專利名稱：三維掃描儀和機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這里所討論的實施方式涉及三維掃描儀和機(jī)器人系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
常規(guī)地，存在一種測量物體的三維形狀的三維掃描儀(例如，參見日本專利特開平公報No. H07-270137)。例如，該三維掃描儀在改變相對于測量對象的照射位置的同時，向測量對象發(fā)出隙狀光束，并且由照相機(jī)順序地拍攝光束所照射的測量對象的圖像。然后，三維掃描儀通過從照相機(jī)的光電檢測器讀取關(guān)于所拍攝的圖像的圖像信息并且掃描所拍攝的圖像的所有像素，來檢測圖像中光束的位置。接著，三維掃描儀通過利用光束的照射角度和受光角度以及從光束的光源到照相 機(jī)的距離按照三角測量的原理計算測量對象的各部分的高度，來對測量對象的三維形狀進(jìn)行測量。但是，在常規(guī)三維掃描儀中，為了檢測圖像中光束的位置，對所拍攝的圖像的所有像素進(jìn)行掃描，使得需要花費時間來計算光束的受光角度，這已經(jīng)成為了加快三維形狀的測量處理的障礙。鑒于上述，實現(xiàn)了實施方式的一個方面，并且實施方式的一個方面的目的是提供能夠加快三維形狀的測量處理的三維掃描儀和機(jī)器人系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)實施方式的一個方面的三維掃描儀包括照射單元、攝像單元、位置檢測單元和掃描區(qū)域確定單元。照射單元在相對于測量對象改變照射位置的同時，發(fā)出隙狀光束。攝像單元順序地拍攝所述光束所照射的所述測量對象的圖像。所述位置檢測單元通過掃描所述圖像，來檢測所述攝像單元拍攝的圖像中所述光束的位置。所述掃描區(qū)域確定單元基于在作為掃描對象的圖像之前所述攝像單元拍攝的圖像中所述光束的位置，確定所述位置檢測單元在作為掃描對象的圖像中的掃描區(qū)域。根據(jù)實施方式的一個方面，可以加快三維形狀的測量處理。


因為參照結(jié)合附圖考慮的以下詳細(xì)描述可以更好地理解本發(fā)明的更完整的理解及其許多附加優(yōu)點，所以將容易獲得本發(fā)明的更完整的理解及其許多附加優(yōu)點，附圖中圖IA是示出了根據(jù)第一實施方式的三維掃描儀和測量對象之間的位置關(guān)系的圖；圖IB至圖IC是示出了由根據(jù)第一實施方式的三維掃描儀的攝像單元拍攝的圖像的示例的圖；圖2是示出了根據(jù)第一實施方式的三維掃描儀的構(gòu)造的框圖；圖3是示出了根據(jù)第一實施方式的三維形狀的測量方法的圖4A至圖4C是示出了根據(jù)第一實施方式的掃描區(qū)域的確定示例和激光位置的檢測示例的圖；圖5是示出了根據(jù)第一實施方式的控制單元執(zhí)行的處理的流程圖；圖6A至圖6C以及圖7A至圖7C是根據(jù)第一實施方式的掃描區(qū)域確定單元校正掃描區(qū)域的方法的說明圖；以及圖8是示出了根據(jù)第二實施方式的機(jī)器人系統(tǒng)的圖。
具體實施例方式此后，將參照附圖詳細(xì)描述本申請中所公開的三維掃描儀和機(jī)器人系統(tǒng)的實施方式。本發(fā)明不限于以下描述的實施方式的例示。而且，在下文中，三維掃描儀的實施方式和包括三維掃描儀的機(jī)器人系統(tǒng)的實施方式分別作為第一實施方式和第二實施方式進(jìn)行說明。
(第一實施方式)首先，參照圖1A、圖IB和圖IC說明根據(jù)第一實施方式的三維掃描方法。圖IA是示出了根據(jù)第一實施方式的三維掃描儀I和測量對象7之間的位置關(guān)系的圖，而圖IB至圖IC是示出了由根據(jù)第一實施方式的三維掃描儀I的攝像單元3拍攝的圖像的示例的圖。在下文中，為了容易理解說明，作為笛卡爾坐標(biāo)系的XY坐標(biāo)系設(shè)置在上面放置有測量對象7的載置面上，而從載置面垂直向下的方向被定義為Z軸。在下文中，說明以下情況，即，作為測量對象7的載置面的平臺6上放置的長方體是測量對象7，而三維掃描儀I從垂直向上的方向?qū)y量對象7的三維形狀進(jìn)行測量。如圖I所示，在根據(jù)第一實施方式的三維掃描方法中，三維掃描儀I從激光裝置21朝反射鏡22發(fā)出隙狀光束(此后稱為“激光LA”)。然后，三維掃描儀I在通過旋轉(zhuǎn)反射鏡22改變相對于測量對象7的照射位置的同時，向測量對象7發(fā)出激光LA。三維掃描儀I在將激光LA在測量對象7上的照射位置從X軸的負(fù)方向朝正方向移動的同時，相對于測量對象7從斜向上方向發(fā)出激光LA。接著，三維掃描儀I由攝像單元3按順序地拍攝激光LA所照射的測量對象7的圖像。即，攝像單元3通過接收由平臺6和測量對象7反射的激光LA，對在平臺6和測量對象7上針對各攝像幀沿移動方向移動的激光LA進(jìn)行攝像。接著，三維掃描儀I檢測由攝像單元3拍攝的各圖像中激光LA的位置(此后稱為“激光位置”)，使用檢測到的激光位置按照三角測量的原理對測量對象7的三維形狀進(jìn)行測量。例如，當(dāng)在攝像單元3拍攝圖IB中所示的第一圖像之后，拍攝圖IC中所示的第二圖像時，如圖IB所示，針對第一圖像，三維掃描儀I通過將整個圖像作為掃描區(qū)域SA來掃描圖像，檢測圖像中的激光位置La。此時，三維掃描儀I在沿與Y軸的正方向平行的方向順序地移動沿掃描方向(該掃描方向是與X軸的正方向平行的方向)的各掃描中的掃描開始位置的同時，掃描第一圖像的所有像素。