JP2006064385A - Apparatus and method for measuring shape - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状計測装置および形状計測方法に関する。 The present invention relates to a shape measuring device and a shape measuring method.
所謂三次元計測システムにおいては、大型で高解像度を有する画像入力装置を用いるステレオ視法に基く三次元計測や、定盤上の被計測物に直接測定用の針を接触させ、一点毎に機械的に距離計測を行う触針式法と呼ばれる手法が用いられてきた。 In so-called three-dimensional measurement systems, three-dimensional measurement based on stereo vision using a large-sized and high-resolution image input device, or a measurement needle on the surface plate is brought into contact with the object to be measured directly. In general, a method called a stylus method for measuring distance has been used.
前者は、精度を高めようとすると解像度の向上とそれに伴う処理量の増大から、必然的に高価なシステムとなり、またシステムの原理上からも精度を向上させるのが難しい。それに対して後者は、高精度を得るのは比較的容易であるが、ポイント毎の測定結果から全体形状を求めることから、連続した測定ができないだけではなく測定には多大な時間と労力を要することとなる。また接触式である事から、表面の柔らかいものを測定対象とはできないという欠点を有していた。 The former is inevitably an expensive system due to the improvement in resolution and the accompanying increase in processing amount when trying to increase the accuracy, and it is difficult to improve the accuracy in terms of the principle of the system. On the other hand, the latter is relatively easy to obtain high accuracy, but since the overall shape is obtained from the measurement results for each point, not only continuous measurement is possible, but measurement requires a lot of time and labor. It will be. Moreover, since it was a contact type, it had the fault that a soft surface could not be made into a measuring object.
本発明は、非接触方式でありながら高い測定精度を有し、非接触方式の特長である広い計測領域を保つと共に測定の高速化を両立させた低コストの形状計測装置および形状計測方法を提供することを目的としている。 The present invention provides a low-cost shape measuring device and a shape measuring method that have high measurement accuracy while maintaining a wide measurement area, which is a feature of the non-contact method, and at the same time speed up the measurement. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データをポイントデータ組に変換する変換手段と、変換手段からのポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測する処理装置とを有していることを特徴としている。 To achieve the above object, the invention described in claim 1 includes a plurality of three-dimensional position sensors, and conversion means for converting three-dimensional position data, which is surface data from each three-dimensional position sensor, into a point data set. And a processing device for measuring the shape of the object to be measured based on the point data set from the conversion means.
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の形状計測装置において、前記変換手段は、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられていることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the first aspect, the conversion means is provided in each of a plurality of three-dimensional position sensors.
また、請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2記載の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、x,y,zからなる3つの位置パラメータからなる3個のポイントデータ組に変換することを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the first or second aspect, the converting means converts the three-dimensional position data, which is surface data from each three-dimensional position sensor, to x, y, It is characterized in that it is converted into three point data sets consisting of three positional parameters consisting of z.
また、請求項4記載の発明は、請求項1または請求項2記載の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、x,y,zからなる3つの位置パラメータとオイラー角φ,θ,ψとからなる6個のポイントデータ組に変換することを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the first or second aspect, the converting means converts the three-dimensional position data, which is surface data from each three-dimensional position sensor, to x, y, It is characterized by being converted into six point data sets consisting of three positional parameters consisting of z and Euler angles φ, θ, ψ.
また、請求項5記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段は、前記処理装置に並列接続されており、各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に並列的に入力するようになっていることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to any one of the first to fourth aspects, each conversion means provided in each of a plurality of three-dimensional position sensors is configured to perform the processing. The point data sets from each conversion means are input in parallel to the processing device, and are connected to the processing device in parallel.
また、請求項6記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に直列信号として入力するようになっていることを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to any one of the first to fourth aspects, the point data from each conversion means provided in each of the plurality of three-dimensional position sensors. The set is characterized by being input to the processing device as a serial signal.
また、請求項7記載の発明は、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の形状計測装置において、被計測物に所定の標的を設け、各標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも大きく設定されていることを特徴としている。 The invention according to claim 7 is the shape measuring apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein a predetermined target is provided on the object to be measured, and an imaging region of the three-dimensional position sensor for each target. Is set to be larger than the target area.
また、請求項8記載の発明は、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の形状計測装置において、被計測物にパターンニングされた所定の標的を設け、該標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも小さく設定されていることを特徴としている。 The invention according to claim 8 is the shape measuring apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein a predetermined target patterned on the object to be measured is provided, and a three-dimensional position relative to the target is provided. The imaging region of the sensor is set to be smaller than the target area.
また、請求項9記載の発明は、請求項8記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、計測座標に対してX方向とY方向の直線状パターンからなる構成となっていることを特徴としている。 The invention according to claim 9 is the shape measuring apparatus according to claim 8, wherein the patterning of the target is composed of linear patterns in the X direction and the Y direction with respect to the measurement coordinates. It is a feature.
また、請求項10記載の発明は、請求項8記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、X方向,Y方向の直線状パターンを複数組み合わせた構成となっていることを特徴としている。 The invention described in claim 10 is the shape measuring apparatus according to claim 8, wherein the patterning of the target is configured by combining a plurality of linear patterns in the X direction and the Y direction. .
また、請求項11記載の発明は、請求項9または請求項10記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、X方向,Y方向の直線状パターンの間隔が異なるものを組み合わせた構成となっていることを特徴としている。 The eleventh aspect of the present invention is the shape measuring apparatus according to the ninth or tenth aspect, wherein the patterning of the target is a combination of combinations of different linear patterns in the X and Y directions. It is characterized by becoming.
また、請求項12記載の発明は、請求項8乃至請求項11のいずれか一項に記載の形状計測装置において、前記標的にはスペクトラムの異なる色分けを施し、前記三次元位置センサの受光部は、これらの色のスペクトラム特性に合致する色フィルターを有していることを特徴としている。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to any one of the eighth to eleventh aspects, the target is color-coded with a different spectrum, and the light receiving unit of the three-dimensional position sensor is It is characterized by having a color filter that matches the spectral characteristics of these colors.
また、請求項13記載の発明は、請求項8乃至請求項12のいずれか一項に記載の形状計測装置において、前記標的には、Z軸方向の距離が既知量である凹凸形状物が設けられていることを特徴としている。 The invention according to claim 13 is the shape measuring apparatus according to any one of claims 8 to 12, wherein the target is provided with a concavo-convex shaped object whose distance in the Z-axis direction is a known amount. It is characterized by being.
また、請求項14記載の発明は、請求項13記載の形状計測装置において、前記標的には、複数の凹凸形状物が設けられ、各凹凸形状物は既知量であるZ軸方向の距離がそれぞれ異なる値を採ることを特徴としている。 Further, the invention according to claim 14 is the shape measuring apparatus according to claim 13, wherein the target is provided with a plurality of uneven shapes, and each uneven shape has a known amount of distance in the Z-axis direction. It is characterized by taking different values.
また、請求項15記載の発明は、請求項13または請求項14記載の形状計測装置において、前記標的に設けられる複数の凹凸形状物は、配置において、標的上の凹凸形状物のX、Y座標があらかじめ既知となっていることを特徴としている。 Further, the invention according to claim 15 is the shape measuring device according to claim 13 or claim 14, wherein the plurality of uneven shapes provided on the target are arranged in the X and Y coordinates of the uneven shape on the target. Is known in advance.
また、請求項16記載の発明は、請求項13または請求項14記載の形状計測装置において、前記標的に設けられる凹凸形状物は、Z軸方向の距離が既知量である段差形状を有していることを特徴としている。 Further, the invention according to claim 16 is the shape measuring apparatus according to claim 13 or claim 14, wherein the concavo-convex shaped object provided on the target has a step shape whose distance in the Z-axis direction is a known amount. It is characterized by being.
また、請求項17記載の発明は、複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データをポイントデータ組に変換し、変換されたポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測することを特徴としている。 The invention according to claim 17 includes a plurality of three-dimensional position sensors, converts three-dimensional position data, which is surface data from each three-dimensional position sensor, into a point data set, and based on the converted point data set. Measure the shape of the object to be measured.
請求項1乃至請求項17記載の発明によれば、複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを変換手段でポイントデータ組に変換し、変換されたポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測するので、このようなシステムにおいて発生する膨大な三次元データ量の問題を解決し、高速にデータ処理が行え、且つ高精度で、低コストの制御を行わせることができる。具体的には、変換処理手段での処理として、三次元位置センサからの画像データを基に平均値を求める等の処理を行なって、3〜6個のポイントデータとして出力するようにしたので、データ量を大幅に減らせる。 According to the invention described in claims 1 to 17, a plurality of three-dimensional position sensors are provided, the three-dimensional position data, which is surface data from each three-dimensional position sensor, is converted into a point data set by the conversion means, and converted. Since the shape of the object to be measured is measured based on the point data set, the problem of the huge amount of 3D data generated in such a system can be solved, data processing can be performed at high speed, high accuracy, and low Cost control can be performed. Specifically, as the processing in the conversion processing means, processing such as obtaining an average value based on the image data from the three-dimensional position sensor, and outputting as 3 to 6 point data, The amount of data can be greatly reduced.
特に、請求項3記載の発明では、請求項1または請求項2記載の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、x,y,zからなる3つの位置パラメータからなる3個のポイントデータ組に変換するようにしており、被計測物から得た三次元画像データをそのまま用いるのではなく、夫々の三次元位置センサの計測域に関する代表値としてx,y,zの3つの位置パラメータからなる3個のポイントデータ組として出力するようにしている。これにより、三次元画像データをそのまま取り扱う場合に比べ、大幅にデータの量を低減でき、後段の処理や通信量のようなシステムへの負担を軽減する事ができる。また、これらのポイントデータから三次元位置センサが離れて設置されているために計測できていない箇所のデータの補完を行い、連続した被計測物全体の形状を得るようにすることで、高速な計測が可能になると同時に、計測のみならずアクチュエータの動きを監視しコントロールを行うために必須である、高速動作が求められる制御系の帰還信号として用いることも可能となる。これを用いた動体の計測制御の例として、アクチュエータを有する面状の被計測物に本発明を適用して自由な曲面を得るような制御も行える。また、この場合、異なる有効測定距離を持つ三次元位置センサを組合せて用いる事により、被計測物が小さなものから大きなものであっても、高精度の計測を可能としている。 In particular, in the invention according to claim 3, in the shape measuring apparatus according to claim 1 or 2, the conversion means converts the three-dimensional position data, which is surface data from each three-dimensional position sensor, to x, y, The three-dimensional data set is converted into three point data sets consisting of three position parameters consisting of z, and the three-dimensional image data obtained from the object to be measured is not used as it is, but the measurement area of each three-dimensional position sensor. The representative value is output as three point data sets composed of three positional parameters of x, y, and z. Thereby, compared with the case where 3D image data is handled as it is, the amount of data can be greatly reduced, and the burden on the system, such as subsequent processing and communication volume, can be reduced. In addition, since the 3D position sensor is installed away from these point data, the data of the part that cannot be measured is complemented to obtain the shape of the entire continuous object to be measured. At the same time as measurement is possible, it can be used as a feedback signal for a control system that requires high-speed operation, which is indispensable for monitoring and controlling not only measurement but also actuator movement. As an example of measurement control of a moving object using this, it is possible to perform control such that a free curved surface is obtained by applying the present invention to a planar object to be measured having an actuator. In this case, by using a combination of three-dimensional position sensors having different effective measurement distances, high-precision measurement is possible even if the object to be measured is small to large.
