专利名称：三维形状测量方法及其测量设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量三维形状的方法和设备，更具体地说涉及用于通过使安装在机器人上的三维测量单元跟踪工件表面来测量出工件的表面形状而测量三维形状的方法和设备。
背景技术：
三维测量单元可以通过跟踪工件表面来测量工件的位置和形状。迄今为止，要测量工件的人一般携带着三维测量单元并且用三维测量单元来跟踪工件的表面，或者将三维测量单元安装在用于测量的专门门柱形坐标测量装置上。如果人们直接握住该三维测量单元进行测量，则在需要长时间测量工件时人们的负担很大。另外，门柱形坐标测量装置结构复杂并且昂贵。
鉴于上面的情况，近来已经试图将三维测量单元安装在机器人的手臂上并且操作该三维测量单元来测量工件的表面形状。
已经提出一种用于采用位置测量单元识别出在外部空间或工件中设定的参考点并且采用激光扫描器来测量所识别出的测量区域的形状(参见例如日本特许公开专利文献No.2003-505682(WO01/007866))。
如果使用机器人来测量工件的表面形状，则必须训练机器人以进行测量操作并且建立参考示教点。尽管建立示教点是一项简单的事情，但是它需要相当多的时间，因为所涉及的示教点数量很多。具体地说，在所要测量的工件以各种类型提供时，操作人员必须针对每个工件类型重新训练机器人，因此对于操作人员而言负担较重。
发明内容
本发明的目的在于提供用于测量三维形状的方法和设备，它能够在短时间内简单地训练操作的机器人以便使得安装在机器人上的三维测量单元跟踪工件表面以测量出工件的表面形状。
根据本发明，提供一种通过使安装在机器人上的三维测量单元移动以跟踪工件表面来测量工件的三维表面形状的方法，该方法包括第一步，设定并且记录表示测量操作的数据块以使得三维测量单元跟踪预定的区域；第二步，设定工件的长度和/或高度；第三步，从多个基本形状类型中选择出与工件形状类似的一个基本形状；第四步，根据所选的基本形状类型和工件的长度和/或高度复制该数据块，从而使代表该数据块的假定块覆盖了投影到假定空间上工件表面的所要测量的区域；以及第五步，根据复制的数据块测量工件的表面形状。
通过这样根据复制的数据块测量工件的表面形状，从而可以在短时间内训练机器人进行简单操作。
该三维测量单元可以包括用于测量到工件的距离的位移计，并且机器人可以根据由位移计测量出的距离进行操作以使三维测量单元朝着或远离工件运动，从而在进行测量操作的同时使三维测量单元保持在离工件可测量的范围内。
如果数据块包括表示用于在以检测宽度间隔开的冲程中使三维测量单元往复运动的运动图案的数据，则可以有效地生成数据块，并且可以有效地测量出工件的表面形状。
在第四步中，可以使数据块变形并且复制以使得该方法可以相对于各种各样的工件而言具有高度灵活性。
在第五步中，在根据预定数据块测量出表面形状之后并且在根据下一个数据块测量表面形状时，机器人的底座可以按照与下一个数据块位置对准的方式运动，以便使得该数据块能够在无需改变参数的情况下被复制。因此，很容易进行复制数据块的过程。
如果底座设置在可动滑架上而可与可动滑架一起运动，则底座可以精确并且容易地运动。
根据本发明，还提出一种通过使安装在机器人上的三维测量单元运动以跟踪工件表面从而测量工件的三维表面形状的方法，该方法包括以下步骤设定用于使三维测量单元运动预定距离的基本路径；并且按照预定的间隔多次复制基本路径，从而设定表示测量操作的数据块，以便使得三维测量单元跟踪工件表面。
由于可以通过复制一个基本路径来设定数据块，所以容易进行设定数据块的过程。
根据本发明，还提供了一种用于通过使安装在机器人上的三维测量单元运动以跟踪工件表面从而测量工件的三维表面形状的设备，该设备包括一数据块设定记录器，用于设定和记录表示测量操作的数据块以使得三维测量单元跟踪预定区域；一数据输入单元，用于设定工件的长度和/或高度；一基本形状选择器，用于从多个基本形状类型中选择出与工件形状类似的一个基本形状；一数据块复制器，用于根据所选的基本形状类型和工件的长度和/或高度复制该数据块，从而使代表该数据块的假定块覆盖了投影到假定空间上工件表面的所要测量的区域；以及一测量执行单元，用于根据复制的数据块测量工件的表面形状。
通过这样根据复制的数据块来测量工件的表面形状，从而可以在短时间内训练机器人简单操作。
图1为根据本发明一实施方案的三维形状测量设备的示意性透视图；图2为具有激光扫描器的关节型机器人和用来在其上安放该关节型机器人的可动滑架的透视图；图3为一示意性透视图，显示出采用激光扫描器和激光位移计测量工件的表面形状的方式；图4为根据本发明该实施方案的三维形状测量设备的示意性方框图；
