专利名称：三维扫描仪和机器人系统的制作方法
技术领域：
这里所讨论的实施方式涉及三维扫描仪和机器人系统。
背景技术：
常规地，存在一种测量物体的三维形状的三维扫描仪(例如，参见日本专利特开平公报No. H07-270137)。例如，该三维扫描仪在改变相对于测量对象的照射位置的同时，向测量对象发出隙状光束，并且由照相机顺序地拍摄光束所照射的测量对象的图像。然后，三维扫描仪通过从照相机的光电检测器读取关于所拍摄的图像的图像信息并且扫描所拍摄的图像的所有像素，来检测图像中光束的位置。接着，三维扫描仪通过利用光束的照射角度和受光角度以及从光束的光源到照相 机的距离按照三角测量的原理计算测量对象的各部分的高度，来对测量对象的三维形状进行测量。但是，在常规三维扫描仪中，为了检测图像中光束的位置，对所拍摄的图像的所有像素进行扫描，使得需要花费时间来计算光束的受光角度，这已经成为了加快三维形状的测量处理的障碍。鉴于上述，实现了实施方式的一个方面，并且实施方式的一个方面的目的是提供能够加快三维形状的测量处理的三维扫描仪和机器人系统。
发明内容
根据实施方式的一个方面的三维扫描仪包括照射单元、摄像单元、位置检测单元和扫描区域确定单元。照射单元在相对于测量对象改变照射位置的同时，发出隙状光束。摄像单元顺序地拍摄所述光束所照射的所述测量对象的图像。所述位置检测单元通过扫描所述图像，来检测所述摄像单元拍摄的图像中所述光束的位置。所述扫描区域确定单元基于在作为扫描对象的图像之前所述摄像单元拍摄的图像中所述光束的位置，确定所述位置检测单元在作为扫描对象的图像中的扫描区域。根据实施方式的一个方面，可以加快三维形状的测量处理。
因为参照结合附图考虑的以下详细描述可以更好地理解本发明的更完整的理解及其许多附加优点，所以将容易获得本发明的更完整的理解及其许多附加优点，附图中图IA是示出了根据第一实施方式的三维扫描仪和测量对象之间的位置关系的图；图IB至图IC是示出了由根据第一实施方式的三维扫描仪的摄像单元拍摄的图像的示例的图；图2是示出了根据第一实施方式的三维扫描仪的构造的框图；图3是示出了根据第一实施方式的三维形状的测量方法的图4A至图4C是示出了根据第一实施方式的扫描区域的确定示例和激光位置的检测示例的图；图5是示出了根据第一实施方式的控制单元执行的处理的流程图；图6A至图6C以及图7A至图7C是根据第一实施方式的扫描区域确定单元校正扫描区域的方法的说明图；以及图8是示出了根据第二实施方式的机器人系统的图。
具体实施例方式此后，将参照附图详细描述本申请中所公开的三维扫描仪和机器人系统的实施方式。本发明不限于以下描述的实施方式的例示。而且，在下文中，三维扫描仪的实施方式和包括三维扫描仪的机器人系统的实施方式分别作为第一实施方式和第二实施方式进行说明。
(第一实施方式)首先，参照图1A、图IB和图IC说明根据第一实施方式的三维扫描方法。图IA是示出了根据第一实施方式的三维扫描仪I和测量对象7之间的位置关系的图，而图IB至图IC是示出了由根据第一实施方式的三维扫描仪I的摄像单元3拍摄的图像的示例的图。在下文中，为了容易理解说明，作为笛卡尔坐标系的XY坐标系设置在上面放置有测量对象7的载置面上，而从载置面垂直向下的方向被定义为Z轴。在下文中，说明以下情况，即，作为测量对象7的载置面的平台6上放置的长方体是测量对象7，而三维扫描仪I从垂直向上的方向对测量对象7的三维形状进行测量。如图I所示，在根据第一实施方式的三维扫描方法中，三维扫描仪I从激光装置21朝反射镜22发出隙状光束(此后称为“激光LA”)。然后，三维扫描仪I在通过旋转反射镜22改变相对于测量对象7的照射位置的同时，向测量对象7发出激光LA。三维扫描仪I在将激光LA在测量对象7上的照射位置从X轴的负方向朝正方向移动的同时，相对于测量对象7从斜向上方向发出激光LA。接着，三维扫描仪I由摄像单元3按顺序地拍摄激光LA所照射的测量对象7的图像。即，摄像单元3通过接收由平台6和测量对象7反射的激光LA，对在平台6和测量对象7上针对各摄像帧沿移动方向移动的激光LA进行摄像。接着，三维扫描仪I检测由摄像单元3拍摄的各图像中激光LA的位置(此后称为“激光位置”)，使用检测到的激光位置按照三角测量的原理对测量对象7的三维形状进行测量。例如，当在摄像单元3拍摄图IB中所示的第一图像之后，拍摄图IC中所示的第二图像时，如图IB所示，针对第一图像，三维扫描仪I通过将整个图像作为扫描区域SA来扫描图像，检测图像中的激光位置La。此时，三维扫描仪I在沿与Y轴的正方向平行的方向顺序地移动沿扫描方向(该扫描方向是与X轴的正方向平行的方向)的各扫描中的扫描开始位置的同时，扫描第一图像的所有像素。