JP2001241928A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定ヘッドの位置や姿勢によらず、被測定物
の３次元形状を精度良く測定することができる形状測定
装置を提供することを目的とする。 【解決手段】 測定者によって自由に移動せしめられ、
被測定物１００を測定する測定ヘッド１０と、その測定
ヘッド１０の複数の面に配置されたマーカ１４〜１７
と、それらマーカ１４〜１７を所定の位置から撮像する
ステレオカメラ２１、２２と、測定ヘッド１０及びステ
レオカメラ２１、２２の出力に基づいて被測定物１００
の３次元形状を求める制御装置３０とを備えた形状測定
装置であって、測定ヘッド１０の姿勢に応じてマーカ１
４〜１７の中から測定に使用されるマーカが切り替えら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、使用者が測定ヘッ
ドを自由に動かして被測定物の３次元的形状を測定する
形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、スポット光またはスリット光
を被測定物に照射し、表面に観察される光像の位置から
形状を復元する能動ステレオ型の形状測定装置が知られ
ている。

【０００３】能動ステレオ型の形状測定装置として、ス
リット光を回転ミラーによって走査させるものがある。
このような走査メカニズムを備えた形状測定装置では、
測定器から観察される被測定物の表面の形状を測定する
ことができるが、被測定物全体の形状を測定することが
できない。

【０００４】これに対して、被測定物全体の形状を測定
するために、回転ステージを使用し、被測定物を３６０
度の全周囲から観察するようにした能動ステレオ型の形
状測定装置が開発されている。しかしながら、被測定物
が複雑な形状である場合には、回転ステージを用いても
観察できない領域が存在するため、被測定物全体の形状
を測定できない。

【０００５】そこで、測定者が測定ヘッドを把持し、被
測定物の周りで測定ヘッドを動かして測定を行うことに
より、複雑な形状の被測定物全体の形状を測定できる形
状測定装置が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この形
状測定装置においては、測定ヘッドの位置及び姿勢を測
定するために、測定ヘッド上面に配置されたマーカを、
上方から２台のカメラで撮影する必要があるため、測定
ヘッドの位置や姿勢によっては、そのマーカがカメラの
死角に入り、測定できない場合がある。

【０００７】そこで、本発明は、測定ヘッドの位置や姿
勢によらず、被測定物の３次元形状を精度良く測定する
ことができる形状測定装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の形状測定装置
は、測定者によって自由に移動せしめられ、被測定物を
測定する測定ヘッドと、その測定ヘッドに配置されたマ
ーカと、そのマーカを所定の位置から撮像する測定ヘッ
ド撮像手段と、測定ヘッド及び測定ヘッド撮像手段の出
力に基づいて被測定物の３次元形状を求める演算手段と
を備えた形状測定装置であって、マーカを測定ヘッドの
複数面に配置し、そのマーカの中から測定に使用するマ
ーカを切り替えるマーカ切替手段を備えていることを特
徴とする。

【０００９】このような構成において、測定ヘッドにて
測定された被測定物の座標は、測定ヘッド撮像手段にて
撮像されたマーカの座標に基づいて、予め定められた座
標軸上の座標に変換される。そして、この測定を、被測
定物の複数の個所で行うことにより、被測定物の３次元
形状が得られる。このとき、変換のために使用されるマ
ーカは、測定ヘッドの複数の面に設けられたマーカのう
ち、測定に適した位置、すなわち、測定ヘッド撮像手段
から撮像される位置にあるものが使用される。

【００１０】また、マーカ切替手段は、測定ヘッドの複
数面に配置されたマーカの中から面ごとに測定に使用す
るマーカを切り替えるものである。

【００１１】このような構成とすることにより、測定に
使用されるマーカは、測定ヘッドの面ごとに切り替えら
れる。

【００１２】また、測定ヘッドの傾きを検出する傾き検
出手段を備え、その傾き検出手段の検出結果に基づいて
マーカ切替手段が制御される。

【００１３】このような構成とすることにより、測定ヘ
ッドの傾きに応じて測定ヘッド撮像手段にて撮像される
マーカが自動的に求められ、得られたマーカが測定に使
用される。好ましくは、測定ヘッドの複数の面のうち、
測定ヘッド撮像手段に対して、最も垂直に近い面に配置
されたマーカを測定に使用すればよく、たとえば、測定
ヘッド撮像手段が、複数のビデオカメラから構成されて
いる場合には、各ビデオカメラに対する角度の平均が最
も垂直に近くなる面に配置されたマーカを測定に使用す
ればよい。

