JP2022184389A - 三次元形状計測方法、三次元形状計測装置およびロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の三次元形状の計測精度の低下を抑制することのできる三次元形状計測方法、三次元形状計測装置およびロボットシステムを提供すること。【解決手段】三次元形状計測方法は、撮像装置の露出時間に応じて複数の縞パターンの描画順を設定し、光源から出射された光を共振周波数からずれた駆動周波数で揺動するミラーにより反射して走査することにより測定対象物に位相の異なる前記複数の縞パターンを前記描画順で描画し、前記複数の縞パターン毎に、前記縞パターンが描画された前記測定対象物を前記撮像装置で撮像し、前記撮像により得られた複数の画像に基づき、位相シフト法により前記測定対象物の三次元形状を計測する。【選択図】図２

Description

本発明は、三次元形状計測方法、三次元形状計測装置およびロボットシステムに関する。

特許文献１には、光源から出射された光を所定の駆動周波数で振動するミラーにより反射して走査することにより測定対象物に位相の異なる複数の縞パターンを順に描画し、複数の縞パターン毎に、縞パターンが描画された測定対象物を撮像装置で撮像し、これにより得られた複数の画像に基づき、位相シフト法により測定対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置が記載されている。

特開２０１７－７５８８７号公報

しかしながら、ミラーの駆動周波数が共振周波数からずれている場合、振動や磁界変化等の外乱によってミラーに共振が励起され、ミラーの振幅に駆動周波数と共振周波数の差の周波数のうなりが発生する。このようなうなりが発生すると、縞パターンの描画位置ズレが発生し、測定対象物の三次元形状測定の精度が低下するおそれがある。

本発明の三次元形状計測方法は、撮像装置の露出時間に応じて複数の縞パターンの描画順を設定し、
光源から出射された光を共振周波数からずれた駆動周波数で揺動するミラーにより反射して走査することにより測定対象物に位相の異なる前記複数の縞パターンを前記描画順で描画し、
前記複数の縞パターン毎に、前記縞パターンが描画された前記測定対象物を前記撮像装置で撮像し、
前記撮像により得られた複数の画像に基づき、位相シフト法により前記測定対象物の三次元形状を計測することを特徴とする。

本発明の三次元形状計測装置は、撮像装置の露出時間に応じて複数の縞パターンの描画順を設定し、
光源から出射された光を共振周波数からずれた駆動周波数で揺動するミラーにより反射して走査することにより測定対象物に位相の異なる前記複数の縞パターンを前記描画順で描画し、
前記複数の縞パターン毎に、前記縞パターンが描画された前記測定対象物を前記撮像装置で撮像し、
前記撮像により得られた複数の画像に基づき、位相シフト法により前記測定対象物の三次元形状を計測することを特徴とする。

本発明のロボットシステムは、上述の三次元形状計測装置と、
ロボットと、
前記三次元形状計測装置の計測結果に基づいて前記ロボットの駆動を制御するロボット制御装置と、を備えることを特徴とする。

第１実施形態に係るロボットシステムの全体構成を示す図である。 三次元形状計測装置の全体構成を示す図である。 投影部により投影される縞パターンの一例を示す平面図である。 光走査部を示す平面図である。 周波数と振幅の関係を示す図である。 位相シフト法を用いた三次元形状計測の手順を示すフローチャートである。 正常なミラーの振動状態を示す図である。 うなりが生じたミラーの振動状態を示す図である。 ミラーと光源との同期方法を説明するための図である。 露出時間ごとの縞パターン描画順を示す図である。 露出時間と位相ずれのばらつきとの関係を計算により求めたグラフである。 露出時間と位相ずれのばらつきとの関係を実測により求めたグラフである。 露出時間によらず順Ａで描画した時と、露出時間によって順Ａ、Ｂ、Ｃを切り替えたときの位相ずれのばらつきを比較したグラフである。

以下、本発明の三次元形状計測方法、三次元形状計測装置およびロボットシステムを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、第１実施形態に係るロボットシステムの全体構成を示す図である。図２は、三次元形状計測装置の全体構成を示す図である。図３は、投影部により投影される縞パターンの一例を示す平面図である。図４は、光走査部を示す平面図である。図５は、周波数と振幅の関係を示す図である。図６は、位相シフト法を用いた三次元計測の手順を示すフローチャートである。図７は、正常なミラーの振動状態を示す図である。図８は、うなりが生じたミラーの振動状態を示す図である。図９は、ミラーと光源との同期方法を説明するための図である。図１０は、露出時間ごとの縞パターン描画順を示す図である。図１１は、露出時間と位相ずれのばらつきとの関係を計算により求めたグラフである。図１２は、露出時間と位相ずれのばらつきとの関係を実測により求めたグラフである。図１３は、露出時間によらず順Ａで描画した時と、露出時間によって順Ａ、Ｂ、Ｃを切り替えたときの位相ずれのばらつきを比較したグラフである。

