JP2012145381A - Three-dimensional coordinate measurement device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately convert a sensor coordinate system into a world coordinate system.SOLUTION: The present invention measures a reference plate 50 with a three-dimensional absolute coordinate measurement device 60 calibrated in a world coordinate system and calculates a three-dimensional coordinate, a normal vector and an edge vector of a reference point on the reference plate 50 in the world coordinate system. Also, the invention moves a three-dimensional sensor section 8 of a three-dimensional coordinate measurement robot 10 to a position corresponding to a command value, images the reference plate 50 by projecting slit light, and calculates the three-dimensional coordinate, the normal vector and the edge vector of the reference point on the reference plate 50 in a sensor coordinate system. Then, the invention calculates a conversion parameter to convert the sensor coordinate system into the world coordinate system for each command value using the three-dimensional coordinates, the normal vectors and the edge vectors of the reference point in both the world coordinate system and the sensor coordinate system.

Description

本発明は、3次元座標計測装置に係り、特に、センサ座標系を世界座標系に変換する3次元座標計測装置に関する。   The present invention relates to a three-dimensional coordinate measuring apparatus, and more particularly to a three-dimensional coordinate measuring apparatus that converts a sensor coordinate system to a world coordinate system.

従来、センサ座標系とロボット座標系とを結合する方法として、一直線上に並ばない少なくとも3つの位置で、センサ座標系上で同一対象物に関する位置を表すセンサ出力を得て、3つの位置をロボット座標系上で表現するデータとセンサ出力を表すデータに基づくソフトウェア処理によって、ロボット座標系とセンサ座標系との相対的な位置関係を求める座標系結合方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, as a method of combining the sensor coordinate system and the robot coordinate system, sensor outputs representing positions on the same object on the sensor coordinate system are obtained at at least three positions that are not aligned on a straight line, and the three positions are There has been proposed a coordinate system coupling method for obtaining a relative positional relationship between a robot coordinate system and a sensor coordinate system by software processing based on data represented on the coordinate system and data representing a sensor output (for example, Patent Document 1). reference).

また、互いに直交する二つの平面状の交線を対象物体に照射した状態を撮像装置によって撮像し、画像上の線と実際の位置との対応関係を参照して実際の座標系に変換する物体の位置及び姿勢検出方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。   In addition, an object in which a target object is irradiated with two orthogonal crossing lines orthogonal to each other is imaged by an imaging device, and converted into an actual coordinate system with reference to the correspondence between the line on the image and the actual position A position and orientation detection method has been proposed (see, for example, Patent Document 2).

また、直交しない十字スリット光を物体に照射して、撮像手段により撮像された画像から、十字スリット光が物体の輪郭と交わる4つの交点の位置を求め、この4つの交点の位置から物体の位置及び方向を求める物体位置検出方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。   Further, the object is irradiated with cross slit light that is not orthogonal, and the positions of the four intersections where the cross slit light intersects the contour of the object are obtained from the image captured by the imaging means, and the position of the object is determined from the positions of the four intersections. And an object position detection method for obtaining a direction has been proposed (see, for example, Patent Document 3).

特開平8−132373号公報JP-A-8-132373 特開昭59−65203号公報JP 59-65203 A 特開平10−318716号公報JP-A-10-318716

しかしながら、上記特許文献1に記載の方法では、ロボットに支持された3次元センサは、重力によるたわみなどの影響を受けて、指示した位置と実際の位置との間に位置決め誤差が生じることが考慮されておらず、この位置決め誤差により精度良くセンサ座標系から世界座標系に変換することができない、という問題がある。   However, in the method described in Patent Document 1, it is considered that the three-dimensional sensor supported by the robot has a positioning error between the instructed position and the actual position under the influence of deflection due to gravity and the like. However, there is a problem that it is impossible to accurately convert the sensor coordinate system to the world coordinate system due to this positioning error.

また、上記特許文献2及び3に記載の方法では、物体の3次元座標を計測しているものの、センサ座標系から世界座標系への変換方法については記載されていない。   In the methods described in Patent Documents 2 and 3, although the three-dimensional coordinates of the object are measured, there is no description about a conversion method from the sensor coordinate system to the world coordinate system.

本発明は、上記問題点を解決するために成されたものであり、精度良くセンサ座標系を世界座標系に変換することができる3次元座標計測装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional coordinate measuring apparatus that can accurately convert a sensor coordinate system to a world coordinate system.

上記目的を達成するために、本発明の3次元座標計測装置は、計測対象を撮像する撮像手段と、前記撮像手段を、指令値に応じた位置に移動させる移動手段と、前記撮像手段により計測対象を撮像した画像から抽出した前記計測対象の特徴点の3次元座標を、前記撮像手段の座標系で演算する演算手段と、前記撮像手段の座標系を世界座標系に変換するための変換パラメータであって、前記世界座標系における位置及び姿勢が既知の基準プレートの予め定めた基準点の前記世界座標系における3次元座標と、前記基準プレートを前記撮像手段により撮像した画像から抽出した前記基準点の前記撮像手段の座標系における3次元座標とに基づいて、前記指令値毎に予め求められた変換パラメータを用いて、前記計測対象の特徴点の前記撮像手段の座標系における3次元座標を前記世界座標系における3次元座標に変換する変換手段と、を含んで構成されている。   In order to achieve the above object, a three-dimensional coordinate measuring apparatus according to the present invention includes an imaging unit that images a measurement target, a moving unit that moves the imaging unit to a position corresponding to a command value, and a measurement by the imaging unit. Calculation means for calculating the three-dimensional coordinates of the feature point of the measurement target extracted from the image obtained by imaging the object in the coordinate system of the imaging means, and a conversion parameter for converting the coordinate system of the imaging means to the world coordinate system The three-dimensional coordinates in the world coordinate system of a predetermined reference point of the reference plate whose position and orientation in the world coordinate system are known, and the reference extracted from the image obtained by imaging the reference plate by the imaging means Based on the three-dimensional coordinates of the point in the coordinate system of the imaging means, the imaging means for the characteristic point of the measurement object using a conversion parameter obtained in advance for each command value It is configured to include a conversion means for converting three-dimensional coordinates in the coordinate system in three-dimensional coordinates in the world coordinate system, the.