【００１４】また、測定ヘッドは、能動的なステレオ計
測方法によって被測定物上の測定点の位置を測定するも
のである。

【００１５】また、演算手段は、測定ヘッドの出力を用
いて測定ヘッド中心の座標系における被測定物上の測定
点の座標を求めるとともに、撮像手段の出力を用いて得
られるマーカの位置からワールド座標系における測定ヘ
ッドの位置に関する情報を求め、得られた測定ヘッドの
位置に関する情報に基づいて、測定ヘッド中心の座標系
における被測定物上の測定点の座標を、ワールド座標系
の座標に変換することにより、被測定物の３次元形状を
求めるものである。

【００１６】また、測定ヘッド撮像手段は、測定ヘッド
を撮像するための１または複数のビデオカメラを含むも
のである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて説明する。

【００１８】図１は、本発明の一実施の形態における形
状測定装置の概略構成を示している。

【００１９】被測定物１００は、台２０１上に載せられ
ている。台２０１には、支柱２０２が取り付けられてい
る。支柱２０２の上部には、水平バー２０３が取り付け
られている。

【００２０】形状測定装置は、測定者によって自由に移
動せしめられる測定ヘッド１０と、水平バー２０３の両
端部に取り付けられたステレオカメラ２１、２２と、そ
れらの制御、各種演算等を行うパーソナルコンピュータ
からなる制御装置３０とを備えている。各ステレオカメ
ラ２１、２２の撮像レンズには、図２に示すマーカ１４
〜１７が放つ光の周波数帯を選択的に透過するバンドパ
スフィルタ２３が取り付けられている。

【００２１】図２及び図３は、測定ヘッド１０の概略構
成を示している。

【００２２】測定ヘッド１０は、直方体形状で前方開口
のケーシング１１と、ケーシング１１内に収納された１
台のＣＣＤカメラ１２、スリット光源１３及び傾斜角セ
ンサ１８と、それらを囲むケーシング１１の４面それぞ
れに設けられた６つのＬＥＤ光源からなるマーカ１４〜
１７とを備えている。スリット光源１３としては、半導
体レーザが用いられている。

【００２３】傾斜角センサ１８は、測定ヘッド１０のケ
ーシング１１においてマーカが配置されていない面の中
心Ｏを通る垂線を軸として、その回転方向における傾き
角を検出するものである。ここでは、ケーシング１１に
おいて、マーカ１４が配置されている面が水平となる測
定ヘッド１０の姿勢を基準に、鉛直方向に対する角度が
検出される。

【００２４】マーカ１４を構成する６つのＬＥＤ光源１
４ａ〜１４ｆは、測定ヘッド１０の方向を特定するため
に、点対称な配置とせず、測定ヘッド１０の中心線に対
し線対称な配置となっている。ここでは、ケーシング１
１の上面にＬＥＤ光源１４ｂ〜１４ｆの５点が長方形を
なすように配置され、それら５点の重心にＬＥＤ光源１
４ａが配置される。また、残りのマーカ１５〜１７につ
いても同様に、それぞれ６つのＬＥＤ光源のうちの各５
点が長方形をなすように配置され、それら５点の重心に
残りのＬＥＤ光源が配置される。

【００２５】なお、３次元空間中での測定ヘッド１０の
位置及び姿勢を測定するためには、マーカとして少なく
とも３個のＬＥＤ光源があれば十分であるが、４個以上
のＬＥＤ光源を用いることにより、測定ヘッド１０の位
置及び姿勢の測定精度が最小２乗的に向上する。

【００２６】図４は、形状測定装置の測定原理を示して
いる。

【００２７】測定者によって自由に移動せしめられる測
定ヘッド１０を用いてある測定点Ａの座標を測定する。
測定された座標を測定ヘッド中心の座標系における座標
（ｘ，ｙ，ｚ）で表す。この座標系は、測定ヘッド１０
の移動とともに移動する座標系である。

【００２８】一方、被測定物１００の形状は、固定した
座標系で表され、この座標系をワールド座標と呼ぶ。測
定ヘッド１０によって測定された測定点のワールド座標
系における座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とする。被測定物１０
０の形状はワールド座標系で記述する必要があるため、
測定ヘッド１０によって測定された測定点Ａの測定ヘッ
ド中心の座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、ワール
ド座標系に変換する。この変換は、測定ヘッド１０の移
動を表す回転行列Ｒと並進ベクトルｔとを用いて、次の
数式１に基づいて行われる。

【００２９】

【数１】

【００３０】したがって、ワールド座標系における測定
ヘッド１０の位置及び姿勢を、回転行列Ｒと並進ベクト
ルｔとして求めることで、測定ヘッド中心の座標系にお
ける座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、ワールド座標系に変換する
ことができる。