図１に示すロボットシステム１は、ロボット２と、レーザー光ＬＬを用いて測定対象物Ｘの物体認識を行う三次元形状計測装置４と、三次元形状計測装置４の計測結果に基づいてロボット２の駆動を制御するロボット制御装置５と、ロボット制御装置５と通信可能なホストコンピューター６と、を有する。これら各部は、有線または無線により通信可能とされている。通信は、インターネットのようなネットワークを介してなされてもよい。

－ロボット－
ロボット２は、例えば、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うロボットである。ただし、ロボット２の用途としては、特に限定されない。ロボット２は、６軸ロボットであり、床、天井等に固定されたベース２１と、ベース２１に連結されたロボットアーム２２と、を有する。

ロボットアーム２２は、ベース２１に対して第１軸Ｏ１まわりに回動自在に連結された第１アーム２２１と、第１アーム２２１に対して第２軸Ｏ２まわりに回動自在に連結された第２アーム２２２と、第２アーム２２２に対して第３軸Ｏ３まわりに回動自在に連結された第３アーム２２３と、第３アーム２２３に対して第４軸Ｏ４まわりに回動自在に連結された第４アーム２２４と、第４アーム２２４に対して第５軸Ｏ５まわりに回動自在に連結された第５アーム２２５と、第５アーム２２５に対して第６軸Ｏ６まわりに回動自在に連結された第６アーム２２６と、を有する。第６アーム２２６には、ロボット２に実行させる作業に応じたエンドエフェクター２４が装着されている。

また、ロボット２は、ベース２１に対して第１アーム２２１を回動させる第１駆動装置２５１と、第１アーム２２１に対して第２アーム２２２を回動させる第２駆動装置２５２と、第２アーム２２２に対して第３アーム２２３を回動させる第３駆動装置２５３と、第３アーム２２３に対して第４アーム２２４を回動させる第４駆動装置２５４と、第４アーム２２４に対して第５アーム２２５を回動させる第５駆動装置２５５と、第５アーム２２５に対して第６アーム２２６を回動させる第６駆動装置２５６と、を有する。第１～第６駆動装置２５１～２５６は、それぞれ、例えば、モーターと、モーターの駆動を制御するコントローラーと、モーターの回転量を検出するエンコーダーと、を有する。第１～第６駆動装置２５１～２５６の駆動は、ロボット制御装置５によって独立して制御される。

ロボット２としては、特に限定されず、例えば、ロボットアーム２２が有するアームの数が１本～５本であってもよいし、７本以上であってもよい。また、例えば、ロボット２の種類は、スカラロボット（水平多関節ロボット）や、２つのロボットアーム２２を有する双腕ロボットであってもよい。また、床、天井等に固定されない自走式のロボットであってもよい。

－三次元形状計測装置－
三次元形状計測装置４は、ストラクチャードライト方式、具体的には、位相シフト干渉法を用いて測定対象物Ｘの三次元計測を行う。図２に示すように、三次元形状計測装置４は、測定対象物Ｘを含む領域にレーザー光ＬＬにより形成した縞パターンＰＬを投影する投影部４１と、測定対象物Ｘを含む領域を撮像した画像を取得する撮像部４６と、これら各部の駆動を制御し、撮像部４６が取得した画像Ｄに基づいて測定対象物Ｘの三次元形状を計測する制御装置４７と、を有する。

これら各構成要素のうち、少なくとも投影部４１および撮像部４６は、それぞれ、ロボット２の第５アーム２２５に固定されている。そのため、投影部４１および撮像部４６の相対的な位置関係は、固定されている。また、投影部４１は、第５アーム２２５の先端側すなわちエンドエフェクター２４側に向けてレーザー光ＬＬを照射するように配置され、撮像部４６は、第５アーム２２５の先端側を向き、レーザー光ＬＬの照射範囲を含む領域を撮像するように配置されている。

第５アーム２２５の先端側にエンドエフェクター２４が位置する関係は、第５アーム２２５以外のアーム２２１～２２４、２２６が動いても維持される。そのため、第５アーム２２５に投影部４１および撮像部４６を固定することにより、三次元形状計測装置４は、常に、エンドエフェクター２４の先端側にレーザー光ＬＬを出射することができると共に、エンドエフェクター２４の先端側を撮像することができる。したがって、エンドエフェクター２４により測定対象物Ｘを把持しようとするときの姿勢、つまり、エンドエフェクター２４が測定対象物Ｘに対して如何なる姿勢で対向しても、当該姿勢において測定対象物Ｘに向けてレーザー光ＬＬを照射することができると共に、測定対象物Ｘを撮像することができる。そのため、より確実に測定対象物Ｘの三次元計測を行うことができる。