また、請求項4記載の発明では、請求項1または請求項2記載の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、x,y,zからなる3つの位置パラメータとオイラー角φ,θ,ψとからなる6個のポイントデータ組に変換するようにしている。すなわち、被計測物からの三次元位置データをサンプリングして、x,y,zの3つの位置パラメータとそれぞれの軸の回転角であるオイラー角φ,θ,ψとからなる6個のポイントデータ組として出力するようにしている。これにより、三次元画像データをそのまま取り扱う場合に比べ、請求項3の発明と同様に、大幅にデータの量を低減できる。さらに、請求項4記載の発明では、請求項3と比べ、ポイントデータが回転角をも有するデータとなっているため、これらポイントデータにより計測していない部分のデータを後のデータ処理により補完するに際し、位置だけのポイントデータの場合と比べ、高い精度を得ることができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the first or second aspect, the conversion means converts the three-dimensional position data, which is surface data from each three-dimensional position sensor, to x, y, Conversion is made to six point data sets consisting of three positional parameters consisting of z and Euler angles φ, θ, ψ. That is, six point data consisting of three position parameters x, y, and z and Euler angles φ, θ, and ψ that are rotation angles of the respective axes are sampled from three-dimensional position data from the measurement object. Output as a set. As a result, as compared with the case where the three-dimensional image data is handled as it is, the amount of data can be greatly reduced as in the third aspect of the invention. Furthermore, in the invention according to claim 4, since the point data is data having a rotation angle as compared with claim 3, the data not measured by the point data is supplemented by later data processing. In this case, it is possible to obtain higher accuracy than in the case of point data of only position.
また、請求項6記載の発明では、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に直列信号として入力するようになっており、各変換手段からのポイントデータをシリアル(直列)信号として処理装置に送り、形状計測を行わせるようにしているので、信号線の数を減少させることができて、配置の自由度の制約のみならず配線面積が増大し、大型化,動作の不安定化,コスト増等の問題を解決する事ができる。 Moreover, in invention of Claim 6, in the shape measuring apparatus as described in any one of Claim 1 thru | or 4, it is point data from each conversion means provided in each of several 3D position sensor. The set is input to the processing device as a serial signal, and the point data from each conversion means is sent to the processing device as a serial signal and the shape measurement is performed. As a result, the wiring area is increased as well as restrictions on the degree of freedom of arrangement, and problems such as an increase in size, unstable operation, and an increase in cost can be solved.
すなわち、請求項5記載の発明では、変換手段からのポイントデータを処理手段に送るに際しては並列接続を用いていた。しかし、この場合、精度良く形状計測を行うためには三次元位置センサを多数設ける必要があることから、処理手段への接続線の数が膨大となり、配置の自由度の制約のみならず配線面積が増大し、大型化,動作の不安定化,コスト増等の問題があった。 That is, in the invention described in claim 5, when the point data from the conversion means is sent to the processing means, the parallel connection is used. However, in this case, since it is necessary to provide a large number of three-dimensional position sensors in order to accurately measure the shape, the number of connection lines to the processing means becomes enormous and the wiring area is not limited as well as restrictions on the degree of freedom of placement. However, there were problems such as increase in size, unstable operation, and cost increase.
これに対し、請求項6の発明は、各変換手段からのポイントデータをシリアル(直列)信号として処理手段に送ることから、信号線の数を減少させることができて、配置の自由度の制約のみならず配線面積が増大し、大型化,動作の不安定化,コスト増等の問題を解決する事ができる。 On the other hand, in the invention of claim 6, since the point data from each conversion means is sent to the processing means as a serial signal, the number of signal lines can be reduced and the degree of freedom in arrangement is limited. Not only can the wiring area be increased, but problems such as increased size, unstable operation, and increased costs can be solved.
また、請求項7記載の発明では、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の形状計測装置において、被計測物に所定の標的を設け、各標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも大きく設定されるようにしており、被計測物表面に設けた標的の変位のみをサンプリング計測するようにすることにより、画像データからポイントデータに変換する際の演算量を減らす事ができ、より高速な処理を安価に提供できる。また標的とその設置面(背景)とのコントラストを明瞭にする事で、三次元位置センサからの画像データにおける標的のエッジが明瞭になる事から、XYの移動量を精度良く検知できる。この結果、時間的に連続した撮影を行う事で移動量の計測をより正確に行なうことができる。 According to a seventh aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to any one of the first to sixth aspects, a predetermined target is provided on the object to be measured, and the imaging region of the three-dimensional position sensor for each target Is set to be larger than the target area, and the amount of calculation when converting from image data to point data can be reduced by sampling and measuring only the target displacement provided on the surface of the workpiece. Can be provided at a lower cost. Further, by clarifying the contrast between the target and its installation surface (background), the target edge in the image data from the three-dimensional position sensor becomes clear, so that the amount of movement of XY can be detected with high accuracy. As a result, the amount of movement can be measured more accurately by performing continuous temporal shooting.
すなわち、在来の形状計測では、直接、被計測物の形状の測定を行うのを常としており、この場合には、微妙なコントラストを基に計測しなければならず、また反射等の問題も有り、精度も良くなく、処理にも多大な時間や労力を費やしていたが、請求項7の発明においては、所定の標的を被計測物表面に設ける事で、間接的な手法で被計測物の形状を測定する事から、上記のような問題は発生しない。また、この場合の三次元位置センサの計測領域を標的よりも大きなものと設定することにより、標的と計測領域が同等の大きさである場合に比べ、被計測物の大きな変位(移動)に伴いセンサが標的を見失う欠点を緩和することができる。 In other words, in conventional shape measurement, it is usual to directly measure the shape of the object to be measured. In this case, measurement must be performed based on subtle contrast, and there are problems such as reflection. Yes, the accuracy is not good, and processing takes a lot of time and labor. However, in the invention of claim 7, the object to be measured is provided by an indirect method by providing a predetermined target on the surface of the object to be measured. The above-mentioned problem does not occur because the shape is measured. Also, by setting the measurement area of the three-dimensional position sensor in this case to be larger than the target, compared to the case where the target and the measurement area are the same size, the measured object is subject to a large displacement (movement). The disadvantage that the sensor misses the target can be alleviated.
また、請求項8記載の発明では、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の形状計測装置において、被計測物にパターンニングされた所定の標的を設け、該標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも小さく設定されていることを特徴としている。すなわち、被計測物に設ける標的の大きさを三次元位置センサの計測領域よりも大きい面積で且つ人為的にパターンニングされたものとしている。これにより、被計測物が大きな変位を持った場合でも計測領域から標的がはずれることが少ない。また、請求項7の発明では、標的を逃さないためには三次元位置センサの計測領域を大きく設定しなければならず、このため解像度(精度)を向上させるためには多数の画素数が必要となり、大型でしかも高価となる欠点があったが、請求項8の発明では、計測領域を小さくする事ができ、同じ画素数でも標的に対し相対的に高解像度を有することから高精度の計測が行える。さらに、標的にパターニングを施すようにしたので、そのパターンの特徴を検知することで、標的の動きを得るに際し、移動量を明確にすることができて、高精度の三次元計測が行える。 According to an eighth aspect of the invention, in the shape measuring apparatus according to any one of the first to sixth aspects, a predetermined target patterned on the object to be measured is provided, and a three-dimensional position relative to the target is provided. The imaging region of the sensor is set to be smaller than the target area. That is, the size of the target provided on the object to be measured is an area larger than the measurement region of the three-dimensional position sensor and artificially patterned. As a result, even when the object to be measured has a large displacement, the target is unlikely to deviate from the measurement region. Further, in the invention of claim 7, in order not to miss the target, the measurement area of the three-dimensional position sensor must be set large, and therefore a large number of pixels are required to improve the resolution (accuracy). However, in the invention of claim 8, the measurement area can be made small, and even with the same number of pixels, the resolution is relatively high with respect to the target. Can be done. Further, since the patterning is performed on the target, the amount of movement can be clarified by detecting the feature of the pattern, and high-precision three-dimensional measurement can be performed.
また、請求項9記載の発明では、請求項8記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、計測座標に対してX方向とY方向の直線状パターンからなる構成となっていることを特徴としている。すなわち、標的は、パターンニングをX方向に並べたものとY方向に並べたものとのパターンの組合せとしている。被計測物及び標的の動きを検出するにあたり、三次元位置センサにより直前に撮影した画像との差分をとることにより、現在のXY座標の移動量を求めるが、これに際してX方向とY方向に直線状パターンを有する事から、標的内に有る画像上のパターンのコントラストが明瞭となり、三次元位置センサに取り込まれた標的画像のパターンエッジが明瞭となる事から、微細な被計測物及び標的の動きをも確実に検出する事ができる。 According to a ninth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the eighth aspect, the patterning of the target is composed of linear patterns in the X direction and the Y direction with respect to the measurement coordinates. It is a feature. That is, the target is a combination of patterns in which patterning is arranged in the X direction and in the Y direction. In detecting the movement of the object to be measured and the target, the amount of movement of the current XY coordinates is obtained by taking the difference from the image captured immediately before by the three-dimensional position sensor. In this case, a straight line is obtained in the X and Y directions. Because the pattern pattern on the target is clear, the pattern contrast on the image in the target is clear, and the pattern edge of the target image captured by the three-dimensional position sensor is clear. Can be reliably detected.
また、請求項10記載の発明では、請求項8記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、X方向,Y方向の直線状パターンを複数組み合わせた構成となっていることを特徴としている。すなわち、請求項10記載の発明では、請求項9のX,Y方向の直線状パターンを複数組み合わせるようにしている。請求項9の発明では、被計測物が大きく動いた場合、X方向若しくはY方向一つだけのパターンを用いて計測せざるを得ないこととなる。この場合、X方向の線状パターンのみを用いた計測ではX方向の動き量(変位)を精度良く検出するのは困難となる。これに対して、請求項10の発明においては、複数のXYパターンを有しており、この不具合を避ける事ができる事から、より高精度の計測が可能となる。 The shape measuring apparatus according to claim 10 is characterized in that the patterning of the target is configured by combining a plurality of linear patterns in the X direction and the Y direction. . That is, in the invention described in claim 10, a plurality of linear patterns in the X and Y directions of claim 9 are combined. According to the ninth aspect of the present invention, when the object to be measured moves greatly, measurement must be performed using only one pattern in the X direction or the Y direction. In this case, it is difficult to accurately detect the amount of movement (displacement) in the X direction by measurement using only the linear pattern in the X direction. On the other hand, in the invention of claim 10, since it has a plurality of XY patterns and this problem can be avoided, more accurate measurement is possible.
