JP2014115277A - 形状計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】大型の構造物を簡易な方法で高精度に測定する形状計測システムを提供する。
【解決手段】形状計測システム１００において、測定対象までの距離を測定光を回転させながら測定する距離センサ１１と、距離センサ１１の測定位置を変更する手段からなる形状計測部１０と、形状計測部１０を移動させる車輪２０１と、形状計測部１０の位置を計測する位置姿勢計測センサ部３００とを備え、位置姿勢計測センサ部３００の基準点を原点とした座標系における、形状計測部１０の原点の空間座標と回転角を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状計測システムに関する。

ものづくりにおいて製品の品質確保に加え、加工・組み立て時の作業時間の短縮のために形状計測が求められている。従来から、測定対象物にレーザ光を照射し、その反射光から測定対象物の形状を計測する形状計測装置が知られている。

本技術分野の背景技術として、特開２００５−１８０９２５号公報（特許文献１）がある。この公報には、「レーザ光を使用して被測定物の３次元形状を測定するレーザ測定システムにおいて、被測定物の３次元形状を測定する測定手段と、前記測定手段によって複数の位置で測定した前記被測定物の３次元形状に関する測定データを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶した複数位置における測定データを合成することによって前記被測定物の３次元形状を算出する３次元形状算出手段とを備えて成ることを特徴とするレーザ測定システムが提供される。３次元形状算出手段は、記憶手段に記憶した複数位置における測定データを合成することによって被測定物の３次元形状を算出する」と記載されている。

また、特許第４４８６７３７号公報（特許文献２）がある。この公報には、「魚眼レンズとラインセンサとを組み合わせたカメラを水平に所定の撮像角度を有して３台併設してなる２個のマルチラインカメラと、ＤＧＰＳ受信器と、異なる方向にレーザを発射して受信する３台のレーザスキャナと、慣性航法装置とを移動体上に固定して移動しながら得たカメラデータ、レーザデータ、位置姿勢からなるＩＮＳデータ、ＧＰＳ時刻を用いて３次元グラフィック画像を生成するモービルマッピング用空間情報生成装置であって、前記ＧＰＳ時刻を有するカメラデータ、レーザデータに対して、前記ＧＰＳ時刻を有する前記ＩＮＳデータを結びつける手段と、前記各レーザスキャナのレーザデータを読み込み、それぞれのレーザデータが示す測定点までの距離値、測定点に対するレーザ方向の角度を、前記ＩＮＳデータを基準にしてそれぞれの３次元の地理座標に定義する手段と、前記それぞれの３次元の地理座標に定義された各レーザの単方向モデルを３次元座標上に合成する手段と、前記合成モデルを所定条件に従った平面に分割し、該分割エリアをポリゴン化する手段と、前記ポリゴンの各距離値、角度に結びつけられる画像データをカメラデータの前記ＩＮＳデータに基づいて検索し、該検索した画像データを前記ポリゴンに割り付けて前記３次元グラフィック画像を生成する手段とを備えたことを要旨とする」と記載されている。

また、特開２０１２−２７８３号公報（特許文献３）がある。この公報には、「管体の内面形状を三次元的に計測する内面形状測定装置であって、前記管体の内面に沿って鉛直方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力する第１の測距データ検出手段と、前記管体の内面に沿って前記鉛直方向に対して所定角度傾けた方向にレーザビームを走査させて、該管体の内面に照射した前記レーザビームの方位毎の測距データを出力する第２の測距データ検出手段と、前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を前記管体の軸方向に移動する移動手段と、該移動手段により前記第１の測距データ検出手段、及び前記第２の測距データ検出手段を移動させた時のそれぞれの位置座標を検知する位置座標検知手段と、前記第１の測距データ検出手段、並びに前記第２の測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて前記移動手段と前記管体の軸線との傾き角度を算出し、前記位置座標検知手段により検知された位置座標を前記算出した傾き角度に基づいて補正して前記管体の内面三次元形状を生成する制御手段と、を備えたことを特徴とする」と記載されている。

特開２００５−１８０９２５号公報 特許第４４８６７３７号公報 特開２０１２−２７８３号公報

特許文献１のレーザ計測システムでは、３次元形状計測装置を用いて複数箇所より測定した測定対象の形状計測データを合成するため、３次元の移動、測定領域の指定などのセットアップ、測定データの合成に工数が掛かるといった問題がある。

特許文献２においては、複数のカメラとレーザスキャナを搭載した、車両の位置と姿勢を、 慣性航法装置と、ＧＰＳを用いて測定することにより、画像データとレーザスキャナの距離データを地理座標に合成するが、慣性航法装置、ＧＰＳを用いて、位置と姿勢を計測しているため、高々ｃｍオーダの計測精度であり、ものづくりにおいて製品の品質確保に加え、加工・組み立て時に使える精度を実現することができないといった問題がある。

特許文献３には、２つの測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて
移動手段と測定対象の軸線との傾き角度を推定し、形状計測結果を補正しているが、姿勢計測センサを搭載しておらず、測距データ検出手段により検出された測距データに基づいて移動手段と測定対象の軸線との傾き角度を推定しているため、計測精度が移動の精度に依存してしまうといった問題がある。

上記問題点に鑑み、本発明は、高精度である必要がない移動手段で形状計測部を移動し、その形状計測部の位置と姿勢を高精度に計測することにより、設置、測定の工数が少ない方法で、移動手段の精度によらず、大きな測定対象の形状を、高精度に測定可能な測定形状計測システムを提供することを目的とする。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、測定対象までの距離を測定光を回転させながら測定する距離センサと、前記距離センサの測定位置を変更する手段からなる形状計測部と、 前記形状計測部を移動させる移動手段と、 前記形状計測部の位置を計測する位置計測手段とを備えたことを特徴とする形状計測システムである。