ただし、投影部４１および撮像部４６の配置は、特に限定されず、第１～第４アーム２２１～２２４や第６アーム２２６に固定されていてもよい。

投影部４１は、測定対象物Ｘに向けてレーザー光ＬＬを照射することにより、測定対象物Ｘに対し、図３に示すような輝度値の明暗で表現した縞パターンＰＬを描画する。投影部４１は、図２に示すように、レーザー光ＬＬを出射する光源４２と、光源４２から出射されたレーザー光ＬＬが通過する複数のレンズを含む光学系４３と、光学系４３を通過したレーザー光ＬＬを測定対象物Ｘに向けて走査する光走査部４４と、を有する。光源４２としては、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、外部共振器型垂直面発光レーザー（ＶＥＣＳＥＬ）等の半導体レーザーを用いることができる。

光学系４３は、光源４２から出射されるレーザー光ＬＬを測定対象物Ｘ付近に集光する集光レンズ４３１と、集光レンズ４３１によって集光されたレーザー光ＬＬを揺動軸Ｊと平行な方向すなわち図２の紙面奥行き方向に延びるライン状とするロッドレンズ４３２と、を有する。

光走査部４４は、揺動軸Ｊまわりに回動するミラー４４１を有し、このミラー４４１でレーザー光ＬＬを反射することにより、ライン状のレーザー光ＬＬを面状に走査する。これにより、簡単な構成で測定対象物Ｘ上に縞パターンＰＬを描画することができる。本実施形態では、ミラー４４１の角度を検出するために、ミラー４４１で反射したレーザー光ＬＬを受光する第１フォトダイオードＰＤ１と、第２フォトダイオードＰＤ２と、が配置されている。

このような光走査部４４の構成について簡単に説明すると、光走査部４４は、光スキャナーであって、図４に示すように、ミラー４４１が配置された可動体４４０と、可動体４４０を支持する支持部４４２と、可動体４４０と支持部４４２とを接続する梁部４４３と、を有する。また、可動体４４０の裏面には永久磁石４４４が配置されており、さらに永久磁石４４４と対向するように電磁コイル４４５が配置されている。このような光走査部４４では、電磁コイル４４５に所定の駆動周波数の交番電圧を印加すると、それにより発生する磁界が永久磁石４４４に作用し、梁部４４３を捩じり変形させつつ可動体４４０が揺動軸Ｊまわりに揺動する。これにより、ミラー４４１が揺動軸Ｊまわりに揺動する。

ここで、ミラー４４１の駆動周波数と振幅の関係を図５に示す。同図に示すように、共振周波数ｆａのときにミラー４４１の振幅が最大となり、共振周波数ｆａから遠ざかる程、振幅が小さくなる。また、振幅の変化率は、共振周波数ｆａ付近においては急峻であり、共振周波数ｆａから遠ざかるほど緩やかになる。

そのため、より大きい振幅を得るためには、共振周波数ｆａでミラー４４１を駆動させるのが好ましい。しかしながら、前述した通り、共振周波数ｆａ付近では振幅の変化率が大きいため、温度その他の要因によって共振周波数ｆａが変化した場合に振幅が大きく変動してしまい、ミラー４４１の揺動が安定しないという問題がある。

そこで、本実施形態では、共振周波数ｆａよりも若干低い周波数ｆｂ（≠ｆａ）でミラー４４１を駆動することにより、十分に大きな振幅を得つつミラー４４１の駆動の安定化を図っている。つまり、本実施形態では、ミラー４４１は、非共振駆動である。以下、説明の便宜上、周波数ｆｂを「駆動周波数ｆｂ」とも言う。なお、駆動周波数ｆｂとしては、特に限定されず、例えば、共振周波数ｆａよりも高くてもよい。

投影部４１としては、測定対象物Ｘ上に縞パターンＰＬを描画することができれば、特に限定されない。例えば、ロッドレンズ４３２ではなく、ＭＥＭＳやガルバノミラーを用いて線状のレーザー光ＬＬをライン状に拡散してもよい。つまり、２つの光走査部４４を用いてレーザー光ＬＬを二次元走査してもよい。また、例えば、２軸自由度を有するジンバル型の１つのＭＥＭＳを用いてレーザー光ＬＬを二次元走査してもよい。

撮像部４６は、縞パターンＰＬが描画された状態の測定対象物Ｘを撮像する。撮像部４６は、ＣＭＯＳイメージセンサー、ＣＣＤイメージセンサー等の撮像素子４６２および撮像素子４６２に集光させる集光レンズ４６３を備えたカメラ４６１で構成されている。

制御装置４７は、例えば、コンピューターから構成され、情報を処理するプロセッサー（ＣＰＵ）と、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリーと、外部インターフェースと、を有する。メモリーにはプロセッサーにより実行可能な各種プログラムが記憶されており、プロセッサーは、メモリーに記憶された各種プログラム等を読み込んで実行することができる。

また、制御装置４７は、位相シフト法を用いて、測定対象物Ｘの三次元形状を計測する。位相シフト法によれば、測定対象物Ｘの深度を精度よく計測することができるため、測定対象物Ｘの三次元形状を精度よく計測することができる。

