JPH03186706A - ３次元形状寸法計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は対象物の特定領域における３次元形状寸法を計
測する、例えば対象物表面形状を近似された関数により
、また抽出された特徴点の相対位置により曲線形状或い
は段差や隙間の少なくともいずれかを計測する３次元形
状寸法計測装置に関する。

〔従来技術〕

従来、対象物の段差を検出するものとして、赤外線レー
ザーによるスリット光を車体のルーフ部とスライディン
グルーフ部とにまたがって照射するレーザスリット光照
射手段と、上記レーザスリット光の照射部分を撮像する
視覚センサと、この視覚センサからレーザスリット光の
照射部分の画像を取り込んで２値化し、この２値化され
た画像におけるレーザスリット光に対応した線のズレ量
の検出に基づいてルーフ部とスライディングルーフ部と
の間の段差を検出する画像処理手段とから成る自動車の
スライディングルーフ段差検出装置がある（特開昭６３
−６１１０７号）。

しかしながら、従来装置は２値化された画像におけるレ
ーザスリット光に対応した線のズレ量を検出して段差を
測定するため検出精度が十分でない実用上解決すべき問
題点を有する。

また、従来、生産工程においては、自動車ボディの段差
や隙間などの寸法計測は、ノギスや隙間ゲージを用いた
人手による計測が行われている。

しかしながら前者は作業者によるバラツキや同一作業者
でもコンデイションによるバラツキがあり、計測の信頼
性に欠け、実用上解決すべき問題がある。そして、対象
物の形状の曲線近似を行うためには、対象物表面の３次
元座標値が必要である。

従来の接触式やスポット光式の３次元座標測定では、対
象物の表面形状の正確な曲線近似をするためには、多く
の点数を測定しなくてはならないため、時間がかかると
いう欠点があった。また、スリット光を用いた平面画像
処理を用いる方法でも、画面上のスリット光の位置（ｉ
、Ｄが得られるだけでは、対象物の３次元座標が得られ
ないため、対象物の表面形状の曲線形状を行うことはで
きない。

〔発明の目的〕

本発明では、スリット光を用いて高速・高精度に対象物
表面の３次元座標を検出できる座標演算部としての３次
元視覚センサを用いて対象物表面の３次元座標を高速・
高精度に、かつ多数点を１度に測定し、その３次元座標
を用いて、対象物の形状を高速・高精度な曲線近似を行
なえるようにした。

本発明の目的は、上記従来の問題点を解消し、対象物の
隙間・段差（または、高さと幅）の少なくとも一方の簡
便・高速・高信頼性計測、例えば、自動車ボディの建付
は寸法、自動車部品とチェッキングフィクスチュア（基
準座標を与えるもの）との隙間・段差を計測することが
でき、またパネルや型を構成する曲線の簡便・高速・高
信頼性を計測することができる３次元形状寸法計測装置
を提供することにある。

〔第１発明の説明〕 本第１発明の３次元形状寸法計測装置は、少なくとも高
さ方向に形状変化を有する対象物と対向し、該対象物表
面に向けて一定角度でスリット光源より投射されたスリ
ット光により前記対象物表面上に生じた光切断線をＴＶ
カメラにより撮像する撮像部と、特定領域における前記
形状変化を前記ＴＶカメラからの光切断線像の各走査線
に対応する強度分布の重心位置に基づく三角測量により
検出された対象物表面の隣合う走査線に対応する３次元
座標より、前記対象物の表面形状値の変化に対応する関
数で近似する表面形状近似部と、からなり、対象物の特
定領域における表面形状を近似された関数で表現するこ
とにより計測する構成である。

上記構成からなる第１発明の３次元形状寸法計測装置は
、少なくとも高さ方向に形状変化を有する対象物表面に
投射し、テレビカメラで撮像しててえられるスリット光
像をもとに、座標演算部において、対象物表面の３次元
座標を検出し、得られた３次元座標から、表面形状近似
部において、対象物表面の形状に対応する関数を近似す
ることで対象物表面形状を測定する。

