形状测定装置 【技术领域】
本发明涉及具有用于边沿导轨移动边在该导轨上的多个测定位置测定被测定物形状的测定头的形状测定装置，尤其涉及适于测定脚形的形状测定装置。
背景技术
以往，将点光或狭缝光等光线照射到被测定物，从在被测定物表面被观察的光像位置来使该3维形状复元的有源立体型形状测定装置已为人知。作为这种形状测定装置，有一种装置为测定被测定物的形状，由旋转反光镜来使点光或狭缝光扫描。在「计测与控制」杂志(1999Vol.38 No.4 P285-P288)中，记载了一种利用这种形状测定装置来测定脚形的系统。
在上述脚形测定系统中，在1个形状测定装置中，只能测定从该装置来观察的部分的形状，不能测定其相反侧等隐蔽部分的形状。因此，需要在脚的周围配置12个形状测定装置，在计算机上对基于这12个形状测定装置的测定结果进行合成，由此来测定脚的整体形状。
然而，由于在该系统中，在脚的周围配置多个形状测定装置，因而存在着不仅系统规模庞大，价格上扬，而且难以精度良好地合成基于多个形状测定装置的测定结果的问题。
与此相对，一种测定者手持测定头，使测定头在被测定物周围移动，来进行测定，由此来测定被测定物整体形状的形状测定装置被提出。在该形状测定装置中，通过2台摄像机来从上方对设于测定头上的多个点标进行摄像，由此来测定测定头的位置及方向。
此外在测定人脚形状的场合下，考虑了一种设置具有环绕人脚的大小的长圆型(使对置的2个半圆沿长度方向伸长的2边相连的形状)导轨，使测定头沿着该导轨移动的方法。
将用于使测定头移动的导轨如上所述做成圆形及长圆形环路形状后，可测定形状的被测定物地大小便由导轨的大小限定。即，存在着即使在被测定物稍微大于包含导轨及测定头的移动点标的可测定范围的场合下，也不能进行形状测定的问题。尤其在测定脚形的场合下，由于脚的大小因人而异，以及欧美人的脚比日本人大之类的因人种而异，因而有时脚不能插入环路形状的导轨内。
本发明鉴于上述课题，其目的在于提供一种可使可测定的被测定物的大小具有自由度的形状测定装置。另一目的在于提供比如在测定人脚的场合下，尽管有基于大人和孩子、性别、人种等的脚的大小差异，仍可测定脚的形状的形状测定装置。
【发明内容】
基于本发明的形状测定装置的特征在于，在具有用于边沿导轨移动边在该导轨上的多个测定位置测定被测定物形状的测定头的形状测定装置中，其导轨为U字状，测定头进行用于边沿导轨移动，边从导轨上的多个测定位置测定配置于U字状导轨内侧的被测定物形状的计测。
在被测定物是人的脚的场合下，脚的配置方向被决定为从U字状导轨弯曲部的内侧向开放部的方向成为脚的长度方向。在该场合下，测定头进行用于边沿U字状导轨移动，边在导轨上的多个测定位置测定配置于U字状导轨内侧的脚的形状的计测。
在被测定物是人的脚的场合下，作为测定头，采用具备用于对配置于U字状导轨内的脚照射光线的光源；对由光源照射到脚上的光线进行摄像的摄像机的装置。因此，在导轨上的多个测定位置，通过算出由摄像机摄影的光线的坐标，来测定配置于U字状导轨内的脚的形状。
【附图说明】
图1是表示本发明实施方式中形状测定装置构成的概略构成图。
图2是表示测定头的平面图。
图3是表示测定头的构成的部分切口平面图。
图4是说明测定原理的说明图。
图5是说明利用测定头来进行测定点的位置测定的方法的说明图。
图6是表示作为被测定物的脚、导轨、测定头的位置关系的概略平面图。
图7是表示基于控制装置的测定头的控制处理顺序的流程图。
图8是表示测定头的变位的模式图。
图9是表示导轨的变形例的平面图。
【具体实施方式】
以下，对本发明的实施方式作以说明。
〔1〕形状测定装置的说明
图1表示本发明一种实施方式中的形状测定装置的概略构成。
在测定台201中，固定有U字状导轨204，在由该导轨204围绕的区域内，承载作为被测定物的脚100。
在台201上，安装有可相对台201装、卸的支柱202，在其上部，安装有水平杆203。
