３次元形状導出装置および３次元形状導出方法
【課題】センサネットワークを用い、カメラやレーザでは測定困難な部位の形状までも導出する。
【解決手段】３次元形状導出装置１００は、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信する流動自在な複数の位置センサ１１２と、複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部１１４と、測定対象物１０２における複数の位置センサが存在する部分の３次元形状を、複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部１３０とを備える。
【解決手段】３次元形状導出装置１００は、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信する流動自在な複数の位置センサ１１２と、複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部１１４と、測定対象物１０２における複数の位置センサが存在する部分の３次元形状を、複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部１３０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサネットワークを通じて３次元形状を導出する３次元形状導出装置および３次元形状導出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、軽量小型で無線通信可能なセンサを用いて、任意の対象物の位置を特定する技術が普及している。例えば、電波強度や電磁誘導態様等が異なる通信手段を用い、特定の範囲でのみセンサとの通信が成立するように制限することで、センサの通信が成立しているか否かによってセンサが付された装置の大凡の位置を検出する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、監視対象に、識別信号を発信可能なセンサを付け、アドホック等のセンサネットワークを通じてセンサの位置を特定することで、監視対象の位置を特定する技術が公開されている（例えば、特許文献２）。さらに、センサネットワークにおいて、位置が既知な２つのセンサを利用し、任意のセンサとその位置が既知な２つのセンサとの距離に基づいて任意のセンサの位置を順次導出する技術も開示されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８− ５９０８７号公報
【特許文献２】特開２００７−２７９８９５号公報
【特許文献３】特開２００９−２５０６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、様々な対象物の３次元空間での位置や形状を測定する技術が求められている。このような測定によって得られる３次元空間での位置や形状は、例えばロボットによるピッキング処理や製品内部形状のリバースエンジニアリング等、様々な用途に用いることができる。しかし、上述した特許文献１〜３に記載された技術では、対象物の位置を特定することはできても、センサが対象物に固定されているので対象物の形状を特定することはできない。
【０００６】
上述した３次元空間での位置や形状を測定するためには、複数台のカメラやレーザセンサ等の大掛かりな装置が必要であった。しかし、このような大掛かりな装置をもってしても、曲がった管の内部形状や閉じた狭い空間の内部形状を測定することはできなかった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑み、センサネットワークを用い、カメラやレーザでは測定困難な部位の形状までも導出可能な３次元形状導出装置および３次元形状導出方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の３次元形状導出装置は、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信する流動自在な複数の位置センサと、複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部と、測定対象物における複数の位置センサが存在する部分の３次元形状を、複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部とを備えることを特徴とする。
【０００９】
３次元位置を異にして複数配置された信号供給源をさらに備え、複数の位置センサは、信号供給源から供給された信号に基づき信号供給源との距離または信号供給源の方向を算出することで自体の３次元位置を導出してもよい。
【００１０】
複数の位置センサは、所定の条件を満たした場合にのみ位置情報を発信してもよい。
【００１１】
所定の条件は所定空間範囲内で唯一の代表位置センサとなることであり、位置センサは、自体が代表位置センサとなった場合にのみ位置情報を発信してもよい。
【００１２】
所定の条件は測定対象物の境界に位置することであり、位置センサは、近傍に存在する他の複数の位置センサの３次元位置に基づいて、自体が測定対象物の境界に位置するか否かを判定し、測定対象物の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信してもよい。
【００１３】
位置センサは、所定範囲内に存在する他の位置センサの個数が、位置センサの密度に基づく所定閾値以下であれば、自体が測定対象物の境界に位置すると判定してもよい。
【００１４】
位置センサは、位置センサを対称点とした他の複数の位置センサの重心位置の点対称と位置センサとを結ぶ結線を中心軸とした所定ステラジアン内かつ所定範囲内に他の位置センサがないとき、自体が測定対象物の境界に位置すると判定してもよい。
【００１５】
上記課題を解決するために、測定対象物に流動可能に配された複数の位置センサと、複数の位置センサと通信可能なセンサ情報集約部とを備える３次元形状導出装置を用いて測定対象物の３次元形状を導出する、本発明の３次元形状導出方法は、複数の位置センサが、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信し、センサ情報集約部が、複数の位置センサが発信した位置情報を受信し、測定対象物における複数の位置センサが存在する部分の３次元形状を、複数の位置センサの位置情報に基づいて導出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、センサネットワークを用いることで、カメラやレーザでは測定困難な部位の形状までも導出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】３次元形状導出装置の概略的な構成を示した機能ブロック図である。
【図２】位置センサの概略的な構成を示した機能ブロック図である。
【図３】複数の位置センサによって構築されるセンサネットワークを説明するための説明図である。
【図４】位置センサによる境界判定を説明するための説明図である。
【図５】位置情報を発信する所定の条件を説明するための説明図である。
【図６】位置センサによる境界判定を説明するための説明図である。
【図７】位置センサによる境界判定を説明するための説明図である。
【図８】３次元形状導出方法の処理の流れを示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１９】
（３次元形状導出装置１００）
図１は、３次元形状導出装置１００の概略的な構成を示した機能ブロック図であり、図２は、位置センサ１１２の概略的な構成を示した機能ブロック図である。３次元形状導出装置１００は、複数の信号供給源１１０と、複数の位置センサ１１２と、センサ情報集約部１１４と、保持部１１６と、中央制御部１１８とを含んで構成され、測定対象物１０２の３次元形状を導出する。
【００２０】
信号供給源１１０は、３次元位置を異にして配置され、複数の位置センサ１１２に電場や磁場、あるいは電磁波に基づく信号を供給する。信号供給源１１０は、位置センサ１１２への位置計算用信号の送信源と電力供給源との２つの役割を担うが、この機能を分離して、それぞれを別固体として配置してもよい。
【００２１】
位置センサ（マイクロセンサ）１１２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等の微細加工技術や半導体プロセスの微細化により、粒子状（軽量、小型）かつ流動自在に形成され、信号供給源１１０から供給された信号に基づいて信号供給源１１０との距離または信号供給源１１０の方向を算出することで自体の３次元位置を自己完結的に導出し、３次元位置を示す位置情報を発信する。ここでいう位置情報とは、３次元位置座標（ｘ，ｙ，ｚ座標）のみに限定されず、信号の強度や位相等、３次元位置に相当する、測定された物理量から最終的に位置情報に変換することができる情報であってもよい。また、ここでは、位置センサ１１２が流動自在に形成される例を挙げているが、かかる場合に限られず、例えば、位置センサ１１２がプラスチック等の樹脂に練り込まれて流動性が低下または失われている場合も本実施形態の技術的範囲に含まれる。ここで、位置センサ１１２は、他の位置センサ１１２との摩擦を考慮して球状かつコーティングが施されたものを用いるとするが、かかる形状に限らず、扱いやすい任意の形状とすることができる。また、図２に示すように、位置センサ１１２は、アンテナ１１２ａと、電源部１１２ｂと、通信部１１２ｃと、マイクロコンピュータ１１２ｄとを含んで成る。
