JPH06109442A - 三次元位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 物体の角度等の三次元位置を高速に算出する
ことのできる三次元位置検出装置を提供する。 【構成】 立体形状の組み合せからなる被測定物１０、
１１の位置検出対象平面上にある互いに交差する複数の
不連続境界線１２、１３に対し、それぞれ垂直に交わる
ようにスリット光を投光するスリット光投光手段１，２
と、これら複数スリット光に対応した光切断像を画像デ
ータとして取り込む撮像手段４と、前記画像データに基
づいて各光切断像についてその変化点２０，２１を検出
し、前記変化点２０，２１から不連続境界線１２，１３
の位置を三次元座標として算出し、これら三次元座標値
をもとに、前記不連続境界線１２，１３の交点の位置を
三次元座標として算出する演算手段とを具備している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の表面上の三次元
位置をスリット光の切断像の画像データから求める三次
元位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体の三次元形状を非接触方式で
検出する方法としては、レーザポイント光を測定対象に
当て、その反射光をカメラで捉え、その画像データを三
角測量の原理に基づいて解析することで、レーザポイン
トがあたっている物体表面の位置の三次元座標を検出す
る方法がある。また、レーザポイント光の代わりにスリ
ット光を測定対象に当て、その光切断像データについ
て、前記と同様の解析を行なうことにより、スリット光
で切断された物体表面の三次元座標を検出する方法も利
用されている。これらの従来技術は、いずれも三次元物
体形状測定方法として一般に用いられている。一方、物
体表面における特定のポイントの位置を三次元座標で位
置検出する目的にのみ限定して、光学的に検出する従来
技術としては、単一スリット光を物体にあて物体の三次
元的な凹凸の変化点を光切断像として検出し、その点を
位置決めの基準として用いる等が行なわれている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単一ス
リット光では、スリット光が投光された物体表面の直線
上における三次元座標しか得られず、位置決めもその直
線上のある点に限定されてしまう。例えば、物体の角の
三次元位置を検出するには、前記単一スリット光による
方法では、不可能でスリット光を走査したり、異なる角
度から別のスリット光を当て、前記と同様の処理をする
などの工夫が必要となり、測定に時間がかかる欠点があ
る。そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問
題点を解消し、物体の角度等の三次元位置を高速に算出
することのできる三次元位置検出装置を提供することに
ある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、立体形状の組み合せからなる被測定物の
位置検出対象平面上にある互いに交差する複数の不連続
境界線に対し、それぞれ垂直に交わるようにスリット光
を投光するスリット光投光手段と、これら複数スリット
光に対応した光切断像を画像データとして取り込む撮像
手段と、前記画像データに基づいて各光切断像について
その変化点を検出し、前記変化点から不連続境界線の位
置を三次元座標として算出し、これら三次元座標値をも
とに、前記不連続境界線の交点の位置を三次元座標とし
て算出する演算手段とを設けて構成したものである。

【０００５】

【作用】被測定物の表面に投光されたスリット光の切断
像から、不連続境界線と交差する部分が折れ曲がった変
化点が撮像される。この切断像の画像データから、変化
点を検出することにより、不連続境界線の位置が特定さ
れ、測定物の角などのポイントは、不連続境界線の交点
から算出される。このように被測定の表面全体をスリッ
ト光で走査することなしに、特定のポイントの位置を検
出することができる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明による三次元位置検出装置の一
実施例について添付の図面を参照して説明する。図１
は、本実施例による三次元位置検出装置を示す図で、こ
の実施例では、横断面形状がＬ字型の第１のパネル１０
と、平板なパネル１１とを図１に示すように組み合せた
構造部材を位置検出の対象として、その接合部の稜線の
交点ｄの位置を検出する例について説明する。なお、座
標系については、パネル１１と平行にｘｙ平面が設定さ
れ、パネル１０の長さ方向がｙ軸と平行になっている。
また、鉛直線にｚ軸が平行に設定されている。

【０００７】図１において、符号１、２は、パネル１
０、１１上にそれぞれ複数のスリット光を位置検出の対
象平面Ｃを構成する不連続境界線に対してそれぞれ垂直
に交わるように投光する手段としてのレーザ投光器を示
している。このレーザ投光器１、２は、パネル１０、１
１の測定面に投光されるスリット光が互いに直角に交差
するように、例えば、工業用ロボットのアーム先端部の
検出ヘッド３に取付けられる。また、この検出ヘッド３
には、テレビカメラ４が設けられており、このテレビカ
メラ４と、レンズ５の前に取付けられたフィルタ６がス
リット光に対応するそれぞれの光切断像Ａ、Ｂを画像と
して取り込む撮像手段を構成している。前記テレビカメ
ラ４の出力は、演算手段としての画像処理装置７に出力
される。この画像処理装置７は、入力した画像信号か
ら、各光切断像Ａ、Ｂに対しその変化点を検出し、前記
不連続境界線の位置を三次元座標として算出するととも
に、これら三次元座標値をもとに、前記不連続境界線の
交点ｄの位置を三次元座標として算出する。