图5为计算机的内部处理系统的示意性方框图；图6为根据本发明一实施方案的三维形状测量方法的顺序的流程图；图7为设定和记录数据块的过程顺序的流程图；图8为一示意图，显示出数据块；图9为根据工件形状垂直复制数据块的过程顺序的流程图；图10为一示意图，显示出由两个小块构成的大块；图11为在工件为旅行车的情况下根据工件形状垂直复制数据块的过程顺序的流程图；图12为在工件为轿车的情况下根据工件形状垂直复制数据块的过程顺序的流程图；图13为根据工件形状垂直复制数据块的过程顺序的流程图；图14为一示意图，显示出在工件为旅行车的情况下水平复制数据块的方式；图15为一示意图，显示出在工件为轿车的情况下水平复制数据块的方式；并且图16为一实施例的示意性透视图，其中三维形状测量设备设置在具有格栅状运动路径图案的基座上。
具体实施例方式
下面将参照这些附图的图1至16对根据本发明一实施方案的用于测量三维形状的方法和设备进行说明。
如图1所示，其上应用了根据当前实施方案的三维形状测量方法的三维形状测量设备10为用于测量其形状如车辆一样的工件W的三维形状的系统。该三维形状测量设备10具有一关节型机器人14，它具有作为末端执行器的用于测量工件W的表面形状的激光扫描器(三维测量单元)12；用于检测激光扫描器12的位置的位置检测装置16以及用于处理从关节型机器人14和位置检测装置16提供的数据的数据处理器18。关节型机器人14设置在一可动滑架22上，它在其中容纳有用于控制该关节型机器人14的控制器19。该工件W为一泥塑模型，其形状还没有被转变成数据，并且例如还没有被控制器19识别。
该关节型机器人14具有七轴关节和姿态冗余度。具体地说，该关节型机器人14在保持激光扫描器12的位置和姿态的同时可以采取各种姿态(理论上，无穷多的姿态)。用于测量到工件W的距离的激光位移计20(参见图3)通过支撑件20a安装在关节型机器人14的远端36上。
关节型机器人14根据示教数据使激光扫描器12如由箭头21所示一样沿着工件W的表面运动。这时，该关节型机器人14通过参考激光位移计20的数据使激光扫描器12运动以使激光扫描器12保持在与工件W的表面间隔预定的距离L±ε处。
其上安放着该关节型机器人14的可动滑架22是自推进式的，以沿着与工件W的推进轴轴线24平行地延伸的导轨26运动。由于该关节型机器人14是可动的，在已经测量了该工件W的某个区域之后，使该关节型机器人14运动以测量工件W的下一个区域。
如图2所示，该关节型机器人14具有一底座30以及接连安装在底座30上的第一臂32和第二臂34。激光扫描器12安装在第二臂34的远端36上。第一臂32通过轴J1、J2与底座30连接，以便进行水平和垂直角运动。第一臂32可以绕着设置在其中的轴J3扭转。
第二臂34通过轴J4可角运动地连接在第一臂32上。第二臂34可以绕着设置在其中的轴J5扭转。
远端36通过轴J6可角运动地连接在第二臂34上，并且可以绕着设置在其中的轴J7扭转。
由于该关节型机器人14具有七轴关节，所以该关节型机器人14具有如上所述的姿态冗余度，以便可以与人手臂一样自由运动。
关节型机器人14的所有轴J1至J7不必都是可角运动的。而是，该关节型机器人14可以具有伸展和收缩、平行关联运动等的可动单元，只要它构成姿态冗余度。关节的数量可以为八个或更多。
如图3所示，激光扫描器12具有分别设置在三个凸出部上的红外LED(发光二极管)40。位置检测装置16(参见图1)用三个检测器42检测从红外LED40发出的红外辐射并且精确地检测出激光扫描器12在三维空间中的位置，每个检测器包括有一维CCD(电荷耦合器件)。该位置检测装置16可以具有两个或多个二维CCD作为检测器42。
具体地说，位置检测装置16用检测器42检测出来自三个红外LED40的相应能量并且从检测器42中识别出红外LED40的方向，由此确定出激光扫描器12的空间位置和姿态。位置检测装置16实时地进行该过程。
激光扫描器12可以通过从激光束发射器50施加激光束同时沿着由箭头B所示的方向扫描该区域来测量出工件W在具有检测宽度D的区域中的表面形状。激光扫描器12具有一可测量范围。从工件W的表面到激光束发射器50的距离需要设定在L±ε的范围中，并且由激光位移计20测量出。由激光位移计20测量出的数据被提供给控制器19并且由它处理，该控制器控制着关节型机器人14的姿态，以使激光扫描器12保持在适当的位置中。
如图4所示，该控制器19具有用于通过伺服驱动器52使关节型机器人14运动的运动控制面板54、输入/输出接口56和计算机58。计算机58与运动控制面板54和输入/输出接口56连接，并且控制着整个控制器19。计算机58包括用作通过加载来自预定程序记录媒介的程序来进行操作的主处理单元的CPU和作为预定程序记录媒介的ROM、RAM等。
可动滑架22具有两个作为安全单元的用于监测其周围的区域传感器61a、61b。控制器19和作为与区域传感器61a、61b的接口的区域传感器接口60连接，并且能够检测是否存在障碍物。控制器19也能够通过放大器62操作推进轴电动机64，以便自推进可动滑架22。控制器19与用于设定用作基本示导数据的数据块120(参见图8)的示教盒(数据输入单元)66连接，并且还与操作盒68连接。控制器19、示教盒66以及操作盒58可以相互进行数据通信。示教盒66具有作为显示部件的监视屏66a。
如果可动滑架22具有不间断电源，并且通过该不间断电源给控制器19等供电，这就提高了操作可靠性。
