CN109940267B - 校准方法和校准装置 - Google Patents

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Abstract

校准方法和校准装置。在激光照射装置与照相机之间高精度地校准坐标系。激光扫描器(30)按照扫描器坐标系(Cs)中的规定的图案向板(50)照射校准用激光，在板(50)的表面上投射了激光的光点(m)的状态下变更板(50)的配置位置，照相机(3)在板(50)的各配置位置处拍摄光点(m)，根据基于拍摄出的图像而得到的照相机坐标系(Cc)中的多个光点(m)的三维位置，计算扫描器坐标系(Cs)与照相机坐标系(Cc)的相对位置关系。

Description

校准方法和校准装置
技术领域
公开的实施方式涉及校准方法和校准装置。
背景技术
在专利文献1中记载了一种激光加工装置，该激光加工装置由一对旋转镜、用于使由一对旋转镜反射的激光线会聚到规定平面上的平场透镜、XY工作台和测量激光线的照射痕迹的位置的测量装置构成。
专利文献1：日本特开平8-174256号公报
在如上述现有技术那样在被加工物上形成照射痕迹的情况下，难以使在激光加工装置的坐标系中指定的照射位置与实际的照射痕迹的位置一致。因此，存在如下问题：有可能在指定的照射位置与实际的照射痕迹之间产生位置偏差，在根据照射痕迹进行校准的情况下难以实现高精度化。
发明内容
本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于提供一种能够在激光照射装置与照相机之间高精度地校准坐标系的校准方法和校准装置。
为了解决上述课题，根据本发明的一个观点，应用一种校准方法，是激光照射装置的激光器坐标系与照相机的照相机坐标系的校准方法，具有以下步骤：所述激光照射装置按照所述激光器坐标系中的规定的图案向对象物照射校准用的激光；在所述对象物的表面上投射了所述激光的光点的状态下变更所述对象物的配置位置；所述照相机在所述对象物的各配置位置处拍摄所述光点；以及根据基于拍摄出的图像而得到的所述照相机坐标系中的多个所述光点的三维位置，计算所述激光器坐标系与所述照相机坐标系的相对位置关系。
此外，根据本发明的另一观点，应用一种校准装置，其进行激光照射装置的激光器坐标与照相机的照相机坐标系的校准，该校准装置具有：校准用照射控制部，其将所述激光照射装置控制成按照所述激光器坐标系中的规定的图案向对象物照射校准用的激光；图像取得部，其取得由所述照相机拍摄的、投射在变更配置位置的所述对象物的表面上的所述激光的光点的各配置位置处的拍摄图像；以及第1校准处理部，其根据基于所述拍摄图像而得到的所述照相机坐标系中的多个所述光点的三维位置，计算所述激光器坐标系与所述照相机坐标系的相对位置关系。
根据本发明，能够在激光照射装置与照相机之间高精度地校准坐标系。
附图说明
图1是示出实施方式的机器人系统的整体结构的一例的说明图。
图2是示出机器人的结构的一例的说明图。
图3是示出激光扫描器的概念性结构的一例的说明图。
图4A是示出将控制原点与扫描器坐标系的Z＝0处的矩形图案连接起来的四棱锥的三维点组的取得法的一例的说明图。
图4B是示出将控制原点与扫描器坐标系的Z＝0处的矩形图案连接起来的四棱锥的三维点组的取得法的另一例的说明图。
图5是示出带标记的板的一例的俯视图。
图6是示出加尔瓦诺坐标系和扫描器坐标系的计算法的一例的说明图。
图7是示出上位控制器、激光控制器和机器人控制器的功能结构的一例的框图。
图8是示出坐标系的校准时的上位控制器和激光控制器执行的控制内容的一例的流程图。
图9是示出坐标系的校准时的上位控制器和激光控制器执行的控制内容的一例的流程图。
图10是示出照相机相互之间的校准方法的一例的说明图。
图11是示出控制器的硬件结构的一例的说明图。
标号说明
3：照相机；3a～3c：照相机；20：上位控制器(校准装置的一例)；21：图像取得部；25：第1校准处理部；26：第2校准处理部；27：校准判定部；40：激光控制器(校准装置的一例)；30：激光扫描器(激光照射装置的一例)；41：校准用照射控制部；42：加工用照射控制部；50：板(对象物的一例)；51：标记；55：校准装置；Cc：照相机坐标系；Cg：加尔瓦诺坐标系(激光器坐标系的一例)；Cs：扫描器坐标系(激光器坐标系的一例)；m：光点；P0：控制原点。
具体实施方式
以下，参照附图对一个实施方式进行说明。
<1.机器人系统的整体结构>
首先，参照图1，对应用实施方式的激光器坐标系与照相机坐标系的校准方法的机器人系统1的整体结构的一例进行说明。
如图1所示，机器人系统1是使用机器人10对由输送装置2输送的工件W进行加工的系统。机器人系统1具有输送装置2、照相机3、机器人10、激光扫描器30、上位控制器20、内置于激光扫描器30的激光控制器40(参照后述的图3和图7)和机器人控制器15(参照后述的图7)。
