JPS63182517A - ３次元座標計測装置 - 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３次元形状を有する物体の表面形状を計測する
３次元座標計測装置に関する。

従来の技術 近年、ロボット技術の進展や生産工程における自動検査
上の必要性から３次元形状を有する物体の認識技術の確
立が重要な課題となっている。この３次元物体認識にお
いては基礎的ステップとして、３次元形状を有する物体
表面各点の３次元座標を簡単かつ、速やかに計測する座
標計測装置が強く望まれている。特に部分的に微少変化
の伴う特徴線（キャラクタライン）の３次元座標計測に
に高精度が要求される。

このような背景から、従来の３次元座標測定装置は、第
６図に示す様に、被測定物６１に、プローブ駆動回路６
３に制御され、直接に測定用プローブ６２を接触・移動
させながら制御演算回路６４により座標測定を行なうも
のから、第７図に示す様な測定用プローブのかわりに、
光学装置駆動回路７２に制御された光学装置７１を使っ
て非接触で制御・演算回路７３により座標測定を行なう
光学式座標測定装置へと移りかわりつつある。

光学式座標測定装置としては、各種の測定方式を用いた
ものが提案されているが、三角測量法の原理を用いた光
学式座標測定装置が従来多く提案されて来ている。

この従来の三角測量法の原理を用いた光学式座標測定装
置のひとつは、第８図に示す様に、三角測量の基線の両
端を構成するポイントＡとポイントＢにそれぞれカメラ
８３とレーザ発振器８４を基準台８５に設けてあり、こ
れらの基準台８５自体の駆動、すなわちカメラ８３やレ
ーザ発振器８４の設置や移動の為の駆動装置９９、及び
駆動回路８６とカメラ８３からの画像信号を処理する画
像抽出及び演算回路８７と、演算結果格納用のメモ５　
ヘ一／ ９８８と全体の制御回路８９から構成されている。

計測時は、被計測点Ｃに向けてレーザ発振器８４から基
線９１（ポイントＡ−Ｂを結ぶ直線）に対し捩角θａで
レーザ光９３を照射し、被計測点Ｃからの散乱光９４を
カメラ８３でとらえ、画像抽出及び演算回路８７にて、
ポイントＡを原点とした座標系での散乱光９４のＹ軸９
５に対する傾き角θＯと仰角ψ０を計算し、これらの値
と基線９１の長さくＬとする）から被計測点Ｃの３次元
座標（Ｘ＋、Ｙ＋　、Ｚ＋）を求める。（なお、座標系
のＸ軸９８は基線９１と一致している。）そして画像抽
出及び演算回路８７内での計算は次の３式に基づいて行
なわれる。

１回の計測が終了すると、制御回路８９により次の計測
点に向けてレーザ光の照射向きを変更す６　ヘーノ るか、基準台８５全体の位置を移動して、繰り返し計測
を実行していく。

また、光学式座標測定装置の他の従来例としては、ポイ
ントＢでのレーザ発振器８４のかわりにポインｈ　Ａの
カメラ８３と同じものを設置して２台のカメラで被測定
点の光点をとらえる機構のものや、ポイントＢに反射鏡
を設置して、反射鏡に向けてレーザ発振器８４を基準台
の他の場所へ設置した機構のものもあるが、動作原理は
上述したものと同様である。

発明が解決しようとする問題点 しかし、以上の様な従来の光学式３次元座標計測装置で
は、計測を連続的に実行していく際、被計測物の表面形
状変位が大きくて被計測点が基線から遠く離れた場合や
接近してきた場合、計測するパラメータ（θａ、θ０、
ψａ）の値の変化率が小さくなってくる為、レーザ光の
微細捩角の制御やカメラにおける画像移動の分解能の限
界から、計測値の精度が低下してきてしまう。

また、被計測点の遠近に寄らず計測値の精度を７１・　
・ 許容範囲内におさえるために、基準台全体を含めた測定
系の全体移動を行なっても、移動可能範囲にも限りがあ
り測定系に含まれるカメラを原点とした座標系も動いて
しまうことになり、測定値の座標変換作業が必要となり
、また移動に伴い移動時間も余分にかかり座標系設定誤
差も含まれてきてしまうという問題がある。

本発明は、これらの従来の問題点に鑑み、連続計測時の
測定可能範囲を広げられ、かつ精度を保ちつつ測定の時
間的効率も上げることができる３次元座標測定装置を提
供するものである。