また、口型や田方のようなパターンは、請求項10の発明の延長上にあるものとみなす事ができる。 A pattern such as a mouth shape or a tabacle can be regarded as an extension of the invention of claim 10.
また、波形のような曲線を有するパターンも同様に、請求項10の発明の延長上にあるものとみなす事ができるが、三次元位置センサに取り込まれた標的画像の処理量において不利となり、処理時間の低下を招く。 Similarly, a pattern having a curve such as a waveform can be regarded as an extension of the invention of claim 10, but this is disadvantageous in the processing amount of the target image captured by the three-dimensional position sensor, Incurs time reduction.
また、請求項11記載の発明では、請求項9または請求項10記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、X方向,Y方向の直線状パターンの間隔が異なるものを組み合わせた構成となっていることを特徴としている。すなわち、請求項11記載の発明では、請求項9,請求項10における発明における直線パターンの間隔を適宜変化を持たせたものとしている。請求項9,請求項10の発明では、三次元位置センサの撮影周期と被計測物及び標的の移動量が標的のパターンの周期と一致した場合、検出が困難若しくは移動量を算出する演算に時間がかかる不具合がある。これに対し、請求項11の発明では、例えば1/fの揺らぎや、乱数などを用いてパターンの周期性を無くする事により、この不具合を避ける事ができる事から、より信頼性の高い計測が可能となる。 In the eleventh aspect of the invention, in the shape measuring apparatus according to the ninth or tenth aspect, the patterning of the target is a combination of combinations of different linear pattern intervals in the X and Y directions. It is characterized by becoming. That is, in the invention described in claim 11, the intervals of the linear patterns in the inventions in claims 9 and 10 are appropriately changed. According to the ninth and tenth aspects of the present invention, when the imaging period of the three-dimensional position sensor and the movement amounts of the measurement object and the target coincide with the period of the target pattern, it is difficult to detect or time is spent for calculating the movement amount. There is a problem that takes. On the other hand, in the invention of claim 11, since this defect can be avoided by eliminating the periodicity of the pattern by using, for example, 1 / f fluctuation or random numbers, measurement with higher reliability is possible. Is possible.
また、請求項12記載の発明では、請求項8乃至請求項11のいずれか一項に記載の形状計測装置において、前記標的にはスペクトラムの異なる色分けを施し、前記三次元位置センサの受光部は、これらの色のスペクトラム特性に合致する色フィルターを有していることを特徴としている。すなわち、請求項12記載の発明では、標的内の座標(位置)を表すパターンをそれぞれスペクトラム(色)の異なるパターンとし、三次元位置センサの受光部にはこれら標的内パターンのスペクトラムを区別するための色フィルターを設けている。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to any one of the eighth to eleventh aspects, the target is color-coded with a different spectrum, and the light receiving unit of the three-dimensional position sensor is It is characterized by having a color filter that matches the spectral characteristics of these colors. That is, in the invention described in claim 12, the patterns representing the coordinates (positions) within the target are patterns having different spectra (colors), and the light receiving unit of the three-dimensional position sensor distinguishes the spectra of the patterns within the target. The color filter is provided.
標的が撮像領域より充分に大きな場合、標的と被計測物が例えば外乱等の影響で撮像周期より高速に撮像領域外まで移動してしまうと、三次元位置センサの画像からだけでは標的内の何処を計測しているかが判らなくなり、正しい座標情報を得られない事となる。請求項12の発明においては、前述したように標的内の大まかな位置をスペクトラム情報として持つ事により、この不具合を避ける事ができる事から、より高信頼性を有する計測が可能となる。 When the target is sufficiently larger than the imaging area, if the target and the object to be measured move out of the imaging area at a higher speed than the imaging period due to, for example, disturbance, the location within the target can be determined only from the image of the 3D position sensor. It becomes impossible to know whether or not the coordinate is measured, and correct coordinate information cannot be obtained. In the invention of the twelfth aspect, as described above, this problem can be avoided by having a rough position in the target as spectrum information, so that measurement with higher reliability is possible.
また、請求項13記載の発明では、標的内にZ軸方向の距離が予め既知の凹凸形状物を設けており、この値をZ軸方向の較正値として用いることにより、高精度の計測が行える。 In the invention described in claim 13, an uneven shape whose distance in the Z-axis direction is known in advance is provided in the target, and by using this value as a calibration value in the Z-axis direction, high-precision measurement can be performed. .
また、これを用いてZ軸方向の較正を随時行うことで、三次元入力素子,インデックス光源等のシステム構成要素の温度変化や経時変化等のシステム不安定要因が有っても、これの影響を逃れ、安定な計測を行うことが出来る。 In addition, by performing calibration in the Z-axis direction at any time using this, even if there are system instability factors such as temperature changes and changes over time of system components such as three-dimensional input elements and index light sources, the effect of this It is possible to perform stable measurement.
また、この凹凸形状は被計測物自体に突起等を設けるようにすることで、被計測物に標的を追加添付する必要がなく、低コストのシステムが出来る。 In addition, by providing protrusions and the like on the object to be measured, this uneven shape does not require an additional target attached to the object to be measured, and a low-cost system can be achieved.
また、請求項14記載の発明では、請求項13の発明において、更にZ軸方向に異なる既知の値を持つ凹凸形状物を設けるようにしており、Z軸方向の較正において中間値をも利用できる事から、Z軸方向精度のリニアリティを確保でき、よりZ軸方向の較正が正確となり、Z軸方向の距離測定において高精度の計測が行える。 In the invention of claim 14, in the invention of claim 13, an uneven shape having a different known value in the Z-axis direction is further provided, and an intermediate value can also be used in the calibration in the Z-axis direction. Therefore, the linearity of the Z-axis direction accuracy can be ensured, the calibration in the Z-axis direction becomes more accurate, and high-precision measurement can be performed in the distance measurement in the Z-axis direction.
また、請求項14記載の発明においても、請求項13の発明と同様に随時較正を行うことで、三次元入力素子,インデックス光源等のシステム構成要素の温度変化や経時変化等のシステム不安定要因が有っても、これの影響を逃れ、安定な計測を行うことが出来る。 Also, in the invention of the fourteenth aspect, as in the invention of the thirteenth aspect, by performing calibration at any time, system instability factors such as temperature change and time-dependent change of system components such as a three-dimensional input element and an index light source are obtained. Even if there is, there is no influence of this, and stable measurement can be performed.
また、請求項15記載の発明では、請求項13または請求項14の発明における凹凸形状物を、標的上の予め定めたX,Y座標上に配置するようにしており、この組み合わせから請求項12で示したと同様に、標的内の大まかな位置を凹凸形状物の配置として持つ。 In the invention described in claim 15, the uneven shape in the invention of claim 13 or claim 14 is arranged on predetermined X and Y coordinates on the target. In the same manner as described above, the rough position in the target is arranged as the uneven shape object.
これにより、請求項12の発明でも述べた、「標的が撮像領域より充分に大きな場合、標的と被計測物が例えば外乱等の影響で撮像周期より高速に撮像領域外まで移動してしまうと、三次元位置センサの画像からだけでは標的内の何処を計測しているかが判らなくなり、正しい座標情報を得られない事となる」という不具合を避ける事ができ、より高信頼性を有する計測が可能となる。 Accordingly, as described in the invention of claim 12, “When the target is sufficiently larger than the imaging region, the target and the object to be measured move out of the imaging region at a higher speed than the imaging cycle due to, for example, disturbance, etc. It is not possible to know where the target is being measured from the 3D position sensor image alone, and correct coordinate information cannot be obtained. This enables more reliable measurement. It becomes.
また、請求項16記載の発明では、請求項13または請求項14記載の形状計測装置において、前記標的に設けられる凹凸形状物は、Z軸方向の距離が既知量である段差形状を有していることを特徴としている。すなわち、請求項16記載の発明では、標的にZ軸方向に複数の距離が既知である段差を有する凹凸形状物を設けている。これにより、この段差の値をZ軸方向の較正値として用いることにより、高精度の三次元計測が行える。これにより、1つの凹凸形状物で請求項14に述べた発明と同様の効果を得られることから、より小型,低価格での計測が可能となる。 Further, in the invention according to claim 16, in the shape measuring apparatus according to claim 13 or claim 14, the uneven shape object provided on the target has a step shape whose distance in the Z-axis direction is a known amount. It is characterized by being. That is, in the invention described in claim 16, the target is provided with a concavo-convex shape having a plurality of steps whose distances are known in the Z-axis direction. Thereby, highly accurate three-dimensional measurement can be performed by using the value of this level difference as a calibration value in the Z-axis direction. As a result, the same effect as that of the invention described in claim 14 can be obtained with a single concavo-convex shaped object, so that measurement at a smaller size and lower cost is possible.
また、随時較正を行うことで、三次元入力素子,インデックス光源等の温度や経時変化に対しても、安定な計測を行うことが出来る。
Further, by performing calibration at any time, it is possible to perform stable measurement even with respect to temperature and temporal changes of the three-dimensional input element, the index light source, and the like.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
従来、小型の光学デバイスとしては、フォトカプラやPSDセンサ(例えばシャープ製:型名GP2D12)があげられる。 Conventionally, as a small-sized optical device, a photocoupler and a PSD sensor (for example, manufactured by Sharp: model name GP2D12) can be cited.
これらは発光素子と受光素子を組み合わせた素子であるが、前者は単に物体の有無を検知するものであり、後者は距離のみを検知するもので、三次元物体の計測を意図したものではない。 These are elements in which a light emitting element and a light receiving element are combined. However, the former simply detects the presence or absence of an object, and the latter detects only a distance and is not intended to measure a three-dimensional object.
また、このような小型の光学デバイスを用いて高精度の三次元計測が実現出来たとしても、このようなデバイスの場合、原理的にその測定領域は光学素子(レンズ)やデバイスに制限される極めて小さな範囲しか測定出来ないものとなってしまい、大きな被計測物を高精度で測定することが出来なかった。 Even if such a small optical device can be used to realize high-precision three-dimensional measurement, in the case of such a device, in principle, the measurement area is limited to an optical element (lens) or device. Only a very small range could be measured, and a large object to be measured could not be measured with high accuracy.