如将在后面所描述的，摄像单元3包括排列在光接收面上的多个光电检测器，并且预先调节摄像单元3的设置姿势，使得光电检测器的排列方向(在该示例中，X轴方向)与激光LA的移动方向匹配。接着，三维扫描仪I从摄像单元3中所包括的所有光电检测器读出图像中各像素的关于亮度的信息，并且针对沿扫描方向排列的各像素行，将各像素的亮度与预定阈值进行比较。接着，三维扫描仪I检测各像素行中的亮度超过预定阈值的像素中最亮像素的位置，作为第一图像中激光LA的位置La。可以获得亮度超过预定阈值的像素的亮度分布图，并且通过重心计算处理，以子像素精度计算激光位置La。另一方面，当扫描第二图像时，如图IC所示，三维传感器I通过从比扫描第一图像的情况窄的扫描区域SB相对应的光电检测器选择性地读出各像素的关于亮度的信息，并 且对扫描区域SB中的像素进行扫描，来检测第二图像中的激光位置Lb。即，在根据第一实施方式的三维扫描方法中，激光LA沿X轴的正方向在平台6和测量对象7上移动。因此，在相对于第一图像中的激光位置La的X轴的正侧上检测到第二图像中的激光位置Lb。换句话说，在相对于第一图像中的激光位置La的X轴的负侧上未检测到第二图像中的激光位置Lb。而且，在根据第一实施方式的三维扫描方法中，可以基于反射镜22的旋转速度粗略估计在拍摄第一图像之后直到拍摄第二图像为止，激光LA在平台6和测量对象7上移动的移动距离。因此，在根据第一实施方式的三维扫描方法中，当扫描第二图像时，第一图像中的激光位置La被确定为扫描开始位置，而沿扫描方向与扫描开始位置分开预定距离的位置被确定为扫描结束位置，其中该预定距离是基于激光LA的估计出的移动距离所确定的。因此，在根据第一实施方式的三维扫描方法中，当扫描第二图像时，通过从数量少于在扫描第一图像的情况下的数量的光电检测器选择性地读出像素的关于亮度的信息并且扫描各像素，可以检测第二图像中的激光位置Lb。因此，在根据第一实施方式的三维扫描方法中，可以缩短从摄像单元3读出像素的关于亮度的信息的处理和在图像中激光位置的检测处理所需要的时间，使得可以加快三维形状的测量处理。而且，根据第一实施方式中的三维扫描方法，因为可以适当限制并且确定用于检测激光位置的扫描区域，所以当环境光等进入所确定的扫描区域之外的区域时，环境光等不会被误检测为激光LA。而且，在根据第一实施方式的三维扫描方法中，当扫描由摄像单元3拍摄的第三图像和后续图像时，基于第一图像中的激光位置La和第二图像中的激光位置Lb来确定第三图像中的扫描区域。这一点将在后面参照图4C进行描述。接着，将参照图2说明根据第一实施方式的三维扫描仪I的构造。图2是示出了根据第一实施方式的三维扫描仪I的构造的框图。如图2所示，三维扫描仪I包括照射单元2、摄像单元3、控制单元4和存储单元5。照射单元2是根据控制单元4的控制，在相对于平台6和测量对象7改变照射位置的同时发出激光LA的装置。照射单元2包括激光装置21和反射镜22。激光装置21是基于从控制单元4输入的控制信号，向反射镜22的反射面发出作为隙状光束的激光LA的装置。而且，反射镜22是这样的反射板其通过基于从控制单元4输入的控制信号来控制反射面的旋转，发出从激光装置21发出的激光LA，使得在平台6和测量对象7上的照射位置从X轴的负方向向正方向移动。摄像单元3是包括CMOS (互补金属氧化物半导体)传感器作为光电检测器的照相机。摄像单元3顺序地拍摄激光LA所照射的平台6和测量对象7的图像，并且向控制单元4输出所拍摄的图像。作为摄像单元3的光电检测器，代替CMOS传感器，可以应用任何图像传感器，如CCD (电荷耦合装置)传感器。存储单元5是存储图像信息51、激光位置信息52、形状信息53等的存储装置。图像信息51是表示由摄像单元3拍摄的图像的信息，而激光位置信息52是表示由摄像单元3拍摄的各图像中的激光位置的信息。形状信息53是表示由三维扫描仪I测量的测量对象7的三维形状的信息。控制单元4是总体控制整个三维扫描仪I的操作的处理单元，并且包括图像信息获得单元41、位置检测单元42、扫描区域确定单元43、形状测量单元44和照射控制单元45。照射控制单元45是向激光装置21输出指示发出激光LA的控制信号并且向反射镜22输出指示反射面的旋转角度的控制信号的处理单元。而且，照射控制单元45向形状测量单元44输出表示反射镜22的旋转角度的信息。图像信息获得单元41是从摄像单元3获得由摄像单元3顺序地拍摄的图像并且将它们作为图像信息51存储在存储单元5中的处理单元。图像信息获得单元41从摄像单 兀3的所有光电检测器中的、与从扫描区域确定单兀43输入的扫描区域相对应的光电检测器中，选择性地读出并且获得像素的关于亮度的信息，作为图像信息51。位置检测单元42是基于从存储单元5读出的图像信息51，检测由摄像单元3顺序地拍摄的各个图像中的激光位置的处理单元。