JP7164451B2 - 三次元計測装置 - Google Patents
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Description
三次元計測装置1は、三次元ロボットビジョンシステムなどと呼ばれており、ばら積みされたワークWKや段積みされたワークWKの他、平積みされたワークWKの三次元形状を計測して三次元形状データを取得する装置である。この実施形態では、三次元計測装置1がロボットビジョンとして使用される場合について説明するが、これに限らず、三次元計測装置1は、それ単独で使用することもできるし、他の装置と組み合わせて使用することもできる。三次元計測装置1をロボットビジョンとして使用する場合には、計測対象物がワークWKや、ワークWKが収容された箱、ワークWKが載置された台やパレット等になる。
図3に示すように、センサ部2は、周期的な照度分布を有するパターン光を計測対象物に投影するための照明部PRJと、照明部PRJから投影されたパターン光の計測対象物からの反射光を受光してパターン画像を生成する撮像部CME1~4とを備えている。図3に示す例では、照明部PRJと撮像部CME1~4とが一体化されているが、この例に限らず、照明部PRJと撮像部CME1~4とを別体にして個別に設置可能にしてもよい。また、図3に示す例では、第1撮像部CME1、第2撮像部CME2、第3撮像部CME3及び第4撮像部CME4の4つの撮像部を備えている場合を示しているが、撮像部の数は特に限定されるものではない。また、照明部PRJについても2以上設けることができる。
センサ制御部20は、パターン画像生成部21と、位相画像生成部22と、高さ画像生成部23と、置換処理部24と、露光時間設定部25と、HDR設定部26とを備えている。センサ制御部20を構成するパターン画像生成部21、位相画像生成部22、高さ画像生成部23、置換処理部24、露光時間設定部25及びHDR設定部26のうち、任意の1つまたは2つ以上の部分をセンサ部2に組み込むこともできる。また、パターン画像生成部21、位相画像生成部22、高さ画像生成部23、置換処理部24、露光時間設定部25及びHDR設定部26のうち、任意の1つまたは2つ以上の部分をロボットコントローラ6に組み込むようにしてもよい。また、図2に示すように、センサ制御部20をロボット設定装置100に組み込むことができるが、ロボット設定装置100とは別体にしてロボット設定装置100の外部に設けることもできる。
パターン画像生成部21は、計測対象物に照明部PRJよりパターン光を投影し、パターン光が投影された計測対象物を第1露光時間で撮像した第1パターン画像と、第1露光時間よりも長い第2露光時間で撮像した第2パターン画像とを生成するように照明部PRJ及び撮像部CME1~4を制御するように構成されている。
位相画像生成部22は、パターン画像生成部21が生成した第2パターン画像に無効画素があるか否かを判定し、第2パターン画像に無効画素が無いと判定された場合には、第2パターン画像に基づいて計測対象物の表面の位相データを含む位相画像を生成する一方、第2パターン画像に無効画素があると判定された場合には、当該無効画素を第1パターン画像の対応する位置の画素に置き換える、もしくは切り替えてから計測対象物の表面の位相データを含む位相画像を生成するように構成されている。この処理を無効画素判定処理及び画素置き換え処理(切り替え処理)という。無効画素の判定については、位相の異なる複数のパターン画像のうち、1枚でも飽和する画素があった場合には、無効画素と判定するのが好ましい。飽和画素の影響を受けて、算出される位相値に精度悪化が生じるためである。尚、位相画像生成部22は、各画素の位相値を計算する部分であり、必ずしも目に見える形で位相画像を生成しなくてもよく、位相画像を生成可能な演算、もしくは各画素毎の位相値を算出する演算を行うことができればよい。
高さ画像生成部23は、位相画像生成部22で生成された位相画像に基づいて計測対象物の高さ情報を含む高さ画像を生成することができるように構成されている。例えば、高さ測定点の各明度値をパターン毎に撮像した画像から得て、各明度値よりパターン光の位相値を計算すると、測定点の高さに応じて、測定点に投影されたパターン光の位相が変化し、基準となる位置で反射されたパターン光により観察される位相とは異なった位相の光が観察されることになる。そこで、測定点におけるパターン光の位相を計算し、三角測量の原理を利用して、幾何関係式に代入することにより測定点の高さを計測し、これにより、計測対象物の三次元形状を計測することができる。高さ画像とは、画像を構成する各画素値に、高さの値が格納されている画像である。典型的には、高さを輝度値で表現した画像とすることができる。