具体的には、座標演算部４では、対象物に投射され、テ
レビカメラで撮像して得られた光切断線画像において、
各走査線ごとに、スリット光の中心位置を、その反射信
号強度の重心を求めることで精度よく検出し、得られた
スリット光の中心位置と、テレビカメラ２及びスリット
光源１の位置から三角測量の原理により、３次元座標（
Ｙ、Ｚ）を検出する。なお、本実施例では投射されるス
リット光のスリット方向とＴＶカメラの走査方向とは空
間的に直角方向に設定されている。

ここで、例えば、Ｙ方向に３０ｍｍの範囲を５００本の
走査線のテレビカメラ２で撮像する場合の、Ｙ方向のデ
ータのピッチは、約０．０６　ｍｍとなり、Ｙ、Ｚの３
次元座標は１本の光切断線で同時に５００点得６れる。

次に、表面形状近似部では、座標演算部により得られた
３次元座標値から曲線近似を行う領域を抽出し、その領
域内のサンプル点の３次元座標値から最小二乗法により
多項式近似等により、対象物表面の形状を測定する。例
えば、自動車のボディパネルの曲線形状を測定する場合
には、スリット光を投射して座標演算部より得られる対
象物表面の３次元座標値において、隣接する走査線に対
応するＺ座標の差分や差分の差分を計算することで、曲
率の変化点を検出し、この点から曲線近似を行う領域を
抽出する。さらに、その領域内の適当な個数のサンプル
点の３次元座標値から最小二乗法により円近似を行い、
パネルの特定の領域の形状を測定する。

この対象物表面の曲線形状を高速・高精度に測定するた
めには、曲線近似を行う領域の抽出および、曲線近似を
行う時に、対象物表面の３次元座標値が高速・高精度に
、かつ多数点測定しであることが必要である。

従って、第１発明では、光切断線に沿った対象物表面の
３次元座標が高速・高精度に多数点を１度に測定できる
３次元視覚センサを用いているため、対象物の段差・隙
間寸法および曲線形状の計測を高速・高精度に実現でき
る。すなわち、従来、接触式やスポット光式の３次元座
標測定機において、対象物の寸法を定義する端点の３次
元座標や曲線形状を精度よく求めるためには、センサ又
は対象物を複数回移動させて細かく測定しなければなら
ず、そのため、多大の時間がかかっていた。

また、スリット光を用いた平面画像処理を用いる方法で
も、画面上のスリット光の位置（ｉ、Ｄでは、３次元座
標でないために対象物の曲線形状を求めることはできな
い。しかし、この３次元視覚センサを用いた形状寸法計
測では、対象物をこの３次元視覚センサの測定範囲内に
位置決めするだけで、対象物表面の３次元座標が得られ
、高速・高精度に形状寸法が行なえる。

〔第２発明の説明〕 本第２発明の３次元形状寸法計測装置は、少なくとも高
さ方向に形状変化を有する対象物と対向し、該対象物表
面に向けて一定角度でスリット光源より投射されたスリ
ット光により前記対象物表面上に生じた光切断線をＴＶ
カメラにより撮像する撮像部と、前記ＴＶカメラからの
光切断線像の各走査線に対応した強度分布の重心位置に
基づく三角測量により検出された対象物表面の隣合う走
査線に対応した３次元座標値の高さ方向の変化率にもと
づき形状変化の始まる開始点を決定する開始点決定部と
、前記開始点によって特定される領域における前記形状
変化を前記検出された対象物表面の３次元座標値の変化
に対応する関数で近似する表面形状近似部と、前記近似
関数に基づき特定領域における対象物の有する形状変化
部を少なくとも１つの特徴点として抽出する特徴点抽出
部と、前記抽出された特徴点間の相対位置関係を計算す
ることにより、対象物の有する隙間および段差を算出す
る形状変化演算部、からなる。

上記構成からなる第２発明は前記第１発明と異なり、少
なくとも高さ方向に形状変化を有する対象物が有する隙
間および段差を検出する。すなわち、前記座標演算部に
おいて、対象物表面の３次元座標を検出し、得られた３
次元座標値から、開始点決定部において、座標演算部よ
り得られる、各走査線に対応した３次元座標値の高さ方
向の変化率に基つき形状変化の始まる開始点を決定する
。