形状测定装置具备由测定者在导轨204上移动的测定头10；安装于水平杆203的两端部的立体摄像机21、22；由进行这些控制及各种运算等的个人计算机组成的控制装置30。在各立体摄像机21、22的摄像透镜上，安装有使图2所示6个点标14所发出的光的频带有选择地透过的带通滤光器23。
图2、图3表示测定头10的概略构成。
测定头10具备前面开口的矩形壳体；被收容于壳体内的2台CCD摄像机12a、12b以及使激光上下扫描，形成狭缝光来构成的狭缝光源13。此外测定头10具备用于沿着导轨204来顺时钟或反时钟移动的驱动机构(未图示)。
在测定头10的壳体上面，设有由6个LED光源14a～14f组成的点标14。
构成点标14的6个LED光源为特定测定头10的方向，不是点对称地配置，而是相对测定头10的中心线来线对称地配置。这里，在壳体的上面，5个点的LED光源14b、14c、14d、14e、14f配置为长方形，在其重心位置配置1个LED光源14a。
为测定3维空间下测定头10的位置及方向，作为点标14，至少需要3个LED光源便足够，但通过采用4个以上的LED光源，可以使测定头10的位置及方向的测定精度最小按其平方来提高。
测定头10由未图示的支持机构，被安装为可沿着导轨204移动。测定头10为检测以导轨204上的规定位置为基准的测定头10的位置而配备编码器(省略图示)。编码器10的输出被输入到控制装置30。
〔2〕形状测定装置的测定原理说明
基于图4，对形状测定装置的基本测定原理作以说明。
由测定者利用在导轨204上移动的测定头10，来测定某测定点A的坐标。以测定头中心的坐标系中的坐标(x，y，z)来表示被测定的坐标。该坐标系是随着测定头10的移动而移动的坐标系。
另一方面，被测定物100的形状由固定的坐标系来表示，该坐标系称为全球坐标系。将由测定头10测定的测定点的全球坐标系中的坐标设为(X，Y，Z)。由于被测定物100的形状有必要由全球坐标系来记述，因而将由测定头10测定的测定点A的测定头中心坐标系中的坐标(x，y，z)转换为全球坐标系中的坐标(X，Y，Z)。该转换利用表示测定头10的移动的旋转矩阵R及平移向量t，基于下式(1)来进行。
X Y Z = R · x y z + t - - - ( 1 ) ]]> 因此，通过将全球坐标系中测定头10的位置及方向作为旋转矩阵R及平移向量t来求出，可将测定头中心坐标系中的坐标(x，y，z)转换为全球坐标系的坐标(X，Y，Z)。
〔3〕基于形状测定装置的形状测定处理顺序的说明
基于该形状测定装置的形状测定由以下处理序列来实行。
首先，在进行实际测定之前，先进行事前处理(以下的第1步骤及第2步骤)。
〔3-1〕第1步骤
即，将全球坐标系中测定头10的各测定位置有关的信息存储到对应于该测定位置中的编码器输出值来搭载到控制装置30的存储器(省略图示)。所谓全球坐标系中测定头10的各测定位置有关的信息，系指表示全球坐标系中测定头10的移动的旋转矩阵R及平移向量t。
以下作更具体的说明。
由立体摄像机21、21来测定设于测定头10的各点标14的全球坐标系中的坐标。由于该位置测定方法作为立体法而广为人知，因而省略其说明。
接下来，将构成点标14的各LED光源14a～14f的测定头中心坐标分别设为(xi，yi，zi)，将由立体摄像机21、21测定的各LED光源14a～14f的全球坐标系中的坐标分别设为(Xi，Yi，Zi)。但i为1、2、......、6。各LED光源14a～14f的测定头中心坐标(xi，yi，zi)是已知的。
将表示测定头10的移动的旋转矩阵R与平移向量t作为满足下式(2)的矩阵R与向量t来求出。这样，将所求出的矩阵R和向量t与其测定位置中的编码器的输出值对应来存储到存储器。
min Σ i [ ( Xi - xi ) 2 + ( Yi - yi ) 2 + ( Zi - zi ) 2 ] - - - ( 2 ) ]]> 这里
X i Y i Z i = R x i y i z i + 1 ]]> 使测定头10沿着导轨204移动，对导轨204上的所有测定位置，反复进行上述处理，生成使编码器的输出值与该位置中的旋转矩阵R及平移向量t相对应的表。
〔3-2〕第2步骤