無効画素が無くなるか、無効画素が少なくなり、よって、三次元計測結果の精度が高まる。つまり、飽和しない限り、振幅が大きければ大きいほど計測精度が高いという、位相シフト法の計測原理に基づいて高精度な三次元計測結果が得られるようになる。
パターン画像生成部21は、第1露光時間よりも長くかつ第2露光時間よりも短い第3露光時間で撮像した第3パターン画像を生成するように照明部PRJ及び撮像部CME1~4を制御するように構成することもできる。第1露光時間が最も短く、第2露光時間が最も長く、第3露光時間が中間の長さになる。第1露光時間と第2露光時間との差が所定以上の場合には、第3露光時間を設定することができる。
位相画像生成部22は、第2パターン画像に無効画素があると判定された場合には、当該無効画素を第3パターン画像の対応する位置の画素に置き換える、もしくは切り替えて計測対象物の表面の位相データを含む中間位相画像を生成するとともに、第3パターン画像に無効画素があるか否か判定し、第3パターン画像に無効画素があると判定された場合には、当該無効画素を第1パターン画像の対応する位置の画素に置き換える、もしくは切り替えて計測対象物の表面の位相データを含む第3位相画像を生成するように構成されている。この処理を無効画素判定処理及び画素置き換え処理という。
上述したように、高さ画像生成部23が、第2位相画像に無効画素があるか否かを判定しないように構成することもできる。この場合、第2位相画像に無効画素があってもそのまま高さ画像生成部23によって第2高さ画像が生成されることになる。つまり、第1位相画像及び第2位相画像のそれぞれに基づいて無効画素の有無に関係無く、計測対象物の高さ情報を含む第1高さ画像及び第2高さ画像が生成される。その際、第2位相画像に無効画素が含まれる画素については、第2高さ画像上で無効画素であることを識別可能な値で格納することが好ましい。例えば、高さ画像中の有効データを1以上の値と定義した上で、画素値0の画素を無効画素と判定するようにすることで、第2位相画像に無効画素が存在していたか否か、つまりは第2パターン画像に飽和画素が存在していたか否かを、第2高さ画像上で識別することが可能になる。実現方法はこの方法に限る必要はなく、例えば、無効画素と判定されたか否かをフラグ情報として保持する、フラグ画像を生成するようにしても良い。
高さ画像生成部23は、位相画像生成部22が生成した第3位相画像に基づいて計測対象物の高さ情報を含む第3高さ画像を生成するように構成することができる。
第1露光時間及び第2露光時間は使用者が任意の時間に設定することができるが、露光時間設定部25が自動設定することもできる。第3露光時間についても同様である。
第1露光時間及び第2露光時間は使用者が任意の時間に設定することができるが、露光時間設定部25が自動設定することもできる。第3露光時間についても同様である。
高さ画像の有効画素数に基づいて自動設定する場合は、まず、第1露光時間と第2露光時間との倍率を予め設定した倍率とし、倍率を固定化した状態で、露光時間を複数通りに変えて撮像部CME1~4で撮像を繰り返す。生成された第1パターン画像セットと第2パターン画像セットに基づいて上述した方法で合成した高さ画像を生成する。したがって、露光時間の異なる、(ただし、第1露光時間と第2露光時間の露光時間の比率は一定の条件で撮像した)複数の合成高さ画像が生成されることになる。
露光時間設定部25が、露光時間が徐々に長くなるように当該露光時間を複数通りに変化させて得られた第2パターン画像のそれぞれに基づいて生成された複数の第2高さ画像の有効画素数を累積した第1累積有効画素数を得て、第1累積有効画素数の増加度が所定以下となる露光時間を第2露光時間とするように、当該露光時間設定部25を構成することもできる。
露光時間を変えながら、位相が異なる複数のパターン光を投影して全位相シフトパターンの中で、1画素でも飽和状態が生じた「飽和画素数」をカウントし、この飽和画素数のグラフを元にして露光時間を決定する。すなわち、飽和画素数グラフを露光時間の短い側から見て行った時に、飽和画素数が増え始める直前の露光時間を、第1露光時間として決定する。上記で決定した「短い側の露光時間の高さ画像上で有効画素になっている画素」を除いた画像(マスクした画像)に対し、同様に露光時間を変えた時の飽和画素数のグラフを求める。この飽和画素数グラフに対し、露光時間の短い側から見て行った時に、飽和画素数が増え始める直前の露光時間を、第2露光時間として決定すればよい。これにより、第2露光時間は、第1露光時間では三次元計測できなかった範囲において、飽和しない範囲で最もコントラストが高くなる露光時間を決定できる。
