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形状計測装置、及び形状計測方法

国内特許コード P100001097
整理番号 NU-0371
掲載日 2010年10月27日
出願番号 特願2010-180928
公開番号 特開2012-042220
登録番号 特許第5660531号
出願日 平成22年8月12日(2010.8.12)
公開日 平成24年3月1日(2012.3.1)
登録日 平成26年12月12日(2014.12.12)
発明者
  • 伊藤 優司
  • 大日方 五郎
  • 長井 力
  • 金 泳佑
出願人
  • 国立大学法人名古屋大学
発明の名称 形状計測装置、及び形状計測方法
発明の概要 【課題】 製作や小型化が容易であり、物体の性質や環境に依存すること無く形状を計測可能な形状計測装置及びそのシステムを提供する。また、光学式触覚センサへの応用へ応用し、光学式触覚センサ自体の機能を失わずに新たに形状計測が可能になるような、形状及び計測触覚情報抽出装置及びそのシステムを提供する。さらに、形状計測装置を利用した形状計測装置を利用した硬度計測方法及び硬度計測システムを提供する。
【解決手段】 形状計測装置1は、タッチパッド3と、タッチパッド3の挙動を撮影するCCDカメラ4を備える。CPU12は、CCDカメラ4からの画像情報を画像処理し、画像内の色情報を利用して、タッチパッド3内の各地点での深さを抽出する。即ち、CPU12は、情報抽出手段としての機能を有している。CPU12は、タッチパッド3内の各地点での深さから最終的に物体W1の形状を抽出する。
【選択図】 図1
従来技術、競合技術の概要



対象物の形状を計測する装置や方法は様々な種類のものが存在し、多くの産業分野で使用されている。大きく分けて接触式と非接触式が存在する。

非接触式では、光学式の方法が広く普及しており、例えば、スリット光源からのスリット光を対象物に照射し、投影された対象物のスリット画像を解析することで、対象物の3次元形状を測定する技術が種々に提案されている(例えば、特許文献1参照)。





スリット光源ではなく、他のパタ-ン光像を利用している技術も存在する(例えば、特許文献2参照)。また、複数の撮像手段を用いて異なる位置・角度から対象物を撮影し、複数の対象物の撮影画像から画像解析によって対象物の3次元形状を測定する、ステレオビジョン法も普及している。他にも、装置から照射した赤外線が対象物に反射して再び装置に戻ってくるまでの時間からその距離計測する赤外線TOF(Time of Flight)方式を用いた形状計測装置や、1チップCMOS/CCDセンサ上にならぶ多くの画素一つ一つが赤外線TOF(Time of Flight)方式により対象までの距離測定する3次元距離測定カメラ等がある(例えば、非特許文献1参照)。





接触式の形状計測装置としては、主にプロ-ブを対象物に接触させる事で対象物の形状を走査していく方式などがある(例えば、特許文献3参照)。

形状計測方法の応用性は広く、例えば触覚センサへの応用が考えられる。触覚センサとは、人間の皮膚のように物に触れた際の様々な触覚情報(接触力、滑り、形状、温度等)を取得することを目的としたセンサであり、ロボットが周囲の環境を認識し自律して行動する場合に、触覚は非常に重要な情報となる。





ロボットが人と共存する社会が現実味を帯びてきている近年では、ロボット自体の運動性能や知能を向上させ、人とロボットとの間でのコミュニケ-ション技術のレベルを向上させるために、触覚センサの開発が数多くなされている。対象物と接触した際の対象物の形状を認識する技術も触覚センサの課題の一つであり、触覚センサに適した形状計測装置・方法が必要とされ、いくつか提案されている(例えば、特許文献4参照)。

産業上の利用分野



本発明は、形状計測装置、形状計測方法、形状計測システム、光学式触覚センサ、光学式触覚センサを利用した3次元マーカー位置計測方法、力学量及び形状計測方法、力学量及び形状計測システム、形状計測装置を利用した硬度計測方法及び硬度計測システムに関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
対象物と接触し、その対象物の形状に応じて変形可能な接触部(3)と、
前記対象物が接触する側とは反対側から前記接触部を撮影する撮像手段(4)と、
前記対象物が接触する側とは反対側から前記接触部に向けて光を照射する光照射手段(5)と、
前記接触部と接触しており前記光照射手段から照射された光を減衰する光減衰手段(7,9)と、を含み、
前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、撮影された画像の色情報を抽出するとともに、前記色情報と前記光照射手段から照射された光が前記光減衰手段を通過する距離に関する情報との対応関係を利用して前記色情報から前記距離に関する情報を抽出し、前記距離から前記接触部の形状を求め、前記接触部の形状から対象物の形状を求めることを特徴とする形状計測装置。