このような微少領域を高精度で計測可能な三次元計測装置用の計測素子を実現させるためのものとして、平成15年2月19日に出願された本願出願人による先願(特願平15−41072号)がある。 As a means for realizing a measuring element for a three-dimensional measuring apparatus capable of measuring such a minute region with high accuracy, a prior application (Japanese Patent Application No. 15) filed on February 19, 2003 by the present applicant. -41072).
この先願は、光を出射する発光部と物体により反射した光を受光する受光部とが一体化され前記受光部が受光した光に基づいて前記物体の位置情報を三角測量法のの原理を用いて取得する三次元位置センサを複数備え、複数の前記三次元位置センサが取得した前記物体の位置情報に基づいて前記物体の形状を計測するようになっている。 In this prior application, a light emitting unit that emits light and a light receiving unit that receives light reflected by an object are integrated, and the position information of the object is obtained based on the light received by the light receiving unit using the principle of triangulation. A plurality of three-dimensional position sensors to be acquired, and the shape of the object is measured based on the position information of the object acquired by the plurality of three-dimensional position sensors.
この先願によれば、微少領域を高精度で三次元計測が可能なだけでなく、測定領域を広く取ることが出来、且つ高精度で計測出来る。すなわち、被計測物が小さな形状から大きな形状であっても、高精度での計測が可能な三次元計測装置を低コストで実現出来る。 According to this prior application, not only a minute area can be measured three-dimensionally with high precision, but also a wide measurement area can be taken and measurement can be performed with high precision. That is, it is possible to realize a three-dimensional measuring apparatus capable of measuring with high accuracy at low cost even if the object to be measured has a small shape to a large shape.
しかし、このような微少な三次元位置センサ素子を複数組み合わせて三次元計測を行わせる場合、各素子から大量の画像データ若しくは三次元データが発生するため、これらを高速に処理する場合には演算能力や通信帯域幅に問題が生じる。 However, when three-dimensional measurement is performed by combining a plurality of such minute three-dimensional position sensor elements, a large amount of image data or three-dimensional data is generated from each element. Problems arise in capacity and communication bandwidth.
即ち、これらのデータ量は膨大なものであり、三次元全体の画像を認識し、これによる制御システム構成しようとした場合には、高速なデータ処理が出来ず、システムを構成することが困難となるという問題を抱えていた。 In other words, the amount of these data is enormous, and when it is attempted to construct a control system by recognizing an entire three-dimensional image, it is difficult to construct a system because high-speed data processing cannot be performed. Had the problem of becoming.
例えばこのような三次元計測装置の応用例として、多関節、超多関節、若しくは筋肉型アクチュエータを有するロボットにおいて、三次元位置センサによってこれらの動きを計測し、NFB(負帰還)制御を行うことが考えられる。しかし、この場合、膨大な量の三次元データが発生するため、このような従来用いられた構成において高速な制御は困難であった。 For example, as an application example of such a three-dimensional measuring apparatus, in a robot having a multi-joint, a super-multi-joint, or a muscular actuator, these movements are measured by a three-dimensional position sensor, and NFB (negative feedback) control is performed. Can be considered. However, in this case, an enormous amount of three-dimensional data is generated, so that high-speed control is difficult in such a conventionally used configuration.
本発明は、更に、このようなシステムにおいて発生する膨大な三次元データ量の問題を解決し、高速にデータ処理が行え、且つ高精度で、低コストの制御を行わせる三次元位置計測装置を実現することを意図している。 The present invention further solves the problem of the huge amount of three-dimensional data generated in such a system, and can provide a three-dimensional position measuring device that can perform high-speed data processing, perform high-precision, and low-cost control. Intended to be realized.
そして、これにより、例えば、複数の三次元位置センサを組み合わせた高速の三次元動体計測、及びこれを用いた制御システムを可能にすることを意図している。 Thus, for example, it is intended to enable a high-speed three-dimensional moving body measurement combining a plurality of three-dimensional position sensors and a control system using the same.
(第1の形態)
本発明の第1の形態は、複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データをポイントデータ組に変換する変換手段と、変換手段からのポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測する処理装置とを有していることを特徴としている。
(First form)
A first aspect of the present invention includes a plurality of three-dimensional position sensors, conversion means for converting three-dimensional position data, which is surface data from each three-dimensional position sensor, into a point data set, and point data from the conversion means It has a processing device for measuring the shape of the object to be measured based on the set.
ここで、各三次元位置センサとしては、例えば、光を出射する発光部と、物体により反射した光を受光する受光部と、この受光部が受光した光に基づいて前記物体の三次元位置情報を三角測量法の原理を用いて取得する処理部とを単一の基板上に備えた構成のものを用いることができる。 Here, as each three-dimensional position sensor, for example, a light emitting unit that emits light, a light receiving unit that receives light reflected by the object, and the three-dimensional position information of the object based on the light received by the light receiving unit Can be used which has a processing unit that acquires the data using the principle of triangulation on a single substrate.
第1の形態によれば、複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データをポイントデータ組に変換し、変換されたポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測するので、このようなシステムにおいて発生する膨大な三次元データ量の問題を解決し、高速にデータ処理が行え、且つ高精度で、低コストの制御を行わせることができる。 According to the first embodiment, a plurality of three-dimensional position sensors are provided, and the three-dimensional position data, which is the surface data from each three-dimensional position sensor, is converted into a point data set, and based on the converted point data set, Since the shape of the measurement object is measured, it is possible to solve the problem of the huge amount of three-dimensional data generated in such a system, to perform data processing at high speed, and to perform high-accuracy and low-cost control. .
(第2の形態)
本発明の第2の形態は、第1の形態の形状計測装置において、前記変換手段は、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられていることを特徴としている。
(Second form)
According to a second aspect of the present invention, in the shape measurement apparatus according to the first aspect, the conversion unit is provided in each of a plurality of three-dimensional position sensors.
この場合、変換手段としての機能は、三次元位置センサの処理部にもたせることができる。 In this case, the function as the conversion means can be provided to the processing unit of the three-dimensional position sensor.
(第3の形態)
本発明の第3の形態は、第1または第2の形態の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、x,y,zからなる3つの位置パラメータからなる3個のポイントデータ組に変換することを特徴としている。
(Third form)
According to a third aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the first or second aspect, the converting means converts three-dimensional position data, which is surface data from each three-dimensional position sensor, from x, y, z. It is characterized in that it is converted into three point data sets consisting of three positional parameters.
第3の形態では、第1または第2の形態の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、x,y,zからなる3つの位置パラメータからなる3個のポイントデータ組に変換するようにしており、被計測物から得た三次元画像データをそのまま用いるのではなく、夫々の三次元位置センサの計測域に関する代表値としてx,y,zの3つの位置パラメータからなる3個のポイントデータ組として出力するようにしている。これにより、三次元画像データをそのまま取り扱う場合に比べ、大幅にデータの量を低減でき、後段の処理や通信量のようなシステムへの負担を軽減する事ができる。また、これらのポイントデータから三次元位置センサが離れて設置されているために計測できていない箇所のデータの補完を行い、連続した被計測物全体の形状を得るようにすることで、高速な計測が可能になると同時に、計測のみならずアクチュエータの動きを監視しコントロールを行うために必須である、高速動作が求められる制御系の帰還信号として用いることも可能となる。これを用いた動体の計測制御の例として、アクチュエータを有する面状の被計測物に本発明を適用して自由な曲面を得るような制御も行える。また、この場合、異なる有効測定距離を持つ三次元位置センサを組合せて用いる事により、被計測物が小さなものから大きなものであっても、高精度の計測を可能としている。 According to a third aspect, in the shape measuring apparatus according to the first or second aspect, the conversion means converts three-dimensional position data, which is surface data from each three-dimensional position sensor, into three pieces of x, y, and z. Instead of using the three-dimensional image data obtained from the object to be measured as it is as a representative value for the measurement area of each three-dimensional position sensor, x, The data is output as three point data sets composed of three positional parameters y and z. Thereby, compared with the case where 3D image data is handled as it is, the amount of data can be greatly reduced, and the burden on the system, such as subsequent processing and communication volume, can be reduced. In addition, since the 3D position sensor is installed away from these point data, the data of the part that cannot be measured is complemented to obtain the shape of the entire continuous object to be measured. At the same time as measurement is possible, it can be used as a feedback signal for a control system that requires high-speed operation, which is indispensable for monitoring and controlling not only measurement but also actuator movement. As an example of measurement control of a moving object using this, it is possible to perform control such that a free curved surface is obtained by applying the present invention to a planar object to be measured having an actuator. In this case, by using a combination of three-dimensional position sensors having different effective measurement distances, high-precision measurement is possible even if the object to be measured is small to large.
(第4の形態)
本発明の第4の形態は、第1または第2の形態の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、x,y,zからなる3つの位置パラメータとオイラー角φ,θ,ψとからなる6個のポイントデータ組に変換することを特徴としている。
(4th form)
According to a fourth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the first or second aspect, the conversion means converts the three-dimensional position data, which is surface data from each three-dimensional position sensor, from x, y, z. It is characterized in that it is converted into six point data sets consisting of the following three positional parameters and Euler angles φ, θ, ψ.
すなわち、被計測物からの三次元位置データをサンプリングして、x,y,zの3つの位置パラメータとそれぞれの軸の回転角であるオイラー角φ,θ,ψとからなる6個のポイントデータ組として出力するようにしている。これにより、三次元画像データをそのまま取り扱う場合に比べ、請求項3の発明と同様に、大幅にデータの量を低減できる。さらに、請求項4記載の発明では、請求項3と比べ、ポイントデータが回転角をも有するデータとなっているため、これらポイントデータにより計測していない部分のデータを後のデータ処理により補完するに際し、位置だけのポイントデータの場合と比べ、高い精度を得ることができる。 That is, six point data consisting of three position parameters x, y, and z and Euler angles φ, θ, and ψ that are rotation angles of the respective axes are sampled from three-dimensional position data from the measurement object. Output as a set. As a result, as compared with the case where the three-dimensional image data is handled as it is, the amount of data can be greatly reduced as in the third aspect of the invention. Furthermore, in the invention according to claim 4, since the point data is data having a rotation angle as compared with claim 3, the data not measured by the point data is supplemented by later data processing. In this case, it is possible to obtain higher accuracy than in the case of point data of only position.
(第5の形態)
本発明の第5の形態は、第1乃至第4のいずれかの形態の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段は、前記処理装置に並列接続されており、各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に並列的に入力するようになっていることを特徴としている。
(5th form)
According to a fifth aspect of the present invention, in the shape measurement apparatus according to any one of the first to fourth aspects, each conversion unit provided in each of the plurality of three-dimensional position sensors is connected in parallel to the processing device. The point data set from each conversion means is input to the processing device in parallel.