输送装置2沿着规定的移动路径输送工件W。另外，图1中的箭头D表示输送装置2输送工件W的移动方向。输送装置2可以使工件W在机器人10的作业位置处停止，也可以使工件W在作业位置处不停止而继续移动。工件W由单个或者多个部件构成，具有进行规定作业的顶板部5。工件W未特别限定，例如是车辆的车身等。
机器人10设置在输送装置2的附近。机器人10例如是具有6个关节部的垂直多关节型的6轴机器人，在其末端安装有激光扫描器30作为末端执行器。机器人控制器15安装在机器人10的例如基台101上，控制机器人10。另外，机器人10也可以是6轴以外(例如5轴、7轴等)的机器人。此外，机器人10也可以是水平多关节型、并联连杆机器人等垂直多关节型以外的机器人。此外，还可以将机器人控制器15与机器人10分离配置。
照相机3在输送装置2的上方沿着输送方向设置有至少1个，在该例子中设置有3个。照相机3实时地检测机器人10进行上述规定作业时的工件W的三维位置。照相机3与上位控制器20连接，由照相机3拍摄出的图像发送到上位控制器20。
另外，照相机3的设置个数不限于3个，也可以为1个或2个，还可以为4个以上。此外，各照相机3可以由单一的照相机(单目照相机)构成，也可以由多个照相机(立体照相机)构成。此外，只要能够检测工件W的三维位置，则也可以使用照相机以外的传感器(例如激光传感器等)。
在工件W的顶板部5上设置有位置检测用的多个标记7。在该例子中，3个标记7a～7c分别设置在例如顶板部5的角部附近。这3个标记7a～7c规定以工件W的规定位置为原点O的三维坐标系(以下称作“工件坐标系”)。在该例子中，例如设定有以顶板部5的一个角部附近为原点O、由相互正交的X轴、Y轴、Z轴构成的工件坐标系Cw。各工件W在工件坐标系Cw中分别设定有作为作业目标的示教点的坐标。
上述3个标记7a～7c分别由照相机3拍摄。而且，由接收到拍摄出的图像的上述上位控制器20的图像分析处理部22(参照后述的图7)测量照相机3具有的照相机坐标系Cc(参照后述的图4)中的工件W的三维位置和姿态(包含绕X轴的旋转量θx、绕Y轴的旋转量θy、绕Z轴的旋转量θz)。上述工件坐标系Cw中的示教点的坐标转换为机器人10具有的机器人坐标系Cr(省略图示)并存储到存储部28(参照后述的图7)中。所存储的机器人坐标系Cr的示教数据由示教数据校正部23(参照后述的图7)根据测量出的工件W的照相机坐标系Cc中的三维位置和姿态依次进行校正。
另外，之后叙述详细内容，由上位控制器20的校准部24(参照后述的图7)预先进行照相机坐标系Cc与激光扫描器30具有的扫描器坐标系Cs(参照后述的图4)之间的坐标系的校准。此外，扫描器坐标系Cs与机器人坐标系Cr的相对位置关系和机器人10的姿态等对应地成为已知的关系。因此，示教数据校正部23基于上述校准结果和已知的位置关系，根据测量出的工件W的三维位置和姿态，校正机器人坐标系Cr的示教数据。校正后的示教数据发送到机器人控制器15，机器人10根据该校正后的示教数据，对工件W进行激光焊接。
另外，设置在工件W上的标记7的数量和位置也可以是上述以外的数量和位置。此外，照相机3的检测对象不限于标记，只要作为位置检测用基准得到保证，例如也可以是工件W的凹凸形状或孔等。
激光扫描器30(激光照射装置的一例)构成为切换校准用激光与加工用激光而以同一光轴进行照射。激光扫描器30在对工件W进行激光焊接时照射加工用激光，在进行上述扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的校准时照射校准用激光。
<2.机器人的结构>
接着，参照图2，对机器人10的结构的一例进行说明。
如图2所示，机器人10具有基台101、回转部102和臂103。基台101利用例如地脚螺栓等固定在机器人10的设置面上。设置面例如是地面，也可以固定于地面以外的设置面(例如，顶面或侧面等)。
回转部102以能够绕与设置面大致垂直的旋转轴心Ax1回转的方式支承于基台101的与设置面相反的一侧的前端部。该回转部102通过设置在与基台101之间的关节部的致动器Ac1的驱动，相对于基台101的前端部绕旋转轴心Ax1进行回转驱动。
臂103支承于回转部102的例如一侧的侧部。该臂103具有下臂部104、上臂部105、手臂部106和凸缘部107。
下臂部104以能够绕与旋转轴心Ax1大致垂直的旋转轴心Ax2回转的方式支承于回转部102的一侧的侧部。该下臂部104通过设置在与回转部102之间的关节部的致动器Ac2的驱动，相对于回转部102的一侧的侧部绕旋转轴心Ax2进行回转驱动。
上臂部105以能够绕与旋转轴心Ax2大致平行的旋转轴心Ax3回转、且能够绕与旋转轴心Ax3大致垂直的旋转轴心Ax4转动的方式，支承于下臂部104的前端侧。该上臂部105通过设置在与下臂部104之间的关节部的致动器Ac3的驱动，相对于上臂部104的前端侧绕旋转轴心Ax3进行回转驱动。此外，上臂部105通过设置在与致动器Ac3上的致动器Ac4的驱动，相对于手臂部104的前端侧绕旋转轴心Ax4进行转动驱动。
手臂部106以能够绕与旋转轴心Ax4大致垂直的旋转轴心Ax5回转的方式，支承于上臂部105的前端侧。该手臂部106通过设置在与上臂部105之间的关节部的致动器Ac5的驱动，相对于上臂部105的前端侧，绕旋转轴心Ax5进行回转驱动。