本発明の3次元座標計測装置によれば、計測対象を撮像する撮像装置の座標系を世界座標系に変換するための変換パラメータであって、世界座標系における位置及び姿勢が既知の基準プレートの予め定めた基準点の世界座標系における3次元座標と、基準プレートを撮像手段により撮像した画像から抽出した基準点の撮像手段の座標系における3次元座標とに基づく変換パラメータを、測定ポイントにあたる指令値毎に予め求めておく。   According to the three-dimensional coordinate measuring apparatus of the present invention, the conversion parameters for converting the coordinate system of the imaging apparatus that images the measurement target into the world coordinate system, and the reference plate whose position and orientation in the world coordinate system are known. A command corresponding to the measurement point is a conversion parameter based on the three-dimensional coordinates of the predetermined reference point in the world coordinate system and the three-dimensional coordinates in the coordinate system of the imaging means of the reference point extracted from the image obtained by imaging the reference plate by the imaging means. Obtained in advance for each value.

計測対象の3次元座標の計測時には、移動手段により、指令値に応じた位置に撮像手段を移動し、撮像手段により計測対象を撮像する。そして、演算手段が、撮像手段により計測対象を撮像した画像から抽出した計測対象の特徴点の3次元座標を、撮像手段の座標系において演算し、変換手段が、指令値に応じた変換パラメータを用いて、計測対象の特徴点の撮像手段の座標系における3次元座標を世界座標系における3次元座標に変換する。   When measuring the three-dimensional coordinates of the measurement target, the moving unit moves the imaging unit to a position corresponding to the command value, and the imaging unit images the measurement target. Then, the calculation means calculates the three-dimensional coordinates of the feature points of the measurement target extracted from the image obtained by imaging the measurement target by the imaging means in the coordinate system of the imaging means, and the conversion means calculates the conversion parameter corresponding to the command value. The three-dimensional coordinates in the coordinate system of the imaging means of the feature point to be measured are converted into the three-dimensional coordinates in the world coordinate system.

このように、撮像手段を指令値に対応した位置に移動させる場合の繰り返し位置精度が高いことを利用して、世界座標系における位置及び姿勢が既知の基準プレートを計測して得た指令値毎の変換パラメータを用いて、撮像手段の座標系における3次元座標を世界座標系における3次元座標に変換するため、精度良く座標変換を行うことができる。   As described above, each command value obtained by measuring a reference plate having a known position and orientation in the world coordinate system is utilized by utilizing the high repeatability when moving the imaging unit to a position corresponding to the command value. Using these conversion parameters, the three-dimensional coordinates in the coordinate system of the imaging means are converted into the three-dimensional coordinates in the world coordinate system, so that coordinate conversion can be performed with high accuracy.

また、本発明の3次元座標計測装置は、前記計測対象に少なくとも1本のスリット状の光を投射するスリット光投射手段を含んで構成することができ、前記演算手段は、前記撮像手段により撮像された画像から抽出されたエッジ、及び前記スリット光投射手段によりスリット上の光が投射されているときに前記撮像手段により撮像された画像上のスリットに基づいて、前記特徴点を抽出することができる。これにより、精度良く特徴点を抽出することができる。   Further, the three-dimensional coordinate measuring apparatus of the present invention can be configured to include a slit light projecting unit that projects at least one slit-shaped light onto the measurement target, and the computing unit is imaged by the imaging unit. Extracting the feature points based on the edges extracted from the captured image and the slits on the image picked up by the image pickup means when the light on the slit is projected by the slit light projection means it can. Thereby, a feature point can be extracted with high accuracy.

以上説明したように、本発明によれば、撮像手段を指令値に対応した位置に移動させる場合の繰り返し位置精度が高いことを利用して、世界座標系における位置及び姿勢が既知の基準プレートを計測して得た指令値毎の変換パラメータを用いて座標変換を行うため、精度良くセンサ座標系を世界座標系に変換することができる、という効果が得られる。   As described above, according to the present invention, a reference plate with a known position and orientation in the world coordinate system is used by utilizing the high repeatability when moving the imaging unit to a position corresponding to the command value. Since the coordinate conversion is performed using the conversion parameter for each command value obtained by measurement, an effect is obtained that the sensor coordinate system can be converted to the world coordinate system with high accuracy.

本実施の形態の3次元座標計測ロボットの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the three-dimensional coordinate measuring robot of this Embodiment. 本実施の形態の3次元座標計測ロボットの機能的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of the three-dimensional coordinate measuring robot of this Embodiment. 変換パラメータを算出する際の装置構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the apparatus structure at the time of calculating a conversion parameter. 基準プレートの外観図である。It is an external view of a reference plate. 本実施の形態における変換パラメータ算出処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the content of the conversion parameter calculation process routine in this Embodiment. 本実施の形態の3次元座標計測ロボットによる計測を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measurement by the three-dimensional coordinate measuring robot of this Embodiment. スリット特徴点を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a slit feature point. 本実施の形態における計測処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the content of the measurement process routine in this Embodiment. 基準プレートの基準点及びスリット特徴点の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the reference point of a reference plate, and a slit feature point. 基準プレートの基準点及びスリット特徴点の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the reference point of a reference plate, and a slit feature point. 基準プレートの他の例を示す外観図である。It is an external view which shows the other example of a reference | standard plate. 基準プレートの他の例を示す外観図である。It is an external view which shows the other example of a reference | standard plate.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態では、本発明の3次元座標計測装置を3次元座標計測ロボットに適用した場合について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, a case where the three-dimensional coordinate measuring apparatus of the present invention is applied to a three-dimensional coordinate measuring robot will be described.