如图5所示，计算机58具有一数据块设定记录器100，用于设定代表用来使激光扫描器12跟踪预定区域的测量操作的数据块120(参见图8)并且记录该设定的数据块120；一基本形状选择器102，用于选择出与工件W的形状类似的其中一个基本形状类型；一数据块复制器104，用于根据所选的基本形状类型以及工件W的长度U(参见图14)和高度h如此复制数据块120，即，使代表该数据块120的假定块覆盖了投影到假定空间上的工件W表面的所要测量区域；以及一测量执行单元106，用于根据复制的数据块120操作关节型机器人14和推进轴电动机64。测量执行单元106具有用于操作关节型机器人14的机器人姿态计算单元106a和用于操作推进轴电动机64的滑架位置计算单元106b。
计算机58具有用于根据从操作盒68等提供的开关信号手动操作或紧急停止关节型机器人14和推进轴电动机64的外部信号监视单元110。
工件W的长度U(参见图14)和高度h采用示教盒66输入并且存储在参数记录单元108中。存储在参数记录单元108中的数据和由数据块设定记录器100设定的数据块120可以显示在监视屏66a上。
图5以简化的方框图形式示意性地显示出在计算机58的内部处理系统和外设之间的关系，为了更好地理解，在图中省略了输入/输出接口56(参见图4)。
接着，在下面将参照图6对采用这样布置的三维形状测量设备10通过使得安装在关节型机器人14上的激光扫描器12跟踪工件W的表面来测量工件W的表面形状的方法进行说明。根据在图6中所示的顺序，操作人员采用示教盒66(参见图4)进行输入过程并且采用监视屏66a进行确认过程，而其它过程基本上通过计算机58的编程操作来进行。在下面的说明中，推进轴轴线方向被当作Y方向(参见图14)，工件W的垂直方向为Z方向(参见图14)，并且与Y和Z方向垂直的方向(与图14的纸面垂直的方向)为X方向。
在作为准备过程的步骤S1中，数据块设定记录器100(参见图5)主要操作用来设定并且记录数据块120(参见图8)。通常，一旦执行了步骤S1，随后可以将它删除。
然后，数据块复制器104主要操作用来根据工件W的基本形状类型来复制数据块120。
具体地说，在步骤S2中，根据工件W的形状沿着作为垂直方向的Z方向复制数据块120。
然后，在步骤S3中，根据工件W的形状沿着作为水平方向的Y方向复制数据块120。
对于具有类似形状的工件W而言可以省去步骤S2、S3的处理。步骤S2、S3的处理基本上通过计算机58的编程操作来进行，以如此复制该数据块120，即，该工件W被在假定空间中的数据块120覆盖。为了让操作人员能够方便地判断出该处理是否正确地进行，工件W和在假定空间中的数据块120在处理期间可以按照图案的形式显示在监视屏66a上。
在步骤S4中，测量执行单元106主要操作关节型机器人14和推进轴电动机64，以测量出工件W的三维形状。
下面将参照图7和8对步骤S1的处理、即用于设定和记录数据块120的过程进行说明。
激光扫描器12的工具坐标系将表示为Pa(X、Y、Z、φ、θ、ψ)或Qa(X、Y、Z、φ、θ、ψ)。参数X、Y、Z分别表示沿着X、Y和Z方向的绝对值，并且参数φ、θ、ψ表示沿着滚动、纵摇和偏摇方向的姿态值。后缀“a”代表表示操作顺序、教导顺序等的自然数。为了方便起见，Pa(X、Y、Z、φ、θ、ψ)也被称为Pa，并且Qa(X、Y、Z、φ、θ、ψ)被称为Qa。
如图8所示，数据块120包括由基本路径122和复制路径124构成的数据，所述基本路径通过使激光扫描器12(参见图3)沿着一个方向运动一定距离而设定，所述复制路径124通过沿着与之垂直的方向n次复制基本路径122而产生，n的数量是输入并且设定的。数据块120代表用于使激光扫描器12跟踪工件W的测量操作。基本路径122和复制路径124与箭头21对应(参见图1)。
例如，在通过复制基本路径122五次(n＝5)而设定复制路径124时产生出在图8中所示的数据块120。在基本路径122和复制路径124之间的间隔p(参见图10)为输入并且被设定的数值，并且设定为与激光扫描器12的检测宽度D(参见图3)相同的数值。数字n和间隔p采用示教盒66输入。
数据块120由激光扫描器12在基本路径122和复制路径124的起始和结束点处的工具坐标P1、P2、…Pe(参见图10)表示。后缀“e”为表示最终位置的数字，并且表示为e＝2(n-1)+4。例如，在n＝5时，e＝12。
在图7中所示的步骤S101中，为了生成用作数据块120基础的基本路径122沿着Z方向的数据，采用示教盒66操作关节型机器人14，以使激光扫描器12沿着Z方向运动适当的距离，并且记录下其行进路径。
在步骤S102中，将激光扫描器12在所记录的行进路径的起始和结束点处的姿态记录为P1(X1、Y1、Z1、φ1、θ1、ψ1)和P2(X2、Y2、Z2、φ2、θ2、ψ2)。
在步骤S103中，使用示教盒66输入数字n和间隔p。
在步骤S104中，将计数i初始化为“1”。
在步骤S105中，将计数i和数字n相互比较。如果i＞n，则由于已经确定了表示数据块120的所有工具坐标P1、P2、…Pe，所以该处理顺序完成，并且控制转到步骤S2(参见图6)。如果i≤n，则控制转到下一个步骤S106。