将支持立体摄像机21、22的支柱202从台201取下。这样，在事前处理结束后，实际进行被测定物100的测定。这里，对被测定物是人脚100的场合作以说明。
〔3-3〕第3步骤
利用测定头10，来求出测定头中心坐标系中的被测定物(脚)100上的测定点坐标。
图5表示基于测定头10的测定点的位置测定方法。
如图5所示，所谓测定头中心的坐标系，是一种以CCD摄像机12的光学中心为原点，以光轴方向为z轴，以CCD摄像机12的水平方向为x轴，以CCD摄像机12的垂直方向为y轴的坐标系。CCD摄像机12的图像面S存在于相距原点为焦距f的位置上。即，图像面S是一个与x-y平面平行，而且z＝f的平面。
基于测定头10的位置计测方法本身是一种被称为光切断法的周知的测定方法。将来自被测定物100表面上的狭缝光源13的狭缝光所照射的线上的规定点作为测定点A。
将该测定点A的测定头中心的坐标设为(x，y，z)，将与图像面S上的测定点A对应的观察点A′的坐标设为(xs，ys，f)，将表示狭缝光的平面的方程式设为ax+by+cz+d＝0。观察点A′的坐标(xs，ys，f)中的f作为CCD摄像机12的焦距是已知的，(xs，ys)从在图像面观察的狭缝光的像素位置来求出。
表示狭缝光的平面的方程式由测定头10的校正来求出。因此，通过求解由将x，y，z，α作为未知数的下式(3)所表示的连立方程式，可求出(x，y，z)。
ax+by+cz+d＝0
x＝α·x
s …(3)
y＝α·y
s z＝α·f
这些处理基于CCD摄像机12的输出，由控制装置30来进行。
〔3-4〕第4步骤
在第4步骤中，基于编码器的输出，从控制装置30的存储器读出对应的旋转矩阵R与平移向量t。
〔3-5〕第5步骤
在第5步骤中，基于在第4步骤中读出的旋转矩阵R与平移向量t，将在第3步骤中求出的测定头中心坐标系中被测定物(脚)100上的测定点坐标(x，y，z)转换为全球坐标系的坐标(X，Y，Z)。
通过使测定头10沿着导轨204移动，并对导轨204上的所有测定位置重复进行第3～第5步骤的处理，作为每次所获得的测定点全球坐标系中的坐标(X，Y，Z)的集合，来求出被测定物(脚)100的形状。
这样，根据本实施方式，由于利用使测定头10的导轨204上的位置与该位置上的旋转矩阵R及平移向量t相对应了的表数据，将利用测定头10所获得的测定点的测定头中心坐标系中的坐标转换为全球坐标系中的坐标，因而在形状测定时，可不用立体摄像机21、22，可通过简洁的构成，而且在使用者意识不到摄像机的视野及导线的障碍的情况下，来进行被测定物的形状测定，可提供更高的使用感。
〔4〕对测定头10的控制方法作以说明。
以下对基于利用了U字状导轨204的本实施方式中的控制装置300的测定头10的控制方法作以说明。
在测定时，将脚置于导轨204内。此时，将U字状导轨204的圆弧部的中心位置作为脚跟的中心来载置脚。通过如此载置脚，可对各种大小的脚(长度各异的各种脚)来测定脚形。
图6按时间序列来表示在U字状导轨204内载置右脚100，测定该右脚的形状的场合下测定头10的动作。
10a表示测定头10处于左起始位置LHP的场合。在测定头10处于左起始位置LHP的场合下，使测定头10从左起始位置LHP的位置沿着导轨204反时针方向移动。
10b表示测定头10处于检测出右脚100的脚尖的位置的场合。10c表示测定头10处于被设置于右脚100的脚腕附近的右脚用摄像机切换位置SWP1的位置的场合。10d表示测定头10处于从10a所示的脚尖检测位置计算出的计测结束位置的场合。10e表示测定头10处于右起始位置RHP的位置的场合。
图7表示基于控制装置300的测定头10的控制处理顺序。
首先，作为计测准备处理，进行步骤S1～S4的处理。
在计测准备处理中，首先获取计测方向(步骤S1)。即，获取测定头10的移动方向(是顺时针方向还是反时针方向)。在已进行了脚测定的场合下，由于在后述的最终步骤S15，存储下一次的计测方向，因而将所存储的下一次的计测方向作为此次的计测方向来获取。在未存储下一次的计测方向的场合下，基于接近于当前的测定头10的位置的起始位置，来自动选择开始移动的计测方向。
