JP5716826B2 - ３次元形状計測装置およびロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、３次元形状計測装置およびロボットシステムに関する。

従来、物体の３次元形状を計測する３次元形状計測装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

たとえば、３次元形状計測装置は、スリット状の光線を計測対象物へ照射し、その反射光をカメラで撮像する。つづいて、３次元形状計測装置は、撮像画像の全ての画素を走査することによって撮像画像中の光線の位置を検出し、検出した光線の位置から光線の受光角度を算出する。

そして、３次元形状計測装置は、既知である光線の照射角度と算出した受光角度とに基づき、三角測量の原理を用いて計測対象物の高さを割り出す。これらの処理を光線の照射角度を変更しつつ繰り返し行うことによって、３次元形状計測装置は、計測対象物の３次元形状を得ることができる。

特開平７−２７０１３７号公報

しかしながら、従来の３次元形状計測装置では、撮像画像から光線の位置を検出する処理に多くの時間を要しており、かかる時間が３次元形状の計測処理を高速化する上で妨げとなっていた。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、３次元形状の計測処理を高速化することができる３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を目的とする。

本願の開示する３次元形状計測装置は、スリット状の光線を計測対象領域における照射位置を変更させながら照射する照射部と、前記光線の反射光を撮像する撮像部と、前記撮像部によって撮像された画像を走査することによって前記画像における前記光線の位置を検出する位置検出部と、前記光線の照射位置に応じて前記撮像部の撮像領域の位置を変更する変更部とを備え、前記変更部は、前記位置検出部によって検出された前記光線の位置の移動速度に応じて前記撮像領域の位置の移動速度を調整する。

また、本願の開示するロボットシステムは、スリット状の光線を計測対象領域における照射位置を変更させながら照射する照射部と、前記光線の反射光を撮像する撮像部と、前記撮像部によって撮像された画像を走査することによって前記画像における前記光線の位置を検出する位置検出部と、前記光線の照射位置に応じて前記撮像部の撮像領域の位置を変更する変更部とを備える３次元形状計測装置と、前記計測対象領域に存在するワークの３次元形状を示す情報を前記３次元形状計測装置から取得し、取得した情報に基づいて前記ワークに対する所定の作業をロボットに対して指示するロボット制御装置と、前記ロボット制御装置からの指示に従って前記ワークに対する所定の作業を行うロボットとを備え、前記変更部は、前記位置検出部によって検出された前記光線の位置の移動速度に応じて前記撮像領域の位置の移動速度を調整する。

本願の開示する３次元形状計測装置およびロボットシステムの一つの態様によれば、３次元形状の計測処理を高速化することができる。

図１は、実施例１に係る３次元形状計測装置の模式外観図である。 図２は、実施例１に係る３次元形状計測装置の構成を示すブロック図である。 図３は、撮像領域変更処理の動作例を示す図である。 図４は、３次元形状の計測方法を示す図である。 図５は、実施例１に係る３次元形状計測装置が実行する処理手順を示すフローチャートである。 図６−１は、駆動速度調整処理の説明図である。 図６−２は、駆動速度調整処理の説明図である。 図６−３は、駆動速度調整処理の説明図である。 図７は、実施例２に係る３次元形状計測装置の構成を示すブロック図である。 図８−１は、撮像制御処理の説明図である。 図８−２は、撮像制御処理の説明図である。 図９は、実施例３に係る３次元形状計測装置の構成を示すブロック図である。 図１０−１は、読出範囲制御処理の説明図である。 図１０−２は、読出範囲制御処理の説明図である。 図１１は、３次元形状計測装置の他の構成を示す図である。 図１２は、ロボットシステムの構成を示す図である。

以下に添付図面を参照して、本願の開示する３次元形状計測装置およびロボットシステムのいくつかの実施例を詳細に説明する。なお、以下に示す実施例における例示で本発明が限定されるものではない。

まず、実施例１に係る３次元形状計測装置の外観構成について図１を用いて説明する。図１は、実施例１に係る３次元形状計測装置の模式外観図である。

なお、以下では、説明をわかりやすくする観点から、直交座標系であるＸＹ座標系を計測対象物７の載置面上に設け、かかる載置面の鉛直下方向をＺ軸とする。また、以下では、ステージ６上に載置された直方体を計測対象物７とし、かかる計測対象物７の３次元形状を３次元形状計測装置１によって鉛直上方向から計測する場合について説明する。

図１に示すように、３次元形状計測装置１は、スリット状の光線（以下、「レーザスリット光」と記載する）を用いたスキャン動作によって物体の３次元形状の取得を行う計測装置である。まず、３次元形状計測装置１は、レーザ装置１１から投光側ミラー部１２へ向けてレーザスリット光を照射する。

つづいて、３次元形状計測装置１は、投光側ミラー部１２を回転させることでレーザスリット光をステージ６における照射位置を変更させながら照射する。ここでは、ステージ６におけるレーザスリット光の照射位置をＸ軸の負方向から正方向へ向けて移動させながら、ステージ６に対して斜め上方向からレーザスリット光を照射するものとする。

また、３次元形状計測装置１は、ステージ６あるいは計測対象物７に対して照射されたレーザスリット光の反射光を受光側ミラー部１４によってさらに反射させて撮像部１６へ入射させる。そして、３次元形状計測装置１は、撮像部１６によって撮像された画像を走査することによってかかる画像におけるレーザスリット光の位置を検出し、検出したレーザ位置を用いた三角測量によって計測対象物７の３次元形状を計測する。