【００２２】
アンテナ１１２ａは、あらゆる方向の電磁波を受信し、また、位置センサ１１２内で生成された信号を電磁波として発信する。位置センサ１１２における通信方式として、例えば消費電力の少ない近距離通信（ＮＦＣ）が採用されている。電源部１１２ｂは、受信した電磁波から誘導起電力を得て、その電力により位置センサ１１２を動作させる（電力レスセンサ）。電源部１１２ｂは、ほとんど電力を消費しないため、自体に小型の電池を有すこともできる。通信部１１２ｃは、アンテナ１１２ａを通じて近傍の他の位置センサ１１２やセンサ情報集約部１１４とデータ通信を行う。マイクロコンピュータ１１２ｄは、信号供給源１１０の信号に基づいて自己の３次元位置を導出する３次元位置導出部１１２ｅと、自己が測定対象物の境界に位置していることを判定する境界判定部１１２ｆとして機能する。また、位置センサ１１２は、位置センサ１１２近傍の温度、位置センサ１１２に加わる圧力、アンテナ１１２ａで受信する電磁波の電波強度や位相等、他の環境パラメータを測定することもできる。
【００２３】
センサ情報集約部１１４は、位置センサ１１２が発信した位置情報を受信する。また、センサ情報集約部１１４から電場や電磁波を位置センサ１１２に供給して、信号供給源１１０の機能を担うとしてもよい。保持部１１６は、ＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)等で構成され、センサ情報集約部１１４で受信された位置情報等を一時的に保持する。中央制御部１１８は、中央処理装置（ＣＰＵ）や信号処理装置（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）、プログラム等が格納されたＲＯＭやメモリ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、３次元形状導出装置１００全体を管理および制御する。また、本実施形態において、中央制御部１１８は、測定対象物１０２において複数の位置センサ１１２が存在する部分の３次元形状を、複数の位置センサ１１２の位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部１３０としても機能する。以下、このような３次元形状導出装置１００の具体的な処理を説明する。
【００２４】
（位置センサ１１２における３次元位置の導出処理）
例えば、信号供給源１１０が電磁波に基づく信号を位置センサ１１２に供給している場合、位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅは、その電磁波の電波強度を通じて信号供給源１１０との距離を把握することができる。また、他の信号供給源１１０との位相差を用いることで、相対的な距離差を計算することもできる。さらに、位置センサ１１２のアンテナ１１２ａが指向性のマイクロアレイアンテナ等であれば、信号供給源１１０の方向を把握することも可能である。
【００２５】
したがって、位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅが自己の３次元位置を導出するためには、位置センサ１１２が信号供給源１１０の距離と方向を把握できる場合、信号供給源１１０は１つあれば足り、位置センサ１１２が信号供給源１１０の方向のみ把握できる場合、信号供給源１１０が２つあれば足り、位置センサ１１２が信号供給源１１０との距離のみを把握できる場合、信号供給源１１０が３つあれば足りる。
【００２６】
また、測定対象物１０２における位置センサ１１２の空間自由度が限定的な場合、位置センサ１１２は、さらに少ない信号供給源１１０で自己の３次元位置を導出できる。また、位置センサ１１２がＧＰＳ（Global Positioning System）等、既存のシステムを利用可能な場合、３次元位置導出部１１２ｅは、そのＧＰＳによって３次元位置を導出することも可能である。
【００２７】
また、信号供給源１１０が磁場に基づく信号を位置センサ１１２に供給している場合、複数の信号供給源１１０は、それぞれ排他的に磁場をオン／オフし、その際にいずれの信号供給源１１０をオンしたかを位置センサ１１２に知らせるべく、信号供給源１１０を特定する識別子を送信する。位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅは、その識別子と磁場の磁界強度を通じて個々の信号供給源１１０との距離を把握することができる。こうして、位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅは、複数の信号供給源１１０との距離に基づく３点測位法により、自己の３次元位置を導出することが可能となる。
【００２８】
（センサネットワーク）
図３は、複数の位置センサ１１２によって構築されるセンサネットワークを説明するための説明図である。上述したように信号供給源１１０の信号を受けて自己の３次元位置を導出した位置センサ１１２は、その３次元位置を示す位置情報をセンサ情報集約部１１４に伝達する。この際、近傍にある（隣り合う）複数の位置センサ１１２同士は、互いに無線通信し合うことで情報交換を行う、自律分散型のセンサネットワークを形成し、図３に示すように、各位置センサ１１２は、他の位置センサ１１２を複数経由する（ホップする）ことで最終的にセンサ情報集約部１１４に位置情報を伝達することができる。したがって、センサ情報集約部１１４は、複数の位置センサ１１２全てから個々に位置情報を受信しなくとも、センサ情報集約部１１４に近い位置センサ１１２群１３８に局所的に集められた位置情報を受信することで複数の位置センサ１１２全ての位置情報を取得することが可能となる。
【００２９】
本実施形態では、ＩＥＥＥ８０２．１５．４として規格化されたＺｉｇｂｅｅ（登録商標）等にも代表されるセンサネットワークを採用し、既存のアドホック機能やルーティン機能を用いて各位置センサ１１２の位置情報の取得経路を構築する。かかるアドホック機能やルーティン機能は、既存の様々な技術を適用できるので、ここではその詳細な説明を省略する。ただし、本実施形態においては、各位置センサ１１２が信号供給源１１０からの距離や自体の３次元位置を把握できるため、その３次元位置情報やスパニングツリープロトコルを用いて、センサ情報集約部１１４により遠い位置センサ１１２から、より近い位置センサ１１２に情報を経由する経路を構築できる（図３参照）。また、本実施形態では、位置センサ１１２が測定対象物１０２内で流動しているため、情報伝達経路をリアルタイムに再構築するのが望ましい。
【００３０】
（位置情報を発信する所定の条件について）
上記の複数の位置センサ１１２は、それぞれが位置情報を発信する能力を有しているが、本実施形態では、全ての位置センサ１１２に位置情報を発信させず、所定の条件を満たした場合にのみ位置情報を発信することとする。
【００３１】
位置センサ１１２は、測定対象物１０２の大きさや形状に応じて、数百、数千、またはそれ以上になる場合がある。しかし、その数百、数千の位置センサ１１２の３次元位置を全て厳密に取得するとした場合、センサネットワーク内の情報伝達負荷や中央制御部１１８における計算負荷が膨大になってしまい、所望する結果を得られないこともある。ここでは、所定の条件を満たした位置センサ１１２のみが位置情報を発信することで、位置情報元となる位置センサ１１２数を間引き、センサネットワーク内の情報伝達負荷や中央制御部１１８における計算負荷の軽減を図っている。ただし、位置センサ１１２に所定の条件を課すことでセンサ情報集約部１１４への情報伝達負荷は軽減されるが、近傍の他の位置センサ１１２との通信は継続的に実行される。したがって、近傍の他の位置センサ１１２との通信とセンサ情報集約部１１４に位置情報を伝達する通信とで、例えば、識別子の異なるヘッダやホップ数を示すヘッダを用いる等、別々のプロトコルを用いている。
【００３２】
以下、図４を用い、上述した所定の条件として、（１）適当に代表位置センサを導出する処理、（２）所定空間範囲内で代表位置センサを導出する処理、（３）境界に位置する位置センサを導出する処理、を例示する。ただし、所定の条件は、かかる場合に限られず、温度や圧力といった他のパラメータが所定閾値以上または所定閾値以下となった場合等、様々な条件を設定することができる。
【００３３】
（（１）適当に代表位置センサを導出する処理）
図４（ａ）に示すように、測定対象物１０２内の任意の位置センサ１１２ｇは、その近傍（例えば２ホップ内や所定遅延量内）にある複数の（例えば、数十、数百の）他のセンサ１１２を１つのグループ１４０とみなし（クラスタ化）、自体の位置情報をそのグループ１４０の代表値としてセンサ情報集約部１１４に送信する。このとき、３次元位置を収集した任意の位置センサ１１２がそのグループ１４０内に位置する他の位置センサ１１２の代表位置センサとなるので、３次元位置が参照されたグループ１４０内の他の位置センサ１１２は、３次元位置をセンサ情報集約部１１４に伝達しなくてよいとすることができる。ここで、近傍の範囲の基準となるホップ数や所定遅延量、３次元位置の平均化対象となるセンサ数は、３次元形状導出装置１００に要求される精度や分解能に応じて適宜決定される。
【００３４】