即，在测定头10处于接近于左起始位置LHP的位置的场合下，选择反时针方向来作为计测方向，在测定头10处于接近于右起始位置RHP的位置的场合下，选择顺时针方向来作为计测方向。在该例中，假设测定头10处于接近于左起始位置LHP的位置，作为计测方向，获得了反时针方向。
接下来，获取测定对象的脚是右脚还是左脚的选择结果(步骤S2)。测定对象的脚是右脚还是左脚的选择通过对控制装置300，由操作者在显示器上进行规定的选择操作来进行。在该例中，假设如图6示例所示，选择了右脚。
接下来，使测定头10向由计测方向决定的起始位置(HP)移动(步骤S3)。即，在计测方向为反时针方向的场合下，使测定头10向左起始位置LHP(图6的10a所示的位置)移动，在计测方向为顺时针方向的场合下，使测定头10向右起始位置RHP(图6的10e所示的位置)移动。在该例中，由于计测方向为反时针方向，因而测定头10向左起始位置LHP移动。
此后，基于计测方向，来选择最初用于计测的摄像机(步骤S4)。即，在2个摄像机12a与12b中，选择面向计测方向位于后侧的摄像机。在计测方向为反时针方向的场合下，选择摄像机12a，在计测方向为顺时针方向的场合下，选择摄像机12b。
在该例中，假设作为最初用于计测的摄像机，选择了摄像机12a。这样，如图6中10b所示，更易于检测出脚尖的摄像机，即面向移动方向位于后侧的摄像机12a作为最初用于计测的摄像机被选择。
步骤S1～S4的计测准备处理结束后，进行步骤S5～S7的脚前端探索处理。脚前端探索处理是用于检测脚的脚尖的处理。在脚前端探索处理中，不进行形状测定。
在脚前端探索处理中，首先，提高计测头10的移动速度，开始用于检测脚尖(脚前端)的计测(步骤S5)。即，在图8中如箭头V1所示，边使计测头10快速移动，边进行用于检测脚尖的计测。在检测出脚尖后(步骤S6)，使测定头10停止，将所检测出的脚尖位置(脚前端位置)存储到存储器，同时从所检测出的脚尖位置来算出计测结束位置，并存储到存储器(步骤S7)。
在该例中，通过测定头达到图6中10b所示的位置，来检测脚尖位置。这样，从所检测出的脚尖位置，与此对应的导轨204的右侧部分位置(图6中10d所示的位置)作为计测结束位置被算出。
此外在脚前端探索处理中，由于测定头10高速移动，因而在见到了脚前端的时点下，测定头10已经越过了与脚前端位置对应的位置(已超程)。为此使测定头10在高速下只返回规定的距离(3～5cm)(步骤S8)。在该例中，如图8中箭头V2所示，使其按顺时针方向只移动规定的距离。
接下来，进行步骤S9～S12的主计测处理。在主计测处理中，进行用于测定脚形的计测处理。在主计测处理中，首先，进行细致模式下的计测处理(步骤S9)。即，边使测定头10以低速移动，边缩小测定位置间隔，来进行计测处理。在该例中，如图8中箭头V3所示，边使测定头10以低速移动，边缩小测定位置间隔，来进行计测处理。
之所以如此在导轨204的开放端附近进行细致模式下的计测处理，是因为与导轨204的弯曲部相比，在导轨204的开放端附近，由相对脚前端配置于横侧的摄像机来进行计测，因而测定精度降低，所以需要缩小测定位置间隔，以提高测定精度。
测定头10超过设定为距离脚尖位置比如5cm的范围后，进行通常模式下的计测处理(步骤S10)。即，在测定头10通过了脚尖附近后，边使测定头10以中速移动，边增大测定位置间隔，来进行计测处理。在该例中，如图8中V4所示，边使测定头10以中速移动，边增大测定位置间隔，来进行计测处理。
通常模式下的计测处理中的测定位置间隔被设定为细致模式下计测处理中测定位置间隔的比如1.5倍。进行步骤S9的细致模式下的计测处理的范围可在控制装置30中预先设定，或者基于脚的大小来自动设定。
在进行基于步骤S10的通常模式下的计测处理的过程中，测定头10到达规定的摄像机切换位置后，切换计测中使用的摄像机(步骤S11)。在右脚测定的场合下，不管计测方向如何，在测定头10到达设定于右脚腕附近的右脚用摄像机切换位置SWP1(参照图6)的场合下，计测中使用的摄像机被切换。在左脚测定的场合下，不管计测方向如何，在测定头10到达设定于左脚腕附近的左脚用摄像机切换位置SWP2(参照图6)的场合下，计测中使用的摄像机被切换。