位置检测单元42扫描由扫描区域确定单元43确定的扫描区域中的像素。接着，位置检测单元42检测在所扫描的像素中亮度超过预定阈值的像素中的最亮像素在图像中的位置，作为各图像中的激光位置，向形状测量单元44输出检测结果，并且在存储单元5中存储检测结果，作为激光位置信息52。后面参照图4A、图4B和图4C描述由位置检测单元42检测激光位置的示例。扫描区域确定单元43是这样的处理单元，其基于从存储单元5读出的激光位置信息52，使用位置检测单元42在作为扫描对象的图像之前由摄像单元3拍摄的图像中检测出的激光位置，确定图像中作为扫描对象的扫描区域。扫描区域确定单元43针对要由位置检测单元42针对各图像沿扫描方向扫描的各像素行(此后称为“行”)确定各自的扫描区域，并且向图像信息获得单元41输出表示所确定的扫描区域的信息。后面将参照图4A、图4B和图4C描述由扫描区域确定单元43确定扫描区域的示例。而且，扫描区域确定单元43基于从存储单元5读出的形状信息53，根据测量对象7的图像中沿法线方向的距离(此后称为“测量对象7的高度”)，校正扫描区域。这一点后面将参照图6A、图6B、图6C、图7A、图7B和图7C进行描述。形状测量单元44是基于从位置检测单元42输入的各图像中的激光位置和从照射控制单元45输入的反射镜22的旋转角度，按照三角测量的原理，对测量对象7的三维形状进行测量的处理单元。形状测量单元44在存储单元5中存储测量出的测量对象7的三维形状，作为形状信息53。然后，参照图3简单说明由形状测量单元44测量测量对象7的三维形状的方法。图3是示出了根据第一实施方式的三维形状的测量方法的图。如图3所示，在三维扫描仪I中，反射镜22和摄像单元3设置为使得激光LA在反射镜22中的反射位置23和激光LA在摄像单元3中的受光位置31被定位在与平台6平行的同一平面(此后称为“基准面Z1”)上。接着，形状测量单元44基于反射镜22的旋转角度来计算激光LA相对于测量对象7的照射角度a。而且，形状测量单元44基于图像中的激光位置，计算摄像单元3接受激光LA的受光角度b。从激光LA在反射镜22中的反射位置23到激光LA在摄像单元3中的受光位置31的距离c是已知的，并且从基准面Zl到平台6的距离d也是已知的。 因此，形状测量单元44可以使用从激光LA在反射镜22中的反射位置23到激光LA在摄像单元3中的受光位置31的距离C、激光LA的照射角度a和受光角度b，按照三角测量的原理，计算从基准面Zl到测量对象7的顶面的距离e。因此，形状测量单元44可以通过从基准面Zl到平台6的距离d中减去从基准面Zl到测量对象7的顶面的距离e，来计算测量对象7的高度f。因此，形状测量单元44可以通过计算测量对象7的各部分的高度f，来计算测量对象7的三维形状。然后，参照图4A、图4B和图4C说明扫描区域确定单元43确定扫描区域的示例和位置检测单元42检测激光位置的示例。图4A、图4B和图4C是示出了根据第一实施方式的扫描区域的确定示例和激光位置的检测示例的图。如图4A所示，作为扫描对象的图像是摄像单元3拍摄的第n个图像，并且是与测量对象7有关的第一图像。在该情况下，扫描区域确定单元43将在图像中沿Y轴方向的最负侧上像素沿X轴方向排列的行(此后称为“第零行”)上的所有像素确定为第零行的扫描区域Sa。 而且，位置检测单元42沿X轴的正方向对扫描区域Sa中的所有像素进行扫描，将各像素的亮度和预定阈值进行比较，并且检测亮度超过预定阈值的像素中最亮像素的位置P，作为第零行上的激光位置P。当不存在亮度超过预定阈值的像素时，确定未检测到激光。接着，在三维扫描仪I中，扫描区域确定单元43以类似方式针对第n个图像中的所有行确定扫描区域Sa，而位置检测单元42以类似方式针对所有行检测激光位置P。即，在第n个图像中，扫描区域确定单元43将图像中所包括的所有像素确定为扫描区域Sa，而位置检测单元42对图像中所包括的所有像素进行扫描。而且，如图4B所示，作为扫描对象的图像是摄像单元3拍摄的第(n+1)个图像并且是与测量对象7有关的第二图像。在该情况下，扫描区域确定单元43基于作为上次拍摄的图像的一帧在先图像(在该示例中，第n个图像)，确定此次拍摄的作为扫描对象的图像(该示例中，第(n+1)个图像)中的扫描区域。具体地，如图4B所示，当确定第(n+1)个图像中第零行的扫描区域Sb时，扫描区域确定单元43将第n个图像中的激光位置P1
确定为作为扫描对象的图像中的扫描开始位置。