(第6の形態)
本発明の第6の形態は、第1乃至第4のいずれかの形態の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に直列信号として入力するようになっていることを特徴としている。
(Sixth form)
According to a sixth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to any one of the first to fourth aspects, the point data set from each conversion unit provided in each of the plurality of three-dimensional position sensors is the above processing. It is characterized by being input as a serial signal to the device.
すなわち、第6の形態では、第1乃至第4のいずれかの形態の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に直列信号として入力するようになっており、各変換手段からのポイントデータをシリアル(直列)信号として処理装置に送り、形状計測を行わせるようにしている。 That is, in the sixth aspect, in the shape measuring apparatus according to any one of the first to fourth aspects, the point data set from each conversion unit provided in each of the plurality of three-dimensional position sensors is the processing device. As a serial signal, the point data from each conversion means is sent as a serial signal to the processing device for shape measurement.
前述した第5の形態では、変換手段からのポイントデータを処理手段に送るに際しては並列接続を用いていた。しかし、この場合、精度良く形状計測を行うためには三次元位置センサを多数設ける必要があることから、処理手段への接続線の数が膨大となり、配置の自由度の制約のみならず配線面積が増大し、大型化,動作の不安定化,コスト増等の問題があった。 In the fifth embodiment described above, parallel connection is used when sending point data from the conversion means to the processing means. However, in this case, since it is necessary to provide a large number of three-dimensional position sensors in order to accurately measure the shape, the number of connection lines to the processing means becomes enormous and the wiring area is not limited as well as restrictions on the degree of freedom of placement. However, there were problems such as increase in size, unstable operation, and cost increase.
これに対し、第6の形態では、各変換手段からのポイントデータをシリアル(直列)信号として処理手段に送ることから、信号線の数を減少させることができて、配置の自由度の制約のみならず配線面積が増大し、大型化,動作の不安定化,コスト増等の問題を解決する事ができる。 On the other hand, in the sixth embodiment, since the point data from each conversion means is sent to the processing means as a serial signal, the number of signal lines can be reduced, and only the restriction on the degree of freedom of arrangement is possible. In addition, the wiring area increases, and problems such as an increase in size, unstable operation, and cost increase can be solved.
(第7の形態)
本発明の第7の形態は、第1乃至第6のいずれかの形態の形状計測装置において、被計測物に所定の標的を設け、各標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも大きく設定されていることを特徴としている。
(7th form)
According to a seventh aspect of the present invention, in the shape measurement apparatus according to any one of the first to sixth aspects, a predetermined target is provided on the object to be measured, and the imaging area of the three-dimensional position sensor for each target is larger than the target area. It is characterized by a large setting.
第7の形態では、第1乃至第6のいずれかの形態の形状計測装置において、被計測物に所定の標的を設け、各標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも大きく設定されるようにしており、被計測物表面に設けた標的の変位のみをサンプリング計測するようにすることにより、画像データからポイントデータに変換する際の演算量を減らす事ができ、より高速な処理を安価に提供できる。また標的とその設置面(背景)とのコントラストを明瞭にする事で、三次元位置センサからの画像データにおける標的のエッジが明瞭になる事から、XYの移動量を精度良く検知できる。この結果、時間的に連続した撮影を行う事で移動量の計測をより正確に行なうことができる。 In the seventh aspect, in the shape measuring apparatus according to any one of the first to sixth aspects, a predetermined target is provided on the object to be measured, and the imaging region of the three-dimensional position sensor for each target is set larger than the target area. By sampling only the target displacement provided on the surface of the object to be measured, the amount of calculation when converting from image data to point data can be reduced, and faster processing is possible. Can be provided at low cost. Further, by clarifying the contrast between the target and its installation surface (background), the target edge in the image data from the three-dimensional position sensor becomes clear, so that the amount of movement of XY can be detected with high accuracy. As a result, the amount of movement can be measured more accurately by performing continuous temporal shooting.
すなわち、在来の形状計測では、直接、被計測物の形状の測定を行うのを常としており、この場合には、微妙なコントラストを基に計測しなければならず、また反射等の問題も有り、精度も良くなく、処理にも多大な時間や労力を費やしていたが、第7の形態では、所定の標的を被計測物表面に設ける事で、間接的な手法で被計測物の形状を測定する事から、上記のような問題は発生しない。また、この場合の三次元位置センサの計測領域を標的よりも大きなものと設定することにより、標的と計測領域が同等の大きさである場合に比べ、被計測物の大きな変位(移動)に伴いセンサが標的を見失う欠点を緩和することができる。 In other words, in conventional shape measurement, it is usual to directly measure the shape of the object to be measured. In this case, measurement must be performed based on subtle contrast, and there are problems such as reflection. Yes, accuracy is not good, and processing takes a lot of time and labor, but in the seventh embodiment, by providing a predetermined target on the surface of the object to be measured, the shape of the object to be measured can be obtained indirectly. The above-mentioned problem does not occur. Also, by setting the measurement area of the three-dimensional position sensor in this case to be larger than the target, compared to the case where the target and the measurement area are the same size, the measured object is subject to a large displacement (movement). The disadvantage that the sensor misses the target can be alleviated.
(第8の形態)
本発明の第8の形態は、第1乃至第6のいずれかの形態の形状計測装置において、被計測物にパターンニングされた所定の標的を設け、該標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも小さく設定されていることを特徴としている。
(Eighth form)
According to an eighth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to any one of the first to sixth aspects, a predetermined target patterned on the object to be measured is provided, and an imaging region of the three-dimensional position sensor with respect to the target is provided. It is characterized by being set smaller than the target area.
すなわち、第8の形態では、被計測物に設ける標的の大きさを三次元位置センサの計測領域よりも大きい面積で且つ人為的にパターンニングされたものとしている。これにより、被計測物が大きな変位を持った場合でも計測領域から標的がはずれることが少ない。また、第7の形態では、標的を逃さないためには三次元位置センサの計測領域を大きく設定しなければならず、このため解像度(精度)を向上させるためには多数の画素数が必要となり、大型でしかも高価となる欠点があったが、第8の形態では、計測領域を小さくする事ができ、同じ画素数でも標的に対し相対的に高解像度を有することから高精度の計測が行える。さらに、標的にパターニングを施すようにしたので、そのパターンの特徴を検知することで、標的の動きを得るに際し、移動量を明確にすることができて、高精度の三次元計測が行える。 That is, in the eighth embodiment, it is assumed that the size of the target provided on the object to be measured is artificially patterned with an area larger than the measurement region of the three-dimensional position sensor. As a result, even when the object to be measured has a large displacement, the target is unlikely to deviate from the measurement region. In the seventh embodiment, in order not to miss the target, the measurement area of the three-dimensional position sensor must be set large, and thus a large number of pixels is required to improve the resolution (accuracy). However, in the eighth embodiment, the measurement area can be reduced, and even with the same number of pixels, it has a relatively high resolution with respect to the target, so that high-precision measurement can be performed. . Further, since the patterning is performed on the target, the amount of movement can be clarified by detecting the feature of the pattern, and high-precision three-dimensional measurement can be performed.
(第9の形態)
本発明の第9の形態は、第8の形態の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、計測座標に対してX方向とY方向の直線状パターンからなる構成となっていることを特徴としている。
(9th form)
According to a ninth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the eighth aspect, the patterning of the target is configured by linear patterns in the X direction and the Y direction with respect to the measurement coordinates. It is said.
すなわち、第9の形態では、標的は、パターンニングをX方向に並べたものとY方向に並べたものとのパターンの組合せとしている。被計測物及び標的の動きを検出するにあたり、三次元位置センサにより直前に撮影した画像との差分をとることにより、現在のXY座標の移動量を求めるが、これに際してX方向とY方向に直線状パターンを有する事から、標的内に有る画像上のパターンのコントラストが明瞭となり、三次元位置センサに取り込まれた標的画像のパターンエッジが明瞭となる事から、微細な被計測物及び標的の動きを確実に検出する事ができる。 That is, in the ninth embodiment, the target is a combination of patterns in which patterning is arranged in the X direction and in the Y direction. In detecting the movement of the object to be measured and the target, the amount of movement of the current XY coordinates is obtained by taking the difference from the image captured immediately before by the three-dimensional position sensor. In this case, a straight line is obtained in the X and Y directions. Because the pattern pattern on the target is clear, the pattern contrast on the image in the target is clear, and the pattern edge of the target image captured by the three-dimensional position sensor is clear. Can be reliably detected.
(第10の形態)
本発明の第10の形態は、第8の形態の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、X方向,Y方向の直線状パターンを複数組み合わせた構成となっていることを特徴としている。
(10th form)
According to a tenth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the eighth aspect, the patterning of the target is configured by combining a plurality of linear patterns in the X direction and the Y direction.
すなわち、第10の形態では、第9の形態のX,Y方向の直線状パターンを複数組み合わせるようにしている。第9の形態では、被計測物が大きく動いた場合、X方向若しくはY方向一つだけのパターンを用いて計測せざるを得ないこととなる。この場合、X方向の線状パターンのみを用いた計測ではX方向の動き量(変位)を精度良く検出するのは困難となる。これに対して、第10の形態においては、複数のXYパターンを有しており、この不具合を避ける事ができる事から、より高精度の計測が可能となる。 That is, in the tenth embodiment, a plurality of linear patterns in the X and Y directions of the ninth embodiment are combined. In the ninth embodiment, when the object to be measured moves greatly, measurement must be performed using only one pattern in the X direction or the Y direction. In this case, it is difficult to accurately detect the amount of movement (displacement) in the X direction by measurement using only the linear pattern in the X direction. On the other hand, the tenth embodiment has a plurality of XY patterns, and this problem can be avoided, so that measurement with higher accuracy is possible.
また、口型や田方のようなパターンは、第10の形態の延長上にあるものとみなす事ができる。 A pattern such as a mouth shape or a tabacle can be regarded as an extension of the tenth embodiment.
また、波形のような曲線を有するパターンも同様に、第10の形態の延長上にあるものとみなす事ができるが、三次元位置センサに取り込まれた標的画像の処理量において不利となり、処理時間の低下を招く。 Similarly, a pattern having a curve such as a waveform can be regarded as an extension of the tenth embodiment, but this is disadvantageous in the processing amount of the target image captured by the three-dimensional position sensor, and the processing time Cause a decline.
(第11の形態)
本発明の第11の形態は、第9または第10の形態の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、X方向,Y方向の直線状パターンの間隔が異なるものを組み合わせた構成となっていることを特徴としている。
(Eleventh form)
According to an eleventh aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the ninth or tenth aspect, the patterning of the target is a combination of different linear pattern intervals in the X and Y directions. It is characterized by being.