（（２）所定空間範囲内で代表位置センサを導出する処理）
他の例として、所定空間範囲内で代表位置センサ１１２を導出することが考えられる。これは代表位置センサ１１２を導出する点で上述した（１）適当に代表位置センサを導出する処理と似ているが、予め定められた範囲内に唯一の代表位置センサを導出する点で異なる。
【００３５】
ここでは、図４（ｂ）に示すように、３次元空間がマトリクス状に複数の所定空間範囲１４２に分割されている（所定空間範囲１４２は、ｘ、ｙ、ｚ座標それぞれの長さで表すことができる。）。そして、測定対象物１０２内の任意の位置センサ１１２ｇは、所定空間範囲１４２にある複数の（例えば、数十、数百の）他のセンサ１１２を１つのグループとみなし、自体の位置情報をその所定空間範囲１４２の代表値としてセンサ情報集約部１１４に送信する。このとき、３次元位置を収集した任意の位置センサ１１２がその所定空間範囲１４２内に位置する他の位置センサ１１２の代表位置センサとなるので、３次元位置が参照された所定空間範囲１４２内の他の位置センサ１１２は、３次元位置をセンサ情報集約部１１４に伝達しなくてよいとすることができる。
【００３６】
また、３次元形状導出装置１００では、かかる所定空間範囲１４２を特定する手段として、例えば、ブロードキャストによる手段やＭＡＰによる手段を用いている。ブロードキャストによる手段では、センサ情報集約部１１４が、各所定空間範囲１４２に対し、所定空間範囲１４２内に位置センサ１１２が存在するか否かを問う情報を発信し、位置センサ１１２は、指定された所定空間範囲１４２内に自体が存在していれば、その旨、センサ情報集約部１１４に伝達する。３次元形状導出部１３０は、１の所定空間範囲１４２内に、所定の数以上の位置センサ１１２が存在していれば、その所定空間範囲１４２を位置センサ１１２が占有していると判定する。各位置センサ１１２の位置測定精度が高い場合には、所定の数として１を含めることができる。３次元形状導出部１３０は、位置センサ１１２が所定の数以上存在する所定空間範囲１４２の外周部（輪郭部分）を測定対象物１０２の内部形状であると判断する。
【００３７】
また、ＭＡＰによる手段では、各位置センサ１１２が複数の所定空間範囲１４２を特定可能なＭＡＰを有しており、自体が位置する所定空間範囲１４２にフラグが設定されているか否か判定し、フラグが設定されていなかったらフラグを設定して、その所定空間範囲１４２に自体が存在することを示す。そして、位置センサ１１２は、フラグの判定処理を終えたＭＡＰを近傍の位置センサ１１２に伝達する。伝達された位置センサ１１２は、そのＭＡＰを更新する。こうして、複数の位置センサ１１２を経由したＭＡＰの各所定空間範囲１４２には、フラグが設定されているところと、フラグが設定されていないところが生じる。３次元形状導出部１３０は、かかるＭＡＰを参照し、フラグが設定されていれば、その所定空間範囲１４２を位置センサ１１２が占有していると判定し、フラグが設定されていなければ、その所定空間範囲１４２は、測定対象物１０２そのものか測定対象物１０２外の空間であると判定する。３次元形状導出部１３０は、フラグが設定されている所定空間範囲１４２の外周部（輪郭部分）を測定対象物１０２の内部形状であると判断する。
【００３８】
（（３）境界に位置する位置センサを導出する処理）
また、図４（ｃ）に示すように、複数の位置センサ１１２ｇは、近傍に存在する他の複数の位置センサ１１２の３次元位置に基づいて、自体が測定対象物１０２の境界に位置するか否かを判定し、測定対象物１０２の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することもできる。以下、位置センサ１１２の境界判定について詳述する。
【００３９】
（境界であることの判定処理）
図５、図６、図７は、位置センサ１１２による境界判定を説明するための説明図である。上述したように、位置センサ１１２は、粒子状に形成され、測定対象物１０２の測定面近傍、例えば、曲がった管の内部や閉じた狭い空間の内部に詰め込まれた状態で流動自在に移動する。位置センサ１１２の大きさは任意であるが、小さければ小さいほど測定精度を高めることができる。ここでは大きさが数ミリ程度の位置センサ１１２を想定している。また、このとき、測定対象物１０２内に位置センサ１１２のみを詰め込まず、砂等の流動体を並設（混合）してもよい。位置センサ１１２は、図５（ａ）に示す測定対象物１０２の障害物１５０や障害壁１５２内に入り込むことはないが、その他の空隙１５４には均等に充填されることとなる。
【００４０】
測定対象物１０２内の位置センサ１１２のみに着目すると、図５（ｂ）に示すように、障害物１５０や障害壁１５２に相当する部分だけ位置センサ１１２が存在しないことになるので、測定対象物１０２内の障害物１５０や障害壁１５２に当接している位置センサ１１２は、障害物１５０や障害壁１５２の方向に他の位置センサ１１２の存在を検知できないこととなる。本実施形態では、この事象を利用して、位置センサ１１２が境界に位置するか否か判定する。
【００４１】
境界の判定処理として、計算負荷の小さいものでは、所定範囲近傍（例えば２ホップ内）の位置センサ１１２の個数を計算する方法がある。例えば、図６（ａ）のように、位置センサ１１２が測定対象物１０２内で均等に配されている場合、空隙１５４に位置する位置センサ１１２ｈは近傍範囲１６０内に、例えば２０個の他の位置センサ１１２を検知することができる。しかし、図６（ｂ）のように、障害物１５０の境界に位置した位置センサ１１２ｉは検知できる位置センサ１１２が半減し、近傍範囲１６０内に、例えば１２個の他の位置センサ１１２しか検知できないこととなる。このように、検知可能な他の位置センサ１１２の個数によって、位置センサ１１２の個数が、位置センサ１１２の密度に基づく所定閾値以下であれば、位置センサ１１２自体が測定対象物１０２の境界に位置していることを簡易的に把握することが可能となる。
【００４２】
境界の他の判定処理として、図７に示すように、位置センサ１１２ｉは、位置センサ１１２ｉを対称点１７０とした所定範囲１６０内の他の複数の位置センサ１１２の重心位置１７２の点対称１７４と、位置センサ１１２とを結ぶ結線１７６を中心軸とした所定ステラジアン、例えば、（２−√２）πステラジアン内かつ所定範囲１６０内に他の位置センサ１１２がないとき、自体が測定対象物１０２の境界に位置すると判定する。
【００４３】
これは、位置センサ１１２が測定対象物１０２の境界に位置している場合、位置センサ１１２が集中しているところと位置センサ１１２が無いところとが正対していることを利用したもので、位置センサ１１２が集中しているところの重心位置１７２の点対称１７４に位置センサ１１２が無いことをもって、その位置センサ１１２が境界に位置していると判定するものである。ここで、（２−√２）πステラジアンは、頂角９０度の円錐の立体角を示す。また、頂角９０度に限らず、測定対象物１０２内の障害物１５０の形状に応じて適宜角度を変更することができる。
【００４４】
また、上述したように、所定の条件を満たした位置センサ１１２のみが位置情報を発信する場合において、ここでは、所定の条件を測定対象物１０２の境界に位置することとすることができ、位置センサ１１２は、近傍に存在する他の複数の位置センサ１１２の３次元位置に基づいて、自体が測定対象物１０２の境界に位置するか否かを判定し、測定対象物１０２の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することとする。
【００４５】
かかる構成により、図５（ｃ）の如く、測定対象物１０２の障害物１５０や障害壁１５２の境界に位置する、図５（ｃ）中黒の塗り潰しで表した位置センサ１１２のみが位置情報をセンサ情報集約部１１４に伝達することとなるので、３次元形状導出装置１００は、全ての位置センサ１１２の位置情報を抽出しないことで計算負荷の軽減を図ることができ、境界に位置する位置センサ１１２の位置情報のみによって、測定対象物１０２の障害物１５０や障害壁１５２の形状を正確に導出することが可能となる。
【００４６】
（位置情報の平均化処理）
ところで、電場や電磁波に基づくとしても、磁場に基づくとしても、各センサ１１２で導出された３次元位置が十分な精度を有さない場合がある。そこで、本実施形態におけるセンサ１１２は、センサネットワーク中の他のセンサ１１２の３次元位置も利用して３次元位置の高精度化を図ることができる。例えば、図４（ａ）を用いて説明した（１）適当に代表位置センサを導出する場合において、任意のセンサ１１２が、グループ１４０とみなした近傍にある複数の他のセンサ１１２から３次元位置を取得し、取得した全てのセンサ１１２の３次元位置と自己が導出した３次元位置の平均値を求めて自己の３次元位置とする。このような平均化処理は、（２）所定空間範囲内で代表位置センサを導出する場合や、（３）境界に位置する位置センサを導出する場合にも適用できるのは言うまでもない。
【００４７】
例えば、位置センサ１１２の直径が０．１ｍｍであり、各位置センサ１１２の位置測定精度が１ｃｍであったとする。すると、測定対象物１０２内における１ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍの立方空間の中には１０００個の位置センサ１１２が入っていることとなり、位置センサ１１２の位置測定値の平均値をとると、測定精度が１ｍｍ近く（２ｍｍ以下）まで高まる。
【００４８】