接着，扫描区域确定单元43将沿作为扫描方向的X轴的正方向与所确定的扫描开始位置分开预定距离WIDTHl的位置确定为扫描结束位置，并且将从扫描开始位置到扫描结束位置的区域确定为第零行中的扫描区域Sb。例如通过基于反射镜22的旋转速度，估计拍摄第n个图像之后直到拍摄第(n+1)个图像为止，激光LA在测量对象7上移动的移动距离，并且将估计出的移动距离乘以预定因子，来确定预定距离WIDTHl。接着，图像信息获得单元41从与扫描区域Sb相对应的光电检测器选择性地读出扫描区域Sb中各像素的关于亮度的图像信息51，并且将其存储在存储单元5中。而且，位置检测单元42基于图像信息51沿X轴的正方向对扫描区域Sb中的像素进行扫描，将各像素的亮度与预定阈值比较，并且检测亮度超过预定阈值的像素中最亮像素的位置P，作为第零行上的激光位置P。接着，在三维扫描仪I中，扫描区域确定单元43以类似方式针对第(n+1)个图像中的各行确定扫描区域Sb，而位置检测单元42通过扫描各行上扫描区域Sb中的像素来检 测激光位置P。由此，扫描区域确定单元43通过选择很可能被检测到激光位置的区域，来确定第(n+1)个图像中的扫描区域Sb。因此，位置检测单元42变得能够基于图像信息获得单元41从与扫描区域Sb相对应的光电检测器选择性地获得的图像信息51来检测激光位置P，使得可以在比通过扫描图像的所有像素来检测激光位置P的情况短的处理时间中检测到激光位置P。因此，在三维扫描仪I中，可以缩短从光电检测器读出图像信息51的处理以及检测图像中的激光位置P的处理所需要的处理时间，这能够加快三维形状的测量处理。而且，如图4C所示，作为扫描对象的图像是摄像单元3拍摄的第(n+2)个图像并且是与测量对象7有关的第三图像。在该情况下，扫描区域确定单元43基于作为上次拍摄的图像的一帧之前的图像(该实施方式中，第(n+1)个图像)和作为上次紧接着之前拍摄的图像的二帧之前的图像(该实施方式中，第n个图像)，确定此次拍摄的作为扫描对象的图像(该实施方式中，第(n+2)个图像)中的扫描区域Sc。具体地，当确定第(n+2)个图像中第零行的扫描区域Sc时，如图4C所示，扫描区域确定单元43首先将第(n+1)个图像中的激光位置P1
确定为作为扫描对象的图像中的扫描开始位置P1 [O]。当二帧之前的图像(第n个图像)中的激光位置是P2
时，从二帧之前的图像中的激光位置P2
到一帧之前的图像中的激光位置P1
的距离是P1
-P2 [O]。由此，在作为扫描对象的第(n+2)个图像中，可以估计在沿X轴的正方向与一帧之前的图像中的激光位置？:^]分开距的位置检测到激光LA。但是，在某些情况下，激光位置从根据测量对象7的形状估计出的位置沿X轴方向移位。因此，在作为扫描对象的图像是第(n+2)个图像的情况下，扫描区域确定单元43将沿X轴的正方向与扫描开始位置PJ0]分开距离？1
- 2
+预定余量胃101'112的位置确定为扫描结束位置，由此确定扫描区域Sc。WIDTH2可以是与WIDTHl类似的方式根据反射镜的旋转速度而变化。如此，扫描区域确定单元43可以通过使用一帧之前的图像和二帧之前的图像中的实际激光位置，适当地确定比基于粗略预测的图4B中所示的扫描区域Sb窄的扫描区域Sc。接着，图像信息获得单元41从与扫描区域Sc相对应的光电检测器选择性地读出扫描区域Sc中各像素的关于亮度的图像信息51，并且将图像信息51存储在存储单元5中。而且，位置检测单元42沿X轴的正方向对扫描区域Sc中的像素进行扫描，将各像素的亮度与预定阈值进行比较，并且检测亮度超过预定阈值的像素中最亮像素的位置P，作为第零行上的激光位置。接着，在三维扫描仪I中，扫描区域确定单元43以类似方式针对第(n+2)个图像中的各行确定扫描区域Sc，而位置检测单元42通过扫描各行的扫描区域Sc中的像素来检测激光位置P。 因此，位置检测单元42可以通过扫描比第(n+1)个图像中的扫描区域Sb更窄的扫描区域Sc的像素，来检测第(n+2)个图像中的激光位置P。因此，在三维扫描仪I中，可以进一步缩短从光电检测器读出图像信息51的处理和检测图像中的激光位置P的处理所需要的处理时间，使得可以进一步加快三维形状的测
量处理。而且，针对摄像单元3拍摄的第(n+3)个图像和后续图像，扫描区域确定单元43以与第(n+2)个图像的情况类似的方式，基于从上次拍摄的图像和上次紧接着之前拍摄的图像实际检测到的激光位置，确定作为扫描对象的图像中的扫描区域。而且，位置检测单元42以与第(n+2)个图像的情况类似的方式，检测第(n+3)个图像和后续图像中的激光位置。基于两个连续拍摄的图像之间的激光位置差的变化率，可以确定第(n+3)个图像和后续图像中的扫描区域。在该情况下，例如，基于形状信息53，顺序地计算在两个连续图像之间激光位置的差，并且将该差按时间顺序存储在存储单元5中。接着，当两个连续图像之间的激光位置的差按时间顺序以恒定变化率变化时，扫描区域确定单元43考虑到变化率，确定作为扫描对象的图像中的扫描区域。例如，当两个连续图像之间的激光位置差以固定的减小速率减小时，扫描区域确定单元43首先将一帧之前的图像的激光位置确定为扫描开始位置。