JP2011112579A - Shape-measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状測定装置に関する。 The present invention relates to a shape measuring apparatus.
多関節型アームの先端に非接触センサを有するプローブを取り付けた形状測定装置であって、測定者が手動で操作することにより被検査物体の形状を測定するように構成された装置(以下、「マニュアル測定機」と呼ぶ)が開発されている(例えば、特許文献1参照)。 A shape measuring device in which a probe having a non-contact sensor is attached to the tip of an articulated arm, and a device configured to measure the shape of an object to be inspected by manual operation by a measurer (hereinafter, “ (Referred to as Patent Document 1).
このようなマニュアル測定機で被検査物体の形状を測定する場合、特に、レーザスキャンによる非接触測定を行う場合には、被検査物体のどの領域のデータ取得が終了したかを確認するためには、制御装置に接続されたモニタ用の操作画面(表示部の画面)を目視する必要がある。この場合、被測定物体の大きさ、マニュアル測定機との位置関係、又は、被測定物体の測定箇所等により、測定領域と操作画面とを同時に目視することができず、これらの確認に時間がかかり測定効率が悪くなるという課題があった。 When measuring the shape of an object to be inspected with such a manual measuring machine, especially when performing non-contact measurement by laser scanning, in order to confirm which region of the object to be inspected has been acquired. It is necessary to visually check the monitor operation screen (screen of the display unit) connected to the control device. In this case, due to the size of the object to be measured, the positional relationship with the manual measuring machine, or the measurement location of the object to be measured, the measurement area and the operation screen cannot be observed at the same time. Therefore, there is a problem that the measurement efficiency is deteriorated.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、測定者の位置や姿勢に関わらず、常に、被測定物体の測定結果を目視で確認することができる形状測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and it is desirable to provide a shape measuring device that can always visually confirm the measurement result of an object to be measured regardless of the position and orientation of the measurer. Objective.
前記課題を解決するために、本発明に係る形状測定装置は、被測定物体の形状を測定して測定情報を出力するプローブと、アーム部、及び、このアーム部間、若しくは、アーム部とプローブとを回転可能に接続する2以上の接続部を有し、所定の空間内でプローブを移動可能に支持する移動機構部と、接続部に設けられ、当該接続部が接続するアーム部間、若しくは、アーム部とプローブとの角度情報を検出する角度情報検出部と、表示部と、測定情報及び角度情報から、被測定物体の形状情報を算出するとともに、この形状情報を表示部に出力する制御部と、を有し、表示部は、測定者の頭部に装着され、この測定者の少なくとも一方の眼前に形状情報を投影する投影部を有するヘッドマウントディスプレイで構成される。 In order to solve the above-described problems, a shape measuring apparatus according to the present invention includes a probe that measures the shape of an object to be measured and outputs measurement information, an arm portion, and between these arm portions, or an arm portion and a probe. Two or more connecting portions that connect to each other in a rotatable manner, and a moving mechanism portion that supports the probe movably in a predetermined space, and an arm portion that is provided in the connecting portion and to which the connecting portion connects, or The angle information detection unit that detects the angle information between the arm unit and the probe, the display unit, and the control unit that calculates the shape information of the measured object from the measurement information and the angle information, and outputs the shape information to the display unit The display unit is configured by a head mounted display that is mounted on the head of the measurer and has a projection unit that projects shape information in front of at least one eye of the measurer.
このような形状測定装置において、制御部は、形状情報を表示するときに、当該形状情報を取得した面を正対した視点で表示するように構成されることが好ましい。 In such a shape measuring apparatus, when the shape information is displayed, the control unit is preferably configured to display the surface from which the shape information has been acquired from a point of view.
また、このような形状測定装置において、ヘッドマウントディスプレイは、当該ヘッドマウントディスプレイを装着した測定者の視野方向と略同一方向の画像を取得可能なカメラを有し、制御部は、このカメラにより被測定物体を異なる方位から測定した3枚以上の画像を取得し、当該画像を用いて被測定物体の概略形状を生成するように構成されることが好ましい。 Further, in such a shape measuring apparatus, the head mounted display has a camera capable of acquiring an image in the substantially same direction as the visual field direction of the measurer wearing the head mounted display, and the control unit is covered by the camera. It is preferable that three or more images obtained by measuring the measurement object from different directions are acquired, and a schematic shape of the measurement object is generated using the images.