本発明によれば高速かつ簡便な方法で大型物の立体形状を測定できる。

また移動手段で形状計測部を移動し、その形状計測部の位置と姿勢を高精度に計測することにより、設置、測定が簡便な方法で、大きな測定対象の形状を高い精度に計測することができる。

実施例１の形状計測システム１００の構成図の例である。 実施例１の測定対象の例である鉄道車両１に搭載した様子を示した図である。 図２の平面Ａで切り取った断面図である。 位置姿勢計測センサ部３００の構成図の例である 位置姿勢計測センサ部３００の構成図の例である。 図１の構成例において位置姿勢計測センサ部３００と位置姿勢計測用レーザ出射部４００の位置を入れ替えた構成の例図である。 形状計測システム１００の形状計測フローチャートの例図である。 実施例２における形状計測システム６００の構成図の例図である。 アダプタ２３０と搭載部２１４の構成の一例を示す図である。 搭載用ワイヤ２１０を途中で中継支柱２２３を用いて支える構成の例図である。 搭載用ワイヤ２１０に垂直な断面図を示す図である。 複数のレーザを用い、位置と姿勢を計測できる範囲をy軸方向に広げることができる構成図の例である。 複数のＰＳＤ３０６を段違いに配置し、位置と姿勢を計測できる範囲をy軸方向に広げることができる構成図の例である。 実施例３における形状計測システム７００の構成図の例である。 実施例４における形状計測システム８００の構成図の例である。 実施例４における形状計測システム９００の構成図の例である。 実施例５における形状計測システム６００の構成図の例である。 実施例５における距離計測部の構成図である。 実施例５における距離計測部の構成図である。 実施例５における位置姿勢計測部の構成図である。 実施例５における位置姿勢計測部の並行ビーム射出光学系である。 実施例５における２次元検出器周りに配置した拡散板の構成図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、例えば測定対象として鉄道車両などの内面の形状計測を行う形状計測システムの例を説明する。
図１は、本実施例の形状計測システム１００の構成図の例である。

形状計測システム１００を間単に説明すると、それは形状測定部からのレーザー光を測定対象物に回転照射させながらその反射光の遅延時間を測定し、測定対象物の断面形状を測定する。また別のレーザー光により反射センサまたは測定センサまでのレーザー光の到達時間または反射光の検出時間により形状測定部の測定開始位置からの距離を算出する。

これを形状測定部を移動させながら測定対象物全領域にわたり実施することで対象物の３次元構造を簡便かつ高速に明らかにすることが出来るものである。

さらに詳細な構成を以下に説明する。

レーザー光により測定対象までの距離を計測する距離センサ１１と、レーザー出射光
１２と、レーザー出射光１２の光路を変更するプリズムもしくは反射板１３と、プリズム１３を回転させる回転ステージ１５からなる形状計測部１０を有する。形状測定部１０は簡易レール２００上に保持され、簡易レール上を形状計測部１０が車輪２０１により移動する。このとき位置姿勢計測用レーザ出射部４００と、位置計測用距離センサ４０２と、傾斜センサ３０９と、位置姿勢計測センサ部３００及び、制御・データ処理を行うＰＣ５００により始発点からの位置を算出する。

位置姿勢計測用レーザ出射部４００と、位置計測用距離センサ４０２と、傾斜センサ３０９及び、位置姿勢計測センサ部３００で、位置姿勢計測センサ部３００の基準点o（図３で説明する）を原点とした形状計測部１０の位置と姿勢を計測、算出する。すなわち位置姿勢計測センサ部３００の基準点ｏ（図３で説明する）を原点とした座標系における形状計測部１０の原点の空間座標ｘ0、ｙ0、ｚ0及びｘ、ｙ、ｚそれぞれの軸を回転軸とした回転θx、θy、θｚを測定する役割を果たす。

３０１はディテクタ、１７はセンサからの出射光、４０１は姿勢制御用レーザー出力である。３１０はビームスプリッターで、姿勢計測用レーザー出力４０１を二つに分離する役割を果たす。

距離センサ１１及び距離センサ４０２の距離測定方式は限定されない。例えば、Ｐｈａｓｅ−Ｓｈｉｆｔ法、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）法、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙーｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）法などがある。

距離センサ１１と位置計測用距離センサ４０２は、共通とし出力を切り替えるもしくは出力を分けても良い。

図２は本実施例の測定対象の例である鉄道車両１に搭載した様子を示した図であり、図３は平面Ａによる断面図を示す。形状計測システム１００で鉄道車両１の内面の形状を計測する例を、形状計測システム１００を鉄道車両１に設置し、図２の平面Ａで切り取った断面図（図３）で説明する。

ＰＣ５００は、距離センサ１１の測定結果である距離センサ１１の出射光１２の測定対象１への照射位置との距離と、回転ステージ１５の回転角度から、形状計測部１０の座標系における照射位置の空間座標(x’,y’,z’)を算出する。

位置姿勢計測センサ部３００の基準点ｏを原点とした座標系にける形状計測部１０の原点の空間座標ｘ0、ｙ0、ｚ0及びｘ、ｙ、ｚそれぞれの軸を回転軸とした回転θx、θy、θｚを算出する。

