JP3940826B2

JP3940826B2 - 三次元形状計測装置

Info

Publication number: JP3940826B2
Application number: JP18404397A
Authority: JP
Inventors: 千代春堀口; 繁夫高橋; 哲夫天野; 浩幸松浦; 庫治渡瀬; 日出男晝馬
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2017-07-09
Also published as: CN1176378A; KR19980019222A; DE69727632D1; CN1089891C; KR100474165B1; JPH10122850A; EP0829231B1; TW349168B; EP0829231A2; US5850290A; EP0829231A3; DE69727632T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人体などの被計測体の三次元形状を計測する三次元形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の三次元形状計測装置としては、特公平５−７１８８２号公報に記載されるものが知られている。この三次元形状計測装置は、図１３に示されるように、距離検出用の検出ヘッド１２１を複数備えた垂直移動自在な距離計測リング１２０と、その距離計測リング１２０の垂直移動を案内するガイド部材１０２と、距離計測リング１２０を移動させる駆動機構１０３とを具備して構成されている。この三次元形状計測装置によれば、距離計測リング１２０内に人体などの被計測体２を配した状態において、検出ヘッド１２１を作動させながら距離計測リング１２０を上下動させ、距離計測リング１２０の各垂直位置における各検出ヘッド１２１の距離データを集計してデータ処理することにより、被計測体の三次元形状が計測される。また、三次元形状計測装置は、距離計測リング１２０の重量が大きいため慣性により等速度で移動させるまでに時間を要し、その間は正確な形状測定が行えないという不具合に鑑みて、距離計測リング１２０の移動時における位置を検出して検出ヘッド１２１の動作とタイミングをとることにより、被計測体２の形状を正確に計測しようとしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の三次元形状計測装置にあっては次のような種々の問題点がある。
【０００４】
まず第一に、被計測体の表面形状を正確に測定するためには、多数の検出ヘッド１２１が必要となるため、コストが増大してしまう。さらに、それらを所定の方向に向けて正確に配置する必要があり、調整が困難である。このため、設置後に技術者による長時間の調整が必要で、導入コストの増大を招いていた。
【０００５】
第二に、距離計測リング１２０に設置されている各検出ヘッド１２１（距離センサ）が距離計測リング１２０の中心方向を向いているため、被計測体２が人体などの表面に凹凸のある場合、その凹部にあたる脇の下の部分や両足の股下の部分については被計測体自体の別の部位、例えば腕や腿により遮られてしまうので、正確な形状が計測できない。
【０００６】
第三に、被計測体が人体などの重量の大きいものであるとき、計測のために装置内へ被計測体を配置すると、被計測体の重量により装置が微妙に歪む場合があり、その場合に距離計測リングと被計測体の相対位置にズレを生じて正確な計測が行えない。そのような不具合を解消するために、装置の枠組みを強固なものとし剛性を高めることが考えられるが、そのようにすると、装置全体の重量が非常に大きいものとなって、装置の組立作業や設置作業などが困難となり、非常に取扱い性の悪いものとなる。また、その重量に耐え得る床面を有する箇所でなければ設置することできず、設置箇所も制限される。更に、装置の部品コストの増加の一因ともなる。
【０００７】
第四に、距離計測リングの可動範囲より小さいものしか計測が行えない。すなわち、被計測体が背の高いものであって距離計測リングの可動範囲より大きいものであるとき、当然のことながら距離計測リングの可動範囲でしか被計測体の形状を計測することができない。つまり、被計測体の上部分および下部分の形状が計測できない場合がある。
【０００８】
第五に、計測のために装置内に配置された被計測体が計測中に移動してしまうと、計測が不能となるだけでなく、被計測体が距離計測リングに接触して損傷するおそれがあり、また、距離計測リングが破損するおそれがある。
【０００９】
第六に、距離計測リングは重量のあるものであるから、その距離計測リングを駆動するために駆動手段として大型のモータなどを取り付ける必要があり、装置全体の重量が大きいものとなるだけでなく、作動の際にかかる電力も大きいものとなる。
【００１０】
そこで本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものである。本発明の第１の課題は、少数のセンサで確実な三次元形状測定が可能な装置を提供することである。また、第２の課題は、被計測体が人体などの場合に脇の下部分や両足の股下部分の形状も確実に計測可能な三次元形状計測装置を提供することである。また、第３の課題は、重量物の測定が可能な軽量の装置を提供することである。さらに、第４の課題は、大型の被測定体の全体を確実に計測可能な装置を提供することである。そして、第５の課題は、センサの保護と被計測体の安全を確保した装置を提供することである。