図1に示すように、本実施の形態の3次元座標計測ロボット10は、ロボットアームの先端に取り付けられた3次元センサ部18と、3次元座標の計測を実行するコンピュータ20とを含んで構成されている。   As shown in FIG. 1, the three-dimensional coordinate measuring robot 10 according to the present embodiment includes a three-dimensional sensor unit 18 attached to the tip of the robot arm and a computer 20 that performs three-dimensional coordinate measurement. Has been.

図2に示すように、3次元センサ部18は、計測対象を撮像する撮像装置12と、計測対象にスリット状の光(以下、「スリット光」という)を投射するスリット光源14とを含んで構成されている(図6も参照)。撮像装置12は、計測対象を含む領域を撮影し、画像信号を生成する撮像部(図示省略)、撮像部で生成されたアナログ信号である画像信号をデジタル信号に変換するA/D変換部(図示省略)、及びA/D変換された画像信号を一時的に格納するための画像メモリ(図示省略)を備えている。   As shown in FIG. 2, the three-dimensional sensor unit 18 includes an imaging device 12 that images a measurement target and a slit light source 14 that projects slit-like light (hereinafter referred to as “slit light”) onto the measurement target. (See also FIG. 6). The imaging device 12 captures an area including a measurement target, generates an image signal (not shown), and an A / D conversion unit (converts the image signal that is an analog signal generated by the imaging unit into a digital signal). And an image memory (not shown) for temporarily storing the A / D converted image signal.

コンピュータ20は、3次元座標計測ロボット10全体の制御を司るCPUと、後述する計測処理のプログラム等各種プログラムを記憶した記憶媒体としてのROMと、ワークエリアとしてデータを一時的に格納するRAMと、各種情報が記憶された記憶手段としてのメモリと、入出力ポート(I/Oポート)またはPLCからの入出力信号と、これらを相互に接続するバスと、を含んで構成されている。また、記憶手段としてHDDを含んで構成してもよい。   The computer 20 is a CPU that controls the entire three-dimensional coordinate measuring robot 10, a ROM as a storage medium that stores various programs such as a measurement processing program to be described later, a RAM that temporarily stores data as a work area, It is configured to include a memory serving as storage means in which various information is stored, input / output signals from an input / output port (I / O port) or PLC, and a bus for interconnecting them. Moreover, you may comprise including HDD as a memory | storage means.

また、コンピュータ20は、機能的には、図2に示すように、ロボットアームの駆動を制御して3次元センサ部18を指令値に応じた位置に移動させると共に、撮像装置12による撮像処理及びスリット光源14によるスリット光の投射処理を制御する駆動制御部22と、撮像装置12により撮像された画像から計測対象のエッジを抽出するエッジ抽出部24と、画像からスリット反射像の中心であるスリット中心位置を抽出するスリット抽出部26と、エッジ及びスリット中心位置からスリットの特徴点を抽出するスリット特徴点抽出部28と、特徴点の座標から3次元座標を演算する3次元座標演算部30と、センサ座標系を世界座標系に変換するための指令値毎の変換パラメータが記憶された変換パラメータ記憶部32と、演算されたセンサ座標系の3次元座標を、変換パラメータを用いて世界座標系の3次元座標に変換して出力する座標変換部34とを含んだ構成で表すことができる。   In addition, as shown in FIG. 2, the computer 20 functionally controls the driving of the robot arm to move the three-dimensional sensor unit 18 to a position corresponding to the command value, A drive control unit 22 that controls the projection process of the slit light by the slit light source 14, an edge extraction unit 24 that extracts the measurement target edge from the image captured by the imaging device 12, and a slit that is the center of the slit reflection image from the image A slit extracting unit 26 for extracting the center position, a slit feature point extracting unit 28 for extracting a feature point of the slit from the edge and the slit center position, and a three-dimensional coordinate calculating unit 30 for calculating a three-dimensional coordinate from the coordinates of the feature point A conversion parameter storage unit 32 that stores conversion parameters for each command value for converting the sensor coordinate system to the world coordinate system; The three-dimensional coordinates of capacitors coordinate system can be represented by structure that includes a coordinate conversion unit 34 for converting the three-dimensional coordinates of the world coordinate system using the transformation parameters.

ここで、本実施の形態の原理について説明する。   Here, the principle of the present embodiment will be described.

本実施の形態のように、3次元センサ部18がロボットアームの先端に取り付けられ、任意の位置に移動させて計測対象の3次元座標を計測する構成では、重力によるたわみなどで、正確に位置決めすることは困難である。また、ロボットアームの先端への取付位置の誤差などにより、3次元センサ部18のセンサ座標系を機械的に世界座標系に一致させるのは困難である。しかし、同じ座標への3次元センサ部18の移動を指令した場合の繰り返し位置精度は十分高いといった性質がある。この性質を利用して、3次元センサ部18を指令した位置に移動させたときに世界座標系における位置及び姿勢が既知の基準プレートを計測することにより、指令値毎にセンサ座標系における3次元座標を世界座標系における3次元座標に変換するための変換パラメータを算出するものである。   As in the present embodiment, in the configuration in which the three-dimensional sensor unit 18 is attached to the tip of the robot arm and moved to an arbitrary position to measure the three-dimensional coordinates of the measurement target, the positioning is accurately performed by deflection due to gravity or the like. It is difficult to do. Also, it is difficult to mechanically match the sensor coordinate system of the three-dimensional sensor unit 18 with the world coordinate system due to an error in the attachment position to the tip of the robot arm. However, the repeat position accuracy is sufficiently high when the movement of the three-dimensional sensor unit 18 to the same coordinates is commanded. By utilizing this property, by measuring a reference plate whose position and orientation in the world coordinate system are known when the three-dimensional sensor unit 18 is moved to the commanded position, the three-dimensional sensor coordinate system is measured for each command value. A conversion parameter for converting coordinates into three-dimensional coordinates in the world coordinate system is calculated.