【０００８】図２は、この不連続境界線交点の位置検出
の手順を記述した流れ図で、図５は、不連続境界線の交
点ｄの三次元座標の算出の処理手順を記述した流れ図で
あって、以下、この図２、図５を参照しながら本実施例
の作用について、説明する。まず、レーザ投光器１、２
からパネル板１０、１１の測定面に向けてスリット光が
互いに直角に十字交差するように投光する（ステップＳ
２１）。この場合、レーザ投光器１からのスリット光が
パネル１０の側面でパネル１１の接している面の稜線で
ある不連続境界線１２と互いに直交するように、また、
もう一方のレーザ投光器２については、そのスリット光
がパネル１１の不連続境界線１３と互いに直交するよう
に、前もって検出ヘッド３を位置決めしておく（ステッ
プＳ２２）。

【０００９】ここで、図４は、テレビカメラ４が取り込
んだ投光スリット光の光切断像の例を表した図である。
図中、視覚座標系ｘ−ｙのｘ軸、ｙ軸は、予め検出ヘッ
ド３の位置決めの設定により、各スリット光の方向と一
致するように調整されている。ここで、一般に、光切断
像は、投光面が平面である場合、直線のままであるが、
この実施例のように、立体的な形状のパネル１０、１１
を溶接により接合するために組み合せたような場合で
は、パネル板１０、１１の接合部、稜線部などの不連続
境界線では、光切断像が、途中で折れ曲がったように見
える。そこで、光切断像Ａ、Ｂの画像をテレビカメラ４
によって取込み（ステップＳ２３）、画像処理装置７
は、与えられた光切断像Ａ、Ｂの画像情報から、不連続
境界線１２、１３の位置をそれぞれの光切断像の変化点
Ｐ１、Ｐ２の座標として検出する（ステップＳ２４）。

【００１０】そこで、変化点Ｐ１〔ｘｐ１，ｙｐ１〕、
変化点Ｐ２〔ｘｐ２，ｙｐ２〕の座標の算出の方法につ
いて説明する。光切断像の変化点の求め方は、種々の方
法があるが、この実施例では、ある値で２値化した後、
光切断像Ａに関しては、ｙ軸方向の周辺分布を算出し、
そのピーク値を基にして変化点Ｐ１のｘ−ｙ座標（ｘｐ
１、ｙｐ１）を求める。なお、ｘ＝ｘｐ１、ｙ＝ｙｐ１
に沿ってそれぞれ光切断像Ａの微分をとり、その値があ
るしきい値を越えた範囲をもとに変化点の座標（ｘｐ
１、ｙｐ１）を求めるようにすることができる。光切断
像Ｂに関しても、同様にして、ｘ軸方向の周辺分布を算
出し、そのピーク値を基にして変化点〔ｘｐ２，ｙｐ
２〕の座標を算出する。以上のようにして得られたこれ
らの変化点の座標データから以下のようにして検出ポイ
ントｄの三次元座標を算出する（ステップＳ２５）。

【００１１】ここで、図３は、検出ポイントの三次元座
標算出の原理図、図４は、検出ポイントｄの三次元座標
を算出する処理の手順を記述した流れ図である。まず、
変化点Ｐ１に対応した三次元座標（Ｘｐ１、Ｙｐ１、Ｚ
ｐ１）を三角測量を応用して次のようにして算出する。
図３における点Ｐ（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）が（Ｘｐ１、Ｙ
ｐ１、Ｚｐ１）に対応し、（ｘｐ、ｙｐ）が（ｘｐ１、
ｙｐ１）に対応するものとする。ここで、Ｌをレーザ投
光器１、２とレンズ６の間の距離、θ０をレーザ投光器
１、２の光軸傾き角とすると、以下の関係式が成り立
つ。

【００１２】

【数１】 従って、これらの関係式より、変化点Ｐ１（ｘｐ１、ｙ
ｐ１）の座標データは、既に算出してあるので、（Ｘｐ
１、Ｙｐ１、Ｚｐ１）を求めることができる（ステップ
Ｓ３１）。

【００１３】同様にして、光切断像Ｂの変化点Ｐ２〔ｘ
ｐ２，ｙｐ２〕に対応した三次元座標（Ｘｐ２、Ｙｐ
２、Ｚｐ２）を算出する（ステップＳ３２）。

【００１４】次に、光切断像Ａ、Ｂの交点（ｘｐ２，ｙ
ｐ１）の座標データから、前記と同様の計算を実行し
て、光切断像の交点のＺ座標Ｚｐ３を算出する（ステッ
プＳ３３）。