最後に、第６の課題は、装置の作動電力を削減することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の三次元形状計測装置は、計測空間内に配置された凹凸面を有する被計測体の三次元形状を非接触で検出する三次元形状計測装置であって、（１）計測空間の中心を貫く所定の軸を囲んで計測空間の周囲に設けられたこの軸方向に移動自在な移動枠と、（２）移動枠上に周方向に沿って３個以上配置され、被計測体の異なる部位の表面までの距離を計測するセンサと、（３）移動枠を軸方向に移動させる駆動機構と、（４）軸方向における移動枠の位置を検出して出力する位置検出手段と、（５）各センサ及び位置検出手段の出力に基づいて、移動枠の各移動位置における各センサから被計測体表面までの距離データを算出し、それらの距離データに基づいて被計測体表面の三次元形状を解析する解析手段と、を備えており、センサのそれぞれは、被計測体に光を照射する投光部と、被計測体からの反射光を受光する受光部を備えており、三角測量方式で被計測体との距離を検出するセンサであって、センサのそれぞれの光軸が軸方向への投影面上で一点で交差しないように構成され、３個以上のセンサは、移動枠の同一の側である一方の側に配置された隣接する第１のセンサ及び第２のセンサと、移動枠の他方の側に配置された第３のセンサとを少なくとも含み、第１のセンサ及び第２のセンサのそれぞれの光軸が、このセンサ群からみて計測空間の中心より遠方で交差することを特徴とする。
【００１２】
この装置では、計測空間内に被計測体を配置して、移動枠を所定の軸方向に移動させながら、移動枠上に配置された３個以上のセンサで被計測体表面とセンサとの距離を計測していく。これらの各センサは、被計測空間内の一点（各センサの軸方向の配列位置が異なる場合は、上記軸方向に平行な特定の直線）に向かないように、移動枠の同一の側である一方の側に配置された隣接する第１のセンサ及び第２のセンサそれぞれの光軸が、このセンサ群からみて計測空間の中心より遠方で交差するように、センサの向きを異ならせているので、被計測体の表面に凹凸がある場合でも、第１及び第２のセンサとこれらの凹凸面のいずれかが対向するように被計測体を配置することで、凹凸面との距離測定が確実に行える。センサでの距離測定の際、合わせて、距離計測時の移動枠の位置も位置検出手段により計測しておく。移動枠の位置から距離測定時の各センサの位置の三次元座標を表す位置データが求められる。そして、この位置データと移動枠の移動に伴い検出した各センサと被計測体表面との距離データから、被計測体表面の被計測空間内での位置の三次元座標を表す位置データが求められる。この位置データの集合が被計測体表面の形状を表す三次元データである。
【００１３】
これらのセンサは、移動枠の周方向に沿って、主としてその対向する２つの側面上のそれぞれの所定領域内に複数個ずつ計４個以上配置されていてもよい。
【００１４】
この場合、各センサは、計測空間から見て対向する側面上の所定領域内に集中して配置されている。したがって、センサが向き合うように配置されることになるので、被測定体表面に凹凸がある場合に、その凹凸面をセンサに向き合うように配置して測定すれば、凹凸面との距離測定が確実に行える。
【００１５】
さらに、センサのそれぞれは、被測定体に光を照射する投光部と、投光部と所定距離離れて配置され、被測定体からの反射光を受光する受光部を備えており、三角測量方式で被測定体との距離を検出するセンサであって、投光部は前述の軸方向に垂直な方向に所定角度で光を走査するものでもよい。
【００１６】
これによれば、投光部から照射された光は、被測定体の表面に当たって乱反射（散乱）し、その一部が投光部から所定距離離れた位置に配置された受光部に入射する。被測定体の位置により、投光部から被測定体表面を経て受光部に入射する光の経路が形成する三角形の形状が異なってくる。その結果、受光部へ入射する反射光の入射角度あるいは入射位置が異なってくるので、これをもとにして三角測量方式で被測定体表面までの距離が求まる。さらに、軸方向に垂直な方向に光を走査することで一個のセンサで複数の異なる被測定体表面位置に対する距離データが計測される。
【００１７】
また、移動枠の同一の側に配置された隣接するセンサの投光部のそれぞれの走査中心が、このセンサ群からみて計測空間の中心より遠方で交差していてもよい。
【００１８】
これによれば、各センサは、対向するセンサとより相対するように配置されるので、被測定体表面に凹凸がある場合、この凹凸のある面をセンサ群に向き合うように配置して測定すれば、凹面に投光部からの光がさらに入射しやすくなり、その散乱光を受光部でより受光しやすくなる。
【００１９】
各センサの受光部は、対向して配置される他のセンサ群の投光部と軸方向に所定距離離れて配置されていてもよい。これによれば、各センサの受光部は、対向して配置されるセンサ群の投光部との間を被測定体が遮らない場合でも、これらの投光部からの照射光が直接入射することがない。
【００２０】
移動枠は、Ｕ字形、あるいは馬蹄形状であってもよい。この場合は、移動枠の片側が開放され、被計測体の導入等に利用できる。
【００２１】
計測空間中に被計測体が上方に配置される配置台をさらに備えていてもよい。これによれば、被計測体の最下部までの計測が可能となる。
【００２２】
計測空間と移動枠の移動空間とを仕切る内壁カバーをさらに備えていてもよい。これによれば、計測空間と移動枠が移動する空間が確実に分離される。
【００２３】
計測空間と移動枠の移動空間とを仕切るとともに、各センサと被計測体の間の部分には光を透過する窓を有する内壁カバーをさらに備えていてもよい。これによれば、計測空間と移動枠が移動する空間が確実に分離されるとともに、センサの入出力光が遮られることがない。
【００２４】
軸方向は、重力方向であって、計測空間より上部に配置された回転体と、一端に移動枠が結合され、他端にその移動枠とほぼ同重量のバランサが結合されて回転体の周面に掛け回されている可撓性長尺体と、をさらに備えており、駆動機構は、回転体を回転させることにより可撓性長尺体を介して移動枠を移動させることを特徴とするものでもよい。
【００２５】