ここで、本実施例１に係る３次元形状計測装置１では、撮像部１６が、計測対象領域（たとえば、ステージ６全面）の全域ではなく一部の領域のみを撮像することとしている。このため、本実施例１に係る３次元形状計測装置１は、撮像部が計測対象領域の全域を撮像する従来の３次元形状計測装置と比較して、画像の走査に要する時間を短縮することができる。すなわち、撮像部１６によって撮像された画像からレーザスリット光の位置を検出する処理を短時間で行うことができるため、従来の３次元形状計測装置と比較して高速に３次元形状の計測を行うことが可能である。

また、本実施例１に係る３次元形状計測装置１は、レーザスリット光の照射位置に応じて撮像領域の位置を変更することで、上記のように撮像領域を狭くした場合であっても、レーザスリット光のステージ６上からの反射光を適切に撮像することができる。以下では、本実施例１に係る３次元形状計測装置１の構成および動作について具体的に説明する。

次に、本実施例１に係る３次元形状計測装置１の構成について図２を用いて説明する。図２は、本実施例１に係る３次元形状計測装置１の構成を示すブロック図である。なお、図２では、３次元形状計測装置１の特徴を説明するために必要な構成要素のみを示しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。

図２に示すように、３次元形状計測装置１は、レーザ装置１１と、投光側ミラー部１２と、第１駆動部１３と、受光側ミラー部１４と、第２駆動部１５と、撮像部１６と、制御部１７と、記憶部１８とを備える。

また、制御部１７は、照射制御部１７ａと、撮像領域変更部１７ｂと、画像情報取得部１７ｃと、位置検出部１７ｄと、形状計測部１７ｅとを備える。また、記憶部１８は、画像情報１８ａと、レーザ位置情報１８ｂと、形状情報１８ｃとを記憶する。

レーザ装置１１は、レーザスリット光を発生させる光線発生部であり、発生させたレーザスリット光を投光側ミラー部１２へ向けて照射する。投光側ミラー部１２は、レーザ装置１１によって発生したレーザスリット光を反射してステージ６上へ入射させるミラー部である。

第１駆動部１３は、照射制御部１７ａからの指示に従って投光側ミラー部１２を回転駆動させる駆動部である。かかる第１駆動部１３は、たとえばモータ等により構成される。第１駆動部１３が投光側ミラー部１２を回転させることによって、レーザ装置１１から照射されたレーザスリット光のステージ６上への照射位置は、Ｘ軸の負方向から正方向へ向かって移動する。

なお、レーザ装置１１、投光側ミラー部１２および第１駆動部１３は、レーザスリット光を計測対象物７に対する照射位置を変更させながら照射する照射部の一例である。

受光側ミラー部１４は、レーザスリット光のステージ６上からの反射光を反射させて撮像部１６へ入射させるミラー部である。第２駆動部１５は、撮像領域変更部１７ｂからの指示に従って受光側ミラー部１４を回転させる駆動部である。かかる第２駆動部１５は、たとえばモータ等により構成される。第２駆動部１５が受光側ミラー部１４を回転させることによって、撮像部１６の撮像領域の位置を変更させることができる。

なお、本実施例１では、上記のように投光側ミラー部１２および受光側ミラー部１４を異なる駆動部を用いて回転させることとするが、投光側ミラー部１２および受光側ミラー部１４は、１つの駆動部を用いて連動駆動させてもよい。かかる点については、図１２を用いて後述する。

撮像部１６は、たとえば受光素子としてＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサを備えたカメラである。かかる撮像部１６は、レーザスリット光のステージ６あるいは計測対象物７からの反射光を撮像する。

また、撮像部１６は、撮像した画像を画像情報取得部１７ｃへ出力する。なお、撮像部１６の受光素子は、ＣＭＯＳセンサに限らず、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ等の任意のイメージセンサを適用可能である。

制御部１７は、３次元形状計測装置１全体を制御する制御部であり、照射制御部１７ａと、撮像領域変更部１７ｂと、画像情報取得部１７ｃと、位置検出部１７ｄと、形状計測部１７ｅとを備える。

照射制御部１７ａは、レーザ装置１１に対してレーザスリット光の照射を指示する制御信号を出力するとともに、第１駆動部１３に対して投光側ミラー部１２の回転を指示する制御信号を出力する処理を行う処理部である。

また、照射制御部１７ａは、投光側ミラー部１２の回転角度を示す情報（以下、「角度情報」と記載する）を撮像領域変更部１７ｂに対して出力する処理も併せて行う。

撮像領域変更部１７ｂは、ステージ６におけるレーザスリット光の照射位置に応じて撮像部１６の撮像領域の位置を変更する処理部である。ここで、撮像領域変更部１７ｂによる撮像領域変更処理について図３を用いて説明する。図３は、撮像領域変更処理の動作例を示す図である。

撮像領域変更部１７ｂは、照射制御部１７ａから受け取った角度情報を用い、受光側ミラー部１４の角度が投光側ミラー部１２の角度に対応する角度となるように第２駆動部１５に対して指示する。

具体的には、投光側ミラー部１２の角度とステージ６におけるレーザスリット光の照射位置との関係は既知であり、投光側ミラー部１２の角度と撮像部１６の撮像領域との関係も既知である。このため、本実施例１に係る３次元形状計測装置１では、投光側ミラー部１２の角度に応じて受光側ミラー部１４の角度を変更することで、図３に示すように、ステージ６におけるレーザスリット光の照射位置に追従するように撮像部１６の撮像領域を移動させることができる。