次に、位相シフト法について詳細に説明する。制御装置４７は、図６に示すように、測定対象物Ｘに第１周期ｆ１をもつ縞パターンＰＬ１を投影し、縞パターンＰＬ１が描画された測定対象物Ｘを含む領域をカメラ４６１で撮像する第１撮像ステップＳ１と、測定対象物Ｘに第１周期ｆ１よりも短い第２周期ｆ２をもつ縞パターンＰＬ２を描画し、縞パターンＰＬ２が描画された測定対象物Ｘを含む領域をカメラ４６１で撮像する第２撮像ステップＳ２と、測定対象物Ｘに第２周期ｆ２よりも短い第３周期ｆ３をもつ縞パターンＰＬ３を描画し、縞パターンＰＬ３が投影された測定対象物Ｘを含む領域をカメラ４６１で撮像する第３撮像ステップＳ３と、測定対象物Ｘに第３周期ｆ３よりも短い第４周期ｆ４をもつ縞パターンＰＬ４を描画し、縞パターンＰＬ４が描画された測定対象物Ｘを含む領域をカメラ４６１で撮像する第４撮像ステップＳ４と、を行う。ただし、第１撮像ステップＳ１、第２撮像ステップＳ２、第３撮像ステップＳ３および第４撮像ステップＳ４の順番は、特に限定されない。また、図３に示すように、縞パターンＰＬの周期ｆとは、縞パターンの繰返し周期（波長）を意味する。

このように、制御装置４７は、位相シフト法の中でも、異なる周期ｆを有する複数の縞パターンＰＬを用いる「複数周期位相シフト法」を用いて測定対象物Ｘの三次元計測を行う。ここで、位相シフト法においては、縞パターンＰＬの周期ｆが長い程、計測レンジが拡大するが深度分解能が低下し、縞パターンＰＬの周期ｆが短い程、計測レンジが縮小するが深度分解能が向上する。そこで、上述のような複数周期位相シフト法を用いることにより、広い計測レンジと高い深度分解能との両立を図ることができる。

なお、第１撮像ステップＳ１、第２撮像ステップＳ２、第３撮像ステップＳ３および第４撮像ステップＳ４は、互いに同様であるため、以下では、第１撮像ステップＳ１について代表して説明し、第２撮像ステップＳ２、第３撮像ステップＳ３および第４撮像ステップＳ４については、その説明を省略する。

制御装置４７は、ミラー４４１の揺動と同期させて光源４２からレーザー光ＬＬを出射し、縞パターンＰＬ１を測定対象物Ｘ上にπ／２（９０°）ずつ位相をずらして４回描画し、その都度、縞パターンＰＬ１が描画された測定対象物Ｘを含む領域をカメラ４６１で撮像する。このように、縞パターンＰＬ１をπ／２（９０°）ずつ位相をずらして４回描画することにより、第１撮像ステップＳ１にかかる時間を抑えつつ、十分に高い精度で測定対象物Ｘの三次元計測を行うことができる。

なお、以下では、４回描画される縞パターンＰＬ１を、第１縞パターンＰＬ１１、第１縞パターンＰＬ１１に対してπ／２（＋９０°）位相がずれている第２縞パターンＰＬ１２、第２縞パターンＰＬ１２に対してπ／２（＋９０°）位相がずれている第３縞パターンＰＬ１３および第３縞パターンＰＬ１３に対してπ／２（＋９０°）位相がずれている第４縞パターンＰＬ１４として区別する。

ここで、従来の問題点について簡単に説明する。前述したように、本実施形態では、ミラー４４１は、非共振駆動である。図７に示すように、非共振の振動モードで駆動しているミラー４４１にロボット２の駆動に起因した振動、磁界変化等の外乱が加わると、ミラー４４１に共振の振動モードが励振され、非共振の振動モードと共振の振動モードとが重畳することによって、図８に示すような振幅のうなりが発生する。うなりの周波数ｆｃは、共振周波数ｆａと駆動周波数ｆｂとの差、すなわち｜ｆａ－ｆｂ｜で表される。

次に、ミラー４４１と光源４２との同期方法、つまり、縞パターンＰＬ１の描画方法について簡単に説明する。本実施形態では、図９に示すように、ミラー４４１が第１角度θ１のときにミラー４４１で反射したレーザー光ＬＬを受光する第１フォトダイオードＰＤ１と、ミラー４４１が第１角度θ１と異なる第２角度θ２のときにミラー４４１で反射したレーザー光ＬＬを受光する第２フォトダイオードＰＤ２と、を有する。

制御装置４７は、ミラー４４１の駆動周波数ｆｂとｎ周期目における第１、第２フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の受光タイミングとに基づいて、次の（ｎ＋１）周期目のミラー４４１の波形（各時刻におけるミラー４４１の傾き）を推定し、推定した（ｎ＋１）周期のミラー４４１の波形に合わせて光源４２からレーザー光ＬＬを出射することにより縞パターンＰＬ１を描画する。このような方法によれば、比較的簡単にミラー４４１と光源４２とを同期することができる。