接着，扫描区域确定单元43考虑到上述差的减小率，将沿扫描方向与扫描开始位置分开比一帧之前的图像和二帧之前的图像之间的激光位置差短的距离的位置确定为扫描结束位置。在该情况下，可以向所确定的扫描区域添加余量WIDTH2。因此，三维扫描仪I可以使扫描区域更适当地变窄，使得可以进一步缩短用于检测图像的激光位置所需要的处理时间，这能够进一步加快三维形状的测量处理。接着，参照图5说明由控制单元4执行的处理。图5是示出了由根据第一实施方式的控制单元4执行的处理的流程图。图5中所示的MEASURE是通过摄像单元3对测量对象7进行摄像而获得的图像数量，而LINE是图像中的行数。而且，P1 [LINE]是作为扫描对象的图像之前一帧的图像中的激光位置，而P2[LINE]是作为扫描对象的图像之前二帧的图像中的激光位置。而且，L1是各行中的扫描开始位置，而L2是各行中的扫描结束位置。而且，图5中的WIDTHl与图4B中所示的WIDTHl相当，而图5中的WIDTH2与图4C中所示的WIDTH2相当。
在下文中，作为一个示例，说明以下情况MEASURE是512并且LINE是512，S卩，在预定时间段中针对测量对象7拍摄了第零个图像至第511个图像，并且一个图像包括第零行至第511行。在一行中，512个像素(光电检测器)沿X轴方向排列。而且，在下文中，说明测量对象7的顶面与XY面平行，即，测量对象7的各部分的高度相同的情况。如图5所示，根据第一实施方式的控制单元4首先将0代入预定变量t (步骤S101)，并且通过使摄像单元3开始第t个图像的摄像曝光来拍摄第t个图像(步骤S102)。换句话说，在该实施方式中，变量t代表拍摄作为扫描对象的图像的序号。然后，控制单元4通过将0代入P1OJNE]和P2 [LINE]各自的LINE，来初始化P1 [LINE]和己似肥](步骤S103)。然后，控制单元4将0代入预定变量n (步骤S104)。变量n表不作为扫描对象的行的序号。接着，控制单元4确定PJn]是否等于0(步骤S105)。S卩，在步骤S105，控制单元4确定在一帧之前的图像的第n行中是否未检测到激光LA。
接着，当控制单元4确定出未检测到激光LA时(步骤S105是)，控制单元4将0代入L1并且将LINE-I代入L2 (步骤S106)，并且将处理移到步骤S107。即，当在一帧之前的图像的第n行中未检测到激光LA时，控制单元4将第n行中的所有像素确定为扫描区域Sa (参见图4A)，并且将处理移到步骤S107。另一方面，当控制单元4确定在一帧之前的图像的第n行中已经检测到激光LA时(步骤S105否)，控制单元4确定P2[n]是否等于0(步骤SI 13)。S卩，在步骤SI 13，控制单元4确定在二帧之前的图像的第n行中是否未检测到激光LA。接着，当控制单元4确定未检测到激光LA时(步骤SI 13是)，控制单元4将P1 [n]代入L1并且将LJWIDTH1代入L2 (步骤SI 14)，并且将处理移到步骤S107。S卩，控制单元4将一帧之前的图像中的激光位置作为扫描开始位置，并且沿X轴的正方向与扫描开始位置分开WIDTHl的位置作为扫描结束位置，来确定扫描区域Sb (参见图4B)，并且将处理移到步骤 S107。另一方面，当控制单元4确定在二帧之前的图像的第n行中已经检测到激光LA时(步骤SI 13否)，控制单元4将P1 [n]代入L1并且将LJP1 [n] -P2 [n] +WIDTH2代入L2 (步骤SI 15)，并且将处理移到步骤S107。即，在步骤S115，控制单元4将一帧之前的图像中的激光位置作为扫描开始位置，并且沿X轴的正方向与扫描开始位置分开Pj^-Pjr^+WIDTffi的位置作为扫描结束位置，来确定扫描区域Sc (参见图4C)，并且将处理移到步骤S107。 接着，在步骤S107，控制单元4通过从摄像单元3的光电检测器读出并且获得n行(第n行)上从L1到L2的图像信息51，并且根据获得的图像信息51计算激光位置P，来检测激光位置，并且将处理移到步骤S108。当未检测到激光位置时，控制单元4将0代入P并且将处理移到步骤S108。接着,控制单元4确定是否P古0或者L1古0(步骤S108)。S卩，控制单元4确定是否可以检测到激光位置或者是否扫描了第n行中的所有像素。接着，当无法检测到激光位置并且没有对第n行中的所有像素执行扫描时(步骤S108否)，控制单元4将处理移到步骤S106，再次扫描第n行中的所有像素，并且检测激光位置。另一方面，当可以检测到激光位置时(步骤S108是)，控制单元4执行三维计算处理(步骤S109)并且将计算结果作为形状信息53存储在存储单元5中(步骤S110)。然后，在使变量n增加I之后(未示出)，控制单元4确定变量n是否大于等于LINE (步骤Sm)。