【請求項2】
前記接触部は前記接触部における対象物に接触する側に向かって照射された光を遮断することを特徴とする請求項1に記載の形状計測装置。

【請求項3】
前記接触部を構成する(6)が、対象物接触する側とその反対側で異なる色を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の形状計測装置。

【請求項4】
前記光減衰手段が、前記接触部を構成する膜と接触する側が変形可能であり、前記膜と接触する側とは反対側が前記膜と接触する側よりも変形しにくい光減衰性部材であることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の形状計測装置。

【請求項5】
前記光減衰手段、変形可能な光減衰性部材(9)と、それと接触している、前記変形可能な光減衰性部材(9)よりも変形しにくい光透過性もしくは半透過性の部材(7)からなる請求項1~4のいずれか1項に記載の形状計測装置。

【請求項6】
前記光減衰手段が、光の波長によって異なる減衰率を有していることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の形状計測装置。

【請求項7】
請求項1~6のいずれか1項に記載の形状計測装置を利用して、前記接触部を構成する膜に接触する対象物の形状を計測する方法であって、
前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、撮影された画像の色情報を抽出するとともに、
前記色情報と前記光照射手段から照射された光が前記光減衰手段を通過する距離に関する情報との対応関係を利用して前記色情報から前記距離に関する情報を抽出する距離情報抽出手段から、前記距離に関する情報を抽出するステップと、
前記距離から前記膜の形状を求めるステップと、
前記膜の形状から対象物の形状を求めるステップと
を含むことを特徴とする、形状計測装置を利用した形状計測方法。

【請求項8】
前記対応関係が、光が前記膜によって反射する際の前記膜の反射現象と、前記光が前記光減衰手段を通過する際の前記光減衰手段による減衰現象と、前記光が前記光減衰手段を通過中に生じる異なる方向への散乱現象とを考慮した、前記色情報と前記距離に関する情報との対応関係であることを特徴とする請求項7に記載の形状計測方法。

【請求項9】
前記対応関係が、前記色情報と、光が前記膜によって反射する際の前記膜の反射率と、前記光が前記光減衰手段を通過する際の前記光減衰手段の減衰率と、前記光が光減衰手段を通過中に異なる方向へ散乱する際の前記光減衰手段の散乱率とを含んだ関数を利用した、前記色情報と前記距離に関する情報との対応関係であることを特徴とする請求項7に記載の形状計測方法。

【請求項10】
前記減衰率は、前記色情報と、既知である前記距離とを用いて求めることを特徴とする請求項9に記載の形状計測方法。

【請求項11】
前記散乱率は、前記色情報と、既知である前記距離とを用いて前記関数の中から消去可能であることを特徴とする請求項9又は10に記載の形状計測方法。

【請求項12】
前記反射率は、前記色情報と、既知である前記距離とを用いて前記関数の中から消去可能であることを特徴とする請求項9~11のいずれか1項に記載の形状計測方法。

【請求項13】
前記対応関係が、複数の前記距離の情報を抽出して求める前記膜の角度を利用することを特徴とする請求項7~12のいずれか1項に記載の形状計測方法。

【請求項14】
請求項1~6のいずれか1項に記載の形状計測装置と、
前記撮像手段からの画像情報を画像処理することにより、撮影された画像の色情報を抽出するとともに、
前記色情報と前記光照射手段から照射された光が前記光減衰手段を通過する距離に関する情報との対応関係を求め,前記対応関係を利用して前記色情報から前記距離に関する情報を抽出する距離情報抽出手段と、
前記距離から前記接触部を構成する膜の形状を求める膜形状計測手段と、
前記膜の形状から前記膜に接触した対象物の形状を求める対象物形状計測手段と
を備えることを特徴とする形状計測装置を利用した形状計測システム。

【請求項15】
前記接触部を構成するにおいて、対象物が接触する側とは反対側に配置されたマーカー部と、前記膜に対象物が接触した際の前記マーカー部の挙動を撮影する前記形状計測装置が備える撮像手段とを備えたことを特徴とする触覚情報抽出手段と、
請求項1~6のいずれか1項に記載の形状計測装置からなる光学式触覚センサ。

【請求項16】
請求項15記載の光学式触覚センサを利用して、前記マーカー部の3次元空間での挙動を計測する方法であって、
前記形状計測装置が備える撮像手段によって撮影した画像から、前記マーカー部の挙動のうち前記画像上の2次元空間での挙動を求めるステップと、
前記膜形状計測手段から、前記マーカー部の挙動のうち前記空間と独立した方向の挙動を求めるステップと
を含むことを特徴とする、光学式触覚センサを利用した3次元マーカー位置計測方法。