例えば、図４は、位置姿勢計測センサ部３００の構成図の例である。ビームスプリッタ３１０は姿勢計測用レーザ出力４０１を二つに分離する役割を果たす。分離された一方は位置検出素子例えばＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）３０１で受光し、もう一方はレンズ３０４で位置検出素子例えばＰＳＤ３０２上に集光される。ＰＳＤ３０１およびＰＳＤ３０２は受光したレーザの中心の座標を算出する役割を果たす。ＰＳＤ３０２の出力ｄｘ、ｄｙから、下記（式１）より、ｘ、ｙそれぞれの軸を回転軸とした回転θx、θyを算出する。

［式１］

これらθx’、θy’と、傾斜センサ３０９と、ＰＳＤ３０１と、距離センサ４０２の測定結果から、位置姿勢計測センサ部３００の基準点Ｏを原点とした、形状計測部１０の位置と姿勢、すなわち形状計測部１０の原点の空間座標ｘ0、ｙ0、ｚ0及びｘ、ｙ、ｚそれぞれの軸を回転軸とした回転θx、θy、θｚを算出する。ここで、（式１）においてfはレンズ３０４の焦点距離を示す。位置検出素子はＣＣＤなどのイメージングセンサを用いても良い。

図５(a)は、位置姿勢計測センサ部３００のもう一つの構成図の例である。ＰＳＤ３０１とＰＳＤ３０３はビームスプリッタ３１０からの距離がΔＬだけ異なる位置に配置されている。ビームスプリッタ３１０は姿勢計測用レーザ出力４０１を二つに分離する役割を果たす。分離された一方はＰＳＤ３０１で受光し、もう一方はＰＳＤ３０３で受光する。このように配置すると、図５（ｂ）に示すように、ＰＳＤ３０１とＰＳＤ３０３が仮想的に直列に並んでいるとみなすことができる。図５（ｂ）に示すように、経路差ΔＬがあるため、姿勢計測用レーザ出力４０１が位置姿勢計測センサ部３００に対して垂直方向からθだけ傾いた角度で入射した場合に、ＰＳＤ３０１とＰＳＤ３０３の検出する座標が異なるため、x軸方向の差をΔｘ、y軸方向の差をΔｙとしたとき、形状計測部１０のｘ、ｙ、それぞれの軸を回転軸とした回転θx、θyを次（式２）により求めることができる。

［式２］

これとＰＳＤ３０１もしくはＰＤ３０３が検出したx、yの座標から形状計測部１０の位置と姿勢、すなわち形状計測部１０の原点の空間座標ｘ0、ｙ0を求めることができる。

ＰＣ５００は、位置姿勢計測センサ部３００の基準点ｏを原点とした形状計測部１０の空間座標ｘ0、ｙ0、ｚ0及び、回転θx、θy、θｚから、形状計測部１０の座標系における照射位置の空間座標(x’,y’,z’)を、位置姿勢計測センサ部３００の基準点ｏを原点とした座標系へ変換する変換行列Ｔを（式３）により求める。

［式３］

ＰＣ５００は、（式３）の変換行列Ｔを用いて下記（式４）で座標変換を行い、位置姿勢計測センサ部３００の基準点ｏを原点とした座標系において、距離センサ１１の出射光１２の照射位置の空間座標(x,y,z)を求める。

［式４］

図６は、図１の構成例において位置姿勢計測センサ部３００と位置姿勢計測用レーザ出射部４００の位置を入れ替えた構成例を示す。位置姿勢計測センサ部３００と位置姿勢計測用レーザ出射部４００の位置を入れ替えた場合、形状計測部１０の姿勢変化による姿勢計測用レーザ出力４０１の位置姿勢計測センサ部３００への入射位置の変化が小さくなるため、姿勢変化の計測可能な範囲が広がる。

出射光１２をプリズム１３及び回転ステージ１５を用いて測定対象１の長手方向の軸に対して垂直な断面上を操作し、形状計測部１０を車輪２０１で簡易レール２００上を移動し距離センサ１１の出射光１２の照射位置を操作し、測定対象１の出射光１２の照射位置の空間座標を求めることにより、測定対象１の内面形状を計測する。

形状計測システム１００の形状計測フローチャートの例を図７に示す。ｚ軸移動範囲とｚ軸移動ステップ数Ｎを入力（Ｓ１０１）し、初期位置へ移動（Ｓ１０２）し、測定を開始する（Ｓ１０３）。形状計測部１０がデータ収録する（Ｓ１０４）。形状計測部１０のデータ収録と並行して形状計測部の位置と姿勢を計測し（Ｓ１０５）、変換行列Ｔを算出し（Ｓ１０６）、変換行列Ｔを用いて座標変換を行う（Ｓ１０７）。現在のステップ数iが設定したステップ数Ｎに等しいか判断を行い（Ｓ１０８）、等しくない場合には、ｚ軸方向に移動し（Ｓ１０９）、再び測定開始（Ｓ１０３）、に戻り現在のステップ数iが、設定したステップ数Ｎに等しくなるまで繰り返し、現在のステップ数iが設定したステップ数Ｎに等しくなると、形状計測データを出力する（Ｓ１１０）。

出力された形状計測データはＰＣ５００に内蔵した点群データ処理ソフトにより、ＣＡＤデータとの比較、形状計測データから、寸法データの抽出などのデータ処理を行い、鉄道車両の形状の修正や、出荷時の検査データとして用いることができる。

これにより、本発明では、例えば設置、測定の工数が少ない方法で、移動手段の精度によらず、大きな測定対象の形状物を高精度に測定することが出来る。例えば１０ｍを超える測定対象の形状を、例えば１ｍｍ以下の精度で測定できる形状計測システムを提供することができる。