このとき、制御部は、プローブの向けられている方向を画像の方位として取得し、この方位を用いて画像から概略形状を生成するように構成されることが好ましい。 At this time, it is preferable that the control unit is configured to acquire a direction in which the probe is directed as an image orientation, and to generate a schematic shape from the image using the orientation.
またこのとき、制御部は、概略形状に位置整合させて形状情報を重ね合わせて表示部に表示するように構成されることが好ましい。 Further, at this time, it is preferable that the control unit is configured to be aligned with the approximate shape and to display the shape information superimposed on the display unit.
本発明に係る形状測定装置を以上のように構成すると、測定者の位置や姿勢に関わらず、被測定物体の測定結果を目視で確認することができる。 When the shape measuring apparatus according to the present invention is configured as described above, the measurement result of the measured object can be visually confirmed regardless of the position and orientation of the measurer.
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図1〜図3を用いて、本実施形態に係る形状測定装置の構成について説明する。この形状測定装置100は、例えば、ステージ50上に載置された被測定物体51の形状を測定する形状測定部10と、この形状測定部10から出力される角度情報及び測定情報に基づいて被測定物体51に関する形状情報を算出する制御部20と、算出された形状情報を、例えば、3次元画像にして出力するための表示部30と、を有して構成される。なお、被測定物体51は、ステージ50上に載置されていなくても測定可能である。また、この形状測定装置100は、測定者が形状測定部10を操作して被測定物体51の形状情報を取得するように構成されたマニュアル測定機である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the shape measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. The
形状測定部10は、複数のアーム部11aを複数の関節部(接続部)11bで接続した多関節構造の移動機構部11と、この移動機構部11の先端部(最も先端側に位置するアーム部11aの先端部)に対して取付部14を介して着脱可能に構成されたプローブ12と、移動機構部11の基端部(最も基端側に位置するアーム部11aの基端部)が取り付けられた基台13と、を有して構成される。なお、関節部11bは、アーム部11a同士を繋ぎ、一方のアーム部11aに対して他方のアーム部11aを回転させる(揺動させる)ものや、基台13に対して基端側のアーム部11aを接地面に垂直方向の軸を中心に回転させるもの、若しくは、取付部14に取り付けられたプローブ12を、先端側のアーム部11aに対して揺動させたり、回転させたりするものがある。
The
関節部11bの回転軸の各々には、基台13や基端側に位置するアーム部11aに対して、この関節部11bに接続された先端側に位置するアーム部11a若しくはプローブ12のなす角度を検出するためにこの回転軸の回転量を計測するエンコーダ(角度情報検出部)21が取り付けられており、これらのエンコーダ21による計測値(以下、「角度情報」と呼ぶ)は、図2に示すように、制御部20に出力される。
Each of the rotation shafts of the
一方、プローブ12には、図3に示すように、レーザーダイオード等の光源41と、この光源41から放射された光をシリンドリカルレンズ等のトーリックレンズ光学系によりライン光としてステージ50上の被測定物体51に照射するライン光形成光学系42と、被測定物体51に投射されたライン光の像(以下、「ライン像」と呼ぶ)を結像する撮像光学系43と、このライン像を検出する撮像素子44と、からなる光学式センサ40が設けられている。また、図1に示すように、このプローブ12には、測定者が、被測定物体51の形状測定の開始及び停止を制御部20に指示するための操作スイッチ25が設けられている。なお、光源41から放射された光をライン光に変換するには、ガルバノスキャナ等によりライン光として照射する構成でも実現可能である。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the