すなわち、第11の形態では、第9,第10の形態における発明における直線パターンの間隔を適宜変化を持たせたものとしている。第9,第10の形態では、三次元位置センサの撮影周期と被計測物及び標的の移動量が標的のパターンの周期と一致した場合、検出が困難若しくは移動量を算出する演算に時間がかかる不具合がある。これに対し、第11の形態では、例えば1/fの揺らぎや、乱数などを用いてパターンの周期性を無くする事により、この不具合を避ける事ができる事から、より信頼性の高い計測が可能となる。 That is, in the eleventh embodiment, the linear pattern interval in the ninth and tenth embodiments is appropriately changed. In the ninth and tenth embodiments, when the imaging period of the three-dimensional position sensor and the movement amount of the measurement object and the target coincide with the period of the target pattern, it is difficult to detect or it takes time to calculate the movement amount. There is a bug. On the other hand, in the eleventh embodiment, this problem can be avoided by eliminating the periodicity of the pattern using, for example, 1 / f fluctuation or random numbers, so that more reliable measurement can be performed. It becomes possible.
(第12の形態)
本発明の第12の形態は、第8乃至第11のいずれかの形態の形状計測装置において、前記標的にはスペクトラムの異なる色分けを施し、前記三次元位置センサの受光部は、これらの色のスペクトラム特性に合致する色フィルターを有していることを特徴としている。
(Twelfth embodiment)
According to a twelfth aspect of the present invention, in the shape measurement apparatus according to any one of the eighth to eleventh aspects, the target is color-coded with a different spectrum, and the light receiving unit of the three-dimensional position sensor It is characterized by having a color filter that matches the spectral characteristics.
すなわち、第12の形態では、標的内の座標(位置)を表すパターンをそれぞれスペクトラム(色)の異なるパターンとし、三次元位置センサの受光部にはこれら標的内パターンのスペクトラムを区別するための色フィルターを設けている。 That is, in the twelfth embodiment, patterns representing coordinates (positions) in the target are patterns having different spectra (colors), and the light receiving unit of the three-dimensional position sensor has colors for distinguishing the spectra of the patterns in the target. A filter is provided.
標的が撮像領域より充分に大きな場合、標的と被計測物が例えば外乱等の影響で撮像周期より高速に撮像領域外まで移動してしまうと、三次元位置センサの画像からだけでは標的内の何処を計測しているかが判らなくなり、正しい座標情報を得られない事となる。第12の形態では、前述したように標的内の大まかな位置をスペクトラム情報として持つ事により、この不具合を避ける事ができる事から、より高信頼性を有する計測が可能となる。 When the target is sufficiently larger than the imaging area, if the target and the object to be measured move out of the imaging area at a higher speed than the imaging period due to, for example, disturbance, the location within the target can be determined only from the image of the 3D position sensor. It becomes impossible to know whether or not the coordinate is measured, and correct coordinate information cannot be obtained. In the twelfth embodiment, as described above, by having a rough position in the target as spectrum information, this problem can be avoided, so that measurement with higher reliability is possible.
(第13の形態)
本発明の第13の形態は、第8乃至第12のいずれかの形態の形状計測装置において、前記標的には、Z軸方向の距離が既知量である凹凸形状物が設けられていることを特徴としている。
(13th form)
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to any one of the eighth to twelfth aspects, the target is provided with an uneven shape object having a known distance in the Z-axis direction. It is a feature.
第13の形態では、標的内にZ軸方向の距離が予め既知の凹凸形状物を設けており、この値をZ軸方向の較正値として用いることにより、高精度の計測が行える。 In the thirteenth embodiment, an uneven shape whose distance in the Z-axis direction is known in advance is provided in the target, and by using this value as a calibration value in the Z-axis direction, highly accurate measurement can be performed.
また、これを用いてZ軸方向の較正を随時行うことで、三次元入力素子,インデックス光源等のシステム構成要素の温度変化や経時変化等のシステム不安定要因が有っても、これの影響を逃れ、安定な計測を行うことが出来る。 In addition, by performing calibration in the Z-axis direction at any time using this, even if there are system instability factors such as temperature changes and changes over time of system components such as three-dimensional input elements and index light sources, the effect of this It is possible to perform stable measurement.
また、この凹凸形状は被計測物自体に突起等を設けるようにすることで、被計測物に標的を追加添付する必要がなく、低コストのシステムが出来る。 In addition, by providing protrusions and the like on the object to be measured, this uneven shape does not require an additional target attached to the object to be measured, and a low-cost system can be achieved.
(第14の形態)
本発明の第14の形態は、第13の形態の形状計測装置において、前記標的には、複数の凹凸形状物が設けられ、各凹凸形状物は既知量であるZ軸方向の距離がそれぞれ異なる値を採ることを特徴としている。
(14th form)
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the thirteenth aspect, the target is provided with a plurality of uneven shapes, and each uneven shape has a known amount of distance in the Z-axis direction. It is characterized by taking values.
第14の形態では、第13の形態において、更にZ軸方向に異なる既知の値を持つ凹凸形状物を設けるようにしており、Z軸方向の較正において中間値をも利用できる事から、Z軸方向精度のリニアリティを確保でき、よりZ軸方向の較正が正確となり、Z軸方向の距離測定において高精度の計測が行える。 In the fourteenth embodiment, an uneven shape having a different known value in the Z-axis direction is further provided in the thirteenth embodiment, and an intermediate value can also be used in the calibration in the Z-axis direction. The linearity of the direction accuracy can be ensured, the calibration in the Z-axis direction becomes more accurate, and high-precision measurement can be performed in the distance measurement in the Z-axis direction.
また、第13の形態と同様に随時較正を行うことで、三次元入力素子,インデックス光源等のシステム構成要素の温度変化や経時変化等のシステム不安定要因が有っても、これの影響を逃れ、安定な計測を行うことが出来る。 In addition, by performing calibration as needed in the same manner as in the thirteenth embodiment, even if there is a system instability factor such as a temperature change or a change over time of system components such as a three-dimensional input element and an index light source, the influence of this is affected. Escape and stable measurement can be performed.
(第15の形態)
本発明の第15の形態は、第13または第14の形態の形状計測装置において、前記標的に設けられる複数の凹凸形状物は、配置において、標的上の凹凸形状物のX、Y座標があらかじめ既知となっていることを特徴としている。
(15th form)
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the thirteenth or fourteenth aspect, the plurality of uneven shapes provided on the target are arranged so that the X and Y coordinates of the uneven shapes on the target are in advance. It is characterized by being known.
すなわち、第15の形態では、第13または第14の形態における凹凸形状物を、標的上の予め定めたX,Y座標上に配置するようにしており、この組み合わせから第12の形態で示したと同様に、標的内の大まかな位置を凹凸形状物の配置として持つ。 That is, in the fifteenth embodiment, the concavo-convex shaped object in the thirteenth or fourteenth embodiment is arranged on the predetermined X and Y coordinates on the target, and this combination shows the twelfth embodiment. Similarly, it has the rough position in the target as the arrangement of the concavo-convex shape object.
これにより、第12の形態でも述べた、「標的が撮像領域より充分に大きな場合、標的と被計測物が例えば外乱等の影響で撮像周期より高速に撮像領域外まで移動してしまうと、三次元位置センサの画像からだけでは標的内の何処を計測しているかが判らなくなり、正しい座標情報を得られない事となる」という不具合を避ける事ができ、より高信頼性を有する計測が可能となる。 Accordingly, as described in the twelfth embodiment, “if the target is sufficiently larger than the imaging region, the target and the object to be measured move out of the imaging region at a higher speed than the imaging period due to, for example, disturbance, etc. It is not possible to know where the target is being measured from the original position sensor image alone, and correct coordinate information cannot be obtained.This enables measurement with higher reliability. Become.
(第16の形態)
本発明の第16の形態は、第13または第14の形態の形状計測装置において、前記標的に設けられる凹凸形状物は、Z軸方向の距離が既知量である段差形状を有していることを特徴としている。
(16th form)
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the thirteenth or fourteenth aspect, the uneven shape object provided on the target has a step shape whose distance in the Z-axis direction is a known amount. It is characterized by.
すなわち、第16の形態では、標的にZ軸方向に複数の距離が既知である段差を有する凹凸形状物を設けている。これにより、この段差の値をZ軸方向の較正値として用いることにより、高精度の三次元計測が行える。これにより、1つの凹凸形状物で第14の形態で述べたと同様の効果を得られることから、より小型,低価格での計測が可能となる。 That is, in the sixteenth embodiment, the target is provided with a concavo-convex shape having a plurality of steps whose distances are known in the Z-axis direction. Thereby, highly accurate three-dimensional measurement can be performed by using the value of this level difference as a calibration value in the Z-axis direction. As a result, the same effect as described in the fourteenth embodiment can be obtained with a single concavo-convex shaped object, so that measurement with a smaller size and lower cost is possible.
また、随時較正を行うことで、三次元入力素子,インデックス光源等の温度や経時変化に対しても、安定な計測を行うことが出来る。 Further, by performing calibration at any time, it is possible to perform stable measurement even with respect to temperature and temporal changes of the three-dimensional input element, the index light source, and the like.
在来の画像による三次元入力システムでは、被計測物を見たままの自然画像として扱ってきた。本発明においては画像による三次元入力の手法を採りながらも、敢えて直接画像をデータとしては用いず、被計測物の一部を計測した画像を基にx,y,zからなる座標(位置)の3パラメータ、若しくはそれにx,y,z夫々の軸の回転角であるφ,θ,ψを加えた6パラメータとして変換する事で、データ量を著しく減少させている。それにより、システムの通信量及び後段の処理量を減らせる事から、計測の高速化、小型化、低コスト化を果たせる。また、被計測物の全体像は、これらx,y,z,φ,θ,ψの離散化されたデータより再び画像データに戻す事ができ、これを用いた計測を可能としている。 Conventional three-dimensional input systems using images have been treated as natural images as they are measured. In the present invention, although a three-dimensional input method using an image is employed, the image (x), x, y, and z coordinates based on an image obtained by measuring a part of the object to be measured is not used as data. The amount of data is remarkably reduced by converting these parameters into six parameters obtained by adding the three parameters, φ, θ, and ψ, which are the rotation angles of the x, y, and z axes. As a result, the communication amount of the system and the processing amount of the subsequent stage can be reduced, so that the measurement can be speeded up, downsized, and the cost can be reduced. Further, the entire image of the object to be measured can be returned to the image data again from the discretized data of x, y, z, φ, θ, and ψ, and measurement using this can be performed.
また、想定している被計測物は、主として機械制御が目的であり、人工的環境で用いられる事から、画像入力装置の対象として自然画像として被計測物を扱うのではなく、システムの一部として被計測物に人工的にデザインした標的を設け、この標的を画像入力装置を用いて計測することにより、安定で高精度の計測を可能としている。 In addition, since the object to be measured is mainly intended for machine control and is used in an artificial environment, the object to be measured is not treated as a natural image as a target of an image input device, but a part of the system. As described above, an artificially designed target is provided on the object to be measured, and this target is measured using an image input device, thereby enabling stable and highly accurate measurement.