如將在后面所描述的，攝像單元3包括排列在光接收面上的多個光電檢測器，并且預(yù)先調(diào)節(jié)攝像單元3的設(shè)置姿勢，使得光電檢測器的排列方向(在該示例中，X軸方向)與激光LA的移動方向匹配。接著，三維掃描儀I從攝像單元3中所包括的所有光電檢測器讀出圖像中各像素的關(guān)于亮度的信息，并且針對沿掃描方向排列的各像素行，將各像素的亮度與預(yù)定閾值進(jìn)行比較。接著，三維掃描儀I檢測各像素行中的亮度超過預(yù)定閾值的像素中最亮像素的位置，作為第一圖像中激光LA的位置La?？梢垣@得亮度超過預(yù)定閾值的像素的亮度分布圖，并且通過重心計算處理，以子像素精度計算激光位置La。另一方面，當(dāng)掃描第二圖像時，如圖IC所示，三維傳感器I通過從比掃描第一圖像的情況窄的掃描區(qū)域SB相對應(yīng)的光電檢測器選擇性地讀出各像素的關(guān)于亮度的信息，并 且對掃描區(qū)域SB中的像素進(jìn)行掃描，來檢測第二圖像中的激光位置Lb。即，在根據(jù)第一實施方式的三維掃描方法中，激光LA沿X軸的正方向在平臺6和測量對象7上移動。因此，在相對于第一圖像中的激光位置La的X軸的正側(cè)上檢測到第二圖像中的激光位置Lb。換句話說，在相對于第一圖像中的激光位置La的X軸的負(fù)側(cè)上未檢測到第二圖像中的激光位置Lb。而且，在根據(jù)第一實施方式的三維掃描方法中，可以基于反射鏡22的旋轉(zhuǎn)速度粗略估計在拍攝第一圖像之后直到拍攝第二圖像為止，激光LA在平臺6和測量對象7上移動的移動距離。因此，在根據(jù)第一實施方式的三維掃描方法中，當(dāng)掃描第二圖像時，第一圖像中的激光位置La被確定為掃描開始位置，而沿掃描方向與掃描開始位置分開預(yù)定距離的位置被確定為掃描結(jié)束位置，其中該預(yù)定距離是基于激光LA的估計出的移動距離所確定的。因此，在根據(jù)第一實施方式的三維掃描方法中，當(dāng)掃描第二圖像時，通過從數(shù)量少于在掃描第一圖像的情況下的數(shù)量的光電檢測器選擇性地讀出像素的關(guān)于亮度的信息并且掃描各像素，可以檢測第二圖像中的激光位置Lb。因此，在根據(jù)第一實施方式的三維掃描方法中，可以縮短從攝像單元3讀出像素的關(guān)于亮度的信息的處理和在圖像中激光位置的檢測處理所需要的時間，使得可以加快三維形狀的測量處理。而且，根據(jù)第一實施方式中的三維掃描方法，因為可以適當(dāng)限制并且確定用于檢測激光位置的掃描區(qū)域，所以當(dāng)環(huán)境光等進(jìn)入所確定的掃描區(qū)域之外的區(qū)域時，環(huán)境光等不會被誤檢測為激光LA。而且，在根據(jù)第一實施方式的三維掃描方法中，當(dāng)掃描由攝像單元3拍攝的第三圖像和后續(xù)圖像時，基于第一圖像中的激光位置La和第二圖像中的激光位置Lb來確定第三圖像中的掃描區(qū)域。這一點將在后面參照圖4C進(jìn)行描述。接著，將參照圖2說明根據(jù)第一實施方式的三維掃描儀I的構(gòu)造。圖2是示出了根據(jù)第一實施方式的三維掃描儀I的構(gòu)造的框圖。如圖2所示，三維掃描儀I包括照射單元2、攝像單元3、控制單元4和存儲單元5。照射單元2是根據(jù)控制單元4的控制，在相對于平臺6和測量對象7改變照射位置的同時發(fā)出激光LA的裝置。照射單元2包括激光裝置21和反射鏡22。激光裝置21是基于從控制單元4輸入的控制信號，向反射鏡22的反射面發(fā)出作為隙狀光束的激光LA的裝置。而且，反射鏡22是這樣的反射板其通過基于從控制單元4輸入的控制信號來控制反射面的旋轉(zhuǎn)，發(fā)出從激光裝置21發(fā)出的激光LA，使得在平臺6和測量對象7上的照射位置從X軸的負(fù)方向向正方向移動。攝像單元3是包括CMOS (互補金屬氧化物半導(dǎo)體)傳感器作為光電檢測器的照相機(jī)。攝像單元3順序地拍攝激光LA所照射的平臺6和測量對象7的圖像，并且向控制單元4輸出所拍攝的圖像。作為攝像單元3的光電檢測器，代替CMOS傳感器，可以應(yīng)用任何圖像傳感器，如CCD (電荷耦合裝置)傳感器。存儲單元5是存儲圖像信息51、激光位置信息52、形狀信息53等的存儲裝置。圖像信息51是表示由攝像單元3拍攝的圖像的信息，而激光位置信息52是表示由攝像單元3拍攝的各圖像中的激光位置的信息。形狀信息53是表示由三維掃描儀I測量的測量對象7的三維形狀的信息?？刂茊卧?是總體控制整個三維掃描儀I的操作的處理單元，并且包括圖像信息獲得單元41、位置檢測單元42、掃描區(qū)域確定單元43、形狀測量單元44和照射控制單元45。照射控制單元45是向激光裝置21輸出指示發(fā)出激光LA的控制信號并且向反射鏡22輸出指示反射面的旋轉(zhuǎn)角度的控制信號的處理單元。而且，照射控制單元45向形狀測量單元44輸出表示反射鏡22的旋轉(zhuǎn)角度的信息。圖像信息獲得單元41是從攝像單元3獲得由攝像單元3順序地拍攝的圖像并且將它們作為圖像信息51存儲在存儲單元5中的處理單元。圖像信息獲得單元41從攝像單 兀3的所有光電檢測器中的、與從掃描區(qū)域確定單兀43輸入的掃描區(qū)域相對應(yīng)的光電檢測器中，選擇性地讀出并且獲得像素的關(guān)于亮度的信息，作為圖像信息51。位置檢測單元42是基于從存儲單元5讀出的圖像信息51，檢測由攝像單元3順序地拍攝的各個圖像中的激光位置的處理單元。