また、制御部20には、図2に示すように、この形状測定装置100による被測定物体51の形状測定の処理を制御する処理部22と、エンコーダ21の各々から出力される角度情報を用いてプローブ12の空間座標(測定空間内の予め決められた点を原点とする座標であって、以下、「位置情報」と呼ぶ)を演算する位置演算部23と、撮像素子44から出力されるライン像(以下、「測定情報」と呼ぶ)及び位置演算部23から出力される位置情報を用いて、被測定物体51の形状情報を算出する形状演算部24と、を有して構成されている。なお、操作スイッチ25からの出力(操作信号)は処理部22に入力され、光源41の点灯・消灯動作は処理部22により制御される。また、形状演算部24から出力された形状情報は、例えば、制御部20に設けられた記憶部26に記憶され、さらに、この形状情報は処理部22で処理されて表示部30に3次元画像として出力される。ここで、測定空間とは、この形状測定装置100により、プローブ12を移動させて被測定物体51の空間座標を取得できる範囲(空間)を指している。また、制御部20は、例えばコンピュータで実現され、処理部22、位置演算部23及び形状演算部24は、このコンピュータで実行されるプログラムとして実装される。
Further, as shown in FIG. 2, the
ここで、アーム部11aの長さ等の情報は既知であるため、制御部20の位置演算部23は、エンコーダ21から出力された角度情報に基づいて、基台13や基端側に位置するアーム部11aに対する、先端側に接続されたアーム部11a若しくはプローブ12の角度を算出することにより、プローブ12の空間上の3次元座標(空間座標)及び姿勢(以降の説明では、3次元座標と姿勢をまとめて「空間座標」と称する)を求めることができる。また同様に、プローブ12における光源41、ライン光形成光学系42、撮像光学系43及び撮像素子44の位置(座標)も既知であるため、形状演算部24は、三角測量の原理に基づいて撮像素子44で取得された測定情報(ライン像)を処理することにより、撮像素子44で撮像できる範囲内にある被測定物体51の形状(ライン光が投影されている被測定物体51の形状(例えば、この範囲の離散的に表される測定空間内での座標群として表現される))を演算して求めることができる。
Here, since information such as the length of the
なお、プローブ12による被測定物体51の形状情報の取得方法は、上述の光切断による三角測量による方法だけでなく、明視野画像を取得してコンピュータ解析により形状を測定する方法や、ステレオ画像を用いた三角測量による方法等を適宜用いることができる。
Note that the method for acquiring the shape information of the
次に、この形状測定装置100を用いて被測定物体51の形状を測定する方法について図4を用いて説明する。なお、上述の図3において、被測定物体51をライン光により走査する方向をx軸とし、ライン光の長手方向をy軸とし、x軸及びy軸に直交する方向をz軸とする。操作者は、形状測定装置100のプローブ12を操作し、被測定物体51の測定開始位置にこのプローブ12を移動させる。そして、測定者は、被測定物体51に対してプローブ12を所定の距離及び角度に配置し、操作スイッチ25をオン操作する。処理部22は、操作スイッチ25のオン操作を検知すると(ステップS100)、光源41を点灯させ、ライン光を被測定物体50に照射する(ステップS110)。この状態で、測定者は、被測定物体51の測定対象面に沿って(図3のx軸方向に)プローブ12を移動させることにより、被測定物体51の表面を走査する。処理部22は、操作スイッチ25がオン操作されると、所定の時間間隔で、位置演算部23から位置情報を取得し(ステップS120)、さらに、撮像素子44から測定情報(ライン像)を取得して形状演算部24により被測定物体51の形状情報を取得し(ステップS130)、その都度、この形状情報を記憶部26に記憶する(ステップS140)。処理部22は、操作スイッチ25がオフ操作されるまで、この処理を繰り返すため、操作スイッチ25がオン操作されている間にプローブ12が走査した範囲の被測定物体51の形状情報が記憶部26に記憶される(ステップS150)。そして、操作スイッチ25が測定者によりオフ操作されると、処理部22は光源41を消灯し(ステップS160)、それまでに取得した形状情報を記憶部26から読み出して、被測定物体51の走査範囲の3次元画像を生成し(ステップS170)、表示部30に出力する(ステップS180)。このように、表示部30に測定結果である3次元画像を表示することにより、形状情報を適切に取得できたか否かや、被測定物体51のどの部分の形状情報を取得できたかなどを、測定者は、目視により、適宜確認することができる。
Next, a method for measuring the shape of the measured
ところで、測定結果(3次元画像)を表示する表示部30を据え置き型のディスプレイとした場合、被測定物体51がこの表示部30より大きい場合に、被測定物体51と形状測定装置100との位置により、この被測定物体51に遮られて表示部30を測定者が目視できないことがある。また、表示部30に背を向けて被測定物体51を測定しなければならない場合も発生する。このような場合、測定者は、被測定物体51の測定時と表示部30の目視時に、それぞれ姿勢を変えなければならず、測定効率が悪くなってしまう。そこで、本実施形態に係る形状測定装置100においては、表示部30として図5に示すようなヘッドマウントディスプレイを用いている。以下、このようなヘッドマウントディスプレイを用いた形状測定装置100について説明する。
