形狀測定裝置的製作方法
2023-06-09 09:38:56 1
專利名稱：形狀測定裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有用於邊沿導軌移動邊在該導軌上的多個測定位置測定被測定物形狀的測定頭的形狀測定裝置，尤其涉及適於測定腳形的形狀測定裝置。
背景技術：
以往，將點光或狹縫光等光線照射到被測定物，從在被測定物表面被觀察的光像位置來使該3維形狀復元的有源立體型形狀測定裝置已為人知。作為這種形狀測定裝置，有一種裝置為測定被測定物的形狀，由旋轉反光鏡來使點光或狹縫光掃描。在「計測與控制」雜誌(1999Vol.38 No.4 P285-P288)中，記載了一種利用這種形狀測定裝置來測定腳形的系統。
在上述腳形測定系統中，在1個形狀測定裝置中，只能測定從該裝置來觀察的部分的形狀，不能測定其相反側等隱蔽部分的形狀。因此，需要在腳的周圍配置12個形狀測定裝置，在計算機上對基於這12個形狀測定裝置的測定結果進行合成，由此來測定腳的整體形狀。
然而，由於在該系統中，在腳的周圍配置多個形狀測定裝置，因而存在著不僅系統規模龐大，價格上揚，而且難以精度良好地合成基於多個形狀測定裝置的測定結果的問題。
與此相對，一種測定者手持測定頭，使測定頭在被測定物周圍移動，來進行測定，由此來測定被測定物整體形狀的形狀測定裝置被提出。在該形狀測定裝置中，通過2臺攝像機來從上方對設於測定頭上的多個點標進行攝像，由此來測定測定頭的位置及方向。
此外在測定人腳形狀的場合下，考慮了一種設置具有環繞人腳的大小的長圓型(使對置的2個半圓沿長度方向伸長的2邊相連的形狀)導軌，使測定頭沿著該導軌移動的方法。
將用於使測定頭移動的導軌如上所述做成圓形及長圓形環路形狀後，可測定形狀的被測定物的大小便由導軌的大小限定。即，存在著即使在被測定物稍微大於包含導軌及測定頭的移動點標的可測定範圍的場合下，也不能進行形狀測定的問題。尤其在測定腳形的場合下，由於腳的大小因人而異，以及歐美人的腳比日本人大之類的因人種而異，因而有時腳不能插入環路形狀的導軌內。
本發明鑑於上述課題，其目的在於提供一種可使可測定的被測定物的大小具有自由度的形狀測定裝置。另一目的在於提供比如在測定人腳的場合下，儘管有基於大人和孩子、性別、人種等的腳的大小差異，仍可測定腳的形狀的形狀測定裝置。
發明內容
基於本發明的形狀測定裝置的特徵在於，在具有用於邊沿導軌移動邊在該導軌上的多個測定位置測定被測定物形狀的測定頭的形狀測定裝置中，其導軌為U字狀，測定頭進行用於邊沿導軌移動，邊從導軌上的多個測定位置測定配置於U字狀導軌內側的被測定物形狀的計測。
在被測定物是人的腳的場合下，腳的配置方向被決定為從U字狀導軌彎曲部的內側向開放部的方向成為腳的長度方向。在該場合下，測定頭進行用於邊沿U字狀導軌移動，邊在導軌上的多個測定位置測定配置於U字狀導軌內側的腳的形狀的計測。
在被測定物是人的腳的場合下，作為測定頭，採用具備用於對配置於U字狀導軌內的腳照射光線的光源；對由光源照射到腳上的光線進行攝像的攝像機的裝置。因此，在導軌上的多個測定位置，通過算出由攝像機攝影的光線的坐標，來測定配置於U字狀導軌內的腳的形狀。
圖1是表示本發明實施方式中形狀測定裝置構成的概略構成圖。
圖2是表示測定頭的平面圖。
圖3是表示測定頭的構成的部分切口平面圖。
圖4是說明測定原理的說明圖。
圖5是說明利用測定頭來進行測定點的位置測定的方法的說明圖。
圖6是表示作為被測定物的腳、導軌、測定頭的位置關係的概略平面圖。
圖7是表示基於控制裝置的測定頭的控制處理順序的流程圖。
圖8是表示測定頭的變位的模式圖。