次に、変換パラメータ記憶部32に記憶される指令値毎の変換パラメータの算出方法について説明する。図3に示すように、本実施の形態の3次元座標計測ロボット10、基準プレート50、及び3次元絶対座標測定器60を用いて、後述する変換パラメータ算出処理を実行することにより、指令値毎の変換パラメータを算出する。   Next, a method for calculating a conversion parameter for each command value stored in the conversion parameter storage unit 32 will be described. As shown in FIG. 3, by using the three-dimensional coordinate measuring robot 10, the reference plate 50, and the three-dimensional absolute coordinate measuring device 60 according to the present embodiment, a conversion parameter calculation process, which will be described later, is executed, so that each command value is The conversion parameter is calculated.

基準プレート50は、3次元座標計測ロボット10の3次元センサ部18を指令値に応じた位置に移動させた状態で、3次元センサ部18に対向する位置に配置する。基準プレート50は、図4に示すように、薄い直方体で、面内に丸穴が穿設されている。基準プレート50の直方体の面精度、丸穴の位置精度、及び全体の寸法精度は高精度に加工されている。基準プレート50のサイズは、撮像装置12で撮像可能なサイズとし、丸穴のサイズは、スリット光の投射部分が十分な長さが得られるサイズとする。例えば、計測範囲が5cmであれば、丸穴の直径を2cm、プレート幅(短手方向)を3cm等のように設定することができる。プレートの長さ(長手方向)は、3次元絶対座標測定器60での計測精度を確保するための長さとすることができる。なお、基準プレート50は、後述するスリット光が短手方向の辺にかからないように配置する。   The reference plate 50 is arranged at a position facing the three-dimensional sensor unit 18 in a state where the three-dimensional sensor unit 18 of the three-dimensional coordinate measuring robot 10 is moved to a position corresponding to the command value. As shown in FIG. 4, the reference plate 50 is a thin rectangular parallelepiped and has a round hole in the surface. The surface accuracy of the rectangular parallelepiped of the reference plate 50, the position accuracy of the round hole, and the overall dimensional accuracy are processed with high accuracy. The size of the reference plate 50 is set to a size that can be imaged by the imaging device 12, and the size of the round hole is set to a size that allows a sufficient projection length of the slit light to be obtained. For example, if the measurement range is 5 cm, the diameter of the round hole can be set to 2 cm, the plate width (short direction) can be set to 3 cm, and the like. The length (longitudinal direction) of the plate can be a length for ensuring measurement accuracy with the three-dimensional absolute coordinate measuring device 60. The reference plate 50 is arranged so that slit light, which will be described later, does not reach the side in the short direction.

3次元絶対座標測定器60は、アームの先端に取り付けられたプローブを対象物に接触させて対象物の世界座標系における位置及び姿勢を計測するものである。本実施の形態の3次元座標計測ロボット10と比較して、プローブ部の位置決めが高精度に行えるものを用いる。なお、ここでは、接触式で計測する場合について説明するが、レーザセンサ等を用いて非接触で計測を行うものでもよい。   The three-dimensional absolute coordinate measuring device 60 measures the position and orientation of the object in the world coordinate system by bringing the probe attached to the tip of the arm into contact with the object. As compared with the three-dimensional coordinate measuring robot 10 of the present embodiment, a robot that can position the probe portion with high accuracy is used. Note that, here, a case of measuring by a contact method will be described, but a non-contact measurement may be performed using a laser sensor or the like.

次に、図5を参照して、変換パラメータ算出処理について説明する。   Next, the conversion parameter calculation process will be described with reference to FIG.

ステップ100で、3次元絶対座標測定器60で基準ブロック62を計測する。基準ブロック62は、世界座標系の3軸(X軸、Y軸、Z軸)に対応して高精度に加工された立方体または直方体のブロックである。この基準ブロック62を計測することにより、3次元絶対座標測定器60の座標系を基準ブロックの座標系、すなわち世界座標系に一致させるキャリブレーションを行う。   In step 100, the reference block 62 is measured by the three-dimensional absolute coordinate measuring device 60. The reference block 62 is a cubic or rectangular parallelepiped block processed with high accuracy corresponding to the three axes (X axis, Y axis, and Z axis) of the world coordinate system. By measuring the reference block 62, calibration is performed so that the coordinate system of the three-dimensional absolute coordinate measuring device 60 matches the coordinate system of the reference block, that is, the world coordinate system.

次に、ステップ102で、3次元絶対座標測定器60で基準プレート50の各辺及び丸穴の円周部を接触計測し、計測結果及び基準プレート50の既知の寸法を用いて、世界座標系における丸穴の中心Cの3次元座標、基準プレート50の面方向の法線ベクトル、及び長手方向のエッジを示すエッジベクトルを演算する。   Next, in step 102, the three-dimensional absolute coordinate measuring device 60 performs contact measurement on each side of the reference plate 50 and the circumferential portion of the round hole, and uses the measurement result and the known dimensions of the reference plate 50 to determine the world coordinate system. The three-dimensional coordinates of the center C of the round hole at, the normal vector in the surface direction of the reference plate 50, and the edge vector indicating the edge in the longitudinal direction are calculated.

次に、ステップ104で、3次元座標計測ロボット10に設けられた入力操作部(図示省略)から指令値を入力し、3次元座標計測ロボット10のロボットアームを駆動して、3次元センサ部18を指令値に応じた位置に移動させる。   Next, in step 104, a command value is input from an input operation unit (not shown) provided in the three-dimensional coordinate measurement robot 10, and the robot arm of the three-dimensional coordinate measurement robot 10 is driven to perform the three-dimensional sensor unit 18. Is moved to a position corresponding to the command value.

次に、ステップ106で、3次元座標計測ロボット10に取り付けた3Dセンサ18(センサ座標系の原点位置が既知のキャリブレーションを行ったものとする。また、既知の原点に面する3面があり直交しているものとする。)は、センサ座標系における基準プレート50の丸穴の中心Cの3次元座標、基準プレート50の面方向の法線ベクトル、及び長手方向のエッジを示すエッジベクトルを計測する。具体的には、図6に示すように、撮像装置12及びスリット光を用いた三角測量法を採用する。   Next, in step 106, a 3D sensor 18 attached to the three-dimensional coordinate measuring robot 10 (assuming that the origin position of the sensor coordinate system has been known has been calibrated. There are also three surfaces facing the known origin. Are assumed to be orthogonal to each other.) Is a three-dimensional coordinate of the center C of the circular hole of the reference plate 50 in the sensor coordinate system, a normal vector in the surface direction of the reference plate 50, and an edge vector indicating an edge in the longitudinal direction. measure. Specifically, as shown in FIG. 6, the triangulation method using the imaging device 12 and slit light is adopted.