By the way, when the
[第1の実施形態]
ヘッドマウントディスプレイ30は、左右のヘッドホーン31,32が、連結部33により連結されており、この連結部33は弾性を有している。このヘッドマウントディスプレイ30を装着するときには、ヘッドホーン31,32により両耳を挟んで連結部33の弾性により押さえつける形で測定者の頭部に装着する。また、左ヘッドホーン32には、支持アーム34が装着時の左右方向を回動軸として上下方向に回動可能に取り付けられており、その先端部には、測定者の左眼(不図示)に画像を投影する投影部35が取り付けられている。また、右ヘッドホーン31の外面には、このヘッドマウントディスプレイ30を操作するための操作部36が設けられている。このように、形状測定装置100の表示部30としてヘッドマウントディスプレイを用いると、測定者は、右眼で被測定物体51を目視するとともに、この被測定物体51に重ね合わせて左眼で制御部20からの出力画像、すなわち、被測定物体51の測定結果である3次元画像を目視することができる。そのため、この測定者の姿勢に関わらず、常に被測定物体51と測定結果とを同時に目視することができるので、測定作業の効率を向上させることができる。なお、このヘッドマウントディスプレイ30と制御部20との接続は、ケーブルを介した有線接続でも良いし、無線LANを用いた無線接続でも良い。
[First Embodiment]
In the head mounted
このような表示部30に表示される3次元画像は、いずれか一方の方向から当該被測定物体51を見たときの画像である(この方向を以降の説明では「ビュー」と呼ぶ)。そのため、被測定物体51をある方向から見た側面の形状測定をした後に、別の方向から見た側面の形状測定するときは、ビュー(被測定物体51に対する視点)をその方向に切り替えて表示しなければ、例えば、既に測定している側面に遮られて表示部30に表示されない場合がある。このような場合に対応するために、本実施形態に係る形状測定装置100の制御部20の処理部22は、図4に示すように、ステップS180で、測定結果の3次元画像を表示すると、例えば、表示部30にビューを切り替えるかどうかのメッセージを表示し、測定者の意志を確認する(ステップS190)。そして、プローブ12に設けられた操作スイッチ25が測定者により操作されてビューを切り替えると判断すると、処理部22は、ステップS120〜S150で取得した3次元画像の面に正対する方向にビューを切り替え、このビューからの三次元画像を再度生成し(ステップS200)、表示部30に再表示する(ステップS210)。
Such a three-dimensional image displayed on the
このように、被測定物体51の、測定した面に正対するようにビューを切り替えることにより、測定者は、現在測定している箇所を明確に視認することができる。そのため、例えば、現在測定している被測定物体51の面のうち、既に測定が終了している領域とまだ測定が終了していない領域とを的確に把握することができる。なお、以上の説明では、一回の測定が終了して測定結果の3次元画像を表示する毎に、ビューを切り替えるか否かを測定者に確認しているが、処理部22により、生成した三次元画像からビューを切り替えるか否かを判断し、自動的に切り替えるように構成することも可能である。また、ビューの切り替え指示は、図4に示す測定処理とは別に、測定者が任意のタイミングで行えるように構成することも可能である。さらに、以上の説明ではビューの切り替えをプローブ12に設けられた操作スイッチ25で行う場合について説明したが、ヘッドマウントディスプレイ30に設けられた操作部36を用いても良い。また、制御部20は、形状測定操作の音声ガイダンスを、ヘッドマウントディスプレイ30のヘッドホーン31,32から再生するように構成することも可能である。
In this way, by switching the view so as to face the measured surface of the object to be measured 51, the measurer can clearly see the location currently being measured. Therefore, for example, it is possible to accurately grasp the area where the measurement has already been completed and the area where the measurement has not been completed, among the surface of the measured
[第2の実施形態]
第1の実施形態で説明した形状測定方法によると、測定者が被測定物体51を測定した結果として、その3次元形状が表示部30に表示される。そのため、被測定物体51のどの部分を測定しているのかは、表示された測定結果の画像から測定者が判断しなければならない。そこで、この第2の実施形態に係る形状測定装置100においては、まず、被測定物体51の概略形状を取得して表示部30に表示した状態で形状測定を行い、この概略形状に測定結果を重ね合わせて表示するように構成した場合について説明する。