上述の例では、変換手段としての機能は、三次元位置センサの処理部にもたせるとしたが、変換手段の機能を処理部とは別体に設けることもできる。但し、変換手段の機能が処理部内に設けられている方が、小型化等にとって好ましい。 In the above-described example, the function as the conversion unit is provided to the processing unit of the three-dimensional position sensor. However, the function of the conversion unit may be provided separately from the processing unit. However, it is preferable for downsizing or the like that the function of the conversion means is provided in the processing unit.
また、上述の例では、各三次元位置センサとして、光を出射する発光部と、物体により反射した光を受光する受光部と、この受光部が受光した光に基づいて前記物体の三次元位置情報を三角測量法の原理を用いて取得する処理部とを単一の基板上に備えた構成のものを用いることができるとしたが、これ以外の構成のものを用いることもできる。例えば、処理部が発光部,受光部とは別の基板上に構成されていても良く、各三次元位置センサが任意の構成になっていても、本発明を同様に適用できる。 In the above-described example, as each three-dimensional position sensor, a light emitting unit that emits light, a light receiving unit that receives light reflected by the object, and a three-dimensional position of the object based on the light received by the light receiving unit. Although a configuration in which a processing unit that acquires information using the principle of triangulation method is provided on a single substrate can be used, a configuration having other configurations can also be used. For example, the processing unit may be configured on a different substrate from the light emitting unit and the light receiving unit, and the present invention can be similarly applied even if each three-dimensional position sensor has an arbitrary configuration.
以下に本発明の基本的な構成例に関して説明する。 Hereinafter, a basic configuration example of the present invention will be described.
先ず、本発明の基本的な構成例は、図1に示すように、動体であることも考慮した被計測物に対し、三次元位置センサを設けた三次元位置検出装置を想定している。 First, as shown in FIG. 1, the basic configuration example of the present invention assumes a three-dimensional position detection apparatus provided with a three-dimensional position sensor for a measurement object that is also considered to be a moving object.
図2には、三次元位置センサの基本構成例が示されている。図2を参照すると、三次元位置センサは、被計測物に対し、光源(発光部)から濃度傾斜を有する濃度パターンを被計測物に照射し、それからの反射光を画像入力装置(受光部)で受け、この画像入力装置(受光部)からの出力を用い、図3に示すような位置データ算出器(処理部内のXY方向演算器,Z方向演算器)で処理を行う事により、画像入力装置(受光部)と被計測物との距離(Z)を計測する事が出来る。これは、強度比法として広く知られている。強度比法は、被測定物を含む対象空間に濃度分布を有する2次元画像を投影し、そのパターンが照射された空間を画像入力装置(受光部)を用いて撮影し、それを基に、三次元情報を得る方式である。強度比法は良く知られた方式でもあり、これ以上の説明は行わない。もちろん本方式は本発明の1つの例であり、その他の測距方式を用いても本発明の基本的効果を損なうものではない。 FIG. 2 shows a basic configuration example of the three-dimensional position sensor. Referring to FIG. 2, the three-dimensional position sensor irradiates the object to be measured with a density pattern having a density gradient from the light source (light emitting unit) to the object to be measured, and receives reflected light from the image input device (light receiving unit). And using the output from the image input device (light receiving unit), the image data is input by performing processing with a position data calculator (XY direction computing unit, Z direction computing unit in the processing unit) as shown in FIG. The distance (Z) between the device (light receiving unit) and the object to be measured can be measured. This is widely known as the intensity ratio method. In the intensity ratio method, a two-dimensional image having a density distribution is projected onto a target space including an object to be measured, and a space irradiated with the pattern is photographed using an image input device (light receiving unit). This is a method for obtaining three-dimensional information. The intensity ratio method is a well-known method and will not be described further. Of course, this method is an example of the present invention, and the use of other distance measuring methods does not impair the basic effect of the present invention.
本発明をより具体的に説明する。 The present invention will be described more specifically.
本発明における三次元位置センサとしては、前述した先願におけるものと同様のものを用いることができる。 As the three-dimensional position sensor in the present invention, the same one as in the above-mentioned prior application can be used.
また、本発明では、図1に示したように、被計測物が動体である場合も想定している。 Moreover, in this invention, as shown in FIG. 1, the case where a to-be-measured object is a moving body is assumed.
被計測物の面を自由な形状に制御しようとした場合や、或いは、多関節,超多関節,若しくは筋肉型のロボットなどにおいて、三次元位置センサによってこれらの形状を把握し、この三次元データを基に、これら被計測物のNFB(負帰還)制御を行おうとした場合、従来方式のセンサでは、処理に時間がかかりすぎたり、大型過ぎて手足の中に入らない等の問題があり、適当な解決策が見当らない。 When trying to control the surface of the object to be measured in a free shape, or in a multi-joint, super-multi-joint, or muscle-type robot, grasp these shapes with a three-dimensional position sensor, and this three-dimensional data Based on the above, when trying to perform NFB (negative feedback) control of these measured objects, the conventional sensor has problems such as taking too much time for processing or being too large to fit in the limb, I can't find a suitable solution.
例えば接触型においては、大型で非常に多くの素子数を必要とし機械的な装置である事から信頼性にも問題がある。また、静電容量型で行おうとした場合には、計測速度が遅く、また雑音環境に弱い等の問題が多い。 For example, the contact type has a problem in reliability because it is large and requires a very large number of elements and is a mechanical device. In addition, when trying to use the capacitance type, there are many problems such as a slow measurement speed and a weak noise environment.
ここで先願のような三次元位置センサを使い、これからの計測データによる三次元データをもとにしたNFB制御を行えば上記の問題をクリアできるだけでなく、集積化が可能なのでインテリジェントなアクチュエータを作れる。 Here, using the three-dimensional position sensor as in the previous application and performing NFB control based on the three-dimensional data based on the measurement data from now on, not only can the above problems be solved, but also integration is possible, so an intelligent actuator can be used. I can make it.
しかし、このようなシステムにおいて、被計測物の面を自由な形状に制御する場合や、動体の制御を行うために三次元データを用いようとすると、在来の三次元計測方式ではそのデータ量は膨大なものとなり、データ処理が困難であり、高速に三次元の画像を認識することが出来ないという問題があった。 However, in such a system, if the surface of the object to be measured is controlled to a free shape or if 3D data is used to control a moving object, the data volume of the conventional 3D measurement method Has become enormous, data processing is difficult, and 3D images cannot be recognized at high speed.
図4には、本発明の第1の具体例が示されている。なお、この第1の具体例は、第1,第2,第3,第4,第5の実施形態に対応している。 FIG. 4 shows a first specific example of the present invention. This first specific example corresponds to the first, second, third, fourth and fifth embodiments.
本発明の第1の具体例では、図4に示すように、被計測物の三次元形状を測定するシステムにおいて、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、例えば、3つの位置パラメータx,y,zに変換する事で、これまで大量の画像データや面データを直接扱わねばならなかったシステムの負担を軽減する事ができる。面データから3つの位置パラメータ(ポイントデータ)への変換例としては、面データの平均値を用いたり、あるいは、面データの最大値を用いたり、あるいは、面データの画像中心部のみを用いたり、あるいは、面データをブロック化し重み付けを行った値による平均値を用いたりすることができる。 In the first specific example of the present invention, as shown in FIG. 4, in the system for measuring the three-dimensional shape of the object to be measured, the three-dimensional position data that is the surface data from each three-dimensional position sensor is, for example, 3 By converting into one position parameter x, y, z, it is possible to reduce the burden on the system that has been required to directly handle a large amount of image data and surface data. Examples of conversion from surface data to three position parameters (point data) include using the average value of surface data, using the maximum value of surface data, or using only the image center of surface data. Alternatively, it is possible to use an average value obtained by blocking and weighting the surface data.
本発明の第1の具体例では、各三次元位置センサからのポイントデータを処理装置に並列信号として入力し、処理装置の中で合成処理を行い、三次元の全体画像を認識出来るデータとして出力させるようになっている。 In the first specific example of the present invention, the point data from each three-dimensional position sensor is input to the processing device as a parallel signal, the synthesis processing is performed in the processing device, and the three-dimensional whole image is output as data that can be recognized. It is supposed to let you.
なお、図4の例においては、各三次元位置センサが単体で被計測物を計測するような場合を示したが、先願に記載されているように、センサ単体ではなく隣接若しくは近接する異なる三次元位置センサ(例えば、図4におけるセンサAT、BR等の組合せ)との組合せで計測するようにしても良い。 In the example of FIG. 4, the case where each three-dimensional position sensor measures a measured object by itself is shown. However, as described in the prior application, the sensors are not adjacent to the sensor but are adjacent or close to each other. You may make it measure in combination with a three-dimensional position sensor (For example, combination of sensor AT , BR, etc. in FIG. 4).
なお、上述の例では、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、例えば、3つの位置パラメータx,y,zに変換したが、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、3つの位置パラメータx,y,z、及びそれらの傾き(回転角)を示すオイラー角データφ,θ,ψの6ポイントデータ(6DOFデータ)に変換演算し出力させるようにしても良い。 In the above example, the three-dimensional position data, which is the surface data from each three-dimensional position sensor, is converted into, for example, three position parameters x, y, z. A certain three-dimensional position data is converted into six point data (6 DOF data) of Euler angle data φ, θ, ψ indicating three position parameters x, y, z and their inclinations (rotation angles), and outputted. Anyway.
この場合、これらのデータは回転角をも有するデータとなっているため、三次元位置センサにより計測されていない(サンプリングされていない)空白部のデータを後のデータ処理により推定補間するに際し、位置データ(3つの位置パラメータ)だけを用いる場合と比べ、より高精度に行うことができる。 In this case, since these data are also data having a rotation angle, the position of the blank portion data not measured (sampled) by the three-dimensional position sensor is estimated and interpolated by later data processing. Compared with the case of using only the data (three position parameters), it can be performed with higher accuracy.
図5には、本発明の第2の具体例が示されている。なお、この第2の具体例は、第1,第2,第3,第4,第6の実施形態に対応している。 FIG. 5 shows a second specific example of the present invention. This second specific example corresponds to the first, second, third, fourth and sixth embodiments.
図5の例が図4と異なる点は、各三次元位置センサからの入力を並列ではなく、シリアルな信号として処理装置に入力するような構成となっていることである。 The example of FIG. 5 is different from FIG. 4 in that the input from each three-dimensional position sensor is input to the processing device as a serial signal instead of in parallel.
図6,図7には、本発明の第3の具体例が示されている。ここで、図7は図6における標的と計測領域との関係を示す図である。なお、この第3の具体例は、第7の実施形態に対応している。 6 and 7 show a third specific example of the present invention. Here, FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the target and the measurement region in FIG. Note that this third specific example corresponds to the seventh embodiment.
