JP7108329B1 - 情報処理方法、情報処理システム、プログラム - Google Patents

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Abstract

【課題】三次元モデルデータから三次元モデル点群データを容易に生成可能であると共に、三次元モデル点群データが従来と異なり、センサにより取得された三次元計測点群データのように規則的な並びの点群データを生成することが可能となる。【解決手段】本発明の主たる発明である情報処理方法は、三次元モデルデータ取得部により、三次元モデルデータを取得するステップと、基準面設定部により、取得した前記三次元モデルデータの周囲に基準面を設定するステップと、規則位置座標設定部により、前記基準面において所定の規則に沿って規則的に並ぶ規則位置座標を設定するステップと、モデル点座標生成部により、前記規則位置座標から延伸した第1仮想直線と前記三次元モデルデータの交点にモデル点座標を生成するステップと、を含む。【選択図】図13

Description

本発明は、情報処理方法、情報処理システム、プログラムに関する。
従来から例えばCADデータのような三次元モデルデータを三次元点群データ化する技術が知られている。例えば特許文献1には、CADデータが対象物の表面形状を三角形の集合体により近似的に記述されたSTLデータであって、各三角形の頂点座標を点データとして三次元点群データ化する技術が示されている。
特開2020-27654号公報
しかしながら、STLデータは近似的な表面形状を示すものであるので、これだけでは元のCADデータと三次元点群データのモデル形状には差ができる。そこで特許文献1に記載された発明においては、さらにサブ点群と曲率データから高精度の三次元点群データモデルを生成していた。
ところが、CADデータのモデル形状に近い高精度の三次元点群データが生成できるものの、生成された三次元点群データの点データの位置は均一ではない。そのため、基準となるCADデータの基準モデル形状と、光学センサ等により実際の対象物から取得された三次元点群データのモデル形状とを比較することができず、例えば、実際の対象物が製品としての基準をクリアしているか判定できなかった。
本発明はこのような背景を鑑みてなされたものであり、三次元モデルデータから、センサにより生成したような規則的な配置の三次元点群データを容易に抽出することが可能となり、基準となる三次元モデルデータから得た基準三次元点群データと、実対象物から得た三次元点群データとを容易に比較できる技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明の主たる発明は、三次元モデルデータ取得部により、三次元モデルデータを取得するステップと、基準面設定部により、取得した前記三次元モデルデータの周囲に基準面を設定するステップと、規則位置座標設定部により、前記基準面において所定の規則に沿って規則的に並ぶ規則位置座標を設定するステップと、モデル点座標生成部により、前記規則位置座標から延伸した第1仮想直線と前記三次元モデルデータの交点にモデル点座標を生成するステップと、を含む、ことを特徴とする情報処理方法である。
その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄及び図面により明らかにされる。
本発明によれば、三次元モデルデータから三次元モデル点群データを容易に生成可能であると共に、三次元モデル点群データが従来と異なり、センサにより取得された三次元計測点群データのように規則的な並びの点群データを生成することが可能となり、基準となる三次元モデルデータから得た三次元モデル点群データと、実対象物から得た三次元計測点群データとを容易に比較できるようにする。
本実施形態1の情報処理システム100の全体構成例を示す図である。 本実施形態1に係る端末1のハードウェア構成例を示す図である。 本実施形態1に係る端末1の機能構成例を示す図である。 本実施形態1に係る三次元点群データの表示例を示す図を示す。 本実施形態1に係る三次元モデルデータの表示例を示す図である。 本実施形態1に係る三次元基準範囲の表示例を示す図である。 本実施形態1に係る基準面を例示する図である。 本実施形態1に係る規則位置座標を例示する図である。 本実施形態1に係るモデル点座標を例示する図である。 本実施形態1に係る三次元モデル点群データの表示例を示す図である。 本実施形態1に係る三次元モデルデータの表裏に関する一例を示す図である。 本実施形態1に係る三次元モデルデータの表裏に関する他の例を示す図である。 本実施形態1に係る情報処理方法のフローチャート例を示す図である。