位置檢測單元42掃描由掃描區(qū)域確定單元43確定的掃描區(qū)域中的像素。接著，位置檢測單元42檢測在所掃描的像素中亮度超過預(yù)定閾值的像素中的最亮像素在圖像中的位置，作為各圖像中的激光位置，向形狀測量單元44輸出檢測結(jié)果，并且在存儲單元5中存儲檢測結(jié)果，作為激光位置信息52。后面參照圖4A、圖4B和圖4C描述由位置檢測單元42檢測激光位置的示例。掃描區(qū)域確定單元43是這樣的處理單元，其基于從存儲單元5讀出的激光位置信息52，使用位置檢測單元42在作為掃描對象的圖像之前由攝像單元3拍攝的圖像中檢測出的激光位置，確定圖像中作為掃描對象的掃描區(qū)域。掃描區(qū)域確定單元43針對要由位置檢測單元42針對各圖像沿掃描方向掃描的各像素行(此后稱為“行”)確定各自的掃描區(qū)域，并且向圖像信息獲得單元41輸出表示所確定的掃描區(qū)域的信息。后面將參照圖4A、圖4B和圖4C描述由掃描區(qū)域確定單元43確定掃描區(qū)域的示例。而且，掃描區(qū)域確定單元43基于從存儲單元5讀出的形狀信息53，根據(jù)測量對象7的圖像中沿法線方向的距離(此后稱為“測量對象7的高度”)，校正掃描區(qū)域。這一點后面將參照圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B和圖7C進(jìn)行描述。形狀測量單元44是基于從位置檢測單元42輸入的各圖像中的激光位置和從照射控制單元45輸入的反射鏡22的旋轉(zhuǎn)角度，按照三角測量的原理，對測量對象7的三維形狀進(jìn)行測量的處理單元。形狀測量單元44在存儲單元5中存儲測量出的測量對象7的三維形狀，作為形狀信息53。然后，參照圖3簡單說明由形狀測量單元44測量測量對象7的三維形狀的方法。圖3是示出了根據(jù)第一實施方式的三維形狀的測量方法的圖。如圖3所示，在三維掃描儀I中，反射鏡22和攝像單元3設(shè)置為使得激光LA在反射鏡22中的反射位置23和激光LA在攝像單元3中的受光位置31被定位在與平臺6平行的同一平面(此后稱為“基準(zhǔn)面Z1”)上。接著，形狀測量單元44基于反射鏡22的旋轉(zhuǎn)角度來計算激光LA相對于測量對象7的照射角度a。而且，形狀測量單元44基于圖像中的激光位置，計算攝像單元3接受激光LA的受光角度b。從激光LA在反射鏡22中的反射位置23到激光LA在攝像單元3中的受光位置31的距離c是已知的，并且從基準(zhǔn)面Zl到平臺6的距離d也是已知的。 因此，形狀測量單元44可以使用從激光LA在反射鏡22中的反射位置23到激光LA在攝像單元3中的受光位置31的距離C、激光LA的照射角度a和受光角度b，按照三角測量的原理，計算從基準(zhǔn)面Zl到測量對象7的頂面的距離e。因此，形狀測量單元44可以通過從基準(zhǔn)面Zl到平臺6的距離d中減去從基準(zhǔn)面Zl到測量對象7的頂面的距離e，來計算測量對象7的高度f。因此，形狀測量單元44可以通過計算測量對象7的各部分的高度f，來計算測量對象7的三維形狀。然后，參照圖4A、圖4B和圖4C說明掃描區(qū)域確定單元43確定掃描區(qū)域的示例和位置檢測單元42檢測激光位置的示例。圖4A、圖4B和圖4C是示出了根據(jù)第一實施方式的掃描區(qū)域的確定示例和激光位置的檢測示例的圖。如圖4A所示，作為掃描對象的圖像是攝像單元3拍攝的第n個圖像，并且是與測量對象7有關(guān)的第一圖像。在該情況下，掃描區(qū)域確定單元43將在圖像中沿Y軸方向的最負(fù)側(cè)上像素沿X軸方向排列的行(此后稱為“第零行”)上的所有像素確定為第零行的掃描區(qū)域Sa。 而且，位置檢測單元42沿X軸的正方向?qū)呙鑵^(qū)域Sa中的所有像素進(jìn)行掃描，將各像素的亮度和預(yù)定閾值進(jìn)行比較，并且檢測亮度超過預(yù)定閾值的像素中最亮像素的位置P，作為第零行上的激光位置P。當(dāng)不存在亮度超過預(yù)定閾值的像素時，確定未檢測到激光。接著，在三維掃描儀I中，掃描區(qū)域確定單元43以類似方式針對第n個圖像中的所有行確定掃描區(qū)域Sa，而位置檢測單元42以類似方式針對所有行檢測激光位置P。即，在第n個圖像中，掃描區(qū)域確定單元43將圖像中所包括的所有像素確定為掃描區(qū)域Sa，而位置檢測單元42對圖像中所包括的所有像素進(jìn)行掃描。而且，如圖4B所示，作為掃描對象的圖像是攝像單元3拍攝的第(n+1)個圖像并且是與測量對象7有關(guān)的第二圖像。在該情況下，掃描區(qū)域確定單元43基于作為上次拍攝的圖像的一幀在先圖像(在該示例中，第n個圖像)，確定此次拍攝的作為掃描對象的圖像(該示例中，第(n+1)個圖像)中的掃描區(qū)域。具體地，如圖4B所示，當(dāng)確定第(n+1)個圖像中第零行的掃描區(qū)域Sb時，掃描區(qū)域確定單元43將第n個圖像中的激光位置P1
確定為作為掃描對象的圖像中的掃描開始位置。