在步骤S106中，确认计数i是表示一奇数或是一偶数。如果计数i表示一奇数，则控制转到步骤S107。如果计数i表示一偶数，则控制转到步骤S109。
在步骤S107中(在i表示一奇数的情况下)，计算出表示第i条复制路径124的起始点的Pα。后缀“α”表示为α＝2(i-1)+3。由于Pα表示为通过使P2沿着Y方向运动一距离(i×p)所生成的数据，它被计算为Pα(X2，Y2+(i×p)，Z2，φ2，θ2，ψ2)。记录下所确定的Pα。
在步骤S108中，计算出代表第i条复制路径124的结束点的Pβ。后缀“β”表示为β＝α+1＝2(i-1)+4。由于Pβ表示为通过使P1沿着Y方向运动一距离(i×p)所产生出的数据，它被计算为Pβ(X1，Y1+(ixp)，Z1，φ1，θ1，ψ1)。记录下所确定的Pβ。
在步骤S109中(在i表示一偶数的情况下)，计算出表示第i条复制路径124的起始点的Pα。由于Pα表示为通过使P1沿着Y方向运动一距离(i×p)所生成的数据，它被计算为Pα(X1，Y1+(ixp)，Z1，φ1，θ1，ψ1)。记录下所确定的Pα。
在步骤S110中，计算出代表第i条复制路径124的结束点的Pβ。由于Pβ表示为通过使P2沿着Y方向运动一距离(i×p)所生成的数据，它被计算为Pβ(X2，Y2+(ixp)，Z2，φ2，θ2，ψ2)。记录下所确定的Pβ。
在步骤S108或S110之后，在步骤S111中通过“+1”将计数i更新。然后，控制回到步骤S105。
这样，可以在正在更新计数i的同时计算出表示数据块120的工具坐标P1、P2、…Pe。通过数据块设定记录器100来记录所计算出的数据块120。
数据块120表示在使激光扫描器12水平移动检测宽度D的同时用于使激光扫描器12往复运动的运动图案。可以有效地生成数据块120，并且可以有效地测量出工件W的表面形状。
可以通过复制一个基本路径122来设定数据块120。因此，很容易进行设定数据块120的过程。
实际上，表示基本路径122的数据可以只是起始点P1和结束点P2，并且可以不必记录表示在这些点之间的直线的路径。如上所述，起始点P1和结束点P2可以由表示激光扫描器12的位置和姿态的六个参数表示，并且不必记录关节型机器人14的轴J1至J7的角度。这对于复制路径124也一样。
下面将参照图9和10对在步骤S1之后执行的步骤S2(参见图6)的处理、即用于垂直(沿着Z方向)复制数据块120的过程进行说明。
在步骤S2中，对于被称为旅行车(或微型厢式车等)的车辆类型向下复制数据块120一次，并且对于被称为轿车(或双门轿车等)的车辆类型向上复制数据块120一次。在下面的说明书中，原始数据块120将被称为小块A，针对旅行车向下复制的数据块120被称为小块B1(参见图10和14)，并且针对轿车向上复制的数据块120被称为小块B2(参见图15)。小块A、B1和B2可看作表示数据块120的假定块。
旅行车形状的特征在于，它没有行李箱，具有较大的高度，并且具有急剧倾斜的后车窗。轿车形状的特征在于，它具有较小的高度和逐渐倾斜的后车窗。通过根据形状不同的车辆类型改变复制数据块120的图案，从而适当地测量出每种形状。
如图10所示，测量出小块A和小块B1、小块A和小块B2及其重叠量r以防止在边界部分中出现未测量的情况。为了覆盖工件W的高度h，复制小块B1、B2以便相对于小块A变形，从而使小块B1、B2沿着Z方向延伸一延伸量d。使用示教盒66输入重叠量r和高度h，并且根据高度h计算出延伸量d。
在步骤S201中，使用示教盒66输入重叠量r和高度h。根据高度h计算出延伸量d，并且对其进行记录。
在步骤S202中，选择工件W的基本形状类型、即车辆类型。所要从中选择的车辆类型记录在基本形状选择器102中(参见图5)，并且从所记录的车辆类型中选择车辆类型。具体地说，可以通过操作示教盒66选择车辆类型。在当前实施方案中，车辆类型为旅行车或轿车。但是，也可以选择例如卡车的车辆类型。
在步骤S203中，确定出在数据块120的P1和P2之间沿着Z方向的距离ΔZ。距离ΔZ可以确定为ΔZ＝Z1-Z2，其中Z1、Z2表示在构成P1、P2的参数之中的Z方向分量的数值。
在步骤S204中，将计数i，j初始化为“1”。
在步骤S205中，根据工件W的车辆类型分开处理。如果工件W为旅行车，则控制转到步骤S206，其中向下复制小块A以产生出小块B1。如果工件W为轿车，则控制转到步骤S207，其中向上复制小块A以产生出小块B2。
下面将参照图11对步骤S206的处理、即在工件W为旅行车的情况下所要进行的处理进行说明。
在步骤S301中，比较计数j和参数e。如上所述，参数e表示为e＝2(n-1)+4。如果j＞e，则由于已经确定了代表小块B1的所有工具坐标Q1、Q2、…Qe，所以该处理程序完成，并且控制转到步骤S3(参见图6)。如果j≤e，则控制转到下一个步骤S302。
在步骤S302中，确认计数i是表示一奇数或是一偶数。如果计数i表示一奇数，则控制转到步骤S303。如果计数i表示一偶数，则控制转到步骤S306。