本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明は、たとえば以下のような構成を備える。
[項目1]
情報処理方法であって、
三次元モデルデータ取得部により、三次元モデルデータを取得するステップと、
基準面設定部により、取得した前記三次元モデルデータの周囲に基準面を設定するステップと、
規則位置座標設定部により、前記基準面において所定の規則に沿って規則的に並ぶ規則位置座標を設定するステップと、
モデル点座標生成部により、前記規則位置座標から延伸した第1仮想直線と前記三次元モデルデータの交点にモデル点座標を生成するステップと、
を含む、ことを特徴とする情報処理方法。
[項目2]
項目1に記載の情報処理方法であって、
前記三次元モデルデータは、対象物の形状を示す面の情報があるデータである、
ことを特徴とする情報処理方法。
[項目3]
項目1または2のいずれかに記載の情報処理方法であって、
前記基準面を設定するステップは、
前記三次元モデルデータを囲う立体形状の三次元基準範囲を設定するステップと、
前記立体形状の所定の面を前記基準面として設定するステップと、をさらに含む、
ことを特徴とする情報処理方法。
[項目4]
項目1ないし3のいずれかに記載の情報処理方法であって、
前記所定の規則に沿って規則的に並ぶ前記規則位置座標を設定するステップは、
前記基準面に所定の間隔で格子状に並ぶ第2仮想直線の交点を前記規則位置座標として設定するステップである、
ことを特徴とする情報処理方法。
[項目5]
項目1ないし4のいずれかに記載の情報処理方法であって、
前記第1仮想直線と前記三次元モデルデータの交点に前記モデル点座標を生成するステップでは、
前記三次元モデルデータの表側との交点に前記モデル点座標として生成する、
ことを特徴とする情報処理方法。
[項目6]
項目1ないし5のいずれかに記載の情報処理方法であって、
三次元計測点群データ取得部により、センサにより計測された三次元計測点群データを取得するステップと、
フィッティング部により、前記モデル点座標の集合である三次元モデル点群データと、前記三次元計測点群データとの位置合わせを実行するステップと、をさらに含む、
ことを特徴とする情報処理方法。
[項目7]
項目6に記載の情報処理方法であって、
前記位置合わせを実行するステップは、
前記三次元モデル点群データと前記三次元計測点群データとが最も近似する位置に位置合わせするステップを含む、
ことを特徴とする情報処理方法。
[項目8]
情報処理システムであって、
三次元モデルデータを取得する三次元モデルデータ取得部と、
取得した前記三次元モデルデータの周囲に基準面を設定する基準面設定部と、
前記基準面において所定の規則に沿って規則的に並ぶ規則位置座標を設定する規則位置座標設定部と、
前記規則位置座標から延伸した第1仮想直線と前記三次元モデルデータの交点にモデル点座標を生成するモデル点座標生成部と、
を含む、ことを特徴とする情報処理システム。
[項目9]
情報処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
前記プログラムは、前記情報処理方法として、
三次元モデルデータ取得部により、三次元モデルデータを取得するステップと、
基準面設定部により、取得した前記三次元モデルデータの周囲に基準面を設定するステップと、
規則位置座標設定部により、前記基準面において所定の規則に沿って規則的に並ぶ規則位置座標を設定するステップと、
モデル点座標生成部により、前記規則位置座標から延伸した第1仮想直線と前記三次元モデルデータの交点にモデル点座標を生成するステップと、
をコンピュータに実行させる、ことを特徴とするプログラム。
<実施の形態1の詳細>
本発明の一実施形態に係る情報処理システム100の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号及び名称が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。