しかしながら、図９中の鎖線で示すように、ミラー４４１の振幅が安定している場合にはこのような同期方法によって縞パターンＰＬ１を精度よく描画することができるが、図９中の実線で示すように、前述したような振幅のうなりが生じている場合には、推定した（ｎ＋１）周期目のミラー４４１の波形が実際の（ｎ＋１）周期目のミラー４４１の波形に対してずれてしまい、その結果、縞パターンＰＬ１の描画ずれが生じてしまう。このように、縞パターンＰＬ１の描画ずれによって、縞パターンＰＬ１から算出される位相がずれ、さらにはこのずれ量にもばらつきが生じてしまうため、この位相を用いて深度を求める位相シフト法による三次元形状測定の精度が低下する。

そこで、三次元形状計測装置４では、振幅のうなりに起因する縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきを抑制すべく、図１０に示すように、カメラ４６１の露出時間に応じて第１縞パターンＰＬ１１、第２縞パターンＰＬ１２、第３縞パターンＰＬ１３および第４縞パターンＰＬ１４の描画順を設定するよう構成されている。これにより、縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきが抑制され、位相シフト法による三次元形状計測の精度の低下を効果的に抑制することができる。このことについて以下詳細に説明する。なお、カメラ４６１の露出時間は、ユーザーが自由に設定することができる。

ミラー４４１のうなり周期をＴ、ｎを１以上の整数、Ｓをカメラ４６１の露出時間としたとき、下記式（１）を満たす場合は、第１縞パターンＰＬ１１、第２縞パターンＰＬ１２、第３縞パターンＰＬ１３および第４縞パターンＰＬ１４の順または第１縞パターンＰＬ１１、第４縞パターンＰＬ１４、第３縞パターンＰＬ１３および第２縞パターンＰＬ１２の順で描画する。なお、うなり周期Ｔは、縞パターンＰＬ１の描画回数に変換された値であり、（駆動周波数ｆｂ／うなりの周波数ｆｃ）で求められる値である。つまり、駆動周波数ｆｂ＝１０６０Ｈｚ、うなりの周波数ｆｃ＝３０Ｈｚであれば、Ｔ＝３５．３３である。

また、下記式（２）を満たす場合は、第１縞パターンＰＬ１１、第３縞パターンＰＬ１３、第２縞パターンＰＬ１２および第４縞パターンＰＬ１４の順または第１縞パターンＰＬ１１、第３縞パターンＰＬ１３、第４縞パターンＰＬ１４および第２縞パターンＰＬ１２の順、あるいは、第１縞パターンＰＬ１１、第２縞パターンＰＬ１２、第４縞パターンＰＬ１４および第３縞パターンＰＬ１３の順または第１縞パターンＰＬ１１、第４縞パターンＰＬ１４、第２縞パターンＰＬ１２および第３縞パターンＰＬ１３の順で描画する。

なお、Ｓ＝ｎ（Ｔ／３）の場合は、上記（１）、（２）のいずれに基づいてもよい。

また、下記式（３）を満たす場合は、第１縞パターンＰＬ１１、第２縞パターンＰＬ１２、第３縞パターンＰＬ１３および第４縞パターンＰＬ１４の順または第１縞パターンＰＬ１１、第４縞パターンＰＬ１４、第３縞パターンＰＬ１３および第２縞パターンＰＬ１２の順で描画する。

なお、Ｓ＝ｎ（２Ｔ／３）の場合は、上記（２）、（３）のいずれに基づいてもよい。

このような構成によれば、縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきを効果的に抑制することができ、位相シフト法による三次元形状計測の精度の低下を効果的に抑制することができる。このことは、図１１ないし図１３から明らかである。以下、これら各図に基づいて上述の効果について説明する。

図１１は、ＰＬ１１→ＰＬ１２→ＰＬ１３→ＰＬ１４（ＰＬ１１→ＰＬ１４→ＰＬ１３→ＰＬ１２）の順Ａ、ＰＬ１１→ＰＬ１３→ＰＬ１２→ＰＬ１４（ＰＬ１１→ＰＬ１３→ＰＬ１４→ＰＬ１２）の順ＢおよびＰＬ１１→ＰＬ１２→ＰＬ１４→ＰＬ１３（ＰＬ１１→ＰＬ１４→ＰＬ１２→ＰＬ１３）の順Ｃに描画した場合における露出時間Ｓと位相ずれのばらつきとの関係を計算により求めたグラフであり、図１２は、図１１と同じ関係を実測により求めたグラフである。なお、計算値と実測値との差は、ノイズの影響や、露出不足によるコントラストの低下等に起因するものと考えられる。