先ず、スリット光源14により基準プレート50にスリット光を投射し、撮像装置12により、基準プレート50を撮像する。次に、撮像された画像から、センサ座標系におけるスリット幅方向の代表位置であるスリット中心座標を抽出する。スリット中心座標の抽出方法としては、スリット長手方向に垂直な方向にある値以上の輝度値を持つ画素についてそれらの輝度重心の位置を求める方法や、単純に中心位置を求める方法がある。   First, slit light is projected onto the reference plate 50 by the slit light source 14, and the reference plate 50 is imaged by the imaging device 12. Next, the slit center coordinates, which are representative positions in the slit width direction in the sensor coordinate system, are extracted from the captured image. As a method for extracting the slit center coordinates, there are a method for obtaining the position of the luminance center of gravity for a pixel having a luminance value equal to or greater than a value in a direction perpendicular to the slit longitudinal direction, and a method for simply obtaining the center position.

次に、撮像された画像から、丸穴の円周部及び各辺に相当するエッジを抽出する。具体的には、画像処理技術を用いて、撮像された画像からスリット光を消去した後にエッジを抽出する。また、撮像のステップでスリット光をOFFにした状態で撮像した濃淡画像からエッジを抽出するようにしてもよい。そして、エッジとスリット中心線の交差する点をスリット特徴点33として抽出する。スリット特徴点33は、図7に示すように、丸穴の円周から4点(a〜d)、長手方向の辺から4点(e〜h)が抽出される。これらのスリット特徴点33の画像上の座標をセンサ座標系の3次元座標に変換し、丸穴の中心Cの3次元座標、基準プレート50の面方向の法線ベクトル、及び長手方向のエッジを示すエッジベクトルを演算する。   Next, an edge corresponding to the circumferential portion of the round hole and each side is extracted from the captured image. Specifically, the edge is extracted after erasing the slit light from the captured image using an image processing technique. Further, an edge may be extracted from a grayscale image captured in a state where the slit light is turned off in the imaging step. Then, a point where the edge and the slit center line intersect is extracted as a slit feature point 33. As shown in FIG. 7, the slit feature points 33 are extracted from four points (a to d) from the circumference of the round hole and four points (e to h) from the sides in the longitudinal direction. The coordinates of these slit feature points 33 on the image are converted into the three-dimensional coordinates of the sensor coordinate system, and the three-dimensional coordinates of the center C of the round hole, the normal vector in the surface direction of the reference plate 50, and the edge in the longitudinal direction are converted. The edge vector shown is calculated.

次に、ステップ108で、上記ステップ102で計測した世界座標系における基準プレート50の丸穴の中心Cの3次元座標、法線ベクトル、及びエッジベクトルと、上記ステップ106で計測したセンサ座標系における丸穴の中心Cの3次元座標、法線ベクトル、及びエッジベクトルとに基づいて、センサ座標系を世界座標系に変換するための変換パラメータを算出する。具体的には、世界座標系の3軸(X,Y,Z)の各々の軸周りの回転をθx、θy、θzとし、各々の軸に沿った平行移動をTx、Ty、Tzとすると、センサ座標系における座標(x,y,z)と世界座標系における座標(u,v,w)の座標変換は下記(1)式で表すことができる。   Next, in step 108, the three-dimensional coordinate, normal vector, and edge vector of the center C of the round hole of the reference plate 50 in the world coordinate system measured in step 102, and the sensor coordinate system measured in step 106 above. A conversion parameter for converting the sensor coordinate system to the world coordinate system is calculated based on the three-dimensional coordinates of the center C of the round hole, the normal vector, and the edge vector. Specifically, assuming that rotation around each of the three axes (X, Y, Z) of the world coordinate system is θx, θy, θz, and translation along each axis is Tx, Ty, Tz, Coordinate conversion between the coordinates (x, y, z) in the sensor coordinate system and the coordinates (u, v, w) in the world coordinate system can be expressed by the following equation (1).

Figure 2012145381
Figure 2012145381

従って、変換パラメータとして、θx、θy、θz、Tx、Ty、Tzを、世界座標系及びセンサ座標系の各々における基準プレート50の丸穴の中心Cの3次元座標、法線ベクトル、及びエッジベクトルに基づいて算出しておけばよい。   Accordingly, θx, θy, θz, Tx, Ty, Tz are used as conversion parameters, and the three-dimensional coordinates, normal vectors, and edge vectors of the center C of the circular hole of the reference plate 50 in each of the world coordinate system and the sensor coordinate system. It may be calculated based on the above.

実際に3次元座標計測ロボット10が計測対象を計測する際に必要となる3次元センサ部18の位置、すなわち指令値毎に、本処理を実行することにより、指令値毎の変換パラメータを算出する。算出した指令値毎の変換パラメータは変換パラメータ記憶部32に記憶する。   A conversion parameter for each command value is calculated by executing this process for each position of the three-dimensional sensor unit 18 that is actually required when the three-dimensional coordinate measuring robot 10 measures a measurement target, that is, for each command value. . The calculated conversion parameter for each command value is stored in the conversion parameter storage unit 32.

次に、図8を参照して、3次元座標計測ロボット10で計測対象を計測する計測処理ルーチンについて説明する。ここでは、計測対象を丸穴が穿設された部材とし、その丸穴の中心の3次元座標を計測する場合について説明する。本ルーチンは、3次元座標計測ロボット10の電源(図示省略)がオンされることによりスタートする。   Next, a measurement processing routine for measuring a measurement target by the three-dimensional coordinate measurement robot 10 will be described with reference to FIG. Here, a case will be described in which a measurement target is a member having a round hole and the three-dimensional coordinates of the center of the round hole are measured. This routine starts when the power supply (not shown) of the three-dimensional coordinate measurement robot 10 is turned on.