凸缘部107以能够绕与旋转轴心Ax5大致垂直的旋转轴心Ax6转动的方式，支承于手臂部106的前端侧。该凸缘部107通过设置在与手臂部106之间的关节部的致动器Ac6的驱动，相对于手臂部106的前端侧绕旋转轴心Ax6进行转动驱动。
激光扫描器30安装于凸缘部107的前端，与凸缘部107绕旋转轴心Ax6的转动一起绕旋转轴心Ax6转动。
具有以上结构的机器人10是具有6个关节部的6轴机器人，该6个关节部具有6个致动器Ac1～Ac6。驱动各关节部的致动器Ac1～Ac6例如由伺服电机、减速器和制动器等构成。另外，伺服电机、减速器和制动器等不一定需要配置在旋转轴心Ax1～Ax6上，也可以配置在与这些旋转轴心Ax1～Ax6分离的位置。
另外，以上将绕沿着臂103的长度方向(或者延伸方向)的旋转轴心的旋转称作“转动”、绕与臂103的长度方向(或者延伸方向)大致垂直的旋转轴心的旋转称作“回转”而进行区分。
<3.激光扫描器的概念性结构>
接着，参照图3，对激光扫描器30的概念性结构的一例进行说明。
如图3所示，激光扫描器30具有加工用激光振荡器31、校准用激光振荡器32、切换镜33、X轴反射镜34、X轴电机35、Y轴反射镜36、Y轴电机37、聚光透镜38和激光控制器40。
加工用激光振荡器31发射用于工件W的焊接等的加工用激光。从加工用激光振荡器31发射的加工用激光经过切换镜33而被X轴反射镜34和Y轴反射镜36反射，由聚光透镜38会聚，照射到工件W的焊接位置。激光控制器40驱动X轴电机35和Y轴电机37而控制X轴反射镜34和Y轴反射镜36的角度，依照焊接数据，在X轴方向和Y轴方向上扫描加工用激光。
校准用激光振荡器32发射用于激光扫描器30与照相机3之间的坐标系的校准的校准用激光。校准用激光例如是可见光。从校准用激光振荡器32发射的校准用激光由切换镜33切换成与加工用激光为同一光轴。与加工用激光同样，校准用激光被X轴反射镜34和Y轴反射镜36反射，由聚光透镜38会聚，照射到校准用板50(参照后述的图4和图5)。之后对坐标系的校准进行叙述。另外，图3所示的控制原点P0是规定从激光扫描器30输出的激光的出射方向的反射点，是成为激光扫描器30的扫描中心的点。
上述加工用激光振荡器31和校准用激光振荡器32的激光的发射和停止、驱动切换镜33的电机(省略图示)由激光控制器40控制。
<4.扫描器坐标系与照相机坐标系的校准方法>
使用图4～图6，对激光扫描器30的扫描器坐标系Cs与照相机3的照相机坐标系Cc的校准方法的一例进行说明。
在利用激光扫描器30根据通过照相机3的拍摄而得到的工件W的位置信息进行焊接的情况下，需要通过计算求出照相机坐标系Cc与扫描器坐标系Cs的相对位置关系而进行校准(calibration)。在本实施方式中，如以下这样进行坐标系间的校准。
如图4A所示，在激光扫描器30的扫描器坐标系Cs中，按照规定的图案、例如以Z＝0的XY平面上的点Q1(X2，Y1，0)、点Q2(X2，Y2，0)、点Q3(X1，Y2，0)、点Q4(X1，Y1，0)为顶点的矩形图案，从激光扫描器30照射校准用激光。由此，构成将控制原点P0与点Q1、Q2、Q3、Q4连接起来的基于激光的四棱锥。
另外，“扫描器坐标系Cs”是为了指定激光扫描器30的照射位置而以光学方式设计的、由相互正交的X轴、Y轴、Z轴构成的正交坐标系。此外，规定的图案也可以在Z＝0以外的位置处的与Z轴垂直的面上规定，也可以采用矩形以外的形状(例如三角形、圆形等图形、字符、符号等)。即，规定的图案只要是将控制原点P0作为扫描中心而在扫描器坐标系Cs上沿X轴方向和Y轴方向扫描规定量的图案即可。
上述规定的图案的激光被投射在配置于可投射该激光的任意位置处的板50(对象物的一例)的表面，由照相机3拍摄4个光点m。而且，在板50的表面上投射了激光的光点m的状态下，变更板50的配置位置。配置位置的变更例如可以如图4A所示，通过在使板50为相同姿态的状态下变更高度方向(Z轴方向)的位置来进行，也可以如图4B所示使板50摆动而变更姿态来进行。或者，还可以组合这些动作。即，只要以变更各个光点m的高度方向(Z轴方向)的位置的方式进行板50的配置位置的变更即可。另外，板50的配置位置的变更可以由作业者通过手动作业进行，也可以使用适当的装置自动地进行。
一边以上述的方式变更板50的配置位置，一边由照相机3在板50的各配置位置处拍摄4个光点m。另外，照相机3的拍摄可以在时间上连续地进行，也可以在每次变更板50的配置位置时间断地拍摄多次。关于配置位置的变更，进行至少1次即可，即，在四棱锥的各边中的2个部位以上进行光点m的拍摄即可，但优选的是，光点m的拍摄为3个部位以上且各拍摄部位的相隔距离尽量远离。图4A和图4B示出了配置位置的变更为2次、光点m的拍摄为四棱锥的各边中的3个部位的情况。将拍摄出的图像发送到上位控制器20，对各图像进行图像分析，测量照相机3的照相机坐标系Cc中的各光点m的三维位置。由此，能够得到构成上述四棱锥的多个三维点组。另外，“照相机坐标系Cc”是为了根据拍摄图像测量三维位置而以光学方式设计的、由相互正交的X轴、Y轴、Z轴构成的正交坐标系。