【００１５】しかして、最終的に算出する検出ポイント
ｄは、光切断像の変化点Ｐ１〔ｘｐ１，ｙｐ１〕、変化
点Ｐ２〔ｘｐ２，ｙｐ２〕と、光切断像の交点にそれぞ
れ対応する三次元座標を通る平面上にあることから、検
出ポイントｄのＺ座標Ｚｐ４を次のようにして求められ
る。

【００１６】すなわち、任意の定数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと
すると、これらの３点を通る平面の方程式は、一般に、 ＡＸ＋ＢＹ＋ＣＺ＋Ｄ＝０ と、表される。そこで、前記一般式に、算出した３点の
座標データを代入することによって、得られる連立方程
式を解いて、定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを求め、平面の方程式
を決定する。

【００１７】次いで、この平面の方程式から、検出ポイ
ントのＸ座標、Ｙ座標を代入することによって、検出ポ
イントのＺ座標Ｚｐ４を求め（ステップＳ３４）、こう
して得た値（Ｘｐ１，Ｙｐ２，Ｚｐ４）が検出ポイント
の三次元座標となる（ステップＳ３５）。

【００１８】なお、以上説明した実施例では、パネル板
の稜線が互いに直角な線から構成していることから、ス
リット光も互いに直角な十字線としたが、対象物体の稜
線、境界線の形状に応じて、斜めに組み合せたスリット
光を用いたり、スリット光の数についても、位置検出対
象のパネル等の形状に応じて光源であるレーザ投光器の
台数を増減させることにより、適宜、複数本のスリット
光を組み合せることができる。また、実施例では、一回
の画像取込みによって得た画像データから、被測定物の
三次元位置を測定するようにしているが、初回の三次元
位置の座標データを基に、検出ヘッドを移動して再度三
次元位置を求める同様の処理を行なうなどすることによ
って、初めに仮定しているパネルの稜線の方向にずれが
生じていた場合でも、その補正を自動的に行ない、位置
検出の精度をより高めることができる。さらに、同一方
向のスリット光を所定距離だけ離れた所にもう一つ投光
することによっても、同様の効果を得ることができる。

【００１９】

【発明の効果】以上の説明から明かなように、本発明に
よれば、立体形状の組み合せからなる被測定物の位置検
出対象平面上にある互いに交差する複数の不連続境界線
に対し、それぞれ垂直に交わるようにスリット光を投光
するスリット光投光手段と、これら複数スリット光に対
応した光切断像を画像データとして取り込む撮像手段
と、前記画像データに基づいて各光切断像についてその
変化点を検出し、前記変化点から不連続境界線の位置を
三次元座標として算出し、これら三次元座標値をもと
に、前記不連続境界線の交点の位置を三次元座標として
算出する演算手段とを設けて構成したので、一回の画像
取込み処理により、被測定物の角などの位置を三次元座
標としてスリット光で被測定物の表面を走査する必要な
しに検出することができ、従って、光切断像の画像デー
タを解析して検出ポイントの三次元座標を演算する処理
の高速化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置検出装置の一実施例の全体を
示す構成説明図。

【図２】検出ポイントの位置検出に至るまでの処理の流
れを表したフローチャート。

【図３】光切断像の変化点の座標から三角測量に基づき
検出ポイントの三次元座標を算出する原理を説明する
図。

【図４】撮像された光切断像の例を表した説明図。

【図５】変化点の座標から検出ポイントの三次元座標を
算出する処理の流れを表したフローチャート。

【符号の説明】

１ レーザ投光器 ２ レーザ投光器 ３ 検出ヘッド ４ テレビカメラ ５ レンズ ６ フィルタ ７ 画像処理装置 １０ パネル １１ パネル １２ 不連続境界線 １３ 不連続境界線 ２０、２１ 変化点 Ａ、Ｂ 光切断像

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】立体形状の組み合せからなる被測定物の位
   置検出対象平面上にある互いに交差する複数の不連続境
   界線に対し、それぞれ垂直に交わるようにスリット光を
   投光するスリット光投光手段と、 これら複数スリット光に対応した光切断像を画像データ
   として取り込む撮像手段と、 前記画像データに基づいて各光切断像についてその変化
   点を検出し、前記変化点から不連続境界線の位置を三次
   元座標として算出し、これら三次元座標値をもとに、前
   記不連続境界線の交点の位置を三次元座標として算出す
   る演算手段とを具備することを特徴とする三次元位置検
   出装置。