これによれば、可撓性長尺体に結合された移動枠とバランサがほぼ釣り合うので、移動枠を移動させるために回転体を回転させるのに必要な力が小さくなる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明に係る三次元形状計測装置の実施形態を説明する。尚、各図において同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致していない。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態の三次元形状計測装置１の全体概要図であり、図２は、この三次元形状計測装置１の水平断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る三次元形状計測装置１は、人体２を被計測体としたときの人体の形状（体型や体の部分形状など）を計測するための装置であって、内部に計測空間１１が形成されており、その計測空間１１に沿って垂直移動自在に移動枠３が配設されている。移動枠３は、人体２の形状を垂直方向に沿って順次計測していくための枠体であって、その移動枠３には、移動枠の周方向に複数のセンサ４が並設されている。この移動枠３の形状は、計測空間１１を囲める形状とされ、例えば、図２に示すように馬蹄形とするのが望ましい。すなわち、馬蹄形のような形状として移動枠３の一部に切欠部３１を設けることにより、計測空間１１を囲う形態でありながら、計測空間１１へ人体の出入りが移動枠３の位置に関わらず、いつでも可能となる。
【００２８】
また、センサ４は、計測空間１１に配された人体２までの距離を検知するためのものであって、それぞれ人体２に対して異なる方向から距離検知を行えるように配置されている。図２においては、移動枠３に６つのセンサ４₁〜４₆が設けられているが、人体２の全周囲をカバーして形状を計測できれば、センサ４の設置数は７つ以上または５つ以下であってもよい。ただし、人体２の全周囲の形状を正確に測定するためには、センサ４は、最低３つ必要であることは明らかであり、確実に全周囲の形状を測定するためには、４つ以上配置することが好ましい。
【００２９】
センサ４は、それぞれ馬蹄形の移動枠３の対向する側面上にそれぞれ３つずつ２組（４₁〜４₃と４₄〜４₆）に分けて配置されている。センサ４の配置の詳細については、後に詳述することとし、まず個々のセンサ４の構成について説明する。これらのセンサ４としては、光学三角測量法にて距離検出を行う反射型の光電センサが用いられる。
【００３０】
例えば、センサ４は、図３に示すように、投光部４５と投光部４５を挟んで上下対称に配置された２つの受光部４６とを備えている。投光部４５は、発光部４１の前方に照射光を平行光に調整する投光レンズ４３が配置されており、この発光部４１は、水平方向に一列に配列された複数のＬＥＤチップからなる発光素子４１ｂを有している。そして、これらの発光素子４１ｂを順次発光するよう制御することにより、それらから射出されて人体２へ向かう光束４１ａは、投光レンズ４３から扇型形状に走査される。このように光束４１ａを水平走査させることにより、一つのセンサ４における光束４１ａの照射範囲、すなわち距離検出可能な範囲が広がり、センサ４の設置数を削減することができる。
【００３１】
一方、それぞれの受光部４６は、受光素子４２と、その前方に配置された反射光を受光素子４２表面に集光する受光レンズ４４を備える。この受光素子４２としては、ＰＳＤ（半導体位置検出素子）が用いられる。すなわち、受光素子４２は、抵抗層からなる受光面４２ａを有し、その受光面４２ａを挟んで上下端に電極４２ｂ、４２ｃが設けられた構造をしている。この受光素子４２は、受光面４２ａに光が入射すると、受光位置で光電流を生じ、この光電流がそれぞれ電極４２ｂ、４２ｃに分割されて流れていく。その際、各電極４２ｂ、４２ｃに流れるそれぞれの光電流は、受光位置と各電極４２ｂ、４２ｃ間の抵抗値に応じて分割される。この抵抗値は、電極と受光位置の距離に比例する。したがって、各電極４２ｂ、４２ｃに流れる電流の比は入射光の受光素子への受光位置に応じて変化するので、受光位置の検出ができる。
【００３２】
そして、投光部４５と受光部４６は、それぞれの光軸中心が一致するよう、配置されている。つまり、発光部４１と受光素子４２、発光レンズ４３と受光レンズ４４は、それぞれ平行に配置されている。
【００３３】
ここで、このセンサ４の測定原理について簡単に説明する。図４は、このセンサの測定原理を示す図である。ＬＥＤチップ４１ａから照射された光は、発光レンズ４３を経て被検体である人体２表面で乱反射され、その一部が受光レンズ４４で集光されて受光素子４２の受光面４２ａの受光位置ＳＰに入射する。この時、発光レンズ４３から人体２までの距離をＬ、発光レンズ４３と受光レンズ４４の光軸中心の距離である基線長をＢ、受光レンズ４４の焦点距離、つまり受光レンズ４４と受光素子４２間の距離をｆ、電極４２ｂ、４２ｃ間の距離をＣ、受光レンズ４４の光軸中心からの受光位置ＳＰの距離をｘ₁とすると、
ｘ₁＝Ｂｆ／Ｌ …(1)
が成立する。
【００３４】
また、受光素子４２の各電極４２ｂ、４２ｃからの出力電流Ｉ_A、Ｉ_B、は両者の和をＩ₀とすると、それぞれ受光位置ＳＰと電極との距離に反比例するから、受光位置ＳＰと電極４２ｃの距離をＸとすると、
Ｉ_A＝Ｉ₀Ｘ／Ｃ
Ｉ_B＝Ｉ₀（Ｃ−Ｘ）／Ｃ …(2)
で表せる。
【００３５】
受光レンズ４４の光軸中心と電極４２ｃの距離をｘ₀とすると、Ｘ＝ｘ₀＋ｘ₁が成り立つから、これと(1)(2)式よりＸ、ｘ₁を消去すると、
Ｌ＝Ｂｆ／｛Ｉ_AＣ／（Ｉ_A＋Ｉ_B）−ｘ₀｝ …(3)
が成立し、各電流値より、被測定体である人体２までの距離Ｌを求めることができる。
【００３６】
あるいは、受光素子４２には、図５に示されるような２分割型半導体位置検出器を用いることもできる。この２分割型半導体位置検出器では、受光面４２ａを所定の曲線状の分離層４２ｄによって２つの受光面４２ｅ、４２ｆに絶縁分離してあり、分離された受光面のそれぞれに電極４２ｂ、４２ｃを設けている。この場合は、受光面４２ａに電極４２ｂ、４２ｃに平行なスリット状の光が入射するとそれぞれの側の面積に対応してそれぞれの電極から電流が取り出される。したがって、この曲線の形状を調整することにより、前述の距離Ｌにリニアな出力が得られる受光素子４２を作成することができる。
