な機械関節式の３次元座標測定アーム（４ａ）により形成され、
    上記可動測定端（７）が、上記３次元画像記録装置（３）に関連付けられ、そして、
    上記機械関節式の上記３次元座標測定アーム（４ｂ）が、上記対象物体座標系（Ｏ）における３次元画像記録装置（３）の上記第１の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）を、上記ピボットジョイント（８）の上記角度位置（α）と上記アーム部（９）の長さ（ａ）の情報とから決定し、上記データ処理装置（１５）に送信するように形成されている
    ことを特徴とする請求項１３から１５のいずれか一項に記載の測定システム。
17. 上記３次元画像記録装置（３）に連結された上記可動測定端（７）が、６自由度で移動自在であるよう構成されていることを特徴とする請求項１６記載の測定システム。
18. 上記対象物体座標系（Ｏ）を基準にし、そして、機械関節式の上記３次元座標測定アーム（４ａ）を上記対象物体座標系（Ｏ）に関連付けるためのデータ処理装置（１５）への信号リンクを有する光学基準レーザー測定装置（１４）を備えていることを特徴とする請求項１６あるいは１７記載の測定システム。
19. 上記測定装置が、レーザー追跡装置のような、上記対象物体座標系（Ｏ）に関連付けられた光学レーザー測定装置（４ｂ）として構成されており、
    上記光学レーザー測定装置（４ｂ）が、上記対象物体座標系（Ｏ）における上記３次元画像記録装置（３）の上記第１の位置（x₁, y₁, z₁）と方向（ψ₁,ω₁,κ₁）を、上記３次元画像記録装置（３）の間接あるいは直接の観測によって、非接触で測定し、データ処理装置（１５）に送信するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１３から１８のいずれか一項に記載の測定システム。
20. 上記３次元画像記録装置（３）が、上記３次元画像（Ｐ₁）を生成するために、少なくとも二つの異なる測定角度からの上記第１の区域（Ｓ₁）を測定する少なくとも二つの電子カメラ（３ａ，３ｂ，３ｃ）を備えていることを特徴とする請求項１３から１９のいずれか一項に記載の測定システム。
21. 上記少なくとも二つの電子カメラ（３ａ，３ｂ，３ｃ）が、上記３次元画像記録装置（３）の単一のハウジング内に互いに連結されて固定され、互いに固定された相対的な光学方向および距離を有していることを特徴とする請求項２０記載の測定システム。

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