問題点を解決するための手段 本発明は、基線の両端を構成する基準物と、前記基準物
を設置する基準台と、前記基準台を移動せしめる駆動手
段及び駆動制御回路と、被計測点と前記基準物とを結ぶ
直線と前記基線との交角及び前記基準物間の距離をパラ
メータとして前記被計測点の３次元座標値を算出する演
算回路と、前記演算回路により算出された前記被計測点
の３次元座標値と前記演算回路内に設定されている許容
計測誤差の範囲を示す計測範囲値とを比較する比較回路
と、前記比較回路からの正／負制御信号により前記基準
物間の距離を増減せしめる基線長変更手段とを設けたも
のである。

作　　　用 本発明は上記構成により、前記比較回路で前記被計測点
の３次元座標値が前記計測範囲値より大きい場合は、前
記比較回路からの正制御信号により前記基線変更手段が
駆動し前記基準物間の距離を長くし、前記被計測点の３
次元座標値が前記計測範囲値より小さい場合は、前記比
較回路からの負制御信号により前記基線変更手段が駆動
し前記基準物間の距離を短かくして３次元座標値を計測
することにより、上記目的を達成するものである。

実施例 以下図面を参照しつつ、本発明の一実施例を説明する。

第１図は本発明の第１の実施例における３次元座標計測
装置の概念を示すものである。

第１図において、三角測量の基線の両端を構成９　へ−
／ するポイントＡとポイントＤにそれぞれカメラ１３とレ
ーザ発振器１４を分割された基準台１５に設けてあり、
これらの基準台１６自体の駆動、すなわちカメラ１３や
レーザ発振器１４の設置や移動の為の駆動装置１６、及
び駆動回路１７とカメラ１３からの画像信号を処理する
画像抽出及び演算回路１８と、演算回路１８で算出され
た被測定点Ｐの３次元座標値と演算回路１日内に予め設
定されている許容計測誤差の範囲を示す計測範囲値とを
比較する比較回路２０と、その比較回路２０からの正も
しくは負制御信号によりカメラ１３とレーザ発振器１４
の間の距離をネジ機構により増減せしめる基線長変更装
置２１を有している。また、演算回路１８で算出された
座標値はメモリ２２に格納され、各回路及びメモリ２２
は制御回路２３により制御され連続測定を行なう。なお
、座標系の原点はポイントＡ１１で、Ｘ軸は基線２４（
ポイントＡ−Ｄを結ぶ直線）と一致している。

上記構成において、計測時は、被計測点Ｐに向けてレー
ザ発振器１４から基線２４に対し捩角θａ１０’・　／ でレーザ光２６を照射し、被計測点Ｐからの散乱光２７
をカメラ１３でとらえ、画像抽出及び演算回路１８で、
ポインｌ−Ａを原点とした座標系での散乱光２７のＹ軸
２８に対する傾き角θ０と仰角ψ０を計算し、これらの
値と基線２４の長さく　ＬＯとする）から被計測点Ｐの
３次元座標値（Ｘｐ、Ｙｐ、Ｚｐ）を求める。

ただし、θａはレーザ駆動装置１６の方向制御量から、
θ０及びψ０はカメラ１３でとらえた散乱光２７のカメ
ラスクリーン上の位置から計算される。

演算回路１８内での計算は次の３式に基づいて行なわれ
る。

算出された３次元座標値（Ｘｐ、　Ｙｐ、　Ｚｐ）は比
較回路２０へ送られ、比較回路２０内に予め設定されて
いる計測範囲値と比較される。計測範囲１１　ヘ一／ 値は、計測時の装置の設定条件（基線の長さや各装置の
分解能等）から決定される値であって、被計測点Ｐまで
の距離により測定精度もかわるため、計測値に含まれて
くる誤差が許容できる範囲内に納まるような被計測点Ｐ
までの距離の範囲を示したものである。この場合、３次
元座標値のうちｙｐＯ値と計測範囲値とが比較され、ｙ
ｐＯ方が大きかった場合は比較回路２０から基線長変更
装置２１に正制御信号が伝わり、基線長変更装置２１内
のネジ機構により基線２４を構成するカメラ１３とレー
ザ発振器１４との間の距離が長くなり、新たな基線長を
用いて同様な計測を再度行なう。またｙｐＯ方が計測範
囲値より小さかった場合は、比較回路２ｏから基線長変
更装置２１に負制御信号が伝わり、基線長変更装置２１
内のネジ機構が逆回転することにより、カメラ１３とレ
ーザ発振器１４との間の距離が短くなり、再度計測を行
なう。また基線長の増減量はｙｐと計測範囲値の差に比
例して比較回路２０内で設定され、基線長は比較回路２
ｏ及び制御回路２３で管理され、画像抽出及び演算回路
１８内の座標計算回路のＴＪＯの値へフィート・・ツク
される。なお、ｙｐＯ値が計測範囲値内にあれば比較回
路２ｏからの基線長変更装置２１への制御信号は出ない
。