在步骤S303中(在i表示一奇数的情况下)，则计算出表示构成小块B1的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个起始点的Qj。由于Qj表示为通过使代表构成小块A的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的起始点的Pj沿着-Z方向运动一距离(ΔZ-r)而生成的数据，所以将它计算为Qj(Xj，Yj，Zj-(ΔZ-r)，φj，θj，ψj)。记录下所确定的Qj。通过这样确定Qj，小块A和小块B1相互叠置一重叠量r。
在步骤S304中，通过“+1”来更新计数j。
在步骤S305中，计算出代表构成小块B1的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的结束点的Qj。由于Qj表示为通过使代表构成小块A的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的结束点的Pj沿着-Z方向运动一距离(ΔZ+d)而生成的数据，所以将它计算为Qj(Xj，Yj，Zj-(ΔZ+d)，φj，θj，ψj)。记录下所确定的Qj。通过这样确定Qj，小块B1变形从而向下延伸一延伸量d，并且设定为覆盖工件W的高度h。
在步骤S306中(在i表示一偶数的情况下)，计算出代表构成小块B1的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的结束点的Qj。由于Qj表示为通过使代表构成小块A的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的结束点的Pj沿着-Z方向运动一距离(ΔZ+d)而生成的数据，所以将它计算为Qj(Xj，Yj，Zj-(ΔZ+d)，φj，θj，ψj)。记录下所确定的Qj。
在步骤S307中，通过“+1”将计数j更新。
在步骤S308中，计算出表示构成小块B1的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的起始点的Qj。由于Qj表示为通过使代表构成小块A的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的起始点的Pj沿着-Z方向运动一距离(ΔZ-r)而生成的数据，所以将它计算为Qj(Xj，Yj，Zj-(ΔZ-r)，φj，θj，ψj)。记录下所确定的Qj。
在步骤S305或S308之后，在步骤S309中通过“+1”更新计数i，j。然后，控制返回到步骤S301。
这样，在更新计数i的同时计算出代表小块B1的工具坐标Q1、Q2、…Qe。通过数据块设定记录器100记录下所计算出的小块B1。
由于小块B1通过变形和复制小块A来设定，所以该三维形状测量方法相对于各种各样类型的工件W具有高度灵活性。
下面将参照图12对步骤S207的处理、即在工件W为轿车的情况下进行的处理进行说明。
在步骤S401中，对计数j和参数e进行比较。如上所述，参数表示为e＝2(n-1)+4。如果j＞e，则由于已经确定了表示数据块B2的所有工具坐标Q1、Q2、…Qe，所以该处理程序完成，并且控制转到步骤S3(参见图6)。如果j≤e，则控制转到下一个步骤S402。
在步骤S402中，确认计数i是表示一奇数或是一偶数。如果计数i表示一奇数，则控制转到步骤S403。如果计数i表示一偶数，则控制转到步骤S406。
在步骤S403中(在i表示一奇数的情况下)，则计算出表示构成小块B2的(n+1)基本和复制路径122、124的起始点的Qj。由于Qj表示为通过使代表构成小块A的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的起始点的Pj沿着+Z方向运动一距离(ΔZ-r)而生成的数据，所以将它计算为Qj(Xj，Yj，Zj+(ΔZ-r)，φj，θj，ψj)。暂时记录下所确定的Qj。通过这样确定Qj，小块A和小块B2相互叠置一重叠量r。
轿车具有较大的行李箱和较大的发动机罩，其中小块B2是不必要的，由于可能要进行重写所以暂时记录Qj。还暂时记录在后面所述的步骤S405、S406和S408中以类似方式确定的Qj。
在步骤S404中，通过“+1”来更新计数j。
在步骤S405中，计算出代表构成小块B2的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的结束点的Qj。由于Qj表示为通过使代表构成小块A的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的结束点的Pj沿着+Z方向运动一距离(ΔZ+d)而生成的数据，所以将它计算为Qj(Xj，Yj，Zj+(ΔZ+d)，φj，θj，ψj)。暂时记录下所确定的Qj。
通过这样确定Qj，小块B2变形从而向上延伸一延伸量d，并且被设定为覆盖工件W的高度h。实际上，因为轿车的高度较低，所以可以将延伸量d设定为负值以将小块B2设定为低块。