【００３７】
こうした距離Ｌにリニアな出力が得られる受光素子４２の分離部４２ｄの形状が満たすべき条件は、光源からの位置ｘにおける光源側の受光面の幅をＨ（ｘ）、逆側の受光面の幅をＷ（ｘ）、分離層の幅をＩ、受光面全体の幅をＷとすると、
Ｈ（ｘ）＋Ｗ（ｘ）＋Ｉ＝Ｗ
Ｗ（ｘ）＝ａｘ／（ｘ＋ｂ） …(4)
であり、定数ａ、ｂは以下の条件を満たす。
【００３８】
ａ＝Ｌ_f（Ｗ−１）／（Ｌ_f−Ｌ_n）
ｂ＝ｆＢ／Ｌ_f …(5)
ここで、Ｌ_f、Ｌ_nは、それぞれ遠距離側、近距離側の測定限界を指している。
【００３９】
前述したように、発光部４１には、発光素子４１ｂが水平方向に一列に配列されており、これを順次発光させることで、発光レンズ４３から人体２に照射される光束４１ａを水平方向に走査させることができる。このそれぞれの光束に対する散乱光を受光素子４２で検出することにより、前述の原理に基づいて被測定体である人体２までの距離を測定することができる。この走査光による反射光の受光素子４２への水平方向の入射位置は、走査光を射出した発光素子４１ｂの水平方向の位置に等しい。したがって、受光素子４２の検出面４２ａの水平方向の幅は発光素子４１ｂの水平方向の配列長さより大きくする必要がある。
【００４０】
また、センサ４は、図３のように、受光素子４２が発光部４１を挟んで上下に一つずつ対称に配設されているので、人体２の表面に垂直方向に変化する凹凸があっても、人体２の表面に照射された光束４１ａの散乱光を上下いずれかの受光素子４２で受光することができ、そのような凹凸部分の表面位置を確実に計測することが可能となる。
【００４１】
次に、センサ４群の配置について説明する。センサ４の配置の詳細を図６に示す。本実施形態の場合は、センサ４は、測定空間の中心からみて人体２の正面と背面に対称に配置されており、それぞれの側で測定空間の中心から約７０度の角度範囲内に３つずつ均等に配置されている。そして、センサ４₁〜４₃（あるいは４₄〜４₆）の光軸（水平走査の中心軸）は、計測空間の中心より２００mm遠方で交わっている。つまり、各センサは、人体２の正面と背面に対向するように集中して配置されている形になる。そして、これらのセンサ４は、いずれも約３０度の水平走査角度を有している。したがって、各センサ４の走査範囲が重なり合って、測定時に被測定体自身でセンサ４の視線上から遮られやすい股下や脇の下の部分についても、いずれかのセンサ４の視線上に入るため、正確な測定が可能となる。
【００４２】
さらに、移動枠３の一方の側に取り付けられたセンサ群４₁〜４₃のそれぞれの受光部４６は、別の側に取り付けられたセンサ群４₄〜４₆の投光部４５と異なる高さ、好ましくは投光レンズ４３（あるいは受光レンズ４４）の直径以上に離れた高さに設置されていることが好ましい。これにより、センサ４の投光部４５から射出された光や散乱光が反対側に取り付けられたセンサ４の受光部４６に入射することがないので、不要光の入射に伴うノイズの発生を防止することができる。
【００４３】
図１に戻って、本実施形態全体の説明を続けると、移動枠３は、駆動機構５により垂直方向へ移動可能となっている。駆動機構５は、回転自在の回転体であるローラ５１に可撓性長尺体であるワイヤ５２が掛け回されており、このワイヤ５２は、一端が移動枠３に結合され、その他端が移動枠と略同重量の金属体等からなるバランサ５３に結合されている。そして、ローラ５１は、底板１３に立設される支柱１４の上部で水平に軸支されて配設されている。このローラ５１は、ベルト５４を介してモータ５５の回転力が伝達される構造とされ、モータ５５の駆動に従って回転するようになっている。バランサ１４と移動枠３がワイヤ５２で釣り下げられて、ほぼ両者が釣り合っているので、移動枠３を移動させるための動力が小さなもので済み、移動枠３の移動がスムーズに行える。このため、移動枠３の駆動に用いるモータ５５に小トルクのものを用いることができ、装置１の作動時に必要な電力を低減できる。
【００４４】
また、底板１３は、略コ字形を呈する板体であって、装置１の外壁部１２内の床面に配され、前述の移動枠３の切欠部３１と同様に、計測空間１１の人体２の出入口に向けて開放部１３ａを向けて載置されている。支柱１４は、底板１３の中央部分に立設されており、計測空間１１に対向する面にスリット１５が垂直方向、即ち移動枠３の移動方向に沿って開設された構造となっている。スリット１５は、移動枠３を案内するためのガイド孔であって、このスリット１５に移動枠３の係合片３２が係止されており、スリット１５の開口方向（長手方向）にのみ移動枠３を摺動させるようになっている。なお、図１において、底板１３から支柱１４のみが立設されているが、支柱１４のほか、底板１３上に補助柱体を垂直に立設して、支柱１４とその補助柱体を上部で水平部材を架け渡して、装置１の剛性を高めた構造としておくのが望ましい。
【００４５】
また、外壁部２には、操作パネル１６が取り付けられており、装置１に電源供給させる主電源スイッチ１６ａ、計測を開始させ、また停止させる起動停止スイッチ１６ｂ、作動異常を知らせるエラー表示ＬＥＤ１６ｃ、装置１を計測状態にさせるセットスイッチ１６ｄがそれぞれ設けられている。また、駆動機構５には、移動枠３の移動に伴ってその移動量に対応したパルス信号を出力するロータリーエンコーダ１７が設けられている。ロータリーエンコーダ１７は、例えば、ローラ５１の回転軸と同期して回転する回転体を有するものが用いられる。このロータリーエンコーダ１７によれば、ローラ５１の回転状態を検出して、移動枠３の移動量に同期するパルス信号を出力することができる。
【００４６】