如图5所示，板50是带标记的板，其按照规定的配置图案(在该例中，是在纵横方向上以规定的固定间隔L排列的格子状的配置图案)配置有多个标记51。通过使用这样的带标记的板，能够由单一的照相机3通过所谓透视失真匹配处理来测量光点m的三维位置。另外，在各照相机3由多个照相机(立体照相机)构成的情况下，也可以使用不存在标记的板。
接着，上位控制器20使用所取得的多个光点m的三维位置计算回归直线，如图6所示，计算构成四棱锥的向量p1(从点Q1朝向控制原点P0的向量)、向量p2(从点Q2朝向控制原点P0的向量)、向量p3(从点Q3朝向控制原点P0的向量)、向量p4(从点Q4朝向控制原点P0的向量)。然后，上位控制器20根据计算出的向量p1、p2、p3、p4的交点位置，计算激光的控制原点P0。此外，上位控制器20根据计算出的向量p1、p2、p3、p4，计算以控制原点P0为原点的加尔瓦诺(galvano)坐标系Cg的基向量(X轴、Y轴、Z轴方向的向量)。具体而言，通过对向量p1、p2、p3、p4进行相加(或平均)，计算Z轴的基向量，通过计算向量p1、p4(或向量p2、p3)的差分，计算X轴的基向量，通过计算向量p1、p2(或向量p3、p4)的差分，计算Y轴的基向量。由此，能够计算从照相机坐标系Cc观察到的加尔瓦诺坐标。
另外，“加尔瓦诺坐标系Cg”是以控制原点P0为原点的、由相互正交的X轴、Y轴、Z轴构成的正交坐标系。加尔瓦诺坐标系Cg和扫描器坐标系Cs处于这样的位置关系：基向量彼此相等，且彼此的原点在Z轴方向上相离以光学方式设计的规定量。另外，加尔瓦诺坐标系Cg和扫描器坐标系Cs均是激光器坐标系的一例。
因此，通过计算加尔瓦诺坐标，能够计算从照相机坐标系Cc观察到的扫描器坐标，可实现照相机坐标系Cc与扫描器坐标系Cs之间的坐标系的校准(calibration)。另外，例如在利用加尔瓦诺坐标系Cg指定激光扫描器30的照射位置而不是利用扫描器坐标系Cs指定激光扫描器30的照射位置的情况下，在照相机坐标系Cc与加尔瓦诺坐标系Cg之间进行校准即可。
<5.上位控制器、激光控制器、机器人控制器的功能结构>
接着，参照图7，对上位控制器20、激光控制器40、和机器人控制器15的功能结构的一例进行说明。其中，上位控制器20和激光控制器40构成校准装置55。
上位控制器20例如由个人计算机(PC)、可编程的逻辑控制器(PLC)等构成。上位控制器20具有图像取得部21、图像分析处理部22、示教数据校正部23、校准部24和存储部28。
图像取得部21取得由照相机3拍摄的、投射在板50的表面上的激光的光点m的各配置位置处的拍摄图像、工件W的标记7a～7c的拍摄图像。
图像分析处理部22对由图像取得部21取得的拍摄图像执行规定的图像分析处理，测量照相机坐标系Cc中的各光点m的三维位置、各标记7a～7c的三维位置。
校准部24具有第1校准处理部25、第2校准处理部26和校准判定部27。
第1校准处理部25根据基于拍摄图像而获得的照相机坐标系Cc中的多个光点m的三维位置，计算扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的相对位置关系。具体而言，第1校准处理部25根据多个光点m的三维位置计算回归直线，根据多个回归直线计算构成上述四棱锥的向量p1、p2、p3、p4。然后，根据向量p1、p2、p3、p4的交点位置，计算激光的控制原点P0，并且，根据向量p1、p2、p3、p4，计算以控制原点P0为原点的加尔瓦诺坐标系Cg的基向量。然后，根据以光学方式设计的规定量，计算照相机坐标系Cc与扫描器坐标系Cs的相对位置关系。
校准判定部27在由第1校准处理部25计算出扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的相对位置关系之后，在照相机坐标系Cc中指定规定的照射位置而对配置在规定基准位置处的板50照射激光，根据基于拍摄的图像而得到的光点m的三维位置，判定扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的校准是否已正常地完成。例如，在指定的照射位置与光点m的位置的位置偏差在规定阈值以内的情况下，判定为正常，在大于阈值的情况下，判定为异常。在校准判定部27判定为校准已正常地完成的情况下，保存扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc之间的坐标系的校准结果，用于示教数据校正部23的处理。在由校准判定部27判定为坐标系的校准未正常地完成(异常)的情况下，反复进行第1校准处理部25的校准。
在校准判定部27判定为扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的校准已正常地完成的情况下，第2校准处理部26在校准完成后的照相机3的照相机坐标系Cc与另一照相机3的照相机坐标系Cc之间进行照相机相互之间的校准，该另一照相机3的视野与该校准完成后的照相机3重叠。对此，在后面进行叙述(参照图9、图10)。