さらに、表面形状近似部において、前記開始によって特
定される領域での前記形状変化を前記検出された対象物
表面の３次元座標値の変化に対応する関数で近似する。

さらに、特徴点抽出部において、前記近似関数に基づき
、前記特定領域における対象物の有する形状変化部を少
なくとも１つの特徴点として抽出する。さらに、形状変
化演算部において、前記抽出された特徴点間の相対位置
関係を計算することにより、対象物の有する隙間および
段差を算出する。

このような、高さ方向に形状変化を有する対象物の有す
る隙間、段差を高速・高精度に検出するためには、形状
変化の開始点決定部、表面形状の近似部において、対象
物表面の３次元座標が高速・高精度に多数点測定する必
要がある。

また形状変化のある端部は、鋭いエツジ部に比べ、反射
信号が得にくい等の原因で、寸法を定義する点を検出す
ることが難しく、単に端点を検出するだけでは、高精度
な寸法計測が難しい。第２発明では、高速・高精度にか
つ多数点の３次元座標を測定できる３次元視覚センサを
用い、かつ形状変化のある端部を曲線近似することで、
形状変化のある端部においても、寸法を高速・高精度に
測定できるという、実用上多大の作用効果を奏する。

〔その他の発明の説明〕 その他の発明は上記構成に加え寸法演算部回路で計算さ
れた寸法値について良否を判定する判定部を具備して成
る。さらには前記撮像部は、隙間・段差を形成している
向かい合った対象物のコーナ一部分の光切断線像が観測
できるように、それぞれ斜め方向（コーナ一部の法線方
向に、より近い方向）からスリット光を投射し、斜め方
向から反射光を検出するように配置されたことを特徴と
する構成とすることができる。

前記判定部では、予め与えられた良否基準と測定された
寸法を比較し、基準内に入っているか否かで良否を判断
し、その結果を出力する。判定部より出力される良否結
果から、自動車ボディの段差・隙間や、自動車ボディの
曲線形状が規格内であるかどうかを容易に判断できる。

斜め方向から、スリット光を投射し、斜め方向から反射
光を検出するように配置することで、コーナ一部の光切
断線が、このように配置しないときに比べ、特徴点検出
の精度が向上する。段差・隙間計測では、物理的な端ま
で測定値が得られるため端点と物理的な端がよく一致す
るようになる。また、曲線形状の計測では、特徴点近く
の三次元座標が多数点帯られるため曲線の近似計算のサ
ンプル点数が多くなり、近似精度が向上する。

〔第１実施例〕 第１実施例の３次元形状寸法計測装置は、自動車用ボデ
ィ組付は寸法計測システム例で第１図乃至第６図図示の
ように、３次元視覚センサはスリット光源ｌとテレビカ
メラ２から成る撮像部３と座標演算部４とから威る。該
座標演算部４は高精度の３次元座標を得るための重心計
算を行うスリット光中心検出回路５と、対象物６の表面
性状の影響を少なくするためのスリット光反射強度検出
回路７と、スリット光投射強度設定回路８及び座標ルッ
クアップテーブル９から構成されている。

そして、３次元視覚センサと寸法計測アルゴリズムを用
いた自動車用ボディ組付寸法計測システムは、３次元視
覚センサと該３次元視覚センサを位置決めするためのロ
ボットとロボットコントローラおよび３次元視覚センサ
から得られた３次元座標について寸法処理を行う特徴点
検出部１０と寸法演算部１１を有する。すなわち、特徴
点検出部１０が丸味部分開始点検出回路■２と、丸味部
分の近似曲線を検出する曲線近似回路１３と、曲線部分
の頂点を検出する頂点検出回路１４により構成されてい
る。

上記構成からなる第１実施例の３次元形状寸法計測装置
は、３次元視覚センサをロボットにより、計測位置に位
置決めしてスリット光源１よりスリット光りを対象物６
に向かって投射する。

座標演算部４では、対象物に投射され、テレビカメラで
撮像して得られた光切断線画像において、各走査線ごと
に、スリット光の中心位置を、その反射信号強度の重心
を求めることで精度よく検出し、得られたスリット光の
中心位置と、テレビカメラ及びスリット光源の位置から
三角測量の原理により、３次元座標（Ｙ、Ｚ）を検出す
る。なお、本実施例では投射されるスリット光のスリッ
ト方向とＴＶカメラの走査方向とは空間的に直角方向に
設定されている。