さらに、図７に示すように、支柱１４には、三つのリミットスイッチ６１〜６３が取り付けられている。このリミットスイッチ６１〜６３は、移動枠３の移動位置を検知するためのものでものであって、例えば、光電スイッチが用いられる。支柱１４に沿って移動する移動枠３がリミットスイッチ６１〜６３の前方を通過する時に、各リミットスイッチ６１〜６３から電気信号が出力されるように構成されている。リミットスイッチ６１は、支柱１４の上部であって、最上部から降下する移動枠３が等速度で移動し始める位置に取り付けられている。また、リミットスイッチ６２は、支柱１４の下部であって、計測位置の最下位置より下方の位置に取り付けられている。また、リミットスイッチ６３は、支柱１４の最下部に取り付けられている。
【００４７】
再び、図１を参照すると、制御盤７が底板１３上に設置されている。制御盤７は、装置１を駆動制御するとともに三次元形状を解析するためのものであって、図８に示されるように、計測手段である信号処理回路７１と駆動制御回路７２を備えて構成されている。信号処理回路７１は、各センサ４と接続され、各センサ４の出力信号に基づいて人体２までの距離を算出し、人体２の三次元形状を計測する回路である。また、信号処理回路７１には、ロータリーエンコーダ１７が接続されており、移動枠３の移動に対応したパルス信号が入力されている。この信号処理回路７１によれば、ロータリーエンコーダ１７のパルス入力に従って、各センサ４の空間位置が求められるので、これら各センサ４の距離データに基づいて人体２の各表面位置を求めることができ、これを基にして人体２の三次元形状が算出される。一方、駆動制御回路７２は、主電源スイッチ１６ａ、起動スイッチ１６ｂ、エラー表示ＬＥＤ１６ｃ、セットスイッチ１６ｄ、リミットスイッチ６１〜６３が接続され、各スイッチの指令信号または出力信号に従って、モータ５５を駆動制御する回路である。主電源スイッチ１６ａ、起動スイッチ１６ｂ、エラー表示ＬＥＤ１６ｃ、セットスイッチ１６ｄは、図１に示すように、外壁１２の外面に取り付けられた操作パネル１６に設けられている。なお、図１において、制御盤７と各部との配線ケーブル等の図示は省略されている。
【００４８】
さらに、計測空間１１の下部には、配置台８が配置されている。この配置台８は、被計測体である人体２の計測位置を高く上げるための台であって、中央の上面に計測面８１が形成され、段状に高く設けられている。この計測面８１は、移動枠３が最も下に位置しているときの各センサ４の検知位置よりも少なくとも高い位置に形成されている。この計測面８１上に人体２を立たせることにより、移動枠３の移動範囲内に人体２を位置させることができ、人体２の下方部、例えば足首部分などまで確実に計測が可能となる。また、計測面８１を両側部より段状に高くすることにより人体２の前後方向の位置決めが確実に行える。また、天井から取手部１８を垂下させて設け、この取手部１８を人体２に握らせることにより人体２の左右方向の位置決めが確実に行える。更に、配置台８の前面には計測面８１より低い位置に踏台部８２が設けらることにより、人体２がこの踏台部８２を利用して容易に計測空間１１内へ進入できるようになっている。
【００４９】
また、この配置台８は、図２に示されるように、底板１３と別体であって、底板１３上でなく、底板１３の側片部１３ｂ、１３ｂの間に配置されている。このため、配置台８上に重量のある人体２が載り込んだときでも、人体２の重量による配置台８の歪みが駆動機構５および移動枠３へ伝達されることはない。従って、そのような歪みが計測に影響することがなく、正確な計測が可能となる。
【００５０】
更に、配置台８は、計測空間１１から着脱自在とされている。このため、配置台８の着脱により、移動枠３の移動範囲を超える背の高い人体２の計測も可能となる。すなわち、計測空間１１に配置台８を配設した状態（図１）において、計測面８１上に人体２を立たせて人体２の下半部を計測した後、配置台８を計測空間１１から取り出して配置台８の無い状態で計測空間１１内に人体２を立たせて人体２の上半部を計測する。そして、二つのデータ（上半部のデータ、下半部のデータ）を合成することにより、人体２の全体形状の計測が行える。
【００５１】
図１および図２に示すように、移動枠３の内側（計測空間１１側）には、内壁カバー９が設置されている。内壁カバー９は、移動枠３の移動空間と計測空間１１を仕切るための板体であって、移動枠３の内面に沿って配置されている。但し、移動枠３の切欠部３１の部分には設けられておらず、その部分を通じて計測空間１１内へ人体２が進入できるようになっている。この内壁カバー９が設けられることにより、計測中に計測空間１１で人体２が動いても移動する移動枠３に接触することがない。
【００５２】
また、図２のように、内壁カバー９には透光窓９１が設けられている。透光窓９１は、センサ４の発光部４１が発する光を透過させる透光性を有する部材、例えばスモークアクリル板などで形成されており、各センサ４の前面であって移動枠３の移動方向、即ち垂直方向に沿って設けられている。このため、内壁カバー９によれば、人体２の移動枠３の移動空間への進入を防止しながら、センサ４から人体２への投光およびセンサ４による受光が許容されている。
【００５３】
また、図２に示すように、内壁カバー９の内面の形成角度は、任意のセンサ４から発せられた光が対向する内面で反射して直接その反射光が入射されない角度とされている。このような角度にしておくことにより、誤って対面までの距離が検出されることがない。
【００５４】
次に、三次元形状計測装置１の使用方法及びその動作について説明する。
【００５５】
図１に示される装置で、主電源スイッチ１６ａをオンにして、三次元形状計測装置１の各部に電源を供給する。主電源スイッチ１６ａをオンにした直後は、装置１のウォーミングアップ時間であり、他のスイッチ等を受付けない状態となる。ウォーミングアップ時間内はセットスイッチ１６ｄが点滅状態（スイッチ１６ｄ内の発光体が点滅状態）となっており、そのウォーミングアップ時間の経過後にセットスイッチ１６ｄが点滅状態から点灯状態に変わり、装置１のウォーミングアップが完了したことが分かる。
【００５６】