圖9是表示導軌的變形例的平面圖。
具體實施例方式
以下，對本發明的實施方式作以說明。
〔1〕形狀測定裝置的說明圖1表示本發明一種實施方式中的形狀測定裝置的概略構成。
在測定臺201中，固定有U字狀導軌204，在由該導軌204圍繞的區域內，承載作為被測定物的腳100。
在臺201上，安裝有可相對臺201裝、卸的支柱202，在其上部，安裝有水平杆203。
形狀測定裝置具備由測定者在導軌204上移動的測定頭10；安裝於水平杆203的兩端部的立體攝像機21、22；由進行這些控制及各種運算等的個人計算機組成的控制裝置30。在各立體攝像機21、22的攝像透鏡上，安裝有使圖2所示6個點標14所發出的光的頻帶有選擇地透過的帶通濾光器23。
圖2、圖3表示測定頭10的概略構成。
測定頭10具備前面開口的矩形殼體；被收容於殼體內的2臺CCD攝像機12a、12b以及使雷射上下掃描，形成狹縫光來構成的狹縫光源13。此外測定頭10具備用於沿著導軌204來順時鐘或反時鐘移動的驅動機構(未圖示)。
在測定頭10的殼體上面，設有由6個LED光源14a～14f組成的點標14。
構成點標14的6個LED光源為特定測定頭10的方向，不是點對稱地配置，而是相對測定頭10的中心線來線對稱地配置。這裡，在殼體的上面，5個點的LED光源14b、14c、14d、14e、14f配置為長方形，在其重心位置配置1個LED光源14a。
為測定3維空間下測定頭10的位置及方向，作為點標14，至少需要3個LED光源便足夠，但通過採用4個以上的LED光源，可以使測定頭10的位置及方向的測定精度最小按其平方來提高。
測定頭10由未圖示的支持機構，被安裝為可沿著導軌204移動。測定頭10為檢測以導軌204上的規定位置為基準的測定頭10的位置而配備編碼器(省略圖示)。編碼器10的輸出被輸入到控制裝置30。
〔2〕形狀測定裝置的測定原理說明基於圖4，對形狀測定裝置的基本測定原理作以說明。
由測定者利用在導軌204上移動的測定頭10，來測定某測定點A的坐標。以測定頭中心的坐標系中的坐標(x，y，z)來表示被測定的坐標。該坐標系是隨著測定頭10的移動而移動的坐標系。
另一方面，被測定物100的形狀由固定的坐標系來表示，該坐標系稱為全球坐標系。將由測定頭10測定的測定點的全球坐標系中的坐標設為(X，Y，Z)。由於被測定物100的形狀有必要由全球坐標系來記述，因而將由測定頭10測定的測定點A的測定頭中心坐標系中的坐標(x，y，z)轉換為全球坐標系中的坐標(X，Y，Z)。該轉換利用表示測定頭10的移動的旋轉矩陣R及平移向量t，基於下式(1)來進行。
XYZ=Rxyz+t---(1)]]>因此，通過將全球坐標系中測定頭10的位置及方向作為旋轉矩陣R及平移向量t來求出，可將測定頭中心坐標系中的坐標(x，y，z)轉換為全球坐標系的坐標(X，Y，Z)。
〔3〕基於形狀測定裝置的形狀測定處理順序的說明基於該形狀測定裝置的形狀測定由以下處理序列來實行。
首先，在進行實際測定之前，先進行事前處理(以下的第1步驟及第2步驟)。
〔3-1〕第1步驟即，將全球坐標系中測定頭10的各測定位置有關的信息存儲到對應於該測定位置中的編碼器輸出值來搭載到控制裝置30的存儲器(省略圖示)。所謂全球坐標系中測定頭10的各測定位置有關的信息，係指表示全球坐標系中測定頭10的移動的旋轉矩陣R及平移向量t。
以下作更具體的說明。
由立體攝像機21、21來測定設於測定頭10的各點標14的全球坐標系中的坐標。由於該位置測定方法作為立體法而廣為人知，因而省略其說明。