接著，掃描區(qū)域確定單元43將沿作為掃描方向的X軸的正方向與所確定的掃描開始位置分開預(yù)定距離WIDTHl的位置確定為掃描結(jié)束位置，并且將從掃描開始位置到掃描結(jié)束位置的區(qū)域確定為第零行中的掃描區(qū)域Sb。例如通過基于反射鏡22的旋轉(zhuǎn)速度，估計拍攝第n個圖像之后直到拍攝第(n+1)個圖像為止，激光LA在測量對象7上移動的移動距離，并且將估計出的移動距離乘以預(yù)定因子，來確定預(yù)定距離WIDTHl。接著，圖像信息獲得單元41從與掃描區(qū)域Sb相對應(yīng)的光電檢測器選擇性地讀出掃描區(qū)域Sb中各像素的關(guān)于亮度的圖像信息51，并且將其存儲在存儲單元5中。而且，位置檢測單元42基于圖像信息51沿X軸的正方向?qū)呙鑵^(qū)域Sb中的像素進(jìn)行掃描，將各像素的亮度與預(yù)定閾值比較，并且檢測亮度超過預(yù)定閾值的像素中最亮像素的位置P，作為第零行上的激光位置P。接著，在三維掃描儀I中，掃描區(qū)域確定單元43以類似方式針對第(n+1)個圖像中的各行確定掃描區(qū)域Sb，而位置檢測單元42通過掃描各行上掃描區(qū)域Sb中的像素來檢 測激光位置P。由此，掃描區(qū)域確定單元43通過選擇很可能被檢測到激光位置的區(qū)域，來確定第(n+1)個圖像中的掃描區(qū)域Sb。因此，位置檢測單元42變得能夠基于圖像信息獲得單元41從與掃描區(qū)域Sb相對應(yīng)的光電檢測器選擇性地獲得的圖像信息51來檢測激光位置P，使得可以在比通過掃描圖像的所有像素來檢測激光位置P的情況短的處理時間中檢測到激光位置P。因此，在三維掃描儀I中，可以縮短從光電檢測器讀出圖像信息51的處理以及檢測圖像中的激光位置P的處理所需要的處理時間，這能夠加快三維形狀的測量處理。而且，如圖4C所示，作為掃描對象的圖像是攝像單元3拍攝的第(n+2)個圖像并且是與測量對象7有關(guān)的第三圖像。在該情況下，掃描區(qū)域確定單元43基于作為上次拍攝的圖像的一幀之前的圖像(該實施方式中，第(n+1)個圖像)和作為上次緊接著之前拍攝的圖像的二幀之前的圖像(該實施方式中，第n個圖像)，確定此次拍攝的作為掃描對象的圖像(該實施方式中，第(n+2)個圖像)中的掃描區(qū)域Sc。具體地，當(dāng)確定第(n+2)個圖像中第零行的掃描區(qū)域Sc時，如圖4C所示，掃描區(qū)域確定單元43首先將第(n+1)個圖像中的激光位置P1
確定為作為掃描對象的圖像中的掃描開始位置P1 [O]。當(dāng)二幀之前的圖像(第n個圖像)中的激光位置是P2
時，從二幀之前的圖像中的激光位置P2
到一幀之前的圖像中的激光位置P1
的距離是P1
-P2 [O]。由此，在作為掃描對象的第(n+2)個圖像中，可以估計在沿X軸的正方向與一幀之前的圖像中的激光位置？:^]分開距的位置檢測到激光LA。但是，在某些情況下，激光位置從根據(jù)測量對象7的形狀估計出的位置沿X軸方向移位。因此，在作為掃描對象的圖像是第(n+2)個圖像的情況下，掃描區(qū)域確定單元43將沿X軸的正方向與掃描開始位置PJ0]分開距離？1
- 2
+預(yù)定余量胃101'112的位置確定為掃描結(jié)束位置，由此確定掃描區(qū)域Sc。WIDTH2可以是與WIDTHl類似的方式根據(jù)反射鏡的旋轉(zhuǎn)速度而變化。如此，掃描區(qū)域確定單元43可以通過使用一幀之前的圖像和二幀之前的圖像中的實際激光位置，適當(dāng)?shù)卮_定比基于粗略預(yù)測的圖4B中所示的掃描區(qū)域Sb窄的掃描區(qū)域Sc。接著，圖像信息獲得單元41從與掃描區(qū)域Sc相對應(yīng)的光電檢測器選擇性地讀出掃描區(qū)域Sc中各像素的關(guān)于亮度的圖像信息51，并且將圖像信息51存儲在存儲單元5中。而且，位置檢測單元42沿X軸的正方向?qū)呙鑵^(qū)域Sc中的像素進(jìn)行掃描，將各像素的亮度與預(yù)定閾值進(jìn)行比較，并且檢測亮度超過預(yù)定閾值的像素中最亮像素的位置P，作為第零行上的激光位置。接著，在三維掃描儀I中，掃描區(qū)域確定單元43以類似方式針對第(n+2)個圖像中的各行確定掃描區(qū)域Sc，而位置檢測單元42通過掃描各行的掃描區(qū)域Sc中的像素來檢測激光位置P。 因此，位置檢測單元42可以通過掃描比第(n+1)個圖像中的掃描區(qū)域Sb更窄的掃描區(qū)域Sc的像素，來檢測第(n+2)個圖像中的激光位置P。因此，在三維掃描儀I中，可以進(jìn)一步縮短從光電檢測器讀出圖像信息51的處理和檢測圖像中的激光位置P的處理所需要的處理時間，使得可以進(jìn)一步加快三維形狀的測
量處理。而且，針對攝像單元3拍攝的第(n+3)個圖像和后續(xù)圖像，掃描區(qū)域確定單元43以與第(n+2)個圖像的情況類似的方式，基于從上次拍攝的圖像和上次緊接著之前拍攝的圖像實際檢測到的激光位置，確定作為掃描對象的圖像中的掃描區(qū)域。而且，位置檢測單元42以與第(n+2)個圖像的情況類似的方式，檢測第(n+3)個圖像和后續(xù)圖像中的激光位置?；趦蓚€連續(xù)拍攝的圖像之間的激光位置差的變化率，可以確定第(n+3)個圖像和后續(xù)圖像中的掃描區(qū)域。在該情況下，例如，基于形狀信息53，順序地計算在兩個連續(xù)圖像之間激光位置的差，并且將該差按時間順序存儲在存儲單元5中。接著，當(dāng)兩個連續(xù)圖像之間的激光位置的差按時間順序以恒定變化率變化時，掃描區(qū)域確定單元43考慮到變化率，確定作為掃描對象的圖像中的掃描區(qū)域。例如，當(dāng)兩個連續(xù)圖像之間的激光位置差以固定的減小速率減小時，掃描區(qū)域確定單元43首先將一幀之前的圖像的激光位置確定為掃描開始位置。接著，掃描區(qū)域確定單元43考慮到上述差的減小率，將沿掃描方向與掃描開始位置分開比一幀之前的圖像和二幀之前的圖像之間的激光位置差短的距離的位置確定為掃描結(jié)束位置。