そして、ウォーミングアップ時間の経過後、セットスイッチ１６ｄをオンすると、モータ５５の駆動に伴って、移動枠３が上方へ移動する。すなわち、セットスイッチ１６ｄがオンとされることにより、図８に示すように、駆動制御回路７２からモータ５５へ駆動信号が出力され、モータ５５が駆動する。このモータ５５の駆動力がベルト５４を介してローラ５１へ伝達され、ローラ５１が回転しワイヤ５２を介して移動枠３が上方へ引き上げられる。その際、ワイヤ５２の他端側にはほぼ同重量のバランサ５３が釣り下げられているから、移動枠３の引き上げに大きな動力を必要としない。このため、モータ５５の消費する電力が小さいものとなる。また、移動枠３を無理なく引き上げられるから、移動枠３の移動がスムーズである。なお、ウォーミングアップ時間の経過後、移動枠３が既に上方に位置しているときには、セットスイッチ１６ｄをオンしても、移動枠３は移動しない。
【００５７】
そして、図１において、移動枠３が上方へ移動したら、被計測体となる人体２を計測空間１１内へ進入させる。計測空間１１内では、人体２を配置台８の計測面８１上に立たせて、取手部１８を握らせて、人体２を計測に適した状態としておく。なお、人体２の配置は、前述の移動枠３の上方セットに先立って、また、そのセット中に行ってもよい。
【００５８】
次いで、起動スイッチ１６ｂをオンする。すると、駆動制御回路７２の指令信号を受けてモータ５５が駆動し、モータ５５の駆動力がベルト５４、ローラ５１およびワイヤ５２を介して移動枠３へ伝達され、図７に示すように、移動枠３が装置１の上部から降下していく。そして、移動枠３がリミットスイッチ６１の前を通過すると、図８において、リミットスイッチ６１から駆動制御回路７２へ計測開始信号が出力され、その計測開始信号が駆動制御回路７２を介して信号処理回路７１へ入力される。信号処理回路７１への計測開始信号の入力と同時に、ロータリーエンコーダ１７から出力されるパルス信号を信号処理回路７１がカウントし始め、移動枠３の降下に伴って断続的なパルス信号を信号処理回路７１が順次カウントしていく。
【００５９】
例えば、移動枠３が５ｍｍ移動するごとにロータリーエンコーダ１７からパルスが出力されるようにしておけば、これをカウントすることで移動枠３の高さ位置（位置情報）が判定される。そして、各センサ４をこのパルス信号に同期して作動させる。つまり、信号処理回路７１は、ロータリーエンコーダ１７からパルスが入力されるごとに、各センサ４へ作動指令信号を出力する。その結果、図２に示すように、各センサ４の発光部４１の発光素子４１ｂが順次発光して、被計測体である人体２へ光（光束４１ａ）が照射される。つまり、各センサ４で光の水平方向の走査が行われる。そして、人体２に照射された際の散乱光（反射光）が各センサ４の受光素子４２で受光されることにより、前述の（３）式に基づいてセンサ４から人体２の表面までの距離に対応する電気信号（距離検出信号）が出力され、信号処理回路７１に入力される。このようなセンサ４の作動がロータリーエンコーダ１７からのパルス入力ごとに繰り返される。
【００６０】
例えば、垂直方向の計測範囲（移動枠３の有効な移動範囲）が１７０ｃｍであるとすると、一回の計測においてロータリーエンコーダ１７から３４０個のパルスが断続的に出力されて、それぞれの発光部４１ｂに対して、高さ５ｍｍ間隔の位置での人体２表面までの距離データが計３４０個ずつ得られることになる。
【００６１】
なお、センサ４の発光部４１による光束４１ａの走査は、複数の発光素子４１ｂによるものに限られるものではなく、単一の発光体から発せられる光束４１ａを光軸上に配置した回転プリズムや回転ミラーなどにより走査するなど、その他の手法を用いてもよい。更に、センサ４としては、人体２までの距離を計測できるものであれば、前述の反射型の光電センサ以外の検出手段を用いることもできる。
【００６２】
このとき、センサ４は、図６に示されるような配置とされているので、股下や脇の下のように人体２自体が障害となりやすい部位についてもいずれかのセンサ４の照射光がこれらの部位に到達するので正確な測定が可能である。したがって、正確な人体２の三次元形状の測定が可能となる。
【００６３】
図９〜１１は、このセンサ４の個数を４、５、８個とした場合の好ましい配置例を示している。図９のセンサ４を４個配置した場合は、人体２の正面側、背面側とも約３２度の狭い角度範囲の両端に２個のセンサ４₁、４₂（４₃、４₄）が配置され、それぞれのセンサ４₁、４₂（４₃、４₄）の光軸は、測定空間の中心より約４６７mm遠方で交差している。図１０のセンサ４を５個配置した場合は、正面側の３個のセンサ４₁〜４₃の配置は、図６に示すセンサ４₁〜４₃と同じ配置であり、背面側の２個のセンサ４₄、４₅の配置は、図９に示すセンサ４₃、４₄と同じ配置である。図１１のセンサを８個配置した場合は、正面側、背面側とも約７０度の角度範囲内に４つのセンサをほぼ均等に配置している。両端のセンサ４₁、４₄（４₅、４₈）の光軸は、測定空間の中心より約７１０mm遠方で交差し、内側のセンサ４₂、４₃（４₆、４₇）の光軸は、測定空間の中心より約９００mm遠方で交差している。いずれの場合も人体の正面及び背面と向かいあうように各センサ４が配置されるので、図６に示したセンサ６個の場合の配置例と同様に脇の下や股下のような部位についても正確な測定が可能となる。
【００６４】
比較のために図１２に示されるように４個のセンサ４を人体２の中心から等距離に等間隔で配置した例について述べる。この場合は、センサ４からの照射光は、腕や脚、胴などで遮られて、脇の下や股下の対向する部分の表面には到達できない。このため、この部位の表面位置を測定することができず、正確な表面形状の測定ができなかった。これを克服するためには、センサ４の個数を増やして走査範囲を拡大する方法があるが、重複する測定箇所が多くなり無駄が多いこと、センサの個数上昇による価格上昇や散乱光の増加、調整の複雑さが増すなどの問題がある。これに対して、図９に示されるセンサ４配置では、少ないセンサ４で脇の下や股下などの部位についても正確な測定ができる。
【００６５】
このように人体２の脇の下や股下を正確に測定できるように、センサ４を人体２に向かい合うように配置するためには、所定の領域内に集中してセンサ４を配置することが好ましい。もちろん、側面の測定を確実にするために、この範囲外に追加のセンサを設けてもよい。