接下來，將構成點標14的各LED光源14a～14f的測定頭中心坐標分別設為(xi，yi，zi)，將由立體攝像機21、21測定的各LED光源14a～14f的全球坐標系中的坐標分別設為(Xi，Yi，Zi)。但i為1、2、......、6。各LED光源14a～14f的測定頭中心坐標(xi，yi，zi)是已知的。
將表示測定頭10的移動的旋轉矩陣R與平移向量t作為滿足下式(2)的矩陣R與向量t來求出。這樣，將所求出的矩陣R和向量t與其測定位置中的編碼器的輸出值對應來存儲到存儲器。
mini[(Xi-xi)2+(Yi-yi)2+(Zi-zi)2]---(2)]]>這裡XiYiZi=Rxiyizi+1]]>使測定頭10沿著導軌204移動，對導軌204上的所有測定位置，反覆進行上述處理，生成使編碼器的輸出值與該位置中的旋轉矩陣R及平移向量t相對應的表。
〔3-2〕第2步驟將支持立體攝像機21、22的支柱202從臺201取下。這樣，在事前處理結束後，實際進行被測定物100的測定。這裡，對被測定物是人腳100的場合作以說明。
〔3-3〕第3步驟利用測定頭10，來求出測定頭中心坐標系中的被測定物(腳)100上的測定點坐標。
圖5表示基於測定頭10的測定點的位置測定方法。
如圖5所示，所謂測定頭中心的坐標系，是一種以CCD攝像機12的光學中心為原點，以光軸方向為z軸，以CCD攝像機12的水平方向為x軸，以CCD攝像機12的垂直方向為y軸的坐標系。CCD攝像機12的圖像面S存在於相距原點為焦距f的位置上。即，圖像面S是一個與x-y平面平行，而且z＝f的平面。
基於測定頭10的位置計測方法本身是一種被稱為光切斷法的周知的測定方法。將來自被測定物100表面上的狹縫光源13的狹縫光所照射的線上的規定點作為測定點A。
將該測定點A的測定頭中心的坐標設為(x，y，z)，將與圖像面S上的測定點A對應的觀察點A′的坐標設為(xs，ys，f)，將表示狹縫光的平面的方程式設為ax+by+cz+d＝0。觀察點A′的坐標(xs，ys，f)中的f作為CCD攝像機12的焦距是已知的，(xs，ys)從在圖像面觀察的狹縫光的像素位置來求出。
表示狹縫光的平面的方程式由測定頭10的校正來求出。因此，通過求解由將x，y，z，α作為未知數的下式(3)所表示的連立方程式，可求出(x，y，z)。
ax+by+cz+d＝0x＝α·xs…(3)y＝α·ysz＝α·f這些處理基於CCD攝像機12的輸出，由控制裝置30來進行。
〔3-4〕第4步驟在第4步驟中，基於編碼器的輸出，從控制裝置30的存儲器讀出對應的旋轉矩陣R與平移向量t。
〔3-5〕第5步驟在第5步驟中，基於在第4步驟中讀出的旋轉矩陣R與平移向量t，將在第3步驟中求出的測定頭中心坐標系中被測定物(腳)100上的測定點坐標(x，y，z)轉換為全球坐標系的坐標(X，Y，Z)。
通過使測定頭10沿著導軌204移動，並對導軌204上的所有測定位置重複進行第3～第5步驟的處理，作為每次所獲得的測定點全球坐標系中的坐標(X，Y，Z)的集合，來求出被測定物(腳)100的形狀。
這樣，根據本實施方式，由於利用使測定頭10的導軌204上的位置與該位置上的旋轉矩陣R及平移向量t相對應了的表數據，將利用測定頭10所獲得的測定點的測定頭中心坐標系中的坐標轉換為全球坐標系中的坐標，因而在形狀測定時，可不用立體攝像機21、22，可通過簡潔的構成，而且在使用者意識不到攝像機的視野及導線的障礙的情況下，來進行被測定物的形狀測定，可提供更高的使用感。
〔4〕對測定頭10的控制方法作以說明。
以下對基於利用了U字狀導軌204的本實施方式中的控制裝置300的測定頭10的控制方法作以說明。