在步骤S406中(在i表示一偶数的情况下)，计算出代表构成小块B2的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的结束点的Qj。由于Qj表示为通过使代表构成小块A的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的结束点的Pj沿着+Z方向运动一距离(ΔZ+d)而生成的数据，所以将它计算为Qj(Xj，Yj，Zj+(ΔZ+d)，φj，θj，ψj)。暂时记录下所确定的Qj。
在步骤S407中，通过“+1”将计数j更新。
在步骤S408中，计算出表示构成小块B2的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的起始点的Qj。由于Qj表示为通过使代表构成小块A的(n+1)基本和复制路径122、124的第i个的起始点的Pj沿着+Z方向运动一距离(ΔZ-r)而产生出的数据，所以将它计算为Qj(Xj，Yj，Zj+(ΔZ-r)，φj，θj，ψj)。暂时记录下所确定的Qj。
在步骤S405或S408之后，在步骤S409中通过“+1”更新计数i，j。然后，控制回到步骤S401。
这样，在更新计数i的同时计算出代表小块B2的工具坐标Q1、Q2、…Qe。通过数据块设定记录器100暂时记录下所计算出的小块B2。
下面将参照图13至15对在步骤S2之后所要执行的步骤S3(参见图6)的处理、即沿水平方向(沿着Y方向)复制数据块120的过程进行说明。根据步骤S3的处理，如图14所示，在旅行车上沿着Y方向将包括小块A和小块B1的大块C复制m次，并且如图15所示那样，在轿车上沿着Y方向将小块A复制多次，在驾驶室200上面复制暂时记录的小块B2。
在相邻小块A(或大块C)之间的测量间距t设定用来防止在边界中出现未测量的情况。为了覆盖工件W的长度U，设定m个小块A或m个大块C。也就是说，将小块A或大块C复制(m-1)次。
采用示教盒66输入测量间距t和长度U，并且根据长度U计算数m。
当在步骤S4(参见图6)中测量工件W的三维形状时，根据特定的小块A或大块C测量它，之后根据相邻的小块A或大块C测量它。这时，由于推进轴电动机64(参见图4)被供电以使可动滑架22运动，所以当在步骤S3中水平(沿着Z方向)复制数据块120时，同时计算出可动滑架22的适当位置数据bk(参见步骤S511)。
在步骤S501中，使用示教盒66输入测量间距t和长度U。数m根据长度U进行计算和记录。
在步骤S502中，如果工件W为轿车，则输入表示将要在驾驶室200上面复制小块B2的位置的参数ma、mb。这些参数具有与数m对应的数值。小块B2被复制从ma到mb的多次。在图15所示的实施例中，ma＝2并且mb＝3。如果工件W为旅行车，则省去了步骤S502。
在步骤S503中，确定出在数据块120的P1和Pe之间沿着Y方向的距离ΔY。该距离ΔY可以确定为ΔY＝Ye-Y1，其中Y1、Ye表示在构成P1、P2的参数之中的Y方向分量的数值。
在步骤S504中，将计数k初始化为“1”。
在步骤S505中，将计数k和数m进行比较。如果k＞m，则由于复制数据块120的过程结束，所以该处理程序完成，并且控制转到步骤S4(参见图6)。如果k≤m，则控制转到下一个步骤S506。
在步骤S506中，水平(沿着Y方向)复制小块A。具体地说，第k个小块A由Pik(ik＝2k·(2·(n-1)+4)+i)表示，并且根据表示在步骤S1中所生成的小块A的Pi(i＝1至e)，可以复制小块A，并且只是如下改变下标。
Pik(Xi、Yi、Zi、φi、θi、ψi)←Pi(Xi、Yi、Zi、φi、θi、ψi)在根据Pi、Pik进行三维测量时，由于关节型机器人14沿着Y方向运动，所以从关节型机器人14看的坐标可以确切地为相同数值。因此，沿着Y方向的坐标“Yi”为相同数值，因此该复制过程容易进行。
在步骤S507中，根据工件W的车辆类型分开进行处理。如果工件W为旅行车，则控制转到步骤S508。如果工件W为轿车，则控制转到步骤S509。
在步骤S508中，水平(沿着Z方向)复制小块B1。该处理与步骤S506的处理类似。具体地说，如果第k个小块B1由Qik表示，则通过该过程复制小块B1，即Qik(Xi、Yi、Zi、φi、θi、ψi)←Qi(Xi、Yi、Zi、φi、θi、ψi)。之后，控制转到S511。通过在步骤S508和步骤S506中的复制过程来复制大块C。
在步骤S509中，确认此时的计数k的数值。如果mb≥k≥ma，则控制转到步骤S509。如果k＞mb或k＜ma，则控制转到步骤S511。也就是说，只有在处理了驾驶室200时才执行步骤S510。
在步骤S510中，复制暂时记录的小块B2。该处理与步骤S506的处理类似。具体地说，如果第k个小块B2由Qik表示，则通过该过程复制小块B2，即Qik(Xi、Yi、Zi、φi、θi、ψi)←Qi(Xi、Yi、Zi、φi、θi、ψi)。之后，控制转到步骤S511。