在存储部28中存储有机器人10对工件W进行焊接作业的示教数据、激光扫描器30对工件W进行焊接的焊接数据(与焊接位置、焊接速度、焊接轨迹有关的信息等)等。如上所述，在工件W中，确定了在工件坐标系Cw中作为焊接目标的示教点的坐标，将该示教点转换为与机器人10对应的机器人坐标系Cr，作为示教数据存储到存储部28中。另外，在工件W以规定的基准姿态静止在规定的基准位置处的状态下，进行从工件坐标系Cw向机器人坐标系Cr的转换。
示教数据校正部23根据图像分析处理部22的图像的分析结果和第1校准处理部25的校准结果，校正从存储部28读出的示教数据。即，如上所述，扫描器坐标系Cs与机器人坐标系Cr的相对位置关系和机器人10的姿态等对应地成为已知的关系。因此，示教数据校正部23基于上述校准结果和已知的位置关系，根据测量出的工件W的三维位置和姿态，校正从存储部28读出的示教数据。校正后的示教数据发送到机器人控制器15。
机器人控制器15具有运动控制部16和伺服放大器17。运动控制部16根据从上述示教数据校正部23接收到的示教数据，运算使机器人10的前端的激光扫描器30移动到该示教数据指示的位置而所需的机器人10的各致动器Ac1～Ac6的伺服电机(省略图示)的目标旋转角度等，输出对应的电机位置指令。
伺服放大器17根据从上述运动控制部16输入的电机位置指令，进行供给到致动器Ac1～Ac6的伺服电机的驱动电力的控制，控制机器人10的动作。
激光控制器40具有校准用照射控制部41和加工用照射控制部42。
在第1校准处理部25进行扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的校准时，校准用照射控制部41将激光扫描器30控制成按照扫描器坐标系Cs中的规定的图案向板50照射校准用激光。此外，在校准判定部27判定坐标系的校准是否已正常地完成时，将激光扫描器30控制成将校准用激光照射到照相机坐标系Cc中的规定的照射位置。
加工用照射控制部42根据存储部28所存储的焊接数据，将激光扫描器30控制成将加工用激光照射到工件W的规定位置。
另外，上述的上位控制器20、激光控制器40、机器人控制器15中的各处理部的处理等不限于这些处理的分担的例子，例如也可以由更少数量的处理部(例如1个处理部)进行处理，还可以由更细分的处理部进行处理。并且，各控制器20、40、15的处理的分担不限于上述例子，例如，也可以由激光控制器40进行校准部24等的处理，还可以由机器人控制器15进行示教数据校正部23等的处理。此外，可以是，各控制器20、40、15的各处理部利用后述的CPU 901(参照图11)执行的程序进行安装，也可以是一部分或者全部通过ASIC、FPGA、其他电路等实际装置进行安装。
<6.坐标系的校准时的控制内容>
接着，参照图8和图9，对坐标系的校准时的上位控制器20和激光控制器40执行的控制内容的一例进行说明。
在步骤S10中，利用激光控制器40的校准用照射控制部41控制激光扫描器30，按照扫描器坐标系Cs中的规定的图案开始向配置在任意位置处的板50照射校准用激光。例如，将照射位置指定为矩形图案中的点Q1，开始照射。
在步骤S20中，上位控制器20的图像取得部21取得由照相机3拍摄出的板50的表面的激光的光点m的图像。
在步骤S30中，判定上位控制器20的图像取得部21是否取得了与规定的图案对应的全部光点m的图像。例如，判定是否全部取得了与矩形图案对应的4个光点m。在未取得全部光点m的图像的情况下(步骤S30：否)，转移到步骤S40。
在步骤S40中，激光控制器40的校准用照射控制部41控制激光扫描器30，沿着规定的图案变更照射位置。例如，如果当前的照射位置为点Q1，则变更为点Q2，如果当前的照射位置为点Q2，则变更为点Q3，如果当前的照射位置为点Q3，则变更为点Q4。然后，返回上述步骤S20，反复进行相同的处理。
另外，在上述步骤S30中取得了全部光点m的图像的情况下(步骤S30：是)，转移到步骤S50。
在步骤S50中，判定是否在板50的全部配置位置处已完成光点m的拍摄。在板50的全部配置位置处未完成光点m的拍摄的情况下(步骤S50：否)，转移到步骤S60。
在步骤S60中，变更板50的配置位置(高度方向的位置、姿态)。该配置位置的变更可以由作业者通过手动作业进行，也可以通过上位控制器20等的控制，使用适当的装置自动地进行。然后，返回上述步骤S10，反复进行相同的处理。
另外，在上述步骤S50中，在板50的全部配置位置处已完成光点m的拍摄的情况下(步骤S50：是)，转移到步骤S70。
在步骤S70中，上位控制器20的图像分析处理部22对由图像取得部21取得的激光的光点m的各配置位置处的拍摄图像执行图像分析处理，取得构成四棱锥的多个光点m的三维位置(三维点组)。