在測定時，將腳置於導軌204內。此時，將U字狀導軌204的圓弧部的中心位置作為腳跟的中心來載置腳。通過如此載置腳，可對各種大小的腳(長度各異的各種腳)來測定腳形。
圖6按時間序列來表示在U字狀導軌204內載置右腳100，測定該右腳的形狀的場合下測定頭10的動作。
10a表示測定頭10處於左起始位置LHP的場合。在測定頭10處於左起始位置LHP的場合下，使測定頭10從左起始位置LHP的位置沿著導軌204反時針方向移動。
10b表示測定頭10處於檢測出右腳100的腳尖的位置的場合。10c表示測定頭10處於被設置於右腳100的腳腕附近的右腳用攝像機切換位置SWP1的位置的場合。10d表示測定頭10處於從10a所示的腳尖檢測位置計算出的計測結束位置的場合。10e表示測定頭10處於右起始位置RHP的位置的場合。
圖7表示基於控制裝置300的測定頭10的控制處理順序。
首先，作為計測準備處理，進行步驟S1～S4的處理。
在計測準備處理中，首先獲取計測方向(步驟S1)。即，獲取測定頭10的移動方向(是順時針方向還是反時針方向)。在已進行了腳測定的場合下，由於在後述的最終步驟S15，存儲下一次的計測方向，因而將所存儲的下一次的計測方向作為此次的計測方向來獲取。在未存儲下一次的計測方向的場合下，基於接近於當前的測定頭10的位置的起始位置，來自動選擇開始移動的計測方向。
即，在測定頭10處於接近於左起始位置LHP的位置的場合下，選擇反時針方向來作為計測方向，在測定頭10處於接近於右起始位置RHP的位置的場合下，選擇順時針方向來作為計測方向。在該例中，假設測定頭10處於接近於左起始位置LHP的位置，作為計測方向，獲得了反時針方向。
接下來，獲取測定對象的腳是右腳還是左腳的選擇結果(步驟S2)。測定對象的腳是右腳還是左腳的選擇通過對控制裝置300，由操作者在顯示器上進行規定的選擇操作來進行。在該例中，假設如圖6示例所示，選擇了右腳。
接下來，使測定頭10向由計測方向決定的起始位置(HP)移動(步驟S3)。即，在計測方向為反時針方向的場合下，使測定頭10向左起始位置LHP(圖6的10a所示的位置)移動，在計測方向為順時針方向的場合下，使測定頭10向右起始位置RHP(圖6的10e所示的位置)移動。在該例中，由於計測方向為反時針方向，因而測定頭10向左起始位置LHP移動。
此後，基於計測方向，來選擇最初用於計測的攝像機(步驟S4)。即，在2個攝像機12a與12b中，選擇面向計測方向位於後側的攝像機。在計測方向為反時針方向的場合下，選擇攝像機12a，在計測方向為順時針方向的場合下，選擇攝像機12b。
在該例中，假設作為最初用於計測的攝像機，選擇了攝像機12a。這樣，如圖6中10b所示，更易於檢測出腳尖的攝像機，即面向移動方向位於後側的攝像機12a作為最初用於計測的攝像機被選擇。
步驟S1～S4的計測準備處理結束後，進行步驟S5～S7的腳前端探索處理。腳前端探索處理是用於檢測腳的腳尖的處理。在腳前端探索處理中，不進行形狀測定。
在腳前端探索處理中，首先，提高計測頭10的移動速度，開始用於檢測腳尖(腳前端)的計測(步驟S5)。即，在圖8中如箭頭V1所示，邊使計測頭10快速移動，邊進行用於檢測腳尖的計測。在檢測出腳尖後(步驟S6)，使測定頭10停止，將所檢測出的腳尖位置(腳前端位置)存儲到存儲器，同時從所檢測出的腳尖位置來算出計測結束位置，並存儲到存儲器(步驟S7)。
在該例中，通過測定頭達到圖6中10b所示的位置，來檢測腳尖位置。這樣，從所檢測出的腳尖位置，與此對應的導軌204的右側部分位置(圖6中10d所示的位置)作為計測結束位置被算出。