撮像部CME1~4は、露光時間中に所定以上の強度の光を受光して飽和電位よりも低く設定された所定電位まで電荷が蓄積された場合に電荷の蓄積を所定時間停止可能な受光素子を備えている。図10の(A)は、撮像部CME1~4の受光素子の機能説明図である。図10の(A)において、破線で描いた直線Iは、露光時間中、画素が飽和しない程度の比較的弱い光が受光素子に入射した場合の蓄積電荷量の変化を示しており、このように弱い光が入射した場合、一般的な線形の感度曲線となる。
ロボット設定装置100は、センサ部2で得られたワークWKの三次元形状データに基づいて、三次元サーチ、干渉判定、把持解算出等を行う。このロボット設定装置100は、専用の画像処理プログラムをインストールした汎用のコンピュータや、専用に設計された画像処理コントローラ、専用のハードウェアで構成することができる。また、グラフィックボードなどのハードウェアを画像検査処理に特化させた専用のコンピュータに、画像処理プログラムをインストールした構成とすることもできる。
ロボットシステム1000は、作業空間に積み上げられた複数のワークWKをロボットRBTによって順次取り出すばら積みピッキング動作をシミュレーションするためのロボットシミュレーション装置200を備えている。ロボットシミュレーション装置200は、ロボット設定装置100の内部に設けることができる。画像処理装置300は、作業空間に積み上げられた複数のワークWKを把持して順次取り出すピッキング動作を行うロボットRBTの制御に用いられる装置である。
(サーチ処理部205)
サーチ処理部205は、上述したピッキング動作シミュレーションで使用されているが、実運用時でも使用することができる。サーチ処理部205をピッキング動作シミュレーションで使用したものとは別に構成することもできる。
(干渉判定部206)
干渉判定部31は、サーチ処理部205でサーチ処理に成功したサーチモデルに対応付けられたワーク表面に設定された把持候補位置をロボットRBTが周囲の物体と干渉することなく把持が可能か判定する。この干渉判定部206による判定手法は、ピッキング動作シミュレーションで行った手法と同じにすることができる。
(把持位置決定部207)
把持位置決定部207は、干渉判定部206により周囲の物体と干渉することなく把持が可能と判定された把持候補位置を実際の把持位置として決定するように構成されている。
次に、実運用時について説明する。図1に示すようにセンサ部2を用いて収納容器BXにばら積みされているワークWKを三次元計測する。図11は、収納容器BXに無作為に投入されたワークWK1、WK2を斜め上方から見た斜視図であり、本例では、説明を容易化するために、この図に示すように、水平な姿勢で収納されたワークWK1と、斜めに収納されたワークWK2とがある場合について説明する。
以上説明したように、この実施形態によれば、ワークWKを第1露光時間で撮像した第1パターン画像と、第1露光時間よりも長い第2露光時間で撮像した第2パターン画像とを生成し、露光時間が長い第2パターン画像、第2位相画像、第2高さ画像に無効画素がある場合には、第2パターン画像、第2位相画像、第2高さ画像の無効画素を第1パターン画像、第1位相画像、第1高さ画像の画素と置き換えることができる。これにより、例えば複雑な形状を有するワークWKや、様々な姿勢にある複数のワークWKを三次元計測する場合に、計測精度を高めることができる。
2 センサ部
21 パターン画像生成部
22 位相画像生成部
23 高さ画像生成部
24 置換処理部
25 露光時間設定部
26 HDR設定部
CME1~4 撮像部
PRJ 照明部
WK ワーク(計測対象物)
Claims (13)
- 計測対象物の三次元形状を計測する三次元計測装置において、
周期的な照度分布を有するパターン光を計測対象物に投影するための照明部と、
前記照明部から投影されたパターン光の計測対象物からの反射光を受光してパターン画像を生成する撮像部と、
計測対象物に前記照明部より前記パターン光を位相シフトさせて複数回投影し、前記パターン光が投影された計測対象物を第1露光時間で撮像した複数のパターン画像からなる第1パターン画像セットと、前記第1露光時間よりも長い第2露光時間で撮像した複数のパターン画像からなる第2パターン画像セットとを生成するように前記照明部及び前記撮像部を制御するパターン画像生成部と、