接着，当控制单元4确定出变量n小于LINE时(步骤Slll否)，控制单元4将处理移到步骤S105。S卩，控制单元4重复步骤S105至步骤Slll和步骤SI 13至步骤SI 15的处理，直到完成扫描一个图像中的所有行为止。另一方面，当控制单元4确定变量n达到LINE时(步骤Slll是)，在使变量t增加I之后(未示出)，控制单元4确定变量t是否大于等于MEASURE (步骤SI 12)。当控制单元4确定出变量t小于MEASURE时(步骤S112否)，控制单元4将处理移到步骤S102。即，控制单元4重复步骤S102至步骤SI 15的处理，直到完成扫描所有帧的图像为止。另一方面，当控制单元4确定出变量t达到MEASURE时(步骤SI 12是)，控制单元4结束处理。
接着，参照图6A、图6B、图6C、图7A、图7B和图7C说明当测量对象7的顶面与XY面不平行时，由扫描区域确定单元43执行的扫描区域的校正。图6A、图6B、图6C、图7A、图7B和图7C是由扫描区域确定单元43校正扫描区域的方法的说明图。在图6A、图6B、图6C、图7A、图7B和图7C中，与图3中所示的部件相同的那些部件由相同的附图标记来表示。而且，在下文中，说明反射镜22的旋转速度不变并且摄像单元3摄像的时间间隔不变的情况。如图6A所示，当测量对象7的顶面与XY面不平行时，如图7A所示，扫描区域确定单元43将一帧之前的图像中的激光位置P1
确定为作为扫描对象的图像中的扫描开始位置。接着，扫描区域确定单元43将沿X轴的正方向与扫描开始位置分开预定距离WIDTHl的位置P确定为扫描结束位置。相反，如图6B所示，在测量对象71沿Z轴方向的高度朝X轴的正方向变高的情况下，与图6A中所示的测量对象7相比，激光LA在测量对象71上的移动速度变慢。因此，如图7B所示，在测量对象71沿Z轴方向的高度朝X轴的正方向变高的情况下，一帧之前的图像中的激光位置P1
和作为扫描对象的图像中的激光位置P之间的距离q变得比图7A中所示的距离p短。由此，扫描区域确定单元43基于测量对象71的多个部分中已经测量了形状的部分的形状信息53，确定对象是否是沿Z轴方向的高度朝向X轴的正方向变高的测量对象71。接着，在测量对象71沿Z轴方向的高度朝向X轴的正方向变高的情况下，扫描区域确定单元43执行将从一帧之前的图像中的激光位置P1
到沿X轴的正方向与激光位置卩丨叫分开距离WIDTHla的位置的区域确定为扫描区域的校正，其中，距离WIDTHla比预定距离WIDTHl短。另一方面，如图6C所示，在测量对象72沿Z轴方向的高度朝向X轴的正方向变小的情况下，与图6A中所示的测量对象7相比，激光LA在测量对象72上的移动速度变快。因此，如图7C所示，在测量对象72沿Z轴方向的高度朝向X轴的正方向变小的情况下，一帧之前的图像中的激光位置P1
和作为扫描对象的图像中的激光位置P之间的距离r变得比图7A中所示的距离p长。
由此，扫描区域确定单元43基于测量对象72的多个部分中已经测量了形状的部分的形状信息53，确定对象是否是沿Z轴方向的高度朝向X轴的正方向变小的测量对象72。接着，在测量对象72沿Z轴方向的高度朝X轴的正方向变小的情况下，扫描区域确定单元43执行将从一帧之前的图像中的激光位置P1
到沿X轴的正方向与激光位置P1LO]分开距离WIDTHlb的位置的区域确定为扫描区域的校正，其中距离WIDTHlb比预定距离 WIDTHl 长。 由此，在三维扫描仪I中，因为扫描区域确定单元43根据测量对象7、71或72沿Z轴方向的高度适当地校正扫描区域，所以位置检测单元42可以在不扫描不需要的像素的情况下，检测图像中的激光位置P。因此，在三维扫描仪I中，通过适当缩短激光位置P的检测处理所需要的处理时间，可以加快三维形状的测量处理。扫描区域确定单元43可以被构造为即使当测量对象7中各部分的高度是相同的，也校正扫描区域。例如，当测量对象7沿X轴方向的长度超过预定长度时，随着激光LA在测量对象7上的照射位置沿X轴的正方向移动，激光LA的移动速度变大，这在某些情况下无法忽略。在该情况下，随着激光在测量对象7上的照射位置沿X轴的正方向移动，扫描区域确定单元43执行沿扫描方向延伸扫描区域的校正。凭借该校正，即使当测量对象7沿X轴方向的长度超过预定长度时，也可以确定适当的扫描区域，使得可以适当地检测图像中的激光位置。(第二实施方式)接着，参照图8说明包括三维扫描仪I的机器人系统的第二实施方式。图8是示出了根据实施方式的机器人系统10的图。在下文中，说明使机器人识别大量堆放的工件并且使用识别出的工件执行作业的机器人系统10。在图8中，螺钉被示为工件的示例，但是，工件不限于螺钉，并且可以是如螺栓和螺母的任何部件。