在步骤S511中，计算出可动滑架22的位置数据bk。将位置数据bk确定为bk←b0+(k-1)·ΔY+t，其中b0代表表示与第一块A对应的可动滑架22的初始位置。
在步骤S512中，在步骤S506、S508、S510中所确定的块A、B1、B2与在步骤S511中所确定的位置数据bk相关地被记录。
在步骤S513中，通过“+1”更新计数k。然后，控制回到步骤S505。
通过这样递增计数k，复制小块A、B1、B2，并且确定和记录相应的位置数据bk。因此，根据所选工件W的基本形状类型复制作为假定块的小块A、B1、B2，以覆盖投影到假定空间上的工件W的表面的所要测量区域。
将复制小块A、B1、B2设定为覆盖工件W的投影表面的所要测量区域。例如，如果通过已经移动到位于工件W前面的位置处的关节型机器人14来测量工件W的前挡风玻璃，则如从侧面看该前挡风玻璃不会被小块A、B1、B2覆盖。
如果工件W为旅行车，则复制包括小块A和小块B1的大块C。如图14所示，由于设置在前罩上方的小块A的小块Ax1不是必要的，所以操作人员可以通过操作示教盒66来删除小块Ax1。设置在前挡风玻璃上面的小块A的小块Ax2其高度可以稍低。因此，操作人员可以操作示教盒66来用具有稍低高度的重写数据的小块Ax3来替换小块Ax2的数据。另外，设置在前挡泥板上的小块B的小块B1x1其宽度可以稍小。因此，操作人员操作示教盒66以用包含有比小块B1x1的复制路径124更少的复制路径124(参见图8)的小块B1x2代替小块B1x1。
因为通过到这时的处理(步骤S1至S3)已经生成用于关节型机器人14的教导数据，所以控制可以转到S4以操作关节型机器人14和推进轴电动机64，以便测量工件W的三维形状。
具体地说，激光扫描器12设置在由P1至Pe表示的位置中，并且通过激光位移计20测量在激光扫描器12和工件W表面之间的距离。如果该距离没有落入在L±ε的范围内，则激光扫描器12朝着或远离工件W运动，以使该距离落入到L±ε的范围中。之后，根据远端36和激光扫描器12的位置和姿态，激光扫描器12沿着与基本路径122或复制路径124基本上相同的方向运动，并且测量该距离。这时，鉴于激光位移计20的数据，进行适当的校正以确定运动方向，从而使从激光扫描器12到工件W的表面的距离不会落入到L±ε的范围之外。例如，如果在激光扫描器12和工件W之间的距离其数值接近L+ε，则进行校正以使远端36和激光扫描器12沿朝向工件W的方向运动。如果在激光扫描器12和工件W之间的距离其数值接近L-ε，则进行校正以使远端36和激光扫描器12沿着远离工件W的方向运动。
这时可以根据远端36和激光扫描器12的位置和姿态来确定运动方向，并且远端36和激光扫描器12不必回到由基本路径122或复制路径124代表的位置。因此可以在使激光扫描器12与工件W的表面间隔的距离保持在L±ε的范围中的同时连续进行测量。
如果ε的数值足够大，则激光器12可以不朝着或远离工件W运动，而是可以沿着由基本路径122或复制路径124代表的通道运动。
如上所述，在根据当前实施方案的三维形状测量设备10以及采用了该三维形状测量设备10的三维形状测量方法的情况中，在设定数据块120之后，根据工件W的基本形状类型和输入的工件W的尺寸，在需要测量的工件W的给定区域上复制数据块120。因此，实质的教导过程只是生成初始数据块120的过程，从而允许在短时间内训练该关节型机器人进行简单操作。
如果工件W的尺寸与泥塑模型的尺寸基本上相同，则不管该工件W是旅行车或是轿车，作为小块A的数据块120都可以共享，因此可以省去生成数据块120的过程。
如果工件W具有较大形状例如实际的车辆形状，则可以生成与用于泥塑模型的数据块120不同的专用于真实车辆的其它数据块并且由给定记录器记录。
因为只可以产生出一个基本路径122并且可以通过复制该基本路径122生成其它复制路径124，所以可以仅仅生成数据块120。
在上面的说明中，在其上安放着关节型机器人14的可动滑架22在Y方向上沿着导轨26(参见图1)运动。但是，如图16所示，例如可动滑架22可以设置在具有格栅状运动路径图案的基座130上。该基座130具有多个沿着X方向的沟槽(运动路径)130a和多个沿着Y方向的沟槽(运动路径)130b，所述沟槽以给定间隔隔开。该三维形状测量设备10可以在X方向和Y方向上沿着这些沟槽130a、130b运动，从而使得自身相对于各种各样类型的工件具有高度灵活性。
权利要求