前記パターン画像生成部が生成した前記第2パターン画像セットを構成する各パターン画像の同一座標に位置する複数の画素のいずれかに無効画素があるか否かを判定し、無効画素が無いと判定された場合には、前記第2パターン画像セットを構成する各パターン画像の同一座標に位置する複数の画素値に基づいて、当該画素の計測対象物表面の高さを示す位相データを生成する一方、無効画素があると判定された場合には、前記第1パターン画像セットの同一座標に位置する複数の画素値に基づいて当該画素の位相データを生成する処理を、各画素について行うことにより位相画像を生成する位相画像生成部と、
前記位相画像生成部で生成した位相画像に基づいて計測対象物の高さ情報を含む高さ画像を生成する高さ画像生成部とを備えていることを特徴とする三次元計測装置。 - 請求項1に記載の三次元計測装置において、
前記パターン画像生成部は、前記第1露光時間よりも長くかつ前記第2露光時間よりも短い第3露光時間で撮像した第3パターン画像セットを生成するように前記照明部及び前記撮像部を制御し、
前記位相画像生成部は、前記第2パターン画像セットを構成する各パターン画像の同一座標に位置する複数の画素のいずれかに無効画素があると判定された場合には、当該無効画素を前記第3パターン画像セットを構成するパターン画像の対応する位置の画素に置き換える、もしくは切り替えて計測対象物の表面の位相データを含む中間位相画像を生成するとともに、前記第3パターン画像セットを構成する各パターン画像の同一座標に位置する複数の画素のいずれかに無効画素があるか否か判定し、前記第3パターン画像セットを構成するパターン画像に無効画素があると判定された場合には、当該無効画素を前記第1パターン画像セットを構成するパターン画像の対応する位置の画素に置き換える、もしくは切り替えて計測対象物の表面の位相データを含む第3位相画像を生成するように構成され、
前記高さ画像生成部は、前記位相画像生成部で生成した第3位相画像に基づいて計測対象物の高さ情報を含む高さ画像を生成するように構成されていることを特徴とする三次元計測装置。 - 計測対象物の三次元形状を計測する三次元計測装置において、
周期的な照度分布を有するパターン光を計測対象物に投影するための照明部と、
前記照明部から投影されたパターン光の計測対象物からの反射光を受光してパターン画像を生成する撮像部と、
計測対象物に前記照明部より前記パターン光を位相シフトさせて複数回投影し、前記パターン光が投影された計測対象物を第1露光時間で撮像した複数のパターン画像からなる第1パターン画像セットと、前記第1露光時間よりも長い第2露光時間で撮像した複数のパターン画像からなる第2パターン画像セットとを生成するように前記照明部及び前記撮像部を制御するパターン画像生成部と、
前記パターン画像生成部が生成した前記第1パターン画像セット及び前記第2パターン画像セットのそれぞれに基づいて計測対象物の表面の位相データを含む第1位相画像及び第2位相画像を生成する位相画像生成部と、
前記第2位相画像に無効画素があるか否かを判定し、前記第2位相画像に無効画素が無いと判定された場合には、前記第2位相画像に基づいて計測対象物の高さ情報を含む高さ画像を生成する一方、前記第2位相画像に無効画素があると判定された場合には、当該無効画素を前記第1位相画像の対応する位置の画素に置き換える、もしくは切り替えて計測対象物の高さ情報を含む高さ画像を生成する高さ画像生成部とを備えていることを特徴とする三次元計測装置。 - 請求項3に記載の三次元計測装置において、
前記パターン画像生成部は、前記第1露光時間よりも長くかつ前記第2露光時間よりも短い第3露光時間で撮像した第3パターン画像セットを生成するように前記照明部及び前記撮像部を制御し、
前記位相画像生成部は、前記パターン画像生成部が生成した前記第3パターン画像セットに基づいて計測対象物の表面の位相データを含む第3位相画像を生成するように構成され、
前記高さ画像生成部は、前記第2位相画像に無効画素があると判定された場合には、当該無効画素を前記第3位相画像の対応する位置の画素に置き換える、もしくは切り替えて中間高さ画像を生成するとともに、前記第3位相画像に無効画素があるか否か判定し、前記第3位相画像に無効画素があると判定された場合には、当該無効画素を前記第1位相画像の対応する位置の画素に置き換える、もしくは切り替えて高さ画像を生成するように構成されていることを特徴とする三次元計測装置。 - 計測対象物の三次元形状を計測する三次元計測装置において、
周期的な照度分布を有するパターン光を計測対象物に投影するための照明部と、
前記照明部から投影されたパターン光の計測対象物からの反射光を受光してパターン画像を生成する撮像部と、