[Second Embodiment]
According to the shape measurement method described in the first embodiment, the three-dimensional shape is displayed on the
図6に示すヘッドマントディスプレイ30′は、第1の実施形態で説明したヘッドマントディスプレイ30の右ヘッドホーン31にカメラ37が取り付けられている場合を示している。ここで、第1の実施形態と同じ構成部材については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。また、このカメラ37は、測定者の頭部にヘッドマントディスプレイ30′を装着したときに、測定者の視界と略同一方向を向くように取り付けられている。そして、このカメラ37の視野は、測定空間内に配置された被測定物体51の全体を撮影可能に設定されている。なお、図7に示すように、カメラ37から出力される画像及び操作部36の操作による操作信号は制御部20の処理部22に入力されるように構成されており、これらの画像等から概略形状を生成する処理は、概略形状生成部27で行われる(この概略形状生成部27も例えばコンピュータで実行されるプログラムとして実装される)。
A head cloak display 30 'shown in FIG. 6 shows a case where a
それでは、図8を用いて、被測定物体51の概略形状を取得するための処理について説明する。なお、制御部20に対する測定者の操作は、ここでは、ヘッドマントディスプレイ30′の操作部36から行われるものとして説明するが、測定の開始・終了の指示のように、プローブ12に設けた操作スイッチ25から行うように構成することも可能である。
Now, a process for acquiring the schematic shape of the measured
概略形状の取得処理が開始されると、処理部22は、カメラ37から出力される画像を表示部30に表示する(ステップS300)。そして、測定者は、カメラ37を被測定物体51に向け、表示部30に被測定物体51の画像が表示されるようにする。このとき、カメラ37が、測定空間において、被測定物体51をどの方向から見ているのかを検出するために、測定者は、プローブ12をこの測定者側から被測定物体51に向くように操作する。上述のように、制御部20の位置演算部23は、エンコーダ21から出力される角度情報を用いてプローブ12の空間座標を演算することができ、また、このプローブ12が取り付けられているアーム11の先端側の空間座標からプローブ12の方位も演算することができる。そのため、カメラ37と同じ方向にプローブ12を向けることにより、処理部22は、カメラ37の画像が被測定物体51をどの方位から撮影しているのかを判断することができる。そして、測定者は、表示部30に表示される被測定物体51の画像が、概略形状を取得するための画像として使用できると判断すると、操作部36を操作して、画像の取得指示を行う。
When the outline shape acquisition process is started, the
処理部22は、操作部36が操作されて、画像取得の操作信号を検出すると(ステップS310)、カメラ画像を取得し(ステップS320)、さらに、上述のようにエンコーダ21が出力する角度情報(若しくは、位置演算部23が出力する位置情報)からプローブ12が向いている方位(方位情報)を取得し(ステップS330)、これらの情報を記憶部26に記憶する(ステップS340)。そして、処理部22は、操作部36から画像取得の終了指示がされたかを判定し、終了指示がされていない場合には、ステップS300に戻って別の方位からの被測定物体51の画像取得を行う(ステップS350)。一方、画像取得の終了が指示がされた場合には、異なる方位の画像が3枚以上撮影されているか否かを判断し、3枚以上ないときは、同様にステップS300に戻る(ステップS360)。カメラ37で撮影された被測定物体51の画像からこの被測定物体51の概略形状を算出するためには、少なくとも方位の異なる3枚以上の画像が必要だからである。
When the
ステップS360で異なる方位の3枚以上の画像が取得されていると判断すると、処理部22は、これらの画像及び方位情報を記憶部26から読み出して被測定物体51の概略形状を生成し(ステップS370)、これを記憶部26に記憶し(ステップS380)、表示部30に表示する(ステップS390)。なお、ここで、概略形状とは、例えば、カメラ37で撮影した画像から被測定物体51の外形の形状を抽出して3次元画像として合成したものである。
If it is determined in step S360 that three or more images having different orientations have been acquired, the