在該情況下，可以向所確定的掃描區(qū)域添加余量WIDTH2。因此，三維掃描儀I可以使掃描區(qū)域更適當(dāng)?shù)刈冋?，使得可以進(jìn)一步縮短用于檢測圖像的激光位置所需要的處理時間，這能夠進(jìn)一步加快三維形狀的測量處理。接著，參照圖5說明由控制單元4執(zhí)行的處理。圖5是示出了由根據(jù)第一實施方式的控制單元4執(zhí)行的處理的流程圖。圖5中所示的MEASURE是通過攝像單元3對測量對象7進(jìn)行攝像而獲得的圖像數(shù)量，而LINE是圖像中的行數(shù)。而且，P1 [LINE]是作為掃描對象的圖像之前一幀的圖像中的激光位置，而P2[LINE]是作為掃描對象的圖像之前二幀的圖像中的激光位置。而且，L1是各行中的掃描開始位置，而L2是各行中的掃描結(jié)束位置。而且，圖5中的WIDTHl與圖4B中所示的WIDTHl相當(dāng)，而圖5中的WIDTH2與圖4C中所示的WIDTH2相當(dāng)。
在下文中，作為一個示例，說明以下情況MEASURE是512并且LINE是512，S卩，在預(yù)定時間段中針對測量對象7拍攝了第零個圖像至第511個圖像，并且一個圖像包括第零行至第511行。在一行中，512個像素(光電檢測器)沿X軸方向排列。而且，在下文中，說明測量對象7的頂面與XY面平行，即，測量對象7的各部分的高度相同的情況。如圖5所示，根據(jù)第一實施方式的控制單元4首先將0代入預(yù)定變量t (步驟S101)，并且通過使攝像單元3開始第t個圖像的攝像曝光來拍攝第t個圖像(步驟S102)。換句話說，在該實施方式中，變量t代表拍攝作為掃描對象的圖像的序號。然后，控制單元4通過將0代入P1OJNE]和P2 [LINE]各自的LINE，來初始化P1 [LINE]和己似肥](步驟S103)。然后，控制單元4將0代入預(yù)定變量n (步驟S104)。變量n表不作為掃描對象的行的序號。接著，控制單元4確定PJn]是否等于0(步驟S105)。S卩，在步驟S105，控制單元4確定在一幀之前的圖像的第n行中是否未檢測到激光LA。
接著，當(dāng)控制單元4確定出未檢測到激光LA時(步驟S105是)，控制單元4將0代入L1并且將LINE-I代入L2 (步驟S106)，并且將處理移到步驟S107。即，當(dāng)在一幀之前的圖像的第n行中未檢測到激光LA時，控制單元4將第n行中的所有像素確定為掃描區(qū)域Sa (參見圖4A)，并且將處理移到步驟S107。另一方面，當(dāng)控制單元4確定在一幀之前的圖像的第n行中已經(jīng)檢測到激光LA時(步驟S105否)，控制單元4確定P2[n]是否等于0(步驟SI 13)。S卩，在步驟SI 13，控制單元4確定在二幀之前的圖像的第n行中是否未檢測到激光LA。接著，當(dāng)控制單元4確定未檢測到激光LA時(步驟SI 13是)，控制單元4將P1 [n]代入L1并且將LJWIDTH1代入L2 (步驟SI 14)，并且將處理移到步驟S107。S卩，控制單元4將一幀之前的圖像中的激光位置作為掃描開始位置，并且沿X軸的正方向與掃描開始位置分開WIDTHl的位置作為掃描結(jié)束位置，來確定掃描區(qū)域Sb (參見圖4B)，并且將處理移到步驟 S107。另一方面，當(dāng)控制單元4確定在二幀之前的圖像的第n行中已經(jīng)檢測到激光LA時(步驟SI 13否)，控制單元4將P1 [n]代入L1并且將LJP1 [n] -P2 [n] +WIDTH2代入L2 (步驟SI 15)，并且將處理移到步驟S107。即，在步驟S115，控制單元4將一幀之前的圖像中的激光位置作為掃描開始位置，并且沿X軸的正方向與掃描開始位置分開Pj^-Pjr^+WIDTffi的位置作為掃描結(jié)束位置，來確定掃描區(qū)域Sc (參見圖4C)，并且將處理移到步驟S107。 接著，在步驟S107，控制單元4通過從攝像單元3的光電檢測器讀出并且獲得n行(第n行)上從L1到L2的圖像信息51，并且根據(jù)獲得的圖像信息51計算激光位置P，來檢測激光位置，并且將處理移到步驟S108。當(dāng)未檢測到激光位置時，控制單元4將0代入P并且將處理移到步驟S108。接著,控制單元4確定是否P古0或者L1古0(步驟S108)。S卩，控制單元4確定是否可以檢測到激光位置或者是否掃描了第n行中的所有像素。接著，當(dāng)無法檢測到激光位置并且沒有對第n行中的所有像素執(zhí)行掃描時(步驟S108否)，控制單元4將處理移到步驟S106，再次掃描第n行中的所有像素，并且檢測激光位置。另一方面，當(dāng)可以檢測到激光位置時(步驟S108是)，控制單元4執(zhí)行三維計算處理(步驟S109)并且將計算結(jié)果作為形狀信息53存儲在存儲單元5中(步驟S110)。然后，在使變量n增加I之后(未示出)，控制單元4確定變量n是否大于等于LINE (步驟Sm)。接著，當(dāng)控制單元4確定出變量n小于LINE時(步驟Slll否)，控制單元4將處理移到步驟S105。S卩，控制單元4重復(fù)步驟S105至步驟Slll和步驟SI 13至步驟SI 15的處理，直到完成掃描一個圖像中的所有行為止。另一方面，當(dāng)控制單元4確定變量n達(dá)到LINE時(步驟Slll是)，在使變量t增加I之后(未示出)，控制單元4確定變量t是否大于等于MEASURE (步驟SI 12)。當(dāng)控制單元4確定出變量t小于MEASURE時(步驟S112否)，控制單元4將處理移到步驟S102。即，控制單元4重復(fù)步驟S102至步驟SI 15的處理，直到完成掃描所有幀的圖像為止。另一方面，當(dāng)控制單元4確定出變量t達(dá)到MEASURE時(步驟SI 12是)，控制單元4結(jié)束處理。