本実施例は実施例１の変形例である。実施例１と異なる点のみ説明する。

本実施例では、設置面に凹凸がある場合でも形状計測を行える形状計測システムの例を説明する。

図８は実施例２における形状計測システム６００の構成図の例である。

既に説明した図１から図６に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

アダプタ２３０は形状計測部１０と搭載部２１４とを接続する役割を果たす。

載部２１４は支柱２１３に固定された搭載用ワイヤ２１０に形状計測部１０を搭載する役割を果たす。

モータ２２１は巻き取り部２２０に配置されており移動用ワイヤ２１１を用いて形状計測部を移動する役割を果たす。

図９は、アダプタ２３０と搭載部２１４の構成の詳細を示しており、アダプタ２３０はz軸周りに回転し重力に対して形状計測部を水平を保つ可動機構２３２と、可動機構２３２がｘ軸周りに回転しないように可動方向を制限するストッパ２３３と、x軸周りに回転し重力に対して形状計測部を水平を保つ可動機構２３１と、可動機構２３１がｚ軸周りに回転しないように可動方向を制限するストッパ２３４と、を有しており、これによりｘ、ｚ軸周りの回転θx、θｚを小さくすることが可能となる。搭載部２１４には車輪２１６があり、搭載用ワイヤ２１０の上を走行する役割を果たす。

形状計測部１０とアダプタ２３０と搭載部２１４の重さと、搭載用ワイヤ２１０の自重により搭載用ワイヤ２１０は重力方向、今の場合y軸方向にたわむ。たわみ量は、形状計測部１０とアダプタ２３０と搭載部２１４の重さを３ｋｇ、搭載用ワイヤ２１０を直径２ｍｍのステンレス、長さを２５ｍ、搭載用ワイヤ２１０を張力２００ｋｇで張った場合には最もたわむ中心位置では約１００ｍｍたわむことになる。しかし、位置姿勢計測センサ部３００の計測できる範囲はＰＳＤ３０１の大きさで決まり、その大きさは一般的に２０ｍｍ角程度が上限となっているため、たわみを軽減する、もしくはたわみがある状態でも位置と姿勢を測定できるようにたわみ方向に位置と姿勢の計測範囲を広げる必要がある。

例えば図１０の構成例のように、搭載用ワイヤ２１０を途中で支え中継支柱２２３を用いてたわみを軽減することができる。図１１は搭載用ワイヤ２１０に垂直な断面図を表す。搭載部２１４は中継支柱２２３と干渉しないような、例えばコの字の形をしている。

搭載用ワイヤ２１０の半分の長さの部分に中継支柱２２３を一つ配置した場合にはたわみは半分になる。複数、例えば１０個の中継支柱２２３を使えばＰＳＤ３０１の大きさ以下にたわみを抑えることができ、位置と姿勢が測定できるようになる。

また、例えば図１１の構成例のように、y軸方向に厚く、x軸方向に薄い搭載用薄金属ロール２１２を用いることにより、y軸方向へのたわみを軽減することができ、位置と姿勢が測定できるようになる。薄い搭載用薄金属ロール２１２は巻き取ることができるため、可搬性を損なうことなく、搭載部２１４を搭載できる簡便な方法である。

また、例えば図８の構成例のように、姿勢計測部３００をｙ軸方向に搭載物を移動させる役割を果たすｙ軸ステージ３２０に搭載し、搭載用ワイヤ２１０ののたわみによる形状計測部１０のｙ軸方向への位置変化に追従するように動かすように構成することができる。

また、例えば図１２のように、位置姿勢計測用レーザ出射部４００に複数のレーザ４００a、レーザ４００ｂ、レーザ４００ｃをy軸方向に複数配置し、常に姿勢計測部３００のセンサにいずれかのレーザが照射している状態にする。あらかじめレーザ４００aが姿勢計測部３００のセンサに当たるように配置し、イメージセンサ３０５に入射する。搭載用ワイヤ２１０がたわみ形状計測部１０がｙ軸方向に移動してもいずれのレーザがイメージセンサ３０５に照射されているか認識することができるため、位置と姿勢を計測できる範囲をy軸方向に広げることができる。この方法では可動部を増やすことなくたわみに追従できるため耐久性が向上し、取り扱いが容易になる。

また、例えば図１３のように、位置姿勢計測用レーザ出射部４００に複数のレーザ４００a、レーザ４００ｂをx軸方向に複数配置し、位置姿勢計測センサ部３００に複数のＰＳＤ３０６を段違いに配置すると、搭載用ワイヤ２１０がたわみ形状計測部１０がｙ軸方向に移動しても複数のＰＳＤ３０６のうちいずれかにレーザが入射し、いずれのレーザがイメージセンサ３０５に照射されているか認識することができるため、位置と姿勢を計測できる範囲をy軸方向に広げることができる。

モータ２２１で移動用ワイヤ２１１を巻き取り、形状計測部１０を移動させ測定対象１の形状を計測する。

本実施例によれば、形状計測部１０が設置面に触れることなく移動するため設置面に凹凸がある場合でも形状を計測することができる。

これにより、本発明では、例えば設置、測定の工数が少ない方法で、移動手段の精度によらず、大きな測定対象の形状物を高精度に測定することが出来る。例えば１０ｍを超える測定対象の形状を、例えば１ｍｍ以下の精度で測定できる形状計測システムを提供することができる。