在步骤S80中，上位控制器20的第1校准处理部25根据多个光点m的三维位置计算回归直线，根据多个回归直线计算构成四棱锥的向量p1、p2、p3、p4。
在步骤S90中，上位控制器20的第1校准处理部25根据向量p1、p2、p3、p4计算加尔瓦诺坐标系Cg的基向量和原点(控制原点P0)。
在步骤S100中，上位控制器20的第1校准处理部25根据加尔瓦诺坐标系Cg计算从照相机坐标系Cc观察到的扫描器坐标。由此，照相机坐标系Cc与扫描器坐标系Cs之间的坐标系的校准(calibration)完成。当步骤S100结束时，转移到图9的步骤S110。
在步骤S110中，上位控制器20的校准判定部27和激光控制器40的校准用照射控制部41控制激光扫描器30，在照相机坐标系Cc上指定照射位置，对配置在规定的基准位置处的板50照射校准用激光。
在步骤S120中，上位控制器20的图像取得部21取得由照相机3拍摄出的板50的表面的光点m的图像，图像分析处理部22分析图像并测量光点m的三维位置。
在步骤S130中，上位控制器20的校准判定部27根据测量出的光点m的三维位置判定扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的校准是否已正常地完成。在坐标系的校准未正常地完成的情况下(步骤S130：是)，返回上述步骤S10，反复进行相同的处理。另一方面，在坐标系的校准已正常地完成的情况下(步骤S130：是)，转移到步骤S140。
在步骤S140中，上位控制器20的第2校准处理部26在校准完成后的照相机3的照相机坐标系Cc与另一照相机3的照相机坐标系Cc之间，进行照相机相互之间的校准。由此，结束本流程。
使用图10对上述照相机相互之间的校准进行说明。如图10所示，沿着输送装置2的输送方向配置有多个照相机3，在该例子中是3个照相机3a、3b、3c。照相机3a、3b、3c的配置间隔被设定成：照相机3a的视野Ma与照相机3b的视野Mb在规定大小的区域Mab中重叠，照相机3b的视野Mb与照相机3c的视野Mc在规定大小的区域Mbc中重叠。
通过由照相机3a和照相机3b各自拍摄配置在区域Mab中的共同的对象物例如标记60而计测位置，能够对彼此的照相机3a、3b的照相机坐标系进行校准。照相机3b以及照相机3c也同样如此。由此，与扫描器坐标系Cs之间仅针对照相机3a～3c中的1个照相机进行校准即可，无需针对其他2个照相机进行相对于扫描器坐标系Cs的校准。
<7.实施方式的效果>
如以上所说明那样，本实施方式中的激光扫描器30的扫描器坐标系Cs与照相机3的照相机坐标系Cc的校准方法具有以下步骤：激光扫描器30按照扫描器坐标系Cs中的规定的图案向板50照射校准用激光，在板50的表面上投射了激光的光点m的状态下变更板50的配置位置，照相机3在板50的各配置位置处拍摄光点m，根据基于拍摄出的图像而得到的照相机坐标系Cc中的多个光点m的三维位置，计算扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的相对位置关系。由此，起到如下效果。
即，在本实施方式中，按照规定的图案向板50照射校准用激光，变更板50的配置位置并拍摄投射到该板50的表面上的激光的光点m而计测三维位置。通过重复以上步骤，能够得到构成激光的规定的图案的三维点组。由此，能够通过扫描器坐标系Cs中的规定的图案与照相机坐标系Cc中的上述三维点组的比较，计算扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的相对位置关系。
这样，由于不再存在以使在扫描器坐标系Cs中指定出的照射位置与实际的照射痕迹的位置一致的方式配置板50的物理前提条件，所以，能够使激光扫描器30与照相机3之间的坐标系的校准实现高精度化和容易化。此外，由于无需机械性地约束照相机3与激光扫描器30的相对位置关系，因此，能够实现低成本化和装置结构的简化。
此外，在本实施方式中，特别是，在计算上述相对位置关系时，根据多个光点m的三维位置计算回归直线，根据多个回归直线的交点位置计算激光的控制原点P0。
由此，能够高精度地计算激光的控制原点P0，所以，能够使扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的校准实现高精度化。
此外，在本实施方式中，特别是，在计算相对位置关系时，根据多个回归直线计算以控制原点P0为原点的加尔瓦诺坐标系Cg的基向量。
由此，能够高精度地计算加尔瓦诺坐标系Cs的基向量，所以，能够使基于加尔瓦诺坐标系Cs的扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的校准实现高精度化。
此外，在本实施方式中，特别是，规定的图案是扫描器坐标系Cs中的与Z轴垂直的面上的矩形图案。由此，起到如下效果。
即，在本实施方式中，构成将控制原点P0与矩形连接起来的四棱锥。这时，通过设矩形的一对的边的两端(点Q1、Q4和点Q2、Q3)为仅X坐标不同而Y坐标一致的点、另一对的边的两端(点Q1、Q2和点Q3、Q4)为仅Y坐标不同而X坐标一致的点，能够根据各个边求出X轴的基向量和Y轴的基向量。此外，通过求出将控制原点P0与矩形的各顶点Q1～Q4连接起来的4个向量p1、p2、p3、p4之和(或平均)，能够求出Z轴的基向量。因此，基向量的计算变得容易。