これにより、撮像部１６がステージ６上の領域の一部を撮像する場合であっても、レーザスリット光のステージ６からの反射光を適切に撮像することができる。また、撮像部が計測対象領域の全域を撮像する従来の３次元形状計測装置と比較して、画像の走査に要する時間を短縮することができるため、３次元形状の計測処理の高速化を図ることができる。

なお、本実施例１に係る撮像領域変更部１７ｂは、位置検出部１７ｄによって検出されたレーザ位置からレーザ位置の移動速度を求め、かかる移動速度に応じて受光側ミラー部１４の駆動速度を調整する処理も行うが、かかる点については図６−１〜図６−３を用いて後述する。

図２に戻り、制御部１７についての説明を続ける。画像情報取得部１７ｃは、撮像部１６によって撮像された画像を撮像部１６から順次取得し、画像情報１８ａとして記憶部１８へ記憶させる処理部である。ここでは、画像情報取得部１７ｃは、撮像部１６の全ての受光素子に対応する情報を読み出して取得するものとする。

位置検出部１７ｄは、記憶部１８に記憶された画像情報１８ａに基づき、撮像部１６によって撮像された画像におけるレーザ位置を検出する処理部である。

具体的には、位置検出部１７ｄは、撮像部１６によって撮像された画像を１ラインずつ走査する。そして、位置検出部１７ｄは、走査した画素のうち輝度が所定の閾値を超えた画素の中で最も高い輝度を示す画素の位置をレーザ位置として検出する。なお、所定の閾値を超える輝度を示す画素が存在しない場合には、レーザ未検出となる。

位置検出部１７ｄは、全てのラインについて上記の検出処理を終えると、検出結果をレーザ位置情報１８ｂとして記憶部１８へ記憶させる。本実施例１に係る３次元形状計測装置１は、撮像部１６の撮像領域が従来と比較して狭いため、位置検出部１７ｄによるレーザ位置の検出処理を短時間で行うことができる。

形状計測部１７ｅは、記憶部１８に記憶されたレーザ位置情報１８ｂに基づき、三角測量の原理によって計測対象物７の３次元形状を計測する処理部である。また、形状計測部１７ｅは、３次元形状の計測結果を形状情報１８ｃとして記憶部１８へ記憶させる処理も併せて行う。

ここで、形状計測部１７ｅによる３次元形状の計測方法について、図４を用いて簡単に説明する。図４は、３次元形状の計測方法を示す図である。

図４に示すように、３次元形状計測装置１では、投光側ミラー部１２におけるレーザスリット光の反射位置１２１、受光側ミラー部１４におけるレーザスリット光の反射位置１４１および撮像部１６におけるレーザスリット光の受光位置１６１が、ステージ６と平行な同一平面（以下、「基準面Ｚ」と記載する）上に位置するように、投光側ミラー部１２、受光側ミラー部１４および撮像部１６が配置される。

ここで、投光側ミラー部１２におけるレーザスリット光の反射位置１２１および受光側ミラー部１４におけるレーザスリット光の反射位置１４１間の距離ａは既知である。また、基準面Ｚからステージ６までの高さｂも既知である。

まず、形状計測部１７ｅは、投光側ミラー部１２の回転角度に基づいてレーザスリット光の計測対象物７に対する照射角度θ１を算出するとともに、受光側ミラー部１４の回転角度およびレーザ位置情報１８ｂに基づいてレーザスリット光の受光角度θ２を算出する。

つづいて、形状計測部１７ｅは、算出した照射角度θ１および受光角度θ２と、既知の値である距離ａとを用いて三角測量の原理によって基準面Ｚから計測対象物７までの高さｃを算出する。

そして、形状計測部１７ｅは、既知の値である高さｂから算出した高さｃを差し引くことによって計測対象物７の高さｄを算出する。このようにして、計測対象物７の各部位について高さｄをそれぞれ算出することによって、計測対象物７の３次元形状を取得する。

図２に戻り、記憶部１８について説明する。記憶部１８は、不揮発性メモリやハードディスクドライブといった記憶デバイスで構成され、画像情報１８ａ、レーザ位置情報１８ｂおよび形状情報１８ｃ等を記憶する。

画像情報１８ａは、撮像部１６によって撮像された画像を示す情報であり、レーザ位置情報１８ｂは、撮像部１６によって撮像された各画像におけるレーザ位置を示す情報である。また、形状情報１８ｃは、３次元形状計測装置１によって計測された計測対象物７の３次元形状を示す情報である。

次に、３次元形状計測装置１の具体的動作について図５を用いて説明する。図５は、実施例１に係る３次元形状計測装置１が実行する処理の処理手順を示すフローチャートである。

図５に示すように、３次元形状計測装置１では、照射制御部１７ａからの制御信号に従ってレーザスリット光の照射が開始されると（ステップＳ１０１）、画像情報取得部１７ｃが、撮像部１６によって撮像された画像の画像情報を取得する（ステップＳ１０２）。

つづいて、３次元形状計測装置１では、位置検出部１７ｄが、画像情報取得部１７ｃによって取得された画像の画像情報に基づいてレーザ位置の検出処理を行い（ステップＳ１０３）、形状計測部１７ｅが、レーザ位置の検出結果に基づいて３次元演算処理を行い（ステップＳ１０４）、演算結果を形状情報１８ｃとして記憶部１８へ格納する（ステップＳ１０５）。