また、３次元位置の高精度化手法は、かかる場合に限られず、例えば、位置センサ１１２毎に３次元位置の導出を繰り返し実行させ、複数回分の導出結果を平均化させてそれを位置センサ１１２の３次元位置とさせることでも３次元位置の高精度化を図ることができる。
【００４９】
（３次元形状導出方法）
次に、図８のフローチャートに基づいて、３次元形状の導出方法を述べる。ここでは、測定対象物１０２に複数の位置センサ１１２が流動可能に詰め込まれている。まず、測定対象物１０２に詰め込まれた全ての位置センサ１１２は、信号供給源１１０から供給された信号に基づいて自体の３次元位置を導出する（Ｓ２００）。そして、各位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅは、近傍の他の位置センサ１１２の３次元位置を取得し、その３次元位置を平均化し、他の位置センサ１１２の重心位置１７２を求める（Ｓ２０２）。
【００５０】
そして、３次元位置導出部１１２ｅは、かかる重心位置１７２の、位置センサ１１２を対称点１７０とした点対称１７４と位置センサ１１２とを結ぶ結線１７６を求め、その結線１７６を中心軸とした（２−√２）πステラジアン内に他の位置センサ１１２が含まれるか否か判定する（Ｓ２０４）。他の位置センサ１１２が含まれている場合（Ｓ２０４におけるＹＥＳ）、３次元位置導出部１１２ｅは、自体（位置センサ１１２）が測定対象物１０２の空隙１５４に位置すると判定し、位置センサ１１２における処理を終了する。また、他の位置センサ１１２が含まれていない場合（Ｓ２０４におけるＮＯ）、自体が測定対象物１０２の境界に位置すると判定する。
【００５１】
さらに、自体が測定対象物１０２の境界に位置すると判定した３次元位置導出部１１２ｅは、その近傍（例えば２ホップ内）にある、測定対象物１０２の境界に位置すると判定した位置センサ１１２から３次元位置を取得し（Ｓ２０６）、近傍にある全ての位置センサ１１２の３次元位置の平均値を求めて自己の３次元位置とする（Ｓ２０８）。このとき、位置センサ１１２は、その近傍の測定対象物１０２の境界に位置する位置センサ１１２群の代表位置センサとなり、３次元位置が参照された２ホップ内の位置センサ１１２は、３次元位置をセンサ情報集約部１１４に伝達しなくてよい。こうすることで、センサネットワーク内の情報伝達負荷や中央制御部１１８における計算負荷を軽減することが可能となる。
【００５２】
このようにして代表位置センサとなった測定対象物１０２の境界に位置する位置センサ１１２の通信部１１２ｃは、自体の３次元位置を示す位置情報を発信し（Ｓ２１０）、センサ情報集約部１１４は、位置センサ１１２が発信した位置情報を受信し（Ｓ２１２）、３次元形状導出部１３０は、測定対象物１０２における複数の位置センサ１１２が存在する部分の３次元形状を、複数の位置センサ１１２の位置情報に基づいて導出する（Ｓ２１４）。複数の位置センサ１１２の３次元位置から３次元形状を導出するアルゴリズムは既存の様々な技術を利用することができるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
【００５３】
以上、説明した３次元形状導出装置１００によって、曲がった管の内部形状や閉じた狭い空間の内部形状等、複数台のカメラやレーザセンサ等の大掛かりな装置をもってしても測定困難であった外部から確認できない複雑な形状も、センサネットワークを用いて導出することが可能となる。また、３次元形状導出装置１００では視覚センサを用いる必要がないので、測定対象物１０２が投光されていなくても、また、他の光源により、レーザ計測が機能しないような状況下においても、確実に３次元形状を導出することができる。したがって、ロボットによるピッキング処理や製品内部形状のリバースエンジニアリング等、様々な用途において、正確に３次元形状を把握することが可能となる。
【００５４】
また、位置センサ１１２が、所定の条件を満たした場合にのみ、例えば、近傍に存在する他の複数の位置センサ１１２の３次元位置に基づいて、自体が測定対象物１０２の境界に位置するか否かを判定し、測定対象物１０２の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することで、センサネットワーク内の情報伝達負荷や中央制御部１１８における計算負荷を軽減することが可能となる。
【００５５】
さらに、３次元形状導出装置１００では、多数の位置センサ１１２を用いているので測定点数が多く、位置センサ１１２の幾つかが機能しなくなったとしても測定結果に支障を来すことがなく、ロバスト性を担保することができる。また、多数の位置センサ１１２を平均化することで高精度化を図ることが可能となる。
【００５６】
また、コンピュータによって３次元形状導出装置１００として機能するプログラムや、当該プログラムを記憶した記憶媒体も提供される。さらに、当該プログラムは、記憶媒体から読み取られてコンピュータに取り込まれてもよいし、通信ネットワークを介して伝送されてコンピュータに取り込まれてもよい。
【００５７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５８】
例えば、上述した実施形態では、位置センサ１１２をそのままの状態で測定対象物１０２に詰め込む例を挙げているが、位置センサ１１２は空気中にある必要はなく、液体中や固体中でも動作可能である。したがって、測定対象物１０２の中に、位置センサ１１２を混ぜた液体を流し込んで測定する方法もありうる。また、プラスチックなどの形成時に位置センサ１１２を混ぜ込んでおくことで、自体の形状を測定できる材料を作ることもできる。
【００５９】
また、上述した実施形態では、３次元位置を位置センサ１１２内で導出する構成を説明したが、位置センサ１１２が取得した信号供給源１１０から供給された信号をそのままセンサ情報集約部１１４に送信して、中央制御部１１８等、他の計算機で３次元位置を導出することもできる。
【００６０】
また、高い測定精度を要さない場合、信号供給源１１０を省略して、位置センサ１１２同士の相対関係から３次元位置を導出することも可能である。
【００６１】
なお、本明細書の３次元形状導出方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、センサネットワークを通じて３次元形状を導出する３次元形状導出装置および３次元形状導出方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１００ …３次元形状導出装置
１０２ …測定対象物
１１０ …信号供給源
１１２ …位置センサ
１１４ …センサ情報集約部
１３０ …３次元形状導出部
１４２ …所定空間範囲
１７０ …対称点
１７２ …重心位置
１７４ …点対称
１７６ …結線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサネットワークを通じて３次元形状を導出する３次元形状導出装置および３次元形状導出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、軽量小型で無線通信可能なセンサを用いて、任意の対象物の位置を特定する技術が普及している。例えば、電波強度や電磁誘導態様等が異なる通信手段を用い、特定の範囲でのみセンサとの通信が成立するように制限することで、センサの通信が成立しているか否かによってセンサが付された装置の大凡の位置を検出する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、監視対象に、識別信号を発信可能なセンサを付け、アドホック等のセンサネットワークを通じてセンサの位置を特定することで、監視対象の位置を特定する技術が公開されている（例えば、特許文献２）。さらに、センサネットワークにおいて、位置が既知な２つのセンサを利用し、任意のセンサとその位置が既知な２つのセンサとの距離に基づいて任意のセンサの位置を順次導出する技術も開示されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８− ５９０８７号公報
【特許文献２】特開２００７−２７９８９５号公報
【特許文献３】特開２００９−２５０６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、様々な対象物の３次元空間での位置や形状を測定する技術が求められている。このような測定によって得られる３次元空間での位置や形状は、例えばロボットによるピッキング処理や製品内部形状のリバースエンジニアリング等、様々な用途に用いることができる。しかし、上述した特許文献１〜３に記載された技術では、対象物の位置を特定することはできても、センサが対象物に固定されているので対象物の形状を特定することはできない。
【０００６】
上述した３次元空間での位置や形状を測定するためには、複数台のカメラやレーザセンサ等の大掛かりな装置が必要であった。しかし、このような大掛かりな装置をもってしても、曲がった管の内部形状や閉じた狭い空間の内部形状を測定することはできなかった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑み、センサネットワークを用い、カメラやレーザでは測定困難な部位の形状までも導出可能な３次元形状導出装置および３次元形状導出方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の３次元形状導出装置は、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信する流動自在な複数の位置センサと、複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部と、測定対象物における複数の位置センサが存在する部分の３次元形状を、複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部とを備えることを特徴とする。