【００６６】
図２を参照した本実施形態の装置の動作説明を続ける。この測定の際に、移動枠３は、計測空間１１に沿って降下し続けることとなるが、何らかの原因により人体２が動いた場合でも、移動枠３の移動空間と計測空間１１が内壁カバー９で仕切られているので、人体２が移動枠３に接触する心配がない。従って、そのような場合に人体２が移動枠３に接触して、負傷したり、移動枠３や駆動機構５などが破損することなく、非常に安全である。
【００６７】
そして、移動枠３の降下に伴って入力されるセンサ４から人体２までの距離検出信号は、信号処理回路７１に送られて、前述の移動枠３の位置情報を基にした各センサ４の空間位置とともに処理することにより、人体２の表面の空間位置情報に変換される。この空間位置情報を組み合わせることにより、最終的に人体２の立体的な三次元形状を求めることができる。
【００６８】
図７に示されるように、移動枠３がリミットスイッチ６２を通過すると、駆動制御回路７２により移動枠３の降下速度が減速され、移動枠３がリミットスイッチ６３を通過すると間もなく移動枠３は停止する。このとき、配置台８により人体２の配置位置が高くなっているので、移動枠３の停止位置は人体２の配置位置（計測面８１）より低くなり、移動枠３の移動により人体２の足部分まで完全に計測が可能となる。なお、何らかの原因により移動枠３が途中で停止してしまったとき、または所定の範囲の形状データが得られなかったときには、エラー表示ＬＥＤ１６ｃが点灯して装置１の異常を容易に認識できる。その場合は、セットスイッチ１６ｄをオンにして再度計測をやり直せばよい。
【００６９】
そして、図８に示すように、信号処理回路７１にモニタ１９を接続すれば、人体２の三次元形状をコンピュータグラフィック等により立体的に画像表示することで、その形状を容易に把握することができる。また、同時に表面形状から数値処理により各寸法を数値表示することもできる。
【００７０】
次に、計測すべき人体２の背が高い場合における三次元形状計測装置１の使用方法及びその動作について説明する。
【００７１】
まず、図１において、前述の説明と同様に、主電源スイッチ１６ａをオンにして、三次元形状計測装置１の各部に電源を供給する。そして、ウォーミングアップ時間の経過後、セットスイッチ１６ｄをオンして、移動枠３を上方へ移動させる。次いで、移動枠３が上方へ移動したら、被計測体となる人体２を計測空間１１内へ進入させる。計測空間１１内では、人体２を配置台８の計測面８１上に立たせて、取手部１８を握らせて、人体２を計測に適した状態としておく。なお、人体２の配置は、前述の移動枠３の上方セットに先立って、また、そのセット中に行ってもよい。
【００７２】
そして、起動スイッチ１６ｂをオンして、前述と同様に、人体２の三次元形状の計測を行う。その際、人体２の背が高いので人体２の上部、即ち頭部や上半身部分などの三次元形状のデータが得られない。
【００７３】
次いで、最初の計測を行った後、再び、セットスイッチ１６ｄをオンして、装置１を計測可能な状態とする。それと前後して、計測空間１１内に配置されていた配置台８を取り外しておく。そして、計測空間１１内へ人体２を進入させる。このとき、人体２は、最初の計測時と比較して配置台８の高さ寸法だけ、低い位置に配置されることとなる。この状態において、起動スイッチ１６ｂをオンにして、人体２の頭部や上半身部分などの三次元形状の測定を行う。
【００７４】
そして、二回の計測（下半身部分の計測、上半身部分の計測）を終了したら、信号処理回路７１により、各計測データにおいて重複するデータ部分を検索させ、その重複データを合せるようにして各計測データを合成させる。
【００７５】
このように、二回にわたる計測作業と各データの合成により、装置１の計測範囲（移動枠３の移動範囲）を超える身長を有する人体２であっても、確実に全体の三次元形状を計測することができる。
【００７６】
以上のように、本実施形態の三次元形状計測装置１によれば、水平走査を行うセンサ４を対向する２つの群に分けて配置しているので、股下や脇の下など人体表面の凹部についても正確な測定が可能となる。特に、各センサを対向するセンサと異なる高さに設置することで、対向するセンサの出力光が直接入射するのを防止して、ノイズの発生を防ぐことができる。さらに、移動枠をＵ字形、馬蹄形状とすることで、人体２の被測定空間への導入が容易になる。また、配置台８を備えることにより、被計測体である人体２の下部の三次元形状を確実に計測することできる。さらに、配置台８が移動枠３や駆動機構５などと別体とされることにより、正確な計測が可能となる。また、配置台８が着脱自在とされることにより、背の高い人体２であっても全体の三次元形状が確実に計測できる。また、内壁カバー９が設けられることにより、安全に計測が行える。更に、駆動機構５にバランサ５３が設けられることにより、移動枠３の移動能率が高められ、装置１の消費電力が低減できる。
【００７７】
本実施形態の三次元形状計測装置１は、人体２の三次元形状を計測するものであったが、被計測体としては人体２に限られるものではなく、その他のものを計測対象とすることも可能である。
【００７８】
また、本実施形態の三次元形状計測装置は、高さ方向に移動して三次元形状の計測を行ったが、測定方向はこれに限られるものではなく、水平方向など任意の軸方向に移動する移動枠上にセンサを配置して測定を行ってもよい。
【００７９】
また、以上の説明では、センサを移動枠の２つの対向する側面に集中して配置した実施形態について説明したが、センサの配置はこれに限られるものではない。ただし、被計測体表面の凹凸形状を確実に測定するためには、各センサの光軸（走査角を有する場合はその中心線に相当する）は、一点で交差しない（各センサの軸方向の配置位置が異なる場合は、軸方向への投影面上で一点で交差しない）ことを必要とする。このようにセンサを配置したうえで、被計測体をその表面の凹凸がいずれからのセンサに向けられるように配置して測定することにより、表面の凹凸形状を正確に測定することができる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