此外在腳前端探索處理中，由於測定頭10高速移動，因而在見到了腳前端的時點下，測定頭10已經越過了與腳前端位置對應的位置(已超程)。為此使測定頭10在高速下只返回規定的距離(3～5cm)(步驟S8)。在該例中，如圖8中箭頭V2所示，使其按順時針方向只移動規定的距離。
接下來，進行步驟S9～S12的主計測處理。在主計測處理中，進行用於測定腳形的計測處理。在主計測處理中，首先，進行細緻模式下的計測處理(步驟S9)。即，邊使測定頭10以低速移動，邊縮小測定位置間隔，來進行計測處理。在該例中，如圖8中箭頭V3所示，邊使測定頭10以低速移動，邊縮小測定位置間隔，來進行計測處理。
之所以如此在導軌204的開放端附近進行細緻模式下的計測處理，是因為與導軌204的彎曲部相比，在導軌204的開放端附近，由相對腳前端配置於橫側的攝像機來進行計測，因而測定精度降低，所以需要縮小測定位置間隔，以提高測定精度。
測定頭10超過設定為距離腳尖位置比如5cm的範圍後，進行通常模式下的計測處理(步驟S10)。即，在測定頭10通過了腳尖附近後，邊使測定頭10以中速移動，邊增大測定位置間隔，來進行計測處理。在該例中，如圖8中V4所示，邊使測定頭10以中速移動，邊增大測定位置間隔，來進行計測處理。
通常模式下的計測處理中的測定位置間隔被設定為細緻模式下計測處理中測定位置間隔的比如1.5倍。進行步驟S9的細緻模式下的計測處理的範圍可在控制裝置30中預先設定，或者基於腳的大小來自動設定。
在進行基於步驟S10的通常模式下的計測處理的過程中，測定頭10到達規定的攝像機切換位置後，切換計測中使用的攝像機(步驟S11)。在右腳測定的場合下，不管計測方向如何，在測定頭10到達設定於右腳腕附近的右腳用攝像機切換位置SWP1(參照圖6)的場合下，計測中使用的攝像機被切換。在左腳測定的場合下，不管計測方向如何，在測定頭10到達設定於左腳腕附近的左腳用攝像機切換位置SWP2(參照圖6)的場合下，計測中使用的攝像機被切換。
在該例中，由於是右腳測定，而且最初計測中使用的攝像機是攝像機12a，因而在測定頭10到達圖6的右腳用攝像機切換位置SWP1的場合下，計測中使用的攝像機被從第1攝像機12a切換為第2攝像機12b。
在切換了計測中使用的攝像機之後，還進行通常模式下的計測處理(步驟S12)。
由於在切換了計測中使用的攝像機後，計測中使用的攝像機的位置發生變化，因而用於形狀測定的運算處理也被切換。此外即使由於切換了計測中使用的攝像機，在形狀測定的運算處理中發生一些比如誤差及不連續，但由於在腳腕位置其凹凸較少，因而測定誤差的影響較小。
此後，在測定頭10到達腳尖5cm前的位置後，進行細緻模式下的計測處理(步驟S13)。在該例中，如圖8中箭頭V5所示，邊使測定頭10低速移動，邊縮小測定位置間隔，來進行計測處理。
此外將在步驟S7算出的計測結束位置(在該例中為圖6中10d所示的位置)作為腳尖位置，來判定測定頭10是否到達了腳尖5cm前的位置。持續進行步驟S13的計測處理，直至測定頭10到達計測結束位置(在該例中為圖6中10d所示的位置)，或直至到達超過了該位置規定距離(比如2cm)的位置。
如上所述，用於右腳的形狀測定的計測處理結束後，使測定頭高速移動，直至達到由計測方向決定的起始位置(步驟S14)。在如本例所示，計測方向為反時針方向的場合下，如圖8中箭頭V6所示，使測定頭10移動，直至達到右起始位置RHP。在計測方向為順時針方向的場合下，使測定頭10移動，直至達到左起始位置LHP。
此後，將當前的計測方向及相反方向作為下一次的計測方向來存儲到存儲器(步驟S15)。這樣，便結束此次的測定頭10的控制處理。