【０００９】
３次元位置を異にして複数配置された信号供給源をさらに備え、複数の位置センサは、信号供給源から供給された信号に基づき信号供給源との距離または信号供給源の方向を算出することで自体の３次元位置を導出してもよい。
【００１０】
複数の位置センサは、所定の条件を満たした場合にのみ位置情報を発信してもよい。
【００１１】
所定の条件は所定空間範囲内で唯一の代表位置センサとなることであり、位置センサは、自体が代表位置センサとなった場合にのみ位置情報を発信してもよい。
【００１２】
所定の条件は測定対象物の境界に位置することであり、位置センサは、近傍に存在する他の複数の位置センサの３次元位置に基づいて、自体が測定対象物の境界に位置するか否かを判定し、測定対象物の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信してもよい。
【００１３】
位置センサは、所定範囲内に存在する他の位置センサの個数が、位置センサの密度に基づく所定閾値以下であれば、自体が測定対象物の境界に位置すると判定してもよい。
【００１４】
位置センサは、位置センサを対称点とした他の複数の位置センサの重心位置の点対称と位置センサとを結ぶ結線を中心軸とした所定ステラジアン内かつ所定範囲内に他の位置センサがないとき、自体が測定対象物の境界に位置すると判定してもよい。
【００１５】
上記課題を解決するために、測定対象物に流動可能に配された複数の位置センサと、複数の位置センサと通信可能なセンサ情報集約部とを備える３次元形状導出装置を用いて測定対象物の３次元形状を導出する、本発明の３次元形状導出方法は、複数の位置センサが、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信し、センサ情報集約部が、複数の位置センサが発信した位置情報を受信し、測定対象物における複数の位置センサが存在する部分の３次元形状を、複数の位置センサの位置情報に基づいて導出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、センサネットワークを用いることで、カメラやレーザでは測定困難な部位の形状までも導出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】３次元形状導出装置の概略的な構成を示した機能ブロック図である。
【図２】位置センサの概略的な構成を示した機能ブロック図である。
【図３】複数の位置センサによって構築されるセンサネットワークを説明するための説明図である。
【図４】位置センサによる境界判定を説明するための説明図である。
【図５】位置情報を発信する所定の条件を説明するための説明図である。
【図６】位置センサによる境界判定を説明するための説明図である。
【図７】位置センサによる境界判定を説明するための説明図である。
【図８】３次元形状導出方法の処理の流れを示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１９】
（３次元形状導出装置１００）
図１は、３次元形状導出装置１００の概略的な構成を示した機能ブロック図であり、図２は、位置センサ１１２の概略的な構成を示した機能ブロック図である。３次元形状導出装置１００は、複数の信号供給源１１０と、複数の位置センサ１１２と、センサ情報集約部１１４と、保持部１１６と、中央制御部１１８とを含んで構成され、測定対象物１０２の３次元形状を導出する。
【００２０】
信号供給源１１０は、３次元位置を異にして配置され、複数の位置センサ１１２に電場や磁場、あるいは電磁波に基づく信号を供給する。信号供給源１１０は、位置センサ１１２への位置計算用信号の送信源と電力供給源との２つの役割を担うが、この機能を分離して、それぞれを別固体として配置してもよい。
【００２１】
位置センサ（マイクロセンサ）１１２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等の微細加工技術や半導体プロセスの微細化により、粒子状（軽量、小型）かつ流動自在に形成され、信号供給源１１０から供給された信号に基づいて信号供給源１１０との距離または信号供給源１１０の方向を算出することで自体の３次元位置を自己完結的に導出し、３次元位置を示す位置情報を発信する。ここでいう位置情報とは、３次元位置座標（ｘ，ｙ，ｚ座標）のみに限定されず、信号の強度や位相等、３次元位置に相当する、測定された物理量から最終的に位置情報に変換することができる情報であってもよい。また、ここでは、位置センサ１１２が流動自在に形成される例を挙げているが、かかる場合に限られず、例えば、位置センサ１１２がプラスチック等の樹脂に練り込まれて流動性が低下または失われている場合も本実施形態の技術的範囲に含まれる。ここで、位置センサ１１２は、他の位置センサ１１２との摩擦を考慮して球状かつコーティングが施されたものを用いるとするが、かかる形状に限らず、扱いやすい任意の形状とすることができる。また、図２に示すように、位置センサ１１２は、アンテナ１１２ａと、電源部１１２ｂと、通信部１１２ｃと、マイクロコンピュータ１１２ｄとを含んで成る。
【００２２】
アンテナ１１２ａは、あらゆる方向の電磁波を受信し、また、位置センサ１１２内で生成された信号を電磁波として発信する。位置センサ１１２における通信方式として、例えば消費電力の少ない近距離通信（ＮＦＣ）が採用されている。電源部１１２ｂは、受信した電磁波から誘導起電力を得て、その電力により位置センサ１１２を動作させる（電力レスセンサ）。電源部１１２ｂは、ほとんど電力を消費しないため、自体に小型の電池を有すこともできる。通信部１１２ｃは、アンテナ１１２ａを通じて近傍の他の位置センサ１１２やセンサ情報集約部１１４とデータ通信を行う。マイクロコンピュータ１１２ｄは、信号供給源１１０の信号に基づいて自己の３次元位置を導出する３次元位置導出部１１２ｅと、自己が測定対象物の境界に位置していることを判定する境界判定部１１２ｆとして機能する。また、位置センサ１１２は、位置センサ１１２近傍の温度、位置センサ１１２に加わる圧力、アンテナ１１２ａで受信する電磁波の電波強度や位相等、他の環境パラメータを測定することもできる。
【００２３】
センサ情報集約部１１４は、位置センサ１１２が発信した位置情報を受信する。また、センサ情報集約部１１４から電場や電磁波を位置センサ１１２に供給して、信号供給源１１０の機能を担うとしてもよい。保持部１１６は、ＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)等で構成され、センサ情報集約部１１４で受信された位置情報等を一時的に保持する。中央制御部１１８は、中央処理装置（ＣＰＵ）や信号処理装置（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）、プログラム等が格納されたＲＯＭやメモリ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、３次元形状導出装置１００全体を管理および制御する。また、本実施形態において、中央制御部１１８は、測定対象物１０２において複数の位置センサ１１２が存在する部分の３次元形状を、複数の位置センサ１１２の位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部１３０としても機能する。以下、このような３次元形状導出装置１００の具体的な処理を説明する。
【００２４】
（位置センサ１１２における３次元位置の導出処理）
例えば、信号供給源１１０が電磁波に基づく信号を位置センサ１１２に供給している場合、位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅは、その電磁波の電波強度を通じて信号供給源１１０との距離を把握することができる。また、他の信号供給源１１０との位相差を用いることで、相対的な距離差を計算することもできる。さらに、位置センサ１１２のアンテナ１１２ａが指向性のマイクロアレイアンテナ等であれば、信号供給源１１０の方向を把握することも可能である。
【００２５】
したがって、位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅが自己の３次元位置を導出するためには、位置センサ１１２が信号供給源１１０の距離と方向を把握できる場合、信号供給源１１０は１つあれば足り、位置センサ１１２が信号供給源１１０の方向のみ把握できる場合、信号供給源１１０が２つあれば足り、位置センサ１１２が信号供給源１１０との距離のみを把握できる場合、信号供給源１１０が３つあれば足りる。
【００２６】
また、測定対象物１０２における位置センサ１１２の空間自由度が限定的な場合、位置センサ１１２は、さらに少ない信号供給源１１０で自己の３次元位置を導出できる。また、位置センサ１１２がＧＰＳ（Global Positioning System）等、既存のシステムを利用可能な場合、３次元位置導出部１１２ｅは、そのＧＰＳによって３次元位置を導出することも可能である。