つづいて、３次元形状計測装置１では、投光側ミラー部１２の角度が計測終了角度に達したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。かかる処理において、投光側ミラー部１２の角度が計測終了角度に達していない場合には（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、照射制御部１７ａが、投光側ミラー部１２を所定角度だけ回転させ（ステップＳ１０７）、撮像領域変更部１７ｂが、投光側ミラー部１２の角度に応じて受光側ミラー部１４を所定角度だけ回転させる（ステップＳ１０８）。

３次元形状計測装置１は、投光側ミラー部１２の角度が計測終了角度に達するまで、ステップＳ１０２〜Ｓ１０８の処理を繰り返し、投光側ミラー部１２の角度が計測終了角度に達したと判定すると（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、処理を終了する。

ところで、位置検出部１７ｄによって検出されるレーザ位置は、レーザスリット光の照射位置に伴って移動する。このとき、レーザスリット光の照射位置の移動速度、すなわち、投光側ミラー部１２の駆動速度が一定であっても、位置検出部１７ｄによって検出されるレーザ位置の移動速度は、計測対象物７の形状によって一定とはならない場合がある。このため、レーザスリット光の照射位置に応じて受光側ミラー部１４を駆動させたとしても、計測対象物７の形状によってはレーザスリット光の反射光を適切に撮像することができない可能性がある。

そこで、撮像領域変更部１７ｂは、位置検出部１７ｄによって検出されたレーザ位置に基づいてレーザ位置の移動速度を求め、求めた移動速度に応じて受光側ミラー部１４の駆動速度を調整することで、計測対象物７の形状によらずレーザスリット光の反射光を適切に撮像することとした。

以下では、撮像領域変更部１７ｂによって行われる受光側ミラー部１４の駆動速度の調整処理（以下、「駆動速度調整処理」と記載する）について図６−１〜図６−３を用いて説明する。図６−１〜図６−３は、駆動速度調整処理の説明図である。

なお、図６−１には、天面がステージ６に対して平行な計測対象物７ａを計測する場合の例を、図６−２および図６−３には、天面がステージ６に対して平行ではない計測対象物７ｂ，７ｃを計測する場合の例を、それぞれ示している。また、投光側ミラー部１２の駆動速度Ｖ０および撮像部１６による画像の撮像間隔は、一定であるものとする。

図６−１に示すように、計測対象物７ａの天面がステージ６と平行である場合、かかる計測対象物７ａの天面に照射されたレーザスリット光の反射光は、投光側ミラー部１２の駆動速度Ｖ０とほぼ同じ速度で移動する。このため、撮像領域変更部１７ｂは、投光側ミラー部１２と同じ駆動速度Ｖ０で受光側ミラー部１４を駆動させる。

一方、図６−２に示すように、計測対象物７ｂの天面がレーザスリット光の移動方向（Ｘ軸の正方向）へ向かって高くなるように傾斜しているとする。かかる場合、計測対象物７ｂの天面に照射されたレーザスリット光の反射光は、投光側ミラー部１２の駆動速度Ｖ０よりも遅い速度で移動することとなる。

このため、撮像領域変更部１７ｂは、投光側ミラー部１２の駆動速度Ｖ０よりも遅い駆動速度Ｖ１で受光側ミラー部１４を駆動させる。

また、図６−３に示すように、計測対象物７ｃの天面がレーザスリット光の移動方向（Ｘ軸の正方向）へ向かって低くなるように傾斜しているとする。かかる場合、計測対象物７ｃの天面に照射されたレーザスリット光の反射光は、投光側ミラー部１２の駆動速度Ｖ０よりも速い速度で移動することとなる。

このため、撮像領域変更部１７ｂは、投光側ミラー部１２の駆動速度Ｖ０よりも速い駆動速度Ｖ２で受光側ミラー部１４を駆動させる。

レーザ位置の移動速度は、位置検出部１７ｄによるレーザ位置の検出履歴に基づいて算出することができる。たとえば、撮像領域変更部１７ｂは、前回撮像された画像から検出されたレーザ位置および前々回撮像された画像から検出されたレーザ位置に基づいて光線の位置の移動速度を算出する。

すなわち、撮像部１６による画像の撮像間隔は一定であり、既知である。このため、撮像領域変更部１７ｂは、前回撮像された画像から検出されたレーザ位置および前々回撮像された画像から検出されたレーザ位置の移動距離を算出し、算出した移動距離を撮像部１６による画像の撮像間隔で割ることによってレーザ位置の移動速度を算出する。前回撮像された画像および前々回撮像された画像を用いることで、レーザ位置の現在の移動速度に最も近い移動速度を得ることができる。

なお、レーザ位置の移動速度は、必ずしも前回撮像された画像および前々回撮像された画像を用いて算出することを要しない。すなわち、撮像領域変更部１７ｂは、前々回よりも以前に撮像された画像を用いてレーザ位置の移動速度を算出してもよい。

このように、撮像領域変更部１７ｂが、位置検出部１７ｄによって検出されたレーザ位置の移動速度に応じて受光側ミラー部１４の駆動速度を調整することとしたため、計測対象物の形状に依らず、レーザスリット光の計測対象物からの反射光を適切に撮像することができる。