本発明の第3の具体例では、図6に示すように、被計測物に複数の標的を設け、これらの標的に対して図4,図5で示した三次元位置センサの発光部(インデックス光源)からの光を照射し、その標的部のみを計測するようにし、標的の変移を前述したポイントデータとして出力するようにしている。この場合の計測領域は、標的よりも広い範囲での計測を行うよう設定している。 In the third specific example of the present invention, as shown in FIG. 6, a plurality of targets are provided on the object to be measured, and the light emitting section (index) of the three-dimensional position sensor shown in FIGS. The light from the light source is irradiated, only the target portion is measured, and the target shift is output as the point data described above. The measurement area in this case is set to perform measurement in a wider range than the target.
なお、図7の例では、標的の形状は矩形となっているが、標的の形状としては、円形状等、他の形状を用いる事もできる。 In addition, in the example of FIG. 7, although the shape of a target is a rectangle, other shapes, such as circular shape, can also be used as a target shape.
また、標的としては、被計測物自体に直接ペイントする等の手段により、これらを表示させたものであっても構わない。 Further, the target may be displayed by means such as directly painting the object to be measured.
また、図8には、本発明の第4の具体例が示されている。なお、この第4の具体例は、第8の実施形態に対応している。 FIG. 8 shows a fourth specific example of the present invention. This fourth specific example corresponds to the eighth embodiment.
第4の具体例では、図8に示すように、第3の具体例とは逆に、三次元位置センサの計測領域を標的の面積よりも十分小さい面積のものとしている。且つ、この場合の被計測物に設ける標的は、人為的にパターニングされた標的としている。 In the fourth specific example, as shown in FIG. 8, contrary to the third specific example, the measurement region of the three-dimensional position sensor has an area sufficiently smaller than the area of the target. In this case, the target provided on the object to be measured is an artificially patterned target.
計測の際はこれらの標的のパターンを計測することで、三次元位置センサと標的との相対的位置関係の動きを計測し、標的と被計測物との初期の位置関係との差分を求める事により、被計測物の動きを知る事ができる。 During measurement, these target patterns are measured to measure the movement of the relative positional relationship between the three-dimensional position sensor and the target, and to obtain the difference between the initial positional relationship between the target and the object to be measured. Thus, the movement of the object to be measured can be known.
また、図9には、本発明の第5の具体例が示されている。なお、この第5の具体例は、第9の実施形態に対応している。 FIG. 9 shows a fifth example of the present invention. This fifth specific example corresponds to the ninth embodiment.
第5の具体例では、図9に示すように、第4の具体例における標的のパターンニングを、被計測物の位置座標に対して、X方向とY方向に直線状パターンを配置したものとしている。 In the fifth specific example, as shown in FIG. 9, the patterning of the target in the fourth specific example is performed by arranging linear patterns in the X direction and the Y direction with respect to the position coordinates of the measurement object. Yes.
このパターンはコントラストが強く、エッジが明瞭に検出できるものが望ましい。また、強度比法を用いる場合は、Z軸の計測に対する影響を減らすために、パターンの密度を疎にするなどの配慮が必要である。 It is desirable that this pattern has a strong contrast and the edges can be detected clearly. In addition, when using the intensity ratio method, in order to reduce the influence on the Z-axis measurement, it is necessary to consider such as making the pattern density sparse.
また、図10には、本発明の第6の具体例が示されている。なお、この第6の具体例は、第10の実施形態に対応している。 FIG. 10 shows a sixth specific example of the present invention. The sixth specific example corresponds to the tenth embodiment.
第6の具体例では、図10に示すように、第5の具体例におけるX、Y方向の直線状パターンの組合せを複数組、設けるようにしている。 In the sixth specific example, as shown in FIG. 10, a plurality of combinations of linear patterns in the X and Y directions in the fifth specific example are provided.
図11乃至図14には、本発明の第7の具体例が示されている。なお、第7の具体例は、第11の実施形態に対応している。 11 to 14 show a seventh example of the present invention. The seventh specific example corresponds to the eleventh embodiment.
第7の具体例では、図11に示すように、第5または第6の具体例における直線状のパターンにおいて、例えば1/f揺らぎや乱数を用いる事で、その線間の間隔が異なるようなものとして、パターンの周期性を失わせている。これら直線状パターンの例として、図12乃至図14に示すように、それぞれの線間間隔が異なり、周期性を持たない直線状パターンとし、これらを組み合わせるような構成としている。 In the seventh specific example, as shown in FIG. 11, in the linear pattern in the fifth or sixth specific example, for example, by using 1 / f fluctuation or random number, the interval between the lines is different. As a matter of fact, the periodicity of the pattern is lost. As an example of these linear patterns, as shown in FIG. 12 to FIG. 14, a linear pattern having a different interval between lines and having no periodicity is combined.
図15には、本発明の第8の具体例が示されている。なお、この第8の具体例は、第12の実施形態に対応している。 FIG. 15 shows an eighth example of the present invention. This eighth example corresponds to the twelfth embodiment.
第8の具体例では、図15に示すように、標的内の座標(位置)を表すパターンをそれぞれスペクトラム(色)の異なるパターンとし、三次元位置センサの受光部にはこれらのスペクトラムを電気信号として区別するための色フィルターが設けられている。 In the eighth specific example, as shown in FIG. 15, patterns representing coordinates (positions) in the target are patterns having different spectra (colors), and these spectra are transmitted to the light receiving unit of the three-dimensional position sensor as electric signals. A color filter is provided for distinguishing as follows.
標的と色フィルターの組は夫々、位置情報を与えるための異なる多数のスペクトラムを有するように設定しても良いが、処理時間,コスト上からも現実的ではなく、一般に広く用いられるRGB(赤、緑、青)を使うのが適当である。 Each set of target and color filter may be set to have a large number of different spectra for giving position information. However, it is not realistic in terms of processing time and cost, and generally used RGB (red, It is appropriate to use green, blue).
また、位置情報は、例えば標的上の隣接する色の組合わせで与えても良い。 Further, the position information may be given by a combination of adjacent colors on the target, for example.
図16には、本発明の第9の具体例が示されている。なお、この第9の具体例は、第13の実施形態に対応している。 FIG. 16 shows a ninth example of the present invention. This ninth example corresponds to the thirteenth embodiment.
第9の実施例では、図16に示すように、あらかじめZ軸方向の距離が分かっている凹凸を有する形状のものを標的上に配置した構成となっている。計測に際して、これらの凹凸形状物は、Z軸方向の較正用として用いられる。図16の例では、凹凸形状物を円柱状で表したが、これらは角柱状でも、あるいはその他のZ軸方向の距離が分かるような凹凸形状のものであれば、どのようなものであっても良い。また、被計測物自身が凹凸形状を有するように加工しても良い。 In the ninth embodiment, as shown in FIG. 16, a configuration having an uneven shape whose distance in the Z-axis direction is known in advance is arranged on the target. At the time of measurement, these concavo-convex shaped objects are used for calibration in the Z-axis direction. In the example of FIG. 16, the concavo-convex shape is represented by a cylindrical shape, but these may be any shape as long as they are prismatic shapes or other concavo-convex shapes with which the distance in the Z-axis direction can be known. Also good. Moreover, you may process so that to-be-measured object itself may have uneven | corrugated shape.
図17には、本発明の第10の具体例が示されている。なお、この第10の具体例は、第14の実施形態に対応している。 FIG. 17 shows a tenth example of the present invention. Note that the tenth example corresponds to the fourteenth embodiment.
第10の具体例では、図17に示すように、標的上にZ軸方向の距離がそれぞれ異なる凹凸形状物を複数設ける構成となっている。計測時には、これら複数の凹凸形状物のZ軸方向距離をZ軸方向の較正値として用いる。 In the tenth specific example, as shown in FIG. 17, a plurality of concavo-convex shaped objects having different distances in the Z-axis direction are provided on the target. At the time of measurement, the Z-axis direction distances of the plurality of uneven shapes are used as calibration values in the Z-axis direction.
このように、第10の具体例では、それぞれ異なるZ軸方向の距離を有する凹凸形状物を有しているので、Z軸方向の中間値の較正が可能となる。 As described above, in the tenth specific example, since the concave and convex objects having different distances in the Z-axis direction are provided, the intermediate value in the Z-axis direction can be calibrated.
図18には、本発明の第11の具体例が示されている。なお、この第11の具体例は、第15の実施形態に対応している。 FIG. 18 shows an eleventh example of the present invention. This eleventh example corresponds to the fifteenth embodiment.
第11の具体例では、図18に示すように、パターニングされた標的上のあらかじめ定めたXY座標に、第9または第10の具体例で述べた凹凸形状物を配置する構成となっている。 In the eleventh specific example, as shown in FIG. 18, the concave-convex shaped object described in the ninth or tenth specific example is arranged at predetermined XY coordinates on the patterned target.
図19には、本発明の第12の具体例が示されている。なお、この第12の具体例は、第16の実施形態に対応している。 FIG. 19 shows a twelfth example of the present invention. This twelfth example corresponds to the sixteenth embodiment.
第12の具体例では、図19に示すように、標的上に凹凸形状物として、Z軸方向における距離が予め判っている段差を設けている。 In the twelfth specific example, as shown in FIG. 19, a step having a known distance in the Z-axis direction is provided as an uneven shape on the target.
このような構成では、この複数の段差からZ軸方向の較正値を読み取り、較正を行うようにすることができる。これにより、1つの凹凸形状物で第10の具体例に述べたのと同様の効果を得られる。 In such a configuration, the calibration value in the Z-axis direction can be read from the plurality of steps and the calibration can be performed. As a result, the same effect as described in the tenth specific example can be obtained with one uneven shape.
なお、このような段差は、Z軸方向に滑らかに変化する、形状の予め判った曲面状のもので構成されるものであっても構わない。 In addition, such a level | step difference may be comprised by the curved-surface thing of shape which understood smoothly in the Z-axis direction.
本発明は、XYZの3軸方向の移動量を同時に計測する必要の有るアプリケーション、具体的には、三次元振動センサ,三次元加速度計,人工筋肉制御,面計測装置などの三次元位置計測,三次元表面計測,三次元動体計測等に利用可能である。
The present invention is an application that needs to simultaneously measure the movement amount of XYZ in three axes, specifically, three-dimensional position measurement such as a three-dimensional vibration sensor, a three-dimensional accelerometer, an artificial muscle control, a surface measurement device, It can be used for 3D surface measurement, 3D motion measurement, etc.
Claims (17)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004243578A JP2006064385A (en) | 2004-08-24 | 2004-08-24 | Apparatus and method for measuring shape |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2004
- 2004-08-24 JP JP2004243578A patent/JP2006064385A/en active Pending
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