以上のような処理により、被測定物体51の形状測定の前に、この被測定物体51の概略形状を取得し、表示部30に表示することで、測定した形状をこの概略形状と位置整合させて重ね合わせて表示部30に表示することができるため、測定者は、被測定物体51のどの領域の形状を取得したかを容易に判断することができ、作業効率を向上させることができる。なお、上記説明では操作部36を使って各種の入力を行ったが、例えば投影部35の周囲に視線検出センサを設け、表示部30に表示される画面内に視線入力可能な表示型スイッチを設けて視線入力で各種入力を行ってもよい。また、カメラ37は投影部35に設けることもできる。カメラ37を投影部35に設ける場合、支持アーム34の撓みによってブレが発生しやすくなるため、カメラ37には所謂ブレ補正機能を備えることが望ましい。また、被測定物体51に照射されるライン光はスリットを用いて作ることも可能である。
Through the processing described above, before measuring the shape of the measured
11 移動機構部 11a アーム部 11b 関節部(接続部)
12 プローブ 20 制御部 21 エンコーダ(角度情報検出部)
30,30′ 表示部(ヘッドマウントディスプレイ)
35 投影部 37 カメラ 51 被測定物体 100 形状測定装置
11
12
30, 30 'display (head mounted display)
35
Claims (5)
アーム部、及び、前記アーム部間、若しくは、前記アーム部と前記プローブとを回転可能に接続する2以上の接続部を有し、所定の空間内で前記プローブを移動可能に支持する移動機構部と、
前記接続部に設けられ、当該接続部が接続する前記アーム部間、若しくは、前記アーム部と前記プローブとの角度情報を検出する角度情報検出部と、
表示部と、
前記測定情報及び前記角度情報から、前記被測定物体の形状情報を算出するとともに、前記形状情報を前記表示部に出力する制御部と、を有し、
前記表示部は、測定者の頭部に装着され、前記測定者の少なくとも一方の眼前に前記形状情報を投影する投影部を有するヘッドマウントディスプレイで構成された形状測定装置。 A probe that measures the shape of the object to be measured and outputs measurement information;
A moving mechanism portion that has two or more connecting portions that rotatably connect the arm portion and between the arm portions or the arm portion and the probe, and supports the probe so as to be movable within a predetermined space. When,
An angle information detection unit that is provided in the connection unit and detects angle information between the arm units connected by the connection unit or between the arm unit and the probe;
A display unit;
A control unit that calculates shape information of the object to be measured from the measurement information and the angle information, and outputs the shape information to the display unit;
The shape measurement apparatus is configured by a head-mounted display having a projection unit that is mounted on a measurement person's head and projects the shape information in front of at least one eye of the measurement person.
前記制御部は、前記カメラにより前記被測定物体を異なる方位から測定した3枚以上の画像を取得し、当該画像を用いて前記被測定物体の概略形状を生成する、請求項1または2に記載の形状測定装置。 The head-mounted display has a camera capable of acquiring an image in a direction substantially the same as the visual field direction of the measurer wearing the head-mounted display,
The said control part acquires the 3 or more image which measured the said to-be-measured object from the different direction with the said camera, and produces | generates the schematic shape of the to-be-measured object using the said image. Shape measuring device.
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