なお、レーザ位置の移動速度は、レーザスリット光の照射位置が計測対象領域の端へ向かうほど、言い換えれば、レーザスリット光の照射角度θ１（図４参照）が小さくなるほど、速くなる傾向がある。かかる傾向は、特に、計測対象領域がＸ方向に長い場合に顕著となる。

そこで、撮像領域変更部１７ｂは、たとえば、レーザスリット光の照射角度θ１が小さくなるほど、受光側ミラー部１４の駆動速度が速くなるように調整してもよい。これにより、レーザスリット光の照射位置に依らず、レーザスリット光の計測対象物からの反射光を適切に撮像することができる。

上述してきたように、本実施例１では、照射部が、レーザスリット光を計測対象領域における照射位置を変更させながら照射し、撮像部が、レーザスリット光の反射光を撮像し、位置検出部が、撮像部によって撮像された画像を走査することによってレーザ位置を検出し、撮像領域変更部が、レーザスリット光の照射位置に応じて撮像部の撮像領域の位置を変更することとした。すなわち、計測対象領域に対して小さい撮像領域についてのみ位置検出処理を行えばよいため、位置検出処理に要する時間が短縮され３次元形状の計測処理を高速化することができる。

また、本実施例１では、撮像領域の位置を変更することが可能であるため、撮像領域が固定された従来の３次元形状計測装置と比較してより広範囲な計測が可能となる。

また、撮像領域が固定された従来の３次元形状計測装置では、撮像領域の制約上、計測対象物を特定の形状（たとえば、ピラミッド状）に計測可能な領域が制限されるが、本実施例１に係る３次元形状計測装置１では、撮像領域を変更可能であるため、計測対象物の積み方が限定されることがなく、より自由度の高い計測処理が可能となる。

また、本実施例１に係る３次元形状計測装置１では、レーザ位置が、常に撮像領域のほぼ中央に位置することとなるため、レンズ歪みの影響を抑えることができ、計測精度を高めることができる。

また、本実施例１に係る３次元形状計測装置１では、従来の３次元形状計測装置が備える撮像部よりも撮像領域が小さい撮像部を用いることができるため、撮像部のコストダウンを図ることもできる。

ところで、ステージ６からの反射光のレーザ位置と計測対象物からの反射光のレーザ位置との差（Ｘ軸方向の距離）は、計測対象物の高さが高くなるほど大きくなる。

そこで、位置検出部１７ｄによって検出されるレーザ位置に基づいて撮像部１６の撮像領域の大きさを変更することとしてもよい。以下では、かかる場合の例について説明する。

まず、実施例２に係る３次元形状計測装置の構成について図７を用いて説明する。図７は、実施例２に係る３次元形状計測装置の構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同様の部分については、既に説明した部分と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図７に示すように、実施例２に係る３次元形状計測装置１ａの制御部１７は、撮像制御部１７ｆをさらに備える。撮像制御部１７ｆは、位置検出部１７ｄによって検出されたレーザ位置に基づき、撮像部１６の撮像領域の大きさを変更する処理部である。撮像制御部１７ｆは、撮像部１６が備える受光素子のうち受光を行わせる受光素子の数を制御することによって撮像領域の大きさを変更する。

ここで、撮像制御部１７ｆによる撮像制御処理の具体的な内容について図８−１および図８−２を用いて説明する。図８−１および図８−２は、撮像制御処理の説明図である。なお、図８−１および図８−２に示す符号Ｒは、計測対象領域をあらわす。

たとえば、図８−１に示すように、計測対象物７ｄが載置されたステージ６に対して、レーザスリット光がＸ軸の負方向から正方向に向かって照射されるとする。

図８−１の上図に示すように、レーザスリット光が計測対象物７ｄに対して照射されていない場合、すなわち、レーザスリット光がステージ６のみに照射されている場合、位置検出部１７ｄによって検出されるレーザ位置Ｌ１は、図８−２の上図に示すように直線状となる。

かかる場合、撮像制御部１７ｆは、たとえば撮像領域Ｓ１のＸ軸方向における幅があらかじめ決められた所定の幅ｗ１となるように、受光を行わせる受光素子の数を制御する。これにより、撮像部１６は、次回の撮像時において、Ｘ軸方向における幅がｗ１の撮像領域を撮像する。

一方、図８−１の下図に示すように、計測対象物７ｄが載置された位置にレーザスリット光が到達すると、図８−２の下図に示すように、ステージ６からの反射光のレーザ位置Ｌ２と計測対象物７ｄからの反射光のレーザ位置Ｌ３との間に差が生じる。すなわち、計測対象物７ｄが載置された場所では、計測対象物７ｄが載置されていない場所と比べて、検出されるレーザ位置のＸ軸方向の幅が大きくなる。

そこで、撮像制御部１７ｆは、撮像領域Ｓ２のＸ軸方向における幅がｗ１よりも大きいｗ２となるように、受光を行わせる受光素子の数を制御する。この結果、計測対象物７ｄが載置された場所での撮像部１６の撮像領域Ｓ２は、計測対象物７ｄが載置されていない場所での撮像領域Ｓ１よりも大きくなる。このため、検出されるレーザ位置のＸ軸方向の幅が大きくなった場合であっても、レーザ位置を適切に検出することができる。

また、逆に、計測対象物７ｄが載置されていない場所での撮像領域Ｓ１は、計測対象物７ｄが載置された場所での撮像部１６の撮像領域Ｓ２よりも小さくなる。このため、余分な画像データ量を削減することができ、画像の取得やレーザ位置の検出に要する時間を短縮することができる。