【００８１】
すなわち、移動枠上に光軸が一点で交差しないように配置された複数の距離センサにより、これらのセンサに対向する面に凹凸がある物体表面の三次元形状を正確に測定することが可能となる。
【００８２】
さらに、三角測量方式で距離を検出するセンサを用い、光を所定角度に走査することにより、少ないセンサ個数で正確な測定が行えるので、調整が簡単で、コストも削減できる。
【００８３】
特に、センサの走査中心の配置を工夫することで、さらに、センサに対向する面に凹凸がある、例えば、人体の股下や脇の下などの部分の形状測定を確実に行うことができる。
【００８４】
また、対向するセンサの発光部と別の高さに受光部を設置することで、対向するセンサからの照射光や散乱光が受光部に直接入射することがなく、ノイズの少ない高精度の測定が可能となる。
【００８５】
一方、移動枠をＵ字形あるいは馬蹄形とすることにより、被測定空間内への被計測体の導入が容易になる。
【００８６】
また、配置台を備えることにより、被計測体の下部の三次元形状を確実に計測することができる。特に、配置台を移動枠や駆動機構などと別体とされることにより正確な計測が可能となる。また、配置台が着脱自在とされることにより、被計測体が背の高いものであっても全体の三次元形状が確実に計測できる。
【００８７】
また、内壁カバーが設けられることにより安全に計測が行える。特に、内壁カバーに透過窓を設ければ、測定の邪魔にならない。
【００８８】
また、駆動機構にバランサが設けられることにより、移動枠の移動能率が高められ、装置の消費電力が低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の三次元形状計測装置の全体概要図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１の装置のセンサの構成を示す概略斜視図である。
【図４】図３のセンサの測定原理を示す説明図である。
【図５】図２に係るセンサの受光素子の別の実施形態を示す図である。
【図６】図１の三次元形状計測装置の概略縦断面図である。
【図７】図１の三次元形状計測装置の処理系の説明図である。
【図８】図１の三次元装置へのセンサ６個の好ましい配置例を示す図である。
【図９】図１の三次元装置へのセンサ４個の好ましい配置例を示す図である。
【図１０】図１の三次元装置へのセンサ５個の好ましい配置例を示す図である。
【図１１】図１の三次元装置へのセンサ８個の好ましい配置例を示す図である。
【図１２】図１の三次元装置へのセンサ４個の好ましくない配置例を示す図である。
【図１３】従来の三次元形状計測装置の構成図である。
【符号の説明】
１…三次元形状計測装置、２…人体（被計測体）、３…移動枠、４…センサ、５…駆動機構、８…配置台、１１…計測空間。
代理人弁理士長谷川芳樹

Claims

計測空間内に配置された凹凸面を有する被計測体の三次元形状を非接触で検出する三次元形状計測装置において、
前記計測空間の中心を貫く所定の軸を囲んで前記計測空間の周囲に設けられた前記軸方向に移動自在な移動枠と、
前記移動枠上に周方向に沿って３個以上配置され、前記被計測体の異なる部位の表面までの距離を計測するセンサと、
前記移動枠を前記軸方向に移動させる駆動機構と、
前記軸方向における前記移動枠の位置を検出して出力する位置検出手段と、
前記各センサ及び位置検出手段の出力に基づいて、前記移動枠の各移動位置における前記各センサから前記被計測体表面までの距離データを算出し、それらの距離データに基づいて前記被計測体表面の三次元形状を解析する解析手段と、
を備えており、
前記センサのそれぞれは、被計測体に光を照射する投光部と、被計測体からの反射光を受光する受光部を備えており、三角測量方式で被計測体との距離を検出するセンサであって、
前記センサのそれぞれの光軸が前記軸方向への投影面上で一点で交差しないように構成され、
３個以上の前記センサは、前記移動枠の同一の側である一方の側に配置された隣接する第１のセンサ及び第２のセンサと、前記移動枠の他方の側に配置された第３のセンサとを少なくとも含み、
前記第１のセンサ及び前記第２のセンサのそれぞれの光軸が、このセンサ群からみて前記計測空間の中心より遠方で交差することを特徴とする三次元形状計測装置。
前記センサは、前記移動枠に周方向に沿って、主としてその対向する２つの側面上のそれぞれの所定領域内に複数個ずつ計４個以上配置されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
前記各センサの受光部は、対向して配置される他のセンサ群の前記投光部と前記軸方向に所定距離離れて配置されていることを特徴とする請求項１記載の三次元形状計測装置。
前記移動枠は、Ｕ字形、あるいは馬蹄形状である請求項１あるいは２に記載の三次元形状計測装置。
前記計測空間中に前記被計測体が上方に配置される配置台をさらに備えている請求項１あるいは２に記載の三次元形状計測装置。
前記計測空間と前記移動枠の移動空間とを仕切る内壁カバーをさらに備えている請求項１あるいは２に記載の三次元形状計測装置。
前記計測空間と前記移動枠の移動空間とを仕切るとともに、前記センサと前記被計測体の間の部分には光を透過する窓を有する内壁カバーをさらに備えている請求項１に記載の三次元形状計測装置。
前記軸方向は、略重力方向であって、
前記計測空間より上部に配置された回転体と、一端に前記移動枠が結合され、他端にその移動枠とほぼ同重量のバランサが結合されて前記回転体の周面に掛け回されている可撓性長尺体と、をさらに備えており、
前記駆動機構は、前記回転体を回転させることにより前記可撓性長尺体を介して前記移動枠を移動させることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の三次元形状計測装置。