同図から分かるように、上記式（１）の範囲内では、順Ｂ、Ｃに対して順Ａの位相ずれのばらつきが小さく、上記式（２）の範囲内では、順Ａに対して順Ｂ、Ｃの位相ずれのばらつきが小さく、上記式（３）の範囲内では、順Ｂ、Ｃに対して順Ａのときの位相ずれのばらつきが小さい。

したがって、上記式（１）を満足するときは、順ＡすなわちＰＬ１１→ＰＬ１２→ＰＬ１３→ＰＬ１４（ＰＬ１１→ＰＬ１４→ＰＬ１３→ＰＬ１２）の順で描画することにより、縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきを効果的に抑制することができる。また、上記式（２）を満足するときは、順ＢすなわちＰＬ１１→ＰＬ１３→ＰＬ１２→ＰＬ１４（ＰＬ１１→ＰＬ１３→ＰＬ１４→ＰＬ１２）の順あるいは順ＣすなわちＰＬ１１→ＰＬ１２→ＰＬ１４→ＰＬ１３（ＰＬ１１→ＰＬ１４→ＰＬ１２→ＰＬ１３）の順で描画することにより、縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきを効果的に抑制することができる。また、上記式（３）を満足する時は、順ＡすなわちＰＬ１１→ＰＬ１２→ＰＬ１３→ＰＬ１４（ＰＬ１１→ＰＬ１４→ＰＬ１３→ＰＬ１２）の順で描画することにより、縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきを効果的に抑制することができる。

特に、上記式（２）を満足するときは、順Ｂ、順Ｃの中でも順Ｂで描画することが好ましい。図１１および図１２に示すように、上記式（２）の範囲内では、順Ｃに対して順Ｂの位相ずれが小さく、順Ｂで描画することにより、縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきをさらに効果的に抑制することができる。

なお、図１３において、露出時間Ｓによらず順Ａで描画した時（鎖線）と、本実施形態のように露出時間Ｓによって順Ａ、Ｂ、Ｃを切り替えたとき（実線）の位相ずれのばらつきを比較しているが、同図から、本実施形態によって位相ずれのばらつきが大きく抑制されていることが分かる。

以上、縞パターンＰＬ１の描画順について詳細に説明した。なお、以上説明したことは、第２撮像ステップＳ２、第３撮像ステップＳ３および第４撮像ステップＳ４についても同様である。

制御装置４７は、さらに、位相シフト法を用い、第１～第４撮像ステップＳ１～Ｓ４においてカメラ４６１が取得した複数（１６枚）の画像Ｄに基づいて、測定対象物Ｘの三次元計測を行う。具体的には、測定対象物Ｘの姿勢、位置（空間座標）等を含む三次元情報を算出する。そして、制御装置４７は、算出した測定対象物Ｘの三次元情報をホストコンピューター６に送信する。

－ロボット制御装置－
ロボット制御装置５は、ホストコンピューター６からロボット２の位置指令を受け、各アーム２２１～２２６およびエンドエフェクター２４が位置指令に応じた位置となるように第１～第６駆動装置２５１～２５６およびエンドエフェクター２４の駆動をそれぞれ独立して制御する。つまり、三次元形状計測装置４の計測結果に基づいてロボット２の駆動を制御する。

ロボット制御装置５は、例えば、コンピューターから構成され、情報を処理するプロセッサー（ＣＰＵ）と、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリーと、外部インターフェースと、を有する。メモリーにはプロセッサーにより実行可能な各種プログラムが保存され、プロセッサーは、メモリーに記憶された各種プログラム等を読み込んで実行する。

以上、本実施形態のロボットシステム１について説明した。このようなロボットシステム１による三次元形状計測方法は、前述したように、撮像装置であるカメラ４６１の露出時間Ｓに応じて複数の縞パターンＰＬ１の描画順を設定し、光源４２から出射された光であるレーザー光ＬＬを共振周波数ｆａからずれた駆動周波数ｆｂで揺動するミラー４４１により反射して走査することにより測定対象物Ｘに位相の異なる複数の縞パターンＰＬ１を順に描画し、複数の縞パターンＰＬ１毎に、縞パターンＰＬ１が描画された測定対象物Ｘをカメラ４６１で撮像し、撮像により得られた複数の画像Ｄに基づき、位相シフト法により測定対象物Ｘの三次元形状を計測する。これにより、縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきが抑制され、位相シフト法による三次元形状測定の精度の低下を効果的に抑制することができる。

また、前述したように、三次元形状計測方法では、複数の縞パターンＰＬ１として、第１縞パターンＰＬ１１と、第１縞パターンＰＬ１１に対して＋９０°位相がずれている第２縞パターンＰＬ１２と、第２縞パターンＰＬ１２に対して＋９０°位相がずれている第３縞パターンＰＬ１３と、第３縞パターンＰＬ１３に対して＋９０°位相がずれている第４縞パターンＰＬ１４と、を描画する。このように、縞パターンＰＬ１を９０°ずつ位相をずらして４回描画することにより、撮像にかかる時間を抑えつつ、十分に高い精度で測定対象物Ｘの三次元計測を行うことができる。