図1は、本実施形態の情報処理システム100の一例を示す図である。図1に示されるように、本実施形態の情報処理システム100では、端末1と、作業用ロボット2、コントローラ3とを有している。作業用ロボット2は、少なくともアーム21、ツール22、センサ23を有している。端末1・コントローラ3と作業用ロボット2とは、有線または無線にて互いに通信可能に接続されている。なお、センサ23は、必ずしも作業用ロボット2に搭載されていなくともよく、対象物から三次元点群データを取得可能であればどのような構成であってもよい。
<端末1>
図2は、端末1のハードウェア構成を示す図である。端末1は、例えばパーソナルコンピュータのような汎用コンピュータとしてもよいし、或いはクラウド・コンピューティングによって論理的に実現されてもよい。なお、図示された構成は一例であり、これ以外の構成を有していてもよい。例えば、端末1のプロセッサ10に設けられる一部の機能が外部のサーバや別端末により実行されてもよい。
端末1は、少なくとも、プロセッサ10、メモリ11、ストレージ12、送受信部13、入出力部14等を備え、これらはバス15を通じて相互に電気的に接続される。
プロセッサ10は、端末1全体の動作を制御し、少なくとも作業用ロボット2とのデータ等の送受信の制御、及びアプリケーションの実行及び認証処理に必要な情報処理等を行う演算装置である。例えばプロセッサ10はCPU(Central Processing Unit)および/またはGPU(Graphics Processing Unit)であり、ストレージ12に格納されメモリ11に展開された本システムのためのプログラム等を実行して各情報処理を実施する。
メモリ11は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)等の揮発性記憶装置で構成される主記憶と、フラッシュメモリやHDD(Hard Disc Drive)等の不揮発性記憶装置で構成される補助記憶と、を含む。メモリ11は、プロセッサ10のワークエリア等として使用され、また、端末1の起動時に実行されるBIOS(Basic Input / Output System)、及び各種設定情報等を格納する。
ストレージ12は、アプリケーション・プログラム等の各種プログラムを格納する。各処理に用いられるデータを格納したデータベースがストレージ12に構築されていてもよい。
送受信部13は、端末1を少なくとも作業用ロボット2と接続し、プロセッサの指示に従い、データ等の送受信を行う。また、送受信部13は、有線または無線により構成されおり、無線である場合には、例えば、WiFiやBluetooth(登録商標)及びBLE(Bluetooth Low Energy)の近距離通信インターフェースにより構成されていてもよく、端末1の外部とデータ等の送受信を行う。
入出力部14は、例えば端末1がパーソナルコンピュータで構成されている場合は情報出力機器(例えばディスプレイ)と情報入力機器(例えばキーボードやマウス)により構成され、スマートフォンまたはタブレット端末で構成されている場合はタッチパネル等の情報入出力機器により構成されている。
バス15は、上記各要素に共通に接続され、例えば、アドレス信号、データ信号及び各種制御信号を伝達する。
<作業用ロボット2>
図1に戻り、本実施形態に係る作業用ロボット2について説明する。
上述のとおり、作業用ロボット2は、アーム21と、ツール22と、センサ23とを有する。なお、図示された構成は一例であり、この構成に限定されない。
アーム21は、三次元のロボット座標系に基づき、端末1にその動作を制御される。また、アーム21は、有線または無線で作業用ロボット2と接続されたコントローラ3をさらに備え、これによりその動作を制御されてもよい。
ツール22は、三次元のツール座標系に基づき、端末1にその動作を制御される。また、ツール22の構成は、用途に合わせて何れのツールを備えていてもよく、例えば、溶接用トーチや塗装用塗料噴射装置、把持装置、掘削装置、研磨装置などであってもよい。
センサ23は、三次元のセンサ座標系に基づき、対象物のセンシングを行う。センサ23は、例えば三次元スキャナとして動作するレーザセンサであり、センシングにより対象物の三次元計測点群データ40を取得する。三次元計測点群データ40は、例えば、図4に示されるような三次元計測点群データ40であり、それぞれの点データがセンサ座標系の座標情報を有し、規則的に並ぶ点群により対象物の形状を把握することが可能となる。