【請求項17】
請求項15載の光学式触覚センサを利用して、力学量及び前記膜に接触する対象物の形状を計測する方法であって、
前記光学式触覚センサを用いて力学量を測定するステップと、
前記光学式触覚センサを用いて前記膜に接触する対象物の形状の計測するステップと
を含むことを特徴とする、光学式触覚センサを利用した力学量及び形状計測方法。

【請求項18】
請求項15載の光学式触覚センサを用いて力学量を測定する力学量測定手段と、
前記光学式触覚センサを用いて前記膜に接触する対象物の形状の計測する形状計測手段と
を含むことを特徴とする、光学式触覚センサを利用した力学量及び形状計測システム。

【請求項19】
請求項1~6のいずれか1項に記載の形状計測装置と、前記形状計測装置と対象物の間に作用する接触力を抽出する接触力抽出手段とを利用して、対象物の硬さの分布に関する情報を抽出する方法であって、
前記接触部を構成する膜と対象物が接触する際の接触状態に対して、前記形状計測装置と対象物の間に作用する接触力が異なるように複数の接触状態を選定するステップと、
前記接触力抽出手段を用いて、複数の前記接触状態における前記接触力をそれぞれ抽出するステップと、
前記形状計測装置を用いて、複数の前記接触状態における前記膜に接触する対象物の形状をそれぞれ計測するステップと、
複数の前記接触状態における前記形状から、対象物の変形量の分布に関する情報を抽出するステップと、
前記変形量の分布に関する情報と複数の前記接触状態における前記接触力から、対象物の硬さの分布に関する情報を抽出するステップと
を含むことを特徴とする、形状計測装置を利用した硬度分布計測方法。

【請求項20】
請求項1~6のいずれか1項に記載の形状計測装置と、
前記接触部を構成する膜と対象物が接触する際の接触状態に対して、前記形状計測装置と対象物の間に作用する接触力が異なるように複数の接触状態を選定する接触状態選定手段と、
複数の前記接触状態における前記接触力をそれぞれ抽出する接触力抽出手段と、
前記形状計測装置を用いて、複数の前記接触状態における前記膜に接触する対象物の形状をそれぞれ計測する形状計測手段と、
複数の前記接触状態における前記形状から、対象物の変形量の分布に関する情報を抽出する変形量分布情報抽出手段と、
前記変形量の分布に関する情報と複数の前記接触状態における前記接触力から、対象物の硬さの分布に関する情報を抽出する硬度分布情報抽出手段と
を含むことを特徴とする、形状計測装置を利用した硬度分布計測システム。

【請求項21】
請求項1~6のいずれか1項に記載の形状計測装置と、前記形状計測装置と対象物の間に作用する接触力を抽出する接触力抽出手段と、前記形状計測装置と対象物の位置関係を抽出する位置関係抽出手段とを利用して、対象物の硬さに関する情報を抽出する方法であって、
前記接触部を構成する膜と対象物が接触する際の接触状態に対して、前記形状計測装置と対象物の間に作用する接触力が異なるように複数の接触状態を選定するステップと、
前記接触力抽出手段を用いて、複数の前記接触状態における前記接触力をそれぞれ抽出するステップと、
前記形状計測装置を用いて、複数の前記接触状態における前記膜に接触する対象物の形状をそれぞれ計測するステップと、
前記位置関係抽出手段を用いて、複数の前記接触状態における前記形状計測装置と対象物の位置関係を抽出するステップと、
複数の前記接触状態における前記形状と前記位置関係から、対象物の変形量を抽出するステップと、
前記変形量と複数の前記接触状態における前記接触力から、対象物の硬さに関する情報を抽出するステップと
を含むことを特徴とする、形状計測装置を利用した硬度計測方法。

【請求項22】
請求項1~6のいずれか1項に記載の形状計測装置と、
前記接触部を構成する膜と対象物が接触する際の接触状態に対して、前記形状計測装置と対象物の間に作用する接触力が異なるように複数の接触状態を選定する接触状態選定手段と、
複数の前記接触状態における前記接触力をそれぞれ抽出する接触力抽出手段と、
前記形状計測装置を用いて、複数の前記接触状態における前記膜に接触する対象物の形状をそれぞれ計測する形状計測手段と、
複数の前記接触状態における前記形状計測装置と対象物の位置関係を抽出する位置関係抽出手段と、
複数の前記接触状態における前記形状と前記位置関係から、対象物の変形量を抽出する変形量抽出手段と、
前記変形量と複数の前記接触状態における前記接触力から、対象物の硬さに関する情報を抽出する硬度情報抽出手段と
を含むことを特徴とする、形状計測装置を利用した硬度計測システム。
産業区分
  • 測定
  • 試験、検査
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2010180928thum.jpg
出願権利状態 登録
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