根據上述實施方式，由於導軌為U字狀，因而與具有圓形、長圓形等環路狀導軌的形狀測定裝置相比，可使被測定物的大小，尤其是被測定物的長度具有自由度。
〔5〕對變形例的說明在上述實施方式中，將腳配置為其腳尖朝向U字狀導軌204的開放端側，腳跟位於導軌204的彎曲部分側，但也可以將腳配置為其腳跟朝向U字狀導軌204的開放端側，腳尖位於導軌204的彎曲部分側。這樣，可提高腳尖的測定精度。
此外在上述實施方式中，利用立體攝像機21、22的輸出來求出全球坐標系下測定頭的位置有關的信息，即旋轉矩陣R及平移向量t，但也可以在預先特定針對臺201的導軌204的軌道後，不使用立體攝像機21、22來求出旋轉矩陣R及平移向量t。
在上述中，對採用了U字狀導軌204的實施方式作了說明，但即使是利用了在長度方向很長的長圓形導軌204的裝置，構成為為測定腳跟而使測定頭10沿著一方的圓弧部分移動，而另一方圓弧部分不移動的場合，即，實質上作為U字型導軌來使用的場合，也屬於本發明的權利範圍。
比如，在測定大人的腳形的場合下，利用長圓形導軌整體，來進行測定頭沿著導軌整體繞行方式下的形狀測定，在測定兒童的腳形的場合下，可以將腳配置為其腳跟位於一方圓弧的中心位置，將該導軌的一部用作上述實施方式中的U字型導軌。
此外作為測定頭10，如果能由有源立體計測方法來測定被測定物上測定點的位置，則即使與上述實施方式相異的裝置也可以。比如，也可以取代狹縫光源13，採用點光源。
此外，作為上述測定頭10，採用具有2組計測光學系統，即，具有2臺CCD攝像機12a、12b和1臺狹縫光源13的裝置，但也可以採用具有1組計測光學系統，即，具有1臺CCD攝像機和1臺狹縫光源的裝置。
此外，作為U字狀導軌，採用如圖6所示，由半圓的彎曲部分和從其兩端分別延長的2個直線部分構成的裝置，但如果大致是U字狀，則也可以採用不同於圖6形狀的導軌。
比如，為擴大開放端部的可計測範圍，也可以採用如圖9所示，U字開放端部向內側收縮形狀的導軌204A。在採用如圖9所示，具有1臺CCD攝像機12和1臺狹縫光源11，即，具有1組計測光學系統的測定頭10A的場合下，導軌204A的開放端部附近的可計測範圍也擴大。
權利要求
1.一種形狀測定裝置，具有用於邊沿導軌移動邊在該導軌上的多個測定位置測定被測定物形狀的測定頭，其特徵在於導軌為U字狀，測定頭進行用於邊沿導軌移動，邊在導軌上的多個測定位置測定配置於U字狀導軌內側的被測定物形狀的計測。
2.權利要求1中記載的形狀測定裝置，其特徵在於被測定物是人的腳，腳的配置方向被決定為從U字狀導軌彎曲部的內側向開放部的方向成為腳的長度方向。
3.權利要求2中記載的形狀測定裝置，其特徵在於測定頭進行用於邊沿U字狀導軌移動，邊在導軌上的多個測定位置測定配置於U字狀導軌內側的腳的形狀的計測。
4.權利要求3中記載的形狀測定裝置，其特徵在於測定頭，具備光源，其用於對配置於U字狀導軌內的腳照射光線；攝像機，其對由光源照射到腳上的光線進行攝像，在導軌上的多個測定位置，通過算出由攝像機攝影的光線的坐標，來測定配置於U字狀導軌內的腳的形狀。
全文摘要
在具有用於邊沿導軌移動邊在該導軌上的多個測定位置測定被測定物形狀的測定頭的形狀測定裝置中，其導軌為U字狀，測定頭進行用於邊沿導軌移動，邊在導軌上的多個測定位置測定配置於U字狀導軌內側的被測定物形狀的計測。
文檔編號A43D1/02GK1533495SQ0281442
公開日2004年9月29日 申請日期2002年7月15日 優先權日2001年7月17日
發明者藤田日出人, 蚊野浩, 手島昌之, 吉田博明, 福本晉平, 之, 平, 明 申請人:三洋電機株式會社