【００３１】測定ヘッド１０を被測定物１００の周囲で
移動させながら、上記の処理を行い、その都度得られる
測定点のワールド座標系における座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の
集合として、被測定物１００の形状が記述される。

【００３２】この形状測定装置による形状測定は、次の
ような処理手順によって実行される。

【００３３】第１ステップ：測定ヘッド１０内に配置さ
れた傾斜角センサ１８を用いて、マーカ１４〜１７の中
から測定に使用するマーカを決定する。

【００３４】第２ステップ：測定ヘッド１０を用いて、
測定ヘッド中心の座標系における被測定物上の測定点の
座標を求める。

【００３５】第３ステップ：ワールド座標系での測定ヘ
ッド１０の位置に関する情報、すなわち、ワールド座標
系での測定ヘッド１０の移動を表す回転行列Ｒと並進ベ
クトルｔとを、ステップ１で選択された測定ヘッド１０
上のマーカをステレオカメラ２１、２２によりステレオ
画像計測することにより求める。

【００３６】第４ステップ：第３ステップで得られた回
転行列Ｒと並進ベクトルｔとに基づいて、第２ステップ
で求めた測定ヘッド中心の座標系における被測定物上の
測定点の座標を、ワールド座標系の座標に変換する。

【００３７】そして、これら一連のステップを被測定物
の複数の個所で行うことにより、被測定物の形状が測定
される。

【００３８】以下、これら各ステップについて説明す
る。 〔１〕第１ステップについての説明 図５は、第１ステップの処理順序を示すフローチャート
である。以下に説明する処理は、測定ヘッド１０内に配
置された傾斜角センサ１８の出力に基づいて、制御装置
３０によって行われる。

【００３９】第１ステップでは、まず、傾斜角センサ１
８の出力（ステップＳ０１）に基づいて、測定ヘッド１
０の鉛直方向に対する傾斜角度が検出され、得られた傾
斜角度に基づいて点灯させるマーカを決定する。すなわ
ち、傾き角度が４５度〜１３５度の場合はマーカ１５が
選択され（ステップＳ０２、Ｓ０３）、傾き角度が１３
５度〜２２５度の場合はマーカ１６が選択され（ステッ
プＳ０４、Ｓ０５）、傾き角度２２５度〜３１５度の場
合はマーカ１７が選択され（ステップＳ０６、Ｓ０
７）、傾き角度が３１５度〜４５度の場合はマーカ１４
が選択される（ステップＳ０８）。そして、選択された
マーカを構成するＬＥＤ光源に対してのみ、電流が供給
されて、ＬＥＤ光源が点灯する。

【００４０】これにより、ケーシング１１において最も
水平に近い面に配置されたマーカが点灯されることにな
る。このため、点灯されたマーカがその上方に位置する
ステレオカメラ２１、２２の死角に隠れることがなくな
り、良好なマーカの撮像画像を得ることができる。 〔２〕第２ステップについての説明 図５は、測定ヘッド１０による測定点の位置測定方法を
示している。なお、以下では、測定に使用するマーカと
して、マーカ１４が選択されている場合について説明す
る。

【００４１】測定ヘッド中心の座標系とは、ＣＣＤカメ
ラ１２の光学中心を原点とし、光軸方向をｚ軸、ＣＣＤ
カメラ１２の水平方向をｘ軸、ＣＣＤカメラ１２の垂直
方向をｙ軸とする座標系である。ＣＣＤカメラ１２の画
像面Ｓは、原点から焦点距離ｆの位置に存在する。つま
り、画像面Ｓは、ｘ−ｙ平面に平行でかつｚ＝ｆである
平面である。

【００４２】測定ヘッド１０による位置計測方法自体
は、光切断法と呼ばれる公知の測定方法である。被測定
物１００の表面上におけるスリット光源１３からのスリ
ット光が照射されている線上の所定の点を測定点Ａとい
うことにする。

【００４３】測定点Ａの測定ヘッド中心の座標を（ｘ，
ｙ，ｚ）とし、画像面Ｓ上での測定点Ａに対応する観察
点Ａ’の座標を（ｘs ，ｙs ，ｆ）とし、スリット光を
表す平面の方程式をａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＋ｄ＝０とする。
観察点Ａ’の座標（ｘs ，ｙs ，ｆ）におけるｆは、Ｃ
ＣＤカメラ１２の焦点距離として既知であり、（ｘs，
ｙs ）は画像面で観察されるスリット光の画素位置から
求められる。

【００４４】スリット光を表す平面の方程式は測定ヘッ
ド１０の校正によって予め求められている。したがっ
て、ｘ，ｙ，ｚ，αを未知数とする次の数式２で表され
る連立方程式を解くことにより、（ｘ，ｙ，ｚ）が求め
られる。