なお、作業前に所定のキャリブレーションを行い、ロボット座標系及びツール座標系、センサ座標系を互いに関連付け、例えばセンサ座標系を基にユーザが位置(座標)を指定することにより、アーム21やツール22が対応した位置を基に動作制御されるように構成をなしてもよい。
<端末1の機能>
図3は、端末1に実装される機能を例示したブロック図である。本実施の形態においては、端末1のプロセッサ10は、三次元計測点群データ取得部101、三次元モデルデータ取得部102、三次元データ表示部103、基準面設定部104、規則位置座標設定部105、モデル点座標生成部106、フィッティング部107を有している。また、端末1のストレージ12は、三次元計測点群データ記憶部121、三次元モデルデータ記憶部122、三次元モデル点群データ記憶部123を有している。
三次元計測点群データ取得部101は、端末1の入出力部14からの指示により、例えば作業用ロボット2を制御し、センサ23により対象物の三次元計測点群データを取得する。取得した三次元点群データは、例えばセンサ座標系に基づく三次元座標情報データであり、三次元計測点群データ記憶部121に記憶される。
三次元モデルデータ取得部102は、例えば端末1の送受信部13から受信した対象物の基準モデルとなる三次元モデルデータを取得する。三次元モデルデータは、対象物の形状を示す面の情報があるデータであればよく、例えばCADデータ、STLデータなどのメッシュデータ、サーフェスデータなどである。取得した三次元モデルデータは、三次元モデルデータ記憶部122に記憶される。三次元モデルデータは、例えば仮想空間内の三次元座標系に基づくデータである。なお、三次元モデルデータの取得は、上記の形態に限らず、例えば端末1の同一または異なるアプリケーション上で作成された三次元モデルデータを取り込むようにしてもよい。
三次元データ表示部103は、三次元計測点群データ取得部101により取得された三次元計測点群データ40を、例えば図4に例示されるように端末1の入出力部14に表示する。また、三次元データ表示部103は、三次元モデルデータ取得部102により取得された三次元モデルデータ50を、例えば図5に例示されるように端末1の入出力部14に表示する。ユーザは、表示された三次元点群データまたは三次元モデルデータを任意の方向から視認可能である。この場合、入出力部14は、前述のとおり、例えば端末1がパーソナルコンピュータで構成されている場合は情報出力機器(例えばディスプレイ)と情報入力機器(例えばキーボードやマウス)により構成され、スマートフォンまたはタブレット端末で構成されている場合はタッチパネル等の情報入出力機器により構成されており、入出力部14により、上記任意の方向を指定可能である。
基準面設定部104は、例えば図6に例示されるように三次元モデルデータ50が配置された仮想空間内の三次元座標系において、既知の方法により三次元モデルデータ50が存在する範囲を判定して、当該三次元モデルデータ50を囲う三次元基準範囲51を設定し、後述の規則位置座標設定部105等により用いられる基準面52を三次元基準範囲51の少なくとも一面(例えば、図7における直方体の上面など)に対して設定する。なお、三次元基準範囲は図6-7に例示されるような直方体に限らず、立方体、角柱、円柱といった面を有する立体形状であればよい。
また、基準面設定部104は、他の実施の形態として、三次元基準範囲51を設定せずに、三次元モデルデータ50の周囲の任意の位置にある所定の面(例えばx-y平面、y-z平面、x-z平面など)を基準面52として設定してもよく、特に図6-7における直方体の上面位置に所定の面を配置できるように、例えば三次元モデルデータ50の仮想空間におけるサイズを解析した後に、面を配置した場合に一番覆う面積が広い位置や面に対向する対象物の一部が一番平らな位置などを算出し、基準面52として設定してもよい。