ステップ120で、計測対象に対応した位置に3次元センサ部18を移動させるための指令値が入力されたか否かを判定する。指令値が入力された場合には、ステップ122へ移行し、指令値が入力されない場合には、入力されるまで待機状態となる。   In step 120, it is determined whether or not a command value for moving the three-dimensional sensor unit 18 to a position corresponding to the measurement target has been input. If the command value is input, the process proceeds to step 122. If the command value is not input, the process waits until the command value is input.

ステップ122では、3次元座標計測ロボット10のロボットアームを駆動して、3次元センサ部18を指令値に応じた位置に移動させる。   In step 122, the robot arm of the three-dimensional coordinate measuring robot 10 is driven to move the three-dimensional sensor unit 18 to a position corresponding to the command value.

次に、ステップ124で、センサ座標系における計測対象の丸穴の中心Cの3次元座標を計測する。具体的には、上記変換パラメータ算出処理のステップ106で述べたのと同様に、スリット光源14により計測対象の丸穴部にスリット光を投射し、撮像装置12により撮像する。次に、撮像された画像から、スリット中心線及び丸穴の円周部のエッジを抽出する。そして、エッジとスリット中心線の交差する点をスリット特徴点33として抽出する。スリット特徴点33は、図7に示すような、丸穴の円周の4点(a〜d)が抽出される。これらのスリット特徴点33の画像上の座標をセンサ座標系の3次元座標に変換し、丸穴の中心Cの3次元座標を演算する。   Next, in step 124, the three-dimensional coordinates of the center C of the round hole to be measured in the sensor coordinate system are measured. Specifically, as described in step 106 of the conversion parameter calculation process, the slit light source 14 projects slit light onto the round hole portion to be measured, and the imaging device 12 captures an image. Next, the slit center line and the edge of the circumference of the round hole are extracted from the captured image. Then, a point where the edge and the slit center line intersect is extracted as a slit feature point 33. As the slit feature points 33, four points (a to d) on the circumference of the round hole as shown in FIG. 7 are extracted. The coordinates on the image of these slit feature points 33 are converted into the three-dimensional coordinates of the sensor coordinate system, and the three-dimensional coordinates of the center C of the round hole are calculated.

次に、ステップ126で、上記ステップ120で入力された指令値に対応する変換パラメータを、変換パラメータ記憶部32から読み出す。   Next, in step 126, the conversion parameter corresponding to the command value input in step 120 is read from the conversion parameter storage unit 32.

次に、ステップ128で、上記ステップ124で計測したセンサ座標系における丸穴の中心Cの3次元座標を、上記ステップ126で読み出した変換パラメータ及び(1)式を用いて世界座標系における3次元座標に変換し、変換した値を計測値として出力する。   Next, in step 128, the three-dimensional coordinates of the center C of the round hole in the sensor coordinate system measured in step 124 are converted into the three-dimensional coordinates in the world coordinate system using the transformation parameter read out in step 126 and equation (1). Convert to coordinates and output the converted value as a measured value.

以上説明したように、本実施の形態の3次元座標計測ロボットによれば、3次元センサ部を指令値に対応した位置に移動させる場合の繰り返し位置精度が高いことを利用して、世界座標系における位置及び姿勢が既知の基準プレートを計測して得た指令値毎の変換パラメータを用いて、センサ座標系における3次元座標を世界座標系における3次元座標に変換するため、精度良く座標変換を行うことができる。   As described above, according to the three-dimensional coordinate measurement robot of the present embodiment, the world coordinate system is utilized by using high repeatability when moving the three-dimensional sensor unit to a position corresponding to the command value. In order to convert the three-dimensional coordinates in the sensor coordinate system into the three-dimensional coordinates in the world coordinate system using the conversion parameters for each command value obtained by measuring the reference plate whose position and orientation are known, the coordinate conversion is performed with high accuracy. It can be carried out.

なお、上記実施の形態では、変換パラメータを算出する際に、世界座標系及びセンサ座標系の各々における基準プレート50の丸穴の中心の3次元座標、法線ベクトル、及びエッジベクトルに基づいて、世界座標系の3軸の各々の軸周りの回転及び各々の軸に沿った平行移動を用いる場合について説明したが、一直線上にない3点を基準点として、3次元絶対座標測定器及び3次元座標計測ロボットで3次元座標を計測して、変換パラメータを算出するようにしてもよい。   In the above embodiment, when calculating the conversion parameter, based on the three-dimensional coordinates of the center of the round hole of the reference plate 50 in each of the world coordinate system and the sensor coordinate system, the normal vector, and the edge vector, The case where the rotation around each of the three axes of the world coordinate system and the translation along each axis are used has been described. However, the three-dimensional absolute coordinate measuring instrument and the three-dimensional A conversion parameter may be calculated by measuring three-dimensional coordinates with a coordinate measuring robot.

具体的には、3次元座標計測ロボット10で基準プレート50を計測して求めた丸穴の中心座標をC(Xc,Yc,Zc)、法線ベクトルN(Xn,Yn,Zn)、エッジベクトルE(Xe,Ye,Ze)とする。中心座標Cから距離Lだけ法線方向及びエッジ方向に離れた点Cl及びCeを演算で求め、C、Cl、Ceの3点の3次元座標を得る。同様に、3次元絶対座標計測器60で基準プレート50を計測して、丸穴の中心座標C、法線ベクトルN、エッジベクトルEを求めて、上記のC、Cl、Ceの3点の3次元座標を得る。この3点の3次元座標の対応関係から変換パラメータを算出する。   Specifically, the center coordinates of the round hole obtained by measuring the reference plate 50 with the three-dimensional coordinate measuring robot 10 are C (Xc, Yc, Zc), the normal vector N (Xn, Yn, Zn), and the edge vector. Let E (Xe, Ye, Ze). Points Cl and Ce that are separated from the center coordinate C by a distance L in the normal direction and the edge direction are obtained by calculation, and three-dimensional coordinates of three points C, Cl, and Ce are obtained. Similarly, the reference plate 50 is measured by the three-dimensional absolute coordinate measuring device 60, and the center coordinates C, normal vector N, and edge vector E of the round hole are obtained, and 3 of the above three points C, Cl, and Ce are obtained. Get dimensional coordinates. A conversion parameter is calculated from the correspondence of these three three-dimensional coordinates.