また、前述したように、ミラー４４１のうなり周期をＴ、ｎを１以上の整数、Ｓを露出時間としたとき、上記式（１）を満たす場合は、順Ａで描画する。つまり、第１縞パターンＰＬ１１、第２縞パターンＰＬ１２、第３縞パターンＰＬ１３、第４縞パターンＰＬ１４の順または第１縞パターンＰＬ１１、第４縞パターンＰＬ１４、第３縞パターンＰＬ１３、第２縞パターンＰＬ１２の順で描画する。これにより、縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきを効果的に抑制することができる。

また、前述したように、ミラー４４１のうなり周期をＴ、ｎを１以上の整数、Ｓを露出時間としたとき、上記式（２）を満たす場合は、順Ｂまたは順Ｃで描画する。つまり、第１縞パターンＰＬ１１、第３縞パターンＰＬ１３、第２縞パターンＰＬ１２、第４縞パターンＰＬ１４の順または第１縞パターンＰＬ１１、第３縞パターンＰＬ１３、第４縞パターンＰＬ１４、第２縞パターンＰＬ１２の順、あるいは、第１縞パターンＰＬ１１、第２縞パターンＰＬ１２、第４縞パターンＰＬ１４、第３縞パターンＰＬ１３の順または第１縞パターンＰＬ１１、第４縞パターンＰＬ１４、第２縞パターンＰＬ１２、第３縞パターンＰＬ１３の順で描画する。これにより、縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきを効果的に抑制することができる。

また、前述したように、上記式（２）を満たす場合は、順Ｂ、Ｃの中でも順Ｂで描画することが好ましい。つまり、第１縞パターンＰＬ１１、第３縞パターンＰＬ１３、第２縞パターンＰＬ１２、第４縞パターンＰＬ１４の順または第１縞パターンＰＬ１１、第３縞パターンＰＬ１３、第４縞パターンＰＬ１４、第２縞パターンＰＬ１２の順で描画することが好ましい。これにより、縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきをさらに効果的に抑制することができる。

また、前述したように、ミラー４４１のうなり周期をＴ、ｎを１以上の整数、Ｓを露出時間としたとき、上記式（３）を満たす場合は、順Ａで描画する。つまり、第１縞パターンＰＬ１１、第２縞パターンＰＬ１２、第３縞パターンＰＬ１３、第４縞パターンＰＬ１４の順または第１縞パターンＰＬ１１、第４縞パターンＰＬ１４、第３縞パターンＰＬ１３、第２縞パターンＰＬ１２の順で描画する。これにより、縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきを効果的に抑制することができる。

また、前述したように、ロボットシステム１が有する三次元形状計測装置４は、撮像装置であるカメラ４６１の露出時間Ｓに応じて複数の縞パターンＰＬ１の描画順を設定し、光源４２から出射された光であるレーザー光ＬＬを共振周波数ｆａからずれた駆動周波数ｆｂで揺動するミラー４４１により反射して走査することにより測定対象物Ｘに位相の異なる複数の縞パターンＰＬ１を順に描画し、複数の縞パターンＰＬ１毎に、縞パターンＰＬ１が描画された測定対象物Ｘをカメラ４６１で撮像し、撮像により得られた複数の画像Ｄに基づき、位相シフト法により測定対象物Ｘの三次元形状を計測する。これにより、縞パターンＰＬ１から算出される位相ずれのばらつきが抑制され、位相シフト法による三次元形状計測の精度の低下を効果的に抑制することができる。

また、前述したように、ロボットシステム１は、三次元形状計測装置４と、ロボット２と、三次元形状計測装置４の計測結果に基づいてロボット２の駆動を制御するロボット制御装置５と、を備える。これにより、三次元形状計測装置４の効果を享受することができ、高い三次元形状計測精度を発揮することができるため、優れた操作性を有するロボットシステム１となる。

以上、本発明の三次元形状計測方法、三次元形状計測装置およびロボットシステムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