計測対象物に前記照明部より前記パターン光を位相シフトさせて複数回投影し、前記パターン光が投影された計測対象物を第1露光時間で撮像した複数のパターン画像からなる第1パターン画像セットと、前記第1露光時間よりも長い第2露光時間で撮像した複数のパターン画像からなる第2パターン画像セットとを生成するように前記照明部及び前記撮像部を制御するパターン画像生成部と、
前記パターン画像生成部が生成した前記第1パターン画像セット及び前記第2パターン画像セットのそれぞれに基づいて計測対象物の表面の位相データを含む第1位相画像及び第2位相画像を生成する位相画像生成部と、
前記第1位相画像及び前記第2位相画像のそれぞれに基づいて計測対象物の高さ情報を含む第1高さ画像及び第2高さ画像を生成する高さ画像生成部と、
前記第2高さ画像に無効画素があるか否かを判定し、前記第2高さ画像に無効画素があると判定された場合には、当該無効画素を前記第1高さ画像の対応する位置の画素に置き換えて置換処理後高さ画像を生成する置換処理部とを備えていることを特徴とする三次元計測装置。 - 請求項5に記載の三次元計測装置において、
前記パターン画像生成部は、前記第1露光時間よりも長くかつ前記第2露光時間よりも短い第3露光時間で撮像した第3パターン画像セットを生成するように前記照明部及び前記撮像部を制御し、
前記位相画像生成部は、前記パターン画像生成部が生成した前記第3パターン画像セットを構成する各パターン画像の同一座標に位置する複数の画素のいずれかに基づいて計測対象物の表面の位相データを含む第3位相画像を生成するように構成され、
前記高さ画像生成部は、前記第3位相画像に基づいて計測対象物の高さ情報を含む第3高さ画像を生成するように構成され、
前記置換処理部は、前記第2高さ画像に無効画素があると判定された場合には、当該無効画素を前記第3高さ画像の対応する位置の画素に置き換えた中間高さ画像を生成するとともに、前記中間高さ画像に無効画素があるか否か判定し、前記中間高さ画像に無効画素があると判定された場合には、当該無効画素を前記第1高さ画像の対応する位置の画素に置き換えた置換処理後高さ画像を生成するように構成されていることを特徴とする三次元計測装置。 - 請求項1から6のいずれか1つに記載の三次元計測装置において、
前記パターン画像の中で一定の輝度値以上の値を有する画素を前記無効画素とするように構成されており、位相画像、または高さ画像、あるいはその両方において、無効画素であることを識別可能に構成されていることを特徴とする三次元計測装置。 - 請求項1から7のいずれか1つに記載の三次元計測装置において、
露光時間を複数通りに変化させて得られた複数の第1パターン画像セットと第2パターン画像セットのそれぞれに基づいて生成された複数の前記高さ画像の有効画素数を取得し、有効画素数が所定以上の露光時間を前記第1露光時間とするように構成されていることを特徴とする三次元計測装置。 - 請求項1から8のいずれか1つに記載の三次元計測装置において、
露光時間を複数通りに変化させて得られた複数の第1パターン画像セットと第2パターン画像セットのそれぞれに基づいて生成された複数の前記高さ画像の有効画素数を取得し、有効画素数が所定以上の露光時間を前記第2露光時間とするように構成されていることを特徴とする三次元計測装置。 - 請求項1から9のいずれか1つに記載の三次元計測装置において、
露光時間が徐々に長くなるように当該露光時間を複数通りに変化させて得られた第2パターン画像のそれぞれに基づいて生成された複数の前記高さ画像の有効画素数を累積した第1累積有効画素数を得て、第1累積有効画素数の増加度が所定以下となる露光時間を前記第2露光時間とするように構成されていることを特徴とする三次元計測装置。 - 請求項10に記載の三次元計測装置において、
第1累積有効画素数が最大となる露光時間から所定の時間だけ短くした時間を前記第2露光時間とするように構成されていることを特徴とする三次元計測装置。 - 請求項1から11のいずれか1つに記載の三次元計測装置において、
露光時間が徐々に長くなるように当該露光時間を複数通りに変化させて得られた複数の第1パターン画像のそれぞれについて飽和画素数を得て、飽和画素数が増え始める直前の露光時間を前記第1露光時間とするように構成されていることを特徴とする三次元計測装置。 - 請求項1から12のいずれか1つに記載の三次元計測装置において、
前記撮像部は、露光時間中に所定以上の強度の光を受光して飽和電位よりも低く設定された所定電位まで電荷が蓄積された場合に電荷の蓄積を所定時間停止可能な受光素子を備えていることを特徴とする三次元計測装置。
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