在该例中，由于是右脚测定，而且最初计测中使用的摄像机是摄像机12a，因而在测定头10到达图6的右脚用摄像机切换位置SWP1的场合下，计测中使用的摄像机被从第1摄像机12a切换为第2摄像机12b。
在切换了计测中使用的摄像机之后，还进行通常模式下的计测处理(步骤S12)。
由于在切换了计测中使用的摄像机后，计测中使用的摄像机的位置发生变化，因而用于形状测定的运算处理也被切换。此外即使由于切换了计测中使用的摄像机，在形状测定的运算处理中发生一些比如误差及不连续，但由于在脚腕位置其凹凸较少，因而测定误差的影响较小。
此后，在测定头10到达脚尖5cm前的位置后，进行细致模式下的计测处理(步骤S13)。在该例中，如图8中箭头V5所示，边使测定头10低速移动，边缩小测定位置间隔，来进行计测处理。
此外将在步骤S7算出的计测结束位置(在该例中为图6中10d所示的位置)作为脚尖位置，来判定测定头10是否到达了脚尖5cm前的位置。持续进行步骤S13的计测处理，直至测定头10到达计测结束位置(在该例中为图6中10d所示的位置)，或直至到达超过了该位置规定距离(比如2cm)的位置。
如上所述，用于右脚的形状测定的计测处理结束后，使测定头高速移动，直至达到由计测方向决定的起始位置(步骤S14)。在如本例所示，计测方向为反时针方向的场合下，如图8中箭头V6所示，使测定头10移动，直至达到右起始位置RHP。在计测方向为顺时针方向的场合下，使测定头10移动，直至达到左起始位置LHP。
此后，将当前的计测方向及相反方向作为下一次的计测方向来存储到存储器(步骤S15)。这样，便结束此次的测定头10的控制处理。
根据上述实施方式，由于导轨为U字状，因而与具有圆形、长圆形等环路状导轨的形状测定装置相比，可使被测定物的大小，尤其是被测定物的长度具有自由度。
〔5〕对变形例的说明
在上述实施方式中，将脚配置为其脚尖朝向U字状导轨204的开放端侧，脚跟位于导轨204的弯曲部分侧，但也可以将脚配置为其脚跟朝向U字状导轨204的开放端侧，脚尖位于导轨204的弯曲部分侧。这样，可提高脚尖的测定精度。
此外在上述实施方式中，利用立体摄像机21、22的输出来求出全球坐标系下测定头的位置有关的信息，即旋转矩阵R及平移向量t，但也可以在预先特定针对台201的导轨204的轨道后，不使用立体摄像机21、22来求出旋转矩阵R及平移向量t。
在上述中，对采用了U字状导轨204的实施方式作了说明，但即使是利用了在长度方向很长的长圆形导轨204的装置，构成为为测定脚跟而使测定头10沿着一方的圆弧部分移动，而另一方圆弧部分不移动的场合，即，实质上作为U字型导轨来使用的场合，也属于本发明的权利范围。
比如，在测定大人的脚形的场合下，利用长圆形导轨整体，来进行测定头沿着导轨整体绕行方式下的形状测定，在测定儿童的脚形的场合下，可以将脚配置为其脚跟位于一方圆弧的中心位置，将该导轨的一部用作上述实施方式中的U字型导轨。
此外作为测定头10，如果能由有源立体计测方法来测定被测定物上测定点的位置，则即使与上述实施方式相异的装置也可以。比如，也可以取代狭缝光源13，采用点光源。
此外，作为上述测定头10，采用具有2组计测光学系统，即，具有2台CCD摄像机12a、12b和1台狭缝光源13的装置，但也可以采用具有1组计测光学系统，即，具有1台CCD摄像机和1台狭缝光源的装置。
此外，作为U字状导轨，采用如图6所示，由半圆的弯曲部分和从其两端分别延长的2个直线部分构成的装置，但如果大致是U字状，则也可以采用不同于图6形状的导轨。
比如，为扩大开放端部的可计测范围，也可以采用如图9所示，U字开放端部向内侧收缩形状的导轨204A。在采用如图9所示，具有1台CCD摄像机12和1台狭缝光源11，即，具有1组计测光学系统的测定头10A的场合下，导轨204A的开放端部附近的可计测范围也扩大。