接著，參照圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B和圖7C說明當(dāng)測量對象7的頂面與XY面不平行時，由掃描區(qū)域確定單元43執(zhí)行的掃描區(qū)域的校正。圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B和圖7C是由掃描區(qū)域確定單元43校正掃描區(qū)域的方法的說明圖。在圖6A、圖6B、圖6C、圖7A、圖7B和圖7C中，與圖3中所示的部件相同的那些部件由相同的附圖標(biāo)記來表示。而且，在下文中，說明反射鏡22的旋轉(zhuǎn)速度不變并且攝像單元3攝像的時間間隔不變的情況。如圖6A所示，當(dāng)測量對象7的頂面與XY面不平行時，如圖7A所示，掃描區(qū)域確定單元43將一幀之前的圖像中的激光位置P1
確定為作為掃描對象的圖像中的掃描開始位置。接著，掃描區(qū)域確定單元43將沿X軸的正方向與掃描開始位置分開預(yù)定距離WIDTHl的位置P確定為掃描結(jié)束位置。相反，如圖6B所示，在測量對象71沿Z軸方向的高度朝X軸的正方向變高的情況下，與圖6A中所示的測量對象7相比，激光LA在測量對象71上的移動速度變慢。因此，如圖7B所示，在測量對象71沿Z軸方向的高度朝X軸的正方向變高的情況下，一幀之前的圖像中的激光位置P1
和作為掃描對象的圖像中的激光位置P之間的距離q變得比圖7A中所示的距離p短。由此，掃描區(qū)域確定單元43基于測量對象71的多個部分中已經(jīng)測量了形狀的部分的形狀信息53，確定對象是否是沿Z軸方向的高度朝向X軸的正方向變高的測量對象71。接著，在測量對象71沿Z軸方向的高度朝向X軸的正方向變高的情況下，掃描區(qū)域確定單元43執(zhí)行將從一幀之前的圖像中的激光位置P1
到沿X軸的正方向與激光位置卩丨叫分開距離WIDTHla的位置的區(qū)域確定為掃描區(qū)域的校正，其中，距離WIDTHla比預(yù)定距離WIDTHl短。另一方面，如圖6C所示，在測量對象72沿Z軸方向的高度朝向X軸的正方向變小的情況下，與圖6A中所示的測量對象7相比，激光LA在測量對象72上的移動速度變快。因此，如圖7C所示，在測量對象72沿Z軸方向的高度朝向X軸的正方向變小的情況下，一幀之前的圖像中的激光位置P1
和作為掃描對象的圖像中的激光位置P之間的距離r變得比圖7A中所示的距離p長。
由此，掃描區(qū)域確定單元43基于測量對象72的多個部分中已經(jīng)測量了形狀的部分的形狀信息53，確定對象是否是沿Z軸方向的高度朝向X軸的正方向變小的測量對象72。接著，在測量對象72沿Z軸方向的高度朝X軸的正方向變小的情況下，掃描區(qū)域確定單元43執(zhí)行將從一幀之前的圖像中的激光位置P1
到沿X軸的正方向與激光位置P1LO]分開距離WIDTHlb的位置的區(qū)域確定為掃描區(qū)域的校正，其中距離WIDTHlb比預(yù)定距離 WIDTHl 長。 由此，在三維掃描儀I中，因為掃描區(qū)域確定單元43根據(jù)測量對象7、71或72沿Z軸方向的高度適當(dāng)?shù)匦Ｕ龗呙鑵^(qū)域，所以位置檢測單元42可以在不掃描不需要的像素的情況下，檢測圖像中的激光位置P。因此，在三維掃描儀I中，通過適當(dāng)縮短激光位置P的檢測處理所需要的處理時間，可以加快三維形狀的測量處理。掃描區(qū)域確定單元43可以被構(gòu)造為即使當(dāng)測量對象7中各部分的高度是相同的，也校正掃描區(qū)域。例如，當(dāng)測量對象7沿X軸方向的長度超過預(yù)定長度時，隨著激光LA在測量對象7上的照射位置沿X軸的正方向移動，激光LA的移動速度變大，這在某些情況下無法忽略。在該情況下，隨著激光在測量對象7上的照射位置沿X軸的正方向移動，掃描區(qū)域確定單元43執(zhí)行沿掃描方向延伸掃描區(qū)域的校正。憑借該校正，即使當(dāng)測量對象7沿X軸方向的長度超過預(yù)定長度時，也可以確定適當(dāng)?shù)膾呙鑵^(qū)域，使得可以適當(dāng)?shù)貦z測圖像中的激光位置。(第二實施方式)接著，參照圖8說明包括三維掃描儀I的機(jī)器人系統(tǒng)的第二實施方式。圖8是示出了根據(jù)實施方式的機(jī)器人系統(tǒng)10的圖。在下文中，說明使機(jī)器人識別大量堆放的工件并且使用識別出的工件執(zhí)行作業(yè)的機(jī)器人系統(tǒng)10。在圖8中，螺釘被示為工件的示例，但是，工件不限于螺釘，并且可以是如螺栓和螺母的任何部件。如圖8所示，機(jī)器人系統(tǒng)10包括三維掃描儀I、機(jī)器人控制裝置11和機(jī)器人12。三維掃描儀I與第一實施方式中說明的類似，并且垂直設(shè)置在堆疊的工件上方，并且測量工件的三維形狀。機(jī)器人控制裝置11連接至三維掃描儀I和機(jī)器人12，并且從三維掃描儀I獲得關(guān)于大量堆放的工件的形狀信息53 (參見圖2)。然后，機(jī)器人控制裝置11從大量堆放的工件中確定作為作業(yè)對象的工件的位置和方向，并且向機(jī)器人12輸出確定結(jié)果。