此外，在本实施方式中，特别是，在计算出扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的相对位置关系之后，在照相机坐标系Cc中指定规定照射位置并照射激光，根据基于拍摄出的图像而得到的光点m的三维位置，判定扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的校准是否已正常地完成。
由此，能够确认坐标系的校准是否已正常地完成，在未正常地完成的情况下，能够反复进行校准。由此，能够进一步提高校准的精度，从而提高可靠性。
此外，在本实施方式中，特别是，在判定为扫描器坐标系Cs与照相机坐标系Cc的校准正常地完成的情况下，在校准完成后的照相机3的照相机坐标系Cc与另一照相机3的照相机坐标系Cc之间进行校准，该另一照相机3的视野与该校准完成后的照相机3重叠。由此，起到如下效果。
即，通过在视野Ma、Mb重叠的照相机3a、3b相互之间，在该重叠的区域Mab中拍摄共同的例如标记60，能够对彼此的坐标系进行校准。因此，在多个照相机3a～3c中的1个照相机与激光扫描器30之间进行校准之后，在该照相机与另一照相机之间进行照相机相互之间的校准，由此，能够节省多个照相机3a～3c各自与激光扫描器30之间进行校准的麻烦，因此，能够使校准作业实现容易化。
此外，在本实施方式中，特别是，利用单一的照相机3拍摄投射在按照规定的配置图案配置有标记51的板50的表面上的激光的光点m。由此，起到如下效果。
即，在本实施方式中，由单一的照相机3通过所谓透视失真匹配处理，测量光点的三维位置。由此，与如所谓立体照相机那样使用多个照相机测量三维位置的情况相比，照相机的个数较少，并且能够使校准作业实现容易化。
此外，在本实施方式中，特别是，激光扫描器30构成为，切换校准用激光与加工用激光而以同一光轴进行照射。由此，能够使用利用校准用激光进行校准后的结果，切换为加工用激光而执行实际的激光加工。
<8.控制器的硬件结构例>
接着，参照图11，对上述说明的上位控制器20的硬件结构例进行说明。另外，机器人控制器15、激光控制器40也能够设为相同的硬件结构。
如图11所示，上述控制器20例如具有CPU 901、ROM 903、RAM 905、ASIC或者FPGA等构建为面向特定用途的专用集成电路907、输入装置913、输出装置915、记录装置917、驱动器919、连接端口921和通信装置923。这些结构经由总线909、输入输出接口911连接成能够相互传输信号。
程序例如能够预先记录在ROM 903、RAM 905、记录装置917等中。记录装置917例如是硬盘等，作为上述存储部32等发挥功能。
此外，程序例如也能够暂时或非暂时(永久)地记录在软盘等磁盘、各种CD/MO盘/DVD等光盘、半导体存储器等可移动的记录介质925中。还能够将这样的记录介质925作为所谓的套装软件来提供。在该情况下，这些记录介质925所记录的程序也可以由驱动器919读出，经由输入输出接口911、总线909等而记录到上述记录装置917中。
此外，程序例如还能够预先记录到下载站点/其它计算机/其它记录装置等(未图示)。在该情况下，程序经由LAN、互联网等网络NW进行传输，通信装置923接收该程序。并且，也可以将通信装置923接收到的程序经由输入输出接口911、总线909等记录到上述记录装置917中。
此外，程序例如还能够预先记录在适当的外部连接设备927中。该情况下，程序可以经由适当的连接端口921进行传输，经由输入输出接口911、总线909等记录到上述记录装置917中。
而且，CPU 901通过按照上述记录装置917所记录的程序，执行各种处理，可实现上述第1校准处理部21、第2校准处理部22、校准判定部23等的处理。此时，CPU 901例如可以从上述记录装置917中直接读出并执行程序，也可以在将程序暂时加载到RAM 905后执行。并且，CPU 901例如也可以在经由通信装置923、驱动器919、连接端口921接收程序的情况下，不将接收到的程序记录到记录装置917而直接执行。
此外，CPU 901也可以根据需要，例如基于从鼠标/键盘/麦克风(未图示)等输入装置913输入的信号和信息进行各种处理。
并且，CPU 901可以从例如显示装置或语音输出装置等输出装置915输出执行上述处理后的结果，并且CPU 901也可以根据需要，经由通信装置923、连接端口921发送该处理结果，还可以将处理结果记录到上述记录装置917、记录介质925中。
另外，在以上的说明中，当存在“垂直”“平行”“平面”等记载时，其不是严格意义上的记载。即，这些“垂直”“平行”“平面”允许设计上、制造上的公差和误差，是“实质上垂直”“实质上平行”“实质上为平面”的意思。