【００２７】
また、信号供給源１１０が磁場に基づく信号を位置センサ１１２に供給している場合、複数の信号供給源１１０は、それぞれ排他的に磁場をオン／オフし、その際にいずれの信号供給源１１０をオンしたかを位置センサ１１２に知らせるべく、信号供給源１１０を特定する識別子を送信する。位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅは、その識別子と磁場の磁界強度を通じて個々の信号供給源１１０との距離を把握することができる。こうして、位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅは、複数の信号供給源１１０との距離に基づく３点測位法により、自己の３次元位置を導出することが可能となる。
【００２８】
（センサネットワーク）
図３は、複数の位置センサ１１２によって構築されるセンサネットワークを説明するための説明図である。上述したように信号供給源１１０の信号を受けて自己の３次元位置を導出した位置センサ１１２は、その３次元位置を示す位置情報をセンサ情報集約部１１４に伝達する。この際、近傍にある（隣り合う）複数の位置センサ１１２同士は、互いに無線通信し合うことで情報交換を行う、自律分散型のセンサネットワークを形成し、図３に示すように、各位置センサ１１２は、他の位置センサ１１２を複数経由する（ホップする）ことで最終的にセンサ情報集約部１１４に位置情報を伝達することができる。したがって、センサ情報集約部１１４は、複数の位置センサ１１２全てから個々に位置情報を受信しなくとも、センサ情報集約部１１４に近い位置センサ１１２群１３８に局所的に集められた位置情報を受信することで複数の位置センサ１１２全ての位置情報を取得することが可能となる。
【００２９】
本実施形態では、ＩＥＥＥ８０２．１５．４として規格化されたＺｉｇｂｅｅ（登録商標）等にも代表されるセンサネットワークを採用し、既存のアドホック機能やルーティン機能を用いて各位置センサ１１２の位置情報の取得経路を構築する。かかるアドホック機能やルーティン機能は、既存の様々な技術を適用できるので、ここではその詳細な説明を省略する。ただし、本実施形態においては、各位置センサ１１２が信号供給源１１０からの距離や自体の３次元位置を把握できるため、その３次元位置情報やスパニングツリープロトコルを用いて、センサ情報集約部１１４により遠い位置センサ１１２から、より近い位置センサ１１２に情報を経由する経路を構築できる（図３参照）。また、本実施形態では、位置センサ１１２が測定対象物１０２内で流動しているため、情報伝達経路をリアルタイムに再構築するのが望ましい。
【００３０】
（位置情報を発信する所定の条件について）
上記の複数の位置センサ１１２は、それぞれが位置情報を発信する能力を有しているが、本実施形態では、全ての位置センサ１１２に位置情報を発信させず、所定の条件を満たした場合にのみ位置情報を発信することとする。
【００３１】
位置センサ１１２は、測定対象物１０２の大きさや形状に応じて、数百、数千、またはそれ以上になる場合がある。しかし、その数百、数千の位置センサ１１２の３次元位置を全て厳密に取得するとした場合、センサネットワーク内の情報伝達負荷や中央制御部１１８における計算負荷が膨大になってしまい、所望する結果を得られないこともある。ここでは、所定の条件を満たした位置センサ１１２のみが位置情報を発信することで、位置情報元となる位置センサ１１２数を間引き、センサネットワーク内の情報伝達負荷や中央制御部１１８における計算負荷の軽減を図っている。ただし、位置センサ１１２に所定の条件を課すことでセンサ情報集約部１１４への情報伝達負荷は軽減されるが、近傍の他の位置センサ１１２との通信は継続的に実行される。したがって、近傍の他の位置センサ１１２との通信とセンサ情報集約部１１４に位置情報を伝達する通信とで、例えば、識別子の異なるヘッダやホップ数を示すヘッダを用いる等、別々のプロトコルを用いている。
【００３２】
以下、図４を用い、上述した所定の条件として、（１）適当に代表位置センサを導出する処理、（２）所定空間範囲内で代表位置センサを導出する処理、（３）境界に位置する位置センサを導出する処理、を例示する。ただし、所定の条件は、かかる場合に限られず、温度や圧力といった他のパラメータが所定閾値以上または所定閾値以下となった場合等、様々な条件を設定することができる。
【００３３】
（（１）適当に代表位置センサを導出する処理）
図４（ａ）に示すように、測定対象物１０２内の任意の位置センサ１１２ｇは、その近傍（例えば２ホップ内や所定遅延量内）にある複数の（例えば、数十、数百の）他のセンサ１１２を１つのグループ１４０とみなし（クラスタ化）、自体の位置情報をそのグループ１４０の代表値としてセンサ情報集約部１１４に送信する。このとき、３次元位置を収集した任意の位置センサ１１２がそのグループ１４０内に位置する他の位置センサ１１２の代表位置センサとなるので、３次元位置が参照されたグループ１４０内の他の位置センサ１１２は、３次元位置をセンサ情報集約部１１４に伝達しなくてよいとすることができる。ここで、近傍の範囲の基準となるホップ数や所定遅延量、３次元位置の平均化対象となるセンサ数は、３次元形状導出装置１００に要求される精度や分解能に応じて適宜決定される。
【００３４】
（（２）所定空間範囲内で代表位置センサを導出する処理）
他の例として、所定空間範囲内で代表位置センサ１１２を導出することが考えられる。これは代表位置センサ１１２を導出する点で上述した（１）適当に代表位置センサを導出する処理と似ているが、予め定められた範囲内に唯一の代表位置センサを導出する点で異なる。
【００３５】
ここでは、図４（ｂ）に示すように、３次元空間がマトリクス状に複数の所定空間範囲１４２に分割されている（所定空間範囲１４２は、ｘ、ｙ、ｚ座標それぞれの長さで表すことができる。）。そして、測定対象物１０２内の任意の位置センサ１１２ｇは、所定空間範囲１４２にある複数の（例えば、数十、数百の）他のセンサ１１２を１つのグループとみなし、自体の位置情報をその所定空間範囲１４２の代表値としてセンサ情報集約部１１４に送信する。このとき、３次元位置を収集した任意の位置センサ１１２がその所定空間範囲１４２内に位置する他の位置センサ１１２の代表位置センサとなるので、３次元位置が参照された所定空間範囲１４２内の他の位置センサ１１２は、３次元位置をセンサ情報集約部１１４に伝達しなくてよいとすることができる。
【００３６】
また、３次元形状導出装置１００では、かかる所定空間範囲１４２を特定する手段として、例えば、ブロードキャストによる手段やＭＡＰによる手段を用いている。ブロードキャストによる手段では、センサ情報集約部１１４が、各所定空間範囲１４２に対し、所定空間範囲１４２内に位置センサ１１２が存在するか否かを問う情報を発信し、位置センサ１１２は、指定された所定空間範囲１４２内に自体が存在していれば、その旨、センサ情報集約部１１４に伝達する。３次元形状導出部１３０は、１の所定空間範囲１４２内に、所定の数以上の位置センサ１１２が存在していれば、その所定空間範囲１４２を位置センサ１１２が占有していると判定する。各位置センサ１１２の位置測定精度が高い場合には、所定の数として１を含めることができる。３次元形状導出部１３０は、位置センサ１１２が所定の数以上存在する所定空間範囲１４２の外周部（輪郭部分）を測定対象物１０２の内部形状であると判断する。
【００３７】
また、ＭＡＰによる手段では、各位置センサ１１２が複数の所定空間範囲１４２を特定可能なＭＡＰを有しており、自体が位置する所定空間範囲１４２にフラグが設定されているか否か判定し、フラグが設定されていなかったらフラグを設定して、その所定空間範囲１４２に自体が存在することを示す。そして、位置センサ１１２は、フラグの判定処理を終えたＭＡＰを近傍の位置センサ１１２に伝達する。伝達された位置センサ１１２は、そのＭＡＰを更新する。こうして、複数の位置センサ１１２を経由したＭＡＰの各所定空間範囲１４２には、フラグが設定されているところと、フラグが設定されていないところが生じる。３次元形状導出部１３０は、かかるＭＡＰを参照し、フラグが設定されていれば、その所定空間範囲１４２を位置センサ１１２が占有していると判定し、フラグが設定されていなければ、その所定空間範囲１４２は、測定対象物１０２そのものか測定対象物１０２外の空間であると判定する。３次元形状導出部１３０は、フラグが設定されている所定空間範囲１４２の外周部（輪郭部分）を測定対象物１０２の内部形状であると判断する。
【００３８】
（（３）境界に位置する位置センサを導出する処理）
また、図４（ｃ）に示すように、複数の位置センサ１１２ｇは、近傍に存在する他の複数の位置センサ１１２の３次元位置に基づいて、自体が測定対象物１０２の境界に位置するか否かを判定し、測定対象物１０２の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することもできる。以下、位置センサ１１２の境界判定について詳述する。
【００３９】
（境界であることの判定処理）