1.一种通过使安装在机器人(14)上的三维测量单元(12)运动以跟踪工件(W)的表面来测量工件(W)的三维表面形状的方法，该方法包括第一步，设定并且记录表示测量操作的数据块(120)，以使所述三维测量单元(12)跟踪预定的区域；第二步，设定所述工件(W)的长度(U)和/或高度(h)；第三步，从多个基本形状类型中选择出与所述工件(W)的形状类似的一个基本形状；第四步，根据所选的基本形状类型和所述工件(W)的长度(U)和/或高度(h)复制所述数据块(120)，从而使代表所述数据块(120)的假定块覆盖投影到假定空间上的所述工件(W)表面的所要测量的区域；以及第五步，根据复制的数据块(120)测量所述工件(W)的表面形状。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维测量单元(12)包括用于测量到所述工件(W)的距离的位移计(20)，并且所述机器人(14)根据通过所述位移计(20)测量出的距离进行操作，以使所述三维测量单元(12)朝着或远离所述工件(W)运动，从而在进行测量操作的同时使所述三维测量单元(12)保持在离所述工件(W)可测量的范围内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据块(120)包括表示用于在使所述三维测量单元(12)水平运动一检测宽度(D)的同时使所述三维测量单元(12)往复运动的运动图案的数据。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第四步中，所述数据块(120)变形并且被复制。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第五步中，在根据预定数据块(120)测量出所述表面形状之后并且在根据下一个数据块(120)测量所述表面形状时，所述机器人(14)的底座(30)可以按照与下一个数据块(120)以位置对准的方式运动。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述底座(30)设置在可动滑架(22)上，并且所述底座(30)在所述可动滑架(22)运动时运动。
7.一种通过使安装在机器人(14)上的三维测量单元(12)运动以跟踪工件(W)表面从而测量工件(W)的三维表面形状的方法，该方法包括以下步骤设定用于使所述三维测量单元(12)运动预定距离的基本路径；并且按照预定的间隔复制所述基本路径多次，从而设定表示测量操作的数据块(120)，以便使三维测量单元(12)跟踪所述工件(W)的表面形状。
8.一种用于通过使安装在机器人(14)上的三维测量单元(12)运动以跟踪工件(W)表面从而测量工件(W)的三维表面形状的设备，该设备包括一数据块设定记录器(100)，用于设定和记录表示导致所述三维测量单元(12)跟踪预定区域的测量操作的数据块(120)；一数据输入单元(66)，用于设定所述工件(W)的长度(U)和/或高度(h)；一基本形状选择器(102)，用于从多个基本形状类型中选择出与所述工件(W)的形状类似的一个基本形状；一数据块复制器(104)，用于根据所选的基本形状类型和所述工件(W)的长度(U)和/或高度(h)复制所述数据块(120)，从而使代表所述数据块(120)的假定块覆盖投影到假定空间上所述工件(W)表面的所要测量的区域；以及一测量执行单元(106)，用于根据复制的数据块(120)测量所述工件的表面形状。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述三维测量单元(12)包括用于测量到所述工件(W)的距离的位移计(20)，并且所述机器人(14)根据由所述位移计(20)测量出的距离进行操作，以使所述三维测量单元(12)朝着或远离所述工件(W)运动，从而在进行测量操作的同时使所述三维测量单元(12)保持在离所述工件(W)可测量的范围内。
10.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述数据块(120)包括表示用于在使所述三维测量单元(12)水平运动一检测宽度(D)的同时使所述三维测量单元(12)往复运动的运动图案的数据。
11.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述数据块复制器在使所述数据块(120)变形的同时复制所述数据块(120)。
12.如权利要求8所述的设备，其特征在于，在所述测量执行单元根据预定数据块(120)测量所述表面形状之后，并且在所述测量执行单元根据下一个数据块(120)测量所述表面形状时，所述机器人(14)的底座(30)可以按照与下一个数据块(120)位置以对准的方式运动。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述底座(30)设置在可动滑架(22)上，并且所述底座(30)在所述可动滑架(22)运动时运动。
全文摘要
三维形状测量方法及其测量设备，它能够在使安装在机器人上的三维测量装置沿着工件表面运动时很容易在短时间内示教并且设定机器人的操作，由此测量出工件的形状。本发明其特征在于设定和记录(步骤S1)代表使三维测量装置、即激光扫描器沿着工件表面运动的测量操作的数据块；在输入工件的尺寸和基本形状类型之后纵向复制(步骤S2)并且横向复制(步骤S3)数据块；并且根据所复制的数据块测量(步骤S4)工件的形状。
文档编号G01B21/20GK1816729SQ200480018738
公开日2006年8月9日 申请日期2004年6月24日 优先权日2003年6月30日
发明者金安健策, 长谷川荣作, 近藤俊之 申请人:本田技研工业株式会社