本実施例は実施例1および実施例２の変形例である。実施例１、実施例２と異なる点のみ説明する。

本実施例では、測定対象の長軸が地面に対して斜めに傾いているときでも形状計測を行える形状計測システムの例を説明する。

図１４は、実施例３における形状計測システム７００の構成図の例である。エスカレータ２の形状計測を例に説明する。

既に説明した図１から図１３に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

エスカレータ２はエスカレータを設置する台座２０に固定されている。

形状計測システム７００は、測定対象までの距離を計測する距離センサ１１と、形状計測部１０と、搭載部２１４と、搭載部２１４と接続された搭載用ワイヤ２１０と、移動用ワイヤ２１１と、位置姿勢計測用レーザ出射部４００と、位置計測用距離センサ４０２と、傾斜センサ３０９と、位置姿勢計測センサ部３００及び、制御・データ処理を行うＰＣ５００から成る。
傾斜台３３０は位置姿勢計測センサ部３００の向きを変更する役割を果たす。形状計測部の相対的な位置と姿勢を計測すればよく、傾斜台３３０は傾斜角度を測定する必要はなく、姿勢計測用レーザ出力４０１が位置姿勢計測センサ部３００に対して概垂直に入射するように角度を調整すればよい。

傾斜台４１０は位置姿勢計測用レーザ出射部４００の向きを変更する役割を果たす。形状計測部の相対的な位置と姿勢を計測すればよく、傾斜台４１０は傾斜角度を測定求める必要はなく、姿勢計測用レーザ出力４０１が位置姿勢計測センサ部３００に対して概垂直に入射するように角度を調整すればよい。

また、アダプタ２３０の取付位置を変え、形状計測部１０を搭載部２１４の傾きをひとしくすることができ、傾斜台４１０を用いることなく構成することができる。

ミラー４０３は位置計測用距離センサ４０２の出射光１７を位置姿勢計測センサ部３００に当てるために光路を曲げる役割を果たす。

本実施例によれば、エスカレータのように測定対象が重力方向に対して斜めに傾斜している場合でも、形状を計測することができる。

これにより、本発明では、例えば設置、測定の工数が少ない方法で、移動手段の精度によらず、大きな測定対象の形状物を高精度に測定することが出来る。例えば１０ｍを超える測定対象の形状を、例えば１ｍｍ以下の精度で測定できる測定形状計測システムを提供することができる。

本実施例は実施例２の変形例である。実施例１、実施例２、実施例３と異なる点のみ説明する。

本実施例では、測定対象の長軸が地面に対して垂直のときでも形状計測を行える形状計測システムの例をエレベータのレールの形状計測を例に説明する。

エレベータ３は、レール３１、吊り上げ部８０１、制御部８０２と乗車部分のかごから成る。

図１５はかごに変えて形状計測システム８００を搭載した、レール３１の形状計測例である。

位置姿勢計測センサ部３００を天板８０３に取り付け、形状計測部１０の位置と姿勢を計測する。

吊り下げワイヤ２１７で形状計測部１０を吊り上げる。巻き取り部８０１で吊り下げワイヤ２１７を巻き取り、長さを調整することにより形状計測部１０を上下に移動する。

本実施例によれば、エレベータ３のレール３１のように測定対象が重力方向に対して斜めに傾斜している場合でも、形状を計測することができる。

図１６は、吊り下げワイヤ２１７を用いることなく、ガイドレール９０１上を移動しながら形状計測を行う形状計測システム９００の構成例である。形状計測部１０に車輪９０１を取り付け、自重でレール上を移動しながら形状計測を行う。また、モータなどの駆動機構を用いて車輪９０１を駆動させる構成としても良い。

これにより、本発明では、例えば設置、測定の工数が少ない方法で、移動手段の精度によらず、大きな測定対象の形状物を高精度に測定することが出来る。例えば１０ｍを超える測定対象の形状を、例えば１ｍｍ以下の精度で測定できる形状計測システムを提供することができる。

実施例５の構成を図１７〜図２１を用いて説明する。

図１７は、実施例５における形状計測システム６００の構成図の例である。

基本構成は、図３に示す形状計測システムと似ているため、図３と図１７の相違点を説明する。まず、形状計測部１０に含まれる距離計測部２０を鉄道車両１の前方妻２、後方妻３の計測も可能な構成とする。また、位置姿勢計測用レーザ出射部４００と位置姿勢計測センサ部３００からなる形状計測部１０の位置姿勢計測方法が異なり、図３に示される傾斜センサ３０９を必要とせず、よりシンプルなシステム構成となる。以下、順に説明する。

図１８は、実施例５における距離計測部の構成図である。

前方妻２、後方妻３の計測が可能な距離計測部２０の構成を図１８（a）〜（e）にて説明する。

図１８(a)の構成例では、距離センサ１１より前方と後方に２本の出射光１２、１２ｂを出力し、それぞれ距離を計測する。Z方向正方向への出射光１２aは、z軸とのなす角４５度のミラー２１にて反射する。またミラー２１は、ゴニオステージ２２上に置かれ、ゴニオステージの角度を調整することによりｚ軸方向正方向に反射光を導くことができる。さらに、ゴニオステージ２２は回転ステージ１５上に載置されており、回転しながら距離計測を行うことで、鉄道車両１の断面、および前方妻２を計測する。また、ｚ軸負方向にある後方妻３は、距離センサ１１よりｚ軸負方向への出射光１２ｂと、z軸とのなす角４５度未満のミラー２３、およびミラー２３を載置した回転ステージ１５により計測される。

図１８（ｂ）の構成では、ミラー２１をｘ軸方向ステージ２４にて出し入れすることにより、出射光１２が反射するミラー２１とミラー２３を切り替え、鉄道車両１の断面もしくは前方妻２の計測を行う。

図１８（ｃ）では、ビームスプリッタ―２５を用いることで、あらかじめ出射光１２を異なる方向に伝搬させておき、計測箇所に応じてシャッタ２６を用いて一方を遮光することで、計測方向を切り替える。機械的な光路切り替えが発生しないため、計測中の光軸が安定する。一方、光路分岐することにより、一方向あたりの光量が減る。光を用いた距離計測の場合、光量が低くなると精度が落ちる傾向にあるため、距離センサ１１より発する光量を十分に確保する必要がある。