機(jī)器人12在具有七軸的關(guān)節(jié)的機(jī)器人臂的末端包括抓握工件的機(jī)器人手。例如，機(jī)器人12執(zhí)行以下作業(yè)通過基于從機(jī)器人控制裝置11輸入的作為作業(yè)對象的工件的位置和方向驅(qū)動機(jī)器人臂和機(jī)器人手，來抓握工件，并且將工件附接到預(yù)定部件。在機(jī)器人系統(tǒng)10中，以與第一實施方式類似的方式,基于三維掃描儀I在作為掃描對象的圖像之前拍攝的工件的圖像，將作為掃描對象的圖像中的掃描區(qū)域適當(dāng)?shù)卮_定得窄，并且通過掃描所確定的掃描區(qū)域的像素，來測量工件的三維形狀。因此，機(jī)器人控制裝置11可以根據(jù)三維掃描儀I通過高速化的形狀測量處理而測量的工件的三維形狀，迅速檢測作為作業(yè)對象的工件的位置和方向，并且將其輸出到機(jī)器人12。
因此，根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)10，通過縮短在三維掃描儀I開始工件的形狀測量之后直到機(jī)器人12抓握工件為止的處理時間，可以縮短機(jī)器人12的作業(yè)時間，這能夠提高工作效率。而且，在機(jī)器人系統(tǒng)10中，從機(jī)器人控制裝置11向機(jī)器人12輸出的表示作為作業(yè)對象的工件的位置的位置信息可以輸出給三維掃描儀1，并且可以基于該位置信息改變?nèi)S掃描儀I的測量處理的內(nèi)容。S卩，當(dāng)機(jī)器人12從堆疊的工件中拾取特定工件時，在拾取工件的區(qū)域中，堆疊工件的形狀改變，但是，在未拾取工件的區(qū)域中，在某些情況下堆疊工件的形狀不改變。在該情況下，例如，三維掃描儀I針對機(jī)器人12拾取了作為作業(yè)對象的工件的區(qū)域，以與第一實施方式類似的方式確定掃描區(qū)域，并且針對除了拾取工件的區(qū)域之外的其他區(qū)域，將在拾取工件之前拍攝的圖像中激光位置周圍的預(yù)定區(qū)域確定為掃描區(qū)域。
因此，在機(jī)器人系統(tǒng)10中，通過進(jìn)一步減少要由三維掃描儀I的位置檢測單元42掃描的像素數(shù)量，可以進(jìn)一步縮短用于測量三維形狀的處理時間，使得可以進(jìn)一步提高機(jī)器人12的工作效率。在第二實施方式中，分開設(shè)置三維掃描儀I和機(jī)器人12，但是，三維掃描儀I可以一體地設(shè)置在機(jī)器人12的機(jī)器人臂的末端上。憑借該構(gòu)造，每當(dāng)機(jī)器人12完成工件附接作業(yè)時，機(jī)器人控制裝置11將三維掃描儀I移動到通過驅(qū)動機(jī)器人臂可以測量作為作業(yè)對象的工件的形狀的位置。憑借該構(gòu)造，可以節(jié)省機(jī)器人系統(tǒng)10的設(shè)置空間。而且，在上述第一實施方式和第二實施方式中，說明了由掃描區(qū)域確定單元43限制讀出圖像信息51的光電檢測器的情況，但是，可以由掃描區(qū)域確定單元43來限制作為激光位置的檢測對象的圖像信息51。憑借該構(gòu)造，圖像信息獲得單元41從攝像單元3中所包括的所有光電檢測器讀出圖像信息51，并且將其存儲在存儲單元5中。而且，掃描區(qū)域確定單元43確定圖1B、圖1C、圖4A、圖4B和圖4C中所示的掃描區(qū)域，并且將其輸出給位置檢測單元42。接著，位置檢測單元42從存儲單元5讀出與從掃描區(qū)域確定單元43輸入的掃描區(qū)域相對應(yīng)的圖像信息51，并且選擇性地掃描與掃描區(qū)域相對應(yīng)的部分的圖像，以檢測作為掃描對象的圖像中的激光位置。由此，通過由掃描區(qū)域確定單元43限制作為激光位置的檢測對象的圖像信息51，可以縮短激光位置的檢測處理所需要的處理時間，使得可以加快三維形狀的測量處理。而且，在上述第一實施方式和第二實施方式中，說明了照射單元2在改變相對于測量對象7、71和72的照射位置的同時發(fā)出激光LA的情況，但是，激光LA可以在不改變照射位置的情況下在測量對象7、71和72上移動。在該情況下，例如，通過沿與XY面平行的方向移動激光裝置21的同時，向測量對象7、71和72發(fā)出激光LA，激光LA可以在不改變照射位置的情況下在測量對象7、71和72上移動。而且,在上述第一實施方式和第二實施方式中，基于作為掃描對象的圖像之前拍攝的圖像，確定作為掃描對象的圖像中的掃描區(qū)域，但是，不是必須基于作為掃描對象的圖像之前拍攝的圖像來確定掃描區(qū)域。
例如，當(dāng)測量對象7、71和72是已知對象時，可以基于對象的類型來粗略預(yù)測測量對象7、71和72的圖像中的激光位置。因此，在該情況下，基于上述粗略預(yù)測的激光位置預(yù)先確定的各個測量對象7、71和72的掃描區(qū)域(參見圖1B、圖1C、圖4A、圖4B和圖4C中所示的掃描區(qū)域)，針對圖像中的每行存儲在存儲單元5中。接著，當(dāng)由掃描區(qū)域確定單元43限制讀出圖像信息51的光電檢測器時，圖像信息獲得單元41從與存儲單元5中所存儲的掃描區(qū)域相對應(yīng)的光電檢測器選擇性地讀出圖像信息51，并且圖像信息獲得單元41根據(jù)圖像信息51針對圖像的各行檢測激光位置。而且，當(dāng)由掃描區(qū)域確定單元43限制要作為激光位置的檢測對象的圖像信息51時，位置檢測單元42通過基于與存儲單元5中所存儲的掃描區(qū)域相對應(yīng)的圖像信息51，選擇性掃描與掃描區(qū)域相對應(yīng)的部分的圖像，來檢測作為掃描對象的圖像中的激光位置。憑借該構(gòu)造，三維掃描儀可以在不執(zhí)行掃描區(qū)域的確定處理的情況下，檢測圖像中的激光位置。而且，三維掃描儀可以針對圖像的各行檢測激光位置。