此外，在以上的说明中，当存在外观上的尺寸和大小、形状、位置等“同一”“相同”“相等”“不同”等记载时，其不是严格意义上的记载。即，这些“同一”“相同”“相等”“不同”允许设计上、制造上的公差和误差，是“实质上同一”“实质上相同”“实质上相等”“实质上不同”的意思。
此外，除了以上叙述的方法以外，还可以适当组合上述实施方式的方法来利用。另外，虽然没有一一例示，但上述实施方式可在不脱离其主旨的范围内，施加各种变更来实施。

Claims (14)

1.一种校准方法，是激光照射装置的激光器坐标系与照相机的照相机坐标系的校准方法，其特征在于，具有以下步骤：
所述激光照射装置按照所述激光器坐标系中的规定的图案向对象物照射校准用的激光；
在所述对象物的表面上投射了所述激光的光点的状态下变更所述对象物的配置位置；
所述照相机在所述对象物的各配置位置处拍摄所述光点；以及
根据基于拍摄出的图像而得到的所述照相机坐标系中的多个所述光点的三维位置，计算所述激光器坐标系与所述照相机坐标系的相对位置关系，
在计算所述相对位置关系的步骤中，具有以下步骤：
根据多个所述光点的三维位置计算回归直线；以及
根据多个所述回归直线的交点位置计算所述激光的控制原点。
2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，
在计算所述相对位置关系的步骤中，具有以下步骤：
根据多个所述回归直线计算以所述控制原点为原点的所述激光器坐标系的基向量。
3.根据权利要求1或2所述的校准方法，其特征在于，
所述规定的图案是所述激光器坐标系中的与Z轴垂直的面上的矩形图案。
4.根据权利要求1或2所述的校准方法，其特征在于，
该校准方法还具有如下步骤：
在计算出所述激光器坐标系与所述照相机坐标系的相对位置关系之后，在所述照相机坐标系中指定规定的照射位置并照射所述激光，根据基于拍摄出的所述图像而得到的所述光点的三维位置，判定所述激光器坐标系与所述照相机坐标系的校准是否已正常地执行。
5.根据权利要求4所述的校准方法，其特征在于，
该校准方法还具有以下步骤：
在判定出所述激光器坐标系与所述照相机坐标系的校准已正常地执行的情况下，在校准完成后的所述照相机的照相机坐标系与另一照相机的照相机坐标系之间进行校准，该另一照相机的视野与该校准完成后的照相机的视野重叠。
6.根据权利要求1或2所述的校准方法，其特征在于，
在拍摄所述光点的步骤中，具有以下步骤：
利用单一的照相机对投射在带标记的板的表面上的所述激光的光点进行拍摄，其中，该带标记的板按照规定的配置图案配置有标记。
7.根据权利要求1或2所述的校准方法，其特征在于，
所述激光照射装置构成为切换所述校准用的激光和加工用的所述激光而以同一光轴进行照射。
8.一种校准装置，其进行激光照射装置的激光器坐标系与照相机的照相机坐标系的校准，其特征在于，该校准装置具有：
校准用照射控制部，其将所述激光照射装置控制成按照所述激光器坐标系中的规定的图案向对象物照射校准用的激光；
图像取得部，其取得由所述照相机拍摄的、投射在被变更配置位置的所述对象物的表面上的所述激光的光点的各配置位置处的拍摄图像；以及
第1校准处理部，其根据基于所述拍摄图像而得到的所述照相机坐标系中的多个所述光点的三维位置，计算所述激光器坐标系与所述照相机坐标系的相对位置关系，
所述第1校准处理部根据多个所述光点的三维位置计算回归直线，根据多个所述回归直线的交点位置计算所述激光的控制原点。
9.根据权利要求8所述的校准装置，其特征在于，
所述第1校准处理部根据多个所述回归直线计算以所述控制原点为原点的所述激光器坐标系的基向量。
10.根据权利要求8或9所述的校准装置，其特征在于，
所述规定的图案是所述激光器坐标系中的与Z轴垂直的面上的矩形图案。
11.根据权利要求8或9所述的校准装置，其特征在于，
该校准装置还具有校准判定部，该校准判定部在所述第1校准处理部计算出所述激光器坐标系与所述照相机坐标系的相对位置关系之后，在所述照相机坐标系中指定规定的照射位置并照射所述激光，根据基于拍摄出的所述拍摄图像而得到的所述光点的三维位置，判定所述激光器坐标系与所述照相机坐标系的校准是否已正常地执行。
12.根据权利要求11所述的校准装置，其特征在于，
该校准装置还具有第2校准处理部，该第2校准处理部在所述校准判定部判定为所述激光器坐标系与所述照相机坐标系的校准已正常地执行的情况下，在校准完成后的所述照相机的照相机坐标系与另一照相机的照相机坐标系之间进行校准，该另一照相机的视野与该校准完成后的照相机的视野重叠。
13.根据权利要求8或9所述的校准装置，其特征在于，
所述图像取得部取得由单一的所述照相机拍摄出的、投射在带标记的板的表面上的所述激光的光点的拍摄图像，其中，该带标记的板按照规定的配置图案配置有标记。
14.根据权利要求8或9所述的校准装置，其特征在于，
该校准装置还具有加工用照射控制部，该加工用照射控制部将所述激光照射装置控制成：将所述校准用的激光切换为加工用的所述激光而以同一光轴进行照射。
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