図１８（ｄ）は、図１８（ｃ）にて用いたビームスプリッタ―２５とミラー２４を一体化したプリズム２７を用いる。ステージ１５上の回転物の構造がシンプルになり、計測安定性の向上が見込まれる。

図１８（ｅ）には、距離センサ１１にて用いるレーザが光ファイバ２８にて導光できる場合を示す（例えば、ＦＭＣＷなど）。光ファイバにて導光された距離計測用レーザは、コリメータ２９を通して出射される。

光ファイバにて出射位置設定の自由度が向上するため、妻、断面計測用のミラー２１，２３それぞれに対応する光ファイバを用い導光し、計測箇所は光スイッチ３０にて切り替える。この構成は、光ファイバにて距離計測用レーザを導光することで、距離センサ１１自体は、形状計測部１０から離れた場所に置くことができ、走行部分の軽量化を図ることが可能である。なお、図１８にて、距離センサから複数でている出射光１２は、それぞれ個別の検出器にて対象からの反射光を受光し、距離を求めてもよいし、単一の検出器の切り替えでもよい。個別の検出器を用いることで、同時に複数個所の計測ができるため、短時間での計測密度の高い計測を実現できる。これらの構成により、妻だけでなく構造物４による計測のオクルージョンも低減することができ、計測範囲を広げることができる。

図１９は、実施例５における距離計測部の構成図である。

図１９では複数方向を同時に計測するのに適した構成を示す。距離センサ１１より出射される出射光１２c、１２ｄ、１２eそれぞれに波長の異なる距離計測用レーザを用いて、個別に検出することで、全方向同時、かつ独立な検出が容易に実現できる。

次に、図２０に示す位置姿勢計測方法を説明する。図２０は、実施例５における位置姿勢計測部の構成図である。位置姿勢計測部では、形状計測部の位置３自由度（ｘ、ｙ、ｚ）、傾き３自由度（θx、θy、θz）の計６自由度を計測する。

図２０（ａ）に示すように位置姿勢計測用レーザ出射部４００より、姿勢計測用レーザ４１０ａと４１０ｂ、位置計測用レーザ４２０が出力される。

姿勢計測用レーザ４１０ａと４１０ｂは互いに並行なビームであり、ビームスプリッタ３１０により、透過光と反射光に分岐する。透過した姿勢計測用レーザ４１０ａと４１０ｂはＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの２次元検出素子３３０ａで受光し、反射光はレンズ３０４により２次元検出素子３３０ｂ上に集光される。２次元検出素子３３０ａおよび３３０ｂは受光したレーザの中心の座標を算出する役割を果たす。２次元検出素子３３０ａには、姿勢計測用レーザ４１０ａと４１０ｂがそれぞれ異なる位置に入射し、点像４１０ｐおよび４１０ｑのある画像３３１ａを得る。姿勢計測用レーザ４１０ａと４１０ｂは並行に伝播しているため、画像３３１ａ上の２つの点像４１０ｐと４１０ｑの中心位置を結ぶ直線と、４００が傾いていない時の基準線３３２との傾きがθzとなる。ここで、点像の中心は、得られた輝度分布に対し、ガウス関数をフィッティングする、点像の重心を算出するなどして求める。また、２次元検出素子３３０ｂより得られる画像３３１ｂの点像４１０ｒの基準点３３３からのズレｄｘ、ｄｙから（式１）を用いてｘ、ｙそれぞれの軸を回転軸とした回転θx、θyが算出される。このように、並行な２本のビームである姿勢計測用レーザ４１０ａと４１０ｂを用いることで、傾斜センサ３０９を用いないシンプルな構成にて傾き３自由度（θx、θy、θz）を算出することができる。さらに、レーザは直進するため画像３３１a上の点像４１０ｐもしくは点像４１０ｑとθx、θy、θzより、搭載用ワイヤ２１０、移動用ワイヤ２１１のたわみや振動により、ｘ軸、ｙ軸方向に基準値から平行移動した量も算出できる。残りのｚ軸方向の距離は、位置計測用レーザにて算出し、位置３自由度（ｘ、ｙ、ｚ）が全て求まる。

図２０（ｂ）にθzを求める際の基準線３３２とθx、θyを求める際の基準点３３３を示す。形状計測部１０と一体化している位置姿勢計測用レーザ射出部４００を所定の場所に置き、基準を作成する。所定の場所に置いた際の２次元検出素子３３０a上の点像４１０ｐと４１０ｑより、基準線３３２を算出する。また、２次元検出素子３３０ｂ上の点像４１０ｒの中心を基準点３３３とする。なお、ｘ、ｙの基準は、点像４１０ｐもしくは４１０ｑの座標値を用いる。