さらに、基準面設定部104は、他の実施の形態として、図5に示されるように入出力部14の情報出力機器に表示されている状態で、情報入力機器により三次元基準範囲51または基準面52をユーザが手動で設定してもよい。より具体的には、例えば複数の頂点(例えば4点)の位置を情報入力機器により選択し、当該頂点に合わせて直方体等の立体形状を生成し、頂点の位置や辺の位置、半径などを適宜調整してサイズを変更してもよいし、面モデルのサイズや向きを調整して基準面52を配置するように設定してもよい。または、入出力部14の情報出力機器に表示された三次元モデルデータ50を操作して、例えばセンサ23のスキャン方向と合うように三次元モデルデータ50の向きを変更し、その状態で画面上にて三次元モデルデータ50を囲う面をユーザが手動で設定する。その後、当該設定された面を当該面に垂直な方向の三次元モデルデータ50の端部位置に配置した立体形状の三次元基準範囲51(例えば、図6参照)を設定するようにしてもよい。
規則位置座標設定部105は、例えば図8に例示されるように基準面設定部104により設定された基準面52において、規則的に並ぶ規則位置座標情報データ53を複数設定する。例えば図8においては、基準面52上に所定の間隔で格子状に並ぶ仮想直線の交点を規則位置座標情報データ53として設定してもよい。なお、格子形状は、井桁格子やクロス格子などであってもよいが、これらに限定されない。また、規則的に並ぶ規則位置座標情報データ53を設定可能であれば、格子形状を用いずともよく、例えば基準面52の第1の角を設定開始位置として、所定の間隔で順番に基準面52上に網羅的に規則位置座標情報データ53を設定するような方法であってもよい。
モデル点座標生成部106は、前述の各規則位置座標情報データ53が示す座標位置から延伸する仮想直線54が、例えば図9に例示されるように、三次元モデルデータ50(図9では特に三角形のメッシュ55を有するSTLデータを例示)を貫通する点(交点)をモデル点座標情報データ56として生成する。仮想直線54は、例えば基準面52に対して垂直に延伸する直線であってもよいし、基準面52に対して所定の角度傾いて延伸する直線であってもよい。生成した三次元モデル点群データ57のモデル点座標情報データ56は、三次元モデル点群データ記憶部123に記憶される。
なお、三次元データ表示部103は、当該三次元モデル点群データ57を、例えば図10に例示されるように端末1の入出力部14に表示してもよい。また、三次元モデルデータ50において、表側及び裏側がある場合には、例えば図11に例示されるように表側及び裏側に貫通する点が生成されるが、表側及び裏側のいずれを採用するかを予め設定しておいてもよい。この時、表側の交点であることが望ましいが、これに限らず、裏側の交点であってもよい。もしくは、図12に例示されるように、仮想直線54が無限長ではなく、基準面52から三次元モデルデータ50までの距離や三次元モデルデータ50の厚みが判明している場合には、仮想直線54を所定の有限長とすることで、表側の交点だけを取得可能にしてもよい。
フィッティング部107は、三次元モデル点群データ57に対して三次元計測点群データ40の位置合わせ(いわゆるフィッティング)を実行する。フィッティングは既知の方法で実行されてよいが、例えば、三次元モデル点群データ57と三次元計測点群データ40との各点データの配置が最も近似する位置と設定することであってもよい。より具体的な例としては、例えば、三次元計測点群データ40(または三次元モデル点群データ57)の各点データのそれぞれを中心とする所定範囲の探索範囲半径Rからなる球の中心点から、所定の位置に配置された三次元モデル点群データ57(または三次元計測点群データ40)の各点データのうち当該球に含まれる点データまでの距離Lを算出し、例えば距離Lのうち一番短い距離L’の平均値、または、全ての距離Lの平均値を算出する。そして、三次元モデル点群データ57(または三次元計測点群データ40)を移動させ、再度上記平均値を算出する。これを複数回実行し、当該平均値が一番小さい場合の三次元モデル点群データ57(または三次元計測点群データ40)の位置をフィッティング位置として設定する。
フィッティング部107は、さらに位置合わせ後に、既知の方法により三次元モデル点群データ57と三次元計測点群データ40との両者の形状の差異を示すようにしてもよい。
<情報処理方法のフローチャート>
図13は、本実施の形態の情報処理システム100における情報処理方法のフローチャートの一例である。
まず、ユーザは、端末1を操作し、三次元モデルデータ取得部102により、三次元モデルデータ50を取得する(SQ101)。
次に、端末1の基準面設定部104により、取得した三次元モデルデータ50の周囲に基準面52を設定する(SQ102)。