図５、図６、図７は、位置センサ１１２による境界判定を説明するための説明図である。上述したように、位置センサ１１２は、粒子状に形成され、測定対象物１０２の測定面近傍、例えば、曲がった管の内部や閉じた狭い空間の内部に詰め込まれた状態で流動自在に移動する。位置センサ１１２の大きさは任意であるが、小さければ小さいほど測定精度を高めることができる。ここでは大きさが数ミリ程度の位置センサ１１２を想定している。また、このとき、測定対象物１０２内に位置センサ１１２のみを詰め込まず、砂等の流動体を並設（混合）してもよい。位置センサ１１２は、図５（ａ）に示す測定対象物１０２の障害物１５０や障害壁１５２内に入り込むことはないが、その他の空隙１５４には均等に充填されることとなる。
【００４０】
測定対象物１０２内の位置センサ１１２のみに着目すると、図５（ｂ）に示すように、障害物１５０や障害壁１５２に相当する部分だけ位置センサ１１２が存在しないことになるので、測定対象物１０２内の障害物１５０や障害壁１５２に当接している位置センサ１１２は、障害物１５０や障害壁１５２の方向に他の位置センサ１１２の存在を検知できないこととなる。本実施形態では、この事象を利用して、位置センサ１１２が境界に位置するか否か判定する。
【００４１】
境界の判定処理として、計算負荷の小さいものでは、所定範囲近傍（例えば２ホップ内）の位置センサ１１２の個数を計算する方法がある。例えば、図６（ａ）のように、位置センサ１１２が測定対象物１０２内で均等に配されている場合、空隙１５４に位置する位置センサ１１２ｈは近傍範囲１６０内に、例えば２０個の他の位置センサ１１２を検知することができる。しかし、図６（ｂ）のように、障害物１５０の境界に位置した位置センサ１１２ｉは検知できる位置センサ１１２が半減し、近傍範囲１６０内に、例えば１２個の他の位置センサ１１２しか検知できないこととなる。このように、検知可能な他の位置センサ１１２の個数によって、位置センサ１１２の個数が、位置センサ１１２の密度に基づく所定閾値以下であれば、位置センサ１１２自体が測定対象物１０２の境界に位置していることを簡易的に把握することが可能となる。
【００４２】
境界の他の判定処理として、図７に示すように、位置センサ１１２ｉは、位置センサ１１２ｉを対称点１７０とした所定範囲１６０内の他の複数の位置センサ１１２の重心位置１７２の点対称１７４と、位置センサ１１２とを結ぶ結線１７６を中心軸とした所定ステラジアン、例えば、（２−√２）πステラジアン内かつ所定範囲１６０内に他の位置センサ１１２がないとき、自体が測定対象物１０２の境界に位置すると判定する。
【００４３】
これは、位置センサ１１２が測定対象物１０２の境界に位置している場合、位置センサ１１２が集中しているところと位置センサ１１２が無いところとが正対していることを利用したもので、位置センサ１１２が集中しているところの重心位置１７２の点対称１７４に位置センサ１１２が無いことをもって、その位置センサ１１２が境界に位置していると判定するものである。ここで、（２−√２）πステラジアンは、頂角９０度の円錐の立体角を示す。また、頂角９０度に限らず、測定対象物１０２内の障害物１５０の形状に応じて適宜角度を変更することができる。
【００４４】
また、上述したように、所定の条件を満たした位置センサ１１２のみが位置情報を発信する場合において、ここでは、所定の条件を測定対象物１０２の境界に位置することとすることができ、位置センサ１１２は、近傍に存在する他の複数の位置センサ１１２の３次元位置に基づいて、自体が測定対象物１０２の境界に位置するか否かを判定し、測定対象物１０２の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することとする。
【００４５】
かかる構成により、図５（ｃ）の如く、測定対象物１０２の障害物１５０や障害壁１５２の境界に位置する、図５（ｃ）中黒の塗り潰しで表した位置センサ１１２のみが位置情報をセンサ情報集約部１１４に伝達することとなるので、３次元形状導出装置１００は、全ての位置センサ１１２の位置情報を抽出しないことで計算負荷の軽減を図ることができ、境界に位置する位置センサ１１２の位置情報のみによって、測定対象物１０２の障害物１５０や障害壁１５２の形状を正確に導出することが可能となる。
【００４６】
（位置情報の平均化処理）
ところで、電場や電磁波に基づくとしても、磁場に基づくとしても、各センサ１１２で導出された３次元位置が十分な精度を有さない場合がある。そこで、本実施形態におけるセンサ１１２は、センサネットワーク中の他のセンサ１１２の３次元位置も利用して３次元位置の高精度化を図ることができる。例えば、図４（ａ）を用いて説明した（１）適当に代表位置センサを導出する場合において、任意のセンサ１１２が、グループ１４０とみなした近傍にある複数の他のセンサ１１２から３次元位置を取得し、取得した全てのセンサ１１２の３次元位置と自己が導出した３次元位置の平均値を求めて自己の３次元位置とする。このような平均化処理は、（２）所定空間範囲内で代表位置センサを導出する場合や、（３）境界に位置する位置センサを導出する場合にも適用できるのは言うまでもない。
【００４７】
例えば、位置センサ１１２の直径が０．１ｍｍであり、各位置センサ１１２の位置測定精度が１ｃｍであったとする。すると、測定対象物１０２内における１ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍの立方空間の中には１０００個の位置センサ１１２が入っていることとなり、位置センサ１１２の位置測定値の平均値をとると、測定精度が１ｍｍ近く（２ｍｍ以下）まで高まる。
【００４８】
また、３次元位置の高精度化手法は、かかる場合に限られず、例えば、位置センサ１１２毎に３次元位置の導出を繰り返し実行させ、複数回分の導出結果を平均化させてそれを位置センサ１１２の３次元位置とさせることでも３次元位置の高精度化を図ることができる。
【００４９】
（３次元形状導出方法）
次に、図８のフローチャートに基づいて、３次元形状の導出方法を述べる。ここでは、測定対象物１０２に複数の位置センサ１１２が流動可能に詰め込まれている。まず、測定対象物１０２に詰め込まれた全ての位置センサ１１２は、信号供給源１１０から供給された信号に基づいて自体の３次元位置を導出する（Ｓ２００）。そして、各位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅは、近傍の他の位置センサ１１２の３次元位置を取得し、その３次元位置を平均化し、他の位置センサ１１２の重心位置１７２を求める（Ｓ２０２）。
【００５０】
そして、３次元位置導出部１１２ｅは、かかる重心位置１７２の、位置センサ１１２を対称点１７０とした点対称１７４と位置センサ１１２とを結ぶ結線１７６を求め、その結線１７６を中心軸とした（２−√２）πステラジアン内に他の位置センサ１１２が含まれるか否か判定する（Ｓ２０４）。他の位置センサ１１２が含まれている場合（Ｓ２０４におけるＹＥＳ）、３次元位置導出部１１２ｅは、自体（位置センサ１１２）が測定対象物１０２の空隙１５４に位置すると判定し、位置センサ１１２における処理を終了する。また、他の位置センサ１１２が含まれていない場合（Ｓ２０４におけるＮＯ）、自体が測定対象物１０２の境界に位置すると判定する。
【００５１】
さらに、自体が測定対象物１０２の境界に位置すると判定した３次元位置導出部１１２ｅは、その近傍（例えば２ホップ内）にある、測定対象物１０２の境界に位置すると判定した位置センサ１１２から３次元位置を取得し（Ｓ２０６）、近傍にある全ての位置センサ１１２の３次元位置の平均値を求めて自己の３次元位置とする（Ｓ２０８）。このとき、位置センサ１１２は、その近傍の測定対象物１０２の境界に位置する位置センサ１１２群の代表位置センサとなり、３次元位置が参照された２ホップ内の位置センサ１１２は、３次元位置をセンサ情報集約部１１４に伝達しなくてよい。こうすることで、センサネットワーク内の情報伝達負荷や中央制御部１１８における計算負荷を軽減することが可能となる。
【００５２】
このようにして代表位置センサとなった測定対象物１０２の境界に位置する位置センサ１１２の通信部１１２ｃは、自体の３次元位置を示す位置情報を発信し（Ｓ２１０）、センサ情報集約部１１４は、位置センサ１１２が発信した位置情報を受信し（Ｓ２１２）、３次元形状導出部１３０は、測定対象物１０２における複数の位置センサ１１２が存在する部分の３次元形状を、複数の位置センサ１１２の位置情報に基づいて導出する（Ｓ２１４）。複数の位置センサ１１２の３次元位置から３次元形状を導出するアルゴリズムは既存の様々な技術を利用することができるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
【００５３】
以上、説明した３次元形状導出装置１００によって、曲がった管の内部形状や閉じた狭い空間の内部形状等、複数台のカメラやレーザセンサ等の大掛かりな装置をもってしても測定困難であった外部から確認できない複雑な形状も、センサネットワークを用いて導出することが可能となる。また、３次元形状導出装置１００では視覚センサを用いる必要がないので、測定対象物１０２が投光されていなくても、また、他の光源により、レーザ計測が機能しないような状況下においても、確実に３次元形状を導出することができる。したがって、ロボットによるピッキング処理や製品内部形状のリバースエンジニアリング等、様々な用途において、正確に３次元形状を把握することが可能となる。
【００５４】