上述してきたように、実施例２では、撮像制御部が、位置検出部によって検出されたレーザ位置に基づき、撮像部の撮像領域の大きさを変更することとした。すなわち、レーザ位置のＸ軸方向における幅に応じて撮像領域のＸ軸方向の幅を増減させることとしたため、レーザ位置の検出漏れを防ぎつつ、３次元形状の計測処理をさらに高速化することができる。

なお、撮像制御部１７ｆは、たとえば、検出されたレーザ位置におけるＸ軸負方向側の端部からＸ軸負方向側へ所定距離だけ離れた位置を始点とし、検出されたレーザ位置におけるＸ軸正方向側の端部からＸ軸正方向側へ所定距離だけ離れた位置を終点とする幅を、撮像領域のＸ軸方向の幅として決定することができる。

たとえば、図８−２の下図に示す場合には、レーザ位置Ｌ３からＸ軸負方向側へ所定距離Ｐ１だけ離れた位置を始点とし、レーザ位置Ｌ２からＸ軸正方向側へ所定距離Ｐ２だけ離れた位置を終点とする幅Ｗ２を、撮像領域のＸ軸方向の幅として決定する。なお、Ｘ軸負方向側への所定距離Ｐ１およびＸ軸正方向側への所定距離Ｐ２は、同一の値であってもよいし異なる値であってもよい。

また、撮像制御部１７ｆは、レーザ位置に基づいて算出される計測対象物の高さ（たとえば、図４に示す高さｄ）の値に応じて撮像領域の大きさを変更してもよい。すなわち、撮像制御部１７ｆは、前回スキャンした形状情報からワークの高さを特定し、特定したワークの高さに応じて撮像領域の幅を決定することとしてもよい。

ところで、上述した実施例２では、位置検出部１７ｄによって検出されたレーザ位置に基づいて撮像部１６の撮像領域の大きさを変更することとしたが、位置検出部１７ｄによって検出されたレーザ位置に基づいて撮像部１６から読み出す画像の読出範囲を変更することとしてもよい。以下では、かかる場合の例について説明する。

まず、実施例３に係る３次元形状計測装置の構成について図９を用いて説明する。図９は、実施例３に係る３次元形状計測装置の構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同様の部分については、既に説明した部分と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図９に示すように、実施例３に係る３次元形状計測装置１ｂの制御部１７は、読出範囲制御部１７ｇをさらに備える。読出範囲制御部１７ｇは、位置検出部１７ｄによって検出されたレーザ位置に基づき、撮像部１６から読み出す画像の読出範囲を変更する処理部である。読出範囲制御部１７ｇは、撮像部１６の各受光素子から入力される情報のうち、どの受光素子からの情報を読み出すかを画像情報取得部１７ｃに対して指示することによって読出範囲の変更を行う。

ここで、読出範囲制御部１７ｇによる読出範囲制御処理の具体的な内容について図１０−１および図１０−２を用いて説明する。図１０−１および図１０−２は、読出範囲制御処理の説明図である。

図１０−１に示すように、実施例２と同様、計測対象物７ｅが載置されたステージ６に対して、レーザスリット光がＸ軸の負方向から正方向に向かって照射されたとする。上述した実施例２では、レーザ位置に基づいて撮像領域の大きさを変更することとしたが、実施例３では、撮像領域の大きさの変更は行わず（すなわち、撮像領域のＸ軸方向における幅Ｗ０は一定としつつ）、撮像部１６からの読出範囲を変更する。

具体的には、実施例２において既に説明したように、レーザスリット光がステージ６にのみ照射されている場合、位置検出部１７ｄによって検出されるレーザ位置Ｌ４は、図１０−２の上図に示すように直線状となる。

かかる場合、読出範囲制御部１７ｇは、撮像領域Ｓ３のうちレーザ位置Ｌ４を含む所定幅ｓ１の読出範囲Ｔ１から画像情報を読み出すように画像情報取得部１７ｃに対して指示する。これにより、画像情報取得部１７ｃは、撮像部１６によって次の画像が撮像された場合に、撮像部１６から入力される画像情報のうち読出範囲Ｔ１の画像情報のみを読み出して画像情報１８ａとして記憶部１８へ記憶する。

また、図１０−１の下図に示すように、計測対象物７ｅが載置された位置にレーザスリット光が到達すると、図１０−２の下図に示すように、ステージ６からの反射光のレーザ位置Ｌ５と計測対象物７ｅからの反射光のレーザ位置Ｌ６との間に差が生じる。

かかる場合、読出範囲制御部１７ｇは、撮像領域Ｓ４のうちレーザ位置Ｌ５およびＬ６を含む所定幅ｓ２の読出範囲Ｔ２から画像情報を読み出すように画像情報取得部１７ｃに対して指示する。図１０−２の下図に示すように、撮像領域Ｓ４から読み出す画像情報の幅ｓ２は、撮像領域Ｓ３から読み出す画像情報の幅ｓ１よりも大きい。すなわち、読出範囲Ｔ２は、読出範囲Ｔ１よりも大きい。これにより、画像情報取得部１７ｃは、撮像部１６によって次の画像が撮像された場合に、撮像部１６から入力される画像情報のうち読出範囲Ｔ２の画像情報のみを読み出して画像情報１８ａとして記憶部１８へ記憶する。