【００４５】

【数２】

【００４６】このような処理は、ＣＣＤカメラ１２の出
力に基づいて、制御装置３０によって行われる。 〔３〕第３ステップについての説明 第３ステップでは、まず、第１ステップで決定された測
定に使用されるマーカのワールド座標がステレオカメラ
２１、２２によって測定される。この位置測定方法は、
ステレオ法としてよく知られているので、その説明を省
略する。マーカ１４を構成する各ＬＥＤ光源１４ａ〜１
４ｆのワールド座標の算出は、ステレオカメラ２１、２
２の出力に基づいて、制御装置３０によって行われる。

【００４７】次に、測定ヘッド１０の移動を表す回転行
列Ｒと並進ベクトルｔが求められる。つまり、予め分か
っている各ＬＥＤ光源１４ａ〜１４ｆの測定ヘッド中心
の座標を（ｘi 、ｘi ，ｘi ）とする。ただし、ｉは、
１、２…６である。また、ステレオカメラ２１、２２に
よって計測された各ＬＥＤ光源１４ａ〜１４ｆのワール
ド座標を（Ｘi ，Ｙi ，Ｚi ）とする。測定ヘッド１０
の移動を表す回転行列Ｒと並進ベクトルｔは、次の数式
３を満足する行列Ｒとベクトルｔとして求められる。回
転行列Ｒと並進ベクトルｔの算出は、制御装置３０によ
って行われる。

【００４８】

【数３】

【００４９】〔４〕第４ステップについての説明 第３ステップで求められた回転行列Ｒと並進ベクトルｔ
と、上記数式１とを用いて、測定ヘッド１０によって測
定された測定点の測定ヘッド中心の座標（ｘ，ｙ，ｚ）
が、ワールド座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に変換されることによ
り、測定点のワールド座標が求められる。この座標変換
も制御装置３０によって行われる。

【００５０】なお、測定ヘッド１０の移動を表す回転行
列Ｒと並進ベクトルｔを求めるためには、マーカ１４を
構成するＬＥＤ光源の必要最低数は３個（３点で平面が
決まる）であるが、精度を高めるために、ここでは６つ
設けられている。

【００５１】このように、本実施の形態によれば、測定
ヘッド１０のケーシング１１の複数の面にマーカを配置
して、測定ヘッド１０の姿勢に応じて測定に使用すべき
マーカを切り替えるように構成しているため、マーカが
ステレオカメラ２１、２２の死角に入ることがなくな
る。これにより、測定ヘッド１０の位置や姿勢によら
ず、被測定物の３次元形状を得ることができるため、測
定装置自体の精度及び信頼性を向上させることが可能と
なる。

【００５２】また、本実施の形態によれば、測定ヘッド
１０のケーシング１１の複数の面に設けたマーカを面毎
に切り替えるように制御しているため、測定に使用され
るマーカが同一平面上にあることになる。これにより、
容易にマーカの位置を求めることできるだけでなく、マ
ーカを構成するＬＥＤ光源の識別も容易に行うことが可
能となる。

【００５３】また、本実施の形態においては、傾斜角セ
ンサ１８の出力に基づいて自動的に測定に使用するマー
カを切り替えるように制御しているめ、測定者は測定ヘ
ッド１０の姿勢を意識することなく自由に測定を行うこ
とができ、これにより使用感を向上させることが可能と
なる。

【００５４】なお、上記実施の形態では、ワールド座標
系における測定ヘッド１０の移動を表す回転ベクトルＲ
および並進ベクトルｔを求めるために、２台のカメラ
（ステレオカメラ）２１、２２によってマーカを撮像
し、この撮像画像に基づいて各マーカを構成するＬＥＤ
光源のワールド座標を算出しているが、１台のカメラに
よって各マーカを撮像し、この撮像画像に基づいて各マ
ーカを構成するＬＥＤ光源のワールド座標を算出するよ
うにしてもよい。

【００５５】また、台２０１上等に所定のパターンを有
するシートを固定しておき、測定ヘッドにこのシートを
撮像するためのカメラを取付け、このカメラの撮像画像
に基づいてワールド座標系における測定ヘッド１０の移
動を表す回転ベクトルＲおよび並進ベクトルｔを求める
ようにしてもよい。

【００５６】また、測定ヘッド１０としては、能動的な
ステレオ計測方法によって被測定物上の測定点の位置を
測定するものであれば、上述した実施の形態と異なるも
のであってもよい。例えば、スリット光源１３の代わり
にスポット光源を用いてもよい。また、２台のＣＣＤカ
メラによって測定点の位置（測定ヘッド中心の座標）を
測定するようにしてもよい。