また、位置センサ１１２が、所定の条件を満たした場合にのみ、例えば、近傍に存在する他の複数の位置センサ１１２の３次元位置に基づいて、自体が測定対象物１０２の境界に位置するか否かを判定し、測定対象物１０２の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することで、センサネットワーク内の情報伝達負荷や中央制御部１１８における計算負荷を軽減することが可能となる。
【００５５】
さらに、３次元形状導出装置１００では、多数の位置センサ１１２を用いているので測定点数が多く、位置センサ１１２の幾つかが機能しなくなったとしても測定結果に支障を来すことがなく、ロバスト性を担保することができる。また、多数の位置センサ１１２を平均化することで高精度化を図ることが可能となる。
【００５６】
また、コンピュータによって３次元形状導出装置１００として機能するプログラムや、当該プログラムを記憶した記憶媒体も提供される。さらに、当該プログラムは、記憶媒体から読み取られてコンピュータに取り込まれてもよいし、通信ネットワークを介して伝送されてコンピュータに取り込まれてもよい。
【００５７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５８】
例えば、上述した実施形態では、位置センサ１１２をそのままの状態で測定対象物１０２に詰め込む例を挙げているが、位置センサ１１２は空気中にある必要はなく、液体中や固体中でも動作可能である。したがって、測定対象物１０２の中に、位置センサ１１２を混ぜた液体を流し込んで測定する方法もありうる。また、プラスチックなどの形成時に位置センサ１１２を混ぜ込んでおくことで、自体の形状を測定できる材料を作ることもできる。
【００５９】
また、上述した実施形態では、３次元位置を位置センサ１１２内で導出する構成を説明したが、位置センサ１１２が取得した信号供給源１１０から供給された信号をそのままセンサ情報集約部１１４に送信して、中央制御部１１８等、他の計算機で３次元位置を導出することもできる。
【００６０】
また、高い測定精度を要さない場合、信号供給源１１０を省略して、位置センサ１１２同士の相対関係から３次元位置を導出することも可能である。
【００６１】
なお、本明細書の３次元形状導出方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、センサネットワークを通じて３次元形状を導出する３次元形状導出装置および３次元形状導出方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１００ …３次元形状導出装置
１０２ …測定対象物
１１０ …信号供給源
１１２ …位置センサ
１１４ …センサ情報集約部
１３０ …３次元形状導出部
１４２ …所定空間範囲
１７０ …対称点
１７２ …重心位置
１７４ …点対称
１７６ …結線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信する流動自在な複数の位置センサと、
前記複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部と、
測定対象物における前記複数の位置センサが存在する部分の３次元形状を、該複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部と、
を備えることを特徴とする３次元形状導出装置。
【請求項２】
３次元位置を異にして複数配置された信号供給源をさらに備え、
前記複数の位置センサは、前記信号供給源から供給された信号に基づき該信号供給源との距離または該信号供給源の方向を算出することで自体の３次元位置を導出することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状導出装置。
【請求項３】
前記複数の位置センサは、所定の条件を満たした場合にのみ位置情報を発信することを特徴とする請求項１または２に記載の３次元形状導出装置。
【請求項４】
前記所定の条件は所定空間範囲内で唯一の代表位置センサとなることであり、
前記位置センサは、自体が前記代表位置センサとなった場合にのみ位置情報を発信することを特徴とする請求項３に記載の３次元形状導出装置。
【請求項５】
前記所定の条件は前記測定対象物の境界に位置することであり、
前記位置センサは、近傍に存在する他の複数の位置センサの３次元位置に基づいて、自体が前記測定対象物の境界に位置するか否かを判定し、該測定対象物の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することを特徴とする請求項３に記載の３次元形状導出装置。
【請求項６】
前記位置センサは、所定範囲内に存在する他の位置センサの個数が、該位置センサの密度に基づく所定閾値以下であれば、自体が前記測定対象物の境界に位置すると判定することを特徴とする請求項５に記載の３次元形状導出装置。
【請求項７】
前記位置センサは、前記位置センサを対称点とした他の複数の位置センサの重心位置の点対称と前記位置センサとを結ぶ結線を中心軸とした所定ステラジアン内かつ所定範囲内に他の位置センサがないとき、自体が前記測定対象物の境界に位置すると判定することを特徴とする請求項５に記載の３次元形状導出装置。
【請求項８】
測定対象物に流動可能に配された複数の位置センサと、該複数の位置センサと通信可能なセンサ情報集約部とを備える３次元形状導出装置を用いて該測定対象物の３次元形状を導出する３次元形状導出方法であって、
前記複数の位置センサは、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信し、
前記センサ情報集約部は、前記複数の位置センサが発信した位置情報を受信し、
前記測定対象物における前記複数の位置センサが存在する部分の３次元形状を、該複数の位置センサの位置情報に基づいて導出することを特徴とする３次元形状導出方法。
【請求項１】
自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信する流動自在な複数の位置センサと、
前記複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部と、
測定対象物における前記複数の位置センサが存在する部分の３次元形状を、該複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部と、
を備えることを特徴とする３次元形状導出装置。
【請求項２】
３次元位置を異にして複数配置された信号供給源をさらに備え、
前記複数の位置センサは、前記信号供給源から供給された信号に基づき該信号供給源との距離または該信号供給源の方向を算出することで自体の３次元位置を導出することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状導出装置。
【請求項３】
前記複数の位置センサは、所定の条件を満たした場合にのみ位置情報を発信することを特徴とする請求項１または２に記載の３次元形状導出装置。
【請求項４】
前記所定の条件は所定空間範囲内で唯一の代表位置センサとなることであり、
前記位置センサは、自体が前記代表位置センサとなった場合にのみ位置情報を発信することを特徴とする請求項３に記載の３次元形状導出装置。
【請求項５】
前記所定の条件は前記測定対象物の境界に位置することであり、
前記位置センサは、近傍に存在する他の複数の位置センサの３次元位置に基づいて、自体が前記測定対象物の境界に位置するか否かを判定し、該測定対象物の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することを特徴とする請求項３に記載の３次元形状導出装置。
【請求項６】
前記位置センサは、所定範囲内に存在する他の位置センサの個数が、該位置センサの密度に基づく所定閾値以下であれば、自体が前記測定対象物の境界に位置すると判定することを特徴とする請求項５に記載の３次元形状導出装置。
【請求項７】
前記位置センサは、前記位置センサを対称点とした他の複数の位置センサの重心位置の点対称と前記位置センサとを結ぶ結線を中心軸とした所定ステラジアン内かつ所定範囲内に他の位置センサがないとき、自体が前記測定対象物の境界に位置すると判定することを特徴とする請求項５に記載の３次元形状導出装置。
【請求項８】
測定対象物に流動可能に配された複数の位置センサと、該複数の位置センサと通信可能なセンサ情報集約部とを備える３次元形状導出装置を用いて該測定対象物の３次元形状を導出する３次元形状導出方法であって、
前記複数の位置センサは、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信し、
前記センサ情報集約部は、前記複数の位置センサが発信した位置情報を受信し、
前記測定対象物における前記複数の位置センサが存在する部分の３次元形状を、該複数の位置センサの位置情報に基づいて導出することを特徴とする３次元形状導出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１５９３６１（Ｐ２０１２−１５９３６１Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８３５５（Ｐ２０１１−１８３５５）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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