被計測点Ｐの計測が終了すると、制御回路２３により次
の計測点に向けてレーザ光の照射向きをレーザ駆動装置
１６によって変更するか、基準台１５全体の位置を移動
して連続計測を実行していく。

ここで、装置設定時の具体的数値及び実験値を示す。初
期設定時は、基線長（カメラ１３とレーザ発振器１４の
間の距離）を５８０　ｍｍ、レーザ振角θａを６ｏ度と
した。この時の奥行き測定距離ｙｐは５０２ｍｍであっ
た。また計測範囲値は（３０闘〜６０Ｃ）ｍｍ）に設定
しである。従って、この時はｙｐの値は計測範囲値内に
あるため、比較回路２ｏから基線長変更装置２１への制
御信号は出なく、基線長は変更されず、そのまま連続測
定を行ない、被計測点の奥行方向の微小変位△Ｙを５ｍ
ｍ〜２０ｍｍまで変化させて３次元座標測定を行なった
。

１３　へ−ノ 次に基線長はｓｓｏｍｍそのままで、レーザ捩角θａを
８１７度にしたところ、奥行測定距離Ｙｐは２０００＋
＋１ｍであった。従って、この時はｙｐＯ値が計測範囲
値を越えているため、比較回路２０から基線長変更装置
２１へ正制御信号が送られ、基線長変更装置２１内のネ
ジ機構により基線長は２９０ｍｍ長くされ、カメラ１３
とレーザ発振器１４間の距離は８７０ｍｍに変更された
。その後再びレーザ捩角θａが再設定され７３．８度と
なり、被計測点にレーザが照射され連続測定が行なわれ
、被計測点の奥行方向の微小変位△Ｙを６ｍｍ〜２０Ｍ
ｍまで変化させて３次元座標測定を行なった。

表はこの測定結果をまとめたものである。奥行方向測定
距離ｙｐが計測範囲値内の時は、基線長は６８０關のま
まで、基線長を５８０　ｍｍに設定した従来例の装置に
よる測定結果と同精度で奥行方向微小変位△Ｙによるレ
ーザ散乱光のＹ軸に対する微小傾き角度△θ０を検出し
ている。ところが、ｙｐが２０００ｍｍとなって計測範
囲外になってしまうと、微小傾き角度へ００の検出精度
は従来例（基１４　ヘー。

線長が５８０ｍｍのまま固定）に比べ本実施例の方が約
１．９倍良く、それだけ３次元座標値の計算に誤差が含
まれにくくなり、測定精度を保ちつつより広範囲な連続
測定が行なえるようになる。

以下余白 １６　バー。

以上の様に本実施例においては、連続測定中、奥行き方
向測定距離が大きく変化しても、精度を低下させること
なく連続測定を続行することができ、また装置全体の移
動も少なくて済むため、より広範囲な連続測定を時間的
にも効率良く行なうことができる。

第２図は、本発明の第２の実施例を示すものである。第
２図に示す構成は、第１図に示した本発明の第１の実施
例におけるポイントＤに設置しであるレーザ発振器をポ
イントＡに設置しであるカメラ１３と同じものにとりか
えたもので、ポイントＡ及びＤ、即ち基線２４０両端に
カメラ１３を設置しである。この場合は、本発明の第１
の実施例と異なり、被計測点Ｐからの光２７を２つのカ
メラ１３でとらえ、パラメータθａ、θ０及びψ０をカ
メラ画像の位置より算出するため、両カメラ１３からの
画像信号が画像抽出及び演算回路１８に入力されている
。これら以外は本発明の第１の実施例と同じ構成及び作
用であるため、同一番号を付して構成の説明を省略する
。