如图8所示，机器人系统10包括三维扫描仪I、机器人控制装置11和机器人12。三维扫描仪I与第一实施方式中说明的类似，并且垂直设置在堆叠的工件上方，并且测量工件的三维形状。机器人控制装置11连接至三维扫描仪I和机器人12，并且从三维扫描仪I获得关于大量堆放的工件的形状信息53 (参见图2)。然后，机器人控制装置11从大量堆放的工件中确定作为作业对象的工件的位置和方向，并且向机器人12输出确定结果。机器人12在具有七轴的关节的机器人臂的末端包括抓握工件的机器人手。例如，机器人12执行以下作业通过基于从机器人控制装置11输入的作为作业对象的工件的位置和方向驱动机器人臂和机器人手，来抓握工件，并且将工件附接到预定部件。在机器人系统10中，以与第一实施方式类似的方式,基于三维扫描仪I在作为扫描对象的图像之前拍摄的工件的图像，将作为扫描对象的图像中的扫描区域适当地确定得窄，并且通过扫描所确定的扫描区域的像素，来测量工件的三维形状。因此，机器人控制装置11可以根据三维扫描仪I通过高速化的形状测量处理而测量的工件的三维形状，迅速检测作为作业对象的工件的位置和方向，并且将其输出到机器人12。
因此，根据机器人系统10，通过缩短在三维扫描仪I开始工件的形状测量之后直到机器人12抓握工件为止的处理时间，可以缩短机器人12的作业时间，这能够提高工作效率。而且，在机器人系统10中，从机器人控制装置11向机器人12输出的表示作为作业对象的工件的位置的位置信息可以输出给三维扫描仪1，并且可以基于该位置信息改变三维扫描仪I的测量处理的内容。S卩，当机器人12从堆叠的工件中拾取特定工件时，在拾取工件的区域中，堆叠工件的形状改变，但是，在未拾取工件的区域中，在某些情况下堆叠工件的形状不改变。在该情况下，例如，三维扫描仪I针对机器人12拾取了作为作业对象的工件的区域，以与第一实施方式类似的方式确定扫描区域，并且针对除了拾取工件的区域之外的其他区域，将在拾取工件之前拍摄的图像中激光位置周围的预定区域确定为扫描区域。
因此，在机器人系统10中，通过进一步减少要由三维扫描仪I的位置检测单元42扫描的像素数量，可以进一步缩短用于测量三维形状的处理时间，使得可以进一步提高机器人12的工作效率。在第二实施方式中，分开设置三维扫描仪I和机器人12，但是，三维扫描仪I可以一体地设置在机器人12的机器人臂的末端上。凭借该构造，每当机器人12完成工件附接作业时，机器人控制装置11将三维扫描仪I移动到通过驱动机器人臂可以测量作为作业对象的工件的形状的位置。凭借该构造，可以节省机器人系统10的设置空间。而且，在上述第一实施方式和第二实施方式中，说明了由扫描区域确定单元43限制读出图像信息51的光电检测器的情况，但是，可以由扫描区域确定单元43来限制作为激光位置的检测对象的图像信息51。凭借该构造，图像信息获得单元41从摄像单元3中所包括的所有光电检测器读出图像信息51，并且将其存储在存储单元5中。而且，扫描区域确定单元43确定图1B、图1C、图4A、图4B和图4C中所示的扫描区域，并且将其输出给位置检测单元42。接着，位置检测单元42从存储单元5读出与从扫描区域确定单元43输入的扫描区域相对应的图像信息51，并且选择性地扫描与扫描区域相对应的部分的图像，以检测作为扫描对象的图像中的激光位置。由此，通过由扫描区域确定单元43限制作为激光位置的检测对象的图像信息51，可以缩短激光位置的检测处理所需要的处理时间，使得可以加快三维形状的测量处理。而且，在上述第一实施方式和第二实施方式中，说明了照射单元2在改变相对于测量对象7、71和72的照射位置的同时发出激光LA的情况，但是，激光LA可以在不改变照射位置的情况下在测量对象7、71和72上移动。在该情况下，例如，通过沿与XY面平行的方向移动激光装置21的同时，向测量对象7、71和72发出激光LA，激光LA可以在不改变照射位置的情况下在测量对象7、71和72上移动。而且,在上述第一实施方式和第二实施方式中，基于作为扫描对象的图像之前拍摄的图像，确定作为扫描对象的图像中的扫描区域，但是，不是必须基于作为扫描对象的图像之前拍摄的图像来确定扫描区域。
例如，当测量对象7、71和72是已知对象时，可以基于对象的类型来粗略预测测量对象7、71和72的图像中的激光位置。因此，在该情况下，基于上述粗略预测的激光位置预先确定的各个测量对象7、71和72的扫描区域(参见图1B、图1C、图4A、图4B和图4C中所示的扫描区域)，针对图像中的每行存储在存储单元5中。接着，当由扫描区域确定单元43限制读出图像信息51的光电检测器时，图像信息获得单元41从与存储单元5中所存储的扫描区域相对应的光电检测器选择性地读出图像信息51，并且图像信息获得单元41根据图像信息51针对图像的各行检测激光位置。而且，当由扫描区域确定单元43限制要作为激光位置的检测对象的图像信息51时，位置检测单元42通过基于与存储单元5中所存储的扫描区域相对应的图像信息51，选择性扫描与扫描区域相对应的部分的图像，来检测作为扫描对象的图像中的激光位置。凭借该构造，三维扫描仪可以在不执行扫描区域的确定处理的情况下，检测图像中的激光位置。而且，三维扫描仪可以针对图像的各行检测激光位置。