ここで、例えばＹ方向に３０ｍｍの範囲を５００本の走
査線のテレビカメラで撮像する場合のＹ方向のデータピ
ッチは、約０．０６　ｍｍとなり、Ｙ、　Ｚの３次元座
標は、５００点得６れる。

特徴点検出部ＩＯでは、丸味部分開始点を検出し、検出
された丸味部分におけるサンプル点の３次元座標から、
例えば、最小二乗法による円近似を行うことで、円の中
心と半径を計算する。さらに、丸味部分開始点のＹ座標
に、求めた半径を加えることで頂点を求める。なお、対
象物形状に応じて近似された円の中心座標にＹ方向に円
の半径を加えて頂点としてもよい。これをドア部、フェ
ンダ部ともに、同様の計算を行って、ドア部、フェンダ
部各々の頂点を検出する。寸法演算部１１では、この頂
点の距離を求めることで隙間を計算する。

次に、このＺ座標において、隣接するＺ座標の差分を計
算し、その差分がしきい値を超えた点を、特徴点とする
ことで、検出できる。

しきい値はノイズ成分を除去するために対象物形状に応
じて決められるものであり、例えば、本第１実施例の様
に隙間部に反射光信号が存在しない場合は、それに対応
するＺ座標が上述の如くフラグ値であるので前記隙間端
部における差分値は、本質的に非常に大きくなるので、
比較的大きく設定できる。

また、対象物が、底部を有する凹所形状の場合、その隙
間部に相当する底部から反射光信号が存在すると、各Ｚ
座標の差分値は、上述の測定値の範囲に収まるがノイズ
を考慮した比較的小さいしきい値を設定することにより
、同様に特徴点が検出できる。

次に寸法演算部１１では、検出された特徴点の３次元座
標において、Ｙ方向の引算を行うことで隙間を算出し、
Ｚ方向の引算を行うことで、段差を算出する。そして、
判定部１４は得られた寸法と、予め設定しである判定基
準とを比較して、組付は寸法すなわち隙間・段差寸法の
良否を判定する。

本第１実施例は対象物からの反射スリット光より得られ
る対象物の３次元座標に基づき、対象物の高さ情報（Ｚ
座標）の各位置での曲線近似を行っているので、少ない
演算量で正確な対象物のもつ形状の測定が得られ、簡便
・高速かつ高信頼性の計測が可能になるという利点を有
する。

第１実施例の装置は、従来の人手によるボディ組付は寸
法検査に比して高速かつ高精度な自動測定で行なえる実
用的効果を実奏する。

また、曲線近似では、円近似だけでなく、ｎ次多項式近
似を用いたり、頂点検出では、ｎ次多項式の変曲点を頂
点とすることでも、同様の作用効果を奏する。

〔第２実施例〕 第２実施例の装置は、第７図乃至第９図図示のように、
前記各実施例とは異なり、特徴点検出部４０が仮想折れ
曲がり点検出回路４１により構成されている。該仮想折
れ曲がり点検出回路４１は対象物における対向間距離と
しての隙間寸法を決定する特徴点として、複数の直線又
は曲線の交点を採用するもので、例えば対象物のコーナ
一部が２直線とこれらによって挟まれる円弧で形成され
る場合、これに関する折れ曲がり点を検出する構成であ
る。

上記構成からなる第２実施例の装置は、第９図図示のよ
うに、スリット光源１からのスリット光を測定対象物に
投射して得た３次元座標について平滑化を行った後、複
数の直線又は曲線に関する交点すなわち仮想折れ曲がり
点ｇを決定する。すなわち、仮想折れ曲がり点検出回路
では、座標演算部より得られたスリット光に沿った３次
元座標において、隣接するＺ座標の差分の差分がしきい
値を超える点にはさまれる領域を折れ曲がりの領域とし
て切り出す。この領域の前後において、２つ以上のサン
プル点を抽出し、それらのサンプル点から最小２乗法等
により多項式近似を行い、折れ曲がり領域をはさむ２本
の直線を求める。この２本の直線の交点を計算し、これ
を仮想折れ曲がり点とする。そして互いに対向する仮想
折れ曲がり点ｇの間隔距離を算出することにより対象物
における隙間・段差を測定することができる。