図２１に上記の姿勢計測用レーザ４１０ａと４１０ｂの生成方法の一例を示す。

図２１は、実施例５における位置姿勢計測部の並行ビーム射出光学系である。

姿勢計測用レーザ射出部４１１からは、平行ビームを射出する。ビームは、ビームスプリッタ４１４とミラー４１５にて分岐される。ビームスプリッタ４１４の透過光と反射光をそれぞれ姿勢計測用レーザ４１０ａと４１０ｂとする。ここで、10m以上の大物形状の場合、姿勢計測用レーザ４１０が、２次元検出器３３０ａと３３０ｂに届く際には、ビーム径が広がってしまう。２次元検出器３３０ａと３３０ｂより得られる画像３３１ａと３３１ｂから算出されるビームの受光中心位置の精度は、２次元検出器３３０ａと３３０ｂのピクセルサイズが一定の場合、ビーム径が小さいほど高くなる。したがって、計測対象が大きくなるほど、ビーム径が広がり、位置姿勢計測精度が低下する。そこで、姿勢計測用レーザ射出部４１１から射出されたビームを凹レンズ４１２と凸レンズ４１３により集光する機能（オートフォーカス）を搭載する。集光位置４１７は凹レンズ４１２を直進ステージ４１６にてｚ方向に動かし調整可能する。なお、集光位置４１７の調整に凹レンズの移動を用いる例を示したが、液体レンズや超音波レンズなどを用いてレンズの焦点距離を電気的に変化させることでも、調整可能である。また、２次元検出器３３０ａと３３０ｂに入射する外乱光も位置姿勢計測精度の低下になり得るため、必要に応じて、位置姿勢計測センサ部３００全体をカバーで覆い、位置姿勢計測用レーザ４２０が入射する箇所には干渉フィルタを用いるなどの対策を講じる（図示せず）。

位置姿勢計測用レーザ４２０は、２次元検出器３３０ｂ表面にて反射し、位置姿勢計測用レーザ出射部に戻り、距離が計測される。このとき、位置計測用レーザ４２０と姿勢計測用レーザ４１０には異なる波長を用い、２次元検出器３３０ａおよび３３０ｂが位置計測用レーザ４２０の波長に対し低感度であることが好ましい。このように、２次元検出器３３０ａ表面を反射板に代用することで、位置計測用レーザ４２０と姿勢計測用レーザ４１０を同一箇所から照射することができるため、光学系がコンパクトになる。

また、位置計測用レーザ４２０を用いない構成も考えられる。姿勢計測用レーザ４１０の集光位置４１７は、位置調整に用いる凹レンズ４１２の位置と対応しているため、位置計測用レーザ４２０による計測を凹レンズ４１２の位置からの距離算出に代用することができる。位置計測用レーザ４２０が不要となれば、さらに光学系が単純となり、簡易なシステムによる計測が可能となる。ただし、計測距離が非常に長くなる場合には、位置精度が確保できなくなる。

図１７において、位置姿勢計測センサ部３００は、ｙ軸ステージ３２０に搭載されており、搭載用ワイヤ２１０のたわみによる形状計測部１０のｙ軸方向への位置移動に追従する。この際、位置性計測センサ部３００の２次元検出器３３０a上に到達する位置姿勢計測レーザ４１０a、４１０ｂの位置より、形状計測部１０の移動方向を推定し、追従する。しかしながら、搭載用ワイヤの振動などにより、形状計測部１０の位置がｙ軸方向に短時間に変化し、ＣＣＤ３３０a上に、位置姿勢計測レーザ４１０a、４１０ｂが到達しなかった場合、ｙ軸ステージ３２０を上下に大きく移動させ、位置姿勢計測レーザ４１０a、４１０ｂを再補足する作業が生じる。この間、計測が中断するためである。

図２２は、実施例５における２次元検出器周りに配置した拡散板の構成図である。そこで、図２２（a）のように２次元検出器３３０aのまわりに２次元検出器３３０a方向に傾斜した拡散板３４０a〜３４０ｄを配置し、位置姿勢計測レーザ４１０ｃが２次元検出器３３０aから離れた場合にも、その拡散光が２次元検出器３３０aに入射するような構成にする。図２２（ｂ）に図２２（a）の場合、２次元検出器３３０aより得られる画像３３１aを示す。上部点線で囲んだ領域３３４に位置姿勢計測レーザ４１０ｃの拡散光が入射し、明るくなる。これにより、位置姿勢計測レーザ４１０ｃは２次元検出器３３０aの上部にあることがわかり、２次元検出器３３０aを上部に移動させることで早急な計測復帰が可能となる。

上記実施例記載の計測システムは単独で用いても組み合わせて用いても良い。組み合わせることにより種々の特殊形状の大型物への適用を可能とすることが出来る。

１ 鉄道車両
２ 前方妻
３ 後方妻
４ 構造物
１００ 形状計測システムの一例
１０ 形状計測部
１１ 距離センサ
１２a、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２e 出射光
１３ プリズム
１５ 回転ステージ
２０ 距離計測部
２１ ミラー
２２ ゴニオステージ
２３ ミラー
２４ ｘステージ
２５ ビームスプリッタ
２６ シャッタ
２７ プリズム
２８ 光ファイバ
２９ コリメータ
３０ 光スイッチ
２００ 簡易レール
２０１ 車輪
２１０ 搭載用ワイヤ
２１１ 移動用ワイヤ
２１２ 搭載用薄金属ロール
２１３ 支柱
２２０ 巻き取り部
２２１ モータ
３００ 位置姿勢計測センサ部
３０１ ＰＳＤ
３０２ ＰＳＤ
３０３ ＰＳＤ
３０４ レンズ
３０９ 傾斜センサ
３１０ ビームスプリッタ
３２０ ｙ軸ステージ
３３０a、３３０ｂ ２次元検出器
３３１a、３３１ｂ 画像
３３２ 基準線
３３３ 基準点
３３４ 領域
３４０a、３４０ｂ、３４０ｃ、３４０ｄ 拡散板
４００ 位置姿勢計測用レーザ出射部
４０１ 姿勢計測用レーザ出力
４０２ 位置計測用距離センサ
４１０a、４１０ｂ、４１０ｃ 姿勢計測用レーザ
４１０ｐ、４１０ｑ、４１０ｒ 点像
４１１ 姿勢計測用レーザ射出部
４１２ 凹レンズ
４１３ 凸レンズ
４１４ ビームスプリッタ
４１５ ミラー
４１６ 直進ステージ
４１７ 集光位置
４２０ 位置計測用レーザ
５００ ＰＣ
６００ 形状計測システムの一例
７００ 形状計測システムの一例
８００ 形状計測システムの一例
９００ 形状計測システムの一例