このように、実施例３では、読出範囲制御部が、位置検出部によって検出されたレーザ位置に基づき、撮像部から読み出す画像の読出範囲を変更することとした。すなわち、レーザ位置のＸ軸方向における幅に応じて読出範囲のＸ軸方向の幅を増減させることとしたため、実施例２と同様に、レーザ位置の検出漏れを防ぎつつ、３次元形状の計測処理をさらに高速化することができる。

なお、読出範囲制御部は、実施例２と同様に、検出されたレーザ位置におけるＸ軸負方向側の端部からＸ軸負方向側へ所定距離だけ離れた位置を始点とし、検出されたレーザ位置におけるＸ軸正方向側の端部からＸ軸正方向側へ所定距離だけ離れた位置を終点とする幅を、読出範囲のＸ軸方向の幅として決定することができる。

上述してきた各実施例では、投光側ミラー部１２および受光側ミラー部１４を、それぞれ第１駆動部１３および第２駆動部１５を用いて駆動させる場合の例について説明したが、これに限ったものではない。すなわち、投光側ミラー部１２および受光側ミラー部１４は、一つの駆動部を用いて連動駆動させてもよい。

以下では、かかる場合について図１１を用いて説明する。図１１は、３次元形状計測装置の他の構成を示す図である。

図１１に示すように、実施例４に係る３次元形状計測装置１ｃは、第１駆動部１３および第２駆動部１５に代えて、第３駆動部２０を備える。かかる第３駆動部２０は、第１駆動部１３および第２駆動部１５と同様、モータ等により構成され、撮像領域変更部１７ｂによって駆動制御される。

実施例４に係る３次元形状計測装置１ｃでは、たとえば、第３駆動部２０のシャフト、投光側ミラー部１２の回転軸および受光側ミラー部１４の回転軸にそれぞれプーリが設けられ、各プーリ間に、ベルト２１が掛け渡される。そして、３次元形状計測装置１ｃでは、第３駆動部２０を回転駆動させ、かかる第３駆動部２０の回転力をベルト２１によって投光側ミラー部１２および受光側ミラー部１４へ伝達することによって、投光側ミラー部１２および受光側ミラー部１４を連動駆動させる。

このように、実施例４では、撮像領域変更部が、投光側ミラー部および受光側ミラー部を一つの駆動部を用いて連動駆動させることによって、レーザスリット光の照射位置を変更しつつ、かかる照射位置に応じて撮像部の撮像領域を変更することとした。これにより、３次元形状計測装置のコスト削減を図ることができる。

なお、図１１では、投光側ミラー部１２および受光側ミラー部１４を同一の速度で回転させる場合の例について示したが、たとえば、投光側ミラー部１２および受光側ミラー部１４のプーリ径を適宜異ならせることによって、投光側ミラー部１２および受光側ミラー部１４を異なる速度で回転させることもできる。また、各プーリと投光側ミラー部１２および受光側ミラー部１４との間に、計測対象となる距離に応じて減速比を調整した減速機をそれぞれ設けてもよい。

次に、３次元形状計測装置を適用したロボットシステムの実施例について図１２を用いて説明する。図１２は、ロボットシステムの構成を示す図である。なお、ここでは、実施例１に係る３次元形状計測装置１を適用したロボットシステムの例について説明するが、実施例２〜４に係る３次元形状計測装置１ａ〜１ｃについても同様に適用可能である。

また、以下では、バラ積みされたワークの中からワークを１つずつ取り出す作業をロボットに対して行わせる場合の例について説明する。なお、図１２では、ワークの一例としてネジを図示しているが、ワークは、ネジ以外の任意の部材であってもよい。

図１２に示すように、ロボットシステム１００は、３次元形状計測装置１と、ロボット制御装置２と、ロボット３とを含む。３次元形状計測装置１は、山積みされたワークの上方に設置され、ワークの３次元形状を計測する。

ロボット制御装置２は、３次元形状計測装置１およびロボット３に接続され、３次元形状計測装置１からバラ積みされたワークに関する形状情報１８ｃを取得する。また、ロボット制御装置２は、取得した形状情報１８ｃに基づいて作業対象となるワークを判別し、判別したワークの取り出し作業をロボット３に対して指示する。

ロボット３は、たとえば７軸の関節を備えたロボットアームの先端にワークを把持するロボットハンドを備える。かかるロボット３は、ロボット制御装置２から入力される作業対象のワークの位置および向きに基づいてロボットアームおよびロボットハンドを駆動してワークを把持し、取り出す。なお、ロボット３は、取り出したワークを所定の部材へ取り付ける作業等を引き続き行ってもよい。

ロボットシステム１００は、上記のように構成され、３次元形状計測装置１が、従来よりも狭い撮像部１６の撮像領域をレーザスリット光の照射位置に追従するように移動させながら、位置検出部１７ｄによって検出されたレーザ位置に基づいてワークの３次元形状を計測する。

これにより、ロボットシステム１００によれば、３次元形状計測装置１によってワークの形状計測が開始されてから、ロボット３によりワークを把持させるまでの処理時間を短縮することができ、作業効率を向上させることができる。

なお、ロボットシステム１００では、ロボット制御装置２から出力されるロボット３への作業指示を３次元形状計測装置１へも出力させ、かかる作業指示に基づいて撮像領域の大きさあるいは読出範囲の大きさを変更させてもよい。

すなわち、ロボット３によって山積みのワークから特定のワークが取り出された場合、取り出されたワークの周辺のみ形状が変化し、それ以外の領域では形状に変化が生じない場合がある。