また、以下のように、変換パラメータを算出するようにしてもよい。   Further, the conversion parameter may be calculated as follows.

まず、図9に示すように、3次元絶対座標測定器60で基準プレート50の各辺及び丸穴の円周部を接触計測し、計測結果及び基準プレート50の寸法に基づいて、丸穴の中心Cの3次元座標を求め、丸穴の中心Cから辺a(長手方向の上辺)に下ろした垂線の足に位置する点P1、丸穴の中心Cから辺b(長手方向の下辺)に下ろした垂線の足に位置する点P2、丸穴の中心Cから辺c(短手方向の辺)に下ろした垂線の足に位置する点P3の3次元座標を求める。これらの点P1、P2、P3が基準プレートの基準点となる。各点の3次元座標は、丸穴の中心Cの3次元座標、及び基準プレート50の寸法から既知となるCP1、CP2、CP3の距離を用いて演算する。   First, as shown in FIG. 9, each side of the reference plate 50 and the circumference of the round hole are contact-measured by the three-dimensional absolute coordinate measuring device 60, and the round hole is measured based on the measurement result and the dimension of the reference plate 50. The three-dimensional coordinates of the center C are obtained, and the point P1 is located on the leg of the perpendicular drawn from the center C of the round hole to the side a (the upper side in the longitudinal direction), and from the center C of the round hole to the side b (the lower side in the longitudinal direction). The three-dimensional coordinates of the point P2 located on the foot of the lowered perpendicular and the point P3 located on the foot of the perpendicular drawn from the center C of the round hole to the side c (side in the short direction) are obtained. These points P1, P2, and P3 become reference points of the reference plate. The three-dimensional coordinates of each point are calculated using the three-dimensional coordinates of the center C of the round hole and the distances CP1, CP2, and CP3 that are known from the dimensions of the reference plate 50.

また、3次元座標計測ロボット10では、撮像された画像から、基準プレート50の各辺のエッジを抽出し、図9に示すように、スリット中心線と交差する特徴点E1、E2、E3、E4を抽出して、画像上の座標をセンサ座標系の3次元座標に変換する。そして、丸穴の中心CからベクトルE1E2に下ろした垂線の足に位置する点P1、丸穴の中心CからベクトルE3E4に下ろした垂線の足に位置する点P2、丸穴の中心Cを通りE1E2に平行な直線上のCから既知の距離にある点P3のセンサ座標系における3次元座標を演算する。   Further, the three-dimensional coordinate measuring robot 10 extracts the edge of each side of the reference plate 50 from the captured image and, as shown in FIG. 9, feature points E1, E2, E3, E4 that intersect with the slit center line. Is extracted and the coordinates on the image are converted into three-dimensional coordinates in the sensor coordinate system. Then, the point P1 located on the leg of the perpendicular drawn from the center C of the round hole to the vector E1E2, the point P2 located on the leg of the perpendicular drawn from the center C of the round hole to the vector E3E4, and the center C of the round hole passed E1E2. The three-dimensional coordinates in the sensor coordinate system of the point P3 at a known distance from C on the straight line parallel to is calculated.

この世界座標系及びセンサ座標系の各々における基準点の3次元座標を用いて、変換パラメータを算出してもよい。   The conversion parameter may be calculated using the three-dimensional coordinates of the reference point in each of the world coordinate system and the sensor coordinate system.

また、図10に示すように、直角三角形の板状のプレートに丸穴を穿設した基準プレート51を用いて、基準点3点の3次元座標を求めることもできる。この場合、3次元絶対座標測定器60で基準プレート51の各辺及び丸穴の円周部を接触計測し、計測結果及び基準プレート51の寸法に基づいて、丸穴の中心Cの3次元座標を求め、丸穴の中心Cから辺aに下ろした垂線の足に位置する点P1、直角三角形の頂点P2の3次元座標を求める。これらの点C、P1、P2が基準プレート51の基準点となる。各点の3次元座標は、丸穴の中心Cの3次元座標、及び基準プレート51の寸法から既知となるCP1、P1P2の距離を用いて演算する。   Further, as shown in FIG. 10, it is also possible to obtain the three-dimensional coordinates of the three reference points using a reference plate 51 in which a round hole is formed in a right triangular plate-like plate. In this case, each side of the reference plate 51 and the circumference of the round hole are contact-measured by the three-dimensional absolute coordinate measuring device 60, and the three-dimensional coordinates of the center C of the round hole are based on the measurement result and the dimensions of the reference plate 51. And the three-dimensional coordinates of the point P1 and the vertex P2 of the right triangle located at the leg of the perpendicular line from the center C of the round hole to the side a are obtained. These points C, P1, and P2 become reference points of the reference plate 51. The three-dimensional coordinates of each point are calculated using the three-dimensional coordinates of the center C of the round hole and the distances CP1 and P1P2 that are known from the dimensions of the reference plate 51.

また、3次元座標計測ロボット10では、撮像された画像から、基準プレート51の各辺のエッジを抽出し、図10に示すように、スリット中心線と交差する特徴点E1、E2を抽出して、画像上の座標をセンサ座標系の3次元座標に変換する。そして、丸穴の中心CからベクトルE1E2に下ろした垂線の足に位置する点P1、ベクトルE1E2方向に点Pから既知の距離にある点P2のセンサ座標系における3次元座標を演算する。   Further, the three-dimensional coordinate measuring robot 10 extracts the edge of each side of the reference plate 51 from the captured image, and extracts feature points E1 and E2 that intersect with the slit center line as shown in FIG. The coordinates on the image are converted into three-dimensional coordinates in the sensor coordinate system. Then, the three-dimensional coordinates in the sensor coordinate system of the point P1 located on the foot of the perpendicular line dropped from the center C of the round hole to the vector E1E2 and the point P2 at a known distance from the point P in the vector E1E2 direction are calculated.