Claims (20)

1. 測定対象までの距離を測定光を回転させながら測定する距離センサと、前記距離センサの測定位置を変更する手段からなる形状計測部と、
   前記形状計測部を移動させる移動手段と、
   前記形状計測部の位置を計測する位置計測手段とを
   備えたことを特徴とする形状計測システム。
2. 位置に加えて姿勢を計測する位置姿勢計測手段を備えた請求項１記載の形状計測システム。
3. 位置姿勢計測部により算出した形状計測部の位置と姿勢により、測長部の測定結果を補正することを特徴とした請求項２記載の形状計測システム。
4. 直線上を移動することにより、位置姿勢計測範囲を小さくすることを特徴とした請求項３記載の形状計測システム。
5. 前記形状計測部の位置を、距離センサと位置検出素子で測定することを特徴とした請求項２記載の形状計測システム。
6. 前記形状計測部の位置と姿勢を、少なくとも２つ以上の位置検出素子の配置とそれぞれの位置検出素子の検出位置から算出することを特徴とした請求項２記載の形状計測システム。
7. 前記形状計測部をワイヤに搭載し、設置面に触れることなく移動することを特徴とした請求項２記載の形状計測システム。
8. 中継用支柱を用いてワイヤのたわみを軽減することを特徴とした請求項７記載の形状計測システム。
9. ステージを用いて位置検出手段を移動させ、ワイヤのたわみによる形状計測部の位置変化に位置検出手段を追従させることを特徴とした請求項７記載の形状計測システム。
10. 位置検出手段を複数は位置し、ワイヤのたわみによる形状計測部の位置変化がある場合でも形状計測部の位置と姿勢を計測することを特徴とした請求項７記載の形状計測システム。
11. 測定対象までの距離を計測する距離センサと、前記距離センサの測定位置を変更する駆動部とを備える形状計測部と、
    前記形状計測部を移動させる移動機構部と、
    前記形状計測部の位置および姿勢を計測する位置姿勢計測部と、
    前記形状計測部の計測結果と前記位置姿勢計測部により計測した位置および姿勢とにより、計測位置の座標値を算出する座標算出部と、を備える形状計測装置。
12. さらに、前記移動機構部の移動方向に対して鉛直方向または鉛直方向に対して所定角度傾けた方向にレーザビームを走査させる駆動部を備えることを特徴とする請求項１１記載の形状計測装置。
13. 前記位置姿勢計測部は、前記形状計測部の位置３自由度、傾き３自由度の計６自由度の計測機能を持つことを特徴とする請求項１１記載の形状計測装置。
14. 前記位置姿勢計測部は、２本の並行ビームとそれらを受光する２つの２次元検出器を備え、前記並行ビームを２方向に分岐し、一方はビームを直接受光し、もう一方はレンズを用いレンズ焦点距離にて受光し、前記２次元検出器のそれぞれの受光位置より、位置２自由度、傾き３自由度、残り位置１自由度を距離センサより算出することを特徴とする請求項１１または１３記載の形状計測装置。
15. 前記位置姿勢計測部は、２本の並行ビームとそれらを受光する２つの２次元検出器を備え、前記並行ビームを２方向に分岐し、一方はビームを直接受光し、もう一方はレンズを用いレンズ焦点距離にて受光し、各２次元検出器の受光位置より、位置２自由度、傾き３自由度、残り位置１自由度を並行ビームをオートフォーカス機能より算出することを特徴とする請求項１１または１３記載の形状計測装置。
16. 測定対象までの距離計測手段と、
    計測位置を変更する駆動手段を含む形状計測手段と、
    前記形状計測手段を移動させる移動手段と、
    前記形状計測手段の位置および姿勢を計測する位置姿勢計測手段と、
    前記形状計測部の計測結果と前記位置姿勢計測部により計測した位置および姿勢より、計測位置の座標値を算出する座標算出手段と、を備える形状計測システム。
17. 前記移動手段の移動方向に対して鉛直方向または鉛直方向に対して所定角度傾けた方向にレーザビームを走査させる駆動手段を備えることを特徴とする請求項１６記載の形状計測システム。
18. 前記位置姿勢計測手段は、前記形状計測手段の位置３自由度、傾き３自由度、傾き３自由度の計６自由度の計測機能を持つことを特徴とする請求項１６記載の形状計測システム。
19. 前記位置姿勢計測手段は、２本の並行ビームとそれらを受光する２つの２次元検出器を備え、前記並行ビームを２方向に分岐し、一方はビームを直接受光し、もう一方はレンズを用いレンズ焦点距離にて受光し、各２次元検出器の受光位置より、位置２自由度、傾き３自由度、残り位置１自由度を距離センサより算出することを特徴とする請求項１６または１８記載の形状計測システム。
20. 前記位置姿勢計測手段は、２本の並行ビームとそれらを受光する２つの２次元検出器を備え、前記並行ビームを２方向に分岐し、一方はビームを直接受光し、もう一方はレンズを用いレンズ焦点距離にて受光し、各２次元検出器の受光位置より、位置２自由度、傾き３自由度、残り位置１自由度を並行ビームをオートフォーカス機能より算出することを特徴とする請求項１６または１８記載の形状計測システム。

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