このように第２実施例の装置は前記第１実施例に比して
仮想折れ曲がり点検出回路４１を具備することにより、
測定すべき対象物において鋭いエツジをもたないコーナ
一部等についての隙間・段差寸法が高精度で効率良く計
測することができる。

〔第３実施例〕 第３実施例の装置は、第１０図乃至第１２図図示のよう
に、前記各実施例とは異なり、対象物の曲線形状を測定
するもので、特徴点検出部５０が計測したい曲線部分の
概略の位置を指示するウィンド回路５１と、ウィンド内
において計測したい曲線部分を示す曲線指定点の始点ｈ
１と終点ｈ２を検出する曲線指定点検出回路５２と、曲
線指定点ではさまれた曲線部分上において曲線の近似計
算のための任意の個数のサンプル点ｈ３を検出するサン
プル点検出回路５３とで構成されている。

ここで曲線指定点検出回路５２は対象物を構成している
曲線の性質にしたがい、変曲点や曲率の変化点などを検
出する回路で構成されている。寸法演算部１１は、特徴
点検出回路５０で検出されたサンプル点り、について最
小二乗法により多項式近似を行い、曲線の式を計算する
曲線近似回路３３で構成されている。

上記構成からなる第３実施例装置は、第１１図及び第１
２図図示のように、スリット光源位置からのスリット光
を測定対象物に投射して得られた３次元座標について平
滑化を行った後、曲線形状に関し曲線指定点としての始
点ｈ１および終点ｈ２間におけるサンプル点ｈ３として
の丸味部分開始点の検出と同じ点を決定する。このサン
プル点ｈ３は最小二乗法による多項式近似により近似曲
線を検出し互いに連続する多点を演算処理することによ
り対象物における曲線形状を自動的に測定することがで
きる。

〔第４実施例〕 第４実施例の装置は、第１３図及び第１４図図示のよう
に対象物の曲線形状を測定するものであるが、前記第３
実施例と異なり、特徴点検出部６０か座標演算回路４に
より演算された座標値を表示するグラフィランクデイス
プレィ６１と、計測したい曲線部分を示す曲線指定点を
指示するためのマウス６２と、曲線指定点ではさまれた
曲線部分上において曲線の近似計算のための任意の個数
のサンプル点を検出するサンプル点検出回路６３とによ
り構成されている。

上記構成からなる第４実施例装置は、第１４図図示のよ
うに、スリット光源ｌからのスリット光を測定対象物に
投射して得られた３次元座標について平滑化を行った後
、曲線形状に関し曲線指定点としての始点１１と終点ｉ
２間におけるサンプル点ｉ３としての変曲点や曲率の変
化点を決定する。このサンプル点ｉ３は最小二乗法によ
る多項式近似により近似曲線を検出し互いに連続する多
点を演算処理することにより対象物における曲線形状を
自動的に測定することができ、前記第３実施例に比して
対象物の形状が複雑で曲線部分の自動検出が難しい手動
の場合に有用である。

〔第１変形例〕 上記各実施例において、撮像部は、第１５図図示のよう
に、対象物における撮像部７０が隙間・段差を形成して
いる向かい合った対象物のコーナ一部分のそれぞれにつ
いて、斜め方向からスリット光を投射し、斜め方向から
反射光を検出するように配置された２対のスリット光源
７１，７２とテレビカメラ７３．７４とで構成すること
ができる。上記構成からなる第１変形例では対象物７５
のコーナ一部分７６が丸味を有する場合、当該丸味部分
にそれぞれスリット光を投射して光切断線を測定するこ
とにより、丸味部分の座標が多数点測定できるため物理
的な端まで測定データが得られ端点を精度良く検出する
。

その結果、隙間や段差の計測が高精度で効率良く実奏し
得て、たとえ物理的な端まで検出出来ない場合でも曲線
近似を行うときのサンプル点が増えるため、曲線の近似
精度が向上でき高精度に隙間等の計測ができる。