また、基準プレートとして、図11に示すようなエッジ方向に沿った溝状のガイドを設けた基準プレート52を用いてもよい。この場合、接触式の3次元絶対座標測定器60で面上の3点を計測して基準プレート52の面を規定して法線ベクトルを演算する。次に、ガイドに沿って2点以上を計測することによりエッジベクトルを演算する。このエッジベクトル、基準プレートの面上でエッジベクトルと直交するベクトル、及び法線ベクトルにより座標軸を構成する。そして、丸穴の円周部の少なくとも3点を計測して、丸穴の中心の3次元座標を演算する。このような基準プレート52を用いることにより、3次元絶対座標測定器60による計測精度を向上させることができる。   Further, as the reference plate, a reference plate 52 provided with a groove-shaped guide along the edge direction as shown in FIG. 11 may be used. In this case, the contact-type three-dimensional absolute coordinate measuring device 60 measures three points on the surface, defines the surface of the reference plate 52, and calculates a normal vector. Next, an edge vector is calculated by measuring two or more points along the guide. A coordinate axis is constituted by this edge vector, a vector orthogonal to the edge vector on the surface of the reference plate, and a normal vector. Then, at least three points on the circumference of the round hole are measured, and the three-dimensional coordinates of the center of the round hole are calculated. By using such a reference plate 52, the measurement accuracy by the three-dimensional absolute coordinate measuring device 60 can be improved.

また、図12(A)に示すように、円錐状の丸穴を穿設した基準プレート53を用いてもよい。この場合、スリット光を投射すると、同図(B)に示すように、丸穴の前面の円周部及び背面の円周部の各々からスリット特徴点が抽出される。これを用いて、前面の円周部の中心と背面の円周部の中心を結んで法線ベクトルを演算することができ、法線ベクトルの演算精度を向上させることができる。   Further, as shown in FIG. 12A, a reference plate 53 having a conical round hole may be used. In this case, when slit light is projected, slit feature points are extracted from each of the front and rear circumferential portions of the round hole, as shown in FIG. By using this, the normal vector can be calculated by connecting the center of the front circumferential portion and the center of the rear circumferential portion, and the calculation accuracy of the normal vector can be improved.

なお、上記変換パラメータ算出処理、及び計測処理をプログラムとして規定し、記憶媒体に記憶して提供することができる。   The conversion parameter calculation process and the measurement process can be defined as a program, stored in a storage medium, and provided.

10 3次元座標計測ロボット
12 撮像装置
14 スリット光源
18 3次元センサ部
20 コンピュータ
22 駆動制御部
24 エッジ抽出部
26 スリット抽出部
28 スリット特徴点抽出部
30 3次元座標演算部
32 変換パラメータ記憶部
33 スリット特徴点
34 座標変換部
50、51、52、53 基準プレート
60 3次元絶対座標測定器
62 基準ブロック
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 3D coordinate measuring robot 12 Imaging device 14 Slit light source 18 3D sensor part 20 Computer 22 Drive control part 24 Edge extraction part 26 Slit extraction part 28 Slit feature point extraction part 30 3D coordinate calculation part 32 Conversion parameter memory | storage part 33 Slit Feature point 34 Coordinate converter 50, 51, 52, 53 Reference plate 60 Three-dimensional absolute coordinate measuring device 62 Reference block

Claims (2)

計測対象を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段を、指令値に応じた位置に移動させる移動手段と、
前記撮像手段により計測対象を撮像した画像から抽出した前記計測対象の特徴点の3次元座標を、前記撮像手段の座標系で演算する演算手段と、
前記撮像手段の座標系を世界座標系に変換するための変換パラメータであって、前記世界座標系における位置及び姿勢が既知の基準プレートの予め定めた基準点の前記世界座標系における3次元座標と、前記基準プレートを前記撮像手段により撮像した画像から抽出した前記基準点の前記撮像手段の座標系における3次元座標とに基づいて、前記指令値毎に予め求められた変換パラメータを用いて、前記計測対象の特徴点の前記撮像手段の座標系における3次元座標を前記世界座標系における3次元座標に変換する変換手段と、
を含む3次元座標計測装置。
Imaging means for imaging a measurement object;
Moving means for moving the imaging means to a position according to a command value;
Arithmetic means for calculating, in the coordinate system of the imaging means, three-dimensional coordinates of the characteristic points of the measuring object extracted from an image obtained by imaging the measurement object by the imaging means;
A conversion parameter for converting the coordinate system of the imaging means into a world coordinate system, the three-dimensional coordinates in the world coordinate system of a predetermined reference point of a reference plate having a known position and orientation in the world coordinate system; , Based on the three-dimensional coordinates in the coordinate system of the imaging means of the reference point extracted from the image obtained by imaging the reference plate with the imaging means, using the conversion parameter obtained in advance for each command value, Conversion means for converting the three-dimensional coordinates in the coordinate system of the imaging means of the characteristic points to be measured into three-dimensional coordinates in the world coordinate system;
A three-dimensional coordinate measuring apparatus.
前記計測対象に少なくとも1本のスリット状の光を投射するスリット光投射手段を含み、
前記演算手段は、前記撮像手段により撮像された画像から抽出されたエッジ、及び前記スリット光投射手段によりスリット上の光が投射されているときに前記撮像手段により撮像された画像上のスリットに基づいて、前記特徴点を抽出する
請求項1記載の3次元座標計測装置。
Including slit light projection means for projecting at least one slit-shaped light onto the measurement object;
The computing means is based on an edge extracted from an image taken by the imaging means and a slit on the image taken by the imaging means when light on the slit is projected by the slit light projecting means. The three-dimensional coordinate measuring apparatus according to claim 1, wherein the feature points are extracted.
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