１…ロボットシステム、２…ロボット、２１…ベース、２２…ロボットアーム、２２１…第１アーム、２２２…第２アーム、２２３…第３アーム、２２４…第４アーム、２２５…第５アーム、２２６…第６アーム、２４…エンドエフェクター、２５１…第１駆動装置、２５２…第２駆動装置、２５３…第３駆動装置、２５４…第４駆動装置、２５５…第５駆動装置、２５６…第６駆動装置、４…三次元形状計測装置、４１…投影部、４２…光源、４３…光学系、４３１…集光レンズ、４３２…ロッドレンズ、４４…光走査部、４４０…可動体、４４１…ミラー、４４２…支持部、４４３…梁部、４４４…永久磁石、４４５…電磁コイル、４６…撮像部、４６１…カメラ、４６２…撮像素子、４６３…集光レンズ、４７…制御装置、５…ロボット制御装置、６…ホストコンピューター、Ａ…順、Ｂ…順、Ｃ…順、Ｄ…画像、ＰＤ１…第１フォトダイオード、ＰＤ２…第２フォトダイオード、Ｊ…揺動軸、ＬＬ…レーザー光、Ｏ１…第１軸、Ｏ２…第２軸、Ｏ３…第３軸、Ｏ４…第４軸、Ｏ５…第５軸、Ｏ６…第６軸、ＰＬ…縞パターン、ＰＬ１…縞パターン、ＰＬ１１…第１縞パターン、ＰＬ１２…第２縞パターン、ＰＬ１３…第３縞パターン、ＰＬ１４…第４縞パターン、ＰＬ２…縞パターン、ＰＬ３…縞パターン、ＰＬ４…縞パターン、Ｓ…露出時間、Ｓ１…第１撮像ステップ、Ｓ２…第２撮像ステップ、Ｓ３…第３撮像ステップ、Ｓ４…第４撮像ステップ、Ｔ…うなり周期、Ｘ…測定対象物、ｆ…周期、ｆ１…第１周期、ｆ２…第２周期、ｆ３…第３周期、ｆ４…第４周期、ｆａ…共振周波数、ｆｂ…駆動周波数、θ１…第１角度、θ２…第２角度

Claims (8)

1. 撮像装置の露出時間に応じて複数の縞パターンの描画順を設定し、
   光源から出射された光を共振周波数からずれた駆動周波数で揺動するミラーにより反射して走査することにより測定対象物に位相の異なる前記複数の縞パターンを前記描画順で描画し、
   前記複数の縞パターン毎に、前記縞パターンが描画された前記測定対象物を前記撮像装置で撮像し、
   前記撮像により得られた複数の画像に基づき、位相シフト法により前記測定対象物の三次元形状を計測することを特徴とする三次元形状計測方法。
2. 前記複数の縞パターンとして、第１縞パターンと、前記第１縞パターンに対して＋９０°位相がずれている第２縞パターンと、前記第２縞パターンに対して＋９０°位相がずれている第３縞パターンと、前記第３縞パターンに対して＋９０°位相がずれている第４縞パターンと、を描画する請求項１に記載の三次元形状計測方法。
3. 前記ミラーのうなり周期をＴ、ｎを１以上の整数、Ｓを前記露出時間としたとき、
   下記式（１）を満たす場合は、
   前記第１縞パターン、前記第２縞パターン、前記第３縞パターン、前記第４縞パターンの順または前記第１縞パターン、前記第４縞パターン、前記第３縞パターン、前記第２縞パターンの順で描画する請求項２に記載の三次元形状計測方法。
   

   
4. 前記ミラーのうなり周期をＴ、ｎを１以上の整数、Ｓを前記露出時間としたとき、
   下記式（２）を満たす場合は、
   前記第１縞パターン、前記第３縞パターン、前記第２縞パターン、前記第４縞パターンの順または前記第１縞パターン、前記第３縞パターン、前記第４縞パターン、前記第２縞パターンの順、
   あるいは、
   前記第１縞パターン、前記第２縞パターン、前記第４縞パターン、前記第３縞パターンの順または前記第１縞パターン、前記第４縞パターン、前記第２縞パターン、前記第３縞パターンの順で描画する請求項２または３に記載の三次元形状計測方法。
   

   
5. 前記式（２）を満たす場合は、
   前記第１縞パターン、前記第３縞パターン、前記第２縞パターン、前記第４縞パターンの順または前記第１縞パターン、前記第３縞パターン、前記第４縞パターン、前記第２縞パターンの順で描画する請求項４に記載の三次元形状計測方法。
6. 前記ミラーのうなり周期をＴ、ｎを１以上の整数、Ｓを前記露出時間としたとき、
   下記式（３）を満たす場合は、
   前記第１縞パターン、前記第２縞パターン、前記第３縞パターン、前記第４縞パターンの順または前記第１縞パターン、前記第４縞パターン、前記第３縞パターン、前記第２縞パターンの順で描画する請求項２ないし５のいずれか１項に記載の三次元形状計測方法。
   

   
7. 撮像装置の露出時間に応じて複数の縞パターンの描画順を設定し、
   光源から出射された光を共振周波数からずれた駆動周波数で揺動するミラーにより反射して走査することにより測定対象物に位相の異なる前記複数の縞パターンを前記描画順で描画し、
   前記複数の縞パターン毎に、前記縞パターンが描画された前記測定対象物を前記撮像装置で撮像し、
   前記撮像により得られた複数の画像に基づき、位相シフト法により前記測定対象物の三次元形状を計測することを特徴とする三次元形状計測装置。
8. 請求項７に記載の三次元形状計測装置と、
   ロボットと、
   前記三次元形状計測装置の計測結果に基づいて前記ロボットの駆動を制御するロボット制御装置と、を備えることを特徴とするロボットシステム。

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