１７　ヘーノ 以上の構成によれば、基線の両端をカメラ１３で構成し
ても、座標計算のパラメータとなる各角度を計測するこ
とができ、本発明の第１の実施例と同様の効果が得られ
る。

第３図は、本発明の第３の実施例を示すものである。第
３図の構成は、第１図に示した本発明の第１の実施例に
おけるネジ機構のついた基線長変更装置２１のかわりに
、４つの基準物、即ち１つのカメラ１３と３つのレーザ
発振器１４ａ〜１４Ｃと比較回路２ｏからの制御信号を
入力とする選定回路３１により基線長変更装置を構成し
ており、それら以外は本発明の第１の実施例と同じ構成
であるため、同一番号を付して構成の説明を省略する。

本実施例においては、基線２４の上に、基準物として、
座標系の原点となるポイントＡにカメラ１３、ポイント
Ｅに第１のレーザ発振器１４ａ、ポイントＦに第２のレ
ーザ発振器１４ｂ、ポイントＧに第３のレーザ発振器１
４ｃを設置してあり、それぞれポイントＡからの設置距
離は、ポイントＧま１８　ヘー。

でが２９０玉、ポイントＦまでが５８０ｍｍ、ポイント
Ｅまでが８７０闘である。測定に際しカメラ１３と対を
なして基線２４を構成するレーザ発振器を３つから選択
する回路が選定回路３１である。この選定回路３１の動
作は、最初第２のレーザ発振器１４ｂが選択されている
とすると、比較回路２０からの制御信号が正であった場
合は、第２のレーザ発振器１４ｂのかわりに第１のレー
ザ発振器１４ａを選択し、また比較回路２ｏからの制御
信号が負であった場合は、第３のレーザ発振器１４ｃを
選択し、制御信号がなければ、そのままの状態を保持す
る。

以上の構成により、計測距離に応じて、測定精度が低下
しないように適切な基線長を選択することができる。こ
れら以外は１本発明の第１の実施例と同じ構成において
同様の作用により３次元座標計測が連続的に行なわれる
。

以上の様に本実施例によれば、本発明の第１の実施例で
示した効果と同様の効果が得られる。なお１選定回路３
１への制御信号が正でかつ基線長１９　　ｔ＝、−。

が最大となるレーザ発振器が既に選択されていたり、逆
に制御信号が負でかつ基線長が最小となるレーザ発振器
が既に選択されていた場合は、そのままの選択を保持し
、それ以外の場合は、制御信号の正／負により順次レー
ザ発振器を選択していく。

また、本実施例においては選択回路３１により選択でき
るレーザ発振器の台数は３つであったが、より細かくも
しくはより広く計測距離に応じるために更に台数を増や
してもよい。また、逆に２台であってもよく、基準物と
してはカメラ１台、レーザ発振器２台の最低でも３つあ
れば良い。

更に、本実施例においては、基準物としてレーザ発振器
の数を増加させたが、第４図に示した様に、カメラ１３
を２台に増加させ、選定回路３１により基線２４の両端
を構成する１対の基準物を選択する構成としても良く、
またカメラ及びレーザ発振器共に数を増やしても良く、
共に本実施例と同様な効果が得られる。

第５図は、本発明の第５の実施例を示すものである。第
５図に示す構成は、第３図に示した本発明の第３の実施
例において、レーザ発振器３台のかわりにミラー付ミラ
ースキャナ２台６１ａ〜５１ｂとレーザ発振器１４ひと
つを設置したもので、それら以外は第３の実施例と同じ
構成であるため、同一番号を付して構成の説明を省略す
る。

本実施例においては、基線２４の上に、座標系の原点と
なるポイントＡにカメラ１３、ポイントＴ−Ｉに第１の
ミラースキャナ５１ａ、ポイントＥに第２ｔＤミラー７
、キャナ５１ｂを設置してあり、レーザ発振器１４をポ
イントＩ−１に向けて基準台１６の上に設置しである。

ポイントＡからの設置距離は、ポインｌ−Ｈまでがｓａ
ｏｍｍ、ポイントＥまでが８７０ｍｍである。計測時に
比較回路２ｏ及び選定回路３１により基線長を５ＢＯｍ
ｍから８７０　ｍｍへ長くする場合は、ポイント■］の
第１のミラースキャナ５１ａの設定角度を変えて、レー
ザ光をポイントＥに向けて反射させ、被計測点へはポイ
ントＥの第２のミラースキャナ５１ｂからレーザ光を照
射する。