次に、端末1の規則位置座標設定部105により、基準面52において所定の規則に沿って規則的に並ぶ規則位置座標53を設定する(SQ103)。
次に、端末1のモデル点座標生成部106により、規則位置座標53から延伸した仮想直線54と三次元モデルデータ50の貫通点(交点)にモデル点座標を生成し、モデル点座標情報データ56として記憶する(SQ104)。
これにより、三次元モデルデータ50から三次元モデル点群データ57を容易に生成可能であると共に、三次元モデル点群データ57が従来と異なり、センサ23により取得された三次元計測点群データ40のように規則的な並びの点群データを生成することが可能となる。そして、このように規則的な並びの三次元モデル点群データ57が得られることにより、特にセンサ23により取得された三次元計測点群データ40と実質的に同様に扱うことが可能となり、例えば三次元モデル点群データ57と三次元計測点群データ40とを互いにフィッティングする際の精度が、従来手法により生成された三次元モデル点群データを用いた場合と比較して格段に向上する。
以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
1 端末
2 作業用ロボット
21 アーム
22 ツール
23 センサ
3 コントローラ

Claims (5)

  1. 情報処理方法であって、
    三次元モデルデータ取得部により、三次元モデルデータを取得するステップと、
    基準面設定部により、取得した前記三次元モデルデータの周囲に基準面を設定するステップと、
    規則位置座標設定部により、前記基準面において所定の規則に沿って規則的に並ぶ規則位置座標を設定するステップと、
    モデル点座標生成部により、前記規則位置座標から前記基準面に対して所定の角度で延伸した第1仮想直線と前記三次元モデルデータの交点にモデル点座標を生成するステップと、
    前記モデル点座標生成部により、前記モデル点座標の集合である三次元モデル点群データを生成するステップと、
    を含み、
    前記基準面を設定するステップは、
    前記三次元モデルデータを囲う仮想空間である立体形状の三次元基準範囲を設定するステップと、
    前記立体形状の所定の面を前記基準面として設定するステップと、を含み、
    前記所定の規則に沿って規則的に並ぶ前記規則位置座標を設定するステップは、
    前記基準面に所定の間隔で格子状に並ぶ第2仮想直線の交点を前記規則位置座標として設定するステップであり、
    三次元計測点群データ取得部により、センサにより計測された三次元計測点群データを取得するステップと、
    フィッティング部により、前記モデル点座標の集合である三次元モデル点群データと、前記三次元計測点群データとの位置合わせを実行するステップと、をさらに含む、
    ことを特徴とする情報処理方法。
  2. 請求項1に記載の情報処理方法であって、
    前記三次元モデルデータは、対象物の形状を示す面の情報があるデータである、
    ことを特徴とする情報処理方法。
  3. 請求項1又は2に記載の情報処理方法であって、
    前記第1仮想直線と前記三次元モデルデータの交点に前記モデル点座標を生成するステップでは、
    前記基準面に近い側である前記三次元モデルデータの表側との交点に前記モデル点座標として生成する、
    ことを特徴とする情報処理方法。
  4. 請求項1又は2に記載の情報処理方法であって、
    前記第1仮想直線と前記三次元モデルデータの交点に前記モデル点座標を生成するステップでは、
    前記基準面から前記三次元モデルデータまでの距離又は前記三次元モデルデータの厚みが判明している場合には、前記第1仮想直線を所定の有限長として前記基準面に近い側である前記三次元モデルデータの表側の交点だけを取得する、
    ことを特徴とする情報処理方法。
  5. 請求項に記載の情報処理方法であって、
    前記位置合わせを実行するステップは、
    前記三次元モデル点群データと前記三次元計測点群データとが最も近似する位置に位置合わせするステップを含む、
    ことを特徴とする情報処理方法。
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