【００５７】また、上記実施の形態では、ステレオカメ
ラ２１、２２が被測定物１００の上方に配置されている
場合について説明したが、被測定物１００を撮像できる
位置であれば、いずれの位置に配置してもよい。この場
合、被測定物１００に対する測定ヘッド１０の位置が同
じであっても、ステレオカメラ２１、２２の位置に応じ
て、点灯されるマーカが異なる。

【００５８】また、本実施の形態においては、傾斜角セ
ンサ１８の出力に基づいて、測定に使用するマーカを決
定したが、傾斜角センサ１８の出力に基づく測定ヘッド
１０の姿勢だけでなく、測定ヘッド１０の凡その位置を
考慮して測定に使用するマーカを決定してもよし、手動
で切り替えるように構成してもよい。

【００５９】また、上記実施の形態においては、測定ヘ
ッド１０の５面のうち前方開口を囲む４面にマーカを設
けた場合について説明したが、任意の２以上の面にマー
カを設けるように構成してもよい。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、測定ヘッドの複数の面
にマーカを配置して、測定ヘッドの姿勢に応じて測定に
使用すべきマーカを切り替えるように構成しているた
め、マーカが測定ヘッド撮像手段の死角に入ることがな
くなる。これにより、測定ヘッドの位置や姿勢によら
ず、被測定物の３次元形状を得ることができるため、測
定装置自体の精度及び信頼性を向上させることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態における形状測定装置
の概略構成を表す構成図である。

【図２】 図１の形状測定装置における測定ヘッドの概
略構成を示す正面図である。

【図３】 図１の形状測定装置における測定ヘッドの概
略構成を示す斜視図である。

【図４】 測定原理を説明する説明図である。

【図５】 第１ステップの処理手順を説明するフローチ
ャートである。

【図６】 測定ヘッドにより測定点の位置測定方法を説
明する説明図である。

【符号の説明】

１０ ：測定ヘッド １２ ：ＣＣＤカメラ １３ ：スリット光源 １４〜１７ ：マーカ １８ ：傾斜角センサ ２１ ：ステレオカメラ ２２ ：ステレオカメラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 蚊野 浩 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA17 AA19 AA37 AA53 BB05 BB29 DD03 FF05 FF07 FF61 FF65 GG06 GG07 GG12 GG16 HH04 HH05 JJ03 JJ05 JJ07 JJ26 LL21 LL28 MM06 QQ21 QQ29 QQ32 QQ38

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定者によって自由に移動せしめられ、
   被測定物を測定する測定ヘッドと、該測定ヘッドに配置
   されたマーカと、該マーカを所定の位置から撮像する測
   定ヘッド撮像手段と、前記測定ヘッド及び前記測定ヘッ
   ド撮像手段の出力に基づいて前記被測定物の３次元形状
   を求める演算手段とを備えた形状測定装置であって、 前記マーカを前記測定ヘッドの複数面に配置し、該マー
   カの中から測定に使用するマーカを切り替えるマーカ切
   替手段を備えていることを特徴とする形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記マーカ切替手段は、前記測定ヘッド
   の複数面に配置されたマーカの中から面ごとに測定に使
   用するマーカを切り替えるものである請求項１記載の形
   状測定装置。
3. 【請求項３】 前記測定ヘッドの傾きを検出する傾き検
   出手段を備え、該傾き検出手段の検出結果に基づいて前
   記マーカ切替手段が制御される請求項１または２記載の
   形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記測定ヘッドは、能動的なステレオ計
   測方法によって被測定物上の測定点の位置を測定するも
   のである請求項１ないし３のいずれかに記載の形状測定
   装置。
5. 【請求項５】 前記演算手段は、前記測定ヘッドの出力
   を用いて測定ヘッド中心の座標系における前記被測定物
   上の測定点の座標を求めるとともに、前記撮像手段の出
   力を用いて得られる前記マーカの位置からワールド座標
   系における前記測定ヘッドの位置に関する情報を求め、
   得られた測定ヘッドの位置に関する情報に基づいて、前
   記測定ヘッド中心の座標系における被測定物上の測定点
   の座標を、ワールド座標系の座標に変換することによ
   り、前記被測定物の３次元形状を求めるものである請求
   項１ないし４のいずれかに記載の形状測定装置。
6. 【請求項６】 前記測定ヘッド撮像手段は、前記測定ヘ
   ッドを撮像するための１または複数のビデオカメラを含
   むものである請求項１ないし５のいずれかに記載の形状
   測定装置。