因此，根據(jù)三維掃描儀，通過針對圖像的各行執(zhí)行精細(xì)掃描，可以提高圖像中激光位置的檢測精確度，使得三維形狀的測量處理所需要的時間縮短了掃描區(qū)域的被省略了的確定處理的時間。
權(quán)利要求
1.一種三維掃描儀，該三維掃描儀包括 照射単元，該照射単元在相對于測量對象改變照射位置的同時，發(fā)出隙狀的光束； 攝像單元，該攝像單元順序地拍攝所述光束所照射的所述測量對象的圖像； 位置檢測單元，該位置檢測單元通過掃描所述攝像單元拍攝的圖像，來檢測所述圖像中所述光束的位置；以及 掃描區(qū)域確定單元，該掃描區(qū)域確定單元基于在作為掃描對象的圖像之前所述攝像單元拍攝的圖像中的所述光束的位置，確定所述位置檢測單元在所述作為掃描對象的圖像中的掃描區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三維掃描儀，其中，當(dāng)所述位置檢測單元在沿與掃描方向正交的方向順序地移動沿所述掃描方向的各掃描中的掃描開始位置的同時掃描所述圖像吋，所述掃描區(qū)域確定單元確定沿所述掃描方向的各掃描的所述掃描區(qū)域，其中，所述掃描方向是通過改變所述照射位置而使所述光束在所述圖像上移動的方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維掃描儀，其中，所述掃描區(qū)域確定單元將所述攝像單元上次拍攝的圖像中所述光束的位置確定為所述作為掃描對象的圖像中的掃描開始位置，并且將沿所述掃描方向與所述作為掃描對象的圖像中的所述掃描開始位置分開預(yù)定距離的位置確定為掃描結(jié)束位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維掃描儀，其中，所述掃描區(qū)域確定單元基于所述攝像單元上次拍攝的圖像中所述光束的位置和所述攝像単元在緊接上次之前拍攝的圖像中所述光束的位置之間的距離，確定所述預(yù)定距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維掃描儀，其中，當(dāng)所述測量對象的所述圖像中表示法線方向的距離的高度朝所述掃描方向增大時，所述掃描區(qū)域確定單元將所述預(yù)定距離確定得比所述高度不變的情況短，并且當(dāng)所述高度朝所述掃描方向減小時，所述掃描區(qū)域確定單元將所述預(yù)定距離確定得比所述高度不變的情況長。
6.—種三維掃描儀,該三維掃描儀包括 照射単元，該照射単元在相對于測量對象改變照射位置的同時，發(fā)出隙狀的光束；攝像單元，該攝像単元包括設(shè)置在接收來自所述測量對象的光的受光面上的多個光電檢測器； 位置檢測單元，該位置檢測單元通過掃描所述攝像單元拍攝的圖像，檢測所述圖像中所述光束的位置；以及 掃描區(qū)域確定單元，當(dāng)所述位置檢測單元在沿與掃描方向正交的方向順序移動沿所述掃描方向的各掃描中的掃描開始位置的同時掃描所述圖像時，該掃描區(qū)域確定單元確定沿所述掃描方向的各掃描的所述掃描區(qū)域，其中，所述掃描方向是與通過改變所述照射位置而使所述光束在所述圖像上移動的方向相對應(yīng)的方向。
7.—種機(jī)器人系統(tǒng),該機(jī)器人系統(tǒng)包括 三維掃描儀，該三維掃描儀包括 照射単元，該照射単元在相對于エ件改變照射位置的同時，發(fā)出隙狀的光束； 攝像單元，該攝像單元順序地拍攝所述光束所照射的所述エ件的圖像； 位置檢測單元，該位置檢測單元通過掃描所述攝像單元拍攝的圖像，檢測所述圖像中所述光束的位置；以及掃描區(qū)域確定單元，所述掃描區(qū)域確定單元基于在作為掃描對象的圖像之前所述攝像單元拍攝的圖像中所述光束的位置，確定所述位置檢測單元在所述作為掃描對象的圖像中的掃描區(qū)域； 機(jī)器人控制裝置，該機(jī)器人控制裝置從所述三維掃描儀獲得關(guān)于所述エ件的三維形狀的信息，并且將所述信息和針對該エ件的作業(yè)命令輸出給機(jī)器人；以及 機(jī)器人，該機(jī)器人基于從所述機(jī)器人控制裝置輸入的所述信息和所述作業(yè)命令，來識別作為作業(yè)對象的所述エ件并且執(zhí)行作業(yè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及三維掃描儀和機(jī)器人系統(tǒng)。根據(jù)實施方式的一個方面的三維掃描儀包括照射單元、攝像單元、位置檢測單元和掃描區(qū)域確定單元。照射單元在相對于測量對象改變照射位置的同時，發(fā)出隙狀光束。攝像單元順序地拍攝所述光束所照射的所述測量對象的圖像。所述位置檢測單元通過掃描所述圖像，來檢測所述攝像單元拍攝的圖像中所述光束的位置。所述掃描區(qū)域確定單元基于在作為掃描對象的圖像之前所述攝像單元拍攝的圖像中所述光束的位置，確定所述位置檢測單元在作為掃描對象的圖像中的掃描區(qū)域。
文檔編號G01B11/00GK102735166SQ201210109519
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者一丸勇二 申請人:株式會社安川電機(jī)