そこで、３次元形状計測装置１は、ロボット制御装置２から出力されるロボット３への作業指示からロボット３によって取り出されるワークの周辺領域を特定し、特定した領域に応じて撮像領域の大きさあるいは読出範囲の大きさを変更する。たとえば、３次元形状計測装置１は、特定した領域と撮像領域あるいは読出範囲が一致するように撮像領域の大きさあるいは読出範囲の大きさを変更してもよい。これにより、３次元形状の計測処理をさらに高速化することができる。

なお、実施例５では、３次元形状計測装置１とロボット３とを別体に設けることとしたが、３次元形状計測装置１は、ロボット３におけるロボットアームの先端部に一体に設けてもよい。

かかる構成とする場合、ロボット制御装置２は、ロボット３がワークの取り付け作業を終了する毎に、ロボットアームを駆動して作業対象のワークの形状を計測可能な位置まで３次元形状計測装置１を移動させる。かかる構成により、ロボットシステム１００の設置スペースを省スペース化することが可能となる。

また、上述してきた各実施例では、投光側ミラー部１２の角度、すなわち、照射角度を変更することによってレーザスリット光の計測対象領域における照射位置を変更することとしたが、照射角度を一定に保ったままレーザスリット光の計測対象領域における照射位置を変更することも可能である。

たとえば、レーザ装置１１をＸＹ平面と平行に移動させながらレーザスリット光を計測対象領域へ照射させることによって、照射角度を変更せずに計測対象領域におけるレーザスリット光の照射位置を変更することができる。

また、上述してきた各実施例では、受光側ミラー部１４を回転駆動させることによって撮像部１６の撮像領域の位置を変更する場合の例について説明したが、撮像部１６自体を回転駆動させることによって撮像領域を変更することとしてもよい。かかる場合、受光側ミラー部１４の設置位置に撮像部１６を設け、第２駆動部１５を用いて撮像部１６を駆動させればよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施の形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１，１ａ〜１ｃ ３次元形状計測装置
１１ レーザ装置
１２ 投光側ミラー部
１３ 第１駆動部
１４ 受光側ミラー部
１５ 第２駆動部
１６ 撮像部
１７ 制御部
１７ａ 照射制御部
１７ｂ 撮像領域変更部
１７ｃ 画像情報取得部
１７ｄ 位置検出部
１７ｅ 形状計測部
１７ｆ 撮像制御部
１７ｇ 読出範囲制御部
１８ 記憶部
１８ａ 画像情報
１８ｂ レーザ位置情報
１８ｃ 形状情報
２ ロボット制御装置
３ ロボット
６ ステージ
７，７ａ〜７ｅ 計測対象物

Claims (7)

1. スリット状の光線を計測対象領域における照射位置を変更させながら照射する照射部と、
   前記光線の反射光を撮像する撮像部と、
   前記撮像部によって撮像された画像を走査することによって前記画像における前記光線の位置を検出する位置検出部と、
   前記光線の照射位置に応じて前記撮像部の撮像領域の位置を変更する変更部と
   を備え、
   前記変更部は、
   前記位置検出部によって検出された前記光線の位置の移動速度に応じて前記撮像領域の位置の移動速度を調整すること
   を特徴とする３次元形状計測装置。
2. 前記光線の反射光を反射して前記撮像部へ入射させる受光側ミラー部
   をさらに備え、
   前記変更部は、前記光線の照射位置に応じて前記受光側ミラー部を駆動させることによって前記撮像領域の位置を変更することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状計測装置。
3. 前記照射部は、
   前記光線を発生させる光線発生部と、
   前記光線発生部によって発生した光線を反射して前記計測対象領域へ入射させる投光側ミラー部と
   をさらに備え、
   前記変更部は、前記投光側ミラー部および前記受光側ミラー部を一つの駆動部を用いて連動駆動させることによって、前記光線の照射位置を変更しつつ該照射位置に応じて前記撮像部の撮像領域の位置を変更することを特徴とする請求項２に記載の３次元形状計測装置。
4. 前記変更部は、
   前回撮像された画像から検出された前記光線の位置および前々回撮像された画像から検出された前記光線の位置に基づいて前記光線の位置の移動速度を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の３次元形状計測装置。
5. 前記位置検出部によって検出された前記光線の位置に基づき、前記撮像領域の大きさを変更する撮像制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の３次元形状計測装置。
6. 前記位置検出部によって検出された前記光線の位置に基づき、前記撮像部から読み出す画像の読出範囲を変更する読出範囲制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の３次元形状計測装置。
7. スリット状の光線を計測対象領域における照射位置を変更させながら照射する照射部と、
   前記光線の反射光を撮像する撮像部と、
   前記撮像部によって撮像された画像を走査することによって前記画像における前記光線の位置を検出する位置検出部と、
   前記光線の照射位置に応じて前記撮像部の撮像領域の位置を変更する変更部と
   を備える３次元形状計測装置と、
   前記計測対象領域に存在するワークの３次元形状を示す情報を前記３次元形状計測装置から取得し、取得した情報に基づいて前記ワークに対する所定の作業をロボットに対して指示するロボット制御装置と、
   前記ロボット制御装置からの指示に従って前記ワークに対する所定の作業を行うロボットとを備え、
   前記変更部は、
   前記位置検出部によって検出された前記光線の位置の移動速度に応じて前記撮像領域の位置の移動速度を調整することを特徴とするロボットシステム。

Images