２１　へ−ン 以上の構成により、反射鏡の回転角度を変えるだけの簡
単な操作により基線長を変更することができる。

本実施例によれば、レーザ発振器のかわりにレーザを反
射させる反射鏡を用いても良く、反射鏡の回転角度を比
較回路２ｏ及び選定回路３１により選択・制御するだけ
で容易に本発明の第１の実施例と同様な効果が得られる
。

なお、本実施例で示した反射鏡（ミラースキャナ）の数
は２つであった力瓢光学装置の基本要素としての、カメ
ラ、反射鏡（ミラースキャナ）及びレーザ発振器を含む
基準物の数は、本発明の第３実施例と同様、少なくとも
３つあればよく、更に増えても良い。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、従来、連続計測の際は
システム内の計測装置を構成する要素は固定されてしま
っている為、計測値が許容誤差内に納まるための測定範
囲が固定されてしまっていて、測定範囲外では測定精度
が悪くなり被計測物２２へ一／゛ も表面座標の変位の大きい部分は連続では計測できない
という問題があったが、本発明により、被計測点までの
距離に応じて、測定精度を許容範囲内に保つように、基
線の長さを自動的に変化させることにより、連続計測時
の測定可能範囲を広げられ、かつ精度を保ちつつ測定の
時間的効率も上げることができ、その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における３次元座標計測
装置の構成図、第２図は本発明の第２の実施例における
３次元座標計測装置の構成図、第３図及び第４図は本発
明の第３、第４の実施例における３次元座標計測装置の
構成図、第５図は本発明の第５の実施例における３次元
座標計測装置の構成図、第６図は従来の接触式３次元座
標計測装置の構成図、第７図は従来の光学式３次元座標
計測装置の構成図、第８図は従来の三角測量の原理を用
いたレーザ光学式３次元座標計測装置の構成図である。 １３・・・カメラ、１４・・・レーザ発振器、１６・・
・基２３’−・ 準台、１７・・光学設置駆動回路、１８・・画像抽出及
び演算回路、２０・・・比較回路、２１・・・基線長変
更装置、２２・・メモリ、２３・・・制御回路、２４・
・・基線、３１・・選定回路、６トミラースキヤナ（反
射鏡）。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）基線の両端を構成する基準物と、前記基準物を設
   置する基準台と、前記基準台を３次元方向に移動せしめ
   る駆動装置及び駆動回路と、被計測点と前記基準物とを
   結ぶ直線と前記基線との交角及び前記基準物間の距離を
   パラメータとして前記被計測点の３次元座標値を算出す
   る演算回路と、前記演算回路により算出された前記被計
   測点の３次元座標値と前記演算回路内に設定されている
   許容計測誤差の範囲を示す計測範囲値とを比較する比較
   回路と、前記比較回路からの正もしくは負制御信号によ
   り前記基準物間の距離を増減せしめる基線長変更手段と
   を具備し、前記比較回路から前記基線長変更手段への入
   力が、前記被計測点の３次元座標値が前記計測範囲値よ
   り大きい場合は正制御信号、前記被計測点の３次元座標
   値が前記計測範囲値より小さい場合は負制御信号を与え
   、その正・負制御信号により前記距離を増減せしめる３
   次元座標計測装置。
2. （２）基線の両端を構成する基準物が、両端共２次元光
   位置検出器であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の３次元座標計測装置。
3. （３）基線の両端を構成する基準物が、一方は２次元光
   位置検出器で、他の一方は光源もしくは光の反射鏡であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の３次元
   座標計測装置。
4. （４）基準長変更装置が、分割された基準台と前記分割
   された基準台を連結する連結部から構成され、前記連結
   部が比較回路からの制御信号により連結方向へ伸縮する
   ネジ機構を具備していることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の３次元座標計測装置。
5. （５）基準長変更装置が、基線上もしくは前記基線の延
   長上に少なくとも３つの設置されている基準物と、前記
   基準物の中から基線の両端を構成する１対の前記基準物
   を選択する選定回路とから構成され、前記選定回路で比
   較回路からの信号により、基線長の長い１対の前記基準
   物を選定するかもしくは基線長の短い１対の前記基準物
   を選定することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の３次元座標計測装置。