因此，根据三维扫描仪，通过针对图像的各行执行精细扫描，可以提高图像中激光位置的检测精确度，使得三维形状的测量处理所需要的时间缩短了扫描区域的被省略了的确定处理的时间。
权利要求
1.一种三维扫描仪，该三维扫描仪包括 照射単元，该照射単元在相对于测量对象改变照射位置的同时，发出隙状的光束； 摄像单元，该摄像单元顺序地拍摄所述光束所照射的所述测量对象的图像； 位置检测单元，该位置检测单元通过扫描所述摄像单元拍摄的图像，来检测所述图像中所述光束的位置；以及 扫描区域确定单元，该扫描区域确定单元基于在作为扫描对象的图像之前所述摄像单元拍摄的图像中的所述光束的位置，确定所述位置检测单元在所述作为扫描对象的图像中的扫描区域。
2.根据权利要求I所述的三维扫描仪，其中，当所述位置检测单元在沿与扫描方向正交的方向顺序地移动沿所述扫描方向的各扫描中的扫描开始位置的同时扫描所述图像吋，所述扫描区域确定单元确定沿所述扫描方向的各扫描的所述扫描区域，其中，所述扫描方向是通过改变所述照射位置而使所述光束在所述图像上移动的方向。
3.根据权利要求2所述的三维扫描仪，其中，所述扫描区域确定单元将所述摄像单元上次拍摄的图像中所述光束的位置确定为所述作为扫描对象的图像中的扫描开始位置，并且将沿所述扫描方向与所述作为扫描对象的图像中的所述扫描开始位置分开预定距离的位置确定为扫描结束位置。
4.根据权利要求3所述的三维扫描仪，其中，所述扫描区域确定单元基于所述摄像单元上次拍摄的图像中所述光束的位置和所述摄像単元在紧接上次之前拍摄的图像中所述光束的位置之间的距离，确定所述预定距离。
5.根据权利要求3所述的三维扫描仪，其中，当所述测量对象的所述图像中表示法线方向的距离的高度朝所述扫描方向增大时，所述扫描区域确定单元将所述预定距离确定得比所述高度不变的情况短，并且当所述高度朝所述扫描方向减小时，所述扫描区域确定单元将所述预定距离确定得比所述高度不变的情况长。
6.—种三维扫描仪,该三维扫描仪包括 照射単元，该照射単元在相对于测量对象改变照射位置的同时，发出隙状的光束；摄像单元，该摄像単元包括设置在接收来自所述测量对象的光的受光面上的多个光电检测器； 位置检测单元，该位置检测单元通过扫描所述摄像单元拍摄的图像，检测所述图像中所述光束的位置；以及 扫描区域确定单元，当所述位置检测单元在沿与扫描方向正交的方向顺序移动沿所述扫描方向的各扫描中的扫描开始位置的同时扫描所述图像时，该扫描区域确定单元确定沿所述扫描方向的各扫描的所述扫描区域，其中，所述扫描方向是与通过改变所述照射位置而使所述光束在所述图像上移动的方向相对应的方向。
7.—种机器人系统,该机器人系统包括 三维扫描仪，该三维扫描仪包括 照射単元，该照射単元在相对于エ件改变照射位置的同时，发出隙状的光束； 摄像单元，该摄像单元顺序地拍摄所述光束所照射的所述エ件的图像； 位置检测单元，该位置检测单元通过扫描所述摄像单元拍摄的图像，检测所述图像中所述光束的位置；以及扫描区域确定单元，所述扫描区域确定单元基于在作为扫描对象的图像之前所述摄像单元拍摄的图像中所述光束的位置，确定所述位置检测单元在所述作为扫描对象的图像中的扫描区域； 机器人控制装置，该机器人控制装置从所述三维扫描仪获得关于所述エ件的三维形状的信息，并且将所述信息和针对该エ件的作业命令输出给机器人；以及 机器人，该机器人基于从所述机器人控制装置输入的所述信息和所述作业命令，来识别作为作业对象的所述エ件并且执行作业。
全文摘要
本发明涉及三维扫描仪和机器人系统。根据实施方式的一个方面的三维扫描仪包括照射单元、摄像单元、位置检测单元和扫描区域确定单元。照射单元在相对于测量对象改变照射位置的同时，发出隙状光束。摄像单元顺序地拍摄所述光束所照射的所述测量对象的图像。所述位置检测单元通过扫描所述图像，来检测所述摄像单元拍摄的图像中所述光束的位置。所述扫描区域确定单元基于在作为扫描对象的图像之前所述摄像单元拍摄的图像中所述光束的位置，确定所述位置检测单元在作为扫描对象的图像中的扫描区域。
文档编号G01B11/00GK102735166SQ201210109519
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月13日 优先权日2011年4月14日
发明者一丸勇二 申请人:株式会社安川电机