〔第２変形例〕 さらに、撮像部は、第１６図図示のように、対象物にお
ける撮像部８０が、隙間・段差を形成している向かい合
った対象物８１のコーナ一部分８２のそれぞれについて
、斜め方向からスリット光を投射し、斜め方向から反射
光を検出するように、１台のスポット光源８３と、スポ
ット光源８３からの光を分岐して導く投光用光ファイバ
８４と、光ファイバからの光をスリット光に変換して対
象物に投射するスリット光変換用レンズ８５と、反射光
を受光用光ファイバ８６に集光する集光レンズ８７と、
受光用光ファイバ８６に接続された１台のテレビカメラ
８８とで構成してもよい。

上記構成からなる第２変形例は前記第１変形例に比べ、
撮像部８０を小型・軽量に構成でき、１台のテレビカメ
ラ８８で向かいあった対象物８１のコーナ一部分８２の
光切断線を同時計測できるので、処理を高速化でき、安
価になる実用上多大な作用効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明の第１実施例の３次元形状寸
法測定装置をそれぞれ示すもので、第１図は第１実施例
装置のブロック図、第２図は測定対象物の要部を示す概
要図、第３図は第１実施例装置における具体的内容を示
すブロック線図、第４図は第１実施例装置における光切
断線像の線図、第５図はＴＶカメラから出力されるビデ
オ信号の説明図、第６図は第１実施例装置における計測
手順を示すフローチャート図、第７図乃至第９図は本発
明の第２実施例の装置をそれぞれ示すブロック線図、線
図及びフローチャート図、第１Ｏ図乃至第１２図は本発
明の第３実施例装置をそれぞれ示すブロック線図、線図
及びフローチャート図、第１３図及び第１４図は本発明
の第４実施例装置をそれぞれ示すブロック線図及び線図
、第１５図及び第１６図は本発明の第１及び第２変形例
をそれぞれ示す概要図である。 １・・・スリット光源、 ２・・・テレビカメラ、 ３・・・撮像部、 ４・・・座標演算部、 ５・・・検出回路、 ６・・・測定対象物、 ７・・・スリット光反射強度検出回路、８・・・スリッ
ト光反射強度設定回路、９・・・座標ルックアップテー
ブル、 １０・・・特徴点検出回路、 １１・・・寸法演算部、 １４・・・判定部 第４図 第７図 第８薗 第７３回

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも高さ方向に形状変化を有する対象物と
   対向し、該対象物表面に向けて一定角度でスリット光源
   より投射されたスリット光により前記対象物表面上に生
   じた光切断線をＴＶカメラにより撮像する撮像部と、 特定領域における前記形状変化を前記ＴＶカメラからの
   光切断線像の各走査線に対応する強度分布の重心位置に
   基づく三角測量により検出された対象物表面の隣合う走
   査線に対応する３次元座標より、前記対象物の表面形状
   値の変化に対応する関数で近似する表面形状近似部と、
   からなり、対象物の特定領域における表面形状を近似さ
   れた関数で表現することにより計測することを特徴とす
   る３次元形状寸法計測装置。
2. （２）少なくとも高さ方向に形状変化を有する対象物と
   対向し、該対象物表面に向けて一定角度でスリット光源
   より投射されたスリット光により前記対象物表面上に生
   じた光切断線をＴＶカメラにより撮像する撮像部と、 前記ＴＶカメラからの光切断線像の各走査線に対応した
   強度分布の重心位置に基づく三角測量により検出された
   対象物表面の隣合う走査線に対応した３次元座標値の高
   さ方向の変化率にもとづき形状変化の始まる開始点を決
   定する開始点決定部と、 前記開始点によって特定される領域における前記形状変
   化を前記検出された対象物表面の３次元座標値の変化に
   対応する関数で近似する表面形状近似部と、 前記近似関数に基づき特定領域における対象物の有する
   形状変化部を少なくとも１つの特徴点として抽出する特
   徴点抽出部と、 前記抽出された特徴点間の相対位置関係を計算すること
   により、対象物の有する隙間および段差を算出する形状
   変化演算部、からなることを特徴とする３次元形状寸法
   計測装置。